Быстрорежущая сталь ( HSS или HS ) представляет собой разновидность инструментальных сталей , обычно используемых в качестве материала режущего инструмента .
Его часто используют в пилах и сверлах . Кроме того, его часто используют в выемках чаш и при токарной обработке дерева.[1] Он превосходит более старые инструменты из высокоуглеродистой стали, широко использовавшиеся в 1940-х годах, поскольку он может выдерживать более высокие температуры, не теряя при этом закалки (твердости). Это свойство позволяет HSS резать быстрее , чем высокоуглеродистую сталь, отсюда и название быстрорежущей стали . При комнатной температуре, при обычно рекомендуемой термообработке, марки HSS обычно демонстрируют высокую твердость (выше твердости по Роквеллу 60) и стойкость к истиранию (обычно связанную с содержанием вольфрама и ванадия , часто используемых в HSS) по сравнению с обычными углеродистыми и инструментальными сталями . Существует несколько различных типов стали HS, например M42 и M2. [1]
В 1868 году английский металлург Роберт Форестер Мушет разработал сталь Мушет , считающуюся предшественником современных быстрорежущих сталей. Он состоял из 2% углерода , 2,5% марганца и 7% вольфрама . Основным преимуществом этой стали было то, что она затвердевала 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 ( урожденный Монсел Уайт III; 1856–1912; внук Монсела Уайта ; 1783–1863), работая с командой помощников на Bethlehem Steel Company в Вифлееме, штат Пенсильвания , США, выступали серия экспериментов по термообработке существующих высококачественных инструментальных сталей, таких как сталь Мушет, с нагревом их до гораздо более высоких температур, чем обычно считалось желательным в отрасли. [3] [4] Их эксперименты характеризовались научным эмпиризмом: было создано и протестировано множество различных комбинаций, без учета общепринятых представлений или алхимических рецептов, а для каждой партии велись подробные записи. Результатом стал процесс термообработки, который превратил существующие сплавы в новый вид стали, которая могла сохранять свою твердость при более высоких температурах, что позволяло использовать гораздо более высокие скорости и скорость резания при механической обработке.
Процесс Тейлора-Уайта [5] был запатентован и произвел революцию в обрабатывающей промышленности. Чтобы в полной мере использовать новую сталь, требовались более тяжелые станки с более высокой жесткостью, что потребовало модернизации и замены установленного оборудования. Патент был оспорен и в конечном итоге аннулирован. [6]
Первый сплав, официально классифицированный как быстрорежущая сталь, известен под обозначением AISI T1, которое было введено в 1910 году . [7] Он был запатентован компанией Crucible Steel Co. в начале 20 века. [2]
Хотя быстрорежущие стали с высоким содержанием молибдена , такие как AISI M1, нашли некоторое применение с 1930-х годов, именно нехватка материалов и высокие затраты, вызванные Второй мировой войной, стимулировали разработку менее дорогих сплавов, заменяющих вольфрам молибденом. 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 М2 вместо стали Т1. [2] [8]
Быстрорежущие стали — это сплавы, которые приобретают свои свойства за счет добавления к углеродистой стали различных легирующих металлов, обычно включая вольфрам и молибден или их комбинацию, часто также с другими сплавами. [9] 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 (УНС) вольфрамовым маркам (например, Т1, Т15) присвоены номера серии Т120хх, а молибденовым (например, М2, М48) и промежуточным типам — Т113хх. Стандарты ASTM признают 7 типов вольфрама и 17 типов молибдена. [10]
Добавление около 10% вольфрама и молибдена в общей сложности эффективно максимизирует твердость и ударную вязкость быстрорежущих сталей и сохраняет эти свойства при высоких температурах, возникающих при резке металлов.
Сочетание молибдена, вольфрама и хромистой стали позволяет получить несколько сплавов, обычно называемых «HSS», с твердостью 63–65 по шкале Роквелла «C».
Добавление кобальта увеличивает термостойкость и может придать твердость по Роквеллу до 70 минут. [13]
Лазеры и электронные лучи могут использоваться в качестве источников интенсивного нагрева поверхности для термообработки , переплавки ( глазурования ) и модификации состава. Возможно достижение различных форм и температур ванн расплава, а также скоростей охлаждения в диапазоне от 10 3 до 10 6 К с -1 . Преимущество состоит в том, что образование трещин или пористости незначительно или отсутствует. [2]
Хотя возможности термической обработки поверхности должны быть очевидны, другие применения требуют некоторого объяснения. При скоростях охлаждения более 10 6 К с -1 эвтектические микрокомпоненты исчезают и наблюдается выраженная сегрегация легирующих элементов замещения. Это обеспечивает преимущества глазурованной детали без соответствующего повреждения при приработке. [2]
Состав сплава детали или инструмента также можно изменить для образования быстрорежущей стали на поверхности обедненного сплава или для образования слоя, обогащенного сплавом или карбидом, на поверхности детали из быстрорежущей стали. Можно использовать несколько методов, таких как фольга, борирование упаковки, плазменное напыление порошков, полоски с порошковой сердцевиной, устройства подачи инертного газа и т. д. Хотя сообщалось, что этот метод является одновременно полезным и стабильным, он еще не нашел широкого коммерческого применения. [2]
Сверла из быстрорежущей стали , изготовленные путем прокатки , обозначаются HSS-R. Шлифование применяется для создания сверл из быстрорежущей стали, кобальта и твердого сплава. [15]
Основное применение быстрорежущих сталей по-прежнему приходится на изготовление различного режущего инструмента: сверл, метчиков , фрез , резцов , червячных (зубчатых) фрез, пильных полотен, строгальных и фуганковых полотен, фрезерных резцов и т. д., хотя использование пуансонов и штампов увеличивается.
Быстрорежущие стали также нашли рынок в производстве тонкого ручного инструмента, где их относительно хорошая ударная вязкость при высокой твердости в сочетании с высокой стойкостью к истиранию делает их пригодными для низкоскоростных операций, требующих прочной острой (острой) кромки, таких как напильники , долота , ручные рубанки. лезвия, дамасские кухонные ножи и карманные ножи . [ нужна цитата ]
Инструменты из быстрорежущей стали являются наиболее популярными для использования при токарной обработке древесины, поскольку скорость перемещения заготовки за кромку относительно высока для ручных инструментов, а HSS удерживает заточку гораздо дольше, чем инструменты из высокоуглеродистой стали. [ нужна цитата ]
Вынесено решение по знаменитому патентному иску компании Bethlehem Steel против компании Niles-Bement-Pond о нарушении двух фундаментальных патентов Ф. В. Тейлора и М. Уайта (668 369 и 668 270, оба от 19 февраля 1907 г.). в пользу ответчика... В решении суда подчеркивается, что никакого нового состава стали, изобретенного Тейлором и Уайтом, не существует...