В обрабатывающей промышленности изделиям часто придают форму и соединяют их с помощью инструментов из стали. Такие инструменты варьируются от привычных и неспециализированных, таких как дрели и отвертки, до более специализированного оборудования, такого как штампы для литья расплавленного металла или для формования таких деталей, как панели автомобилей (в машиностроении формование означает ковку или штамповку). Существует множество видов инструментальной стали. Инструментальную сталь для резки металла обычно выбирают из семейства быстрорежущих сталей (HSS), которые носят это название, поскольку остаются твердыми и износостойкими до температуры 600 градусов Цельсия (С). HSS может резать металлы на высоких скоростях по сравнению с инструментами из более обычной стали, которая начинает размягчаться примерно при температуре выше 200 градусов C. Аналогичное различие существует и между видами сталей, которые используются для литья или формования металла. В этих операциях инженеры говорят об инструментальной стали для горячей обработки и инструментальной стали для холодной обработки. Инструментальная сталь для горячей обработки используется для штампов, которые удерживают на месте расплавленные металлы, такие как алюминий и цинк, до тех пор, пока жидкость не затвердеет, или для формовки металла при температуре выше 200 градусов C (приблизительно), тогда как инструментальная сталь для холодной обработки используется для формования металла ниже той же температуры. температура.
Введение
В обрабатывающей промышленности термины «инструмент» и «инструментальная сталь» имеют особое техническое значение. Они используются для описания части производственного оборудования, которая контактирует с продуктом, а также стали, из которой изготовлена эта деталь, если она изготовлена из стали (как это обычно бывает).
Инструменты, определенные таким образом, могут использоваться для резки, литья или формовки.
Резка это действие, выполняемое сверлом или одноточечным инструментом на токарном станке. Это также действие, выполняемое многоточечным инструментом фрезерного станка или пильного полотна.
Кастинг Это действие по удержанию расплавленного металла или любого другого расплавленного материала на месте до тех пор, пока он не затвердеет.
Формирование Это процесс ковки, изгиба или штамповки твердой заготовки, при котором ее форма изменяется без потери материала.
Иногда эти действия совмещают, например, когда пресс вырезает в листе металла круг и одновременно формирует из него дно кастрюли.
В этом техническом использовании машина, содержащая инструмент, и материалы, из которых изготовлена машина, содержащая инструмент, обычно упоминаются отдельно от самого инструмента.
История инструментальных сталей
Самыми первыми инструментальными сталями, вероятно, были те, которые использовались для изготовления традиционных инструментов, таких как молотки, наковальни, ножи и топоры. Поначалу его было трудно отличить от обычного железа, изготовленного по самым примитивным технологиям.
Но с течением времени традиционные кузнецы научились изменять свойства железа, чтобы сделать его более твердым для одних целей и более жестким для других. Эти модифицированные формы железа стали первыми настоящими формами стали.
На заре производства стали, более трех тысяч лет назад, кузнецы обнаружили, что, нагрев железо определенного состава, а затем погрузив его в масло или воду, можно сделать его более твердым, чем если бы ему просто дали остыть естественным путем. Под «определенным составом» я подразумеваю железо, которое содержало примерно один процент по весу растворенного углерода или около того, когда оно находилось в горячем состоянии. Внезапная закалка не позволила бы углероду выйти из раствора и образовать сравнительно крупные частицы карбида железа в матрице из относительно чистого и мягкого железа. Вместо этого процесс закалки зафиксировал атомы углерода на месте в том, что теперь представляло собой напряженную матрицу из железа и углерода, называемую мартенситом, которую труднее деформировать.
Конечно, в то время вся эта химия еще не была известна. Вместо этого кузнецы прошлого работали по различным эмпирическим правилам. В английском языке это порождает выражение «черное искусство». Работа кузнецов была скорее искусством, чем наукой, она была грязной и черной в физическом смысле, и, кроме того, никто толком не знал, что делают кузнецы. Были ли они в союзе с демонами из столь же огненной преисподней? По всем этим причинам работа кузнеца была известна как «черное искусство» — термин, который сегодня применяется к любому другому столь же загадочному процессу.
Общедоступное изображение традиционного кузнеца (1606 г. н.э.) через Wikimedia Commons
Со временем искусство кузнецов стало более сложным и искусным, хотя по-прежнему оставалось искусством. Кусочки самой твердой стали помещались там, где должен был находиться край лезвия, и объединялись с кусками более мягкой, но более прочной стали, образуя основную часть лезвия. Другой метод первичной подготовки заключался в осаждении карбидных дендритов в одном стальном блоке. Однако изначально этот композит нужно было многократно избивать, нагревать и складывать, чтобы разрушить потенциально охрупчивающие примеси и пузырьки газа и сформировать лезвия с прочным телом и твердыми краями. Эти методы, которые по названию включали японские мокуме-гане метод и Ближний Восток Дамаск Этот метод позволил получить сталь с закрученными узорами, которые обнажили основную структуру, особенно при травлении. Тем не менее, научного понимания того, что происходит на самом деле, было мало, в отличие от более интуитивного и художественного понимания.
Японский меч, выполненный в технике мокуме-гане на фоне кольчуги. Фотография «Дафаннина», 12 мая 1986 г., CC BY-SA 4.0 с помощью Wikimedia Commons.
В конце 1700-х и начале 1800-х годов все стало более научным. Появление современной химии ясно показало, что сталь того времени представляла собой сплав, а точнее, композит железа и других элементов; что основной добавкой был углерод; и что углерод принимал разные формы в мягкой стали, твердой стали и чугуне (где концентрация углерода составляла около четырех процентов по весу).
Контролируемым увеличением доли углерода в стали стало возможным производить сверхтвердые, хотя и несколько хрупкие стали, которые пригодны для резки других видов стали. Так появились первые инструментальные стали современного типа.
Эти ранние инструментальные стали сочетали в себе в основном мартенситную (закаленную) матрицу с дополнительными включениями карбида железа.
Однако у них был недостаток: они имели тенденцию размягчаться при температуре выше 200 градусов по Цельсию, и это ограничивало скорость их использования для резки других сталей.
В 1868 году шотландский инженер Роберт Мушет, сын одного из первых мастеров чугуна, осознавших важность углерода, придумал форму стали, которая оставалась твердой при более высоких температурах.
Новый сплав, известный как сталь Мушет, содержал не только обычное количество углерода, но и еще большее количество марганца и вольфрама. Сталь Мушет также обладала необычным свойством: ее не нужно было закаливать в жидкости. Это была первая сталь, закаленная на воздухе: сталь, которая затвердевала до уровня мартенсита просто путем охлаждения от красного каления в струе воздуха.
В начале 1900-х годов свойства стали Мушет были еще улучшены американским инженером Фредериком Уинслоу Тейлором и его коллегами. Результат стал известен как быстрорежущая сталь (HSS). HSS остается достаточно твердым вплоть до 500 или даже 600 градусов по Цельсию: отсюда и его название, поскольку его можно использовать для резки других сталей на даже более высоких скоростях, чем сталь Мушет. Наряду с железом и углеродом, которые являются общими для всех типов стали, большинство сплавов HSS по-прежнему содержат большое количество вольфрама, а также хрома, который заменил марганец в исходной рецептуре Мушета.
В наши дни твердосплавные насадки часто используются для самых сложных операций по резке металлов, хотя быстрорежущие стали остаются предпочтительным материалом для изготовления пильных полотен и спиральных сверл, для которых вставка твердосплавных насадок обычно непрактична, особенно с меньшими диаметрами и более мелкими размерами зубьев.
А как насчет литья и формовки?
До сих пор я описывал улучшения в инструментальных сталях, используемых для резки, от первых лезвий до современных промышленных инструментов из быстрорежущей стали. Однако современное различие между инструментальной сталью для холодной обработки и инструментальной сталью для горячей обработки действительно применимо к сталям, которые используются для литья и формовки.
Стали для горячей обработки используются в процессах, в которых температура инструмента превышает 200 градусов Цельсия (392 градуса по Фаренгейту).
Инструментальные стали для холодной обработки используются в процессах, где температура инструмента остается ниже 200 градусов Цельсия.
Разделительная линия в 200 градусов по Цельсию не является абсолютно жесткой и быстрой, учитывая, что существует множество различных сплавов с разными свойствами, но это обычная разделительная линия, широко упоминаемая в литературе.
Для всех видов инструментальной стали основными причинами выхода из строя являются поломка, деформация (особенно постоянная или «пластическая» деформация), поверхностный износ и развитие поверхностных усталостных трещин, вызванных циклическими напряжениями. Циклические напряжения имеют как механическое, так и термическое происхождение; Термические напряжения являются особенно серьезной проблемой для инструментальных сталей, предназначенных для горячей обработки.
Инструментальные стали для холодной обработки
Инструментальные стали для холодной обработки обычно представляют собой высокоуглеродистые стали, обычно содержащие от одного до полутора процентов углерода по весу. Наиболее распространенными типами являются закаленные в масле низколегированные марки, среднезакаленные на воздухе марки сплавов и высокоуглеродистые высокохромистые марки.
Маслотвердеющие низколегированные марки являются самыми дешевыми. За исключением того факта, что они содержат меньше примесей, в остальном они во многом аналогичны старомодным формам инструментальной стали, которые использовались до стали Мушет.
Сплавы средней закалки на воздухе затвердевают с меньшей деформацией, чем стали, подлежащие закалке. Их также можно закаливать в более толстых секциях, чем закаленная в масле сталь, до 100 миллиметров и более.
Наиболее износостойкими являются высокоуглеродистые высокохромистые марки, упрочняемые либо закалкой в масле, либо закалкой на воздухе в зависимости от их точного состава.
Инструментальные стали для холодной обработки обычно используются для множества повседневных промышленных применений, в том числе:
- Литье пластмасс под давлением
- Штампы для формования тонких металлических панелей, например, изогнутых панелей кузова автомобилей.
- Токарные патроны и центры
- Мощность серводвигателя
- Профилегибочные штампы для резьбы и накатки
- Протяжки, развертки, метчики и оправки
- Колеса и держатели для работы с проволокой и холодными трубками
- Ножницы, лезвия и другие режущие инструменты для применений, где резка непродолжительна и выделяется мало тепла.
- Калибры
- Вырубные, волочильные и прошивные штампы
Инструментальные стали для горячей обработки
Подобно стали Мушет и самым ранним быстрорежущим сталям, инструментальные стали для горячей обработки традиционно включали большое количество вольфрама в качестве легирующего элемента. Однако существуют также инструментальные стали для горячей обработки, в которых основным легирующим элементом является хром, и другие марки, в которых основным легирующим элементом является молибден.
Наряду с высокоскоростной резкой и сверлением металлов инструментальные стали для горячей обработки обычно используются для:
- Литье металлов под давлением
- Экструзия
- Ковка
- Производство стеклянных изделий
Выбор материалов для литья
Процессы литья, для которых используется инструментальная сталь, называются литьем под давлением, при котором инструмент служит матрицей, придающей детализированную или сравнительно точную форму конечному изделию способами, которые являются более точными и повторяемыми, чем это возможно при литье в песчаные формы.
Литье под давлением, вероятно, началось с отливки букв для подвижного шрифта в 1400-х годах нашей эры в открытых штампах по форме каждой буквы. В современном понимании металл впрыскивается под давлением в форму, сделанную из двух противоположных инструментов, которую он точно заполняет.
Штамповая оснастка для пластмасс обычно изготавливается из специальных марок стали для холодной обработки, известных как P-стали, из алюминия или из бериллиево-медных сплавов. Преимущества меди и алюминия для такого использования включают гораздо более высокую теплопроводность и, следовательно, более быстрое и равномерное охлаждение, чем сталь.
С другой стороны, стальные формы служат дольше (до миллионов циклов) и лучше противостоят эрозии струями быстро движущегося пластика, особенно если они содержат абразивную композитную арматуру, например стекловолокно. Некоторую отделку поверхности можно надежно получить только с помощью стали.
Выбор материалов для процессов формования
Процессы обработки металлов давлением, в которых используется инструментальная сталь для холодной обработки, обычно не связаны с очень высокой степенью объемной деформации металла. Придание винтовой резьбы поверхности стержня путем прокатки или вдавливание плоского листа металла в сложные изгибы панели кузова автомобиля в этом смысле типичны для процессов холодной штамповки.
Холодная прокатка резьбы. Графика «Тосака», 12 октября 2009 г., CC BY 3.0 с помощью Wikimedia Commons.
Процессы холодной обработки часто приводят к некоторому улучшению качества металла за счет переориентации кристаллической структуры металла и закалка, хотя влияние на кристаллическую структуру обычно ограничивается поверхностью и менее драматично, чем в случае ковки, о которой я расскажу в следующем разделе.
Все наиболее радикальные процессы обработки металлов давлением включают горячую обработку (выше 200 градусов Цельсия). Как отмечалось, к ним относятся:
- Экструзия и
- Ковка
Как мы уже упоминали, изготовление стеклянных изделий является еще одним важным применением инструментальной стали для горячей обработки.
Экструзия Это процесс, при котором нагретый и размягченный материал проталкивается через матрицу с образованием длинного изделия постоянного профиля поперечного сечения. Наиболее знакомыми примерами экструдированных изделий являются пластиковые и алюминиевые профили, которые могут иметь весьма сложную форму. Пластиковые профили можно экструдировать через штампы из инструментальной стали для холодной обработки, а алюминиевые профили необходимо экструдировать через штампы из инструментальной стали для горячей обработки.
Особой категорией экструзии является экструзия с осадками, используемая для изготовления таких изделий, как корпуса алюминиевых банок и тюбики для таблеток. При выстроенной экструзии матрица вдавливается в чистый кусок металла, который затем течет обратно вокруг матрицы, образуя банку или трубку. Поистине замечательно, что этим методом можно формовать банки и тюбики с такими тонкими, но ровными стенками.
Бесшовные трубы также производятся методом экструзии. Твердую заготовку нагревают, а затем прокалывают посередине. Затем его помещают на оправку и экструзией придают окончательный размер и толщину стенок.
Ковка Это процесс, при котором куску горячего металла, часто раскалённого докрасна, придаёт окончательную форму промышленным молотком, после чего следуют лишь незначительные операции механической обработки (резки). Хорошим примером изделия, которое обычно изготавливается методом ковки, является гаечный ключ. Молот может приводиться в движение механически в обоих направлениях или его можно механически поднимать и опускать под действием силы тяжести («капельная ковка»).
Поковка стальных шин для колес железнодорожных поездов. фото Райнер Халама19 июня 2010 г. CC BY-SA 3.0 с помощью Wikimedia Commons.
Ковка является прямым промышленным потомком старых кузнечных техник, таких как мокуме-гане и дамаск. Он имеет аналогичный эффект, а именно, рассеивает и закрывает стеклообразные примеси и пузырьки газа, а также крупные кристаллы или «зерна», которые обычно находятся внутри отлитого металла, что похоже на блестки на заборе из оцинкованного железа. , которые сами по себе являются разновидностью металлических кристаллов, которые необходимо разрушить и заменить на более мелкие, а во многих случаях также деформировать в направлении внешних кривых окончательной формы.
Как и следовало ожидать, мелкозернистая структура превосходит крупнозернистую; а мелкозернистая структура, в которой зерна также повторяют форму продукта, еще больше улучшает механические свойства конечного изделия, делая гораздо менее вероятным, что изделие растрескается в углу под большими нагрузками, чем в противном случае.
На сайте компании есть очень хорошая иллюстрация кристаллов, повторяющих форму. dropforging.net. Существенное сходство с изделиями наиболее высококвалифицированных кузнецов прежних времен очевидно, с той лишь разницей, что в данном случае получается промышленное изделие, а не меч.
Многие из наиболее «серьезных» механических изделий, предметов, которые выдерживают большие нагрузки и могут иметь серьезные или, по крайней мере, весьма неприятные последствия, если они сломаются, являются коваными. Помимо гаечных ключей, которые могли бы сломаться в точках максимального напряжения, вблизи гайки, если бы они были изготовлены каким-либо другим способом, к кованым изделиям относятся коленчатые валы двигателей и шатуны, соединяющие поршни с коленчатым валом, хотя сами поршни обычно литые. (Однако кованые поршни используются в гоночных двигателях и становятся все более популярными в общем использовании).
Существует два основных вида ковки: открытая ковка и ковка в закрытых штампах. Открытая ковка придает металлу грубую форму и улучшает его общую внутреннюю структуру, но в остальном не придает какой-либо особенно определенной формы или рисунка зерен. Ковка в закрытой штампе позволяет получить более четкие формы и узоры зерен.
_14-n.PNG){kind=link}
