ویژگی های فولادهای ابزار تندبر

مترجم و نویسنده: خانم سیمین حاتمی – عصر مواد

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.

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

ویژگی های فولادهای ابزار تندبر

فولادهای ابزار تندبر صرف نظر از اینکه جز کدام دسته باشند، نوع تنگستن دار T یا نوع مولیبدن دار M، دارای ویژگی های مشابهی هستند، مانند:

همگی درصد کربن بالایی دارند.
درصد کربن آن ها در محدوده ای است که قابلیت رسیدن به سختی ۶۴HRC را دارند.
قابلیت سختی پذیری بالایی دارند و عمیقاً سخت می شوند. به گونه ای که مقاطعی (ابعادی) که کاربرد تجاری دارند، تقریباً دارای سختی یکنواختی از مغز تا سطح هستند.
همه آن ها در دماهای بالا سخت می شوند و نرخ استحاله در آن ها به گونه ای است که مقاطع نازک نیز می توانند در هوا سرد شوند و به سختی نزدیک مقدار ماکزیمم برسند.

فولادهای ابزار تندبر در وضعیت آنیل شده، شامل کسر بالایی از ذرات کاربیدی هستند که نقش مهمی در مقاومت سایشی آن ها دارد. انحلال جزئی این کاربیدها در طول عملیات حرارتی، فولاد را غنی از کربن و عناصر آلیاژی می کند و سبب افزایش سختی پذیری، سختی داغ و مقاومت به نرم شدگی فولاد می شود.

در حالی که فولاد های تندبر خواص فیزیکی و مکانیکی مشابهی دارند، با این حال تغییر در ترکیب شیمیایی آن ها می تواند منجر به تغییرات گسترده ای در خواصشان شود. یکی از مهم ترین ویژگی های فولادهای تندبر، توانایی برش دادن (cutting) آن ها است که این پارامتر به ترکیبی از خواصی بستگی دارد که مهم ترین آن ها بدین شرح است:

سختی: مقاومت در برابر فرورونده سخت الماسه در دمای اتاق
سختی داغ: توانایی حفظ سختی بالا در درجه حرارت های زیاد
مقاومت به سایش: بررسی این پارامتر عمدتاً با تست های سائیدن (grinding)، فلز به فلز یا دیگر تست هایی که بتواند نرخ نسبی را نشان دهد، اندازه گیری می شود.
چقرمگی: توانایی جذب انرژی در تست های ضربه

اهمیت نسبی این خواص متناسب با کاربرد متفاوت است. برای ماشینکاری در سرعت های بالا، ترکیبی از سختی اولیه بالا و ماکزیمم مقاومت به نرم شدگی در دماهای بالا، مورد نیاز است. برخی مواد ممکن است، سبب ساییدگی های سنگین در لبه ابزار شوند. در این موارد، مقاومت سایشی ابزار خیلی مهم تر از توانایی حفظ سختی در دماهای بالا است. پارامتر سختی برای ماشینکاری مواد با سختی بیشتر ضروری است و سبب افزایش عمر ابزار می شود ولی باید با چقرمگی مورد نیاز نیز، بالانس شود.

ترکیب بهینه خواص، برای فولاد تندبر را در ابتدا باید با انتخاب صحیح گرید و سپس عملیات حرارتی مناسب، به دست آورد. حال به بررسی این چهار پارامتر اصلی می پردازیم:

سختی: یکی از مهم ترین الزامات تصریح شده برای فولاد ابزار تندبر، سختی است و معیاری برای پذیرش عملیات حرارتی است. همه فولادهای تندبر می توانند به سختی ۶۴HRC برسند و برخی گریدها مانند T15 ،M30 و M40 تا حدود ۶۹HRC نیز می رسند.

سختی داغ: یک فاکتور مهم برای فولادهای تندبر سختی داغ است. که به سادگی به معنای توانایی حفظ سختی در دماهای بالا تعبیر می شود. شکل زیر مقادیر سختی داغ برخی گریدها را نشان می دهد. قابل ذکر است که گریدهای حاوی کبالت، سختی داغ بیشتری نسبت به سایر گریدهای فاقد کبالت دارند.

مقاومت به سایش: سومین فاکتور موثر بر قابلیت برشی ابزار، مقاومت به سایش است. مقاومت به سایش تحت تاثیر چندین عامل است:

- سختی زمینه
- ترکیب شیمیایی که بر رسوب کاربیدهای نوع MC و M₂C که مسئول سختی ثانویه هستند، تاثیر دارد.
- کسر حجمی کاربیدهای آلیاژی
- شکل و مورفولوژی کاربیدهای آلیاژی

برای رسیدن به نهایت مقاومت به سایش، باید کربن و وانادیم را همزمان افزایش داد. این روش هم سبب افزایش کسر حجمی کاربیدها می شود و هم منجر به تشکیل درصد بالایی از کاربیدهای بسیار سخت وانادیم. گریدهای T15 ،M4 و M3 (کلاس ۲)، از این دسته هستند و همگی مقاومت به سایش بسیار عالی و بالایی دارند.

تست های آزمایشگاهی برای مقاومت به سایش، متنوع هستند. مقایسه داده های این تست های مختلف، مشکل است. لذا تست های حین تولید با ابزارهای واقعی کاربرد گسترده ای پیدا کرده است. البته تست های آزمایشگاهی می توانند، داده های منطقی را تولید کنند. یک نمونه از این داده ها در شکل زیر مشاهده می شود که مربوط به اندازه گیری کاهش حجم ابزار در برابر کاهش حجم یک چرخ شیشه ای ساینده، با پروسه ماشینکاری از پیش تعیین شده ای، است.

چقرمگی: چهارمین پارامتر موثر بر توانایی برشی ابزار، چقرمگی است که ترکیبی از دو عامل زیر است:

- قابلیت و توانایی تغییر شکل قبل از شکست (داکتیلیته)
- توانایی مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی (استحکام الاستیک)

تست های مرتبط با اندازه گیری چقرمگی، عمدتاً در دمای اتاق انجام می شوند. شکستن ابزار به دلیل ورقه ای شدن و خرد شدن لبه های ابزار، عموماً در طول تماس اولیه ابزار با قطعه کار اتفاق می افتد. گاهی هم به علت گرم شدن ابزار، اتفاق می افتد. لذا چگونگی عملکرد ابزار (چقرمگی) در این موارد، مهم است.

تست های آزمایشگاهی که روی فولاد ابزار تندبر سختکاری شده انجام می شوند، شامل: خمش، تست ضربه بدون شیار یا با شیار نوع C (یا C-Notch)، پیچش استاتیکی و تست ضربه پیچشی هستند. شکل زیر یک مقایسه نسبی از مقادیر به دست آمده در تست ضربه بدون شیار را برای برخی گریدهای فولاد تندبر نشان می دهد. بهبود متوسط در چقرمگی در بین گریدهای فوق، با کاهش سختی تمپر به دست آمده است. پایین آوردن دمای آستنیته نیز، چقرمگی را برای هر گریدی در مقادیر سختی ذکر شده، بهبود می دهد.

منبع اصلی این نوشته: جلد ۱۶ هندبوک ASM