Varmarbejdningsstål vs. koldarbejdningsværktøjsstål: Hvilket er det rigtige for mig?

I fremstillingsindustrien formes og sammensættes produktet ofte med værktøj af stål. Sådanne værktøjer spænder fra det velkendte og uspecialiserede, såsom boremaskiner og skruetrækkere, til mere specialiseret udstyr såsom støbningsmatricer til smeltet metal eller til formning af dele som bilpaneler (inden for ingeniørvidenskab betyder formning smedning eller prægning). Der findes mange typer værktøjsstål. Værktøjsstål til skæring af metal vælges normalt fra en familie kaldet hurtigstål (HSS), som bærer dette navn, fordi det forbliver hårdt og slidstærkt op til 600 grader Celsius (C). HSS kan skære metaller ved høje hastigheder sammenlignet med værktøj af mere almindeligt stål, som ville begynde at blødgøre over cirka 200 grader C. En lignende skelnen findes mellem de typer stål, der bruges til at støbe eller forme metal. I disse operationer taler ingeniører om varmbearbejdningsværktøjsstål og koldbearbejdningsværktøjsstål. Varmarbejdningsstål bruges til matricer, der holder smeltede metaller som aluminium og zink på plads, indtil væsken størkner, eller til at forme metal over 200 grader C (ca.), mens koldarbejdningsstål bruges til at forme metal under samme temperatur.

Introduktion

I fremstillingsindustrien har udtrykkene 'værktøj' og 'værktøjsstål' en særlig teknisk betydning. De bruges til at beskrive en del af fremstillingsmaskineriet, der kommer i kontakt med produktet, og det stål, som denne del er lavet af, hvis den er lavet af stål (som den normalt er).

Værktøj, således defineret, kan anvendes til skæring, støbning eller formning.

Skæring er den handling, der udføres af en boremaskine eller et enkeltpunktsværktøj på en drejebænk. Det er også den handling, der udføres af flerpunktsværktøjet på en fræsemaskine eller et savklinge.

Støbning er handlingen med at holde smeltet metal eller ethvert andet smeltet materiale på plads, indtil det størkner.

Danner er handlingen med at smede, bøje eller præge et massivt emne, således at dets form ændres uden materialetab.

Nogle gange kombineres disse handlinger, for eksempel når en presse skærer en cirkel i en metalplade og samtidig former den til bunden af ​​en gryde.

I denne tekniske anvendelse omtales den maskine, der holder værktøjet, og de materialer, som den maskine, der holder værktøjet, er lavet af, generelt separat fra selve værktøjet.

Værktøjsstålets historie

De allerførste værktøjsstål var sandsynligvis dem, der blev brugt til at fremstille traditionelle instrumenter såsom hamre, ambolte, knive og økser. Dette var i starten næppe til at skelne fra almindeligt jern fremstillet med de mest primitive teknikker.

Men med tiden lærte traditionelle smede at ændre jernets egenskaber for at gøre det sværere til nogle anvendelser og sejere til andre. Disse modificerede former for jern blev de første ægte former for stål.

I stålproduktionens tidlige dage, for mere end tre tusind år siden, opdagede smede, at ved at opvarme jern af en bestemt sammensætning og derefter nedsænke det i olie eller vand, kunne det gøres hårdere, end hvis det blot fik lov til at køle af naturligt. Med "en bestemt sammensætning" mener jeg jern, der indeholdt omtrent en vægtprocent eller deromkring opløst kulstof, når det var i varm tilstand. Pludselig bratkøling ville forhindre kulstoffet i at komme ud af opløsningen og danne forholdsvis store partikler af jernkarbid i en matrix af relativt rent og blødt jern. I stedet låste bratkølingsprocessen kulstofatomerne på plads i det, der nu var en anspændt matrix af jern og kulstof kaldet martensit, som er vanskeligere at deformere.

Selvfølgelig var al denne kemi ikke kendt på det tidspunkt. I stedet arbejdede tidligere smede efter forskellige tommelfingerregler. På engelsk giver dette anledning til udtrykket "black art". Smedenes arbejde var en kunst snarere end en videnskab, det var beskidt og sort i fysisk forstand, og oven i købet vidste ingen rigtig, hvad smedene lavede. Var de i ledtog med dæmoner fra det tilsvarende brændende Helvede? Af alle disse grunde var smedens arbejde kendt som 'black art', et udtryk, der anvendes om enhver anden lignende mystisk proces i dag.

Offentligt domænebillede af en traditionel smed (1606 e.Kr. via Wikimedia Commons

Med tiden blev smedekunsten mere avanceret og dygtig, men stadig en kunst. Stykker af det allerhårdeste stål blev placeret, hvor kanten af ​​et blad ville være, og kombineret med stykker af blødere, men sejere stål for at danne hoveddelen af ​​bladet. En anden metode til indledende forberedelse involverede udfældning af hårdmetaldendritter i en enkelt blok stål. Det opstod dog i starten, at kompositten derefter blev banket, opvarmet og foldet mange gange for at bryde potentielt sprødgørende urenheder og gasbobler og for at danne blade med hårde legemer og hårde kanter. Disse teknikker, som ved navn omfattede den japanske mokume-gane metode og Mellemøsten Damaskus metoden producerede stål med hvirvlende mønstre, der afslørede den underliggende struktur, især når det blev ætset. Alligevel var der kun ringe videnskabelig forståelse af, hvad der virkelig foregik, i modsætning til en mere intuitiv og kunstnerisk forståelse.

Et japansk sværd fremstillet ved hjælp af mokume-gane-teknikken på en baggrund af ringbrynje. Fotografi af 'Dafannin', 12. maj 1986. CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons.

Tingene blev mere videnskabelige i slutningen af ​​1700-tallet og begyndelsen af ​​1800-tallet. Fremkomsten af ​​moderne kemi gjorde det klart, at datidens stål var en legering, ja en komposit, af jern og andre elementer; at det primære tilsætningsstof var kulstof; og at kulstoffet antog forskellige former i blødt stål, hårdt stål og støbejern (hvor koncentrationen af ​​kulstof var omkring fire vægtprocent).

Ved at øge andelen af ​​kulstof i stålet på en kontrolleret måde blev det muligt at producere ekstra hårde, omend noget sprøde, ståltyper, der var gode til at skære i andre former for stål. De første værktøjsstål af en moderne type blev således født.

Disse tidlige værktøjsstål kombinerede en hovedsageligt martensit (hærdet) matrix med yderligere indeslutninger af jernkarbid.

De havde dog den ulempe, at de havde en tendens til at blødgøre over 200 grader Celsius, og dette begrænsede den hastighed, hvormed de kunne bruges til at skære andre ståltyper.

I 1868 fremkom den skotske ingeniør Robert Mushet, selv søn af en af ​​de første jernmestre, der erkendte vigtigheden af ​​kulstof, med en form for stål, der forblev hårdt ved højere temperaturer.

Den nye legering, kendt som Mushet-stål, indeholdt ikke kun de sædvanlige mængder kulstof, men også større mængder mangan og wolfram. Mushet-stål havde også den usædvanlige egenskab, at det ikke behøvede at blive bratkølet i væske. Det var det første 'lufthærdende' stål: et stål, der hærdede til martensitlignende niveauer blot ved at køle ned fra rød varme i en luftstråle.

I begyndelsen af ​​1900-tallet blev egenskaberne ved Mushet-stål yderligere forbedret af den amerikanske ingeniør Frederick Winslow Taylor og hans kolleger. Resultatet blev kendt som hurtigstål (HSS). HSS forbliver brugbart hårdt helt op til 500 eller endda 600 grader Celsius: deraf navnet, da det kan bruges til at skære andre ståltyper ved endnu højere hastigheder end Mushet-stål. Sammen med jern og kulstof, der er fælles for alle typer stål, indeholder de fleste HSS-legeringer fortsat store mængder wolfram plus krom, som har erstattet manganet i den oprindelige Mushet-formulering.

I dag bruges hårdmetalspidser ofte til de mest krævende metalbearbejdningsapplikationer, selvom hurtigstål fortsat er det foretrukne materiale til fremstilling af savklinger og spiralbor, hvor indsættelse af hårdmetalspidser normalt ville være upraktisk, især i kvaliteter med mindre diametre og finere tandstørrelser.

Men hvad med støbning og formning?

Indtil nu har jeg beskrevet forbedringer i værktøjsstål, der bruges til at skære ting, fra tidlige klinger til moderne HSS-industriværktøjer. Den moderne sondring mellem koldarbejdsstål og varmarbejdsstål gælder dog virkelig for stål, der bruges til støbning og formning.

Varmarbejdningsstål anvendes til processer, hvor værktøjets temperatur vil overstige 200 grader Celsius (392 grader Fahrenheit).

Koldarbejdningsstål anvendes til processer, hvor værktøjets temperatur forbliver under 200 grader Celsius.

Delelinjen på 200 grader Celsius er ikke absolut hård og hurtig, da der findes mange forskellige legeringer med forskellige egenskaber, men det er en konventionel skillelinje, der omtales bredt i litteraturen.

Med alle former for værktøjsstål er hovedårsagerne til svigt brud, deformation (især permanent eller 'plastisk' deformation), overfladeslid og udvikling af overfladeudmattelsesrevner forårsaget af cykliske spændinger. Cykliske spændinger er af både mekanisk og termisk oprindelse; termiske spændinger er et særligt alvorligt problem for varmtbearbejdningsstål.

Kolde værktøjsstål

Koldarbejdningsstål er generelt stål med højt kulstofindhold, typisk med et indhold af omkring en til halvanden vægtprocent kulstof. De mest almindelige typer er oliehærdende lavlegerede kvaliteter, lufthærdende mellemlegerede kvaliteter og kvaliteter med højt kulstofindhold og højt kromindhold.

Oliehærdende lavlegerede ståltyper er de billigste. Bortset fra at de indeholder færre urenheder, er de ellers stort set de samme som de gammeldags former for værktøjsstål, der blev brugt før Mushet-stål.

Lufthærdende mellemlegeringskvaliteter hærder med mindre deformation end stål, der skal hærdes. De kan også hærdes i tykkere sektioner end oliehærdet stål, op til 100 millimeter eller mere.

Højkarboniserede og kromholdige kvaliteter, som hærdes enten ved oliekølelse eller lufthærdning afhængigt af deres nøjagtige sammensætning, er de mest slidstærke.

Koldarbejdningsstål bruges typisk til en lang række industrielle anvendelser i hverdagen, herunder:

• Støbning af plast
• Matricer til formning af tynde metalpaneler, såsom buede karrosseripaneler på biler
• Drejebænkspatroner og centre
• Rollers
• Valsformningsmatrices til gevind og rifling
• Rømmere, rivaler, gevindtappe og dorne
• Hjul og holdere til bearbejdning af tråd og kolde rør
• Sakse, klinger og andre skæreværktøjer til anvendelser, hvor skæringen er kort, og der genereres lidt varme
• Målere
• Blanknings-, tegne- og hulmatricer

Hot Work Tool Stål

Ligesom Mushet-stål og de tidligste hurtigstål har varmtarbejdsstål traditionelt indeholdt store mængder wolfram som legeringselement. Der findes dog også varmtarbejdsstål, der har krom som det primære legeringselement, og andre kvaliteter, der har molybdæn som det primære legeringselement.

Udover højhastighedsmetalskæring og -boring anvendes varmtarbejdsstål typisk til:

• Trykstøbning af metaller
• Ekstrudering
• Smedning
• Fremstilling af glasprodukter

Materialevalg til støbning

Støbeprocesser, hvortil der anvendes værktøjsstål, kaldes trykstøbning, hvor værktøjet fungerer som en matrice, der giver en detaljeret eller forholdsvis præcis form til det færdige emne på måder, der er mere trofaste og gentagelige end det er muligt ved støbning i sandforme.

Trykstøbning stammer sandsynligvis fra støbningen af ​​bogstaver til bevægelige typer i 1400-tallet e.Kr. i åbne matricer i form af hvert bogstav. I moderne forstand sprøjtes metallet under tryk ind i en form lavet af to modsatrettede værktøjer, som det fylder præcist.

Værktøjsfremstilling til plast fremstilles almindeligvis af specielle kvaliteter af koldarbejdningsstål kendt som P-stål, aluminium eller beryllium-kobberlegeringer. Fordelene ved kobber og aluminium til denne anvendelse omfatter en meget højere varmeledningsevne og dermed hurtigere og mere jævn afkøling end stål.

På den anden side holder stålforme længere (op til millioner af cyklusser) og kan bedre modstå erosion fra stråler af hurtigtbevægelig plast, især hvis den indeholder slibende kompositforstærkning såsom glasfiber. Nogle overfladebehandlinger kan også kun opnås pålideligt med stål.

Materialevalg til formningsprocesser

Metalformningsprocesser, hvortil koldarbejdsstål anvendes, involverer generelt ikke en meget høj grad af bulkdeformation af metallet. Påføring af skruegevind på overfladen af ​​en stang ved valsning eller presning af en flad metalplade ind i de komplekse kurver på et bilkarosseri, er typiske for koldformningsprocesser i den forstand.

Koldvalsning af et skruegevind. Grafik af 'Tosaka', 12. oktober 2009, CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.

Koldarbejdningsprocesser giver ofte nogle forbedringer af metallets kvalitet gennem omorientering af metallets krystallinske struktur og arbejde hærdning, selvom effekten på krystalstrukturen normalt er begrænset til overfladen og mindre dramatisk end i tilfælde af smedning, hvilket jeg diskuterer i næste afsnit.

Alle de mere drastiske processer inden for metalformning involverer varmt arbejde (over 200 grader Celsius). Som nævnt omfatter disse:

• Ekstrudering, og
• Smedning

Som vi også har nævnt, er fremstilling af glasgenstande en anden vigtig anvendelse af varmt værktøjsstål.

Ekstrudering er den proces, hvorved et opvarmet og blødgjort materiale presses gennem en matrice for at danne en lang genstand med konstant tværsnitsprofil. De mest kendte eksempler på ekstruderede genstande er plast- og aluminiumsprofiler, som kan have ret komplicerede former. Plastprofiler kan ekstruderes gennem koldarbejdsstålmatrices, men aluminiumsprofiler skal ekstruderes gennem varmarbejdsstålmatrices.

En særlig kategori af ekstrudering er upset-ekstrudering, der bruges til at danne ting som aluminiumsdåser og pillerør. Ved upset-ekstrudering presses en matrice ned i et blankt stykke metal, som derefter strømmer baglæns rundt om matricen for at danne dåsen eller røret. Det er virkelig bemærkelsesværdigt, at dåser og rør med så tynde, men jævne vægge kan dannes ved denne metode.

Sømløse rør fremstilles også ved ekstrudering. En massiv barre opvarmes og gennembores derefter i midten. Den placeres derefter over en dorn og får sin endelige størrelse og vægtykkelse ved ekstrudering.

Smedning er den proces, hvorved et stykke varmt metal, ofte rødglødende, bankes til sin endelige form af en industrihammer, efterfulgt af kun mindre bearbejdnings- (skærings-) operationer. Et godt eksempel på et produkt, der normalt fremstilles ved smedning, er en skruenøgle. Hammeren kan være mekanisk drevet i begge retninger, eller den kan løftes mekanisk og slippes af tyngdekraften ("sænksmedning").

Smedning af ståldæk til jernbanetoghjul. Foto af Rainer Halama, 19 juni 2010, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Smedning er en direkte industriel efterkommer af ældre smedeteknikker som mokume-gane og damaskus. Den har en lignende effekt, nemlig at den får glasagtige urenheder og gasbobler til at blive spredt og lukket, og de store krystaller eller 'korn', der normalt findes inde i støbt metal – svarende til pailletter på et galvaniseret jernhegn, der i sig selv er en type metalkrystal – til at blive ødelagt og erstattet af mindre og i mange tilfælde også deformeret i retning af de ydre kurver i den endelige form.

Som man kunne forvente, er en finkornet struktur bedre end en grov; og en finkornet struktur, hvor kornene også følger produktets form, forbedrer de mekaniske egenskaber af det færdige produkt yderligere, hvilket gør det langt mindre sandsynligt, at artiklen revner i et hjørne under tunge belastninger end ellers.

Der er en meget god illustration af formfølgende krystaller på hjemmesiden for dropforging.netDen væsentlige lighed med produkterne fra tidligere tiders dygtigste smede er tydelig, bortset fra at resultatet i dette tilfælde er en industriel artikel snarere end et sværd.

Mange af de mest 'alvorlige' mekaniske genstande, genstande der bærer tunge belastninger og ville have alvorlige eller i det mindste meget irriterende konsekvenser, hvis de skulle gå i stykker, er smedede. Sammen med skruenøgler, der kan knække på de punkter med maksimal belastning, nær møtrikken, omfatter smedede genstande, hvis de blev fremstillet på en anden måde, krumtapaksler til motorer og de plejlstænger, der forbinder stemplerne med krumtapakslen, selvom stemplerne selv normalt er støbte. (Smedede stempler bruges dog i racermotorer og bliver stadig mere populære i almindelig brug).

Der er to hovedtyper af smedning: åben smedning og lukket matricesmedning. Åben smedning banker metal til en grov form og forbedrer dets generelle indre struktur, men giver ikke ellers nogen særlig bestemt form eller åremønster. Lukket matricesmedning producerer mere bestemte former og åremønstre.