Gereedschapsstaal:staal dat dingen voor elkaar krijgt

De metaalsamenstelling en productie van gereedschapsstaal

Wat is gereedschapsstaal?

Gereedschapsstaalsoorten zijn uitzonderlijk harde, taaie of slijtvaste legeringen. Hun eigenschappen komen voort uit zowel hun chemie als hun productie. Zoals hun naam al aangeeft, zijn deze staalsoorten klaar om te snijden, slijpen, boren, ponsen, slaan of andere zware klussen te doen. Gereedschapsstaalsoorten moeten de juiste materiaaleigenschappen hebben voor hun toepassing. Een boor en een pons hebben bijvoorbeeld elk hardheid en slijtvastheid nodig. De pons ervaart echter meer impact, terwijl de boor meer afschuiving ervaart. Ingenieurs en metaalbewerkers kiezen het type gereedschapsstaal op basis van het gebruik van het gereedschap.

Gereedschapsstaalsoorten hebben allemaal legeringselementen die carbiden produceren, een dicht opeengepakt metalen rooster dat een metaal en koolstof bevat. Carbiden zijn een vuurvast materiaal, wat betekent dat ze bestand zijn tegen afbraak onder druk, chemicaliën of hitte.

Het is echter niet alleen chemie die gereedschapsstaal maakt. Een gereedschapsstaal krijgt zijn hardheid ook door nauwkeurig gecontroleerde warmtebehandeling en afschrikken.

Gereedschapsstaal harden door afschrikken

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

Eerst wordt het staal verwarmd. Staallegeringen worden verwarmd tot verschillende temperaturen, 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.

Zodra de juiste warmte is bereikt en vastgehouden, wordt de legering vervolgens geblust of afgekoeld door blootstelling aan een veel koeler gas of vloeistof. Door dit afschrikken bevriest het metaal snel. Wanneer het metaal op deze manier wordt bevroren, beginnen veel kleine kristalkorrels van metaal allemaal tegelijk te bevriezen, met veel verplaatsing in elke korrel en daartussen. Vergelijk dit met een zeer langzame afkoeling, waarbij korrels in de loop van de tijd langzaam afkoelen in grotere, cirkelvormige bloemen. Langzaam gekoelde metaalkorrels kunnen langs elkaar bewegen wanneer het metaal wordt geraakt, het metaal deuken maar niet breken. Schokbevriezing geeft de moleculaire structuur minder bewegingsruimte wanneer deze wordt geraakt, waardoor deze harder wordt en minder snel deukt. Het metaalrooster in deze structuren wordt martensiet genoemd en het is de schokkerige, grillige moleculaire structuur van martensiet die de gebluste metalen hun karakteristieke hardheid geeft.

Water blussen is de snelste manier om te blussen, en lucht blussen de langzaamste manier. Wat de legering aankan, hangt af van de chemie ervan. Sommige legeringen kunnen barsten of vervormen als ze te snel worden afgekoeld, maar zullen goed uitharden in een zachtere luchtafkoeling. Anderen maken pas een harde martensietlaag als ze schrikken van zo'n grote temperatuurverandering in water.

Categorieën van gereedschapsstaal

Er zijn zes brede categorieën gereedschapsstaal. De vier meest voorkomende zijn met water gehard, koudwerk, warmwerk en hogesnelheidsgereedschapsstaal. Gespecialiseerde toepassingen maken ook gebruik van schokbestendig en speciaal gereedschapsstaal.

1. Met water gehard

   Deze groep gereedschapsstaalsoorten is in wezen koolstofstaal dat een warmtebehandeling heeft ondergaan. Ze hebben 0,5-1,5% koolstof. Andere legeringselementen kunnen aanwezig zijn vanwege hun verschillende kwaliteiten, maar deze zijn over het algemeen minder dan 0,5%. Deze metalen, zoals nikkel, wolfraam of molybdeen, zijn duur. Het gebruik van minder van het kostbare metaal biedt waarde voor lichtere toepassingen.

   De extreme schok van waterquench is bij deze groep staalsoorten nodig om een ​​harde buitenlaag te krijgen. Lichte gereedschappen, kleine onderdelen zoals veren en kleine bevestigingsmiddelen zijn waarschijnlijk eindproducten. Ze mogen niet in extreme omgevingen worden gebruikt, omdat staal uit de W-serie iets brozer is dan ander gereedschapsstaal. Staalsoorten uit de W-serie zijn kwetsbaarder voor scheuren en kunnen alleen continue temperaturen aan tot 150 °C.

2. Koud gereedschapsstaal

   Gereedschapsstaal voor koud werk is bedoeld om te worden gebruikt bij "koude" temperaturen - ze zijn hard, taai en slijtvast, maar niet in warme omgevingen. Omdat het snijden van koude materialen meer kracht kan vergen dan het snijden van hete materialen, is druksterkte een must in gereedschapsstaal voor koud werk.

   Koud betekent in deze context 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 staalsoorten vormt zich vaak grafiet in koudgewalste staalsoorten. Dit grafiet maakt veel van deze legeringen bewerkbaar:het grafiet zorgt voor smering.

   De subcategorieën van koudwerkgereedschapsstaal zijn:

   • Olieverharding (O-serie):Tijdens de productie worden deze legeringen geblust in olie. Ze hebben 0,85-2,00% koolstof, en meestal minder dan 1% van elk ander legeringselement. Deze elementen kunnen mangaan, silicium, wolfraam, chroom, vanadium en molybdeen bevatten.
   • Luchtverharding (A-serie):Tijdens de productie worden deze legeringen in lucht afgekoeld. Ze hebben 0,05-2,85% koolstof. Deze staalsoorten kunnen tot 5% chroom bevatten. Hoog chroom betekent dat de A-serie tijdens warmtebehandeling geen dimensionale vervorming zal ondergaan. Chroom produceert nauwere toleranties.
   • Chroom met hoog koolstofgehalte (D-serie):Deze koudwerkstalen werken tot 797 ° F (425 ° C). Ze bevatten 1,4-2,5% koolstof en 11-13% chroom. Ze kunnen, afhankelijk van de legering, met lucht of met olie worden afgeschrikt en bij beide koelmethoden wordt weinig vervorming ervaren. Deze legeringen hebben over het algemeen een zeer hoge slijtvastheid.

3. Heet werkgereedschapstaal

   Heetwerk gereedschapsstaalsoorten hebben allemaal een groter percentage legeringselementen om meer carbiden te creëren en hogere werktemperaturen aan te kunnen. Heet gereedschapsstaal kan werken bij temperaturen tot 1004°F (540 °C). Als groep hebben de meeste lage koolstofpercentages, lager dan 0,6%.

   Heet gereedschapsstaal wordt vaak gebruikt bij productie bij hoge temperaturen met kneedbaar heet materiaal zoals metaal en glas. Matrijzen, stempels, extruders en compressoren kunnen allemaal worden gemaakt van heetwerkstaal. Het gereedschap moet blijven functioneren, zelfs bij langdurige blootstelling aan hitte.

   Er zijn drie hoofdtypen warmwerkgereedschapsstaal, gebaseerd op het belangrijkste legeringselement:chroom, wolfraam of molybdeen. Een paar hebben een hoog gehalte aan chroom en wolfraam en worden dus gesorteerd als wolfraam of als chroom, afhankelijk van de fabrikant. Het belangrijkste legeringselement produceert het type carbide in het staal en elk carbide biedt verschillende voordelen.

   De subcategorieën van Hot Work Tool Steel zijn:

   • Chroom :Chroom-staal voor heet werkgereedschap heeft 3-5% chroom. Andere legeringselementen zoals wolfraam, vanadium of molybdeen zijn minder dan 5%. Vanadium wordt over het algemeen gebruikt in het staal dat wordt gebruikt voor snijgereedschappen. Deze groep legeringen (en specifiek AISI H13) zijn de meest gebruikte gereedschappen voor heet werk.
   • Tungsten :Deze legeringen bevatten vaak geen molybdeen of vanadium. In plaats daarvan bevatten ze 9-18% wolfraam. De meeste wolfraamstaalsoorten voor heet werk hebben tussen 2-4% chroom. Dit is niet overal waar:de legering AISI H23 heeft bijvoorbeeld 12% chroom en 12% wolfraam. H23 wordt soms een chroomstaal genoemd, soms een wolfraamstaal en soms beide. Wolfraamstaal biedt uitstekende hittebestendigheid, maar kan bros zijn; dit wordt beheerd door vóór gebruik voor te verwarmen tot bedrijfstemperatuur.
   • Molybdeen :Veel chroomstaal voor heet werkgereedschap bevat een klein beetje molybdeen. Premium warmwerkstaal voor zeer zware omgevingen heeft veel. Molybdeen zorgt voor een hogere hittestabiliteit en slijtvastheid bij toepassingen met zwaar heet werk. Molybdeenlegeringen AISI H42 en H43 worden vaak gebruikt als matrijzen of frezen in metaalfabrieken om de hitte en kracht van snijden en smeden aan te kunnen.

4. Hoge snelheid gereedschapsstaal

   Moderne productieprocessen zijn mede mogelijk door de uitvinding van deze klasse gereedschapsstaal. Snijgereedschappen en machinebits die met hoge snelheden draaien, worden heet door wrijving. Dankzij de snelle materiaalinnovatie konden machinisten hun productiesnelheid verhogen.

   In 1900 werd op de Parijse tentoonstelling het hogesnelheidsgereedschapsstaal geïntroduceerd. Een menigte fabrikanten snakte naar adem toen een snijkant roodgloeiend begon te gloeien als gevolg van wrijving en toch bleef werken. Waar de snijsnelheden in de jaren 1890 5-30 voet per minuut waren, waren er in 1905 machines die met een snelheid van 50 voet per minuut bewogen.

   Hogesnelheidsgereedschapsstaalsoorten bevatten 14-18% wolfraam, 3-5% chroom, 0,6% koolstof en andere elementen, afhankelijk van de toepassing.

5. Schokbestendig gereedschapsstaal

   Schokbestendig gereedschapsstaal van Groep S is ongelooflijk sterk, gebouwd om een ​​hoge slagvastheid te hebben. Hun kracht ligt niet alleen aan de oppervlakte of de "geschokte" laag van het gereedschap. Ze kunnen worden gebruikt voor veren, beitels, stempels en ponsen. Deze groep legeringen heeft vaak veel legeringselementen, waarvan de meeste te zien zijn in ander gereedschapsstaal. Silicium, in het bereik van 0,15-3%, is echter aanwezig in deze klasse van staal.

6. Gereedschapsstaal voor speciale doeleinden

   Deze groep legeringen is waar de vreemde eenden op stok gaan; deze metalen worden gebruikt in specifieke toepassingen en kunnen zelfs voor een bepaalde fabrikant worden gemaakt door een metallurg. Deze groep omvat laaggelegeerde staalsoorten met een hoog ijzergehalte, waarbij alle andere legeringselementen spaarzaam worden gebruikt. Deze lijken het meest op de goedkope W-staalsoorten en zijn ook met water geblust. De minieme toevoeging van andere elementen verhoogt de mechanische eigenschappen maar houdt de kosten laag. Koolstofarme "vorm" staalsoorten behoren ook tot deze groep speciale legeringen. Deze worden gebruikt voor thermoplastisch gieten dat hittebestendig en slijtvast moet zijn, maar geen hoge slagvastheid nodig heeft.

Een gereedschapsstaal kiezen

Als u een industriële machine ontwerpt of een machine koopt voor industriële of productiedoeleinden, is het type gereedschapsstaal belangrijk en moet dit worden gespecificeerd door een ingenieur.

De noodzaak om te weten is anders voor individuen die handgereedschap kopen. Vaak zal een fabrikant van handgereedschap "gehard staal" aanbieden en vervolgens het staal kiezen op basis van het beoogde gebruik van het gereedschap. Welke staalsoort er wordt gebruikt, is echter een industriegeheim voor elke gereedschapsfabrikant. De fabrikanten balanceren waarde en werkstress per onderdeel. De beste manier om gereedschap te kiezen is om aanbevelingen te krijgen van professionals in het veld, vrienden en online beoordelingen, in plaats van je zorgen te maken over de legering zelf. Als de fabrikant enige metallurgische competentie heeft en niet de bochten neemt, wordt het ontwerp van een handgereedschap belangrijker dan de legering.

Smeden, oprichters en andere metaalbewerkers zullen nieuwsgieriger zijn, zelfs op het niveau van de hobbyist. Zoeken naar bronnen en forums in deze groepen levert een schat aan informatie op over wat kan worden verwacht en welke soorten metaal het beste kunnen worden gebruikt.

Gerelateerde artikelen:

• Is koolstofstaal beter dan zacht staal?
• Staal versus roestvrij staal
• Staalclassificatie:chemie en eigenschappen