Höghastighetsstål

Höghastighetsstål  - legerade stål huvudsakligen avsedda för tillverkning av skärande verktyg som arbetar med höga skärhastigheter.

Höghastighetsstål måste ha hög hållfasthet , hårdhet (kallt och varmt) och röd hårdhet .

Kolverktygsstål har också hög brotthållfasthet och kallhårdhet . Men verktyget av dem kan inte ge höghastighetsklippningsförhållanden . Legering av höghastighetsstål med volfram , molybden , vanadin och kobolt ger varmhårdhet och rödhårdhet av stål.

Skapande berättelser

För svarvning av delar av trä, icke-järnmetaller, mjukt stål, var fräsar av vanligt hårt stål ganska lämpliga, men vid bearbetning av ståldelar värmdes fräsen snabbt upp, bar snart ut och delen kunde inte vändas med en hastighet på mer än 5 m/min [1] .

Denna barriär övervanns efter att R. Muschette fick stål innehållande 1,85 % kol, 9 % volfram och 2,5 % mangan 1858. Tio år senare tillverkade Muschette ett nytt stål, kallat self-roller. Den innehöll 2,15 % kol, 0,38 % mangan, 5,44 % volfram och 0,4 % krom. Tre år senare började tillverkningen av muschettestål vid Samuel Osburn-fabriken i Sheffield. Den förlorade inte sin skärförmåga när den värmdes till 300 ° C och gjorde det möjligt att öka metallskärhastigheten med en och en halv gånger - 7,5 m / min.

Fyrtio år senare dök höghastighetstålet från de amerikanska ingenjörerna Taylor och Watt upp på marknaden. Fräsar gjorda av detta stål tillät en skärhastighet på upp till 18 m/min. Detta stål blev prototypen för modernt P18 höghastighetsstål.

Efter ytterligare 5-6 år dök det upp ultrahöghastighetsstål, vilket medgav en skärhastighet på upp till 35 m / min. Således, tack vare volfram, uppnåddes en sjufaldig ökning av skärhastigheten under 50 år och följaktligen ökade produktiviteten hos metallskärmaskiner med samma belopp.

Ytterligare framgångsrik användning av volfram har funnit tillämpning vid skapandet av hårda legeringar, som består av volfram, krom, kobolt. Skärlegeringar som stellit skapades. Den första stelliten gjorde det möjligt att öka skärhastigheten till 45 m/min vid en temperatur på 700–750°C. En legering av arten, släppt av Krupp 1927, hade en hårdhet på Mohs-skalan på 9,7–9,9 (hårdheten hos diamant är 10).

På 1970-talet, på grund av bristen på volfram, ersattes höghastighetsstål R18 nästan allmänt med stålsorten R6M5 (det så kallade "samokal", självhärdande stålet), som i sin tur ersätts av volfram- gratis R0M5F1 och R0M2F3.

Egenskaper hos höghastighetsstål

Varm hårdhet

Vid normala temperaturer är hårdheten hos kolstål till och med något högre än för snabbstål. Men under driften av skärverktyget frigörs intensiv värme . I det här fallet går upp till 80 % av den frigjorda värmen till att värma verktyget. På grund av ökningen av skäreggens temperatur börjar anlöpningen av verktygsmaterialet och dess hårdhet minskar.

Efter uppvärmning till 200 °C börjar hårdheten hos kolstål snabbt sjunka. För detta stål är skärförhållandena oacceptabla, där verktyget skulle värmas upp över 200 ° C. Snabbstål behåller hög hårdhet vid uppvärmning till 500–600 °C. HSS-verktyg är mer produktiva än kolstålverktyg.

Röd härdighet

Om varmhårdhet kännetecknar vilken temperatur stålet tål, så kännetecknar röd hårdhet hur länge stålet tål en sådan temperatur. Det vill säga hur länge det härdade och härdade stålet kommer att motstå uppmjukning under uppvärmning.

Det finns flera egenskaper hos röd hårdhet. Låt oss ta två av dem.

Den första egenskapen visar vilken hårdhet stålet kommer att ha efter anlöpning vid en viss temperatur under en given tid.

Det andra sättet att karakterisera den röda hårdheten är baserat på det faktum att intensiteten av minskningen av varm hårdhet kan mätas inte bara vid hög temperatur, utan också vid rumstemperatur , eftersom hårdhetsminskningskurvorna vid hög temperatur och rumstemperatur är lika långt borta. , och det är naturligtvis mycket lättare att mäta hårdhet vid rumstemperatur än vid hög. Experiment har visat att skäregenskaper går förlorade vid en hårdhet av 50 HRC vid en skärtemperatur, vilket motsvarar ca 58 HRC vid rumstemperatur. Följaktligen kännetecknas den röda hårdheten av anlöpningstemperaturen, vid vilken hårdheten minskar till 58 HRC på 4 timmar (beteckning K 4 p58 ).

Destruktionsmotstånd

Förutom "heta" egenskaper krävs även höga mekaniska egenskaper av materialet till skärverktyget; detta innebär motstånd mot spröd fraktur, eftersom vid hög hårdhet (mer än 60 HRC) uppstår brott alltid genom en spröd mekanism. Styrkan hos sådana mycket hårda material definieras vanligtvis som motståndet mot brott vid böjning av prismatiska prover utan skåror under statisk (långsam) och dynamisk (snabb) belastning. Ju högre hållfasthet, desto mer kraft kan den arbetande delen av verktyget motstå, desto större matning och skärdjup kan appliceras, och detta ökar produktiviteten i skärprocessen.

Kemisk sammansättning av höghastighetsstål

Tillverkning och bearbetning av höghastighetsstål

Höghastighetsstål tillverkas både på det klassiska sättet (gjutning av stål i göt, valsning och smidning ), och genom pulvermetallurgiska metoder (sprutning av en stråle av flytande stål med kväve ) [3] . Kvaliteten på snabbstål bestäms till stor del av dess smidesgrad . Med otillräcklig smide av stål tillverkat på klassiskt sätt observeras hårdmetallsegregering .

Vid tillverkning av höghastighetsstål är ett vanligt misstag att betrakta det som ett "självhärdande stål". Det vill säga att det räcker att värma stålet och kyla det i luft , och du kan få ett hårt slitstarkt material. Detta tillvägagångssätt tar absolut inte hänsyn till egenskaperna hos höglegerade verktygsstål.

Höghastighetsstål måste glödgas före härdning . I dåligt glödgade stål observeras en speciell typ av äktenskap: naftalenbrott, när det med normal hårdhet av stål har ökat sprödheten .

Korrekt val av härdningstemperatur säkerställer maximal löslighet av legeringstillsatser i a-järn , men leder inte till korntillväxt.

Efter härdning finns 25-30% restaustenit kvar i stålet . Förutom att reducera verktygets hårdhet leder restaustenit till en minskning av stålets värmeledningsförmåga , vilket är extremt oönskat för arbetsförhållanden med intensiv uppvärmning av skäreggen. Att minska mängden restaustenit uppnås på två sätt: genom att bearbeta stål med kyla eller genom upprepad härdning [3] . Vid bearbetning av stål med kyla kyls det till -80 ... -70 ° C, sedan härdat. Med multipel temperering utförs cykeln "värme - hålla - kyla" 2-3 gånger. I båda fallen uppnås en betydande minskning av mängden kvarhållen austenit , men den kan inte helt elimineras.

Principer för legering av höghastighetsstål

Den höga hårdheten hos martensit tillskrivs upplösningen av kol i α-järn . Det är känt att vid anlöpning från martensit i kolstål frigörs små partiklar av karbid . Så länge de utfällda karbiderna fortfarande befinner sig i den finaste spridda spridningen (det vill säga i det första steget av utfällning under anlöpning upp till 200 °C), minskar inte hårdheten märkbart. Men om anlöpningstemperaturen höjs över 200 °C växer karbidfällningar och hårdheten sjunker.

För att stål ska stabilt behålla sin hårdhet vid upphettning är det nödvändigt att legera det med element som skulle hindra processen för koagulering av karbider. Om något karbidbildande element införs i stålet i en sådan mängd att det bildar en speciell karbid, så ökar den röda hårdheten abrupt. Detta beror på det faktum att den speciella karbiden fälls ut från martensiten och koagulerar vid högre temperaturer än järnkarbid , eftersom detta kräver inte bara diffusion av kol , utan även diffusion av legeringselement. Nästan märkbar koagulering av speciella karbider av krom , volfram , molybden , vanadin sker vid temperaturer över 500 °C.

Röd hårdhet skapas genom att legera stål med karbidbildande element (volfram, molybden, krom, vanadin) i en sådan mängd att de binder nästan allt kol till speciella karbider , och dessa karbider går i lösning under härdning . Trots den stora skillnaden i den totala kemiska sammansättningen är sammansättningen av den fasta lösningen mycket lika i alla stål, atomsumman W + Mo + V, som bestämmer den röda hårdheten, är cirka 4% (atomär), därav den röda hårdheten och skäregenskaperna för olika kvaliteter av höghastighetsstål är nära. Höghastighetsstål som innehåller kobolt överträffar andra stål i skäregenskaper (det ökar rödhårdheten), men kobolt är ett mycket dyrt element.

Märkning av höghastighetsstål

I sovjetiska och ryska stålmärken har höghastighetstålsorter vanligtvis ett speciellt beteckningssystem och börjar med bokstaven "R" (snabbt - snabbt). Detta beror på det faktum att dessa stål uppfanns i England , där sådant stål kallades "rapid steel". Siffran efter bokstaven "P" indikerar det genomsnittliga innehållet av volfram i den (som en procentandel av den totala massan är bokstaven B utelämnad). Sedan anges innehållet av molybden, vanadin och kobolt efter bokstäverna M, F och K. Utlandstillverkade snabbstålverktyg är vanligtvis märkta med förkortningen HSS (High Speed ​​​​Steel), samt HSSE (koboltstål).

Applikation

Under de senaste decennierna har användningen av snabbstål minskat på grund av den utbredda användningen av hårda legeringar . Snabbstål används främst för ändverktyg (tappar, borrar, fräsar med små diametrar) Vid svarvning har fräsar med utbytbara och lödda hårdmetallskär nästan helt ersatt höghastighetstålskärar.

Följande rekommendationer finns för användning av inhemska kvaliteter av höghastighetsstål.

• Stål P9 rekommenderas för tillverkning av enkelt formade verktyg som inte kräver en stor mängd slipning, för bearbetning av vanliga konstruktionsmaterial. ( fräsar , fräsar , försänkningar ).
• För formade och komplexa verktyg (för skärning av trådar och tänder), för vilka huvudkravet är hög slitstyrka, rekommenderas att använda stål P18 (volfram).
• Kobolt-höghastighetsstål (Р9К5, Р9К10) används för att bearbeta delar gjorda av svårbearbetade korrosionsbeständiga och värmebeständiga stål och legeringar, under förhållanden med avbruten skärning, vibrationer och otillräcklig kylning.
• Vanadin höghastighetsstål (R9F5, R14F4) rekommenderas för tillverkning av verktyg för efterbehandling (broscher, brotschar , rakapparater). De kan användas för bearbetning av svårbearbetade material vid skärning av spån med litet tvärsnitt.
• Volfram-molybdenstål (R9M4, R6M3) används för verktyg som arbetar under grovbearbetning, såväl som för tillverkning av broscher, fräsar, rakmaskiner, fräsar .

Anteckningar

1. ↑ Mezenin N.A. Intressant om hårdvara Arkivexemplar av 11 juni 2010 på Wayback Machine . - M .: "Metallurgi", 1972. - 200 sid.
2. ↑ Grader av stål och legeringar / V. G. Sorokin, A. V. Volosnikova, S. A. Vyatkin och andra. ed. V. G. Sorokina. - M .: Mashinostroenie, 1989. - 640 sid.
3. ↑ 1 2 Gulyaev A.P. Metal Science Arkivexemplar av 11 juni 2010 på Wayback Machine . Lärobok för gymnasieskolor. 6:e uppl., reviderad. och ytterligare - M .: "Metallurgi", 1986. - 544 sid.

Litteratur

• Teknik för byggmaterial. Ed. A. M. Dalsky. - M .: "Engineering", 1958.

Länkar

• Wikimedia Commons har media relaterade till höghastighetsstål
• Höghastighetsstål