Gereedschapstaal: De ultieme duurzame legering voor precisiesnijden

De metaalsamenstelling en productie van gereedschapstalen

Wat is gereedschapstaal?

Gereedschapstalen zijn uitzonderlijk harde, zachte of slijtvaste legeringen. Hun eigenschappen komen van zowel hun chemie als hun productie. Zoals hun naam impliceert, zijn deze stalen klaar om te werken met snijden, slijpen, boren, poncen, slaan, of andere zware klussen. Gereedschapstalen moeten de juiste materiaaleigenschappen hebben voor hun toepassing. Bijvoorbeeld, een boorbit en een ponc hebben elk hardheid en slijtweerstand nodig. Echter, de ponc ervaart meer impact terwijl de boorbit meer afschuiving ervaart. Ingenieurs en metallurgen kiezen het type gereedschapstaal gebaseerd op het gebruik van het gereedschap.

Gereedschapstalen hebben allemaal legeringselementen die karbiden produceren, een dicht gepakt metaalrooster dat een metaal en koolstof bevat. Karbiden zijn een refraktair materiaal, wat betekent dat ze weerstaan tegen afbraak onder druk, chemicaliën of hitte.

Het is niet alleen chemie wat een gereedschapstaal maakt. Een gereedschapstaal krijgt ook zijn hardheid van precies gecontroleerde warmtebehandeling en quenchen.

Gereedschapstaal harden door quenchen

Quenchen is een proces om staal te harden door de microstructuur te veranderen.

Eerst wordt het staal verhit. Staallegeringen worden tot verschillende temperaturen verhit, afhankelijk van de hoeveelheid koolstof in de mix. IJzer en koolstof bewegen door verschillende 'fasen', waarin de moleculen verschillende vormen aannemen, en deze fasen zijn afhankelijk van de algehele chemie.

Eenmaal de juiste hitte bereikt en gehouden, wordt de legering dan gequenchd, of afgekoeld, door blootstelling aan een veel koudere gas of vloeistof. Deze quenching bevriest het metaal snel. Wanneer het metaal zo geschokt bevroren wordt, beginnen veel kleine kristalkorrels van metaal allemaal tegelijk te bevriezen, met veel verplaatsing in elke korrel en ertussen. Vergelijk dit met een zeer langzame afkoeling, waar korrels langzaam over tijd in grote, cirkelvormige bloemen afkoelen. Langzaam afgekoelde metaalkorrels kunnen aan elkaar voorbijglijden wanneer het metaal geslagen wordt, het metaal deukend maar niet brekend. Schokbevriezing geeft de moleculaire structuur minder ruimte om te bewegen wanneer geslagen, wat het harder maakt, minder geneigd te deuken. Het metaalrooster in deze structuren heet martensiet, en het is martensiets geschokte, getande moleculaire structuur die gequenchde metalen hun kenmerkende hardheid geeft.

Water-quenchen is de snelste manier om te quenchen, en lucht-quenchen de langzaamste. Wat de legering kan aanhangen hangt af van de chemie. Sommige legeringen kunnen barsten of vervormen als ze te snel afgekoeld worden, maar zullen goed harden in een zachtere lucht-quench. Anderen zullen geen harde martensietlaag maken tenzij ze geschokt worden door een grote temperatuurverandering zoals die in water.

Categorieën van gereedschapstaal

Er zijn zes brede categorieën van gereedschapstaal. De vier meest voorkomende zijn water-gehard, koud-werk, warm-werk en hoge-snelheid gereedschapstalen. Gespecialiseerde toepassingen gebruiken ook schok-weerstand en speciaal-doel gereedschapstalen.

1. Water-gehard

   Deze groep gereedschapstalen is essentieel koolstofstaal dat warmtebehandeld is. Ze hebben 0,5–1,5% koolstof. Andere legeringselementen kunnen aanwezig zijn voor hun verschillende kwaliteiten, maar deze zijn doorgaans onder 0,5%. Deze metalen, zoals nikkel, wolfram of molybdeen, zijn duur. Het gebruik van minder van het kostbare metaal biedt waarde voor lichtere toepassingen.

   De extreme schok van water-quench is nodig met deze groep stalen om een harde externe laag te krijgen. Lichte gereedschappen, kleine onderdelen zoals veren, en kleine bevestigingsmiddelen zijn waarschijnlijke eindproducten. Ze mogen niet gebruikt worden in extreme omgevingen omdat W-serie stalen iets brosser zijn dan andere gereedschapstalen. W-serie stalen zijn kwetsbaarder voor barstingen en kunnen alleen continue temperaturen tot 302°F (150°C) aan.

2. Koud werk gereedschapstaal

   Koud-werk gereedschapstalen zijn bedoeld om bij 'koude' temperaturen gebruikt te worden – ze zijn hard, zacht en slijtvaste, maar niet in hete omgevingen. Omdat koude materialen snijden meer kracht kan kosten dan hete materialen snijden, is druksterkte een must in koud-werk gereedschapstaal.

   Koud, in deze context, betekent niet dat het tijd is voor de metaalbewerker om een trui aan te trekken. 392°F (200°C) en lager wordt beschouwd als een koude werkomgeving voor deze gereedschappen. In tegenstelling tot veel typen staal, vormt grafiet vaak in koud-werk stalen. Deze grafiet maakt veel van deze legeringen bewerkbaar: de grafiet biedt smering.

   Koud werk gereedschapstaal's subcategories zijn:

   • Olie-gehard (O Serie): Tijdens productie worden deze legeringen in olie gequenchd. Ze hebben 0,85–2,00% koolstof, en meestal minder dan 1% van elk ander legeringselement. Deze elementen kunnen mangaan, silicium, wolfram, chroom, vanadium en molybdeen omvatten.
   • Lucht-gehard (A Serie): Tijdens productie worden deze legeringen in lucht gequenchd. Ze hebben 0,05–2,85% koolstof. Deze stalen kunnen tot 5% chroom bevatten. Hoog chroom betekent dat tijdens warmtebehandeling de A-serie geen dimensionele vervorming zal ondergaan. Chroom produceert nauwere toleranties.
   • Hoog koolstof chroom (D Serie): Deze koud werk stalen functioneren tot 797°F (425°C). Ze bevatten 1,4–2,5% koolstof, en 11–13% chroom. Ze kunnen lucht of olie gequenchd worden, afhankelijk van de legering, en ervaren zeer weinig vervorming in elke afkoelmethode. Deze legeringen hebben doorgaans een zeer hoge slijtweerstand.

3. Warm werk gereedschapstaal

   Warm-werk gereedschapstalen hebben allemaal een groter percentage legeringselementen om meer karbiden te creëren en hottere werktemperaturen aan te kunnen. Warm-werk gereedschapstalen kunnen werken in temperaturen tot 1004°F (540°C). Als groep hebben de meeste lage koolstofpercentages, onder 0,6%.

   Warm-werk gereedschapstaal wordt vaak gebruikt in hoge-temperatuur productie met buigbaar heet materiaal zoals metaal en glas. Stempels, stamps, extruders en compressoren kunnen allemaal gemaakt worden met warm-werk staal. Het gereedschap moet blijven functioneren zelfs bij uitgebreide hitteblootstelling.

   Er zijn drie hoofdtypen warm-werk gereedschapstaal, gebaseerd op het belangrijkste legeringselement: chroom, wolfram of molybdeen. Een paar hebben hoge niveaus van chroom en wolfram, en worden dus gesorteerd als wolfram of als chroom afhankelijk van de fabrikant. Het belangrijkste legeringselement produceert het type karbied in het staal, en elk karbied biedt verschillende voordelen.

   Warm werk gereedschapstaal's subcategories zijn:

   • Chroom: Chroom warm-werk gereedschapstalen hebben 3–5% chroom. Andere legeringselementen zoals wolfram, vanadium of molybdeen zijn onder 5%. Vanadium wordt over het algemeen gebruikt in het staal dat voor snijgereedschappen gebruikt wordt. Deze groep legeringen (en specifiek AISI H13) zijn de meest gebruikte warm-werk gereedschappen.
   • Wolfram: Deze legeringen bevatten vaak geen molybdeen of vanadium. In plaats daarvan bevatten ze 9–18% wolfram. De meeste wolfram warm-werk gereedschapstalen hebben tussen 2–4% chroom. Dit is niet universeel waar: bijvoorbeeld, de legering AISI H23 heeft 12% chroom en 12% wolfram. H23 wordt soms een chroom staal genoemd, soms een wolfram een, en soms beide. Wolfram stalen bieden uitstekende hitteweerstand maar kunnen bros zijn; dit wordt beheerd door voorverhitting tot werkstemperatuur vóór gebruik.
   • Molybdeen: Veel chroom warm-werk gereedschapstalen hebben een beetje molybdeen in zich. Premium warm-werk stalen voor zeer zware omgevingen hebben er veel. Molybdeen creëert hogere-hitte stabiliteit en slijtweerstand in zware warm-werk toepassingen. Molybdeen legeringen AISI H42 en H43 worden vaak gebruikt als stempels of snijders in metaalmolens om de hitte en kracht van snijden en smeden aan te kunnen.

4. Hoge snelheid gereedschapstaal

   Moderne productieprocessen zijn deels mogelijk dankzij de uitvinding van deze klasse gereedschapstaal. Snijgereedschappen en machinebiten die op hoge snelheden draaien, worden heet door wrijving. De hoge-snelheid materiaalinnovatie liet machinisten toe hun productiesnelheid te verhogen.

   In 1900 werd hoge-snelheid gereedschapstaal gelanceerd op de Parijs Tentoonstelling. Een menigte fabrikanten keuchte om een snijrand roodgloeiend te zien door wrijving, toch doorwerkend. Waar snijsnelheden in de jaren 1890 5–30 voet per minuut waren, waren er in 1905 machines die 150 voet per minuut beweegden.

   Hoge snelheid gereedschapstalen hebben 14–18% wolfram, 3–5% chroom, 0,6% koolstof, en andere elementen afhankelijk van de toepassing.

5. Schok-weerstand gereedschapstaal

   Groep S schok-weerstand gereedschapstalen zijn ongelooflijk sterk, gebouwd om hoge impactweerstand te hebben. Hun sterkte ligt niet alleen aan het oppervlak of 'geschokte' laag van het gereedschap. Ze kunnen gebruikt worden voor veren, beitels, stempelstempels en ponzen. Deze groep legeringen heeft vaak veel legeringselementen – de meeste van welke in andere gereedschapstalen worden gezien. Echter, silicium, in het bereik van 0,15–3%, is aanwezig in deze klasse stalen.

6. Speciaal-doel gereedschapstalen

   Deze groep legeringen is waar de rare eentjes gaan roesten; deze metalen worden in specifieke toepassingen gebruikt en kunnen zelfs gecreëerd worden voor een specifieke fabrikant door een metallurg. Deze groep omvat laag-legering, hoog-ijzer stalen waar alle andere legeringselementen spaarzaam gebruikt worden. Deze lijken het meest op de goedkope W-stalen en worden ook water gequenchd. De minuut toevoeging van andere elementen verhoogt mechanische eigenschappen maar houdt kosten laag. Laag koolstof 'vorm' stalen zitten ook in deze groep speciaal-doel legeringen. Deze worden gebruikt voor thermoplastische vormgeving die hittebestendig en slijtvaste moet zijn, maar geen hoge impactweerstand nodig heeft.

Een gereedschapstaal kiezen

Als u een industriële machine ontwerpt, of een machine koopt voor industriële of productiedoeleinden, is het type gereedschapstaal dat gebruikt wordt belangrijk en moet door een ingenieur gespecificeerd worden.

De need-to-know is anders voor individuen die handgereedschappen kopen. Vaak zal een handgereedschapfabrikant 'gehard staal' aanbieden, en dan de staal kiezen op basis van het beoogde gebruik van het gereedschap. Echter, welke graad staal gebruikt wordt is iets van een industriegeheim voor elke gereedschapfabrikant. Defabrikanten balanceren waarde en klusspanningen op een deel-voor-deel basis. De beste manier om gereedschappen te kiezen is om aanbevelingen te krijgen van professionals in het vak, vrienden en online reviews, in plaats van zich zorgen te maken over de legering zelf. Als de fabrikant enige metallurgische competentie heeft en geen hoeken afknipt, wordt het ontwerp van een handgereedschap belangrijker dan de legering.

Smeden, gieters en andere metallurgen zullen meer nieuwsgierig zijn, zelfs op thuis-hobbyist niveau. Het zoeken naar bronnen en forums in deze groepen biedt een schat aan informatie over wat verwacht kan worden en wat voor typen metaal het beste gebruikt kunnen worden.

Gerelateerde Artikelen:

• Is Koolstofstaal beter dan Zacht Staal?
• Staal vs. Roestvrij Staal
• Staal Gradering: Chemie en Eigenschappen