فولاد نظریان

فولاد های ابزار تندبر (High-Speed-Tool-Steels)

فولاد های ابزار تندبر، دارای توانایی ماشین کاری مواد با سرعت برش بالا هستند و به همین سبب این گونه نامگذاری شده اند. این فولاد ابزار، آلیاژی از آهن بر پایه عناصر کربن،کروم، وانادیوم، مولبیدن یا تنکستن یا ترکیباتی از آنها و در برخی موارد مقدار قابل توجهی کبالت میباشد. این محتوی کربن و آلیاژ در سطحی از تعادل قرار میگیرند تا مقاومت بالا در برابر سایش، اثر نرم کنندگی گرما و همچنین استفاده مؤثر در عملیات برش صنعتی فراهم گردد.

فولاد ابزار های تندبر T و M

بر اساس دسته بندی AISI(موسسه آهن و فولاد آمریکا)، در حال حاضر بیش از 40 زیردسته از گروه فولادهای ابزار تندبر وجود دارد.

AISI سال ها پیش سیستم طبقه بندی خاص خود را برای فولاد ابزار تندبر ایجاد کرد. این سیستم، فولاد های ابزار تندبری که تنگستن به عنوان عنصر اصلی آلیاژی آنست را با حرف T و آنهایی را که مولبیدن عنصر اصلی آلیاژی میباشد، با حرف M نشان میدهد. در کنار این حروف، اعدادی نیز قرار میگیرند( مانند M1 ، M2 ، M41 ، T1 ، T15) که در تشخیص دادن فولاد های ابزار تندبر از یکدیگر اهمیتی ندارد. به عنوان مثال M1 نسبت به M2، آلیاژ، سختی، مقاومت به سایش و ... بیشتری ندارد.

سری T ، شامل 12 تا 20 درصد تنگستن و مقادیر مختلفی کروم، وانادیوم و کبالت به عنوان سایر عناصر آلیاژی مهم است و سری M شامل تقریبا 3.5 تا 10 درصد مولبیدن به همراه مقادیری از کروم، وانادیوم، تنگستن و کبالت به عنوان عناصر آلیاژی دیگر میباشد. همه انواع فولاد های ابزار تندبر ، چه مولیبدنی و چه تنگستنی، حاوی حدود 4٪ کروم هستند و تنها محتوای کربن و وانادیوم متفاوت است. به عنوان یک قاعده کلی ، وقتی محتوای وانادیوم افزایش می یابد ، معمولا میزان کربن نیز افزایش می یابد.

نوع T1 حاوی مولیبدن یا کبالت نیست. انواع فولاد ابزار تندبر تنگستنی بر پایه کبالت، از T4 تا T15 متغیر است و شامل 5 تا 12 درصد کبالت میباشد. انواع M1 تا M10 (به جز M6) حاوی کبالت نیستند ، اما بیشتر حاوی مقداری تنگستن اند. سوپر فولاد های ابزار تندبر معمولاً از M40 به بالا متغیر هستند و قابلیت عملیات حرارتی تا سختی بیشتر را دارند.

در مقایسه با فولاد های ابزار نوع T ، فولاد های ابزار نوع M، معمولا از مقاومت در برابر سایش بالاتری برخوردارند و در عملیات حرارتی بیشتر مستعد خمیدگی هستند، علاوه بر آن؛ ارزانتر نیز میباشند. ابزارهای ساخته شده از فولاد های ابزار تندبر، همچنین می توانند برای بهبود کارایی و افزایش عمر ابزار، با رسوب بخار فیزیکی نیترید تیتانیوم، کاربید تیتانیوم و بسیاری از پوشش های دیگر پوشانده شوند.

عناصر مختلفی به فولادهای نوع M و T اضافه می شوند تا خاصیت خاصی را بدست آورند. این عناصر و تأثیرات آنها در ادامه مطلب مورد بحث قرار گرفته است.

کربن

کربن مهمترین عنصر است که مقادیر آن از نزدیک کنترل می شود. محتوای کربن هر یک از فولاد های ابزار تندبر معمولاً در محدوده کوچکی ثابت می شود، اما تغییرات در این محدوده می تواند موجب ایجاد تغییرات مهمی در خصوصیات مکانیکی و قابلیت برش آنها میگردد. افزایش غلظت کربن، افزایش سختی کار، سختی حرارتی و تعداد کاربیدهای سخت، پایدار و پیچیده را به دنبال دارد، که سختی حرارتی در مقاومت در برابر سایش و سایر خصوصیات فولادهای ابزار تندبر تأثیرگذار است.

سیلیکون

سیلیکون با مقادیری تا حدود 1.00٪ ، تأثیر اندکی بر روی فولاد های ابزار تندبر دارد. افزایش مقدار سیلیکون از 0.15 به 0.45 باعث افزایش جزئی در حداکثر قابلیت تحمل سختی می شود و در مورفولوژی کاربید تاثیرگذار است، اگرچه به نظر می رسد به طور همزمان، کاهشی جزئی در چقرمگی وجود داشته باشد. برخی از تولید کنندگان مقدار اندکی ازین نوع فولاد ابزار را با سیلیکون بالای 0.65٪ تولید می کنند. اما این سطح از سیلیکون، برای جلوگیری از گرمای بیش از حد، نیاز به دمای حداکثر کمتری نسبت به سطح سیلیکون پایین دارد.

منگنز

به طور کلی، غلظت منگنز به دلیل تأثیر آن در افزایش شکنندگی و خطر ترک خوردن در هنگام کوئنچ در فولادهای ابزار تندبر زیاد نمیباشد.

کروم

کروم همیشه در فولادهای ابزار تندبردر مقادیر مختلف از 3 تا 5 درصد موجود است و علت اصلی سختی پذیری فولاد ابزار است. به طور کلی ، این افزوده 4٪ است ، زیرا به نظر می رسد که این غلظت بهترین سازش را بین سختی و چقرمگی ایجاد می کند. علاوه بر این، کروم باعث کاهش اکسیداسیون در طی عملیات حرارتی می شود.

تنگستن

در فولادهای ابزار تندبر ، تنگستن از اهمیت بالایی برخوردار است. تنگستن در تمام فولاد های ابزار نوع T و به جز دو نوع از فولاد های ابزار نوع M یافت می شود. کاربید ترکیبی از آهن، تنگستن و کربن که در فولادهای ابزار تندبر یافت می شود بسیار سخت است و به میزان قابل توجهی در مقاومت در برابر سایش کمک می کند و سختی حرارتی را بهبود می بخشد. هنگامی که غلظت تنگستن در فولادهای ابزار تندبرکاهش می یابد، معمولاً مولیبدن اضافه می شود تا این کمبود جبران شود.

مولبیدن

مولیبدن همانند تنگستن، کاربید مضاعفی با آهن و کربن را تشکیل میدهد اما نیمی از جرم اتمی تنگستن را دارد. نقطه ذوب فولاد های ابزار نوع M تا حدودی پایین تر از فولاد های ابزار نوع T است و به این ترتیب آنها نیاز به درجه حرارت سختی پایین تر و محدوده سختی کوچک تری دارند.

فولاد های ابزار نوع M سخت تر از نوع T هستند، اما سختی گرمایی آنها کمی پایین تر است. جبران این سختی گرمایی، تا حدی با افزودن تنگستن (و به میزان کم وانادیوم) به مولیبدن انجام می شود. این یکی از دلایل مهم محبوبیت مولیبدن و تنگستن ترکیب شده ( مانند M2 ، M3 و M4) است. این عناصر سختی گرمایی خوبی را موجب میشوند که در فولاد های ابزار تندبر بسیار کارآمد است.

وانادیوم

وانادیوم ابتدا برای حذف ناخالصی های سرباره و کاهش سطح نیتروژن در عملیات ذوب ، به فولاد های ابزار تندبر به عنوان محافظ اضافه میشد. اما خیلی زود مشخص شد که این عنصر به لحاظ ماده، باعث افزایش کارایی برش ابزارها می شود. افزودن وانادیوم باعث تشکیل کاربیدهای بسیار سخت و پایدار می شود، که به طور قابل توجهی مقاومت در برابر سایش و تا حد کمتری، سختی گرمایی را افزایش می دهد و وقتی به طور صحیح با اضافات کربن به تعادل برسد، افزایش آن تاثیر نسبتا کمی در چقرمگی دارد.

چندین فولاد مخصوص تولید شده با افزودن بالای وانادیوم ، برای کار های بسیار سخت و نیازمند به چقرمگی بالا، ساخته شده است. T15 ، M4 و M15 با محتوای وانادیوم به ترتیب 4.88 ، 4.13 و 5.00 درصد از جمله آنها میباشند.

کبالت

تأثیر اصلی کبالت در فولاد های ابزار تندبر، افزایش سختی گرمایی و در نتیجه افزایش کارایی برشی هنگام دستیابی به دمای زیاد ابزار، در طول عملیات برش است.

کبالت باعث افزایش دمای عملیات حرارتی می شود زیرا نقطه ذوب را بالا می برد. درجه حرارت سخت شدن برای فولادهای ابزار تندبر با کبالت می تواند 14 تا 28 درجه سانتیگراد بالاتر از حد معمول برای نمونه مشابه بدون کبالت باشد.

افزودن کبالت کمی شکننده بودن فولادهای ابزار تندبر را افزایش می دهد. فولاد های کبالت دار به طور ویژه ای بر روی ناهمواری و خمیدگی برش ها موثر هستند، اما معمولاً برای برش های پرداخت شده که مستلزم گرمای زیاد نیست ، مناسب نمیباشند. این فولادها معمولاً برای عملیاتی که شامل برش های عمیق و با سرعت زیاد، مواد سخت و ناهموار یا مواد دارای تراشه های ناپیوسته مانند آهن و فلزات غیر آهنی هستند ، بسیار خوب عمل می کنند.

گوگرد

گوگرد ، در غلظت های طبیعی 0.03٪ یا کمتر ، هیچ تاثیری در خاصیت فولادهای ابزار پر سرعت ندارد. با این حال، گوگرد، همانطور که در فولاد های کم آلیاژ نیز وجود دارد، به برخی از فولادهای ابزار تندبر اضافه می شود تا در کیفیت فولاد های ماشینکاری آزاد نیز کمک کند. یکی از عمده کاربردهای فولاد های ابزار تندبر با ماشینکاری آزاد، در ابزارهایی با قطر بزرگتر مانند هاب ها ، ابزار خانکشی و غیره است.

نیتروژن

نیتروژن معمولاً در هوای فولاد های ابزار تندبر مذاب در مقادیر مختلف از 0.02 تا 0.03٪ متغیر است. به صورت هدفمندی، مقدار نیتروژن برخی از فولاد های ابزار تندبر، در حدود 0.04 به 0.05٪ افزایش داده میشود. این مقدار اضافی، هنگامی که با مقادیر بالاتر از حد معمول سیلیکون ترکیب شود ، منجر به افزایش جزئی حداکثر قابلیت تحمل سختی و تغییراتی در مورفولوژی کاربید می گردد.