Быстрорежущая сталь ( HSS или HS ) - это разновидность инструментальных сталей , обычно используемых в качестве материала для режущих инструментов .
Он часто используется в дисках для мотопил и сверлах . Он превосходит старые инструменты из высокоуглеродистой стали, широко использовавшиеся в 1940-х годах, тем, что может выдерживать более высокие температуры, не теряя при этом своего состояния (твердости). Это свойство позволяет быстрорежущей стали резать быстрее, чем высокоуглеродистая сталь, отсюда и название быстрорежущей стали . При комнатной температуре при обычно рекомендуемой термообработке марки HSS обычно демонстрируют высокую твердость (выше твердости 60 по Роквеллу ) и сопротивление истиранию (обычно связанное с содержанием вольфрама и ванадия, часто используемым в HSS) по сравнению с обычными углеродистыми и инструментальными сталями .
История
В 1868 году английский металлург Роберт Форестер Мушет разработал сталь Mushet , которая считается предшественницей современных быстрорежущих сталей. Он состоял из 2% углерода (C), 2,5% марганца (Mn) и 7% вольфрама (W). Основным преимуществом этой стали было то, что она затвердевала при охлаждении на воздухе от температуры, при которой большинство сталей приходилось закаливать для закалки. В течение следующих 30 лет наиболее значительным изменением стала замена марганца (Mn) хромом (Cr). [1]
В 1899 и 1900 годах Фредерик Уинслоу Тейлор и Мансель Уайт, работая с командой помощников в Bethlehem Steel Company в Вифлееме, штат Пенсильвания , США, провели серию экспериментов по термообработке существующих высококачественных инструментальных сталей, таких как сталь Mushet, нагревать их до гораздо более высоких температур, чем обычно считалось желательным в промышленности. [2] [3] Их эксперименты характеризовались научным эмпиризмом в том, что было сделано и проверено множество различных комбинаций, без учета общепринятой мудрости или алхимических рецептов, а также велись подробные записи каждой партии. Результатом стал процесс термообработки, в результате которого существующие сплавы были преобразованы в новый вид стали, которая могла сохранять свою твердость при более высоких температурах, что позволяло значительно увеличить скорость и скорость резания при механической обработке.
Процесс Тейлора-Уайта [4] был запатентован и произвел революцию в обрабатывающей промышленности. Чтобы использовать новую сталь в полной мере, потребовались более тяжелые станки с большей жесткостью, что потребовало модернизации и замены установленного оборудования завода. Патент был оспорен и в конечном итоге аннулирован. [5]
Первый сплав, который был официально классифицирован как быстрорежущая сталь, известен под обозначением AISI T1, которое было введено в 1910 году. [6] Он был запатентован компанией Crucible Steel Co. в начале 20-го века. [1]
Хотя быстрорежущие стали с высоким содержанием молибдена, такие как AISI M1, нашли некоторое применение с 1930-х годов, именно нехватка материалов и высокие затраты, вызванные Второй мировой войной, стимулировали разработку менее дорогих сплавов, заменяющих молибден на вольфрам. Достижения в области быстрорежущих сталей на основе молибдена в этот период поставили их на один уровень, а в некоторых случаях и лучше, чем на быстрорежущие стали на основе вольфрама. Это началось с использования стали М2 вместо стали Т1. [1] [7]
Типы
Быстрорежущие стали - это сплавы, которые приобретают свои свойства от различных легирующих металлов, добавленных к углеродистой стали, обычно включая вольфрам и молибден, или их комбинацию, часто также с другими сплавами. [8] Они принадлежат к системе многокомпонентных сплавов Fe – C – X, где X представляет собой хром , вольфрам , молибден , ванадий или кобальт . Как правило, компонент Х присутствует в количестве более 7% вместе с более чем 0,60% углерода .
В единой системе нумерации (UNS) маркам вольфрама (например, T1, T15) присваиваются номера в серии T120xx, а молибдену (например, M2, M48) и промежуточным типам - T113xx. Стандарты ASTM признают 7 типов вольфрама и 17 типов молибдена. [9]
Добавление примерно 10% вольфрама и молибдена в сумме максимально эффективно увеличивает твердость и ударную вязкость быстрорежущих сталей и сохраняет эти свойства при высоких температурах, возникающих при резке металлов.
Оценка | C | Cr | Пн | W | V | Co | Mn | Si |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
T1 | 0,65–0,80 | 4.00 | - | 18 | 1 | - | 0,1–0,4 | 0,2–0,4 |
M1 | 0,80 | 4 | 8 | 1.5 | 1.0 | - | - | - |
M2 | 0,85 | 4 | 5 | 6.0 | 2.0 | - | - | - |
M7 | 1,00 | 4 | 8,75 | 1,75 | 2.0 | - | - | - |
M35 | 0,92 | 4.3 | 5 | 6.4 | 1,8 | 5 | - | 0,35 |
M42 | 1,10 | 3,75 | 9,5 | 1.5 | 1,15 | 8.0 | - | - |
M50 | 0,85 | 4 | 4,25 | .10 | 1.0 | - | - | - |
Молибденовые быстрорежущие стали (HSS)
Сочетание молибдена, вольфрама и хромистой стали дает несколько сплавов, обычно называемых HSS, с твердостью 63–65 по шкале Роквелла «C».
- M1
- M1 не обладает некоторыми свойствами жесткости к красному цвету, как M2, но он менее восприимчив к ударам и больше изгибается.
- M2
- M2 - это «стандартная» и наиболее широко используемая промышленная HSS. Он имеет мелкие и равномерно распределенные карбиды, обеспечивающие высокую износостойкость, хотя его чувствительность к обезуглероживанию немного высока. После термообработки его твердость такая же, как у Т1, но прочность на изгиб может достигать 4700 МПа, а вязкость и термопластичность выше Т1 на 50%. Обычно он используется для изготовления различных инструментов, таких как сверла, метчики и развертки. 1.3343 - это эквивалентное числовое обозначение для материала M2, определенного в ISO 4957.
- M7
- M7 используется для изготовления более тяжелых строительных сверл, где одинаково важны гибкость и увеличенный срок службы.
- M50
- M50 не имеет красной твердости, чем другие марки вольфрамовой HSS, но очень хорош для сверл, где поломка является проблемой из-за изгиба сверла. Обычно подходит для хозяйственных магазинов и подрядчиков. Он также используется в высокотемпературных шарикоподшипниках . Эти стали получают путем легирования стали вольфрамом, хромом, ванадием, кобальтом и молибденом.
Кобальтовые быстрорежущие стали (HSS)
Добавление кобальта увеличивает термостойкость и может дать твердость по Роквеллу до 70 мин. [12]
- M35
- M35 аналогичен M2, но с добавлением 5% кобальта. M35 также известен как кобальтовая сталь, HSSE или HSS-E. Он будет резать быстрее и дольше, чем M2. [13]
- M42
- M42 - это сплав быстрорежущей стали молибденового ряда с добавлением 8% кобальта. [12] Он широко используется в металлообрабатывающей промышленности из-за своей превосходной красной твердости по сравнению с более традиционными быстрорежущими сталями, что позволяет сократить время цикла в производственных условиях из-за более высоких скоростей резания или увеличения времени между сменой инструмента. . [13]
Модификация поверхности
Лазеры и электронные лучи могут использоваться в качестве источников интенсивного тепла на поверхности для термообработки , переплавки ( глазурования ) и изменения состава. Можно достичь различных форм и температур ванны расплава, а также скорости охлаждения в диапазоне от 10 3 до 10 6 К с -1 . Благоприятно, что образование трещин или пористости практически отсутствует. [1]
Хотя возможности термической обработки на поверхности должны быть очевидны, другие применения требуют некоторых пояснений. При скоростях охлаждения свыше 10 6 K S -1 эвтектических microconstituents исчезают , и существует крайняя сегрегации легирующих элементов замещени. Это дает преимущества застекленной детали без связанного с ней износа при обкатке. [1]
Состав сплава детали или инструмента также может быть изменен для образования быстрорежущей стали на поверхности бедного сплава или для образования слоя, обогащенного сплавом или карбидом, на поверхности детали из быстрорежущей стали. Можно использовать несколько методов, таких как фольга, борирование упаковки, порошки плазменного напыления, полосы с порошковой сердцевиной, устройства подачи инертного газа и т. Д. Хотя этот метод, как сообщается, является одновременно полезным и стабильным, он еще не получил широкого коммерческого использования. [1]
Формирование
HSS сверла , образованные путем прокатки обозначаются HSS-R. Шлифовка используется для создания сверл из быстрорежущей стали, кобальта и карбида. [14]
Приложения
Основное применение быстрорежущих сталей по-прежнему заключается в производстве различных режущих инструментов: сверл, метчиков , фрез , насадок , зубофрезерных (зубчатых) фрез, пильных полотен, строгальных и фуговальных лезвий, фрез и т. Д., Хотя использование пуансонов и матриц увеличивается.
Быстрорежущие стали также нашли рынок в тонком ручном инструменте, где их относительно хорошая вязкость при высокой твердости в сочетании с высокой стойкостью к истиранию сделали их подходящими для низкоскоростных применений, требующих прочной острой (острой) кромки, таких как напильники , долота , ручной рубанок. лезвия, а также кухонные ножи из дамасской стали и карманные ножи . [ необходима цитата ]
Инструменты из быстрорежущей стали являются наиболее популярными для использования при токарной обработке древесины, так как скорость движения детали за кромку относительно высока для ручных инструментов, а HSS удерживает кромку намного дольше, чем инструменты из высокоуглеродистой стали. [ необходима цитата ]
Смотрите также
- Хромованадиевая сталь (Cr-V)
- Список производителей стали
Рекомендации
- ^ a b c d e f * Boccalini, M .; Х. Гольденштейн (февраль 2001 г.). «Затвердевание быстрорежущих сталей». Международные обзоры материалов . 46 (2): 92–115 (24). DOI : 10.1179 / 095066001101528411 .
- ^ Канигель, Роберт (1997). Один лучший способ: Фредерик Уинслоу Тейлор и загадка эффективности . Пингвин викинг. ISBN 0-670-86402-1.
- ^ Миса, Томас Дж. (1995). Нация стали: создание современной Америки 1865–1925 . Балтимор и Лондон: Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN 978-0801860522.
- ^ «процесс Тейлора-Уайта» . Пересмотренный полный словарь Вебстера . MICRA, Inc . Проверено 13 апреля 2013 года .
- ^ "Решение о выдаче патента на высокоскоростную инструментальную сталь". Электрохимическая и металлургическая промышленность . 7 . Март 2021 г.
По знаменитому патентному иску компании Bethlehem Steel к компании Niles-Bement-Pond Company за нарушение двух основных патентов Ф. В. Тейлора и М. Уайта (668 369 и 668 270, оба от 19 февраля 1907 г.) было принято решение. в пользу ответчика ... В решении суда подчеркивается, что нового состава стали, изобретенного Тейлором и Уайтом, нет ...
- ^ Робертс, Джордж (1998) Инструментальная сталь , 5-е издание, ASM International, ISBN 1615032010
- ^ The Metals Society, Лондон, "Инструменты и штампы для промышленности", 1977
- ^ Американский машинист . Макгроу-Хилл. 1908 г.
- ↑ High Speed Steel (HSS), Архивировано 1 апреля 2010 г. на Wayback Machine , Дата обращения 17 мая 2010 г.
- ^ «Свойства инструментальной стали AISI T1» . Проверено 17 марта 2008 года .
- ^ «Данные о высокоскоростном инструменте - Режущие инструменты ICS» . www.icscuttingtools.com .
- ^ а б "Быстрорежущая сталь M42" (PDF) . Проверено 15 апреля 2020 .
- ^ а б «Режущие инструменты из кобальтовой стали | Режущие инструменты Regal» . www.regalcuttingtools.com .
- ^ «Руководство по покупке буровых долот» . advice.manomano.co.uk .