فولاد ابزاری تندبر (High Speed Steel – HSS) به هر نوع فولاد آلیاژی گفته میشود که بتواند سریعتر از فولادهای پرکربن سنتی (که پیشتر در ابزارهای برشی استفاده میشدند) مواد را برش دهد. انجمن آزمایش و مواد آمریکا (ASTM) طبق استاندارد A600 فولاد تندبر را هر نوع فولاد پرکربن (حداقل ۰٫۶۵٪ وزنی کربن) تعریف میکند که شامل تنگستن و/یا مولیبدن، به همراه کروم، وانادیم و گاهی کبالت باشد.
تاریخچه فولاد ابزاری تندبر
فولاد ابزاری تندبر یا HSS (High Speed Steel) نوعی فولاد آلیاژی مخصوص است که به دلیل خواص مکانیکی و متالورژیکی منحصربهفرد، کاربرد گستردهای در ساخت ابزارهای برشی دارد. این فولادها قادرند حتی در سرعتهای برش بالا، سختی و مقاومت خود را حفظ کنند.
در اوایل قرن بیستم، فولادهای پرسرعت بهعنوان جایگزین فولادهای کربنی برای ابزار برش معرفی شدند. با افزودن عناصری مثل تنگستن، مولیبدن، وانادیم، کبالت و کروم به فولاد پایه، خاصیت “قرمز سختی” (مقاومت در برابر نرمشدن در دمای بالا) در آن ایجاد شد. این تحول باعث افزایش بهرهوری صنایع ماشینکاری شد.
خواص فولاد ابزاری تندبر
اگرچه اصطلاح “فولاد تندبر” شامل چندین آلیاژ مختلف میشود، اما همه آنها ویژگیهای مشترکی دارند، از جمله:
- سختی بسیار بالا (حداقل ۶۴ HRC در دمای محیط)
- مقاومت عالی در برابر سایش
- مقاومت در برابر نرمشدن در دماهای بالا
این ویژگیها عمدتاً به دلیل وجود عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی ویژه در ساخت آنهاست.
فولاد ۱٫۷۲۲۵
فولاد mo40 به نام فولاد کروم مولیبدن معروف بوده که به دلیل سختیپذیری مناسب در بین صنعتگران و مهندسان مورد استقبال است.
عملیات حرارتی فولاد ابزاری تندبر
برای دستیابی به سختی لازم در فولاد تندبر معمولاً از فرآیند آستنیتهکردن (Austenitizing) استفاده میشود. در این فرآیند، فولاد تا دمای بالاتر از دمای بحرانی گرم میشود و ساختار بلوری آن از فریت به آستنیت تغییر میکند. سپس فولاد در حمام نمک یا با هوا سرد میشود و در ادامه تمپر میگردد تا آستنیت باقیمانده به مارتنزیت تبدیل شود.
نقش عناصر آلیاژی
مولیبدن: افزایش چقرمگی
تنگستن: افزایش سختی گرم (حفظ سختی در دماهای بسیار بالا)
وانادیم: بهبود مقاومت سایشی و سختی گرم (اما نیازمند کربن بیشتر برای جبران کاهش چقرمگی)
کروم: بهبود قابلیت سختکاری و کاهش اکسیداسیون در عملیات حرارتی
کبالت: افزایش سختی گرم (ولی همراه با افزایش تردی)
منگنز و فسفر: در حداقل مقدار نگه داشته میشوند چون تردی فولاد را افزایش داده و خطر ترکخوردگی در کوئنچ را بیشتر میکنند.
مزایا و معایب فولاد ابزاری تندبر
مزایا
عملکرد عالی در برش با سرعت بالا
عمر طولانی ابزار
مقاومت به تغییر شکل حرارتی
قابلیت تیز شدن مجدد
معایب
هزینه بالاتر نسبت به فولادهای ابزاری ساده
مقاومت کمتر در برابر شکست ناگهانی نسبت به کاربیدها
محدودیت در ماشینکاری فلزات بسیار سخت (که نیاز به ابزار کاربیدی دارند)
کاربرد فولاد ابزاری تندبر
فولاد تندبر به دلیل ویژگیهای خاص، در موارد زیر بهطور گسترده استفاده میشود:
متهها، تیغههای اره و برقوها
تیغچهها و ابزار تراشکاری
تیغهای فرزکاری و قلاویزها
ابزارهای برش چوب و پلاستیک
قالبسازی و برشهای دقیق
تیغچهها و متهها
تیغههای فرز
تیغههای اره
قلاویزها
بروچها
پانچها و قالبها
قطعات پیشرونده در پرسکاری
اسکنهها
سوهانها
تیغهها و چاقوها
دستهبندی فولاد ابزاری تندبر
مؤسسه آهن و فولاد آمریکا (AISI) بیش از ۴۰ رده مختلف فولاد تندبر را شناسایی کرده است.
این ردهها به دو دسته کلی تقسیم میشوند:
فولادهای پایه تنگستن (T-series)
فولادهای پایه مولیبدن (M-series)
هر گرید با حرف T یا M و یک شماره مشخص میشود.
تقریباً همه فولادهای M به جز دو مورد، دارای مقداری تنگستن هستند.
و همه فولادهای T به جز یکی، حاوی مقداری مولیبدناند.
این عناصر با تشکیل کاربیدهای فلزی خواص مورد نظر را ایجاد میکنند.
طبق ASTM، ۷ نوع T و ۱۷ نوع M استانداردسازی شدهاند.
فولاد تندبر در مقایسه با آلیاژهای دیگر
آلیاژهای غیر HSS همان سختی و قابلیت برش در سرعت بالا را ندارند.
HSS به دلیل سختی بسیار بالا، میتواند ترد شود؛ به همین دلیل در کاربردهایی که انعطافپذیری لازم است توصیه نمیشود.
عملیات سطحی در فولادهای تندبر
ابزارهای ساختهشده از فولاد تندبر معمولاً دارای پوشش براق یا اکسید سیاه هستند (برای فلزات غیرآهنی و آهنی به ترتیب).
سایر پوششها و تیمارها عبارتاند از:
نیتریدینگ: نفوذ نیتروژن در سطح فولاد طی عملیات حرارتی → ایجاد سطح سختتر و مقاومتر در برابر سایش (البته با کاهش سختی ضربهای).
پوشش نیترید تیتانیوم (TiN): از طریق رسوب فیزیکی بخار (PVD) انجام میشود و مقاومت لبه را بهطور چشمگیری افزایش میدهد. این پوشش علاوه بر کاهش ضریب اصطکاک، باعث افزایش عمر ابزار میشود؛ هرچند با آلیاژهای تیتانیوم یا نیکل سازگاری خوبی ندارد.
