Työkaluteräkset

Työkaluteräksillä tarkoitetaan tiettyjä hiili- ja seosteräksiä, jotka sopivat erityisen hyvin työkalumateriaaleiksi. Kyseisten terästen soveltuvuus työkaluiksi johtuu niiden tunnusomaisesta kovuudesta, puristuslujuudesta sekä kulumisenkestosta, joka saadaan aikaan lämpökäsittelyllä yleensä monessa vaiheessa ja korkeassa lämpötilassa.

Työkaluteräkset valmistetaan tarkoin valvotuissa olosuhteissa vaaditun laadun varmistamiseksi. Tärkeimmät työkaluterästen ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät ovat teräksen koostumus sekä käytetty lämpökäsittely. Työkaluterästen hiilipitoisuus on välillä 0,7–1,4 % ja mangaanipitoisuus pidetään yleensä alhaisena vesisammutuksen aikaisen säröilyn ja rikkoontumisen estämiseksi.

Työkaluterästä valmistetaan useaa eri laatua eri käyttötarkoituksiin. Laadun valinta riippuu muun muassa käyttölämpötilasta, käyttöolosuhteista sekä vaaditusta iskunkestävyydestä. Työkaluteräksestä valmistetaan muun muassa leikkureita, muovaus- ja muokkaustyökaluja, lastuavan työstön työkaluja sekä muotteja muovituotteiden valmistukseen.

AISI-SAE teräslaadut
AISI-SAE on yleisin työkaluteräslaatujen luokitteluun käytetty standardi. Luokituskirjaimen jälkeen tulevilla numeroilla ilmaistaan teräksessä käytetyt seosmetallit; esim. A2, O1 jne.

Veteen karkenevat teräkset (W)
Alhaisen karkenevuuden takia W-luokan työkaluteräkset on sammutettava nopeasti vedessä, mikä lisää mahdollisuutta karkaisunaikaiseen säröilyyn ja vääristymiseen. W-luokan teräkset ovat pohjimmiltaan korkean hiilipitoisuuden (0,30–1,70 %) teräksiä, joilla voidaan saada aikaan korkea kovuus (yli HRC 60) ja jotka ovat melko hauraita muihin työkaluteräksiin verrattuna. Kyseiset teräkset soveltuvat hyvin pieniin, alhaisen lämpötilan käyttökohteisiin. Yli 150 °C käyttölämpötiloissa alkaa W-teräs pehmetä huomattavasti. W-luokan teräkset ovat yleisimmin käytettyjä työkaluteräksiä niiden alhaisen hinnan takia. 

W-luokan työkaluterästen sitkeyttä voidaan parantaa lisäämällä mangaania, piitä tai molybdeeniä. Alle 0,20 % vanadiinilisäyksellä voidaan säilyttää teräksen raekoko hienona.

Tyypillisimmät käyttökohteet teräksen hiilipitoisuuden mukaan:

0,60–0,75 % hiiltä: Koneiden osat, taltat; keskinkertainen kovuus, hyvä sitkeys ja iskunkestävyys.
0,76–0,90 % hiiltä: valumuotit, vasarat ja lekat
0,91–1,10 % hiiltä: poranterät, leikkuuterät, leikkurit; yleistyökalut ja käyttökohteet, jotka vaativat sekä hyvää kulutuksenkestoa että sitkeyttä.
1,11–1,30 % hiiltä: pienet poranterät, sorvitaltat, partaterät sekä muut kevyet käyttötarkoitukset, joissa vaaditaan äärimmäistä kovuutta ilman suurta sitkeyttä.

Kylmätyöteräkset
Kylmätyöteräkset pehmevät korotetuissa lämpötiloissa alhaisen seosainekoostumuksensa takia. Siksi niiden käyttö on rajoitettu kohteisiin, joissa teräs ei altistu toistuvasti tai pitkiksi ajoiksi korkeille lämpötiloille (205–260 °C). Kylmätyöteräkset on jaettu kolmeen kategoriaan: öljyyn karkeneviin (luokka O), ilmaan karkeneviin (luokka A) sekä korkea hiili- ja kromipitoisiin teräksiin (luokka D).

Öljyyn karkenevat teräkset (O)
O-luokan työkaluteräkset sisältävät tarpeeksi hiiltä sekä muita seosaineita öljyssä sammuttamiseen. Koska O-luokan teräkset voidaan sammuttaa suhteellisen hitaasti öljyssä, ilmenee niissä vähemmän karkaisunaikaista vääristymistä ja säröilyä kuin vedessä karkenevissa teräksissä. Vaikka O-luokan terästen yleiset ominaisuudet ja käyttökohteet ovatkin samanlaisia, eroavat ne toisistaan niin käytettävien seosmetallien laadussa kuin niiden määrässäkin.

O-luokan terästen tärkein käyttöön liittyvä ominaisuus on niiden korkeasta hiilipitoisuudesta johtuva hyvä kulumisenkesto normaaleissa lämpötiloissa. Toisaalta O-luokan teräkset pehmenevät helposti korotetuissa lämpötiloissa.

Ilmaan karkenevat teräkset (A)
A-luokan työkaluteräkset sisältävät tarpeeksi seosaineita ollakseen tarpeeksi karkenevia ilmassa sammuttamiseen. Koska A-luokan työkaluteräkset ovat ilmassa karkaistavia, ilmenee niissä vähiten karkaisunaikaista vääristymistä ja säröilyä. Pääasialliset seosaineet, joilla kyseinen karkenevuus saadaan aikaan, ovat mangaani, kromi ja molybdeeni. Kromin lisäyksellä (5 %) A-luokan työkaluteräksiin saadaan aikaan kohtalainen pehmenemisenkesto korotetuissa lämpötiloissa. Piin ja nikkelin lisäys parantaa teräksen sitkeyttä.

Tyypillisiä käyttökohteita A-luokan työkaluteräkselle ovat leikkuuveitset, erilaiset meistit sekä mittausvälineet. Lisäksi tyypin A7 työkaluteräs sopii korkeaa kulutusta kestäviin sovelluksiin, kuten tiili- ja keraamimuotteihin.

Korkea hiili- ja kromipitoiset teräkset (D)
Luokan D teräkset sisältävät 1,50–2,35 % hiiltä sekä 12 % kromia; lisäksi tyyppi D3 sisältää myös 1 % molybdeeniä. Kaikki D-luokan teräkset ovat D3:a lukuun ottamatta ilmaan karkenevia teräksiä. D3 sammutetaan melkein aina öljyyn ja on siksi alttiimpi karkaisunaikaisille vääristymille ja säröilylle. D-luokan teräkset kestävät loistavasti kulutusta, eivätkä ne helposti pehmene korotetuissa lämpötiloissa.

D-luokan terästen tyypillisiä käyttökohteita ovat erilaiset muovaus- ja muokkaustyökalut, valssit sekä leikkurit.

Iskunkestävät teräkset (S)
Tärkeimmät S-luokan teräksissä käytettävät seosmetallit ovat mangaani, pii, kromi, volframi sekä molybdeeni. 0,50 % hiilipitoisuus kaikissa S-luokan teräksissä saa aikaan korkean lujuuden ja sitkeyden sekä kohtalaiset kulumisenkesto-ominaisuudet.

Luokan S teräksiä käytetään suurimmaksi osaksi taltoissa, niiteissä sekä muissa käyttökohteissa, jotka vaativat korkeaa sitkeyttä ja iskunkestävyyttä. Erinomaisen sitkeyden ja lujuuden takia S-luokan teräksiä käytetään usein myös rakentamisessa.

Pikateräkset (T & M)

T- ja M-luokan teräksiä käytetään leikkuutyökaluissa, joissa lujuus ja kovuus on säilytettävä korkeissakin lämpötiloissa (jopa yli 760 °C). M-luokaan teräkset kehitettiin vähentämään tarvittavat volframin ja kromin määrää.

Kuumatyöteräkset (H)
H-luokan teräkset on kehitetty kestämään metallien leikkaamista, rei'ittämistä ja muokkaamista korkeissa lämpötiloissa ja paineissa. H-luokan teräksissä hiilipitoisuus on yleensä 0,35–0,45 % ja kromi-, volframi-, molybdeeni-, ja vanadiinipitoisuudet 6–25 %. Kuumatyöteräkset on jaettu kolmeen alaryhmään käytetyn pääseosmetallin mukaan: kromikuumatyöteräkset (H10–H19), volframikuumatyöteräkset (H21–H26) sekä molybdeenikuumatyöteräkset (H42–H43).

Lähteet

ASM Handbook, Volume 1, Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys 

Metalliteollisuus
Metalliseokset