تاثیر عناصر آلیاژی در فولادهای ابزار تندبر

مترجم و نویسنده: خانم سیمین حاتمی – عصر مواد

معرفی کوتاه فولادهای ابزار

فولادهاي ابـزار (Tool Steels) گروهی از فولادهای كربنی و آلياژی هستند كه از آن ها برای ساخت، ماشین کاری و شکل دادن سایر مواد مثل فلزات، پلاستیک ها، چوب و … استفاده می شود. از این فولادها در ساختن ابزارهای ماشین کاری و براده برداری، ابزارهای برش، تیغه های برشی و خردکن، انواع مته، اره ها، انواع سنبه ها، ابزار دستگاه های معدن کاری، سوهان، چکش، انواع قالب های شکل دهی مثل قالب های فورج، اکستروژن، کشش عمیق و غیره، قالب های پرس کاری، قالب های ریخته گری، قالب های برش، قالب های پلاستیک و … استفاده می شود. از خواص مطلوب فولادهای ابزار می توان به سختی بالا و مقاومت به سايش عالی، پایداری ابعادی، مقاومت گرمايی خوب، استحکام کافی براي کار روی مواد و پایداری در شرایط کاری سخت اشاره نمود. فولادهای ابزار باید قابلیت ماشین کاری و شکل پذیری و قابلیت عملیات حرارتی را داشته باشند تا بتوان آن ها را به شکل مطلوب تبدیل کرده و خواص فيزيكی و مكانيكی مناسبی در آن ها به وجود آورد.

فولادهای ابزار بر حسب درصد عناصر موجود در آن ها به فولادهای ابزارسازی کربنی، كم آلياژ و پر آلياژ، بر حسب کاربرد به فولادهای سردكار و گرم كار و بر حسب مواد خنك كننده ای كه در هنگام سخت كاری آن ها به كار می رود، به فولادهای ابزار آبی، روغنی و هوايی تقسيم می شوند. طراحی فولادهای ابزار آلیاژی بیشتر بر اساس استفاده از عناصر انتقالی کاربیدساز قوی نظیر کروم، مولیبدن، تنگستن و وانادیم به عنوان عناصر اصلی آلیاژی در فولاد استوار است. حضور رسوبات ریز کاربیدی با سختی و دمای ذوب بسیار بالا در زمینه ی مارتنزیت بازپخت شده در ساختار فولادهای ابزار، مقاومت به سایش بالا، مقاومت گرمایی و پایداری بالای آن ها را در شرایط کاری سخت موجب می شود.

انواع فولادهای ابزار

طبق طبقه بندی انجمن آهن و فولاد آمریکا (AISI) و انجمن مهندسان خودرو (SAE)، فولادهای ابزار بر مبنای روش آب دهی (کوئنچ)، روش کاربرد، ویژگی های خاص و ترکیب شیمیایی آن ها، به گروه های زیر تقسیم می شوند:

۱- فولادهای ابزار سخت شونده در آب – گروه W

۲- فولادهای ابزار مقاوم به ضربه و شوک – گروه S

۳- فولادهای ابزار سرد کار

۳-۱- فولادهای ابزار سردکار سخت شونده (سرد شده) در روغن – گروه O
۳-۲- فولادهای ابزار سردکار آلیاژ متوسط سخت شونده (سرد شده) در هوا (هوا سخت) – گروه A
۳-۳- فولادهای ابزار سردکار پر کروم و پر کربن- گروه D

۴- فولادهای ابزار گرم کار- گروه H

۴-۱- فولادهای ابزار گرم کار نوع کروم دار – مثل فولادهای H-10 تا H-14 و H-19
۴-۲- فولادهای ابزار گرم کار نوع تنگستن دار – مثل فولادهای H-21 تا H-2
۴-۳- فولادهای ابزار گرم کار نوع مولیبدن دار – مثل فولاد H-42
۴-۴- فولادهای ابزار گرم کار ویژه

۵- فولادهای ابزار تندبر

۵-۱- فولادهای ابزار تندبر نوع تنگستن دار – گروه T
۵-۲- فولادهای ابزار تندبر نوع مولیبدن دار- گروه M

۶- فولادهای ابزار کم آلیاژ با کاربرد خاص – گروه L

۷- فولادهای قالب – گروه P

فولاد ابزار تندبر

خاصیت مهم فولادهای ابزار تندبر، توانایی حفظ سختی بالا در دماهای بالا است. همان طور که از نام آن ها پیدا است، این فولادها در درجه اول برای ساخت ابزارهای برشی استفاده می شوند که گرمای قابل توجهی در حین ماشین کاری سریع فولادها و سایر فلزات ایجاد می کنند. علاوه بر حفظ سختی در دمای بالا، فولادهای تندبر دارای ویژگی های آلیاژسازی و فرایندی منحصر به فردی از قبیل میزان عناصر آلیاژی و کربن کافی برای تامین کاربیدهای آلیاژی اضافی در ابزارهای عملیات حرارتی شده، سخت کاری در دماهای نزدیک به نقطه ذوب، سخت کاری با اندازه دانه آستنیت ریز، سخت شدن تا عمق با سرد کردن در هوای آرام و سختی ثانویه برجسته حین بازگشت نیز هستند. عناصر آهن، کربن، منگنز، سیلیسیم، کروم، وانادیم، مولیبدن یا تنگستن و یا ترکیبی از آن ها، مقدار جزئی نیکل و در برخی موارد کبالت به گونه ای در ترکیب آلیاژ این فولادها بالانس می شوند تا سختی پذیری مناسب، مقاومت به سایش، مقاومت به نرم شوندگی حرارتی و چقرمگی خوب در آن ها برای عملیات برشکاری و ماشینکاری های صنعتی حاصل شود.

از دیدگاه تجاری دو گروه عمده از فولاد ابزار تندبر توسعه یافته اند:

گروه استاندارد که دامنه کاربرد آن ها برای ماشینکاری و برشکاری، مواد نرم تا مواد خیلی سخت است.
گروه کوچک تری که به صورت رضایت بخشی برای برخی کاربردهای خاص، برای ماشینکاری مواد نرم تا متوسط استفاده می شوند.

مشخصات فنی فولادهای ابزار تندبر در استاندارد ASTM A 600 بیان شده است. حداقل الزاماتی که هر کدام از گروه های فوق باید داشته باشند، مطابق جدول ذیل بر اساس استاندارد ASTM A 600 است:

انواع فولادهای ابزار تندبر بر مبنای طبقه بندی AISI

بر مبنای سیستم طبقه بندی AISI، فولادهای ابزار تندبر در دو گروه M و T دسته بندی می شوند. فولادهای ابزار تندبری که عنصر آلیاژی اصلی در آن ها تنگستن است، گرید T و فولادهای ابزار تندبری که عنصر آلیاژی اصلی در آن ها مولیبدن است، گرید M نامیده می شوند. اعدادی که بعد از حروف M و T ذکر می شوند، مانند M1 و M2 هیچ مفهوم خاصی ندارند و صرفاً یک شمارنده هستند. لذا این اعداد فقط انواع فولادهای یک گرید را از هم جدا می کنند و به سهولت انتخاب کاربر کمک می کنند. جدول ذیل ترکیب شیمیایی فولادهای متداول در گرید های M و T را طبق استاندارد ASTM A 600 نشان می دهد:

ترکیب شیمیایی فولادهای ابزار تندبر طبق استاندارد ASTM A 600

تاثیر عناصر آلیاژی در فولادهای ابزار تندبر:

عنصر آلیاژی عمده در سری T، تنگستن با مقادیر ۲۰-۱۲ درصد است. عناصر آلیاژی عمده ی دیگر، کروم، وانادیم و کبالت هستند. سری M شامل ۱۰-۳٫۵ درصد مولیبدن بوده و کروم، وانادیم، تنگستن و کبالت نیز جزء عناصر آلیاژی اصلی هستند. تمامی گریدها چه تنگستن دار و چه مولیبدن دار، تقریباً ۴% کروم را دارا هستند ولی مقادیر کربن و وانادیم متفاوت است. به عنوان یک قاعده کلی نیز، با افزایش درصد وانادیم، درصد کربن افزایش پیدا می کند.

در سری T آلیاژهای T1 و T2 کبالت ندارد ولی رده های T4 تا T15 دارای مقادیری کبالت (از ۴ تا ۱۳ درصد) هستند. در سری M نیز رده های M1 تا M10 به جز M6 کبالت نداشته ولی مقداری تنگستن دارند. رده های M30 تا M40 در این سری، دارای عنصر کبالت هستند. سوپر آلیاژهای فولاد تندبر از رده M40 به بالا هستند و قابلیت عملیات حرارتی برای حصول سختی های بالا را دارند. فولادهای سری M مقاومت به سایش بهتری از سری T دارند و در عملیات حرارتی نیز، خطر اعوجاج و دفرمگی آن ها کمتر است. همچنین قیمت پایین تری نیز دارند.

ابزارهای ساخته شده از فولاد تندبر را می توان برای ارتقای عملکرد و افزایش عمر مفید، با نیترید یا کاربید تیتانیم، توسط رسوب فیزیکی بخار (PVD)، پوشش دهی کرد.

عناصر آلیاژی متفاوتی جهت حصول خواص مکانیکی مورد نظر به فولادهای تندبر اضافه می شود که این عناصر و اثرات آن ها را بررسی می کنیم:

کربن: عنصر کربن مهم ترین عنصر در فولادهای تندبر است و باید مقادیر آن به دقت کنترل شود. تغییرات کربن تاثیرات زیادی روی خواص مکانیکی و توانایی برشی ابزار دارد. اگر مقدار آن افزایش یابد، سختی افزایش یافته و کسر حجمی کاربیدهای پایدار و سخت نیز افزایش می یابد و مقاومت به سایش نیز بیشتر می شود.

سیلسیم: تاثیر سیلسیم تا ۱ درصد اندک است. افزایش سیلسیم در محدوده ۰٫۴۵-۰٫۱۵ درصد تاثیر کمی بر افزایش سختی تمپر دارد، اگر چه به نظر می رسد، همزمان کاهش اندکی در چقرمگی را هم باعث شده است. همچنین مورفولوژی کاربیدها را نیز تغییر می دهد. برخی تولید کنندگان فولاد تندبر، حداقل یک گرید را با سیلسیم تا ۰٫۶۵ درصد تولید می کنند، هر چند که در این صورت حداکثر دمای آستنیته نسبت به دیگر رده هایی که سیلسیم کمتری دارند، باید کاهش یابد. در مجموع درصد سیلسیم در بیشتر رده ها زیر ۰٫۴۵% حفظ می شود.

منگنز: عموماً مقادیر منگنز در فولادهای تندبر به علت اثرات تردی و شکنندگی آن و خطر ترک خوردن ابزار طی کوئنچ، بالا نیست.

گوگرد: در مقادیر مرسوم ۰٫۰۳ درصد هیچ تاثیری بر خواص ابزار ندارد. گوگرد، سولفیدهای کمپلکسی از کروم، وانادیم و منگنز تشکیل می دهد که در سراسر ساختار به صورت آخال های چنگک داری پخش می شوند. این آخال ها در نقش ترک و حفره ظاهر می شوند و طی پروسه ماشین کاری سبب خروج مواد ابزار همراه با براده برداری منقطع می شوند.

فسفر: این عنصر هیچ تاثیر مطلوبی نداشته و سبب تردی در دمای اتاق ابزار می شود و سعی بر حداقل نگه داشتن آن است.

کروم: عنصر کروم در مقادیر ۳ تا ۵ درصد همیشه در ترکیب فولاد ابزار تندبر وجود دارد و مسئول قابلیت سختی پذیری فولاد است. عموماً مقدار آن ۴ درصد نگه داشته می شود، زیرا در این مقدار بهترین موازنه بین خواص سختی و چقرمگی حاصل شده است. کروم همچنین اکسید شدن و پوسته دار شدن فولاد ابزار تندبر، را نیز طی عملیات حرارتی کاهش می دهد.

تنگستن: این عنصر یک عنصر حیاتی در فولاد تندبر است. کاربید کمپلکس آهن-تنگستن بسیار سخت است و نقش مهمی در مقاومت سایشی ابزار دارد. تنگستن سختی داغ را افزایش داده و سبب سختی ثانویه می شود و اثر ویژه ای در برابر اثرات تمپر دارد. هنگامی که مقادیر تنگستن کاهش یابد، برای جبران اثرات آن، مولیبدن به ترکیب اضافه می شود.

مولیبدن: این عنصر مشابه تنگستن کاربیدهای دوتایی با آهن تشکیل می دهد. مولیبدن می تواند جانشینی برای تنگستن باشد و وزن اتمی آن تقریباً نصف تنگستن است. نقطه ذوب گریدهای مولیبدن دار، مقداری کمتر از گریدهای تنگستن دار است، لذا، دمای سخت کاری پایین تری مورد نیاز است و بازه سخت کاری نیز محدودتر است. فولادهای تندبر سری M از سری T چقرمه تر هستند ولی سختی داغ آن ها اندکی پایین تر است. جبران این کاهش سختی با افزودن تنگستن و وانادیم انجام می شود. یک دلیل مطلوب بودن گریدهای مولیبدن-تنگستن دار مانند: M3 ،M2 و M4 همین دارا بودن سختی داغ مناسب است که یک ویژگی مطلوب ابزارها است.

وانادیم: اضافه کردن وانادیم در ابتدا در نقش آخال زدا، حذف ناخالصی های سرباره از ذوب و برای کاهش سطح ازت، انجام می شد، ولی به زودی فهمیده شد که این عنصر به صورت ذاتی خاصیت برشی ابزار را افزایش می دهد. وانادیم کاربیدهای سخت و پایداری را تشکیل می دهد که عامل موثری در افزایش مقاومت سایشی ابزار هستند و در مقیاس کمتر، سختی داغ را نیز افزایش می دهند. وانادیم وقتی به صورت دقیق با کربن بالانس شوند، تاثیر کمی روی کاهش چقرمگی دارد. به همین علت گریدهای فولاد یاتاقانی وانادیم دار، انتخاب مناسبی برای عملیات ماشین کاری با سرعت های بالا هستند یا برای کاربردهایی که سطح ماده سخت و پوسته دار است.

کبالت: ویژگی اصلی کبالت افزایش سختی داغ فولاد ابزار تندبر است. لذا کارایی برشی ابزار وقتی دمای ماده تحت عملیات برش و ماشین کاری بالا می رود، افزایش می یابد. کبالت دماهای عملیات حرارتی را بالا می برد. به گونه ای که این دماها می توانند ۱۴ تا ۲۸ درجه سانتیگراد نسبت به گریدهای بدون کبالت بالاتر باشند. کبالت همچنین اندکی شکنندگی ابزار را افزایش می دهد. فولادهای تندبر کبالت دار عمدتاً برای عملیات خشن تراشی مناسب هستند و برای مراحل پرداخت کاری که دما بالا نمی رود، توصیه نمی شوند. این ابزارها همچنین برای ماشینکاری موادی مانند چدن و فلزات غیر آهنی که براده های ناپیوسته دارند، مناسب هستند. ضرورت استفاده از ابزارهای برشی عمیق و با سرعت بالا و یا ماشین کاری سطوح سخت و پوسته پوسته، استفاده از فولاد تندبر حاوی کبالت را توجیه نموده است.

نیتروژن: در فولادهای تندبری که در شرایط اتمسفری ذوب می شوند، نیتروژن بین ۰٫۰۲ تا ۰٫۰۳ درصد وجود دارد. در برخی فولادهای تندبر به صورت عمدی نیتروژن را تا ۰٫۰۴ الی ۰٫۰۵ درصد افزایش می دهند که این افزایش اگر همراه با افزایش سیلسیم باشد، سبب افزایش اندکی در سختی تمپر شده و مورفولوژی کاربیدها را نیز تغییر می دهد.

منبع اصلی این نوشته: جلد ۱۶ هندبوک ASM