U proizvodnoj industriji, proizvod se često oblikuje i sastavlja alatima od čelika. Takvi alati kreću se od poznatih i nespecijaliziranih, poput bušilica i odvijača, do specijaliziranije opreme poput kalupa za lijevanje rastaljenog metala ili za oblikovanje dijelova poput panela automobila (u inženjerstvu, oblikovanje znači kovanje ili štancanje). Postoje mnoge vrste alatnog čelika. Alatni čelik za rezanje metala obično se bira iz obitelji koja se naziva brzorezni čelici (HSS), koji nose to ime jer ostaju tvrdi i otporni na habanje do čak 600 stupnjeva Celzija (C). HSS može rezati metale velikim brzinama u usporedbi s alatima od običnijeg čelika, koji bi se počeli omekšavati iznad otprilike 200 stupnjeva C. Slična razlika postoji među vrstama čelika koji se koriste za lijevanje ili oblikovanje metala. U tim operacijama inženjeri govore o alatnom čeliku za vrući rad i alatnom čeliku za hladni rad. Alatni čelik za vruću obradu koristi se za kalupe koji drže rastaljene metale poput aluminija i cinka na mjestu dok se tekućina ne skrutne ili za oblikovanje metala iznad 200 stupnjeva C (otprilike), dok se alatni čelik za hladnu obradu koristi za oblikovanje metala ispod iste temperature.
Uvod
U proizvodnoj industriji, pojmovi 'alat' i 'alatne čelike' imaju posebno tehničko značenje. Koriste se za opisivanje dijela proizvodnog stroja koji dolazi u kontakt s proizvodom i čelika od kojeg je taj dio izrađen, ako je izrađen od čelika (što je obično slučaj).
Alati, tako definirani, mogu se koristiti za rezanje, lijevanje ili oblikovanje.
Rezanje je radnja koju izvodi bušilica ili alat s jednom tokarilicom. To je također radnja koju izvodi višetočkovni alat glodalice ili list pile.
Lijevanje je radnja držanja rastaljenog metala ili bilo kojeg drugog rastaljenog materijala na mjestu dok se ne stvrdne.
Formiranje je postupak kovanja, savijanja ili štancanja čvrstog obratka, tako da se njegov oblik mijenja bez gubitka materijala.
Ponekad se te radnje kombiniraju, na primjer kada preša reže krug u metalnom limu i istovremeno ga oblikuje u dno lonca.
U ovoj tehničkoj upotrebi, stroj koji drži alat i materijali od kojih je izrađen stroj koji drži alat općenito se nazivaju odvojeno od samog alata.
Povijest alatnih čelika
Prvi alatni čelici vjerojatno su bili oni koji su se koristili za izradu tradicionalnih instrumenata poput čekića, nakovnja, noževa i sjekira. U početku se to teško razlikovalo od običnog željeza izrađenog najprimitivnijim tehnikama.
No s vremenom su tradicionalni kovači naučili mijenjati svojstva željeza kako bi ga učinili tvrđim za neke namjene, a žilavijim za druge. Ovi modificirani oblici željeza postali su prvi pravi oblici čelika.
U ranim danima proizvodnje čelika, prije više od tri tisuće godina, kovači su otkrili da zagrijavanjem željeza određenog sastava, a zatim uranjanjem u ulje ili vodu, ono se može učiniti tvrđim nego ako bi se jednostavno prirodno ohladilo. Pod "određenim sastavom" mislim na željezo koje je sadržavalo otprilike jedan posto težine otopljenog ugljika kada je bilo u vrućem stanju. Naglo kaljenje spriječilo bi izlazak ugljika iz otopine i stvaranje relativno velikih čestica željezovog karbida u matrici relativno čistog i mekog željeza. Umjesto toga, proces kaljenja zaključao je atome ugljika na mjestu u onome što je sada bila napregnuta matrica željeza i ugljika nazvana martenzit, koju je teže deformirati.
Naravno, sva ta kemija u to vrijeme nije bila poznata. Umjesto toga, kovači iz prošlosti radili su po raznim pravilima. U engleskom jeziku to dovodi do izraza „crna umjetnost“. Rad kovača bio je umjetnost, a ne znanost, bio je prljav i crn u fizičkom smislu, a uz to nitko zapravo nije znao što kovači rade. Jesu li bili u savezu s demonima iz slično vatrene jame Pakla? Iz svih tih razloga, rad kovača bio je poznat kao 'crna umjetnost', izraz koji se danas primjenjuje na bilo koji drugi slično misteriozni proces.
Slika tradicionalnog kovača (1606. godine) u javnoj domeni putem Wikimedia Commons
S vremenom je umjetnost kovača postala složenija i vještija, iako je i dalje bila umjetnost. Komadi najtvrđeg čelika postavljali bi se tamo gdje bi bio rub oštrice i kombinirali s komadima mekšeg, ali čvršćeg čelika kako bi se formirala većina oštrice. Druga metoda početne pripreme uključivala je taloženje karbidnih dendrita u jednom bloku čelika. Međutim, u početku bi se kompozit zatim tukao, zagrijavao i savijao više puta kako bi se razbile potencijalno krhke nečistoće i mjehurići plina te kako bi se oblikovale oštrice s tvrdim tijelima i tvrdim rubovima. Ove tehnike, koje su po nazivu uključivale japansku mokume-gane metoda i Bliski istok Damask metoda, proizvodila je čelik s vrtložnim uzorcima koji su otkrivali temeljnu strukturu, posebno kada su nagrizeni. Ipak, bilo je malo znanstvenog razumijevanja onoga što se zapravo događa, za razliku od intuitivnijeg i umjetničkog razumijevanja.
Japanski mač izrađen tehnikom mokume-gane na pozadini od lančane oklopne košulje. Fotografija: 'Dafannin', 12. svibnja 1986. CC BY-SA 4.0 preko Wikimedia Commons.
Stvari su postale znanstvenije krajem 1700. i početkom 1800. stoljeća. Pojava moderne kemije jasno je pokazala da je čelik tog vremena bio legura, zapravo kompozit, željeza i drugih elemenata; da je glavni aditiv bio ugljik; i da je ugljik poprimao različite oblike u mekom čeliku, tvrdom čeliku i lijevanom željezu (gdje je koncentracija ugljika bila oko četiri posto težine).
Kontroliranim povećanjem udjela ugljika u čeliku postalo je moguće proizvoditi ekstra tvrde, iako pomalo krhke, čelike koji su bili dobri za rezanje drugih oblika čelika. Tako su nastali prvi alatni čelici modernog tipa.
Ovi rani alatni čelici kombinirali su uglavnom martenzitnu (očvrsnutu kaljenjem) matricu s dodatnim inkluzijama željeznog karbida.
Međutim, imali su nedostatak da omekšavaju iznad 200 stupnjeva Celzija, što je ograničavalo brzinu kojom su se mogli koristiti za rezanje drugih čelika.
Godine 1868. škotski inženjer Robert Mushet, i sam sin jednog od prvih majstora željeza koji je prepoznao važnost ugljika, osmislio je oblik čelika koji je ostao tvrd na višim temperaturama.
Poznata kao Mushet čelik, nova legura nije sadržavala samo uobičajene količine ugljika već i veće količine mangana i volframa. Mushet čelik je također imao neobično svojstvo da ga nije trebalo kaliti u tekućini. Bio je to prvi čelik koji se 'kalio na zraku': čelik koji se stvrdnjavao do razine slične martenzitu jednostavnim hlađenjem od crvene topline u mlazu zraka.
Početkom 1900-ih, svojstva Mushet čelika dodatno su poboljšali američki inženjer Frederick Winslow Taylor i njegovi kolege. Rezultat je postao poznat kao brzorezni čelik (HSS). HSS ostaje korisno tvrd sve do 500 ili čak 600 stupnjeva Celzija: otuda i naziv, jer se može koristiti za rezanje drugih čelika čak i većim brzinama od Mushet čelika. Uz željezo i ugljik koji su uobičajeni za sve vrste čelika, većina HSS legura i dalje uključuje velike količine volframa, plus krom, koji je zamijenio mangan početne Mushet formulacije.
Danas se karbidni vrhovi često koriste za najzahtjevnije primjene rezanja metala, iako brzorezni čelici ostaju preferirani materijal za izradu listova pila i spiralnih svrdala, za koje bi umetanje karbidnih vrhova obično bilo nepraktično, posebno kod manjih promjera i finijih stupnjeva veličine zuba.
Ali što je s lijevanjem i oblikovanjem?
Do sada sam opisao poboljšanja alatnih čelika koji se koriste za rezanje, od ranih oštrica do modernih industrijskih alata od brzorezne čelika (HSS). Međutim, moderna razlika između alatnog čelika za hladnu obradu i alatnog čelika za vruću obradu zapravo se odnosi na čelike koji se koriste za lijevanje i oblikovanje.
Čelici za vruću obradu koriste se za procese gdje temperatura alata prelazi 200 stupnjeva Celzija (392 stupnja Fahrenheita).
Alatni čelici za hladnu obradu koriste se za procese gdje temperatura alata ostaje ispod 200 stupnjeva Celzija.
Razdjelna linija od 200 stupnjeva Celzija nije apsolutno čvrsta i brza, s obzirom na to da postoji mnogo različitih legura s različitim svojstvima, ali je konvencionalna razdjelna linija koja se široko spominje u literaturi.
Kod svih vrsta alatnih čelika, glavni uzroci loma su lom, deformacija (posebno trajna ili 'plastična' deformacija), površinsko trošenje i razvoj površinskih pukotina od zamora uzrokovanih cikličkim naprezanjima. Ciklička naprezanja su i mehaničkog i toplinskog podrijetla; toplinska naprezanja su posebno ozbiljan problem za alatne čelike za vrući rad.
Alatni čelici za hladni rad
Alatni čelici za hladnu obradu općenito su visokougljični čelici, koji obično sadrže oko jedan do jedan i pol posto ugljika po težini. Najčešće vrste su niskolegirane vrste koje se kale u ulju, srednjelegirane vrste koje se kale na zraku i visokougljične vrste s visokim udjelom kroma.
Niskolegirane vrste čelika koje se kale u ulju su najjeftinije. Osim činjenice da sadrže manje nečistoća, inače su vrlo slične staromodnim oblicima alatnog čelika koji su se koristili prije Mushet čelika.
Srednje legure kaljene na zraku kale se s manje deformacija od čelika koji se moraju kaliti. Također se mogu kaliti u debljim dijelovima od čelika kaljenog u ulju, do 100 milimetara ili više.
Visokougljične i visokokromne vrste, koje se kale kaljenjem u ulju ili na zraku, ovisno o njihovom točnom sastavu, najotpornije su na habanje.
Alatni čelici za hladnu obradu obično se koriste za mnoštvo svakodnevnih industrijskih primjena, uključujući:
- Lijevanje plastike pod pritiskom
- Alati za oblikovanje tankih metalnih ploča kao što su zakrivljene ploče karoserije automobila
- Stezne glave i centri za tokarske strojeve
- valjci
- Valjane matrice za navoje vijaka i nazubljivanje
- Provrtne bušilice, razvrtači, nareznice i trnovi
- Kotači i držači za obradu žice i hladnih cijevi
- Škare, oštrice i ostali alati za rezanje, za primjene gdje je rezanje kratko i stvara se malo topline
- Mjerila
- Kalupi za izrezivanje, crtanje i probijanje
Čelici za vruće radne alate
Poput Mushet čelika i najranijih brzoreznih čelika, alatni čelici za vruću obradu tradicionalno su uključivali velike količine volframa kao legirajućeg elementa. Međutim, postoje i alatni čelici za vruću obradu koji imaju krom kao glavni legirajući element i druge vrste koje imaju molibden kao glavni legirajući element.
Uz brzo rezanje i bušenje metala, alatni čelici za vrući rad obično se koriste za:
- Lijevanje metala pod pritiskom
- Istiskivanje
- Krivotvorenje
- Proizvodnja staklenih proizvoda
Odabir materijala za lijevanje
Postupci lijevanja za koje se koristi alatni čelik nazivaju se tlačnim lijevanjem, u kojem alat služi kao kalup, dajući detaljan ili relativno precizan oblik konačnom proizvodu na načine koji su vjerniji i ponovljiviji nego što je to moguće lijevanjem u pješčanim kalupima.
Lijevanje pod pritiskom vjerojatno je nastalo lijevanjem slova za pomični tip u 1400. stoljeću, u otvorenim kalupima u obliku svakog slova. U modernom smislu, metal se ubrizgava pod tlakom u kalup napravljen od dva suprotna alata, koji precizno ispunjava.
Alati za plastiku obično se izrađuju od posebnih vrsta čelika za hladnu obradu poznatih kao P čelici, od aluminija ili od legura berilija i bakra. Prednosti bakra i aluminija za ovu upotrebu uključuju mnogo veću toplinsku vodljivost i posljedično brže i ravnomjernije hlađenje od čelika.
S druge strane, čelični kalupi traju dulje (do milijuna ciklusa) i bolje se odupiru eroziji uzrokovanoj mlazovima brzo pokretne plastike, posebno ako sadrži abrazivno kompozitno ojačanje poput staklenih vlakana. Neke površinske obrade mogu se pouzdano postići samo čelikom.
Odabir materijala za procese oblikovanja
Procesi oblikovanja metala za koje se koristi alatni čelik za hladnu obradu općenito ne uključuju vrlo visok stupanj deformacije metala u masi. U tom smislu, tipični su postupci hladnog oblikovanja, poput nanošenja navoja na površinu šipke valjanjem ili prešanja ravnog lima metala u složene krivulje karoserije automobila.
Hladno valjanje navoja. Grafika tvrtke 'Tosaka', 12. listopada 2009. CC BY 3.0 preko Wikimedia Commons.
Postupci hladne obrade često poboljšavaju kvalitetu metala preusmjeravanjem kristalne strukture metala i otvrdnjavanje radom, iako je učinak na kristalnu strukturu obično ograničen na površinu i manje dramatičan nego u slučaju kovanja, o čemu ću raspravljati u sljedećem odjeljku.
Svi drastičniji procesi oblikovanja metala uključuju vruću obradu (iznad 200 stupnjeva Celzija). Kao što je navedeno, to uključuje:
- Ekstruzija i
- Krivotvorenje
Kao što smo već spomenuli, izrada staklenih predmeta je još jedna važna primjena čelika za vruću obradu.
Istiskivanje je postupak kojim se zagrijani i omekšani materijal protiskuje kroz matricu kako bi se formirao dugi predmet konstantnog poprečnog presjeka. Najpoznatiji primjeri ekstrudiranih predmeta su plastični i aluminijski profili, koji mogu imati prilično komplicirane oblike. Plastični profili mogu se ekstrudirati kroz matrice od alatnog čelika za hladnu obradu, ali aluminijski profili moraju se ekstrudirati kroz matrice od alatnog čelika za vruću obradu.
Posebna kategorija ekstruzije je ekstruzija uzastopnim djelovanjem, koja se koristi za oblikovanje stvari poput tijela aluminijskih limenki i tuba za tablete. Kod ekstruzije uzastopnim djelovanjem, matrica se utiskuje u prazni komad metala koji zatim teče unatrag oko matrice kako bi se formirala limenka ili tuba. Uistinu je izvanredno da se limenke i tube s tako tankim, ali ravnim stijenkama mogu oblikovati ovom metodom.
Bešavne cijevi se također proizvode ekstruzijom. Čvrsti komad se zagrijava, a zatim probija u sredini. Zatim se postavlja preko trna i ekstruzijom mu se daje konačna veličina i debljina stijenke.
Krivotvorenje je proces kojim se komad vrućeg metala, često užarenog, industrijskim čekićem oblikuje u konačni oblik, nakon čega slijede samo manje operacije obrade (rezanja). Dobar primjer proizvoda koji se obično izrađuje kovanjem je ključ. Čekić se može mehanički pokretati u oba smjera ili se može mehanički podizati i spuštati gravitacijom ('kovanje u kalupu').
Kovanje čeličnih guma za kotače željezničkih vlakova. Fotografija: Rainer Halama, 19. lipnja 2010., CC BY-SA 3.0 preko Wikimedia Commons.
Kovanje je izravni industrijski potomak starijih tehnika kovanja poput mokume-gane i damaščanskog kova. Ima sličan učinak, naime, uzrokuje raspršivanje i zatvaranje staklastih nečistoća i mjehurića plina, a veliki kristali ili 'zrna' koja se obično nalaze unutar lijevanog metala - slično šljokicama na pocinčanoj željeznoj ogradi, koje su i same vrsta metalnog kristala - poremete se i zamijene manjim, a u mnogim slučajevima i deformiraju se u smjeru vanjskih krivulja konačnog oblika.
Kao što se može očekivati, sitnozrnata struktura je superiornija od grubozrnate; a sitnozrnata struktura u kojoj zrna također prate oblik proizvoda dodatno poboljšava mehanička svojstva konačnog proizvoda, čineći daleko manjom vjerojatnošću da će proizvod puknuti na kutu pod velikim opterećenjima nego inače.
Na web stranici postoji vrlo dobra ilustracija kristala koji prate oblik. dropforging.netBitna sličnost s proizvodima najvještijih kovača ranijih vremena je očita, osim što je u ovom slučaju rezultat industrijski predmet, a ne mač.
Mnogi od najozbiljnijih mehaničkih predmeta, predmeta koji podnose velika opterećenja i koji bi imali teške ili barem vrlo neugodne posljedice ako bi se slomili, kovani su. Uz ključeve, koji bi mogli puknuti na mjestima najvećeg naprezanja, blizu matice, ako bi bili izrađeni bilo kojom drugom metodom, kovani predmeti uključuju radilice motora i klipnjače koje spajaju klipove s radilicom, iako su sami klipovi obično lijevani. (Kovani klipovi se, međutim, koriste u trkaćim motorima i postaju sve popularniji u općoj upotrebi).
Postoje dvije glavne vrste kovanja: otvoreno kovanje i kovanje u zatvorenom kalupu. Otvoreno kovanje oblikuje metal u grubi oblik i poboljšava njegovu opću unutarnju strukturu, ali inače ne daje nikakav posebno određen oblik ili uzorak zrna. Kovanje u zatvorenom kalupu proizvodi određenije oblike i uzorke zrna.
_14-n.PNG){kind=link}
