Wat is HSS-staal?
HSS-staal staat voor High Speed Steel, een groep van hooggelegeerde gereedschapsstaalsoorten die zijn ontwikkeld om hun hardheid, slijtvastheid en snijprestaties te behouden wanneer ze worden blootgesteld aan de hoge temperaturen die ontstaan bij verspanen op hoge snelheid. In tegenstelling tot conventionele gereedschapsstaalsoorten behoudt HSS zijn nuttige snij-eigenschappen bij verhoogde temperaturen, waardoor gereedschappen die van deze materialen zijn vervaardigd, bij aanzienlijk hogere snijsnelheden kunnen werken zonder snel hun snijkant te verliezen.
HSS is geen enkele staalsoort. Het is een groep gereedschapsstaalsoorten met verschillende combinaties van koolstof en legeringselementen zoals wolfraam, molybdeen, vanadium, chroom, kobalt en, in sommige soorten, aluminium. Door deze elementen en de daaropvolgende warmtebehandeling aan te passen, kunnen fabrikanten HSS-kwaliteiten produceren met verschillende combinaties van hardheid, taaiheid, slijtvastheid, slijpbaarheid en warmtehardheid.
De ontwikkeling van HSS heeft het verspanen ingrijpend veranderd door continue verspaningsbewerkingen op hoge snelheid haalbaar te maken voor de industriële productie. Tegenwoordig wordt HSS nog steeds op grote schaal gebruikt voor snijgereedschappen en gereedschapsonderdelen waarbij een combinatie van hoge hardheid, snijvastheid, slijtvastheid en taaiheid is belangrijker dan alleen het bereiken van de hoogst mogelijke hardheid.
Veelvoorkomende HSS-producten zijn onder meer boorbits, tappen, frezen, ruimers, broachen, draaigereedschap, boorstangen, tandwielfrezen, zaagbladen en andere precisiesnijonderdelen. Er wordt gekozen voor verschillende HSS-kwaliteiten op basis van het materiaal van het werkstuk, de snijsnelheid, de bedrijfstemperatuur, de vereiste standtijd en de productie-eisen.
Het belangrijkste punt bij de beoordeling van HSS is daarom niet alleen of een materiaal “hard” is, maar of de specifieke kwaliteit ervan de juiste balans aan eigenschappen biedt voor de beoogde snij- of gereedschapstoepassing.
Wat is de samenstelling van HSS-staal?
Er is geen eenduidige chemische samenstelling die alle HSS-staalsoorten kenmerkt. In plaats daarvan worden HSS-kwaliteiten samengesteld door koolstof te combineren met verschillende legeringselementen, waarbij elk element bijdraagt aan de vorming van harde carbiden, secundaire verharding, warmtehardheid, taaiheid of andere prestatiekenmerken.
De belangrijkste legeringselementen in HSS zijn onder meer koolstof (C), wolfraam (W), molybdeen (Mo), vanadium (V), chroom (Cr) en kobalt (Co). Sommige gespecialiseerde kwaliteiten bevatten ook aluminium (Al) om hun prestaties bij hoge temperaturen en hun slijtvastheid verder te verbeteren.
Koolstof (C)
Koolstof vormt de basis voor de hardheid en de vorming van carbiden in HSS. Een hoger koolstofgehalte kan de vorming van harde carbiden bevorderen en de hardheid en slijtvastheid verbeteren, hoewel een te hoog koolstofgehalte de taaiheid kan verminderen en het materiaal moeilijker te bewerken maakt.
Wolfraam (W)
Wolfraam is een traditioneel legeringselement in HSS dat in hoge mate bijdraagt aan de warmtehardheid en de roodhardheid. Wolfraamrijke kwaliteiten zoals W18Cr4V (T1) bevatten aanzienlijk meer wolfraam dan moderne, op molybdeen gebaseerde kwaliteiten en vormen de klassieke wolfraam-HSS-familie.
Molybdeen (Mo)
Molybdeen kan wolfraam gedeeltelijk vervangen en zorgt tegelijkertijd voor sterke secundaire verhardingseffecten en goede prestaties bij hoge temperaturen. HSS op basis van molybdeen biedt over het algemeen een goede balans tussen hardheid, taaiheid en productiekosten, wat een van de redenen is waarom kwaliteiten zoals M2 zo veel worden gebruikt.
Vanadium (V)
Vanadium vormt in het staal uiterst harde vanadiumcarbide (VC)-deeltjes. Deze carbiden zorgen voor een hoge weerstand tegen slijtage door schuring en helpen de snijkant intact te houden tijdens zware bewerkingen. Staalsoorten met een hoog vanadiumgehalte, zoals M3, leggen daarom de nadruk op slijtvastheid, hoewel hun harde carbidestructuur het slijpen kan bemoeilijken.
Chroom (Cr)
Chroom draagt in de eerste plaats bij aan de hardbaarheid en helpt het staal tijdens de warmtebehandeling de vereiste structuur te ontwikkelen. Het draagt ook bij aan de weerstand tegen oxidatie en verbetert de algehele balans van de legering.
Kobalt (Co)
Kobalt wordt gebruikt in kobalthoudende HSS-staalsoorten zoals M35 en M42. In tegenstelling tot wolfraam of vanadium, waaruit carbiden worden gevormd, zorgt kobalt ervoor dat het staal zijn hardheid bij hoge temperaturen beter behoudt, waardoor HSS met kobalt bijzonder geschikt is voor veeleisende verspaningsbewerkingen bij hoge snelheden.
Aluminium (Al)
Aluminium wordt gebruikt in gespecialiseerde HSS-kwaliteiten zoals W6Mo5Cr4V2Al (M2Al). Het kan bijdragen aan een hogere hardheid en warmtehardheid, hoewel HSS met aluminium ook gevoeliger kan zijn voor oxidatie en ontkoling tijdens de warmtebehandeling.
Hoe legeringselementen de HSS-kwaliteit bepalen
De prestaties van HSS zijn niet aan één enkel element toe te schrijven. Ze zijn het resultaat van de wisselwerking tussen legeringselementen, carbidevorming, de staalproductiemethode en de warmtebehandeling.
Bijvoorbeeld:
- Hogere W → traditionele kenmerken van de rode hardheid
- W + Mo → uitgebalanceerde HSS-prestaties voor algemeen gebruik
- Hogere V → grotere slijtvastheid
- Hoger Co-gehalte → verbeterde warmtehardheid
- Hoger C-gehalte → grotere hardheid en carbidevorming
- Al-toevoegingen → verbeterde hardheid en betere prestaties bij hoge temperaturen
Dankzij deze flexibiliteit op het gebied van samenstelling kan HSS aan een breed scala aan snij- en gereedschapseisen voldoen.
Soorten HSS-staal
HSS-staal kan op verschillende manieren worden ingedeeld, maar De chemische samenstelling vormt de meest praktische indeling om inzicht te krijgen in de verschillen tussen de belangrijkste HSS-families. De verhoudingen en combinaties van wolfraam, molybdeen, vanadium, kobalt, koolstof en andere legeringselementen bepalen de eigenschappen van elke groep.
| HSS-type | Belangrijkste legeringskenmerk | Representatieve cijfers | Belangrijkste kenmerk |
|---|---|---|---|
| Wolfraam-HSS | Hoog W | W18Cr4V / T1 | Traditionele rode hardheid |
| Wolfraam-molybdeen HSS | W + Mo | M2 / W6Mo5Cr4V2 | Evenwichtige prestaties |
| HSS met hoog molybdeen-gehalte | Hoog Mo | M1, M4, M10 | Goede taaiheid en slijtvastheid |
| HSS met hoog vanadiumgehalte | High V | M3 | Uitzonderlijke slijtvastheid |
| Kobalt-HSS | Co-toevoeging | M35, M42 | Hoge warmtehardheid |
| HSS met hoog koolstofgehalte | Hoger C | 9W18Cr4V | Hoge hardheid en slijtvastheid |
| Aluminium HSS | Daarnaast | M2Al | Hoge hardheid en warmtehardheid |
Wolfraam-snelstaal
Tungsten HSS is de traditionele familie van snelstaalsoorten waarin wolfraam het belangrijkste element is dat verantwoordelijk is voor de prestaties bij hoge temperaturen. W18Cr4V, ook bekend als AISI T1, is een klassiek voorbeeld en komt overeen met kwaliteiten zoals JIS SKH2 en DIN 1.3355.
W18Cr4V bevat doorgaans ongeveer 17,5–19% wolfraam, met ongeveer 0,70–0,80% koolstof, 3,8–4,4% chroom en 1,0–1,2% vanadium. Na een passende warmtebehandeling kan het een hardheid van ongeveer 63–66 HRC bereiken.
Wolfraam-HSS biedt een goede hardheid en wordt al heel lang gebruikt in snijgereedschap voor algemeen gebruik. In vergelijking met sommige moderne HSS-samenstellingen kunnen de taaiheid en de kostenefficiëntie van andere legeringssystemen deze echter voor bepaalde toepassingen aantrekkelijker maken.
Wolfraam-molybdeen-snelstaal
HSS van wolfraam-molybdeen combineert wolfraam en molybdeen om een evenwichtige combinatie van hardheid, taaiheid, slijtvastheid en warmtehardheid te bereiken. W6Mo5Cr4V2, algemeen bekend als M2 of 6542, is de meest representatieve legering in deze groep.
M2 bevat doorgaans ongeveer 5,5–6,75% wolfraam, 4,5–5,5% molybdeen en 1,75–2,20% vanadium, samen met chroom en koolstof. Na warmtebehandeling bereikt het doorgaans een waarde van ongeveer 63–66 HRC.
Vanwege zijn uitgebalanceerde eigenschappen en brede toepasbaarheid is M2 een van de meest gebruikte HSS-kwaliteiten voor algemeen gebruik. De gedetailleerde eigenschappen, toepassingen en aandachtspunten bij de bewerking worden apart behandeld in onze M2-gereedschapsstaal gids.
Snelstaal met een hoog molybdeengehalte
HSS met een hoog molybdeengehalte bevat relatief weinig wolfraam, doorgaans zo’n 0–2% W, terwijl het molybdeengehalte, afhankelijk van de kwaliteit, ongeveer 5–10% kan bedragen.
Typische kwaliteiten zijn onder meer M1, M4 en M10. M4 wordt bovendien gekenmerkt door een relatief hoog koolstof- en vanadiumgehalte, waardoor het een bijzonder hoge slijtvastheid heeft.
Deze materiaalgroep biedt een nuttige combinatie van taaiheid, slijtvastheid en prestaties bij hoge temperaturen, maar de warmtebehandeling moet zorgvuldig worden gecontroleerd, aangezien te hoge austenitisatietemperaturen de korrelstructuur en de uiteindelijke eigenschappen kunnen beïnvloeden.
Snelstaal met een hoog vanadiumgehalte
HSS met een hoog vanadiumgehalte bevat grotere hoeveelheden vanadium, waardoor er een grotere hoeveelheid extreem harde vanadiumcarbide-deeltjes kan ontstaan.
W6Mo5Cr4V3 (M3) is een representatieve legering, die doorgaans ongeveer 2,25–2,75% vanadium bevat. Na warmtebehandeling kan M3 een hardheid van ongeveer 64–67 HRC bereiken, met een uitstekende slijtvastheid.
Door de hoge concentratie aan VC-carbiden is dit materiaal bijzonder geschikt wanneer slijtage door schurende werking het belangrijkste aandachtspunt is. Diezelfde harde carbiden beperken echter de slijpbaarheid, waardoor voor het precisieslijpen van HSS met een hoog vanadiumgehalte doorgaans zorgvuldig geselecteerde slijpmiddelen en gecontroleerde bewerkingsomstandigheden vereist zijn.
Kobalt-snelstaal
In Cobalt HSS is een aanzienlijke hoeveelheid kobalt in de legering verwerkt om de warmtehardheid en de snijprestaties bij hoge temperaturen te verbeteren.
De meest voorkomende kwaliteiten zijn M35 en M42. M35 bevat doorgaans ongeveer 4,5–5,51 TP3T kobalt, terwijl M42 ongeveer 7,5–8,51 TP3T kobalt bevat en na een passende warmtebehandeling een hardheid van ongeveer 67–70 HRC kan bereiken.
Kobalt-HSS is met name van groot nut wanneer er tijdens het verspanen veel warmte vrijkomt of wanneer moeilijk te bewerken materialen een hogere verspaningsprestatie vereisen. Het nadeel is doorgaans dat de materiaalkosten hoger liggen dan bij HSS-kwaliteiten voor algemeen gebruik.
Koolstofrijk snelstaal
HSS met een hoog koolstofgehalte maakt gebruik van een hoger koolstofgehalte om een grotere hardheid en carbidevorming te bevorderen.
9W18Cr4V is een typische HSS-staalsoort met een hoog koolstofgehalte en wolfraam, die doorgaans ongeveer 0,90–1,00% koolstof en 17,5–19% wolfraam bevat. Na warmtebehandeling kan de hardheid ongeveer 66–68 HRC bedragen.
Deze samenstelling biedt een hoge slijtvastheid en hardheid, hoewel het verhoogde carbidegehalte de taaiheid kan verminderen en het slijpen bemoeilijkt.
Aluminium en snelstaal
Aluminium-HSS is een gespecialiseerde productgroep waarin aluminium wordt toegevoegd om de hardheid en de prestaties bij hoge temperaturen te verbeteren.
W6Mo5Cr4V2Al, ook wel M2Al genoemd, bevat doorgaans ongeveer 0,80–1,20% aluminium, naast wolfraam, molybdeen, chroom en vanadium. De hardheid na warmtebehandeling kan ongeveer 67–69 HRC bedragen.
Deze staalsoorten bieden een hoge hardheid en slijtvastheid, maar vanwege hun gevoeligheid voor oxidatie en ontkoling zijn een gecontroleerde warmtebehandeling en beschermende atmosferen van bijzonder groot belang.
Alles bij elkaar genomen laten deze HSS-families zien waarom HSS-staal mag niet als één universeel materiaal worden beschouwd. Een M2-kwaliteit voor algemeen gebruik, een M3-kwaliteit met hoge slijtvastheid en een M42-kwaliteit met hoge warmtehardheid kunnen allemaal worden aangemerkt als HSS, maar vertonen toch duidelijk verschillende prestatiekenmerken. De juiste kwaliteit hangt daarom af van de snijomstandigheden, het materiaal van het werkstuk, de vereiste standtijd, de bedrijfstemperatuur en het productieproces.
Eigenschappen van HSS-staal
De prestaties van HSS-staal zijn te danken aan de zorgvuldig uitgebalanceerde legeringssamenstelling en de door warmtebehandeling verkregen microstructuur. HSS wordt niet alleen om zijn hardheid gewaardeerd, maar ook vanwege de combinatie van warmtehardheid, slijtvastheid, taaiheid, snijvastheid en maatvastheid tijdens veeleisende zaagwerkzaamheden.
Hoge hardheid
Warmtebehandeld HSS bereikt doorgaans een hardheid van ongeveer 63–70 HRC, afhankelijk van de kwaliteit en de warmtebehandeling. Dankzij deze hoge hardheid zijn HSS-gereedschappen bestand tegen vervorming en behouden ze een scherpe snijkant bij herhaaldelijke snijbelastingen.
Warmhardheid en roodhardheid
Een van de kenmerkende eigenschappen van HSS is het vermogen om bij hoge temperaturen zijn hardheid te behouden. Veel HSS-kwaliteiten behouden hun snijprestaties zelfs wanneer de snijkant temperaturen van enkele honderden graden Celsius bereikt, waardoor ze bij hogere snijsnelheden kunnen worden ingezet dan conventionele koolstofstaal- of laaggelegeerde gereedschapsstaalsoorten.
Slijtvastheid
HSS bevat harde legeringscarbiden die voornamelijk bestaan uit elementen zoals vanadium, wolfraam en molybdeen. Deze carbiden verbeteren de weerstand tegen slijtage door schuring en dragen bij aan een langere levensduur van het gereedschap, met name bij toepassingen waarbij continu wordt gesneden of waarbij een hoge contactdruk optreedt.
Randbehoud
Dankzij de combinatie van een hoge hardheid en slijtvaste carbiden behoudt HSS gedurende lange tijd een scherpe snijkant. Dit is met name van belang voor boren, tappen, ruimers, vingerfrezen, draaigereedschappen en zaagbladen, waarbij de geometrie van de snijkant rechtstreeks van invloed is op de bewerkingsnauwkeurigheid en de oppervlaktekwaliteit.
Taaiheid
In vergelijking met veel uiterst harde gereedschapsmaterialen biedt HSS een goede balans tussen hardheid en taaiheid. Hierdoor zijn HSS-gereedschappen bestand tegen trillingen, intermitterend snijden en matige stoten, zonder dat ze overmatig broos zijn.
Slijpbaarheid en bewerkbaarheid
HSS is na het harden relatief moeilijk te bewerken vanwege de hoge hardheid en het hoge gehalte aan carbiden. Conventionele bewerking vindt doorgaans plaats in gegloeide toestand, terwijl gehard HSS meestal wordt bewerkt door middel van precisieslijpen of vonkverspaning wanneer conventionele verspaningstechnieken niet haalbaar zijn. Soorten met een hoog vanadiumgehalte stellen bijzonder hoge eisen vanwege hun harde VC-carbiden.
Thermische en dimensionale stabiliteit
HSS heeft een relatief hoge dichtheid en een matige warmtegeleiding, terwijl de gelegeerde microstructuur zorgt voor een goede weerstand tegen verzachting bij hoge temperaturen. Een juiste warmtebehandeling is essentieel, omdat ongecontroleerde verhitting, afkoeling of spanning kan leiden tot vervorming, restspanningen of scheurvorming.
HSS-staalsoorten en typische parameters
HSS-kwaliteiten verschillen aanzienlijk qua samenstelling en prestaties. In de onderstaande tabel worden enkele representatieve kwaliteiten uit de hierboven besproken belangrijkste HSS-families samengevat. De waarden moeten worden beschouwd als typische referentiewaarden in plaats van universele specificaties, omdat de uiteindelijke eigenschappen afhangen van de staalproductiemethode, de productvorm, de warmtebehandeling en de testomstandigheden.
| HSS-kwaliteit | HSS-type | Belangrijkste kenmerken van de samenstelling | Typische hardheid na warmtebehandeling | Hardheid bij hoge temperaturen* | Belangrijkste kenmerk |
|---|---|---|---|---|---|
| W18Cr4V (T1) | Wolfraam-HSS | W 17,5–19%, Cr 3,8–4,4%, V 1,0–1,2% | 63–66 HRC | ~48–53 HRC bij 600 °C | Goede hardheid van het rood |
| W6Mo5Cr4V2 (M2) | Wolfraam-molybdeen HSS | W 5,5–6,75%, Ma 4,5–5,5%, V 1,75–2,2% | 63–66 HRC | ~47–48 HRC bij 600 °C | Evenwichtige prestaties |
| M3 / W6Mo5Cr4V3 | HSS met hoog vanadiumgehalte | V 2,25–2,75% | 64–67 HRC | ~58–60 HRC bij 600 °C | Uitstekende slijtvastheid |
| M4 | HSS met hoog molybdeen- en vanadiumgehalte | C 1,35–1,45%, V 3,5–4,5% | 64–67 HRC | Hoog | Hoge slijtvastheid |
| M35 | Kobalt-HSS | Co 4,5–5,5% | 64–67 HRC | >60 HRC onder zware omstandigheden | Verbeterde warmtehardheid |
| M42 | Kobalt-HSS | Ma 9–10%, Do 7,5–8,5% | 67–70 HRC | ~55–56 HRC bij 600 °C | Zeer hoge warmtehardheid |
| 9W18Cr4V | HSS met hoog koolstofgehalte | C 0,90–1,00%, W 17,5–19% | 66–68 HRC | ~51–52 HRC bij 600 °C | Hoge hardheid en slijtvastheid |
| W6Mo5Cr4V2Al (M2Al) | Aluminium HSS | Al 0,8–1,21 TP3T | 67–69 HRC | ~54–55 HRC bij 600 °C | Hoge hardheid en warmtehardheid |
*De hardheidswaarden bij hoge temperaturen zijn indicatieve referentiewaarden en kunnen variëren afhankelijk van de warmtebehandeling, de testomstandigheden en de toestand van het materiaal.
Typische fysische parameters
De representatieve fysische eigenschappen variëren ook per kwaliteit, maar HSS heeft over het algemeen een dichtheid van ongeveer 8,0–8,3 g/cm³. Zo bedraagt de dichtheid van M2 bijvoorbeeld ongeveer 8,26 g/cm³, terwijl de warmtegeleidbaarheid ervan bij kamertemperatuur ongeveer 32,8 W/(m·K) bedraagt.
Het belangrijkste verschil tussen de verschillende staalsoorten ligt echter niet alleen in hun dichtheid of hardheid. De samenstelling van de legering bepaalt hoe het staal de eigenschappen in evenwicht houdt slijtvastheid, taaiheid, warmtehardheid, slijpbaarheid en snijprestaties.
Waarvoor wordt snelstaal gebruikt?
HSS-staal wordt voornamelijk gebruikt wanneer een snijkant zijn hardheid en geometrie moet behouden onder herhaalde mechanische en thermische belasting. Het blijft een van de meest veelzijdige materialen voor de vervaardiging van snijgereedschappen, vormgereedschappen en slijtvaste gereedschapsonderdelen.
Boorbits van snelstaal
HSS-boorbits behoren tot de meest gangbare toepassingen. HSS-spiraalboren bieden een combinatie van hardheid, taaiheid en hittebestendigheid die geschikt is voor het boren in metalen zoals koolstofstaal, gelegeerd staal, roestvrij staal en andere technische materialen.
Tappen van snelstaal
HSS-tappen worden gebruikt om binnenschroefdraad te maken met een constante snijprestatie. Dankzij hun hardheid en slijtvastheid blijft de schroefdraadgeometrie behouden, zelfs bij herhaalde bewerkingen.
Eindfrezen van snelstaal
HSS-frezen worden gebruikt voor het frezen van groeven, uitsparingen, profielen, schouders en andere vormen. In vergelijking met hardmetalen gereedschap bieden HSS-frezen een grotere taaiheid en zijn ze geschikt voor toepassingen waarbij trillingen of onderbroken verspanen een rol spelen.
Draaigereedschappen van snelstaal
HSS-draaigereedschappen en -snijplaten worden op grote schaal gebruikt voor draaien, vlakdraaien, profileren en andere bewerkingen. Ze kunnen worden geslepen tot op maat gemaakte snijgeometrieën, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor zowel algemene als gespecialiseerde draaitoepassingen.
Boorstangen van snelstaal
HSS-boorgereedschappen en boorstangen worden gebruikt om bestaande gaten te vergroten of af te werken, waarbij de afmetingen en de oppervlaktekwaliteit nauwkeurig worden gehandhaafd. Hun taaiheid komt goed van pas bij bewerkingsomstandigheden waarbij trillingen of onderbroken sneden een rol spelen.
Ruimers van snelstaal
HSS-ruimers zijn precisiegereedschappen voor de nabewerking die worden gebruikt om de maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking van eerder geboorde of uitgeboorde gaten te verbeteren. Dankzij hun slijtvastheid blijft de vereiste snijdiameter tijdens herhaalde productiecycli behouden.
Freesbits van snelstaal
HSS-frezen worden gebruikt voor snij- en profileerwerkzaamheden bij hoge snelheden, met name wanneer een combinatie van scherpte en taaiheid vereist is. Er kunnen speciale geometrieën worden vervaardigd voor verschillende werkstukmaterialen en snijomstandigheden.
Gatenzagen van snelstaal
HSS-gatenzagen maken gebruik van geharde snijtanden om gaten met een grotere diameter te maken in plaatmetaal, buizen en andere materialen. HSS biedt de slijtvastheid die nodig is voor herhaaldelijk ingrijpen van de tanden, terwijl het tegelijkertijd voldoende taaiheid behoudt voor praktisch snijwerk.
Cirkelzaagbladen van snelstaal
HSS-cirkelzaagbladen worden gebruikt voor het zagen van metaal, buizen, profielen en andere industriële materialen. Doordat ze hun zaaghardheid bij hoge temperaturen behouden, zijn ze geschikt voor continu zagen op hoge snelheid.
Zaagbladen van snelstaal voor ijzerzaag
HSS-ijzerzaagbladen worden gebruikt voor het zagen van staven, buizen, constructieprofielen en andere metalen werkstukken. Ze profiteren van de combinatie van slijtvastheid en taaiheid die HSS biedt, met name bij toepassingen waarbij herhaaldelijk heen en weer wordt gezaagd.
Overige HSS-gereedschapsonderdelen
Naast standaard snijgereedschappen kan HSS ook worden verwerkt tot boren, tandwielfrezen, frezen, vormgereedschappen, onderdelen voor draadwalsen, zaagbladen, doornstaven, walsen en andere slijtvaste gereedschapsonderdelen.
De juiste HSS-kwaliteit hangt sterk af van de toepassing. Voor algemeen snijwerk kan een uitgebalanceerde kwaliteit zoals M2 de voorkeur genieten, terwijl voor toepassingen die een grotere slijtvastheid vereisen, kwaliteiten met een hoog vanadiumgehalte de voorkeur kunnen genieten, en voor moeilijk snijwerk bij hoge temperaturen kunnen kobaltkwaliteiten zoals M35 of M42 aangewezen zijn.
Hoe hard is snelstaal?
HSS wordt over het algemeen beschouwd als een gereedschapsstaal met een hoge hardheid, maar er is geen uniforme hardheidswaarde voor alle HSS-kwaliteiten. Na een correcte hardings- en ontlaatbehandeling liggen veel conventionele HSS-kwaliteiten binnen een bereik van ongeveer 63–70 HRC, waarbij gespecialiseerde kwaliteiten de bovengrens van dit bereik bereiken.
Zo bereikt W18Cr4V (T1) doorgaans een hardheid van ongeveer 63–66 HRC, M2 ongeveer 63–66 HRC, M3 ongeveer 64–67 HRC, terwijl het kobalthoudende M42 een hardheid van ongeveer 67–70 HRC kan bereiken.
| HSS-kwaliteit | Typische hardheid na warmtebehandeling |
|---|---|
| W18Cr4V / T1 | 63–66 HRC |
| M2 / W6Mo5Cr4V2 | 63–66 HRC |
| M3 | 64–67 HRC |
| M4 | 64–67 HRC |
| M35 | 64–67 HRC |
| M42 | 67–70 HRC |
| 9W18Cr4V | 66–68 HRC |
| M2Al | 67–69 HRC |
De hardheid alleen is echter niet bepalend voor de prestaties van HSS. Een kwaliteit met een hogere HRC-waarde is niet automatisch de beste keuze voor elke snijtoepassing. De standtijd hangt ook af van de warmtehardheid, de carbidestructuur, de taaiheid, de slijtvastheid, de snijsnelheid, het materiaal van het werkstuk, de geometrie van het gereedschap en de warmtebehandeling.
Daarom moet de keuze van HSS-staal worden gebaseerd op de volledige bedrijfsomstandigheden, in plaats van de staalsoort met de hoogste nominale hardheid te kiezen.
Hoe snelstaal te bewerken
Het bewerken van HSS-staal vereist een andere aanpak, afhankelijk van de hardheid en de warmtebehandelingsstatus. Gegloeid HSS is aanzienlijk gemakkelijker te bewerken, terwijl gehard HSS een hardheid van 63–70 HRC kan bereiken en over het algemeen slijpen, vonkverspaning of andere gespecialiseerde processen vereist voor een nauwkeurige afwerking. Om deze reden moet het productieproces worden afgestemd op de materiaaltoestand, in plaats van alle HSS-kwaliteiten op dezelfde manier te behandelen.
Verspanen van HSS in gegloeide toestand
Voorbewerking wordt doorgaans uitgevoerd terwijl het HSS-staal zich in de gegloeide of verzachte toestand bevindt. CNC-frezen, draaien, boren en andere conventionele bewerkingen kunnen worden gebruikt om de basisgeometrie vast te leggen vóór het harden. Het is belangrijk om voldoende bewerkingsspeling over te laten voor het daaropvolgende slijpen, omdat warmtebehandeling tot maatveranderingen kan leiden.
Bewerking van gehard HSS
Zodra HSS is gehard, wordt conventioneel verspanen aanzienlijk moeilijker. Voor het bereiken van de uiteindelijke afmetingen, de geometrie van de snijkant en de oppervlakteafwerking wordt doorgaans precisieslijpen toegepast, terwijl vonkverspaning kan worden gebruikt voor complexe profielen of gebieden die met conventionele gereedschappen moeilijk te bereiken zijn.
Legeringen met een hoog vanadiumgehalte vereisen bijzondere aandacht, omdat de harde vanadiumcarbide-deeltjes daarin slijtage door schuring kunnen versnellen en het slijpen bemoeilijken.
Precisieslijpen
Slijpen is een van de belangrijkste afwerkingsprocessen voor geharde HSS-onderdelen. Om slijpbrandwonden, oppervlakteschade of maatafwijkingen te voorkomen, zijn geschikte slijpschijven, geregelde voedingssnelheden, koelvloeistof en warmtebeheersing vereist.
EDM-bewerking
EDM is geschikt voor geharde HSS-onderdelen met complexe geometrieën, smalle sleuven, scherpe inwendige details of profielen die moeilijk mechanisch te verspanen zijn. Omdat bij EDM materiaal wordt verwijderd door middel van gecontroleerde elektrische ontladingen in plaats van directe mechanische verspaning, kan deze techniek zeer hard HSS na warmtebehandeling bewerken.
Belangrijke aandachtspunten bij het verspanen van HSS
Een succesvolle HSS-bewerking hangt af van de regeling van hitteontwikkeling, gereedschapsslijtage, werkstukopspanning, maatvastheid en restspanning. Bij precisieonderdelen bestaat een typische productievolgorde uit het voorbewerken van het gegloeide materiaal, het uitvoeren van spanningsverlichting en harden, en vervolgens het gebruik van slijpen of vonkverspaning voor de definitieve geometrie en toleranties.
Warmtebehandeling van HSS-staal
Warmtebehandeling is van fundamenteel belang voor de prestaties van HSS, omdat de uiteindelijke hardheid, taaiheid, slijtvastheid en warmtehardheid van het materiaal in hoge mate afhangen van de resulterende microstructuur. Hoewel de exacte parameters per kwaliteit verschillen, omvat een typisch warmtebehandelingsproces voor HSS het volgende: gloeien, spanningsvermindering, voorverwarmen, austenitiseren, afkoelen en meerdere temperingscycli.
Gloeien
Gloeien wordt doorgaans vóór de verspaningsbewerking uitgevoerd om het materiaal zachter te maken en de bewerkbaarheid te verbeteren. Afhankelijk van de staalsoort liggen de gloeitemperaturen doorgaans tussen ongeveer 770 en 880 °C, waarna het materiaal gecontroleerd in de oven wordt afgekoeld.
Verlichting van stress
Het wegnemen van spanningen is met name nuttig na zware voorbewerking. Door het onderdeel vóór het harden te verwarmen tot ongeveer 630–650 °C kunnen restspanningen als gevolg van de bewerking worden verminderd en kan vervorming tijdens de daaropvolgende warmtebehandeling tot een minimum worden beperkt.
Voorverwarmen
HSS heeft een relatief lage warmtegeleidbaarheid en bevat een hoge concentratie aan legeringselementen. Door het materiaal op een gecontroleerde manier voor te verwarmen, worden thermische schokken en het risico op scheurvorming verminderd wanneer het materiaal vervolgens wordt blootgesteld aan hoge austenitisatietemperaturen.
Afhankelijk van de kwaliteit en het proces kan er gebruik worden gemaakt van een- of meertraps voorverwarming. Zo kan M2 bijvoorbeeld via tussentijdse temperatuurtrappen worden voorverwarmd voordat de uiteindelijke hardingstemperatuur wordt bereikt.
Austenitiseren en afkoelen
De austenitisatietemperatuur hangt sterk af van de HSS-kwaliteit. Typische hardingstemperaturen liggen tussen ongeveer 1.180 en 1.290 °C, waarbij wolfraamrijke kwaliteiten doorgaans hogere temperaturen vereisen dan sommige op molybdeen gebaseerde kwaliteiten.
Bijvoorbeeld:
| HSS-kwaliteit | Typische austenitisatie-/afkoeltemperatuur | Typisch temperingsbereik |
|---|---|---|
| W18Cr4V / T1 | 1.270–1.290 °C | 550–570 °C |
| M2 / W6Mo5Cr4V2 | 1.210–1.230 °C | 540–560 °C |
| M3 | 1.190–1.220 °C | 540–560 °C |
| M42 | 1.170–1.200 °C | 530–550 °C |
| 9W18Cr4V | 1.260–1.280 °C | 570–590 °C |
| M2Al | 1.230–1.240 °C | 540–560 °C |
Het onderdeel wordt verwarmd tot de juiste austenitisatietemperatuur en op die temperatuur lang genoeg gehouden om de vereiste transformatie te laten plaatsvinden zonder dat er overmatige korrelgroei optreedt. Voor het afkoelen kan gebruik worden gemaakt van olie, lucht, gas, een zoutbad of andere gecontroleerde afkoelmethoden, afhankelijk van de staalsoort, de afmetingen van het onderdeel en de apparatuur voor de warmtebehandeling.
Tempereren
HSS moet in het algemeen meerdere afhardingscycli ondergaan in plaats van slechts één afharding. Afharding vermindert restspanningen en draagt bij aan de stabilisatie van de geharde structuur, terwijl tegelijkertijd de vereiste secundaire hardheid wordt ontwikkeld.
De gebruikelijke tempertemperaturen liggen tussen de 530 en 590 °C, afhankelijk van de staalsoort. Meestal worden twee of drie tempercycli toegepast, waarbij het werkstuk tussen de cycli door tot een geschikte temperatuur wordt afgekoeld.
Diepe cryogene behandeling
Bij sommige HSS-toepassingen kan na het afkoelen een cryogene behandeling worden toegepast om de transformatie van restausteniet te bevorderen en de maatvastheid en slijtvastheid te verbeteren. Zo kan bij bepaalde M2-processen bijvoorbeeld een gecontroleerde behandeling bij ongeveer −80 °C worden toegepast, hoewel de daadwerkelijke vereisten moeten worden bepaald op basis van de staalsoort, de geometrie, de specificaties voor de warmtebehandeling en de beoogde prestaties.
De kwaliteit van de warmtebehandeling is van belang
Bij HSS-warmtebehandeling is een veel nauwkeurigere regeling vereist dan alleen het bereiken van een streeftemperatuur. Oververhitting, ontkoling, oxidatie, overmatige korrelgroei, onvoldoende ontlaten en ongecontroleerde afkoeling kunnen allemaal de uiteindelijke prestaties verminderen. Vacuüm- of beschermgasovens hebben daarom de voorkeur voor precisieonderdelen van snelstaal (HSS), waarbij de oppervlaktegesteldheid en maatvastheid van cruciaal belang zijn.
Is vanadium-snelstaal harder dan kobalt?
Niet per se. HSS met een hoog vanadiumgehalte en kobalt-HSS zijn ontworpen om verschillende prestatiekenmerken te benadrukken, dus het kan misleidend zijn om ze alleen op basis van de nominale hardheid met elkaar te vergelijken.
Legeringen met een hoog vanadiumgehalte, zoals M3, bevatten meer vanadium, waardoor er een grote hoeveelheid uiterst harde vanadiumcarbide-deeltjes ontstaat. Dit zorgt voor een uitstekende slijtvastheid en een uitstekend behoud van de snijkant. M3 bereikt na warmtebehandeling doorgaans een hardheid van ongeveer 64–67 HRC.
Bij kobalt-HSS-staal, zoals M35 en M42, wordt daarentegen kobalt gebruikt om de eigenschappen te verbeteren hittebestendigheid en snijprestaties bij hoge temperaturen. M42 bereikt doorgaans een hardheid van ongeveer 67–70 HRC, waardoor de nominale hardheid hoger ligt dan die van veel standaardkwaliteiten met een hoog vanadiumgehalte.
| Eigendom | HSS met hoog vanadiumgehalte | Kobalt-HSS |
|---|---|---|
| Representatieve kwaliteit | M3 | M35 / M42 |
| Typische hardheid | ~64–67 HRC | ~64–70 HRC |
| Belangrijkste legeringskenmerk | High V | Co-toevoeging |
| Belangrijkste voordeel | Extreme slijtvastheid | Hoge warmtehardheid |
| Slijtvastheid in verband met hardmetaal | Zeer hoog | Hoog |
| Snijden bij hoge temperaturen | Uitstekend | Uitstekend |
| Moeilijkheidsgraad bij het slijpen | Hoger | Over het algemeen makkelijker dan klimmen met een hoge V-graad |
| Typische toepassing | Slijtvaste snijgereedschappen | Moeilijk te bewerken materialen en verspanen op hoge snelheid |
Daarom kan M42 qua uiteindelijke HRC-waarde harder zijn dan M3, maar dat betekent niet dat het automatisch in elke toepassing slijtvaster is. HSS met een hoog vanadiumgehalte kan beter presteren dan kobalt-HSS wanneer slijtage door schurende deeltjes en het behoud van de snijkant de belangrijkste eisen zijn, terwijl kobalt-HSS de voorkeur kan genieten wanneer het gereedschap zijn hardheid moet behouden bij intense snijwarmte.
Welke keuze het beste is, hangt af van materiaal van het werkstuk, snijsnelheid, temperatuur, vereiste standtijd en slijtageproces, in plaats van alleen de hardheid.
Is snelstaal geschikt voor een mes?
Ja, HSS kan een uitstekend mesmateriaal zijn voor specifieke toepassingen, met name wanneer een hoge snijvastheid, slijtvastheid en weerstand tegen verzachting belangrijker zijn dan het gemak waarmee het mes kan worden geslepen of lage materiaalkosten.
Door de hoge hardheid van warmtebehandeld HSS is de mesrand bestand tegen vervorming, terwijl de legeringscarbiden zorgen voor een hoge weerstand tegen slijtage door schuring. Deze eigenschappen kunnen van pas komen bij industriële messen, snijbladen, snijgereedschappen, kniponderdelen en andere snijtoepassingen waarbij veel slijtage optreedt.
HSS is echter niet automatisch de beste keuze voor elk mes. Veel HSS-kwaliteiten zijn in de eerste plaats ontworpen voor industriële snijbewerkingen bij hoge snelheden, en niet zozeer voor algemeen mesgebruik. Door hun hoge hardheid en carbidegehalte kunnen ze moeilijker te slijpen en te scherpen zijn, terwijl bepaalde kwaliteiten mogelijk minder taai zijn dan staalsoorten die specifiek zijn ontwikkeld voor slagvaste messen.
Bij industriële snijtoepassingen moet bij de keuze daarom rekening worden gehouden met:
- Slijtvastheid — belangrijk voor continu snijden en productie in grote volumes.
- Slijtvastheid — vooral belangrijk bij het snijden van schurende materialen.
- Sterkte — van cruciaal belang wanneer het mes wordt blootgesteld aan stoten of bij onderbroken snijbewerkingen.
- Hardheid — bepaalt de weerstand tegen vervorming van de randen.
- Slijpbaarheid — belangrijk bij de productie en het naslijpen van zaagbladen.
- Bedrijfstemperatuur — HSS komt vooral goed van pas wanneer er bij het verspanen veel warmte vrijkomt.
Voor een mes voor algemeen gebruik kan een speciaal voor dit doel ontwikkeld lemmetstaal een betere balans bieden tussen taaiheid, corrosiebestendigheid, slijpgedrag en snijvastheid. Voor industriële messen en snijgereedschap voor hoge temperaturen, HSS kan echter een zeer effectief materiaal zijn wanneer de juiste kwaliteit wordt gekozen en het materiaal wordt gewarmbehandeld in overeenstemming met de daadwerkelijke snijomstandigheden.
Hoe kies je de juiste HSS-kwaliteit?
De keuze van de juiste HSS-kwaliteit hangt af van de materiaal van het werkstuk, snijsnelheid, bedrijfstemperatuur, slijtageomstandigheden, vereiste standtijd en productieproces. Er is niet één HSS-kwaliteit die voor elke snijtoepassing de beste prestaties levert.
Houd rekening met het materiaal van het werkstuk
Het te bewerken materiaal moet voorop staan. Universele HSS-staalsoorten zoals M2 zijn geschikt voor een breed scala aan gangbare staalsoorten en constructiematerialen, terwijl kobaltsoorten zoals M35 en M42 beter geschikt zijn voor moeilijk te bewerken materialen en toepassingen waarbij veel snijwarmte vrijkomt.
Houd rekening met de kledingvoorschriften
Wanneer slijtage door schuring de belangrijkste oorzaak van defecten is, kunnen legeringen met een hoog vanadiumgehalte, zoals M3, voordelen bieden, omdat hun hoge concentratie aan vanadiumcarbiden zorgt voor een uitstekende slijtvastheid en een uitstekend behoud van de snijkant.
Houd rekening met de snijtemperatuur
Voor snijbewerkingen met hoge snelheden of waarbij veel warmte vrijkomt, wordt doorgaans de voorkeur gegeven aan staalsoorten met betere warmtehardheidseigenschappen. Kobalt-HSS, zoals M35 en M42, wordt vaak gekozen wanneer het behoud van de hardheid bij hoge temperaturen een belangrijke eis is.
Houd rekening met de taaiheid en onderbrekingen tijdens het snijden
Toepassingen waarbij trillingen, onderbroken sneden of stootbelastingen een rol spelen, vereisen een goed evenwicht tussen hardheid en taaiheid. Een uitgebalanceerde staalsoort zoals M2 kan geschikter zijn dan simpelweg de HSS-staalsoort met de hoogste hardheid te kiezen die beschikbaar is.
Houd rekening met de geometrie van het gereedschap en het productieproces
De HSS-kwaliteit moet ook geschikt zijn voor het beoogde productieproces. Kwaliteiten met een hoog vanadiumgehalte bieden weliswaar een uitstekende slijtvastheid, maar zijn moeilijker te slijpen, terwijl hooggelegeerde kwaliteiten mogelijk een nauwkeurigere controle vereisen tijdens de warmtebehandeling en de nabewerking.
Pas de kwaliteit aan de toepassing aan
| Vereiste | Te overwegen HSS-kwaliteit |
|---|---|
| Snijden voor algemene doeleinden | M2 |
| Hoge slijtvastheid | M3 / M4 |
| Snijden bij hoge temperaturen | M35 / M42 |
| Zeer hoge hardheid | M42 / M2Al |
| Traditionele toepassingen van wolfraam-HSS | W18Cr4V / T1 |
| Hoge hardheid en slijtvastheid | 9W18Cr4V |
Bij precisiebewerkingen moet de materiaalkeuze uiteindelijk worden gebaseerd op de volledige bedrijfsomstandigheden en niet alleen op de HRC-waarde. De hardheid van het werkstuk, de snijparameters, de geometrie van het gereedschap, de koelomstandigheden, de verwachte levensduur van het gereedschap en het productievolume kunnen allemaal van invloed zijn op de uiteindelijke keuze van de materiaalkwaliteit.
Maatwerk in de bewerking en productie van HSS-staal
Dakings Rapid biedt op maat gemaakte oplossingen voor de bewerking en productie van HSS-staal voor precisiesnijgereedschappen, gereedschapsonderdelen, slijtvaste onderdelen en andere toepassingen waarbij een hoge hardheid en maatnauwkeurigheid vereist zijn.
Ons productieproces kan worden aangepast aan de materiaaleigenschappen en de eisen die aan de onderdelen worden gesteld, van het bewerken van gegloeid HSS tot het nabewerken van geharde onderdelen door middel van precisieslijpen of vonkverspaning.
Op maat gemaakte HSS-onderdelen
Wij kunnen ondersteuning bieden bij de productie van op maat gemaakte HSS-onderdelen, zoals:
- Boorbits en spiraalboren
- Kranen en ruimers
- Eindfrezen en frezen
- Draaigereedschap en boorstangen
- Boorstangen en tandwielbewerkingsgereedschappen
- Cirkelzaagbladen en ijzerzaagbladen
- Industriële snijmessen
- Slijtvaste gereedschapsonderdelen
- Op maat gemaakte mechanische HSS-onderdelen
HSS-bewerkingsmogelijkheden
CNC-bewerking: Voorbewerking en halffinishbewerking van HSS-onderdelen, met name in gegloeide toestand.
Precisieslijpen: Definitieve maatafwerking van geharde HSS-onderdelen en precisiesnijranden.
EDM-bewerking: complexe profielen, smalle sleuven, inwendige structuren en geharde HSS-geometrieën die met conventionele methoden moeilijk te bewerken zijn.
Ondersteuning bij warmtebehandeling: Afhankelijk van de gekozen HSS-kwaliteit en de vereiste hardheid kunnen gecontroleerde hardings- en ontlaatprocessen worden toegepast.
Oppervlakteafwerking: Afhankelijk van de eisen die aan de afmetingen, de functie en het oppervlak van het onderdeel worden gesteld, kunnen aanvullende afwerkingsprocessen worden overwogen.
Van prototype tot massaproductie
Of je nu een op maat gemaakte HSS-prototypes, gereedschappen voor kleine series, serieproductie of massaproductie, Het productieproces kan worden aangepast aan de gewenste hoeveelheid, geometrie, tolerantie en leveringsschema.
Bij geharde HSS-onderdelen is procesplanning van bijzonder groot belang, omdat warmtebehandeling invloed kan hebben op de afmetingen en restspanningen. Daarom moet vanaf het begin rekening worden gehouden met bewerkingsspeling, vereisten voor de warmtebehandeling en de afsluitende slijp- of vonkbewerkingen.
Heeft u op maat gemaakte HSS-onderdelen nodig? Stuur uw tekeningen, de HSS-kwaliteit, de afmetingen, de hoeveelheid en de vereiste hardheid door naar ons engineeringteam voor een productiebeoordeling en een offerte.
