Varmarbetsstål kontra kallarbetsstål: Vilket är rätt för mig?

Inom tillverkningsindustrin formas och sätts produkten ofta ihop med verktyg gjorda av stål. Sådana verktyg sträcker sig från de välbekanta och ospecialiserade, såsom borrar och skruvmejslar, till mer specialiserad utrustning såsom formar för gjutning av smält metall eller för att forma delar som bilpaneler (inom verkstadsindustrin betyder formning smide eller stansning). Det finns många typer av verktygsstål. Verktygsstål för skärning av metall väljs normalt från en familj som kallas snabbstål (HSS), vilka bär det namnet eftersom de förblir hårda och slitstarka upp till så mycket som 600 grader Celsius (C). HSS kan skära metaller i höga hastigheter jämfört med verktyg av mer vanligt stål, som börjar mjukna över ungefär 200 grader C. En liknande skillnad finns mellan de typer av stål som används för att gjuta eller forma metall. I dessa operationer talar ingenjörer om varmarbetsstål och kallarbetsstål. Varmarbetsstål används till formar som håller smälta metaller som aluminium och zink på plats tills vätskan stelnar, eller för att forma metall över 200 grader C (ungefär), medan kallarbetsstål används för att forma metall under samma temperatur.

Beskrivning

Inom tillverkningsindustrin har termerna "verktyg" och "verktygsstål" en speciell teknisk betydelse. De används för att beskriva en del av tillverkningsmaskineriet som kommer i kontakt med produkten, och det stål som denna del är tillverkad av, om den är tillverkad av stål (vilket den vanligtvis är).

Verktyg, så definierade, kan användas för skärning, gjutning eller formning.

Skärande är den åtgärd som utförs av en borrmaskin eller ett enpunktsverktyg på en svarv. Det är också den åtgärd som utförs av flerpunktsverktyget på en fräsmaskin eller ett sågblad.

Gjutning är åtgärden att hålla smält metall, eller något annat smält material, på plats tills det stelnar.

Formning är handlingen att smida, böja eller stansa ett massivt arbetsstycke, så att dess form ändras utan materialförlust.

Ibland kombineras dessa åtgärder, till exempel när en press skär en cirkel i en metallplåt och samtidigt formar den till botten av en kastrull.

I denna tekniska användning hänvisas vanligtvis till maskinen som håller verktyget och materialen som maskinen som håller verktyget är tillverkad av separat från själva verktyget.

Verktygsstålens historia

De allra första verktygsstålen var förmodligen de som användes för att tillverka traditionella instrument som hammare, städ, knivar och yxor. Till en början var dessa knappast åtskiljbara från vanligt järn tillverkat med de mest primitiva teknikerna.

Men med tiden lärde sig traditionella smeder att förändra järnets egenskaper för att göra det svårare för vissa användningsområden och segare för andra. Dessa modifierade former av järn blev de första riktiga formerna av stål.

Under ståltillverkningens tidiga dagar, för mer än tre tusen år sedan, upptäckte smeder att genom att värma upp järn av en viss sammansättning och sedan doppa det i olja eller vatten, kunde det göras hårdare än om det bara fick svalna naturligt. Med "en viss sammansättning" menar jag järn som innehöll ungefär en viktprocent, eller så, löst kol när det var i varmt tillstånd. Plötslig kylning skulle förhindra att kolet kom ut ur lösningen och bildade jämförelsevis stora partiklar av järnkarbid i en matris av relativt rent och mjukt järn. Istället låste kylningsprocessen kolatomerna på plats i det som nu var en spänd matris av järn och kol som kallas martensit, vilken är svårare att deformera.

Naturligtvis var all denna kemi inte känd på den tiden. Istället arbetade forna tiders smeder efter olika tumregler. På engelska ger detta upphov till uttrycket "black art". Smedernas arbete var en konst snarare än en vetenskap, det var smutsigt och svart i fysiska termer, och dessutom visste ingen egentligen vad smederna gjorde. Var de i förbund med demoner från den lika brinnande avgrunden Helvetet? Av alla dessa skäl var smedens arbete känt som "black art", en term som används för alla andra liknande mystiska processer idag.

Bild av en traditionell smed (1606 e.Kr.) i allmän egendom Wikimedia Commons

Med tiden blev smedernas konst mer avancerad och skicklig, men fortfarande en konst. Bitar av det allra hårdaste stålet placerades där eggen på ett blad skulle vara och kombinerades med bitar av mjukare men segare stål för att bilda bladets huvuddel. En annan metod för initial förberedelse involverade utfällning av karbiddendriter i ett enda stålblock. Men det uppstod initialt, kompositen skulle sedan slås, värmas upp och vikas många gånger för att bryta potentiellt försprödande föroreningar och gasbubblor, och för att forma blad med sega kroppar och hårda eggar. Dessa tekniker, som vid namn inkluderade den japanska mokume-gane metod och Mellanöstern Damaskus metoden producerade stål med virvlande mönster som avslöjade den underliggande strukturen, särskilt vid etsning. Ändå fanns det liten vetenskaplig förståelse för vad som verkligen pågick, i motsats till en mer intuitiv och konstnärlig förståelse.

Ett japanskt svärd tillverkat med mokume-gane-tekniken mot en bakgrund av ringbrynja. Fotografi av 'Dafannin', 12 maj 1986. CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons.

Saker och ting blev mer vetenskapliga i slutet av 1700-talet och början av 1800-talet. Framväxten av modern kemi klargjorde att dåtidens stål var en legering, ja en komposit, av järn och andra element; att det huvudsakliga tillsatsmedlet var kol; och att kolet tog olika former i mjukt stål, hårt stål och gjutjärn (där kolkoncentrationen var cirka fyra viktprocent).

Genom att öka andelen kol i stålet på ett kontrollerat sätt blev det möjligt att producera extra hårda, om än något spröda, stål som var bra för att skära andra former av stål. De första verktygsstålen av modern typ föddes därmed.

Dessa tidiga verktygsstål kombinerade en mestadels martensitmatris (härdad) med ytterligare inneslutningar av järnkarbid.

De hade dock nackdelen att de tenderade att mjukna över 200 grader Celsius, och detta begränsade hastigheten med vilken de kunde användas för att skära andra stål.

År 1868 kom den skotske ingenjören Robert Mushet, själv son till en av de första järnmästarna som insåg vikten av kol, fram till en form av stål som förblev hårt vid högre temperaturer.

Den nya legeringen, känd som Mushetstål, innehöll inte bara de vanliga mängderna kol utan även större mängder mangan och volfram. Mushetstål hade också den ovanliga egenskapen att det inte behövde kylas i vätska. Det var det första "lufthärdande" stålet: ett stål som härdade till martensitliknande nivåer helt enkelt genom att kylas ner från röd värme i en luftstråle.

I början av 1900-talet förbättrades egenskaperna hos Mushetstål ytterligare av den amerikanske ingenjören Frederick Winslow Taylor och hans kollegor. Resultatet kom att bli känt som snabbstål (HSS). HSS förblir användbart hårt ända upp till 500 eller till och med 600 grader Celsius: därav namnet, eftersom det kan användas för att skära andra stål med ännu högre hastigheter än Mushetstål. Tillsammans med järn och kol som är gemensamma för alla typer av stål, fortsätter de flesta HSS-legeringar att innehålla stora mängder volfram, plus krom, vilket har ersatt manganet i den ursprungliga Mushet-formuleringen.

Numera används ofta hårdmetallspetsar för de mest krävande metallbearbetningsapplikationerna, även om snabbstål fortfarande är det föredragna materialet för tillverkning av sågblad och spiralborr, för vilka det normalt skulle vara opraktiskt att infoga hårdmetallspetsar, särskilt i sorter med mindre diametrar och finare tandstorlekar.

Men hur är det med gjutning och formning?

Hittills har jag beskrivit förbättringar av verktygsstål som används för att skära saker, från tidiga klingor till moderna HSS-industriverktyg. Den moderna skillnaden mellan kallbearbetningsstål och varmarbetningsstål gäller dock verkligen stål som används för gjutning och formning.

Varmarbetsstål används för processer där verktygets temperatur överstiger 200 grader Celsius (392 grader Fahrenheit).

Kallarbetsstål används för processer där verktygets temperatur förblir under 200 grader Celsius.

Delningslinjen vid 200 grader Celsius är inte helt fast och tydlig, med tanke på att det finns många olika legeringar med olika egenskaper, men det är en konventionell delningslinje som det hänvisas till flitigt i litteraturen.

Med alla former av verktygsstål är de främsta orsakerna till fel brott, deformation (särskilt permanent eller "plastisk" deformation), ytslitage och utveckling av ytutmattningssprickor orsakade av cykliska spänningar. Cykliska spänningar är av både mekaniskt och termiskt ursprung; termiska spänningar är ett särskilt allvarligt problem för varmarbetsstål.

Kallt verktygsstål

Kallarbetsstål är generellt högkolhaltiga stål, som vanligtvis innehåller cirka en till en och en halv viktprocent kol. De vanligaste typerna är oljehärdande låglegerade stål, lufthärdande medellegerade stål och högkolhaltiga stål med hög kromhalt.

Oljehärdande låglegerade stålsorter är de billigaste. Förutom att de innehåller färre föroreningar är de i övrigt i stort sett desamma som de gammaldags former av verktygsstål som användes före Mushetstål.

Lufthärdande medellegeringar härdar med mindre deformation än stål som måste kylas. De kan också härdas i tjockare sektioner än oljehärdat stål, upp till 100 millimeter eller mer.

Högkolhaltiga högkromkvaliteter, som härdas antingen genom oljehärdning eller lufthärdning beroende på deras exakta sammansättning, är de mest slitstarka.

Kallarbetsstål används vanligtvis för en mängd olika industriella användningsområden, inklusive:

• Pressgjutning av plast
• Matriser för att forma tunna metallpaneler, såsom böjda karosspaneler på bilar
• Svarvchuckar och centra
• rullar
• Valsformningsmatriser för skruvgängor och räffling
• Broschörer, brotschar, gängtappar och dorn
• Hjul och hållare för bearbetning av tråd och kalla rör
• Saxar, blad och andra skärverktyg, för tillämpningar där skärningen är kort och lite värme genereras
• Mätare
• Blanknings-, drag- och håltagningsformar

Heta arbetsredskapsstål

Liksom Mushetstål och de tidigaste snabbstålen har varmarbetsstål traditionellt innehållit stora mängder volfram som legeringselement. Det finns dock även varmarbetsstål som har krom som huvudlegeringselement och andra kvaliteter som har molybden som huvudlegeringselement.

Tillsammans med höghastighetsmetallbearbetning och borrning används varmarbetsstål vanligtvis för:

• Pressgjutning av metaller
• Extrudering
• Smide
• Tillverkning av glasprodukter

Materialval för gjutning

Gjutprocesser där verktygsstål används kallas pressgjutning, där verktyget fungerar som en matris och ger den slutliga artikeln en detaljerad eller jämförelsevis exakt form på sätt som är mer trogna och repeterbara än vad som är möjligt vid gjutning i sandformar.

Pressgjutning har troligen sitt ursprung i gjutningen av bokstäver för rörlig typ på 1400-talet e.Kr., i öppna formar i form av varje bokstav. I modern bemärkelse sprutas metallen under tryck in i en form gjord av två motstående verktyg, som den fyller exakt.

Formverktyg för plast tillverkas vanligtvis av speciella kvaliteter av kallbearbetningsstål, så kallade P-stål, av aluminium eller av beryllium-kopparlegeringar. Fördelarna med koppar och aluminium för denna användning inkluderar mycket högre värmeledningsförmåga och följaktligen snabbare och jämnare kylning än stål.

Å andra sidan håller stålformar längre (upp till miljontals cykler) och kan bättre motstå erosion från strålar av snabbrörlig plast, särskilt om den innehåller slipande kompositförstärkning som glasfiber. Vissa ytbehandlingar kan också bara uppnås pålitligt med stål.

Materialval för formningsprocesser

Metallformningsprocesser för vilka kallbearbetningsstål används involverar i allmänhet inte en mycket hög grad av bulkdeformation av metallen. Att ge skruvgängor till ytan av en stång genom valsning, eller att pressa en plan metallplåt in i de komplexa kurvorna på en bilkaross, är typiska för kallformningsprocesser i den meningen.

Kallvalsformning av en skruvgänga. Grafik av 'Tosaka', 12 oktober 2009, CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.

Kallarbetningsprocesser ger ofta vissa förbättringar av metallens kvalitet genom omorientering av metallens kristallina struktur och arbetshärdning, även om effekten på kristallstrukturen vanligtvis är begränsad till ytan och mindre dramatisk än vid smide, vilket jag diskuterar i nästa avsnitt.

Alla de mer drastiska processerna inom metallformning involverar hetbearbetning (över 200 grader Celsius). Som nämnts inkluderar dessa:

• Extrudering, och
• Smide

Som vi också har nämnt är tillverkning av glasartiklar en annan viktig tillämpning för varmarbetsstål.

Extrudering är den process genom vilken ett uppvärmt och mjukgjort material trycks genom en form för att bilda ett långt föremål med konstant tvärsnittsprofil. De mest kända exemplen på extruderade artiklar är plast- och aluminiumprofiler, vilka kan ha ganska komplicerade former. Plastprofiler kan extruderas genom kallbearbetningsformar för verktygsstål, men aluminiumprofiler måste extruderas genom varma bearbetningsformar för verktygsstål.

En speciell kategori av extrudering är uppressad extrudering, som används för att forma sådana saker som aluminiumburkar och pillerrör. Vid uppressad extrudering trycks en form ner i ett tomt metallstycke som sedan flyter bakåt runt formen för att bilda burken eller röret. Det är verkligen anmärkningsvärt att burkar och rör med så tunna, men jämna, väggar kan formas med denna metod.

Sömlösa rör tillverkas också genom extrudering. Ett massivt ämne värms upp och sticks sedan i mitten. Det placeras sedan över en dorn och ges sin slutliga storlek och väggtjocklek genom extrudering.

Smide är den process genom vilken en bit het metall, ofta glödande, bankas till sin slutliga form av en industrihammare, med endast mindre bearbetnings- (skär-) operationer som följer. Ett bra exempel på en produkt som vanligtvis tillverkas genom smide är en skiftnyckel. Hammaren kan drivas mekaniskt i båda riktningarna, eller så kan den lyftas mekaniskt och släppas av gravitationen ("smide").

Smide ståldäck för järnvägshjul. Foto av Rainer Halama, 19 juni 2010, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Smide är en direkt industriell arvtagare till äldre smidestekniker som mokume-gane och damaskus. Det har en liknande effekt, nämligen att det orsakar att glasartade föroreningar och gasbubblor skingras och sluts, och de stora kristallerna eller "kornen" som vanligtvis finns inuti gjuten metall – liknande paljetterna på ett galvaniserat järnstaket, som själva är en typ av metallkristall – bryts och ersätts av mindre och i många fall också deformeras i riktning mot de yttre kurvorna på den slutliga formen.

Som man kan förvänta sig är en finkornig struktur överlägsen en grovkornig; och en finkornig struktur där kornen också följer produktens form förbättrar den färdiga artikelns mekaniska egenskaper ytterligare, vilket gör det mycket mindre sannolikt att artikeln spricker i ett hörn under tunga belastningar än annars.

Det finns en mycket bra illustration av formföljande kristaller på webbplatsen för dropforging.netDen väsentliga likheten med produkterna från de skickligaste smederna från tidigare tider är uppenbar, förutom att resultatet i detta fall är en industriartikel snarare än ett svärd.

Många av de mest "allvarliga" mekaniska artiklarna, föremål som bär tunga belastningar och skulle få allvarliga eller åtminstone mycket irriterande konsekvenser om de skulle gå sönder, är smidda. Tillsammans med skiftnycklar, som kan gå sönder vid de punkter med maximal belastning, nära muttern, om de tillverkades med någon annan metod, inkluderar smidda artiklar vevaxlar till motorer och vevstakar som förbinder kolvarna med vevaxeln, även om kolvarna själva vanligtvis är gjutna. (Smidda kolvar används dock i racingmotorer och blir alltmer populära i allmänt bruk).

Det finns två huvudtyper av smide: öppet smide och smide med sluten form. Öppet smide poundar metall till en grov form och förbättrar dess allmänna inre struktur men ger i övrigt ingen särskilt bestämd form eller ådringsmönster. Smidet med sluten form ger mer bestämda former och ådringsmönster.