Verktygsstål: Betyg, Egenskaper och applikationer

Verktygsstål är hjärtat i modern tillverkning, där precision och hållbarhet önskas och efterfrågas.

Det är en specialiserad typ av stål som är utformad för att motstå påfrestningarna vid tillverkning och industriella processer.

Känd för sin exceptionella hårdhet, slitbidrag, och styrka, verktygsstål är avgörande i olika branscher, från fordon och flyg till elektronik och konsumentvaror.

Den här artikeln fördjupar sig i typer av verktygsstål, egenskaper, och applikationer, ger insikter om dess betydelse och faktorerna att tänka på när du väljer rätt betyg för dina behov.

1. Vad är Tool Steel?

Verktygsstål är en specialiserad kategori av kol- och legeringsstål, designad speciellt för tillverkning av verktyg. Här är vad som gör den unik:

• Kol är ryggraden i verktygsstål, bidrar till dess hårdhet och styrka. Typiskt, verktygsstål innehåller mellan 0.7% till 1.5% kol.
• Legeringselement som krom, volfram, molybden, och vanadin tillsätts för att förbättra specifika egenskaper:

• • Krom ökar härdbarhet, slitbidrag, och korrosionsmotstånd. Till exempel, stål som D2 kan innehålla upp till 12% krom.
  • Volfram och Molybden förbättra segheten och värmebeständigheten, avgörande för applikationer med hög hastighet och heta arbeten. M2 stål, ett vanligt höghastighetstål, har runt 6% volfram.
  • Vanadin bildar hårda karbider, förbättra slitstyrkan. AISI A11, till exempel, innehåller 1.5% vanadin.

Verktygsståls historia går tillbaka till slutet av 1800-talet då behovet av mer hållbara verktyg ledde till utvecklingen av höghastighetsstål.

Med tiden, utvecklingen av verktygsstål har sett introduktionen av olika kvaliteter, var och en skräddarsydd för specifika applikationer:

• W1, W2 (Vattenhärdande stål): Enkel, lågkostnadsalternativ för grundläggande verktyg, ofta innehållande 0.90-1.40% kol.
• A2, D2, O1 (Kallbearbetade stål): Designad för applikationer där verktyget inte blir varmt, med A2 som erbjuder hög slitstyrka tack vare sin 5% krominnehåll.
• H13, H19 (Varmbearbetningsstål): Dessa tål temperaturer upp till 1200°F, med H13 innehållande 5% krom och 1.5% molybden.

2. Typer av verktygsstål

Verktygsstål är en mångsidig kategori av stål, varje typ tillverkad för att möta specifika industriella behov genom en unik kombination av legeringselement och värmebehandlingar.

Här är en detaljerad utforskning av de olika typerna:

Jämförelsebord: Verktygsståltyper

Typ	Nyckelfunktioner	Ansökningar
W-typ (Vattenhärdande)	Kostnadseffektiv, hög hårdhet	Handverktyg, träbearbetningsverktyg
Kallt arbete (O, En, D)	Hög slitstyrka, dimensionell stabilitet	Stämpling dör, trimningsverktyg, skärknivar
S-typ (Stöttålig)	Höghet, slagmotstånd	Mejslar, jackhammer bits, stansar
H-typ (Hett arbete)	Termisk trötthet, högstyrka	Pressgjutningsformar, heta smidesverktyg
Hss (M, T)	Värmebeständighet, Höga skärhastigheter	Borrar, slutfabriker, precisionsskärverktyg
Speciellt syfte	Skräddarsydd för specifika uppgifter	Plastformar, nischade industriverktyg

3. Verktygsståls egenskaper

Verktygsståls egenskaper är det som gör det oumbärligt i tillverknings- och verktygstillverkningsvärlden. Här är en djupgående titt på nyckelegenskaperna:

Hårdhet och seghet:

• • Hårdhet: Verktygsståls hårdhet är dess förmåga att motstå intryck, skrapning, eller deformation. Denna egenskap är avgörande för verktyg som behöver bibehålla en skarp skäregg eller motstå slitage. Till exempel:

• • • D2 stål kan uppnå en Rockwell C hårdhet på 57-62, vilket gör den idealisk för applikationer som kräver hög slitstyrka.

• • Seghet: Medan hårdhet är viktigt, segheten säkerställer att stålet kan absorbera energi utan att spricka. En balans mellan hårdhet och seghet är avgörande:

• • • A2 -stål ger en bra balans, med en hårdhet på 55-59 HRC efter anlöpning, men med högre seghet jämfört med D2, vilket gör den lämplig för verktyg som utsätts för stötbelastningar.

Slitbidrag:

• • Denna egenskap är avgörande för verktyg som utsätts för nötande slitage, som skärverktyg, dy, och slag.
    Förekomsten av hårda karbider, bildas av element som krom, vanadin, och volfram, förbättrar slitstyrkan avsevärt:

• • • Höghastighetsstål som M2, med 6% volfram och 5% molybden, kan behålla sin kant även efter långvarig användning på grund av bildning av hårda karbider under värmebehandling.

Värmemotstånd:

• • För verktyg som arbetar i högtemperaturmiljöer, värmebeständighet är nyckeln till att förhindra uppmjukning eller förvrängning:

• • • Heta verktygsstål som H13 underhålla 90% av deras hårdhet vid 1100°F, vilket gör dem lämpliga för pressgjutning, smidning, och extrudering där verktyget möter höga temperaturer.

Bearbetbarhet:

• • Vissa verktygsstål är utformade för att bearbetas relativt lätt, minskar verktygsslitage under formningsprocesser:

• • • O1 stål är känd för sin goda bearbetbarhet, vilket gör det lättare att forma till komplexa former innan det härdar.

Dimensionell stabilitet:

• • Precisionsverktyg kräver material som bibehåller sin form under stress eller temperaturförändringar:

• • • A2 -stål har utmärkt dimensionsstabilitet, säkerställa att verktyg som mätare och mätinstrument bibehåller sin noggrannhet över tid.

Ytterligare egenskaper:

• Korrosionsmotstånd: Some tool steels, particularly those with higher chromium content like stainless tool steels, offer resistance to rust and corrosion,
  which is crucial for tools used in humid or corrosive environments.
• Termisk konduktivitet: This property affects how heat is transferred through the tool, influencing cooling rates and thermal expansion:

• • H13 steel has relatively high thermal conductivity, which helps in dissipating heat during hot work applications.

• Trötthetsmotstånd: Tools that undergo cyclic loading benefit from steels with high fatigue resistance:

• • S7 steel excels in this regard, making it suitable for tools subjected to repeated impacts.

• Elastisk modul: This measures the steel’s stiffness, indicating how much it will deform under load:

• • Höghastighetsstål generally have a higher elastic modulus, allowing them to maintain their shape under cutting forces.

Balanserande egenskaper:

• Avvägningar: Att uppnå en optimal balans mellan dessa egenskaper är ofta en utmaning. Till exempel:

• • Ökad hårdhet minskar vanligtvis segheten, gör stålet sprödare.
  • Förbättrad slitstyrka kan äventyra bearbetbarheten.

• Värmebehandling: Verktygsståls egenskaper kan förändras avsevärt genom värmebehandling:

• • Släckning ökar hårdheten men kan göra stålet sprött om det inte följs av härdning.
  • Härdning minskar sprödheten genom att tillåta en del av martensiten att omvandlas till tuffare mikrostrukturer men till priset av viss hårdhet.

• Legeringselement: Tillsats av specifika grundämnen som krom, volfram, molybden, och vanadin skräddarsyr stålets egenskaper:

• • Krom ökar härdbarheten, slitbidrag, och korrosionsmotstånd.
  • Vanadin bildar hårda karbider, förbättra slitstyrkan.
  • Volfram och Molybden öka segheten och värmebeständigheten.

Sammanfattningstabell: Viktiga egenskaper hos verktygsstål

Egendom	Beskrivning	Nyckelbetyg
Hårdhet	Motståndskraft mot deformation under tryck	D2, O1, H13
Seghet	Förmåga att motstå stötar utan att spricka	S7, A2
Slitbidrag	Lång livslängd under abrasiva förhållanden	D2, M2
Värmemotstånd	Behåller egenskaper vid höga temperaturer	H13, H21
Bearbetbarhet	Lätt att skära och forma	O1, A2
Dimensionell stabilitet	Minimal förvrängning vid användning eller värmebehandling	A2, H13
Korrosionsmotstånd	Motståndskraft mot oxidation och rost	A2, D2
Slagmotstånd	Tål kraftiga mekaniska stötar	S1, S7
Termisk konduktivitet	Effektiv värmeavledning under drift	H-serien
Trötthetsmotstånd	Prestanda under upprepade stresscykler	O-serien, S-serien

4. Värmebehandling av verktygsstål

Värmebehandling är en kritisk process vid tillverkning av verktygsstål, omvandla stålets mikrostruktur för att utveckla de önskade mekaniska egenskaperna.

Här är en detaljerad titt på värmebehandlingsprocesserna:

Betydelsen av värmebehandling:

• • Värmebehandling förbättrar verktygsståls hårdhet, seghet, och slitmotstånd, skräddarsy dessa egenskaper för att passa specifika applikationer.
    Till exempel, en borrkrona kräver hög hårdhet för att skära effektivt, medan en hammare behöver seghet för att motstå stötar.

Grundläggande värmebehandlingsprocesser:

• • Släckning: Detta innebär att stålet värms upp till en temperatur över dess kritiska omvandlingspunkt, följt av snabb kylning i ett släckmedium som vatten, olja, eller luft.
    Den snabba kylningen fångar kol i en hård, spröd martensitstruktur. Till exempel, O1-stål kan kylas i olja för att uppnå en hårdhet på 60-64 Hrc.
  • Härdning: Efter släckning, stålet är sprött. Anlöpning innebär att stålet återuppvärms till en lägre temperatur, typiskt mellan 300°F till 600°F, för att minska sprödheten samtidigt som en del av hårdheten bibehålls.
    Anlöpning vid 400°F för A2-stål, till exempel, kan ge en hårdhet på 55-59 HRC med förbättrad seghet.
  • Fallhärdning: Denna process lägger till en hård, slitstarkt yttre lager samtidigt som kärnan håller sig seg.
    Det görs genom uppkolning, nitrering, eller cyanidering, där kol- eller kväveatomer diffunderar in i ytskiktet. M2 stål kan uppnå en ythårdhet på över 70 HRC genom denna metod.
  • Kryogen behandling: Utöver traditionella värmebehandlingar, kryogen behandling innebär att stålet kyls till mycket låga temperaturer (ofta under -300°F)
    för att ytterligare förbättra hårdheten och slitstyrkan genom att minska kvarhållen austenit, en mjukare fas i stål.

Effekter av värmebehandling:

• • Hårdhet: Värmebehandling ökar stålets hårdhet avsevärt, vilket gör den kapabel att bibehålla en skarp kant eller motstå fördjupningar.
    Till exempel, D2 stål kan uppnå en Rockwell C hårdhet på 57-62 efter korrekt värmebehandling.
  • Seghet: Medan hårdheten ökas, segheten kan äventyras om den inte är korrekt balanserad.
    Härdning är avgörande här, eftersom det minskar sprödheten genom att tillåta en del av martensiten att omvandlas till tuffare mikrostrukturer som tempererad martensit.
  • Slitbidrag: Bildandet av hårda karbider vid värmebehandling, speciellt i höghastighetsstål, förbättrar slitstyrkan avsevärt,
    tillåta verktyg att skära eller forma material under längre perioder.
  • Dimensionell stabilitet: Korrekt värmebehandling säkerställer att verktyg bibehåller sin form under stress eller temperaturförändringar,
    vilket är avgörande för precisionsverktyg som mätare och mätinstrument.

Viktiga överväganden:

• Värmebehandlingsatmosfär: Atmosfären under värmebehandling kan påverka stålets egenskaper.
  Till exempel, en kväverik atmosfär kan förbättra ythårdheten genom nitrering.
• Släckmedel: Valet av kylmedel påverkar kylningshastigheten och, följaktligen, stålets slutliga egenskaper.
  Vatten ger den snabbaste kylningshastigheten, men olja eller luft kan användas för mindre förvrängning och sprickbildning.
• Temperaturkontroll: Exakt kontroll av uppvärmnings- och kyltemperaturer är avgörande för att uppnå de önskade egenskaperna utan att införa defekter som sprickbildning eller skevhet.
• Eftervärmebehandling: Efter värmebehandling, verktyg genomgår ofta ytterligare processer som stressavlastning,
  vilket kan minska inre påfrestningar, eller ytbehandlingar som beläggning eller polering för att ytterligare förbättra prestandan.

5. Tillämpningar av verktygsstål

Skärverktyg

• Borrar: Används för att skapa hål i olika material. Höghastighetstål (Hss) borrar, som M2, används ofta för att borra hårdmetaller.
• Brotschar: Används för att förstora och jämna ut befintliga hål. HSS brotschar ger exakta och jämna ytbehandlingar.
• Sågblad: Används för att kapa trä, metall, och andra material. Kallt verktygsstål som D2 används ofta för sågklingor på grund av deras höga slitstyrka.

Dör och slag

• Stämpling: Används för att forma plåt till specifika former. Kallverktygsstål som D2 och A2 är idealiska för stansning på grund av sin höga hårdhet och slitstyrka.
• Smidning: Används för att forma metall genom att komprimera den under högt tryck. Heta arbetsverktygsstål som H13 är lämpliga för smidesformar på grund av sin utmärkta värmebeständighet.
• Extrudering: Används för att tvinga metall genom en form för att skapa specifika tvärsnittsprofiler.
  Varma verktygsstål används ofta för extruderingsformar på grund av deras förmåga att motstå höga temperaturer.

Formar

• Formsprutning: Används för att tillverka plastdelar genom att injicera smält plast i en form.
  Specialverktygsstål som P20 och 718 används ofta för formsprutning på grund av deras goda polerbarhet och korrosionsbeständighet.
• Gjutning: Används för att tillverka metalldelar genom att tvinga in smält metall i en form. Varma verktygsstål som H13 är idealiska för pressgjutning på grund av sin höga hållfasthet och värmebeständighet.

Mätare och mätinstrument

• Bromsok: Används för att mäta objektens dimensioner. Kalla verktygsstål som A2 används ofta för bromsok på grund av deras dimensionsstabilitet.
• Mikrometrar: Används för att mäta exakta avstånd. Kallt redskapsstål med hög dimensionsstabilitet är idealiskt för mikrometer.
• Mätare: Används för att kontrollera mått på delar. Kallt verktygsstål som D2 används ofta för mätare på grund av deras höga slitstyrka.

Verktyg för gruvdrift och oljekällor

• Borrkronor: Används för att borra hål i berg och jord. Höghastighetsstål som M2 används ofta för borrkronor på grund av deras förmåga att skära i höga hastigheter.
• Verktyg i borrhål: Används vid olje- och gasutvinning. Varma arbetsverktygsstål som H13 är lämpliga för verktyg i borrhål på grund av sin utmärkta värmebeständighet och styrka.

Andra verktyg

• Knivar: Används för att skära olika material. Kallverktygsstål som D2 och A2 används ofta för knivar på grund av sin höga hårdhet och slitstyrka.
• Sax: Används för att skära papper, tyg, och andra tunna material. Kallverktygsstål som A2 är idealiska för saxar på grund av deras balans mellan hårdhet och seghet.
• Mejslar: Används för att snida och forma trä och sten. Stötbeständiga verktygsstål som S7 är lämpliga för mejslar på grund av sin höga seghet och förmåga att motstå slag.

6. Att välja rätt verktygsstål

Faktorer att beakta

• Typ av operation: Skärande, formning, eller andra specifika operationer.
• Driftsförhållanden: Temperatur, stress, och miljöfaktorer.
• Material som bearbetas: Egenskaperna hos materialet som bearbetas.
• Kostnad vs. Prestandaanalys: Balansera kostnaden för verktygsstålet med prestandakraven.

Guide om hur man väljer baserat på specifika behov

1. Identifiera applikationen: Bestäm den specifika användningen av verktyget.
2. Bedöm driftsförhållandena: Utvärdera temperaturen, stress, och miljöfaktorer.
3. Tänk på materialegenskaper: Förstå egenskaperna hos materialet som bearbetas.
4. Utvärdera kostnad och prestanda: Jämför kostnaden för olika verktygsstål med deras prestandafördelar.
5. Rådfråga experter: Sök råd från metallurger eller verktygsstålleverantörer för att säkerställa det bästa urvalet.

8. Utmaningar och överväganden

Kosta

• Dyrt material: Verktygsstål kan vara dyrt, speciellt för högpresterande kvaliteter.
  Dock, den initiala investeringen lönar sig ofta i form av längre verktygslivslängd och minskad stilleståndstid.
• Ekonomisk påverkan: Tänk på den totala kostnadseffektiviteten av att använda verktygsstål i din applikation.
  Till exempel, medan D2-stål kan vara dyrare än W1-stål, dess överlägsna slitstyrka kan leda till lägre underhållskostnader över tid.

Underhåll

• Regelbunden inspektion: Inspektera regelbundet verktyg för tecken på slitage och skador för att förhindra oväntade fel.
• Korrekt förvaring: Förvara verktyg torrt, kontrollerad miljö för att förhindra rost och korrosion. Korrekt förvaring kan förlänga livslängden på dina verktyg.
• Rengöring och smörjning: Rengör och smörj verktyg för att bibehålla deras prestanda. Regelbundet underhåll kan avsevärt förbättra livslängden på dina verktyg.

Miljöpåverkan

• Återvinning: Överväg att återvinna gammalt verktygsstål för att minska avfallet och miljöpåverkan. Många verktygsståltillverkare erbjuder återvinningsprogram.
• Förfogande: Följ korrekta riktlinjer för avfallshantering för att minimera miljöskador. Korrekt avfallshantering säkerställer att farligt material hanteras på ett säkert sätt.

9. Framtida trender

Framsteg inom verktygsstålmetallurgi

• Nya legeringar: Utveckling av nya legeringar med förbättrade egenskaper, såsom förbättrad slitstyrka och värmebeständighet.
  Till exempel, forskare undersöker användningen av nanoteknik för att skapa ultrafina kornstrukturer i verktygsstål.
• Mikrostrukturkontroll: Avancerade tekniker för att kontrollera mikrostrukturen hos verktygsstål för att optimera prestanda.
  Mikrolegering och kontrollerade kylningshastigheter används för att uppnå specifika mikrostrukturer.

Utveckling av nya legeringar eller behandlingar

• Ytbehandlingar: Nya ytbehandlingar för att förbättra slitstyrkan och korrosionsbeständigheten. Plasmanitrering och diamantliknande kol (Dlc) beläggningar blir allt populärare.
• Tillsatsstillverkning: Användning av 3D-utskrift för att skapa komplexa verktygsståldelar med exakta geometrier.
  Additiv tillverkning möjliggör skapandet av intrikata mönster som är svåra att uppnå med traditionella tillverkningsmetoder.

10. Slutsats

Verktygsstål är ett livsviktigt material inom tillverkning och industri, erbjuder exceptionell hårdhet, slitbidrag, och styrka.
Förstå de olika typerna av verktygsstål, deras egenskaper, och deras tillämpningar är avgörande för att välja rätt material för dina specifika behov.
Genom att beakta faktorer som typen av operation, driftsförhållanden, och materialegenskaper, du kan fatta välgrundade beslut som säkerställer optimal prestanda och kostnadseffektivitet.
Allt eftersom tekniken fortsätter att utvecklas, framtiden för verktygsstål ser lovande ut, med nya legeringar och behandlingar som förbättrar dess kapacitet ytterligare.

Vi hoppas att den här artikeln har gett värdefulla insikter i verktygsstålsvärlden och uppmuntrar dig att utforska dess potential i dina projekt.
Om du har några frågor eller behöver ytterligare hjälp, känn dig fri att nå ut till oss.