Gelegeerd gereedschapsstaal voor heet werk

Warmbewerkingsgereedschapsstaal PN-86/H-85021

Warmbewerkingsgelegeerd gereedschapsstaal wordt gebruikt voor het maken van gereedschappen die materiaal verwerken dat tot hoge temperaturen wordt verhit (om de vervormingsweerstand te verminderen). Voorbeelden hiervan zijn matrijzen en matrijsinzetstukken, smeedgereedschappen, aambeelden, trimmatrijzen en spuitgietvormen, maar ook stempels en warmextrusiematrijzen.

Voordat gereedschap van gelegeerd staal voor warmbewerking wordt gebruikt, moet het worden verwarmd tot ongeveer 200-250 °C om thermische schokken te verminderen en de levensduur van het gereedschap te verlengen. Deze staalsoorten kenmerken zich door een hoge sterkte en hardheid bij hogere bedrijfstemperaturen, een relatief lage gevoeligheid voor thermische vermoeidheid en een hoge weerstand tegen slijtage en beschadiging door het werkstuk.

Bij warmbewerkingsgereedschapsstaal kunnen, hoewel officieel geen verdere onderverdeling wordt gebruikt, drie groepen worden onderscheiden op basis van de specifieke toepassing en de vereiste eigenschappen:

Eerste groep: Gereedschapsstaal voor persmatrijzen en gietvormen:

Dit omvat staalsoorten die worden gebruikt voor het maken van persmatrijzen en mallen voor drukgieten. Een gemeenschappelijk kenmerk van deze toepassingen is de relatief lange contacttijd tussen het materiaal en het gereedschap, wat leidt tot verhoogde opwarming van het werkoppervlak en de behoefte aan een hoge weerstand tegen temperen en thermische scheuren. Voorbeelden van staalsoorten zijn wolfraamstaalsoorten WWV, WWS1, WWN1 en chroom-molybdeenstaalsoorten WCL.

Deze staalsoorten worden gekenmerkt door:

Hoge hardheid bij verhoogde temperaturen.
Weerstand tegen thermische scheurvorming.
Bestand tegen langdurige blootstelling aan hoge temperaturen.

Tweede groep: Gereedschapsstaal voor smeedmatrijzen en aambeelden:

Dit omvat staalsoorten die voornamelijk worden gebruikt voor matrijzen en aambeelden voor smeedhamers. Ze worden gekenmerkt door een relatief kort contact tussen het hete smeedstuk en de matrijs, in combinatie met zeer hoge drukken en schokken tijdens de bewerking, wat een hoge slagvastheid vereist. Voorbeelden van staalsoorten zijn nikkel-molybdeen (WNL), WNLV en chroom-mangaan (WCMB ).

Deze staalsoorten worden gekenmerkt door:

Weerstand tegen scheurvorming door impact.
Hoge plasticiteit en hardheid van het werkoppervlak.
Verhoogde weerstand tegen mechanische vermoeidheid.

Derde groep: Gereedschapsstaal voor warmwalsen:

Dit omvat staalsoorten die bestemd zijn voor walsrollen in warmwalsprocessen, waarbij het te verwerken materiaal verhitte staalblokken zijn. De bedrijfsomstandigheden vereisen een hoge slijtvastheid en oppervlaktehardheid, terwijl de ductiliteit van de kern behouden blijft. Hieronder valt chroom-vanadium ( WCV) gereedschapsstaal.

Deze staalsoorten worden gekenmerkt door:

Hoge slijtvastheid.
Hardheid van het werkoppervlak.
Weerstand tegen plastische vervorming bij hoge temperaturen.

Laaggelegeerde en middelgelegeerde warmbewerkingsgereedschapsstalen zijn niet bestand tegen agressieve corrosieve omgevingen en kunnen corroderen onder corrosieve omstandigheden, zoals hoge luchtvochtigheid, de aanwezigheid van chloriden of zure omgevingen. Onbeschermde of onvoldoende beschermde stalen gereedschappen zijn gevoelig voor roestvorming, vooral tijdens langdurige opslag en transport, waarbij ze langdurig aan vocht kunnen worden blootgesteld.

Corrosie van gereedschapsstaal voor warmbewerking

De intensiteit van het roestproces van de verschillende soorten gereedschapsstaal varieert echter en hangt onder identieke blootstellingsomstandigheden voornamelijk af van:

Chemische samenstelling van staal – Staalsoorten met een laag chroomgehalte of zonder chroom zijn veel gevoeliger voor corrosie.
Gehalte aan legeringselementen – Gereedschapsstaal met een chroom- en molybdeengehalte tot 5,5% vertoont een aanzienlijk verhoogde weerstand tegen atmosferische corrosie.
Oppervlakteconditie van gereedschap Hoe gladder en gepolijster het oppervlak, hoe minder vatbaar voor corrosie, omdat dit de afzetting van vocht en onzuiverheden tegengaat die het oxidatieproces in gang zetten.
Omgevingsomstandigheden – Een maritieme, vochtige, alkalische of zure omgeving versnelt corrosieprocessen aanzienlijk.

Sommige gereedschapsstalen met een hoger chroom- en molybdeengehalte vertonen ook een verhoogde weerstand tegen oxidatie bij hoge temperaturen. Dit is met name belangrijk voor gereedschappen die bij hoge temperaturen en in aanwezigheid van zuurstof worden gebruikt.

Een grotere gladheid van het gereedschapsoppervlak vermindert de gevoeligheid voor corrosie aanzienlijk. Dit effect is min of meer uitgesproken afhankelijk van het type corrosieve omgeving – in vochtige omgevingen is gladheid belangrijker dan in droge omgevingen.

Oppervlaktebescherming tegen corrosie

Om gereedschap van heetwerkstaal tegen corrosie te beschermen, moeten geschikte beschermingsmethoden worden gebruikt. De meest effectieve methoden zijn onder andere:

Afpelbare tijdelijke beschermlagenzoals anticorrosieve wassen, beschermende emulsies en anticorrosieve lakken.
Een dun laagje machineolie – de goedkoopste, maar minder duurzame methode, die regelmatig onderhoud vereist.
Verpakking in corrosiebestendige materialen – gebruik van speciale VCI-folies (met corrosieremmers) in combinatie met een olielaag.

Vanwege hun chemische samenstelling en microstructuur behoren warmbewerkingsgereedschapsstalen tot de materialen met een zeer beperkte lasbaarheid. Hoogwaardige legeringselementen zoals chroom, molybdeen en vanadium verhogen de hardheid en hittebestendigheid, maar vergroten ook het risico op scheurvorming tijdens het lassen.

Het verbinden van deze materialen, evenals het verbinden ervan met andere soorten staal, mag alleen in uitzonderlijke gevallen worden toegepast, zoals bij het repareren van smeedgereedschap, gietvormen of matrijzen. In dergelijke situaties moeten gedetailleerde lasprocedures worden gevolgd om het risico op scheuren en onderbrekingen in de materiaalstructuur te minimaliseren.

Warmbewerkingsgereedschapsstaal en de principes van correct lassen:

De juiste lastechnologie kiezen: Gecontroleerde warmtetoevoermethoden zoals TIG-, MIG- of booglassen met coating worden aanbevolen.
Gebruik van een bindmiddel dat is afgestemd op de chemische samenstelling van het staal.
Het materiaal voorverwarmen – vóór het lassen is het raadzaam de elementen te verwarmen tot een temperatuur van ongeveer 10 °C. 250-400 ° C om het temperatuurverschil en het risico op scheuren te verkleinen.
Nabehandeling met warmte na het lassen: Om spanningen te minimaliseren en de juiste mechanische eigenschappen te herstellen, is temperen of spanningsontlastend gloeien noodzakelijk.

Er moet echter rekening mee worden gehouden dat de las, met name na een warmtebehandeling, andere mechanische eigenschappen kan hebben dan het basismateriaal. Dit kan leiden tot een plaatselijke afname van de hardheid of een verhoogde brosheid, wat in sommige gevallen de duurzaamheid van het gereedschap kan beïnvloeden. Daarom moeten lasreparaties aan warmbewerkingsgereedschapsstaal als een laatste redmiddel worden beschouwd, en in geval van ernstigere schade wordt vervanging van het gereedschap aanbevolen.

Hardfacing

Gereedschapsoppervlakken die tijdens gebruik aan intense slijtage worden blootgesteld, kunnen worden gehard. Hardfacing is het proces waarbij een extra materiaallaag op het oppervlak van een gereedschap wordt aangebracht om de duurzaamheid en slijtvastheid te verhogen of de functionele eigenschappen van versleten gereedschap te herstellen. De hardfacing-methode, de oppervlaktevoorbereidingsmethode, het type vulmetaal en de warmtebehandelingen vóór, tijdens en na het hardfacing moeten worden gekozen op basis van verschillende factoren, zoals:

Het type materiaal dat wordt gelast en de toestand ervan.
Type en chemische samenstelling van het gebruikte bindmiddel.
De aard van de werking van het gereedschap (belastingsomstandigheden, bedrijfstemperaturen).
Vorm, grootte en locatie van de lassen.

Las lasafzettingen hebben vaak een andere chemische samenstelling dan het basismateriaal, wat kan leiden tot verschillen in de microkristallijne structuur van het gereedschap. Hiermee moet rekening worden gehouden bij de warmtebehandeling van het gelaste gereedschap om overmatige spanningen, scheurvorming of een verminderde duurzaamheid van de verbinding te voorkomen. Het lasproces wordt uitgevoerd met behulp van gecontroleerde warmtebehandelingen, dus de verwarmings- en afkoeltemperaturen moeten zorgvuldig worden gekozen, rekening houdend met het effect van warmte op de mechanische eigenschappen van het lasmateriaal.

Lassen van gereedschapsstaal

Met behulp van de volgende lasprocessen kunnen verschillende staalsoorten aan elkaar of aan andere staalsoorten worden verbonden:

Elektrisch weerstandlassen.
Wrijvingslassen.

Het selecteren van de juiste lasparameters, zoals opwarmtijd, houddruk en afkoeltijd, is cruciaal voor het verkrijgen van een duurzame, zeer sterke verbinding. Ook de warmtebehandelingen vóór en na het lassen moeten worden afgestemd op het type materialen dat wordt verbonden, hun dikte en de gewenste eigenschappen van de verbinding.

Flitslassen, ook wel wrijvingslassen genoemd, wordt vaak gebruikt om stalen staven te verbinden. Verbindingen die op deze manier tot stand komen, hebben mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van de basismaterialen en kunnen dezelfde warmtebehandelingen ondergaan als de te verbinden materialen.

Het is ook mogelijk om verschillende staalsoorten te combineren, waaronder warmbewerkingsgereedschapsstaal met koolstofstaal. Deze combinatie wordt voornamelijk gebruikt in gereedschappen met een schacht, waarbij het grijpgedeelte is gemaakt van zeer ductiel koolstofstaal en het werkgedeelte van gereedschapsstaal met een verhoogde hardheid en slijtvastheid.

Warmbewerkingsgereedschapsstaal - snijden

Vanwege hun hoge hardheid en gehalte aan legeringselementen vereisen gelegeerde gereedschapsstalen speciale snijmethoden.

Gereedschapsstaal met een chroomgehalte tot 1,5% kan worden gesneden met zowel de autogeenbrander als de plasmabrander.
Gereedschapsstaal met een chroomgehalte van meer dan 1,5% Het materiaal kan alleen met plasmasnijden worden gesneden vanwege de grotere weerstand tegen oxidatie en de moeilijkere smeltomstandigheden.
Boogluchtbeitelen Dit is mogelijk in alle soorten gereedschapsstaal, ongeacht het gehalte aan legeringselementen.

Voordat staal wordt gesneden of gebeiteld, is het raadzaam de onderdelen voor te verwarmen tot een specifieke temperatuur om het risico op thermische spanningen en scheuren te minimaliseren. De voorverwarmingstemperatuur moet worden gekozen op basis van:

Het soort materiaal dat wordt gesneden.
Elementdikte.
Het bereik van de vereiste mechanische eigenschappen na het snijden.

De afkoelsnelheid na het snijden en eventuele warmtebehandelingen, zoals temperen of spanningsarm gloeien, moet worden aangepast aan de staalsoort die wordt gesneden om de juiste mechanische eigenschappen te behouden en verdere mechanische bewerking mogelijk te maken.

Het toepassen van de juiste snij-, las- en oppervlaktebehandelingsprocedures is cruciaal voor de duurzaamheid en betrouwbaarheid van gereedschap dat bij hoge temperaturen werkt, en zorgt tegelijkertijd voor een hoge kwaliteit en minimaliseert het risico op schade tijdens gebruik.

Staalmarkeringssysteem volgens oude PN-normen

Bij de aanduiding van gereedschapsstaalsoorten duidt de letter W (zelden gebruikte BN-normen kunnen dezelfde aanduidingen hebben als bij gelegeerd constructiestaal) op staal dat bestemd is voor warmbewerking. Dit geeft aan dat het staal geschikt is voor gebruik bij hoge temperaturen en onder intense thermische en mechanische belasting.

De tweede letter in de aanduiding is een letter of groep letters die de belangrijkste legeringstoevoeging of groep legeringscomponenten aangeeft die de eigenschappen van het staal beïnvloeden:

M - mangaan (verhoogt de hardbaarheid, sterkte en ductiliteit).
S - silicium (verbetert de oxidatieweerstand en verhoogt de hardbaarheid).
C - chromium (verhoogt de weerstand tegen corrosie en oxidatie, verhoogt de hardbaarheid).
N - nikkel (verbetert de ductiliteit, verhoogt de weerstand tegen scheurvorming).
L - molybdenum (verhoogt de weerstand tegen temperen en thermische scheuren).
V - vanadium (Verbetert de slijtvastheid en de microstructurele stabiliteit).
W - wolfraam (verhoogt de slijtvastheid en hardheid bij hoge temperaturen).
K - kobalt (verhoogt de hittebestendigheid en sterkte bij hoge temperaturen).
P - nikkel + chromium + wolfraam (De combinatie van deze elementen verbetert de hardbaarheid en slijtvastheid.)
Z - wolfraam + vanadium + silicium + chroom (een combinatie die de hardheid en de weerstand tegen hoge temperaturen verhoogt).
B – boor (verbetert de hardbaarheid en de weerstand tegen thermische scheuren).

Het derde deel van de aanduiding:

Het derde deel van de aanduiding voor gereedschapsstaal is een getal dat het staal classificeert op basis van de legeringselementen en het koolstofgehalte. Hoe hoger het getal, hoe hoger het gehalte aan legeringselementen en koolstof, wat zich vertaalt in een hogere hardheid, maar ook in een moeilijkere warmtebehandeling.

Voorbeelden van markeringen:

WNLV – Warmbewerkingsgereedschapsstaal dat nikkel, molybdeen en vanadium bevat.
WCLV – chroom-molybdeen gereedschapsstaal met toevoeging van vanadium.
WWV – wolfraam-vanadiumstaal.
WCMB – chroom-mangaanstaal met toevoeging van boor.

Warm gereedschapsstaal en het PN-aanduidingssysteem

Het letter- en cijfersysteem voor gereedschapsstaal maakte een duidelijke definitie van de chemische samenstelling en het beoogde gebruik van het materiaal mogelijk. Deze classificatiemethode maakt het eenvoudig om de juiste staalsoort te selecteren op basis van specifieke toepassingsvereisten, zoals hoge temperaturen, intense slijtage of de behoefte aan thermische scheurweerstand. In de aanduidingen van gereedschapsstaal geeft het eerste cijfer het gemiddelde koolstofgehalte aan, uitgedrukt in honderdsten van een procent. De daaropvolgende letters en cijfers geven de aanwezigheid en hoeveelheid legeringselementen en de kwaliteit van het staal aan.

De Poolse normen voor warmbewerkingsstaal zijn meegeëvolueerd met de technologische vooruitgang en de afstemming op de Europese normen.

Oude Poolse normen:

PN-86/H-85021 – Dit was een nationale norm die in Polen van kracht was en eisen stelde aan warmbewerkingsgereedschapsstaal, waaronder chemische samenstelling, mechanische eigenschappen en testmethoden. Deze norm werd gebruikt vóór de integratie met Europese normen.

Nieuwe Poolse normen:

PN-EN ISO 4957:2004 – Deze norm, die na harmonisatie met Europese normen werd ingevoerd, omvatte eisen voor gereedschapsstaal, inclusief warmbewerkingsstaal. De technische specificaties werden geharmoniseerd in overeenstemming met EN- en ISO-normen.
PN-EN ISO 4957:2018-09 – de huidige versie van de norm, van kracht sinds september 2018. Deze bevat bijgewerkte eisen voor de chemische samenstelling, mechanische eigenschappen, warmtebehandelingsmethoden en beproevingen van gereedschapsstaal.

Wijzigingen in de normen:

De nieuwe normen werden ingevoerd door:

Nauwkeurigere bepaling van de chemische samenstelling.
Nauwkeurigere eisen aan de mechanische eigenschappen.
Uniforme testprocedures conform internationale ISO-normen.

De overgang van een nationale naar een internationale norm maakte het mogelijk om staal beter aan te passen aan de eisen van de moderne industrie en vergemakkelijkte de internationale handel.

Andere staalsoorten voor warmbewerkingsgereedschap

WLV – molybdeen-vanadium gereedschapsstaal X32CrMoV33, 1.2365
WNL – nikkel-molybdeenstaal 55NiCrMoV6, 1.2713
WWS1 – wolfraam-silicium gereedschapsstaal
WWN1 – wolfraam-nikkel gereedschapsstaal WCL – chroom-molybdeenstaal X38CrMoV51, 1.2343
WCLV – chroom-molybdeen-vanadiumstaal X40CrMoV51, 1.2344
WWV – wolfraam-chroom-vanadiumstaal X30WCrV9-3, 1.2581, 3KH2V8F, 3H2V8F, H21, 3Х2В8Ф, T20821

Andere gereedschapsstaalsoorten

warmbewerkingslegering gereedschapsstaal
gelegeerde koudvervormingsgereedschapsstalen
koolstofgereedschapsstaal
snelstaal