فولاد تندبر یکی از انواع فولاد ابزار هاست که همانطور که از نام آن‌ها بر می‌آید، از این فولادها در درجه اول برای ابزارهای برشی و ماشین کاری استفاده می‌گردد. در ادامه توجه شما را به بررسی دقیق تر این دسته از فولادهای ابزار جلب می‌نماییم.

فولاد خشکه چیست؟

فولاد تندبر (High Speed Steel) که با نام فولاد خشکه هوایی نیز شناخته می‌شود، یکی از پر آلیاژترین فولادهای ابزار محسوب می‌گردد. از این فولاد عمدتا در کاربردهای برشی و  همچنین ماشین کاری سایر فلزات و فولادها که دمای فعالیت بالا بوده و سایش بسیار شدیدی در حین کار بوجود می‌آید، استفاده می‌گردد.

 با توجه به شرایط کاری و کاربرد این دسته از فولادها، فولادهای ابزار تندبر اگر که مقاومت و سختی کافی نداشته باشند به سرعت کند خواهند شد. بنابراین در این دسته از فولادها ترکیبی از خواص مطلوب فولادهای گرمکار و فولادهای سردکار مورد نیاز است. به این صورت که این فولاد‌ها باید همانند فولاد سردکار مقاومت به سایش بسیار بالا داشته باشند و مانند فولاد گرمکار شامل ساختاری با فازهای کاربیدی سخت باشند.

بسیاری از خواص مطلوب این فولادها مدیون عناصر آلیاژی و ترکیب شیمایی این دسته از فولادهای ابزار است. در این فولادها اغلب مقادیر زیادی تنگستن یا مولیبدن همراه با کروم، وانادیم و برخی مواقع کبالت اضافه می‌شود. مقدار کربن آن‌ها بین 0.7 تا 1 % است و گاهی به 1.5 % هم می‌رسد.

 همچنین این فولادها به علت سختی سرخ بالای خود، توانایی بالایی در حفظ سختی حتی در دماهای بالا را دارند: برای مثال این فولادها می‌توانند سختی بالاتر از 52 HRC در دمای 540 درجه سانتیگراد و سختی 48 HRC  در دمای حدود 1100 سانتی‌گراد داشته باشند. بنابراین همانطور که به آن اشاره شد از آنجایی که در حین ماشین کاری و پرداخت فلزات و دیگر فولادها گرمای بالایی ایجاد می‌گردد، استفاده از فولادهای ابزار تندبر در ابزارهای برشی و ماشین کاری مرسوم است. قابل ذکر است این فولادها‌ مقاومت به ضربه بسیار بالایی نیز از خود نشان می‌دهند.

انواع فولاد تندبر

فولادهای تندبر در در استاندارد AISI  به بیشتر از 40 زیر دسته تقسیم می‌شوند که عمده این فولادها براساس ترکیب شیمیایی در دو دسته بندی اصلی سری M  و سری T جای می‌گیرند.  در فولادهای گروه M  عنصر آلیاژی اصلی مولیبدن و در فولادهای دسته T  عنصر آلیاژی اصلی تنگستن است.

بسته به درصد هرکدام از عناصر آلیاژی تنگستن و مولیبدن در ترکیب شیمیایی فولادهای HSS، خواص و کارایی این فولادها متفاوت خواهد بود. برای مثال گروه M عموما مقاومت به سایش بالاتری نسبت به سری T دارند و اعوجاج ناشی از عملیات حرارتی کمتری نیز دارند. بر همین اساس در ترکیب شیمیایی این فولادها ممکن است درصد مختلفی از عناصر آلیاژی وجود داشته باشد.

عناصر آلیاژی در فولاد تندبر

فولادهای خشکه  دسته T در حدود 12 تا 20 درصد تنگستن بهمراه کروم، وانادیم و کبالت در ترکیب شیمیایی خود دارند که در سری T تنگستن به عنوان عنصر آلیاژی اصلی می‌باشد. همچنین فولاد خشکه هوایی سری M در حدود 3.5 تا 10 درصد مولیبدن در نرکیب خود دارند. همنین این دسته شامل عناصر کروم، وانادیم، تنگستن و کبالت نیز هستند. همانطور که به آن اشاره شد هردو دسته این فولادها، شامل حدود 4 درصد کروم و مقادیر متفاوت وانادیم و کربن هستند.

 قابل ذکر است گروه T1 حاوی کبالت و مولیبدن نیستند؛ اما گروه‌های T4 تا T15 حاوی مقادیر مختلف کبالت در ترکیب شیمیایی خود هستند. انواع گریدهای مولیبدن دار M1 تا M10 بجز M6، شامل کبالت در ترکیب خود نیستند؛ اما حاوی تنگستن در ترکیب شیمیایی خود می‌باشند.

ترکیب شیمیایی فولاد تندبر

هرکدام از عناصر شیمیایی که در ترکیب شیمیایی فولادهای تندبر حضور دارند تاثیر متفاوتی بر روی این فولادها خواهند گذاشت. این عناصر عبارت‌اند از:

  • کربن: مهمترین عنصری که به شدت بایستی در این فولادها مورد کنترل قرار بگیرد کربن است. زیرا تغییرات اندک آن بر خواص مکانیکی فولاد موثر خواهد بود. با افزایش کربن سختی کار و تشکیل کاربیدهای سخت افزایش پیدا می‌کند. که کربن کمک زیادی به مقاومت به سایش فولادهای تندبر خواهد نمود.
  • سیلیسیم: سیلیسیم باعث افزایش سختی پذیری در این فولادها خواهد شد.
  • منگنز: عموما میزان منگنز در ترکیب شیمیایی فولادهای تندبر چندان بالا نیست و این عنصر در جهت جلوگیری از ایجاد ترک گرم و تشکیل سولفید آهن، به ترکیب فولاد اضافه می‌گردد.

  • کرم: میزان عنصرکرم عموما در فولاد خشکه در حدود 3 تا 5 درصد است که جهت افزایش خاصیت سختی پذیری به فولاد اضافه می‌گردد. همچنین کرم میزان اکسیداسیون در طول عملیات حرارتی را نیز کاهش خواهد داد.

  • تنگستن: عنصر حیاتی در این دسته از فولادهاست که در ترکیب شیمیایی تمام فولادهای تندبر نوع T موجود بوده و فقط در دو نوع گروه M وجود دارند. کاربیدهای تنگستن-آهن و کربن باعث افزایش سختی و مقاومت به سایش در فولاد خواهند شد .

  • مولیبدن: این عنصر موجب تشکیل کاربیدهای کمپلکس با آهن و کربن می‌شود. قابل ذگر است مولیبدن می‌تواند جایگزین مناسب عنصر تنگستن باشد.  فولادهای تندبر گروه M سخت‌تر از فولادهای تندبر گروه T هستند اما سختی داغ آن کمی پایین‌تر است.

  • وانادیم: این عنصر جهت حذف ناخالصی سرباره و کاهش سطح نیتروژن در مذاب به ترکیب شیمیایی فولاد اضافه می‌گردد. افزودن وانادیم باعث تشکیل کاربید سخت پایدار خواهد شد. این عنصر مقاومت به سایش را به صورت چشمگیر افزایش داده و موجب افزایش سختی گرم خواهد شد.

  • کبالت: از اثرات اصلی این عنصر، افزایش سختی گرم یا همان سختی سرخ است که می‌تواند قابلیت حفظ سختی در دماهای بالا رادر فولاد ابزارهای تندبر ایجاد نماید. فولادهای تندبری که در ترکیب شیمیایی خود کبالت دارند، جهت استفاده در ابزارهای برش عمیق و سریع بکار می‌روند.

جهت مطالعه بیشتر در رابطه با تاثیر عناصر آلیاژی بر روی فولاد بر روی لینک زیر کلیک نمایید.

 عناصر آلیاژی در فولاد

ویژگی های فولادتندبر

از ویژگی‌های فولاد تندبر می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • همه‌ی فولادهای تندبر عناصر آلیاژی بالایی در ترکیب شیمیایی خود دارند. بر همین اساس این فولادهای ابزار در رده فولادهای پر آلیاژ قرار می‌گیرند.
  • کربن کافی جهت رسیدن به سختی در حدود 64 راکول سی
  • سختی یکنواخت به هنگام سخت کاری

تمامی فولادهای HSS در دماهای بالا سخت می‌شوند و سرعت تبدیل این دسته از فولادهای ابزار به گونه‌ای است که بخش های کوچکی را می‌توان در هوای آزاد خنک کرد و سختی نزدیک به حداکثر را داشت.

همچنین تمامی این فولادها دارای ذرات کاربید هستند که خاصیت مقاومت به سایش را در این فولادها افزایش می‌دهند. مهمترین ویژگی این فولادها که می‌توان به آن اشاره نمود، توانایی برش آن‌هاست که این خاصیت بستگی به چهار فاکتور زیر دارد.

سختی فولاد HSS

سختی متداول ترین نیاز در این دسته از فولادهاست که تمام  فولادهای ابزار تندبر را می‌توان با سختی بالاتر از 64 راکول سی سختکاری نمود. قابل ذکر است که سری M40 و برخی از سری‌های M30 و T15 می توانند به سختی در حدود 67 راکول سی نیز برسند.

همچنین سختی گرم نیز از مهمترین خصوصیات این فولادها در هنگام برش و حفظ سختی در دمای بالا است. معمولا فولادهای پایه کبالت سختی گرم بالاتری نسبت به فولادهای پایه مولیبدن از خود نشان می‌دهند.

مقاومت به سایش در فولاد تندبر

سومین خصوصیت مهم این دسته از فولادها، مقاومت به سایش است. این ویژگی با تشکیل کاربیدهای کمپلکس M2C و MC با ایجاد سختی ثانویه ایجاد خواهد شد. جهت افزایش مقاومت به سایش میزان کربن مانند وانادیوم جهت تشکیل کاربیدهای سخت بایستی افرایش پیدا کند که فولادهای T15،M3،M4 و M15 از جمله فولادهای HSS با مقاومت به سایش بسیار بالا هستند.

چقرمگی فولادهای تندبر

پس از سختی، سختی سرخ و مقاومت به سایش، چهارمین فاکتور مهم در ابزار های برشی چقرمگی می‌باشد که ترکیبی از دو خاصیت داکتیلیته و استحکام تسلیم است.

عملیات حرارتی فولادهای تندبر

به صورت کلی هدف از انجام عملیات حرارتی تبدیل یک فولاد فریتی آنیل شده به فولادی مارتنزیت تمپر شده و در نهایت بهبود خواص و ویژگی‌های فولاد است. پروسه عملیات حرارتی فولادهای تندبر را می‌توان به چهار مرحله اصلی تقسیم نمود: پیش گرمایش، آستنیته کردن، کوئنچ و تمپر.

  • پیش گرمایش: فرایند پیش گرمایش در فرآیند سختکاری از اهمیت ویژه ای برخوردار است. اول اینکه جهت جلوگیری از ایجاد شوک حرارتی که همواره در نتیجه گرم شدن قطعه سرد در کوره انجام می‌پذیرد. به این صورت که با به حداقل رساندن شوک حرارتی خطر اعوجاج یا ترک بیش از حد را کاهش خواهد داد. همچنین انجام پیش گرمایش برخی از تنش‌های ایجاد شده در حین ماشین‌کاری و یا شکل‌دهی را کاهش می‌دهد. دومین مزیت عمده انجام پیش گرمایش افزایش بهره وری تجهیزات با کاهش زمان مورد نیاز در کوره با حرارت بالا است.  پیش گرمایش فولادهای تندبر در سه مرحله انجام می‌پذیرد. مرحله اول پیش گرمایش در محدوده 650 درجه سانتیگراد انجام می‌شود.  مرحله دوم در محدوده 850 درجه سانتیگراد انجام می‌پذیرد. محدوده سوم پیش گرمایش در محدوده 1050 درجه انجام خواهد پذیرفت.
  • آستنیته کردن: آستنیته کردن دومین مرحله از سیکل عملیات حرارتی این دسته از فولادهای ابزار است. این مرحله از عملیات حرارتی وابسته به زمان و دماست.

قابل ذکر است  بهبود خواص فولاد تندبر در طی عملیات حرارتی به حل شدن کاربیدهای آلیاژی پیچیده در طول آستنیته کردن بستگی دارد. این کاربیدهای آلیاژی تا حد قابل ملاحظه ای حل می‌شوند و برای حل شدن کاربیدهای باقی مانده نیاز است قطعات بالاتر از بازه دمایی آستنیته تا نزدیک دمای نقطه ذوب خود گرم شوند.

دمای آستنیته کردن به خصوصیات فولاد تندبر قابل استفاده بستگی دارد که معمولا در  رنج دمای 1150-1290 درجه سانتیگراد است. عموما زمان پیشنهادی برای نگه داری در دمای ذکر شده بین 2 تا 6 دقیقه است که بستگی به گرید، شکل و مقطع فولاد تندبر دارد. کاهش دمای سخت کاری عموما چقرمگی ضربه را بهبود خواهد بخشید درحالیکه سختی گرم یا همان سختی سرخ را کاهش می‌دهد. افزایش دمای سخت کاری باعث افزایش سختی، در دمای اتاق و همچنین افزایش سختی گرم خواهد شد.

  • کوئنچ کردن: عبارت است از عملیات خنک کاری قطعه جهت تبدیل ساختار از ناحیه آستنیت به ساختار مارتنزیت. نرخ سرد شدن فولاد از ناحیه آستنیته با توجه به خصوصیات فولاد متفاوت است. اغلب فولادهای تندبر در دو مرحله کوئنچ می‌شوند. مرحله اول در حمام نمک تا دمای 540-595 درجه سانتیگراد یا خنک کردن در روغن و به دنبال آن سرد کردن در هوا تا نزدیک دمای اتاق. کم شدت ترین نرخ سرد کردن این فولادها در هواست که فقط برای مقاطع نازک و کوچک فولادهای تندبر استفاده می‌گردد.
  • تمپر کردن: به دنبال آستنیته کردن و سرد کردن فولاد، تنش های زیادی در قطعات فولادD ایجاد خواهد شد که می‌تواند منجر به ایجاد ترک در این قطعات گردد. عملیات تمپر منجر به افزایش چقرمگی فولاد و ایجاد سختی ثانویه خواهد شد که  این عملیات عبارت است از حرارت دهی مجدد فولاد تا زیر دمای بحرانی و خنک کردن و سرد کردن در هوا. همچنین این عملیات به منظور تنش زدایی و تبدیل آستینیت باقی مانده به مارتنزیت انجام می‌گردد. در عملیات حرارتی تمپر مقداری کاربیدهای کمپلکس رخ می‌دهد که منجر به افزایش سختی ثانویه خواهد شد. تمپر فولادهای تند‌بر 2 تا 4 بار و در بازه‌های 2 تا 4 ساعت انجام می‌پذیرد. مشابه آستنیته کردن و کوئنچ کردن، عملیات تمپر با توجه به خصوصیات فولاد در چند مرحله انجام خواهد پذیرفت.

 

نکته کلیدی در عملیات حرارتی فولاد تندبر

در عملیات حرارتی فولاد تندبر یا همان خشکه هوایی باید در نظر داشت که به علت بالا بودن درصد عناصر الیاژی و کربن، عملیات حرارتی این فولادها به منظور انحلال کامل کاربیدها نیاز به زمان کافی و دمای مناسب (بین 1200 تا 1300 در جه سانتی گراد ) دارند. در سختکاری فولادهای تندبر مهم مترین عامل دما و جلوگیری از اکسیداسیون است

روش عملیات حرارتی فولادهای تندبر

به روش‌های متنوعی می‌توان بر روی فولادهای تندبر عملیات حرارتی انجام داد. اما از میان روش‌های مختلف عملیات حرارتی،  عملیات حرارتی تحت خلا بهترین خواص را برای این فولادها به ارمغان می‌اورد. به این علت که در کوره های خلا می‌توانیم به دمای مناسب در جهت عملیات حرارتی این فولادها دست پیدا کرد. (در  روش حمام نمک نیز با استفاده از نمک‌های مخصوص امکان دستیابی به دما و شرایط مورد نیاز در جهت سختکاری این نوع فولادها وجود دارد)

انواع عملیات‌های حرارتی، از جمله عملیات حرارتی تحت خلا فولاد های تندبر یا HSS، در واحد عملیات حرارتی گروه صنعتی مبتکران انجام می‌پذیرد. جهت مشاهده انواع عملیات حرارتی تحت خلا کلیک نمایید.