Быстрорежущая сталь ( HSS или HS ) — это подкласс инструментальных сталей , обычно используемых в качестве материала для режущих инструментов .
Он превосходит инструменты из высокоуглеродистой стали тем, что может выдерживать более высокие температуры, не теряя своей твердости. Это свойство позволяет HSS резать быстрее, чем высокоуглеродистая сталь, отсюда и название — быстрорежущая сталь . При комнатной температуре, при их обычно рекомендуемой термической обработке, марки HSS обычно демонстрируют высокую твердость (выше 60 по Роквеллу C ) и стойкость к истиранию по сравнению с обычными углеродистыми и инструментальными сталями . Существует несколько различных типов быстрорежущей стали, таких как M42 и M2. [1]
В 1868 году английский металлург Роберт Форестер Мушет разработал сталь Мушет , считающуюся предшественником современных быстрорежущих сталей. Она состояла из 2% углерода , 2,5% марганца и 7% вольфрама . Главным преимуществом этой стали было то, что она закалялась 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 хромом . [2]
В 1899 и 1900 годах Фредерик Уинслоу Тейлор и Монсел Уайт ( он же Монсел Уайт III; 1856–1912; внук Монсела Уайта ; 1783–1863), работая с группой помощников на сталелитейной компании Bethlehem Steel Company в Бетлехеме, штат Пенсильвания , США, провели серию экспериментов с термической обработкой существующих высококачественных инструментальных сталей, таких как сталь Mushet, нагревая их до гораздо более высоких температур, чем обычно считалось желательным в этой отрасли. [3] [4] Их эксперименты характеризовались научным эмпиризмом, поскольку было создано и испытано множество различных комбинаций без учета общепринятых взглядов, и велись подробные записи о каждой партии. Результатом стал процесс термообработки, который преобразовал существующие сплавы в новый вид стали, способный сохранять свою твердость при более высоких температурах, что позволило утроить скорость резки с 30 футов поверхности в минуту до 90. Демонстрация режущих инструментов, изготовленных из новой стали, произвела сенсацию на Парижской выставке 1900 года . [5] : 200
Процесс Тейлора-Уайта [6] был запатентован и произвел революцию в машиностроении. Для использования новой стали в полной мере требовались более тяжелые станки с более высокой жесткостью, что побудило к перепроектированию и замене установленного оборудования. Патент был оспорен и в конечном итоге аннулирован. [7]
Первый сплав, который был официально классифицирован как быстрорежущая сталь, известен под обозначением AISI T1, которое было введено в 1910 году . [8] Он был запатентован компанией Crucible Steel Co. в начале 20-го века. [2]
Хотя быстрорежущие стали с высоким содержанием молибдена, такие как AISI M1, некоторое время использовались с 1930-х годов, именно нехватка материалов и высокие издержки, вызванные Второй мировой войной, подстегнули разработку менее дорогих сплавов, заменяющих вольфрам на молибден. Достижения в области быстрорежущей стали на основе молибдена в этот период поставили их на один уровень, а в некоторых случаях и лучше, чем быстрорежущие стали на основе вольфрама. Это началось с использования стали M2 вместо стали T1. [2] [9]
Быстрорежущие стали — это сплавы, которые получают свои свойства от различных легирующих металлов, добавляемых к углеродистой стали, как правило, включая вольфрам и молибден, или их комбинацию, часто с другими сплавами. [10] Они принадлежат к многокомпонентной системе сплавов Fe–C–X, где X представляет собой хром , вольфрам , молибден , ванадий или кобальт . Обычно компонент X присутствует в количестве более 7%, вместе с более чем 0,60% углерода .
В единой системе нумерации (UNS) сортам вольфрамового типа (например, T1, T15) присвоены номера в серии T120xx, а молибденовым (например, M2, M48) и промежуточным типам — T113xx. Стандарты ASTM признают 7 типов вольфрама и 17 типов молибдена. [11]
Добавление около 10% вольфрама и молибдена в общей сложности эффективно увеличивает твердость и вязкость быстрорежущих сталей и сохраняет эти свойства при высоких температурах, возникающих при резании металлов.
Сочетание молибдена, вольфрама и хромированной стали позволяет создавать несколько сплавов, обычно называемых «HSS», с твердостью от 63 до 65 единиц по шкале С Роквелла.
Добавление кобальта увеличивает термостойкость и может дать твердость до 70 по шкале Роквелла. [14]
Сверла HSS, сформированные прокаткой , обозначаются как HSS-R. Шлифование применяется для создания сверл HSS-G, кобальтовых и твердосплавных. [16]
Основное применение быстрорежущей стали по-прежнему приходится на производство различных режущих инструментов: сверл, метчиков , фрез , резцов , зубофрезерных резцов , пильных полотен, лезвий для рубанков и фуговальных станков, фрез и т. д., хотя растет и их применение для изготовления пуансонов и матриц .
Быстрорежущие стали также нашли применение в производстве ручных инструментов, где их относительно хорошая прочность при высокой твердости в сочетании с высокой стойкостью к истиранию сделали их пригодными для низкоскоростных применений, требующих прочной острой кромки, например, для напильников , стамесок , лезвий рубанков , а также кухонных и карманных ножей из дамасской стали . [ требуется ссылка ]
Инструменты из быстрорежущей стали наиболее популярны при токарной обработке дерева, поскольку скорость перемещения заготовки мимо кромки относительно высока для ручных инструментов, а HSS сохраняет режущую кромку гораздо дольше, чем инструменты из высокоуглеродистой стали. [ необходима цитата ]
Знаменитый патентный иск компании Bethlehem Steel против компании Niles-Bement-Pond за нарушение двух основных патентов Ф. У. Тейлора и М. Уайта (668,369 и 668,270, оба от 19 февраля 1907 г.) был решен в пользу ответчика... В решении суда подчеркивается, что никакого нового состава стали, изобретенного Тейлором и Уайтом, не существует...