Fresestål
Figur 1. Pinnefres av et koboltholdig hurtigstål der skjær og spiral er belagt med en grå, oksidasjonsbestandig og varmhard film av aluminiumkromnitrid (AlCrN) som forbedrer ytelsen og forlenger levetiden. Fresen er designet for bearbeiding av materialer med høy styrke. (Fresen er framstilt ved pulvermetallurgi, PM (HSS-E-PM-verktøy).)
Fresestål
Dormer Pramet.

Hurtigstål er stål som beholder sin hardhet og slitasjemotstand opp til temperaturer på 500–600 °C. Hurtigstål kan derfor benyttes til hurtig maskinering som dreiing, fresing eller boring uten at verktøyet mister sin hardhet på grunn av friksjonsvarmen som oppstår. Hurtigstål kan operere ved 2-3 ganger høyere skjærehastighet enn karbonstål. Hurtigstål benyttes også i motorsagkjeder og i bits.

Faktaboks

Også kjent som

highspeedstål

engelsk high speed steel, ofte forkortet HSS eller HS

Hurtigstål er karbidholdige høylegerte verktøystål. Fra 1980-tallet har hurtigstål mer og mer blitt erstattet av hardmetall i verktøy.

Egenskaper

Kjemisk sammensetning

Hurtigstål inneholder 0,8–1,5 vektprosent karbon og karbiddannende elementer som molybden (opptil 10 prosent), wolfram (opptil 20 prosent), krom (omtrent 4 prosent) og vanadium (opptil 5 prosent). I tillegg til å tjene som karbiddannere gir molybden økt seighet, krom gir økt herdbarhet, og vanadium gir en kornforfiningseffekt. Økt hardhet, temperaturbestandighet og holdbarhet for verktøyet oppnås hvis stålet også legeres med (vanligvis) 5–8 prosent kobolt, som ikke er karbiddanner, men som styrker stålets grunnmasse. Slike legeringer benevnes HSCO eller HSS–E, og de benyttes for maskinering av harde metaller og høylegerte stål, for eksempel austenittisk rustfrie stål som arbeidsherder kraftig under maskineringen.

Den kjemiske sammensetningen til hurtigstål varierer avhengig av bruksområde, og de fleste inneholder en blanding av de karbiddannende elementene. Man kan til en viss grad skille mellom molybden- og wolframholdige hurtigstål, avhengig av mengdeforholdet mellom de to elementene, og koboltholdige hurtigstål. Et mye brukt standard hurtigstål (uten kobolt) har sammensetningen 0,86 prosent karbon, 4 prosent krom, 5 prosent molbyden, 6 prosent wolfram og 2 prosent vanadium.

Karbider

Karbidene som gir stålenes gode mekaniske egenskaper, felles ut når stålene etter martensittherding anløpes ved en høy anløpingstemperatur rundt 550 °C. De viktigste karbidene er Mo₂C, W₂C og VC. Siden karbidene dannes ved høy temperatur, er de relativt stabile opp til slike temperaturer, og stålene kan derfor brukes til hurtig sponfraskillende bearbeiding hvor den skjærende eggen blir rødglødende uten å miste sin hardhet og skarphet. Det er derfor de kalles hurtigstål.

Forming av verktøyene

Skjær og spiral på høykvalitetsverktøy blir formet ved sliping (engelsk grinding, HSS-G). Sliping gjør verktøyene meget skarpe, noe som gir høy presisjon og god sponfjerning. Skjæret blir kryss-slipt slik at boret sentrerer enklere og blir mindre utsatt for vibrasjoner. På verktøy av lavere kvalitet blir spiralen formet ved en spesiell valse/smi-prosess (roll forging, HSS-R), og boret kan da bli litt unøyaktig utformet.

Moderne HSS-verktøy av høy kvalitet blir også framstilt ved hjelp av pulvermetallurgi (PM).

Overflatebehandling

Verktøy av hurtigstål blir ofte belagt med et tynt, dekorativt keramisk belegg (nitrid, karbonitrid, oksid) som øker overflatehardheten, letter sponfjerningen og reduserer slitasje, friksjon, temperaturpåvirkning, oksidasjon og kaldsveising/adhesjon av avvirket materiale til verktøyet. Den skjærende eggen holder seg dermed lenger skarp. I tillegg beskytter belegget mot utrivning av små biter fra arbeidsstykket, riving. Et overflatebelegg på verktøyet kan derfor betydelig øke skjærehastigheten og matehastigheten under maskinering. Beleggene kan slipes om igjen flere ganger.

Belegg av nitrider og karbonitrider er de beste og hardeste beleggene med hardhetsverdier som for det meste ligger i området 2400-3400 HV. De produseres enten ved kjemisk gassdeponering (CVD) eller som oftest ved fysisk gassdeponering (PVD) og har tykkelser på henholdsvis 7–8 mikrometer og 1-5 mikrometer. CVD skjer ved at verktøyet blir oppvarmet til omtrent 1000 °C som er mye høyere enn stålets anløpingstemperatur, og deponeringen må derfor etterfølges av at verktøyet anløpes i vakuum. PVD foregår ved temperaturer under 500 °C.

Eksempler på belegg

Spiralbor
Figur 2. Spiralbor for boring i metall laget av hurtigstål. Borets overflate er belagt med gul (gull-liknende) titannitrid som øker borets hardhet og dets skarphet over tid.
Spiralbor
Lisens: CC BY SA 3.0
Spiralbor belagt med bronze oxide.

Figur 3. HSS-E spiralbor med åtte prosent kobolt og ‘bronze oxide’ overflatefinish. Dette overflatebelegget blir ofte benyttet for å identifisere koboltholdige hurtigstål, og det gir en effektiv beskyttelse mot utrivninger. Boret har betegnelsen Dormer A777, er sertifisert for bruk i flyindustrien og er velegnet for bruk i abrasjonsbestandige stål, høylegerte stål, syrefaste materialer og titanlegeringer.

Spiralbor belagt med bronze oxide.
Dormer Pramet.
  • Gul titannitrid, TiN, har lenge blitt brukt på verktøy av alle typer hurtigstål. TiN-belegg tåler temperaturer opp til omtrent 500 °C. Titannitrid øker verktøyets levetid med nesten ti ganger og kan nesten fordoble avvirkningshastigheten av metall. Boret i Figur 2 er belagt med titannitrid. Zirkoniumnitrid (ZrN) likner TiN, men har noe større hardhet og korrosjonsmotstand og en penere, mer gull-liknende farge. Likevel blir ZrN mindre brukt enn TiN fordi det er kostbarere å deponere.
  • I de senere år har det blitt vanlig å belegge kvalitetsverktøy med mer varmebestandige blandings-nitrider og karbonitrider som har maksimale brukstemperaturer i området 800–1100 °C. Eksempler på slike belegg er titanaluminiumnitrid, TiAlN, aluminiumkromnitrid, AlCrN (Figur 1), titankarbonitrid, TiCN, og titanaluminiumkarbonitrid, TiAlCN. Beleggene er tilpasset ulike anvendelser/materialer. For eksempel er TiAlN, som har langt større holdbarhet enn TiN, godt egnet til maskinering av abrasive materialer som herdet stål og støpejern, og TiAlN-belagte verktøy kan brukes uten smøremiddel.
  • Ofte kombineres egenskapene til ulike belegg ved å legge flere lag på hverandre (flerlags belegg), for eksempel nanometertykke lag av vekselvis TiN og TiAlN som gir et belegg som er godt egnet for boring og fresing i stål. Et annet viktig eksempel er å legge på et toppsjikt av ZrN som optimaliserer sponfraskillingen fordi ZrN ikke reagerer kjemisk med arbeidsstykket.
  • Den nyeste utviklingen innen beleggteknologi inkluderer framstillingen av belegg med svært høye hardheter ved å benytte kompositter med ekstrem fin mikrostruktur, for eksempel nanokrystaller av TiAlN i en grunnmasse av glassaktig silisiumnitrid: hardhet 5500 HV.
  • En svart eller blåsvart 3-7 mikrometer tykk film av jernoksid (magnetitt, Fe3O4) er et billig belegg som benyttes for å produsere gode verktøy til generell bruk, særlig bor som selges i alle jernvare- og byggvareforretninger. Dette belegget har langt mindre hardhet enn PVD/CVD-beleggene, men beskytter mot korrosjon, reduserer friksjon, riving og kaldsveising og holder på smøremidler fordi belegget er porøst. Et standard HSS-bor som er belagt med jernoksid, har opptil 50 prosent lenger holdbarhet (tid det holder seg skarpt) enn et ubelagt bor. Jernoksidet dannes enten under anløping i en kontrollert atmosfære av (tørr) vanndamp, dampanløping ('dampoksid'), eller under opphold i en varm, smeltet blanding av oksiderende nitratsalter ('svart oksid').
  • Bronze oxide (bronseoksid) er navnet på en overflatefinish som har en pen bronsefarge og som ofte benyttes for å identifisere koboltholdige hurtigstål, Figur 3. Belegget gir liknende tribologiske effekter som svart jernoksid, og består av en tynn jernoksidfilm som dannes under en avsluttende lavtemperatur (~260 °C) anløping som også reduserer slipespenninger i verktøyet. Oksidfilmen er så tynn (brøkdel av en mikrometer) at lys går igjennom. Dette fører til at lys reflekteres både fra oksidoverflaten og fra ståloverflaten, og ved interferens oppstår det da en rødbrun anløpingsfarge ved at noen bølgelengder (farger) i lysspekteret forsterkes og andre svekkes, avhengig av filmtykkelsen (tynnfilm-interferens). I motsetning til hva mange tror, har belegget bronze oxide derfor ingenting med bronse å gjøre, bortsett fra fargen.

De ulike typene belegg har ulike farger, og innen hver gruppe kan fargen endres ved å endre den kjemiske sammensetningen. For eksempel kan fargen til TiN endres fra metallisk grå til gul eller brun ved å øke mengden nitrogen i forhold til titan. I TiAlN fås fargene sølv, gull, bronse og blåsvart avhengig av aluminium- og nitrogeninnholdet (bronse: fire ganger mer titan enn aluminium). Og ved å endre mengdeforholdet mellom karbon og nitrogen i TiCN oppnås fargene gulrød og fiolett. Beleggets farge gjør det lett å oppdage når et belegg er nedslitt og eventuelt bør fornyes. Men helst utnyttes fargene til å skape en estetisk effekt som virker tiltrekkende på kunden, i tillegg til at produsentene benytter dem for å skille seg ut fra andre produsenter og for å skille ulike typer HSS–stål fra hverandre. Bronsefarge benyttes ofte for å identifisere koboltholdige HSS–stål, jfr. bronze oxide hvor denne fargen oppstår på grunn av tynnfilm-interferens. Også i flerlags belegg kan interferensfarger oppstå hvis toppsjiktet er tilstrekkelig tynt og gjennomskinnelig.

Historikk

Hurtigstål ble utviklet rundt år 1900 og erstattet bruken av karbonstål i mange verktøy. På 1920-tallet ble hardmetall oppfunnet og begynte etter hvert å bli implementert i verktøyindustrien. Spesielt fra 1980-tallet har hurtigstål mer og mer blitt erstattet av hardmetall i verktøy. Hardmetall er et pulvermetallurgisk produkt som anvendes til maskinering av harde materialer. Hardmetallverktøy blir som HSS-verktøy belagt med et overflatebelegg for å gi dem bedre tribologiske egenskaper og for å fargelegge dem.

Sent på 1960-tallet begynte man ved hjelp av kjemisk gassdeponering å belegge verktøy med keramiske belegg, først med TiC-karbid og senere med TiN og TiCN. Firmaet Guhring, Inc. introduserte det første TiN-belagte spiralboret i 1981. Etter introduksjonen av fysisk gassdeponering som tillater lavere deponeringstemperaturer enn CVD, ble det utviklet nye belegg som TiAlN (~1985).

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg