У обробній промисловості продукт часто формується та збирається разом із інструментами зі сталі. Такі інструменти варіюються від звичних і неспеціалізованих, таких як дрилі та викрутки, до більш спеціалізованого обладнання, такого як матриці для лиття розплавленого металу або для формування таких деталей, як панелі автомобілів (у техніці формування означає кування або штампування). Існує багато видів інструментальної сталі. Інструментальна сталь для різання металу зазвичай вибирається з сімейства швидкорізальних сталей (HSS), які носять таку назву, оскільки вони залишаються твердими та стійкими до зносу до 600 градусів Цельсія (C). HSS може різати метали на високих швидкостях порівняно з інструментами зі звичайної сталі, які починають розм’якшуватися приблизно при температурі вище 200 градусів C. Подібна різниця існує між видами сталі, які використовуються для лиття або формування металу. У цих операціях інженери говорять про інструментальну сталь для гарячої та холодної роботи. Інструментальна сталь для гарячої роботи використовується для штампів, які утримують розплавлені метали, такі як алюміній і цинк, доки рідина не затвердіє, або для формування металу вище 200 градусів C (приблизно), тоді як інструментальна сталь для холодної роботи використовується для формування металу нижче тієї самої температури. температура.
Вступ
У обробній промисловості терміни «інструмент» та «інструментальна сталь» мають спеціальне технічне значення. Вони використовуються для опису частини виробничого обладнання, яка контактує з продуктом, і сталі, з якої ця частина виготовлена, якщо вона виготовлена зі сталі (як зазвичай).
Інструменти, визначені таким чином, можуть використовуватися для різання, лиття або формування.
різання це дія, що виконується свердлом або одноточковим інструментом на токарному верстаті. Це також дія, яка виконується багатоточковим інструментом фрезерного верстата або пильного полотна.
Лиття це утримання розплавленого металу або будь-якого іншого розплавленого матеріалу на місці, поки він не затвердіє.
Формування це дія кування, згинання або штампування суцільної заготовки так, що її форма змінюється без втрати матеріалу.
Іноді ці дії поєднуються, наприклад, коли прес вирізає коло в листі металу і одночасно формує з нього основу каструлі.
У цьому технічному вживанні машина, яка утримує інструмент, і матеріали, з яких виготовлена машина, яка утримує інструмент, зазвичай називаються окремо від самого інструменту.
Історія інструментальних сталей
Найперші інструментальні сталі, ймовірно, використовувалися для виготовлення традиційних інструментів, таких як молотки, ковадла, ножі та сокири. Спочатку їх було важко відрізнити від звичайного заліза, виготовленого за допомогою найпримітивніших технологій.
Але з плином часу традиційні ковалі навчилися змінювати властивості заліза, щоб зробити його твердішим для одних цілей і міцнішим для інших. Ці модифіковані форми заліза стали першими справжніми формами сталі.
На початку виробництва сталі, понад три тисячі років тому, ковалі виявили, що, нагріваючи залізо певного складу, а потім занурюючи його в олію чи воду, можна зробити його твердішим, ніж якби йому просто дати охолонути природним шляхом. Під «певним складом» я маю на увазі залізо, яке містило приблизно один відсоток ваги, або близько того, розчиненого вуглецю, коли воно було в гарячому стані. Раптове гасіння завадило б виходу вуглецю з розчину з утворенням порівняно великих частинок карбіду заліза в матриці відносно чистого та м’якого заліза. Натомість процес загартування зафіксував атоми вуглецю на місці в тому, що тепер було напруженою матрицею заліза та вуглецю, яка називається мартенситом, деформувати який важче.
Звісно, вся ця хімія тоді була невідома. Натомість ковалі минулого працювали за різними емпіричними правилами. В англійській мові це породжує вислів «чорна магія». Робота ковалів була радше мистецтвом, ніж наукою, вона була брудною та чорною з фізичного погляду, і до того ж ніхто насправді не знав, що робили ковалі. Чи були вони в союзі з демонами з такої ж вогняної ями пекла? З усіх цих причин робота коваля була відома як «чорна магія», термін, який сьогодні застосовується до будь-якого іншого подібного таємничого процесу.
Загальнодоступне зображення традиційного коваля (1606 р. н. е.) через Wikimedia Commons
Згодом мистецтво ковалів стало більш складним і вправним, хоча все ще залишалося мистецтвом. Шматки найтвердішої сталі розміщували там, де був би край леза, і об’єднували їх із шматками м’якшої, але міцнішої сталі, щоб сформувати основну частину леза. Інший метод початкової підготовки передбачав осадження карбідних дендритів в одному сталевому блоці. Однак, як виникло спочатку, композит потім збивали, нагрівали та згинали багато разів, щоб усунути потенційно крихкі домішки та газові бульбашки, а також утворити леза з міцним тілом і твердими краями. Ці техніки, які за назвою увійшли японці мокуме-гане метод і Ближ.-Сх Дамаск методом виробляли сталь із закрученими візерунками, які розкривали основну структуру, особливо під час травлення. Тим не менш, було мало наукового розуміння того, що відбувається насправді, на відміну від більш інтуїтивного та художнього розуміння.
Японський меч, виготовлений у техніці мокуме-гане на тлі кольчуги. Фотографія «Dafannin», 12 травня 1986 р. CC BY-SA 4.0 через Wikimedia Commons.
Речі стали більш науковими наприкінці 1700-х і на початку 1800-х років. Поява сучасної хімії ясно показала, що сталь того часу була сплавом, справді композитом, заліза та інших елементів; що основною добавкою був вуглець; і що вуглець приймав різні форми в м’якій сталі, твердій сталі та чавуні (де концентрація вуглецю становила близько чотирьох відсотків за вагою).
Завдяки контрольованому збільшенню частки вуглецю в сталі стало можливим виробляти надтверді, хоча й дещо крихкі сталі, які добре підходять для різання інших форм сталі. Так народилися перші інструментальні сталі сучасного типу.
Ці ранні інструментальні сталі поєднували переважно мартенситну (загартовану) матрицю з додатковими включеннями карбіду заліза.
Однак вони мали недолік — вони розм’якшувалися при температурі вище 200 градусів за Цельсієм, і це обмежувало швидкість, з якою їх можна було використовувати для різання інших сталей.
У 1868 році шотландський інженер Роберт Мушет, сам син одного з перших майстрів чавуну, який визнав важливість вуглецю, винайшов форму сталі, яка залишалася твердою при високих температурах.
Новий сплав, відомий як сталь Мушета, містив не лише звичайну кількість вуглецю, але ще більшу кількість марганцю та вольфраму. Мушетна сталь також мала незвичайну властивість не потребувати загартування в рідині. Це була перша сталь, що загартовувалась на повітрі: сталь, яка загартовувалась до мартенситного рівня, просто охолоджуючись від червоного тепла у струмені повітря.
На початку 1900-х років американський інженер Фредерік Вінслоу Тейлор і його колеги ще більше вдосконалили властивості сталі Мушет. Результат був відомий як швидкорізальна сталь (HSS). HSS залишається корисно твердим аж до 500 або навіть 600 градусів за Цельсієм: звідки походить його назва, оскільки його можна використовувати для різання інших сталей на ще більших швидкостях, ніж сталь Мушета. Разом із залізом і вуглецем, які є загальними для всіх типів сталі, більшість сплавів з високошвидкої насадки продовжують включати велику кількість вольфраму та хрому, який замінив марганець початкової формули Mushet.
У наші дні твердосплавні наконечники часто використовуються для найскладніших завдань різання металу, хоча швидкорізальна сталь залишається кращим матеріалом для виготовлення пильних полотен і спіральних свердел, для яких використання твердосплавних наконечників зазвичай було б непрактичним, особливо у сортах меншого діаметру та дрібнішого розміру зуба.
Але як щодо лиття та формування?
Дотепер я описував удосконалення інструментальних сталей, які використовуються для різання речей, від перших лез до сучасних промислових інструментів з високоякісної сталі. Однак сучасне розрізнення між інструментальною сталлю для холодної та гарячої робіт дійсно стосується сталей, які використовуються для лиття та формування.
Сталь для гарячої обробки використовується для процесів, де температура інструменту перевищує 200 градусів за Цельсієм (392 градуси за Фаренгейтом).
Інструментальна сталь для холодної роботи використовується для процесів, де температура інструменту залишається нижче 200 градусів Цельсія.
Роздільна лінія 200 градусів за Цельсієм не є абсолютно жорсткою та швидкою, враховуючи, що існує багато різних сплавів із різними властивостями, але це звичайна розділова лінія, яка широко згадується в літературі.
Для всіх форм інструментальної сталі основними причинами поломки є поломка, деформація (особливо постійна або «пластична» деформація), поверхневий знос і розвиток поверхневих втомних тріщин, викликаних циклічними напругами. Циклічні напруги мають як механічне, так і термічне походження; Термічні напруги є особливо серйозною проблемою для інструментальних сталей для гарячої обробки.
Інструментальні сталі для холодної роботи
Інструментальна сталь для холодної роботи – це, як правило, високовуглецева сталь, яка зазвичай містить від одного до півтора відсотків вуглецю за вагою. Найпоширенішими типами є низьколеговані марки з твердим маслом, середньолеговані марки з повітряним твердінням і високовуглецеві марки з високим вмістом хрому.
Найдешевшими є низьколеговані сорти, що зміцнюються в маслі. За винятком того факту, що вони містять менше домішок, вони майже такі ж, як і старомодні форми інструментальної сталі, які використовувалися до сталі Мушета.
Середні сорти сплавів, що гартують на повітрі, гартують із меншою деформацією, ніж сталі, які потрібно загартувати. Вони також можуть бути загартовані в більш товсті секції, ніж загартована сталь, до 100 міліметрів або більше.
Найбільш зносостійкі сорти з високим вмістом вуглецю і високим вмістом хрому, які загартовані шляхом загартування в маслі або на повітрі в залежності від їх точного складу.
Інструментальна сталь для холодної роботи зазвичай використовується для багатьох повсякденних промислових цілей, зокрема:
- Лиття під тиском пластмас
- Штампи для формування тонких металевих панелей, таких як вигнуті панелі кузова автомобілів
- Токарні патрони та центри
- валки
- Формувальні матриці для гвинтових різьб і накатки
- Протяжки, розгортки, мітчики та оправки
- Колеса та обойми для роботи з дроту та холодних труб
- Ножиці, леза та інші ріжучі інструменти для застосувань, де різання є коротким і виділяється мало тепла
- вимірювальні прилади
- Штампи для вирубки, витягування та проколювання
Гарячі робочі інструментальні сталі
Подібно до сталі Мушета та найперших швидкорізальних сталей, інструментальні сталі для гарячої обробки традиційно містять велику кількість вольфраму як легуючого елемента. Однак існують також сталі для гарячих навантажень, які містять хром як основний легуючий елемент, і інші марки, які містять молібден як основний легуючий елемент.
Поряд із високошвидкісним різанням і свердлінням металу інструментальна сталь для гарячої роботи зазвичай використовується для:
- Лиття під тиском металів
- Екструзія
- Кування
- Виготовлення виробів зі скла
Вибір матеріалів для лиття
Процеси лиття, для яких використовується інструментальна сталь, називаються литтям під тиском, у якому інструмент виконує функцію матриці, надаючи деталізовану або порівняно точну форму кінцевому виробу більш достовірним і повторюваним способом, ніж це можливо при лиття в форми для піску.
Лиття під тиском, ймовірно, виникло з відливання літер для рухомого шрифту в 1400-х роках нашої ери у відкритих матрицях у формі кожної літери. У сучасному розумінні метал вводять під тиском у форму, виготовлену з двох протилежних інструментів, яку він точно заповнює.
Штампи для пластмас зазвичай виготовляються зі спеціальних марок сталі для холодної обробки, відомої як P-сталі, з алюмінію або зі сплавів берилію та міді. Переваги міді та алюмінію для цього використання включають набагато вищу теплопровідність і, отже, більш швидке та рівномірне охолодження, ніж сталь.
З іншого боку, сталеві форми служать довше (до мільйонів циклів) і можуть краще протистояти ерозії струменями пластмаси, що швидко рухається, особливо якщо вона містить абразивне композитне армування, таке як скловолокно. Деякі поверхні можна надійно досягти лише за допомогою сталі.
Вибір матеріалів для процесів формування
Процеси обробки металу тиском, для яких використовується інструментальна сталь для холодної обробки, як правило, не передбачають дуже високого ступеня об’ємної деформації металу. Надання гвинтових різьб на поверхню стрижня шляхом прокатки або вдавлювання плоского листа металу в складні вигини панелі кузова автомобіля є типовими для процесів холодного формування в цьому сенсі.
Холодне формування гвинтової різьби. Графіка «Tosaka», 12 жовтня 2009 р. CC BY 3.0 через Wikimedia Commons.
Процеси холодної обробки часто покращують якість металу шляхом переорієнтації кристалічної структури металу та загартовування у праці, хоча вплив на кристалічну структуру зазвичай обмежується поверхнею і менш драматичний, ніж у випадку кування, яке я обговорюю в наступному розділі.
Усі більш радикальні процеси обробки металу тиском включають гарячу роботу (вище 200 градусів за Цельсієм). Як зазначалося, до них належать:
- Екструзія, і
- Кування
Як ми також зазначали, виготовлення скляних виробів є ще одним великим застосуванням інструментальної сталі для гарячих робіт.
Екструзія це процес, за допомогою якого нагрітий і розм’якшений матеріал проштовхують через головку для формування довгого виробу постійного профілю поперечного перерізу. Найвідомішими прикладами екструдованих виробів є пластикові та алюмінієві профілі, які можуть мати досить складну форму. Пластикові секції можна екструдувати через прес-форми з інструментальної сталі для холодної роботи, але алюмінієві секції необхідно екструдувати через матриці з інструментальної сталі для гарячої роботи.
Спеціальна категорія екструзії — це екструзія висадкою, яка використовується для формування таких речей, як корпуси алюмінієвих банок і тюбики для таблеток. Під час екструзії зі зміщенням матриця штовхається вниз у порожній шматок металу, який потім обертається навколо матриці, утворюючи банку або трубку. Це справді чудово, що банки та тюбики з такими тонкими, але рівними стінками можна сформувати цим методом.
Безшовні труби виготовляють також методом екструзії. Тверду заготовку нагрівають, а потім проколюють посередині. Потім його поміщають на оправку та надають остаточний розмір і товщину стінки шляхом екструзії.
Кування це процес, за допомогою якого шматок гарячого металу, часто розпеченого до червоного, набуває остаточної форми промисловим молотком, після чого слідують лише незначні операції механічної обробки (різання). Хорошим прикладом виробу, який зазвичай виготовляють методом кування, є гайковий ключ. Молоток можна рухати механічно в обох напрямках або його можна піднімати механічно та опускати під дією сили тяжіння («кувка»).
Кування сталевих шин для коліс залізничних поїздів. Автор фото Райнер Халама, 19 червня 2010, CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons.
Кування є прямим промисловим нащадком старих ковальських технологій, таких як мокуме-гане та дамаск. Він має подібний ефект, а саме: диспергування та закриття склоподібних домішок і бульбашок газу, а також великих кристалів або «зерен», які зазвичай знаходяться всередині литого металу, подібно до блискіток на оцинкованому залізному паркані. , які самі по собі є типом металевих кристалів, які потрібно руйнувати та замінювати меншими, а в багатьох випадках також деформувати в напрямку зовнішніх кривих остаточної форми.
Як і слід було очікувати, дрібнозерниста структура перевершує крупнозернисту; а дрібнозерниста структура, в якій зерна також повторюють форму виробу, ще більше покращує механічні властивості кінцевого виробу, зменшуючи ймовірність того, що виріб розтріснеться на куті під великим навантаженням, ніж в іншому випадку.
На веб-сайті є дуже хороша ілюстрація кристалів, що повторюють форму dropforging.net. Істотна схожість із виробами найкваліфікованіших ковалів минулих часів очевидна, за винятком того, що в цьому випадку результатом є промисловий виріб, а не меч.
Багато з найбільш «серйозних» механічних виробів, предметів, які витримують велике навантаження і можуть мати серйозні або принаймні дуже неприємні наслідки, якщо вони зламаються, є кованими. Разом із гайковими ключами, які могли б клацати в місцях максимального напруження біля гайки, якщо вони були виготовлені будь-яким іншим способом, ковані вироби включають колінчасті вали двигунів і шатуни, які з’єднують поршні з колінчастим валом, хоча самі поршні зазвичай відливають. (Проте ковані поршні використовуються в гоночних двигунах і стають все більш популярними в загальному використанні).
Існує два основних види кування: відкрите кування та кування в закритому стані. Відкрите кування надає грубу форму металу та покращує його загальну внутрішню структуру, але не надає жодної особливо чіткої форми чи зернистості. Кування із закритою матрицею дає більш чіткі форми та візерунки зерна.
_14-n.PNG){kind=link}
