فولاد تندبر یا HSS یکی از مهم ترین انواع فولاد ابزار است که به دلیل سختی بالا، مقاومت مناسب در برابر سایش و حفظ خواص مکانیکی در دماهای بالا، کاربرد گسترده ای در ساخت ابزارهای برشی و ماشین کاری دارد. مته، تیغ فرز، برقو، قلاویز و انواع ابزارهای تراشکاری از جمله محصولاتی هستند که می توانند از گریدهای مختلف فولاد HSS ساخته شوند.
ویژگی مهم فولاد تندبر این است که در شرایط کاری سخت و هنگام افزایش دمای لبه ابزار، همچنان می تواند بخش قابل توجهی از سختی خود را حفظ کند. البته تمام فولادهای HSS یکسان نیستند و تفاوت در عناصر آلیاژی باعث شکل گیری گریدهایی با خواص و کاربردهای متفاوت شده است.
در این مقاله با فولاد تندبر HSS، ترکیب شیمیایی، مشخصات فنی، انواع، گریدهای پرکاربرد، کاربردها و مزایا و معایب آن آشنا می شویم و در نهایت تفاوت فولاد HSS و کارباید را بررسی می کنیم.
قیمت فولاد تندبر با توجه به گرید، ترکیب شیمیایی، ابعاد و شرایط بازار متفاوت است و گریدهایی مانند M2، M35 و M42 می توانند قیمت های متفاوتی داشته باشند.
ترکیب شیمیایی فولاد HSS به گرید آن بستگی دارد و نمی توان یک درصد ثابت از عناصر را برای تمام فولادهای تندبر در نظر گرفت. با این حال، فولادهای HSS معمولا حاوی کربن و مقادیر قابل توجهی از عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن، تنگستن و وانادیوم هستند. در برخی گریدهای ویژه نیز از کبالت استفاده می شود.
کربن (C) یکی از عناصر اصلی این فولاد است و در ایجاد سختی و تشکیل کاربیدها نقش دارد. افزایش کربن در کنار عناصر کاربیدزا می تواند مقاومت سایشی فولاد را افزایش دهد.
کروم (Cr) به افزایش سختی پذیری و مقاومت به سایش کمک می کند و یکی از عناصر متداول در ترکیب فولادهای تندبر است.
تنگستن (W) نقش مهمی در تشکیل کاربیدهای سخت و حفظ سختی فولاد در دمای بالا دارد و به خصوص در فولادهای تندبر سری T اهمیت زیادی پیدا می کند.
مولیبدن (Mo) نیز در افزایش سختی گرم، سختی پذیری و عملکرد فولاد در دمای بالا موثر است و در فولادهای سری M سهم مهمی در ترکیب شیمیایی دارد.
وانادیوم (V) با تشکیل کاربیدهای بسیار سخت، به افزایش مقاومت سایشی کمک می کند و می تواند در کنترل ساختار فولاد نیز موثر باشد.
کبالت (Co) در برخی گریدهای HSS مانند M35 و M42 اضافه می شود. کبالت به خصوص برای افزایش سختی گرم و حفظ عملکرد ابزار در شرایط برش دشوار اهمیت دارد.
در نتیجه، خواص نهایی فولاد HSS تنها به مقدار یک عنصر وابسته نیست و ترکیب شیمیایی، عملیات حرارتی، ریزساختار و نحوه تولید همگی بر عملکرد نهایی آن تاثیر می گذارند.
یکی از مهم ترین دلایل استفاده گسترده از فولاد تندبر، ترکیب مناسبی از سختی، مقاومت به سایش، چقرمگی و پایداری در دمای بالا است. البته مقدار دقیق هر یک از این خواص به گرید فولاد و عملیات حرارتی آن بستگی دارد.
سختی بالا: فولادهای HSS پس از عملیات حرارتی مناسب می توانند به سختی بالایی برسند. بسیاری از گریدهای متداول HSS در محدوده تقریبی 62 تا 68 راکول C مورد استفاده قرار می گیرند، هرچند مقدار دقیق سختی باید بر اساس گرید، استاندارد و شرایط عملیات حرارتی بررسی شود.
حفظ سختی در دمای بالا: فولاد HSS در مقایسه با فولادهای ابزار ساده، توانایی بیشتری در حفظ سختی لبه برنده هنگام افزایش دما دارد. این ویژگی برای ابزارهایی که در فرایند براده برداری گرم می شوند اهمیت زیادی دارد.
مقاومت به سایش: وجود کاربیدهای سخت در ساختار فولاد تندبر باعث می شود ابزار در برابر سایش مقاومت مناسبی داشته باشد و لبه برنده برای مدت بیشتری قابل استفاده باقی بماند.
چقرمگی مناسب: یکی از مزایای مهم HSS نسبت به مواد ابزار بسیار سخت مانند کارباید، چقرمگی بیشتر آن است. به همین دلیل ابزار HSS در بسیاری از کاربردهایی که احتمال ضربه، ارتعاش یا بارگذاری متناوب وجود دارد، انتخاب مناسبی محسوب می شود.
قابلیت سنگ زنی و تیزکاری: ابزارهای HSS را می توان پس از کند شدن مجددا سنگ زنی و تیز کرد. این موضوع در برخی ابزارها می تواند عمر مفید اقتصادی آن ها را افزایش دهد.
فولادهای تندبر را می توان بر اساس ترکیب شیمیایی و سیستم نام گذاری به گروه های مختلفی تقسیم کرد. یکی از رایج ترین دسته بندی ها، تقسیم HSS به دو گروه اصلی سری M و سری T است.
تفاوت اساسی این دو گروه به عنصر آلیاژی غالب در آن ها مربوط می شود. فولادهای سری M عمدتا بر پایه مولیبدن و فولادهای سری T عمدتا بر پایه تنگستن توسعه یافته اند.
فولاد تندبر سری M
فولادهای سری M یا Molybdenum High Speed Steels گروهی از فولادهای تندبر هستند که مولیبدن نقش مهمی در ترکیب آلیاژی آن ها دارد. این خانواده شامل تعدادی از شناخته شده ترین گریدهای HSS از جمله M2، M35 و M42 است.
فولادهای سری M به دلیل ایجاد تعادل مناسب میان سختی، چقرمگی، مقاومت سایشی و هزینه، کاربرد گسترده ای در تولید ابزارهای برشی دارند.
گرید M2 را می توان یکی از متداول ترین اعضای این خانواده دانست. در مقابل، گریدهایی مانند M35 و M42 با افزودن کبالت برای شرایط کاری سخت تر و نیاز به سختی گرم بالاتر توسعه یافته اند.
فولاد تندبر سری T
فولادهای سری T یا Tungsten High Speed Steels گروه دیگری از فولادهای تندبر هستند که مقدار قابل توجهی تنگستن در ترکیب آن ها وجود دارد. تنگستن با تشکیل کاربیدهای پایدار و سخت، نقش مهمی در مقاومت سایشی و حفظ سختی در دمای بالا ایفا می کند.
از گریدهای شناخته شده این خانواده می توان به T1 اشاره کرد. فولادهای سری T از نظر تاریخی نقش مهمی در توسعه ابزارهای تندبر داشته اند، اما امروزه در بسیاری از کاربردها گریدهای سری M به دلیل ترکیب عملکرد، هزینه و شرایط تولید، بسیار رایج هستند.
انتخاب بین سری M و T باید بر اساس نوع ابزار، جنس قطعه کار، شرایط برش، هزینه و خواص مورد انتظار انجام شود.
گریدهای متعددی از فولاد تندبر وجود دارند و هر کدام برای ایجاد تعادل متفاوتی از سختی، چقرمگی، مقاومت سایشی و سختی گرم طراحی شده اند. M2، M35 و M42 از شناخته شده ترین گریدهایی هستند که در صنایع ابزارسازی مورد استفاده قرار می گیرند.
فولاد M2
فولاد M2 یکی از پرکاربردترین گریدهای فولاد تندبر سری M است. این فولاد ترکیبی مناسب از سختی، چقرمگی و مقاومت سایشی ارائه می دهد و به همین دلیل در ساخت طیف گسترده ای از ابزارهای برشی کاربرد دارد.
ترکیب شیمیایی M2 معمولا شامل کربن، کروم، مولیبدن، تنگستن و وانادیوم است. نسبت دقیق عناصر ممکن است با توجه به استاندارد مربوطه در یک محدوده مشخص تغییر کند.
مته، فرز، قلاویز، برقو، تیغه های برشی و برخی ابزارهای فرم دهی از کاربردهای رایج فولاد M2 هستند. اگر شرایط کاری به سختی گرم بسیار بالا نیاز نداشته باشد، M2 در بسیاری از موارد تعادل مناسبی میان عملکرد و هزینه ایجاد می کند.
فولاد M35
فولاد M35 یک فولاد تندبر آلیاژ شده با کبالت است که می توان آن را از نظر ترکیب و عملکرد نزدیک به خانواده M2 اما با مقدار قابل توجهی کبالت در نظر گرفت. مقدار کبالت M35 معمولا در حدود 5 درصد است.
وجود کبالت باعث بهبود سختی گرم می شود و به ابزار اجازه می دهد در شرایطی که لبه برنده با دمای بالاتری مواجه است، عملکرد مناسب تری داشته باشد.
به همین دلیل M35 برای تولید ابزارهای برشی مورد استفاده در ماشین کاری مواد نسبتا سخت و شرایط کاری دشوار گزینه مهمی است. انواع مته و ابزارهای برشی کبالت دار از کاربردهای شناخته شده این گرید هستند.
فولاد M42
فولاد M42 یکی دیگر از گریدهای مهم HSS سری M است که مقدار کبالت آن از M35 بیشتر است و معمولا در محدوده حدود 8 درصد قرار دارد.
M42 به دلیل سختی بالا و سختی گرم مناسب، برای ابزارهایی طراحی شده است که در شرایط برش دشوار فعالیت می کنند. این فولاد می تواند در ماشین کاری برخی فولادهای سخت، آلیاژهای مقاوم به حرارت و موادی که ماشین کاری آن ها دشوار است مورد استفاده قرار گیرد.
در مقابل، افزایش سختی و عناصر آلیاژی به این معنا نیست که M42 برای هر کاربردی بهترین گزینه است. قیمت بالاتر و تفاوت در چقرمگی و شرایط ساخت ابزار باید هنگام انتخاب میان M2، M35 و M42 در نظر گرفته شود.
به طور خلاصه، M2 یک گرید عمومی و بسیار پرکاربرد است، M35 با کبالت بیشتر برای شرایط حرارتی و برشی دشوارتر مناسب است و M42 برای کاربردهایی با نیاز بالاتر به سختی گرم و مقاومت سایشی مورد توجه قرار می گیرد.
بخش عمده کاربرد فولاد HSS مربوط به ساخت ابزارهایی است که باید ضمن داشتن لبه برنده سخت، در برابر سایش و افزایش دمای ناشی از برش نیز مقاومت کنند.
یکی از شناخته شده ترین کاربردهای این فولاد، ساخت مته است. مته های HSS برای سوراخ کاری طیف گسترده ای از فلزات و مواد مهندسی استفاده می شوند و بسته به جنس قطعه کار می توان از گریدهای مختلف HSS استفاده کرد.
ابزارهای فرزکاری نیز از دیگر کاربردهای مهم فولاد تندبر هستند. انواع فرز انگشتی، تیغه فرز و ابزارهای فرم تراشی می توانند از فولاد HSS تولید شوند.
از فولاد تندبر همچنین برای ساخت قلاویز و حدیده استفاده می شود. این ابزارها برای ایجاد رزوه به مقاومت سایشی، سختی و استحکام لبه مناسب نیاز دارند.
برقوها، ابزارهای تراشکاری، تیغه های برش، ابزارهای چرخ دنده تراشی، پانچ ها و برخی ابزارهای فرم دهی نیز از دیگر موارد استفاده فولاد HSS هستند.
به صورت کلی، مهم ترین کاربردهای فولاد تندبر را می توان در صنایع ابزارسازی، ماشین کاری، قالب سازی، قطعه سازی، خودروسازی و صنایع فلزی مشاهده کرد.
HSS و کارباید هر دو در ساخت ابزارهای برشی استفاده می شوند، اما ساختار، خواص و رفتار آن ها تفاوت قابل توجهی دارد. در بسیاری از موارد منظور از کارباید در ابزارهای برشی، کارباید سمانته مانند کارباید تنگستن با یک فاز اتصال دهنده فلزی است؛ بنابراین کارباید را نباید نوعی فولاد در نظر گرفت.
یکی از مهم ترین تفاوت ها مربوط به سختی و مقاومت سایشی است. ابزارهای کاربایدی عموما سختی و مقاومت سایشی بالاتری نسبت به HSS دارند و می توانند در بسیاری از عملیات ماشین کاری با سرعت برش بیشتری کار کنند.
در مقابل، HSS چقرمگی بیشتری دارد و در برابر ضربه و بعضی شرایط برش ناپایدار تحمل بهتری از خود نشان می دهد. این ویژگی می تواند در ابزارهای ظریف، ابزارهای دارای هندسه پیچیده یا شرایطی که احتمال ضربه و ارتعاش وجود دارد اهمیت داشته باشد.
از نظر مقاومت حرارتی نیز کارباید معمولا امکان کار در دما و سرعت برش بالاتری را فراهم می کند. به همین دلیل در ماشین کاری صنعتی با سرعت بالا، ابزارهای کاربایدی کاربرد گسترده ای دارند.
از طرف دیگر، ابزارهای HSS معمولا امکان تیزکاری و سنگ زنی مجدد مناسبی دارند و ساخت هندسه های پیچیده روی آن ها می تواند ساده تر باشد. هزینه ابزار نیز به نوع و ابعاد ابزار وابسته است و نمی توان در تمام موارد تنها بر اساس قیمت اولیه درباره انتخاب HSS یا کارباید تصمیم گرفت.
بنابراین انتخاب میان HSS و کارباید باید با توجه به سرعت برش، جنس قطعه کار، نوع عملیات، صلبیت ماشین، احتمال ضربه، هندسه ابزار و هزینه کلی فرایند انجام شود.
فولاد تندبر به دلیل مجموعه متعادلی از خواص، همچنان یکی از مواد مهم در صنعت ابزارسازی محسوب می شود. با این حال مانند هر ماده مهندسی دیگری، استفاده از HSS دارای مزایا و محدودیت هایی است.
از مهم ترین مزایای فولاد HSS می توان به سختی بالا، مقاومت سایشی مناسب، حفظ سختی در دمای بالا نسبت به فولادهای ابزار ساده، چقرمگی مطلوب، قابلیت تولید ابزارهایی با هندسه پیچیده و امکان تیزکاری مجدد بسیاری از ابزارها اشاره کرد.
تنوع گریدها نیز یک مزیت مهم است. برای مثال می توان از M2 برای طیف گسترده ای از کاربردهای عمومی استفاده کرد و در شرایط کاری دشوارتر به سراغ گریدهای کبالت دار مانند M35 یا M42 رفت.
در مقابل، یکی از مهم ترین معایب فولاد HSS محدودیت سرعت برش آن در مقایسه با کارباید است. ابزارهای کاربایدی در بسیاری از فرایندهای صنعتی امکان استفاده از سرعت برش بالاتر و بهره وری بیشتر را فراهم می کنند.
همچنین گریدهای پرآلیاژ و کبالت دار HSS می توانند هزینه بیشتری داشته باشند و برای دستیابی به خواص مطلوب به عملیات حرارتی دقیق نیاز دارند.
در نهایت نمی توان یک گرید HSS را برای تمام کاربردها مناسب دانست. انتخاب فولاد تندبر باید بر اساس جنس قطعه کار، سرعت برش، شرایط ماشین کاری، هندسه ابزار، نیاز به مقاومت سایشی و بودجه انجام شود.
سوالات متداول
HSS مخفف High Speed Steel و به معنای فولاد تندبر است. این گروه از فولادهای ابزار به دلیل سختی، مقاومت سایشی و توانایی حفظ سختی در دمای بالا، به طور گسترده در ساخت ابزارهای برشی مورد استفاده قرار می گیرند.
سختی فولاد HSS به گرید و عملیات حرارتی آن بستگی دارد. بسیاری از فولادهای تندبر پس از عملیات حرارتی در محدوده تقریبی 62 تا 68 راکول C مورد استفاده قرار می گیرند، اما برای تعیین مقدار دقیق باید مشخصات همان گرید و استاندارد مربوطه بررسی شود.
هر دو از فولادهای تندبر سری M هستند، اما M35 حاوی حدود 5 درصد کبالت است. وجود کبالت باعث بهبود سختی گرم M35 می شود و آن را برای برخی شرایط برش دشوارتر مناسب می کند. M2 در مقابل یک گرید عمومی و بسیار پرکاربرد HSS است.
یکی از تفاوت های مهم این دو گرید میزان کبالت آن ها است. M35 معمولا حدود 5 درصد و M42 حدود 8 درصد کبالت دارد. M42 عموما برای کاربردهایی که به سختی گرم و مقاومت سایشی بالاتری نیاز دارند مورد استفاده قرار می گیرد.
نمی توان یکی را در تمام کاربردها بهتر دانست. کارباید معمولا سختی، مقاومت سایشی و قابلیت کار در سرعت برش بالاتری دارد، در حالی که HSS معمولا چقرمگی بیشتری ارائه می دهد و برای تولید و تیزکاری برخی ابزارهای پیچیده مناسب تر است. انتخاب باید بر اساس شرایط ماشین کاری انجام شود.
