تفاوت فولاد تندبر (HSS) و کاربید تنگستن
عوامل زیادی در انتخاب بین جنس ابزارهای برش فولادی تندبر HSS (High-Speed Steel) و کارباید وجود دارد. مهندسان صنایع اغلب از ما می پرسند: “از فولاد تندبر (HSS) برای ابزارهای برشی مانند فرزها، متهها و قلاویزها استفاده کنیم یا کارباید؟” هیچ پاسخ دقیقی برای این سوال وجود ندارد. زیرا عوامل زیادی مانند اندازه ابزار، عمق برش، سرعت حذف مواد، عمر ابزار، زمان عملیات و البته هزینه در این امر دخیل هستند. هر یک از این موارد چالشهای مختلفی از جمله طراحی، اندازه، نوع مواد و سختی را به همراه دارد. برای درک بهتر تفاوت بین ابزارهای برشی HSS (فولاد تندبر) و کارباید (تنگستن کارباید)، باید به ساختار متالورژیکی و رفتار آنها در شرایط مختلف ماشینکاری نگاه کنیم.
1.1. جنس و ساختار
فولاد HSS (High-Speed Steel) یک آلیاژ آهنی است که حاوی عناصر آلیاژی نظیر تنگستن، مولیبدن، کروم و وانادیوم است. این ابزارها سخت هستند، یعنی در برابر ضربه و شوک مکانیکی مقاومت بالایی دارند و به راحتی نمیشکنند. درمقابل ابزارهای کارباید از ذرات سخت کارباید (معمولاً تنگستن کارباید) که در یک ماتریس فلزی (معمولاً کبالت) به روش متالورژی پودر پرس و زینتر شدهاند، ساخته میشوند.
2.1. سختی و مقاومت حرارتی
کارباید سختی بسیار بالاتری نسبت به HSS دارد. این یعنی میتواند مواد سختتر (مانند استیلهای ضدزنگ، فولادهای سختکاری شده و چدن) را به راحتی ماشینکاری کند. فولاد HSS در دمای حدود ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد نرم شده و لبهاش را از دست میدهد. اما کارباید میتواند دمای بالای ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد را بدون از دست دادن سختی تحمل کند. این ویژگی به ابزارهای کارباید اجازه میدهد با دور بسیار بالاتر کار کنند.
3.1. عملکرد در ماشینکاری
تنگستن کارباید امکان ماشینکاری با سرعت بسیار بالاتر را فراهم میکند (گاهی تا ۵ برابر سریعتر از HSS). به دلیل سختی بیشتر، عمر ابزار کارباید در شرایط پایدار بسیار طولانیتر است. همچنین، به دلیل صلبیت بالاتر کارباید، ارتعاشات کمتر شده و سطح پرداخت قطعه کار بسیار باکیفیتتر خواهد بود.
خصوصیات عمومی HSS و کارباید
به طور کلی، مشخصه اصلی همه فولادهای تندبر، سختی کار بالا با چقرمگی عالی است. ابزارهای HSS هزینه کمتری نسبت به ابزارهای کارباید دارند و اغلب راه حل خوبی در عملیاتهای ماشینکاری با حجم بالا هستند. کارباید بسیار سختتر است، بنابراین عمر ابزار طولانیتر و امکان برش سریعتری نسبت به HSS معمولی دارد. اما نقطه ضعف این سختی شکنندگی آن است، بنابراین لبه برش ابزار کارباید میتواند به سرعت در شرایط خاص شکسته یا لبپر شود.
بیایید به سه عملیات ماشینکاری متداول یعنی سوراخکاری، فرزکاری و قلاویزکاری نگاه کنیم تا درک بهتری از زمان استفاده از ابزارهای HSS یا کارباید بدست آوریم:
1.2. سوراخکاری
متههای کارباید معمولاً برای تولید سوراخ با حجم بالا استفاده میشوند، جایی که هزینه بالای ابزار را بتوان بر اساس هزینه هر قطعه توجیه کرد. برای سوراخهای عمیق با حجم بالا، آنها اغلب با کانالهای خنککننده داخلی در دسترس هستند که در نتیجه عمر ابزار طولانیتر شده و تولید پایدار خواهد بود. استفاده از سیال برش از طریق اسپیندل و فشار بالا باعث تخلیه براده به ویژه در سوراخهای عمیق میشود و موثرترین روش برای خنک کردن لبه برش است.
مته کارباید همچنین سریعترین ابزار برای ایجاد سوراخ در طیف گستردهای از فلزات است، زیرا سرعت برش و نرخ پیشروی بالایی دارد. با این حال، لازم است بدانید که در برخی از فولادهای آلیاژی با Ni-Cr بالاتر (مانند فولادهای ضد زنگ) اگرچه سوراخ را میتوان با سرعتهای بالا تولید کرد، اما وضعیت دیوارههای سوراخ میتواند به سرعت سخت شود. این امر منجر به ایجاد مشکلات دیگری در فرآیند ماشینکاری به خصوص زمانی که قرار است رزوه داخلی ایجاد شود، میشود. در اینصورت عمر قلاویز به طور قابل توجهی کاهش مییابد.
مهمتر از همه، ابزارهای کارباید را میتوان در تولید کم حجم ولی با سختی کار بالاترشان توجیه کرد، زیرا آنها قادرند مواد سختتر، تا سختی بالای ۷۰ راکول را ماشینکاری کنند.
متههای HSS به دلیل چقرمگی و هزینه کمتر، کاربردهای بسیار وسیعی دارند، از کاربردهای دستی گرفته تا ماشینکاری CNC. آنها برای سوراخکاری دستی مواد نرمتر و ایجاد سوراخ عمیق زمانی که سیال خنککننده داخلی در دسترس نیست، ایدهآل هستند.
2.2. قلاویزکاری
ابزارهای HSS معمولاً اولین انتخاب برای قلاویزکاری هستند. آنها رایجترین ابزار برای تولید رزوه داخلی هستند. با توجه به چقرمگی آنها، قلاویزهای HSS در صنایع مختلف، تعمیر و نگهداری و عملیات MRO نیز متداول هستند و قلاویزهای دستی و قلاویزهای شیار مستقیم بیشترین استفاده را دارند. قلاویزهای HSS (بهویژه قلاویزهای HSS-PM) در تولیدات با حجم زیاد و همچنین ماشینکاریهای دشوار استفاده میشوند.
قلاویزهای کارباید به دلیل خاصیت شکنندگی کارباید چندان محبوب نیستند. در اکثر کاربردهای قلاویزکاری، به ویژه در سوراخهای کور، به دلیل ایجاد براده قلاویزهای کاربید سریعتر میشکنند. همانطور که قبلا گفته شد HSS در چقرمگی نسبت به کاربید برتری دارد که در فرآیند قلاویزکاری این امر واقعاً مهم است. قلاویزکاری یک فرآیند با نرخ پیشروی آهسته با سرعت چرخش بالا است که با کند شدن ناگهانی چرخش اسپیندل و چرخش معکوس آن در عمق سوراخ همراه است. با توجه به ماهیت فرایند قلاویزکاری مشخص میشود که قلاویزهای HSS نسبت به کارباید برتری دارند.
با این حال، قلاویزهای کارباید را میتوان برای برخی کاربردهای خاص استفاده کرد، از جمله:
- قلاویزکاری فولاد سخت، با هندسه خاص که دارای زوایای برش منفی است.
- قلاویزکاری آلومینیوم با سیلیکون بالا (AlSi)، زیرا محتوای سیلیکون کاملاً ساینده است و کارباید بهترین مقاومت را ارائه میدهد.
3.2. فرزکاری
فرزهای کارباید بسیار محبوب هستند چرا که بهترین نرخ حذف فلز (MRR) را ارائه میدهند. فرزهای HSS در ماشینکاری با فرز دستی، تولید با حجم پایین و … کاربرد دارند. با این حال، امروزه استفاده از آنها به دلیل پیشرفتهای فراوان صنعت کاهش یافته است.
فولاد تندبر HSS-PM
همانطور که اشاره شد، گریدهای معمولی HSS دارای سرعت برش کمتری هستند. امروزه، فولادهای تندبر HSS-PM (متالورژی پودر) برای پر کردن شکاف بین ابزارهای HSS و کاربید توسعه یافتهاند. فولادهای HSS-PM از پودری مشابه کارباید تولید میشوند. این ساختار دانههای ریزتری ایجاد میکند که به ابزارهای PM این اجازه را میدهد تا به سختی بالاتری نسبت به HSS برسند در حالی که چقرمگی خود را حفظ میکنند. این بدان معناست که میتوانید ابزاری داشته باشید که عمر طولانیتری نسبت به HSS استاندارد داشته باشد و همچنین میتوان از آن برای کار بر روی مواد با سختی بالا استفاده کرد. بعلاوه، فولاد PM شکاف بین سرعتهای برش بالای کارباید را کاهش میدهد.
