Højhastighedsstål

Højhastighedsstål  - legeret stål , der hovedsageligt er beregnet til fremstilling af metalskærende værktøjer, der arbejder ved høje skærehastigheder.

Højhastighedsstål skal have høj styrke , hårdhed (kold og varm) og rød hårdhed .

Kulstofværktøjsstål har også høj brudmodstand og koldhårdhed . Men værktøjet af dem er ikke i stand til at give højhastighedsskæreforhold . Legering af højhastighedsstål med wolfram , molybdæn , vanadium og kobolt giver varm hårdhed og rød hårdhed af stål.

Skabelsehistorier

Til drejning af dele af træ var ikke-jernholdige metaller, blødt stål, fræsere lavet af almindeligt hårdt stål ganske velegnede, men ved bearbejdning af ståldele blev fræseren hurtigt opvarmet, blev hurtigt slidt, og delen kunne ikke drejes med en hastighed på mere end 5 m/min [1] .

Denne barriere blev overvundet, efter at R. Muschette modtog stål indeholdende 1,85 % kulstof, 9 % wolfram og 2,5 % mangan i 1858. Ti år senere producerede Muschette et nyt stål, kaldet selvrulle. Den indeholdt 2,15% kulstof, 0,38% mangan, 5,44% wolfram og 0,4% chrom. Tre år senere begyndte produktionen af ​​muschette-stål på Samuel Osburn-fabrikken i Sheffield. Den mistede ikke sin skæreevne, når den blev opvarmet til 300 ° C og gjorde det muligt at øge metalskærehastigheden med en og en halv gang - 7,5 m / min.

Fyrre år senere dukkede højhastighedsstålet fra de amerikanske ingeniører Taylor og Watt op på markedet. Fræsere fremstillet af dette stål tillod en skærehastighed på op til 18 m/min. Dette stål blev prototypen på moderne P18 højhastighedsstål.

Efter yderligere 5-6 år dukkede ultra-højhastighedsstål op, hvilket tillod en skærehastighed på op til 35 m / min. Takket være wolfram blev der således opnået en syvdobling af skærehastigheden over 50 år, og som følge heraf steg produktiviteten af ​​metalskæringsmaskiner med samme mængde.

Yderligere succesfuld brug af wolfram har fundet anvendelse i skabelsen af ​​hårde legeringer, som består af wolfram, krom, kobolt. Kutterlegeringer såsom stellit blev skabt. Den første stellit gjorde det muligt at øge skærehastigheden til 45 m/min ved en temperatur på 700–750°C. En legering af arten, udgivet af Krupp i 1927, havde en hårdhed på Mohs-skalaen på 9,7-9,9 (hårdheden af ​​diamant er 10).

I 1970'erne, på grund af manglen på wolfram, blev højhastighedsstål R18 næsten universelt erstattet af stålkvalitet R6M5 (det såkaldte "samokal", selvhærdende stål), som igen er ved at blive erstattet af wolfram- gratis R0M5F1 og R0M2F3.

Karakteristika for højhastighedsstål

Varm hårdhed

Ved normale temperaturer er hårdheden af ​​kulstofstål endda noget højere end højhastighedsstål. Under driften af ​​skæreværktøjet frigives der imidlertid intens varme . I dette tilfælde bruges op til 80 % af den frigivne varme på opvarmning af værktøjet. På grund af stigningen i skærkantens temperatur begynder anløbningen af ​​værktøjsmaterialet, og dets hårdhed falder.

Efter opvarmning til 200 °C begynder hårdheden af ​​kulstofstål at falde hurtigt. For dette stål er skæreforhold uacceptable, hvor værktøjet vil varme op til over 200 ° C. Højhastighedsstål bevarer høj hårdhed, når det opvarmes til 500–600 °C. HSS-værktøjer er mere produktive end kulstofstålværktøjer.

Rød hårdførhed

Hvis varm hårdhed karakteriserer, hvilken temperatur stålet kan modstå, så karakteriserer rød hårdhed, hvor længe stålet vil modstå en sådan temperatur. Det vil sige, hvor længe det hærdede og hærdede stål vil modstå blødgøring under opvarmning.

Der er flere karakteristika ved rød hårdhed. Lad os tage to af dem.

Den første karakteristik viser, hvilken hårdhed stålet vil have efter anløbning ved en bestemt temperatur i en given tid.

Den anden måde at karakterisere den røde hårdhed på er baseret på det faktum, at intensiteten af ​​faldet i varm hårdhed kan måles ikke kun ved høj temperatur, men også ved stuetemperatur , da hårdhedsfaldskurverne ved høj temperatur og stuetemperatur er lige langt. , og det er selvfølgelig meget nemmere at måle hårdhed ved stuetemperatur end ved høj. Forsøg har vist, at skæreegenskaber går tabt ved en hårdhed på 50 HRC ved en skæretemperatur, hvilket svarer til ca. 58 HRC ved stuetemperatur. Derfor er den røde hårdhed karakteriseret ved tempereringstemperaturen, ved hvilken hårdheden falder til 58 HRC på 4 timer (betegnelse K 4 p58 ).

Destruktionsmodstand

Ud over "varme" egenskaber kræves der også høje mekaniske egenskaber af materialet til skæreværktøjet; dette betyder modstand mod skørt brud, da brud ved høj hårdhed (mere end 60 HRC) altid opstår ved en skør mekanisme. Styrken af ​​sådanne meget hårde materialer defineres sædvanligvis som modstanden mod brud ved bøjning af prismatiske prøver uden indhak under statisk (langsom) og dynamisk (hurtig) belastning. Jo højere styrke, jo mere kraft kan den arbejdende del af værktøjet modstå, jo større tilspænding og skæredybde kan påføres, og dette øger produktiviteten af ​​skæreprocessen.

Kemisk sammensætning af højhastighedsstål

Fremstilling og forarbejdning af højhastighedsstål

Højhastighedsstål fremstilles både på den klassiske måde (støbning af stål i ingots, valsning og smedning ), og ved pulvermetallurgiske metoder (sprøjtning af en stråle af flydende stål med nitrogen ) [3] . Kvaliteten af ​​højhastighedsstål er i høj grad bestemt af dets smedningsgrad . Ved utilstrækkelig smedning af stål fremstillet på klassisk vis observeres karbidadskillelse .

Ved fremstilling af højhastighedsstål er en almindelig fejl at gribe det an som et "selvhærdende stål". Det vil sige, at det er nok at opvarme stålet og køle det i luft , og du kan få et hårdt slidbestandigt materiale. Denne tilgang tager absolut ikke højde for egenskaberne ved højlegeret værktøjsstål.

Højhastighedsstål skal udglødes før hærdning . I dårligt udglødet stål observeres en særlig type ægteskab: naphthalenbrud, når det med normal hårdhed af stål har øget skørhed .

Korrekt valg af bratkølingstemperaturen sikrer maksimal opløselighed af legeringstilsætninger i α-jern , men fører ikke til kornvækst.

Efter hærdning forbliver 25-30% restaustenit i stålet . Ud over at reducere værktøjshårdheden fører restaustenit til et fald i stålets varmeledningsevne , hvilket er ekstremt uønsket for arbejdsforhold med intens opvarmning af skærkanten. Reduktion af mængden af ​​restaustenit opnås på to måder: ved forarbejdning af stål med kulde eller ved gentagen anløbning [3] . Ved forarbejdning af stål med kulde afkøles det til -80 ... -70 ° C, derefter hærdet. Med multiple temperering udføres cyklussen "opvarmning - hold - køling" 2-3 gange. I begge tilfælde opnås en betydelig reduktion i mængden af ​​tilbageholdt austenit , men den kan ikke helt elimineres.

Principper for legering af højhastighedsstål

Den høje hårdhed af martensit tilskrives opløsningen af ​​kulstof i α-jern . Det er kendt, at der ved anløbning fra martensit i kulstofstål frigives bittesmå partikler af carbid . Så længe de udfældede karbider stadig er i den fineste spredte spredning (det vil sige i det første fældningstrin under anløbning op til 200 °C), falder hårdheden ikke mærkbart. Men hvis anløbningstemperaturen hæves til over 200 °C, vokser karbidudfældninger, og hårdheden falder.

For at stål stabilt kan bevare sin hårdhed, når det opvarmes, er det nødvendigt at legere det med elementer, der ville hæmme processen med koagulering af karbider. Hvis der indføres et hårdmetaldannende element i stålet i en sådan mængde, at det danner et specielt hårdmetal, så stiger den røde hårdhed brat. Dette skyldes, at det specielle karbid udfældes fra martensitten og koagulerer ved højere temperaturer end jerncarbid , da dette ikke kun kræver diffusion af kulstof , men også diffusion af legeringselementer. Næsten mærkbar koagulering af specielle karbider af chrom , wolfram , molybdæn , vanadium forekommer ved temperaturer over 500 °C.

Rød hårdhed skabes ved at legere stål med karbiddannende elementer (wolfram, molybdæn, krom, vanadium) i en sådan mængde, at de binder næsten alt kulstof til specielle karbider , og disse karbider går i opløsning under bratkøling . På trods af den store forskel i den overordnede kemiske sammensætning er sammensætningen af ​​den faste opløsning meget ens i alle stål, atomsummen W + Mo + V, som bestemmer den røde hårdhed, er cirka 4% (atomar), deraf den røde hårdhed og skæreegenskaberne for forskellige kvaliteter af højhastighedsstål er tæt på. Højhastighedsstål, der indeholder kobolt , overgår andre stål med hensyn til skæreegenskaber (det øger rød hårdhed), men kobolt er et meget dyrt element.

Mærkning af højhastighedsstål

I sovjetiske og russiske stålmærker har højhastighedsstålkvaliteter normalt et særligt betegnelsessystem og begynder med bogstavet "R" (hurtigt - hurtigt). Dette skyldes det faktum, at disse stål blev opfundet i England , hvor sådant stål blev kaldt "hurtigt stål". Tallet efter bogstavet "P" angiver det gennemsnitlige indhold af wolfram i det (som en procentdel af den samlede masse er bogstavet B udeladt). Derefter er indholdet af molybdæn, vanadium og kobolt angivet efter bogstaverne M, F og K. Udenlandsk fremstillet højhastighedsstålværktøj er normalt mærket med forkortelsen HSS (High Speed ​​​​Steel) samt HSSE (koboltstål).

Ansøgning

I de seneste årtier har brugen af ​​højhastighedsstål været faldende på grund af den udbredte brug af hårde legeringer . Højhastighedsstål bruges hovedsageligt til endeværktøj (haner, bor, fræsere med små diametre) Ved drejning har fræsere med udskiftelige og loddede hårdmetalskær næsten fuldstændig erstattet højhastighedsstålfræsere.

Følgende anbefalinger findes for brugen af ​​indenlandske kvaliteter af højhastighedsstål.

• Stål P9 anbefales til fremstilling af enkeltformede værktøjer, der ikke kræver en stor mængde slibning, til forarbejdning af almindelige konstruktionsmaterialer. ( kuttere , fræsere , forsænkere ).
• Til formede og komplekse værktøjer (til skæring af gevind og tænder), hvor hovedkravet er høj slidstyrke, anbefales det at bruge stål P18 (wolfram).
• Kobolt højhastighedsstål (Р9К5, Р9К10) bruges til bearbejdning af dele lavet af korrosionsbestandige og varmebestandige stål og legeringer, der er svære at bearbejde, under forhold med afbrudt skæring, vibrationer og utilstrækkelig afkøling.
• Vanadium højhastighedsstål (R9F5, R14F4) anbefales til fremstilling af værktøjer til efterbehandling (brikker, rivere , barbermaskiner). De kan bruges til bearbejdning af svært bearbejdede materialer ved skæring af spåner med lille tværsnit.
• Wolfram-molybdænstål (R9M4, R6M3) bruges til værktøj, der arbejder under skrubbearbejdning, såvel som til fremstilling af brocher, fræsere, barbermaskiner, fræsere .

Noter

1. ↑ Mezenin N.A. Interessant om hardware Arkiveksemplar af 11. juni 2010 på Wayback Machine . - M .: "Metallurgi", 1972. - 200 s.
2. ↑ Grader af stål og legeringer / V. G. Sorokin, A. V. Volosnikova, S. A. Vyatkin og andre. udg. V. G. Sorokina. - M .: Mashinostroenie, 1989. - 640 s.
3. ↑ 1 2 Gulyaev A.P. Metal Science Arkiveksemplar af 11. juni 2010 på Wayback Machine . Lærebog for gymnasier. 6. udg., revideret. og yderligere - M .: "Metallurgi", 1986. - 544 s.

Litteratur

• Teknologi af byggematerialer. Ed. A. M. Dalsky. - M .: "Engineering", 1958.

Links

• Wikimedia Commons har medier relateret til højhastighedsstål
• Højhastighedsstål