Rychlořezná ocel HSS: vlastnosti a způsoby zpracování

Vynález rychlořezné oceli na počátku 20. století byl průlomem ve vývoji strojírenství. Nový materiál ovlivnil vynález rychloběžných obráběcích strojů a výkonných automatů a přispěl také k prudkému zvýšení produktivity v mechanických dílnách. Navzdory skutečnosti, že HSS ocel má poměrně složité složení, aktivně se používá k výrobě vysoce pevných nástrojů.

• 1 Co je HSS ocel
• 2 Oblast použití rychlořezných ocelí
• 3 Typy HSS ocelí
  • 3.1 Wolfram
  • 3.2 Molybden
  • 3.3 Vysoká slitina
  • 4.1 Tvrdost za tepla
  • 4.2 Odolnost proti červené
  • 4.3 Odolnost proti zničení
  • 5.1 Žíhání
  • 5.2 Kalení
  • 5.3 Dovolená

  Co je HSS ocel

  Zkratka HSS pochází z anglického slova High Speed ​​​​Steel. Používá se při výrobě různých nástrojů pro práci s kovovými výrobky. K výrobě se používá klasický způsob lití do ingotů s následným válcováním a kováním. Používají také práškovou metodu – postřik proudu tekuté oceli dusíkem.

  Slitiny HSS patří do skupiny s vysokým obsahem uhlíku, přičemž některé druhy obsahují v určitých množstvích wolfram. Tvrdost nástrojů vyrobených z tohoto materiálu odpovídá 62-64 jednotkám na stupnici HRC.

  Výrobky z rychlořezné oceli jsou vysoce odolné a jsou v dostupné cenové relaci.

  Oblast použití rychlořezných ocelí

  Složení materiálu určuje oblast použití a výkonnostní charakteristiky. Nástroje vyrobené z tohoto kovu vydrží dlouhodobé používání.

  • pro výrobu vrtáků složitých tvarů a provedení získaných odléváním;
  • při výrobě břitů fréz pro zvýšení odolnosti proti opotřebení;
  • pro tváření pájení řezných nástrojů;
  • pro výrobu fréz, záhlubníků, závitníků, zápustek, nožů nebo pilových kotoučů.

  

  Druhy HSS ocelí

  • wolfram (T1-T15);
  • molybden (M1-M36);
  • vysoce legovaná (M41-M62).

  Oceli patřící do skupiny wolframu nejsou v dnešní době populární kvůli vysokým nákladům na wolfram.

  Nejčastěji se používají slitiny T1 a T15 s přídavkem kobaltu a vanadu. Ocel T15 se používá k výrobě nástrojů, které musí pracovat při vysokých teplotách a zvýšeném opotřebení.

  Wolfram

  1. T1 (analogový – P18). Má vysokou pevnost, odolnost proti opotřebení a brousitelnost. Používá se pro vrtáky a další nástroje, které se nejčastěji používají pro zpracování legovaných a uhlíkových ocelí.
  2. T2 (analogový – R18F2). V této slitině dosahuje obsah vanadu 2 %. Vyrábí se z něj polodokončovací a dokončovací vrtáky pro zpracování středně legovaných ocelí.
  3. T3 (analogový – R18K5F2). Slitina obsahuje: wolfram – 18 %, kobalt – 5 %, vanad – 2 %. Nástroje vyrobené z této slitiny se vyznačují zvýšenou odolností proti opotřebení a tvrdostí, ale mají nízkou brousitelnost. Vrtáky se nejčastěji používají pro práci s obrobky z korozivzdorných, vysokopevnostních a žáruvzdorných slitin.
  4. T15 (analogový – R12F5K5). Obsahuje: wolfram – 12 %, kobalt – 5 %, vanad – 5 %. Nástroje mají vysokou pevnost, odolnost proti opotřebení a viskozitu. Používají se především pro vrtání těžkoobrobitelných materiálů.

  Obsah wolframu dává vyrobenému nástroji červenou tvrdost, která umožňuje zachovat tvrdost a ostrost řezné hrany při zvýšených teplotách.

  

  Molybden

  Skupina molybdenu je rozšířenější. Slitiny také obsahují kobalt a wolfram.

  Oceli obsahující komponenty jako uhlík a vanad vykazují odolnost proti opotřebení během broušení.

  • M1. Obsah molybdenu: 8 %. Používá se pro univerzální nástroje. Vrtáky jsou pružné a odolné vůči zatížení, ale jejich červená tvrdost je výrazně nižší než u jiných značek.
  • M2 (analogový – P6M5). Složení slitiny: wolfram – 6 %, molybden – 5 %. Má dostatečnou pevnost, tvrdost a tepelnou odolnost. Během provozu jsou řezné hrany nástroje déle zachovány.
  • M3 (analogový – R6M5F3). Obsahuje 3% vanadu. Nástroj vyrobený z této oceli má nízkou odolnost proti opotřebení při broušení.
  • M7. Složky ve složení: wolfram – 1,75%, vanad – 2%, molybden – 8,75%. Slitina se používá k výrobě vrtáků, které jsou potřebné pro práci s tlustými plechy a tvrdými kovy.
  • M35 (analogový – R6M5K5). Kompozice obsahuje 5% kobaltu, molybdenu, wolframu a také malé množství křemíku, niklu a manganu. Výhodou slitiny je její viskozita, dobrá brousitelnost, tepelná odolnost a odolnost proti opotřebení. Vrtáky se používají při zpracování výrobků z nerezavějících a vylepšených legovaných ocelí za předpokladu, že je řezná hrana vysoce zahřátá.

  

  Vysoká slitina

  • M74 (analogový – P2AM9K5). Obsahuje: molybden – 9 %, kobalt – 4,7-5,2 %. Vyznačuje se zvýšeným sklonem ke ztrátě uhlíku, přehříváním při kalení a sníženou brousitelností. Nástroje vyrobené z této slitiny se používají pro obrobky z nerezových a vylepšených legovaných ocelí.
  • M42. Obsah slitiny: kobalt – 8 %, molybden – 9,5 %. Vrtáky jsou odolné proti oděru. Nástroje se používají pro zpracování složitých a viskózních kovů.

  Charakteristika rychlořezných ocelí

  Při výčtu charakteristik je nutné vzít v úvahu, že vytvořený materiál je nezbytný pro provoz řezných zařízení při vysokých rychlostech tření, které vznikají při procesu řezání. Rychlořezné oceli mají zvýšenou tvrdost a lze je použít při práci vyžadující vysoké rychlosti.

  Tvrdost za tepla

  Při použití řezných nástrojů se během provozu neustále vytváří teplo, přičemž asi 80 % je vynaloženo na ohřev nástroje. Zvyšuje se teplota břitu a dochází k popouštění materiálu, což vede ke snížení jeho tvrdosti. Rychlořezná ocel si však zachovává své vlastnosti i při zahřátí na 500-600 °C.

  Červená stálost

  Ukazatel, který bere v úvahu časové období, během kterého ocel vydrží zvýšené teploty, aniž by se změnily její výkonnostní charakteristiky. Zvýšená hodnota tření vede k zahřívání kovu, což způsobuje změny v krystalové mřížce. V důsledku toho se některé vlastnosti rychlořezné oceli výrazně mění.

  

  Odolnost proti lomu

  Materiál používaný k výrobě řezných nástrojů musí mít vysoké mechanické vlastnosti – odolnost proti křehkému lomu. Vysoká pevnost slitiny poskytuje řezacímu zařízení odolnost vůči vysoké síle, posuvu a hloubce řezu, což následně vede ke zvýšení produktivity procesu.

  Vlastnosti tepelného zpracování

  Výsledkem vysokoteplotního zpracování rychlořezných ocelí je změna struktury materiálu pro získání určitých fyzikálních a mechanických vlastností požadovaných při práci s daným nástrojem.

  Žíhání

  HSS ocel získává zvýšenou tvrdost a vnitřní pnutí po procesu válcování a kování. V tomto ohledu jsou polotovary předem žíhány. Žíhání uvolňuje vnitřní pnutí v materiálu, zlepšuje obrobitelnost a připravuje jej na kalení.

  Proces žíhání probíhá při teplotě asi 850-900 o C. Je však třeba dávat pozor na nadměrné zvýšení teploty a doby výdrže, protože ocel může ztvrdnout. Vzhledem k nízké tepelné vodivosti slitiny se ohřev provádí pomalu a rovnoměrně.

  Výrobky se vkládají do pece při teplotě 200-300 o C, přičemž následné zahřívání se zvyšuje rychlostí 150-200 o/hod. Proces končí pomalým chlazením: nejprve v peci na 650 °C a poté na pokojovou teplotu na vzduchu.

  Pro ochranu před oduhličením se žíhání provádí v uzavřených boxech s neutrálním prostředím.

  Strojírenské závody podrobují malý počet polotovarů izotermickému žíhání. Krátce se zahřejí na 880-900 o C a poté se přenesou na 720-730 hodiny do pece s teplotou ne vyšší než 2-3 oC. Pro ochranu před vznikem nadměrného vnitřního pnutí jsou obrobky ochlazeny v peci na 400-450 °C a poté ponechány na vzduchu.

  Konvenční žíhání trvá déle než izotermický proces. Následně polotovary procházejí mechanickým opracováním a následně je nástroj podroben finálnímu procesu tepelného zpracování – kalení a popouštění.

  

  Kalení

  Nástroje vyrobené z rychlořezné oceli jsou podrobeny kalení při teplotách nad 1300 o C. Po procesu kalení dochází k mnohonásobnému popouštění při 550-560 o C. Taková teplota je nezbytná pro rozpuštění velkého množství karbidů v austenitu pro získání vysoce legovaného austenitu.

  Dalším chlazením vzniká vysoce legovaný martenzit, který obsahuje velké množství wolframu, vanadu a chrómu. Martenzit se při zahřátí na 600 °C nerozpadá, což dává rychlořezné oceli červenou tvrdost.

  Pro dosažení vysokých hodnot červené tvrdosti musí být teplota během kalení velmi vysoká. Existuje však hranice, nad kterou rychlořezná ocel začíná rychle růst zrna a tavit se.

  Dovolená

  1. Při zahřátí a následném temperování se ze zbytkového austenitu uvolňuje drcený karbid. V důsledku toho se snižuje legování austenitu, což usnadňuje snadnou přeměnu na martenzit.
  2. Při chlazení na 100-200 o C vzniká martenzit. Tím se také uvolní vnitřní pnutí, které vzniká při otužování.

  V dnešní době je nejběžnějším procesem používaným v továrnách zrychlené popouštění oceli, které probíhá za zvýšených teplot.

  

  Zlepšení vlastností výrobků z HSS oceli

  Pro dosažení tvrdosti materiálu, odolnosti proti opotřebení a odolnosti proti korozi je povrch nástrojů podroben dodatečné úpravě. Mezi tyto metody patří:

  1. Nitridace. Nasycení povrchové vrstvy dusíkem se provádí v plynném prostředí sestávajícím z 80 % dusíku a 20 % amoniaku nebo 100 % amoniaku. Technologický proces trvá od 10 do 40 minut při teplotě 500-600 °C a vede ke zpevnění povrchové skořepiny.
  2. Kyanidace. Nasycení se provádí v kapalném nebo plynném médiu sestávajícím z chemického prvku – zinku. Vysokoteplotní kyanidační proces trvá od 5 do 45 minut při teplotě 800-900 °C Nízkoteplotní proces probíhá při 500-600 °C a poskytuje nástroji odolnost proti opotřebení a vysokou tvrdost.
  3. Sulfidace. Nasycení povrchů ocelových výrobků sírou se provádí při 550-600 °C zahříváním v sirných dusíkatých solích po dobu 2-3 hodin. V důsledku procesu se zvyšuje odolnost ocelových výrobků proti opotřebení.

  Podstatou chemicko-tepelného zpracování je pronikání různých chemických prvků do atomové krystalové mřížky železa ohřevem ocelových dílů v prostředí nasyceném potřebnými prvky.

  Rychlořezné legované oceli jsou určeny pro výrobu kovoobráběcích nástrojů, které se používají při práci při vysokých rychlostech. Slitiny HSS se vyznačují schopností udržovat odolnost proti opotřebení a odolnost proti destrukci při zvýšených teplotách. Přídavek molybdenu, wolframu, kobaltu a vanadu do oceli zajišťuje červenou tvrdost a tvrdost za tepla.