HSS یا فولاد ابزار چیست و چه کاربردی دارد؟
فولاد تندبر یا HSS مخفف عبارت انگلیسی “High-Speed Steel” نوع خاصی از فولاد ابزار است که سختی، چقرمگی و تحمل بار فوق العادهای در دماهای بالا دارد. ترکیبات فولاد HSS (آهن، کربن، تنگستن، کروم، مولیبدن و سایر عناصر) به ابزارهای ساخته شده از آن اجازه میدهد تا بارهای مکانیکی بالا را تحمل کنند و لبه برش خود را حتی در دماهای بالا حفظ نمایند.
این مقاله به جزئیات بیشتری در مورد ویژگیها و کاربردهای متنوع فولاد تندبر میپردازد.
فولادهای تندبر (HSS) دستهای از آلیاژهای مبتنی بر آهن را تشکیل میدهند که در کاربردهای برش در مقایسه با فولادهای پر کربن سنتی برتری دارند. آنها فوق العاده سخت، مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر نرم شدن در دماهای بالا هستند. این ویژگیها که از افزودنهای آلیاژی و عملیات حرارتی خاص ناشی میشوند، HSS را قادر میسازند تا مواد را بهطور مؤثر و سریع برش دهد.
تاریخچه فولاد تندبر
در سال 1868، اختراع فولاد خود سخت شونده توسط رابرت موشت، معروف به فولاد Mushet یا فولاد ویژه R Mushet، پیشرفت قابل توجهی را در تاریخ فولاد رقم زد. این فولاد، با ترکیب شیمیایی که حاوی 8 درصد تنگستن بود، توانایی سخت شدن را در زمان آهنگری و سرد شدن از خود نشان داد و کاربرد گستردهای در ابزارهای مهندسی پیدا کرد. در سال 1870، ساموئل آزبورن در شفیلد، انگلستان، حق تولید انبوه این فولاد ویژه را به دست آورد. بعدها، در سال 1910، شرکت Crucible Steel در نیوجرسی پیشگام فولاد تندبر بود که نقطه عطفی در فناوری فولاد ابزارهای برش بود. پیشرفت مهم دیگری در سال 1937 رخ داد که W. Breelor فولاد ابزار مولیبدن تنگستن (HSS M2) را در ایالات متحده ایجاد کرد و قابلیتهای فولاد تندبر را افزایش داد.
انواع فولادهای تندبر HSS
در زیر انواع فولادهای تندبر ذکر شدهاست:
1.3. فولادهای تندبر مولیبدن
فولاد تندبر مولیبدن در درجه اول یک آلیاژ مبتنی بر آهن است که با ترکیب قابل توجه مولیبدن که در مقایسه با سایر فولادهای تندبر (HSS) از نظر غلظت متمایز میشود. علاوه بر این، حاوی نسبت قابل توجهی از کربن است که معمولاً بسته به درجه خاص از 8/0 تا 5/1 درصد متغیر است. فولادهای تندبر مولیبدن مانند M10 و M50 آلیاژهای مبتنی بر آهن هستند که به دلیل چقرمگی و قابلیت برش استثنایی خود شناخته میشوند. همچنین، M10 و M50 گریدهای انحصاری در دسته فولادهای تندبر مولیبدن هستند که حاوی تنگستن یا کبالت نیستند. استحکام خمشی و مقاومت در برابر سایش زیاد آن را در ساخت انواع ابزارهای برش از جمله متهها و برقوها مفید میسازد.
2.3. فولادهای تندبر کبالت
فولادهای تندبر کبالت دار که اغلب به عنوان HSS Co نامیده میشوند، با بیش از 5 درصد کبالت آلیاژ میشوند و از نظر سختی گرم و مقاومت در برابر سایش عالی هستند. به طور معمول، این فولادها حاوی تنگستن، کروم، مولیبدن، وانادیم و سطوح کربن بالا هستند. فولادهای تندبر کبالتی M35 و M42 برای کارهای سخت مانند برشهای خشن یا بسیار موثر هستند و در کاربردهایی که نیازمند مقاوت دمایی بالا باشد عالی هستند. آنها برای برش مواد با پلیسههای پیوسته مانند چدن یا فلزات غیر آهنی عملکرد استثنایی دارند.
استفاده از فولادهای تندبر کبالت زمانی مورد توجه قرار میگیرد که برشهای عمیق و سرعت برش بالا مورد نیاز باشد. علاوه بر این، فولاد M42 دارای سختی عملیات حرارتی بالا 68 تا 70 راکول و محتوای کبالت قابل توجهی (8 درصد) است که سختی گرم فوق العادهای را ایجاد میکند. در نتیجه، ابزارهای ساخته شده از فولادM42 لبههای برش تیز و سخت را حفظ میکنند و آنها را برای عملیات برش سنگین و با تولید بالا ایدهآل میکند.
3.3. فولاد تندبر تنگستن
فولاد تندبر تنگستن T1 یکی از آلیاژهای سری T است که حاوی 25/17 – 75/18 درصد تنگستن به همراه کروم، وانادیم و کربن است. T15 با 5٪ کبالت دارای مقاومت سایش، چقرمگی و استحکام قابل توجهی است که با مقاومت خمشی بالای آن مرتبط است. عمر طولانی ابزار آن را برای ابزار کاری سرد مناسب می کند. T15 و M4 به دلیل سهولت در فرزکاری محبوبیت خود را در ساخت فرزهای برش به دست میآورند. آنچه که T15 را متمایز میکند، محتوای وانادیوم بسیار بالاتر آن در مقایسه با سایر فولادهای تندبر (HSS) است.
فولاد تندبر تنگستن، به طور کلی، دارای محتوای تنگستن بالا و حداقل مقدار مولیبدن است. علیرغم پیشرفتهای فنآوری قابلتوجه و نوآوریهای مواد، بهبود عملکرد ابزارآلات سرد کار همچنان بر اصول جاودانه متالورژی متکی است که نسلها در کارگاههای ابزار و قالبها خدمت کردهاند. برای کسانی که به دنبال نتایج بهبود یافته هستند، بازبینی سه جنبه حیاتی ضروری است: انتخاب مواد برای ابزار، روشهای عملیات حرارتی دقیق، و حفظ کیفیت سطح.
4.3. فولادهای تندبر تنگستن-مولیبدن
فولادهای تندبر تنگستن-مولیبدن، مانند آلیاژهای سری “M”، (M2، M3، M4، M7، M52، M62) عمدتاً حاوی تنگستن (W) و مولیبدن (Mo) هستند. برخلاف برخی دیگر از فولادهای تندبر، آنها حاوی کبالت (Co) نیستند. این آلیاژها مزایایی مشابه با همتایان غنی از تنگستن خود دارند اما با تمرکز بر کاهش وزن به دلیل چگالی کمتر مولیبدن. در حالی که این آلیاژها دارای محتوای تنگستن کاهش یافته هستند، آن را با نسبت بیشتری از مولیبدن جبران میکنند. با این حال، دمای ذوب آلیاژ برای گریدهای مولیبدن بالاتر کمتر است. در نتیجه، ممکن است در مقایسه با آلیاژهای غنی از تنگستن مقداری از دست دادن سختی گرم را به دلیل کاهش مقاومت حرارتی آنها در دماهای بالا تجربه کنند.
رایج ترین و پرمصرف ترین انواع فولادهای تندبر تنگستن-مولیبدن فولاد M2 است که به عنوان HSS صنعتی «استاندارد» شناخته میشود. توزیع نابرابر ذرات کاربید در محصول نهایی یک مشکل تکراری در تولید فولادهای ابزار است. تفاوت دما بین حالت مایع و جامد، که برای آلیاژهایی مانند M2 میتواند تا 130 درجه سانتیگراد باشد، علت اصلی این مشکل است. در نتیجه، ماده تحت تأثیر این تضاد شدید دمایی جامد میشود که باعث جدا شدن کربن و عناصر آلیاژی میگردد. در نتیجه این پدیده جداسازی، در نهایت نوارهای کاربید پدیدار میشوند.
ویژگیهای فولاد تندبر HSS
از ویژگیهای HSS میتوان به سختی فوق العاده و مقاومت آن در برابر سایش اشاره کرد. این امر باعث میشود که گروه آلیاژهای فولادی تندبر به گزینهای محبوب برای ابزارهای صنعتی، از جمله تیغهای فرز، سوهان، قطعات ابزار، تیغههای اره، قلاویزها و متهها تبدیل شود. گریدهای مختلف آلیاژ HSS راههای متعددی را برای تنظیم تعادل بین استحکام، چقرمگی، سختی گرم و مقاومت در برابر سایش به کاربر ارائه میدهند.
سوالات متداول (FAQ?)
1.5. آیا فولادهای تندبر (HSS) را میتوان جوش داد؟
بله، فولاد تندبر (HSS) را میتوان جوش داد. پس از جوشکاری، بسته به شرایط خاص و شرایط ابزار، اغلب لازم است عملیات حرارتی مانند بازپخت نرم، تمپر یا آنیلینگ تنشزدایی انجام شود. این عملیات حرارتی به اصلاح خواص ابزار جوش داده شده HSS برای اطمینان از عملکرد و دوام کمک میکند. بازپخت نرم مخصوصاً برای کاهش خطر ترک خوردگی در طی عملیات حرارتی و ماشینکاری بعدی توصیه میشود. فولادهای حاوی محتوای کربن بالا به طور کلی امکان جوشپذیری محدودی دارند. فولادهای ابزار، که معمولاً دارای محتوای کربن در محدوده 3/0 تا 5/2 درصد هستند عمدتاً به دلیل وجود عناصر آلیاژی در میان عوامل دیگر، چالشهای جوشکاری را ایجاد میکنند.
2.5. آیا میتوان فولادهای تندبر (HSS) را خم کرد؟
بله، فولاد تندبر (HSS) را میتوان خم کرد، اما بهتر است قبل از عملیات حرارتی انجام شود، قبل از اینکه فولاد به استحکام و سختی نهایی خود برسد. هر گونه خمش HSS باید در حالت آنیل شده و در دمای بالا انجام شود. به عنوان مثال، فولاد تندبرM42 نباید زیر 930 درجه سانتیگراد آهنگری شود. پس از خم شدن، مواد باید سخت شوند تا خواص مورد نظر خود را بازیابی کنند. خم کردن فولاد پس از عملیات حرارتی به دلیل افزایش سختی معمولاً توصیه نمیشود.
3.5. آیا فولادهای تندبر (HSS) از تیتانیوم قویتر هستند؟
بله، فولاد تندبر (HSS) معمولاً در هنگام در نظر گرفتن استحکام تسلیم کششی قویتر از تیتانیوم است. در حالی که تیتانیوم استحکام بیشتری را در واحد جرم ارائه میدهد. فولاد، از جمله فولاد تندبر، انتخاب بهتری برای کاربردهایی است که در آن استحکام کلی اهمیت دارد. فولاد به دلیل استحکام کششی بالا معمولاً در صنعت ساخت و تولید استفاده میشود، در حالی که تیتانیوم در طراحیهای خودرو و هوافضا که در آن تعادل بین قدرت و وزن بسیار مهم است، مورد استفاده قرار میگیرد. انتخاب بین دو ماده به نیازهای خاص یک طرح بستگی دارد.
4.5. فولادهای تندبر (HSS) چه کاربردهایی دارند؟
فولادهای تندبر (HSS) خانوادهای از فولادهای ابزار سخت را در بر میگیرد که در کاربردهای مختلف ساخت ابزار برش مورد استفاده قرار میگیرند، از جمله:
- مته
- قلاویز
- فرز انگشتی
- تیغچه تراشکاری
- برقو
- تیغ اره
- فرز تی و چتری
- سوهان
- و …
