In de maakindustrie wordt het product vaak gevormd en in elkaar gezet met gereedschap van staal. Dergelijke gereedschappen variëren van bekende en niet-gespecialiseerde gereedschappen, zoals boren en schroevendraaiers, tot meer gespecialiseerde uitrusting, zoals matrijzen voor het gieten van gesmolten metaal of voor het vormen van onderdelen zoals de panelen van auto's (in de techniek betekent vormen smeden of stampen). Er zijn veel soorten gereedschapsstaal. Gereedschapsstaal voor het snijden van metaal wordt normaal gesproken gekozen uit een familie die de hogesnelheidsstaalsoorten (HSS) worden genoemd, die die naam dragen omdat ze hard en slijtvast blijven tot wel 600 graden Celsius (C). HSS kan metalen met hoge snelheden snijden in vergelijking met gereedschap van meer gewoon staal, dat ongeveer boven de 200 graden C zacht begint te worden. Een soortgelijk onderscheid bestaat tussen de soorten staal die worden gebruikt om metaal te gieten of te vormen. In die bewerkingen spreken ingenieurs van heetwerkgereedschapsstaal en koudwerkgereedschapsstaal. Heet gereedschapsstaal wordt gebruikt voor matrijzen die gesmolten metalen zoals aluminium en zink op hun plaats houden totdat de vloeistof stolt, of voor het vormen van metaal boven (ongeveer) 200 graden C, terwijl koud gereedschapsstaal wordt gebruikt om metaal daaronder te vormen. temperatuur.
Introductie
In de maakindustrie hebben de termen 'gereedschap' en 'gereedschapsstaal' een bijzondere technische betekenis. Ze worden gebruikt om een deel van de productiemachinerie te beschrijven dat in contact komt met het product, en het staal waarvan dit onderdeel is gemaakt, als het van staal is gemaakt (zoals meestal het geval is).
Aldus gedefinieerde gereedschappen mogen worden gebruikt voor het snijden, gieten of vormen.
Snijden is de actie die wordt uitgevoerd door een boormachine, of het enkelpuntsgereedschap op een draaibank. Het is ook de actie die wordt uitgevoerd door het meerpuntsgereedschap van een freesmachine of een zaagblad.
Gieten is de handeling waarbij gesmolten metaal of enig ander gesmolten materiaal op zijn plaats wordt gehouden totdat het stolt.
Vormen is de handeling van het smeden, buigen of stampen van een massief werkstuk, zodat de vorm ervan wordt veranderd zonder materiaalverlies.
Soms worden deze acties gecombineerd, bijvoorbeeld wanneer een pers een cirkel in een stuk metaal snijdt en deze tegelijkertijd tot de bodem van een pan vormt.
Bij dit technische gebruik wordt doorgaans afzonderlijk van het gereedschap zelf verwezen naar de machine die het gereedschap vasthoudt, en naar de materialen waaruit de machine die het gereedschap vasthoudt, is gemaakt.
De geschiedenis van gereedschapsstaal
De allereerste gereedschapsstaalsoorten waren waarschijnlijk die welke werden gebruikt voor het maken van traditionele instrumenten zoals hamers, aambeelden, messen en bijlen. Dit was aanvankelijk nauwelijks te onderscheiden van gewoon ijzer dat met de meest primitieve technieken was gemaakt.
Maar met het verstrijken van de tijd leerden traditionele smeden de eigenschappen van ijzer te veranderen om het voor sommige toepassingen moeilijker te maken, en moeilijker voor andere. Deze gemodificeerde vormen van ijzer werden de eerste echte vormen van staal.
In de begindagen van de staalproductie, meer dan drieduizend jaar geleden, ontdekten smeden dat door ijzer met een bepaalde samenstelling te verwarmen en het vervolgens in olie of water te dompelen, het harder kon worden gemaakt dan wanneer het eenvoudigweg op natuurlijke wijze zou afkoelen. Met ‘een bepaalde samenstelling’ bedoel ik ijzer dat in warme toestand ongeveer één gewichtsprocent of zo opgeloste koolstof bevatte. Plotseling doven zou voorkomen dat de koolstof uit de oplossing zou komen en relatief grote deeltjes ijzercarbide zou vormen in een matrix van relatief zuiver en zacht ijzer. In plaats daarvan sloot het uitdovingsproces de koolstofatomen op hun plaats in wat nu een gespannen matrix van ijzer en koolstof was, martensiet genaamd, die moeilijker te vervormen is.
Natuurlijk was al deze chemie toen nog niet bekend. In plaats daarvan werkten de smeden van weleer volgens verschillende vuistregels. In de Engelse taal geeft dit aanleiding tot de uitdrukking ‘zwarte kunst’. Het werk van de smeden was eerder een kunst dan een wetenschap, het was fysiek smerig en zwart, en bovendien wist niemand echt wat de smeden deden. Waren ze in bondgenootschap met demonen uit de eveneens vurige put van de hel? Om al deze redenen stond het werk van de smid bekend als de 'zwarte kunst', een term die tegenwoordig wordt toegepast op elk ander soortgelijk mysterieus proces.
Afbeelding in het publieke domein van een traditionele smid (1606 CE) via Wikimedia Commons
In de loop van de tijd werd de kunst van de smeden uitgebreider en vaardiger, hoewel het nog steeds een kunst is. Stukken van het allerhardste staal zouden worden geplaatst waar de rand van een mes zou zijn en gecombineerd met stukken zachter maar taaier staal om het grootste deel van het mes te vormen. Een andere methode voor de initiële voorbereiding omvatte het neerslaan van carbidedendrieten in een enkel blok staal. In eerste instantie ontstond het echter dat het composiet vervolgens vele malen werd geslagen, verwarmd en gevouwen om mogelijk brosmakende onzuiverheden en gasbellen te vernietigen en om bladen met harde lichamen en harde randen te vormen. Deze technieken, die bij naam de Japanners omvatten mokume-gane methode en het Midden-Oosten Damascus methode produceerde staal met wervelende patronen die de onderliggende structuur onthulden, vooral wanneer ze werden geëtst. Toch was er weinig wetenschappelijk inzicht in wat er werkelijk aan de hand was, in tegenstelling tot een meer intuïtief en artistiek begrip.
Een Japans zwaard gemaakt volgens de mokume-gane-techniek op een achtergrond van maliënkolder. Foto door 'Dafannin', 12 mei 1986, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons.
Eind 1700e en begin 1800e eeuw werd het wetenschappelijker. De opkomst van de moderne chemie maakte duidelijk dat het staal van die tijd een legering was, en zelfs een composiet, van ijzer en andere elementen; dat het belangrijkste additief koolstof was; en dat de koolstof verschillende vormen aannam in zacht staal, hard staal en gietijzer (waar de koolstofconcentratie ongeveer vier procent per gewicht bedroeg).
Door het koolstofgehalte in het staal op een gecontroleerde manier te vergroten, werd het mogelijk extra harde, hoewel enigszins brosse staalsoorten te produceren die goed waren voor het snijden van andere staalsoorten. Zo werden de eerste gereedschapsstaalsoorten van een modern type geboren.
Deze vroege gereedschapsstaalsoorten combineerden een voornamelijk martensiet (afschrikgeharde) matrix met extra insluitsels van ijzercarbide.
Ze hadden echter het nadeel dat ze de neiging hadden om boven de 200 graden Celsius zacht te worden, en dit beperkte de snelheid waarmee ze konden worden gebruikt om andere staalsoorten te snijden.
In 1868 bedacht de Schotse ingenieur Robert Mushet, zelf de zoon van een van de eerste ijzermeesters die het belang van koolstof inzag, een vorm van staal die bij hogere temperaturen hard bleef.
De nieuwe legering, bekend als Mushet-staal, bevatte niet alleen de gebruikelijke hoeveelheden koolstof, maar nog grotere hoeveelheden mangaan en wolfraam. Mushet-staal had ook de ongebruikelijke eigenschap dat het niet in een vloeistof hoefde te worden geblust. Het was het eerste 'luchthardende' staal: een staal dat uithardde tot martensietachtig niveau door simpelweg af te koelen van de rode hitte in een luchtstraal.
Aan het begin van de 1900e eeuw werden de eigenschappen van Mushet-staal nog verder verbeterd door de Amerikaanse ingenieur Frederick Winslow Taylor en zijn collega's. Het resultaat werd bekend als snelstaal (HSS). HSS blijft nuttig hard tot 500 of zelfs 600 graden Celsius: vandaar de naam, omdat het kan worden gebruikt om andere staalsoorten met nog hogere snelheden te snijden dan Mushet-staal. Naast het ijzer en de koolstof die in alle soorten staal voorkomen, bevatten de meeste HSS-legeringen nog steeds grote hoeveelheden wolfraam, plus chroom, dat het mangaan uit de oorspronkelijke Mushet-formulering heeft vervangen.
Tegenwoordig worden hardmetalen punten vaak gebruikt voor de meest veeleisende metaalbewerkingstoepassingen, hoewel snelstaal het voorkeursmateriaal blijft voor de vervaardiging van zaagbladen en spiraalboren, waarvoor het inbrengen van hardmetalen punten normaal gesproken onpraktisch zou zijn, vooral in de kleinere diameters en fijnere tandgroottegraden.
Maar hoe zit het met gieten en vormen?
Tot nu toe heb ik verbeteringen beschreven in gereedschapsstaalsoorten die worden gebruikt voor het snijden van dingen, van vroege messen tot moderne industriële HSS-gereedschappen. Het moderne onderscheid tussen gereedschapsstaal voor koud werk en gereedschapsstaal voor heet werk is echter in werkelijkheid van toepassing op staalsoorten die worden gebruikt voor gieten en vormen.
Heetwerkstaal wordt gebruikt voor processen waarbij de temperatuur van het gereedschap hoger zal zijn dan 200 graden Celsius (392 graden Fahrenheit).
Koudwerk gereedschapsstaal wordt gebruikt voor processen waarbij de temperatuur van het gereedschap onder de 200 graden Celsius blijft.
De scheidslijn van 200 graden Celsius is niet absoluut hard en snel, aangezien er veel verschillende legeringen zijn met verschillende eigenschappen, maar het is een conventionele scheidslijn waar in de literatuur veel naar wordt verwezen.
Bij alle vormen van gereedschapsstaal zijn de belangrijkste oorzaken van falen breuk, vervorming (vooral permanente of 'plastische' vervorming), oppervlakteslijtage en de ontwikkeling van oppervlaktevermoeidheidsscheuren veroorzaakt door cyclische spanningen. Cyclische spanningen zijn zowel mechanisch als thermisch van oorsprong; Thermische spanningen zijn een bijzonder ernstig probleem bij heet gereedschapsstaal.
Gereedschapsstaal voor koud werk
Gereedschapsstaal voor koud werk is over het algemeen staal met een hoog koolstofgehalte, dat doorgaans ongeveer één tot anderhalf procent koolstof per gewicht bevat. De meest voorkomende typen zijn oliehardende laaggelegeerde kwaliteiten, luchthardende mediumlegeringen en hoogkoolstofrijke hoogchroomkwaliteiten.
Oliehardende laaggelegeerde kwaliteiten zijn het goedkoopst. Afgezien van het feit dat ze minder onzuiverheden bevatten, zijn ze verder vrijwel hetzelfde als de ouderwetse vormen van gereedschapsstaal die vóór Mushet-staal werden gebruikt.
Luchthardende mediumlegeringen harden uit met minder vervorming dan staalsoorten die moeten worden afgeschrikt. Ze kunnen ook worden gehard in dikkere delen dan met olie geblust staal, tot 100 millimeter of meer.
Koolstof- en chroomrijke soorten, die afhankelijk van hun exacte samenstelling worden gehard door olie- of luchtharding, zijn het meest slijtvast.
Gereedschapsstaal voor koud werk wordt doorgaans gebruikt voor een groot aantal dagelijkse industriële toepassingen, waaronder:
- Spuitgieten van kunststoffen
- Matrijzen voor het vormgeven van dunne metalen panelen, zoals de gebogen carrosseriepanelen van auto's
- Klauwplaten en centra voor draaibanken
- rollers
- Rolvormmatrijzen voor schroefdraad en kartelen
- Broches, ruimers, tappen en doornen
- Wielen en houders voor draad- en koudebuizen
- Scharen, messen en ander snijgereedschap, voor toepassingen waarbij het knippen kort is en weinig warmte wordt gegenereerd
- Meters
- Stansvormen voor stansen, tekenen en doorprikken
Heet gereedschapsstaal
Net als Mushet-staal en de eerste hogesnelheidsstaalsoorten, bevatten staalsoorten voor heet werkgereedschap traditioneel grote hoeveelheden wolfraam als legeringselement. Er zijn echter ook staalsoorten voor warmwerkgereedschap met chroom als het belangrijkste legeringselement, en andere soorten met molybdeen als het belangrijkste legeringselement.
Naast het snel snijden en boren van metaal worden heetwerkgereedschapsstaalsoorten doorgaans gebruikt voor:
- Spuitgieten van metalen
- Extrusie
- Smeden
- Vervaardiging van glasproducten
Materiaalkeuze voor gieten
Gietprocessen waarvoor gereedschapsstaal wordt gebruikt, worden spuitgieten genoemd, waarbij het gereedschap als matrijs dient en een gedetailleerde of relatief precieze vorm aan het eindproduct geeft op manieren die getrouwer en herhaalbaarder zijn dan mogelijk is met ingieten. zand schimmels.
Het spuitgieten is waarschijnlijk ontstaan met het gieten van letters voor losse letters in de 1400e eeuw CE, in open matrijzen in de vorm van elke letter. In moderne zin wordt het metaal onder druk in een mal van twee tegenover elkaar liggende gereedschappen gespoten, die het precies vult.
Matrijsgereedschap voor kunststoffen wordt gewoonlijk gemaakt van speciale soorten koudwerkstaal, bekend als P-staal, van aluminium of van beryllium-koperlegeringen. De voordelen van koper en aluminium voor dit gebruik omvatten een veel hogere thermische geleidbaarheid en bijgevolg een snellere en gelijkmatigere koeling dan staal.
Aan de andere kant gaan stalen mallen langer mee (tot miljoenen cycli) en zijn ze beter bestand tegen erosie door stralen van snel bewegend plastic, vooral als het schurende composietversterking zoals glasvezel bevat. Sommige oppervlakteafwerkingen kunnen ook alleen op betrouwbare wijze met staal worden bereikt.
Materiaalkeuze voor vormprocessen
Metaalvormingsprocessen waarvoor gereedschapsstaal voor koud bewerken wordt gebruikt, brengen doorgaans geen zeer hoge mate van bulkvervorming van het metaal met zich mee. Het aanbrengen van schroefdraad op het oppervlak van een staaf door walsen, of het persen van een vlakke plaat metaal in de complexe rondingen van een autocarrosseriepaneel, zijn in die zin typerend voor koudvervormingsprocessen.
Koudwalsen van een schroefdraad. Afbeelding door 'Tosaka', 12 oktober 2009, CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.
Koude werkprocessen zorgen vaak voor enige verbetering van de kwaliteit van het metaal door heroriëntatie van de kristallijne structuur van het metaal werk verhardend, hoewel het effect op de kristalstructuur meestal beperkt blijft tot het oppervlak en minder dramatisch is dan bij smeden, dat ik in de volgende sectie bespreek.
Bij alle meer ingrijpende processen van metaalvervorming is heet werk (boven 200 graden Celsius) betrokken. Zoals opgemerkt, omvatten deze:
- Extrusie, en
- Smeden
Zoals we ook hebben vermeld, is het maken van glazen artikelen een andere belangrijke toepassing voor heet gereedschapsstaal.
Extrusie is het proces waarbij een verwarmd en zachter materiaal door een matrijs wordt geduwd om een lang artikel met een constant dwarsdoorsnedeprofiel te vormen. De meest bekende voorbeelden van geëxtrudeerde artikelen zijn kunststof- en aluminiumprofielen, die behoorlijk ingewikkelde vormen kunnen hebben. Kunststof profielen kunnen worden geëxtrudeerd door matrijzen van koud gereedschapsstaal, maar aluminium profielen moeten worden geëxtrudeerd door matrijzen van heet gereedschapsstaal.
Een speciale categorie extrusie is de verstoorde extrusie, die wordt gebruikt om bijvoorbeeld de behuizingen van aluminium blikjes en pillenkokers te vormen. Bij verstoorde extrusie wordt een matrijs naar beneden gedrukt in een blanco stuk metaal dat vervolgens naar achteren rond de matrijs stroomt om het blik of de buis te vormen. Het is werkelijk opmerkelijk dat op deze manier blikken en buizen met zulke dunne, maar toch gelijkmatige wanden kunnen worden gevormd.
Naadloze buizen worden ook vervaardigd door extrusie. Een massieve knuppel wordt verwarmd en vervolgens in het midden doorboord. Vervolgens wordt het over een doorn geplaatst en door extrusie de uiteindelijke afmeting en wanddikte gegeven.
Smeden is het proces waarbij een stuk heet metaal, vaak gloeiend heet, door een industriële hamer in zijn uiteindelijke vorm wordt geslagen, waarna slechts kleine bewerkings- (snij)bewerkingen volgen. Een goed voorbeeld van een product dat meestal door smeden wordt gemaakt, is een steeksleutel. De hamer kan mechanisch in beide richtingen worden aangedreven, of hij kan mechanisch worden opgetild en door de zwaartekracht naar beneden vallen ("drop forging").
Het smeden van stalen banden voor spoorwegtreinwielen. foto door Rainer Halama, 19 juni 2010, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
Smeden is een directe industriële afstammeling van oudere smeedtechnieken zoals mokume-gane en Damascus. Het heeft een soortgelijk effect, namelijk dat het ervoor zorgt dat glasachtige onzuiverheden en gasbellen worden verspreid en gesloten, en dat de grote kristallen of 'korrels' die gewoonlijk in gegoten metaal worden aangetroffen – vergelijkbaar met de lovertjes op een gegalvaniseerd ijzeren hekwerk. , zelf een soort metaalkristal – dat moet worden verstoord en vervangen door kleinere en in veel gevallen ook moet worden vervormd in de richting van de buitenste rondingen van de uiteindelijke vorm.
Zoals je zou verwachten is een fijne korrelstructuur superieur aan een grove; en een fijne korrelstructuur waarbij de korrels ook de vorm van het product volgen, verbetert de mechanische eigenschappen van het uiteindelijke artikel nog verder, waardoor het veel minder waarschijnlijk is dat het artikel onder zware belasting in een hoek zal barsten dan anders.
Er is een zeer goede illustratie van vormvolgende kristallen op de website van dropforging.net. De essentiële gelijkenis met de producten van de meest bekwame smeden uit vroegere tijden is duidelijk, behalve dat in dit geval het resultaat een industrieel artikel is in plaats van een zwaard.
Veel van de meest 'ernstige' mechanische artikelen, artikelen die zware lasten dragen en ernstige of op zijn minst zeer vervelende gevolgen zouden hebben als ze zouden breken, zijn vervalst. Naast moersleutels, die zouden kunnen breken op de punten waar de maximale spanning wordt uitgeoefend, vlakbij de moer, als ze op een andere manier zouden worden vervaardigd, omvatten gesmede voorwerpen ook de krukassen van motoren en de drijfstangen die de zuigers met de krukas verbinden, hoewel de zuigers zelf worden doorgaans gegoten. (Gesmede zuigers worden echter wel gebruikt in racemotoren en worden steeds populairder bij algemeen gebruik).
Er zijn twee hoofdsoorten smeden: open smeden en smeden met gesloten matrijzen. Open smeden brengt metaal in een ruwe vorm en verbetert de algemene interne structuur, maar geeft verder geen bijzonder bepaalde vorm of korrelpatroon. Het smeden met gesloten matrijzen produceert duidelijkere vormen en korrelpatronen.
_14-n.PNG){kind=link}
