فولاد خشکه هوایی یا تندبر

فولاد خشکه هوایی یا تندبر :در سال 1868، رابرت ماشت، فلزکار انگلیسی توانست اولین فولاد خشکه مدرن را تولید کند؛ این فولاد با نام فولاد ماشت شناخته می‌ شود و حاوی 2% کربن (C)، 2.5% منگنز (Mn) و 7% تنگستن (W) می‌ باشد. مهمترین مزیت این فولاد آن بود که با کاهش درجه هوا، سختی فولاد ماشت افزایش می‌ یافت؛ در حالی‌ که در آن زمان و در شرایط مشابه، سختی اغلب فولادها تنها با فرونشاندن و اطفاء آن‌ ها امکان‌ پذیر بود. در طی 30 سال، مهمترین تغییری که در روند تولید فولاد ماشت ایجاد شد، جایگزینی منگنز با کروم (Cr) بود.

در سال‌ های 1899 و 1900، فردریک تایلر و مانسل وایت با همکاری شرکت آمریکایی فولاد بیتلهم، به انجام آزمایشاتی بر فولاد ابزارهای خشکه موجود، از جمله فولاد ماشت پرداختند. در طی این آزمایشات تایلر و وایت توانستند دمای فولاد ابزارهای مورد نظر خود را از حد معمول صنعتی فراتر ببرند. نتیجه این آزمایشات منجر به خلق فولاد ابزارهای جدیدی بود که در دماهای بالاتر، سختی خود را حفظ می‌ کردند و موقعیت مناسب‌ تری برای برش در سرعت‌ های بالاتر در اختیار ماشین کاران قرار دادند. با این‌ حال، تایلر و وایت نتوانستند اختراع خود را به ثبت برسانند و در نهایت درخواست حق انحصار آن‌ ها رد شد. در 1910، اولین آلیاژ رسمی فولاد خشکه یا تندبر، با نام T1 معرفی شد. این فولاد توسط شرکت فولاد کروشیبل، در ابتدای قرن 20 میلادی، به ثبت رسید.

نام دیگر فولاد خشکه هوایی یا تندبر HSS  می باشد. واژه‌ی HSS مخفف شده معادل انگلیسی High-Speed Steels می‌باشد.

وجود عناصر آلیاژی تنگستن و وانادیوم در این فولاد باعث شده که فولاد تندبر در مقایسه با فولادهای کربنی مقاومت بالایی در برابر سایش داشته باشند. فولاد خشکه هوایی (HSS) عموما بیشتر از ابزار های قدیمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. زیرا فولادها HSS بدون از دست دادن فرم یا سختی خود می‌توانند دوام خوبی در دمای بالاتر داشته باشند.

کاربرد فولادهای خشکه هوایی (تندبر) بیشتر برای ساخت تیغه اره‌های برقی و مته می‌باشد.

به‌ طور کلی در صنایع مختلف، ابزارآلات برشی به دو دسته تقسیم می‌ شوند:

• گروه اصلی و شناخته‌ شده فولاد خشکه یا تندبر که تقریباً تمامی شرایط (از معمولی تا بسیار دشوار) را پوشش می‌ دهد.
• و گروه کوچک‌ تر فولادهای میانی که تنها در شرایط معمولی و برای کاربردهای محدود مورد استفاده قرار می‌ گیرند.

نام فولاد خشکه یا تندبر از قابلیت آن‌ ها در ماشینکاری مواد در سرعت‌ های بسیار بالا نشأت می‌ گیرد. این آلیاژهای پیچیده مبتنی بر آهن از کربن، کروم، وانادیوم، مولیبدن یا تنگستن و یا ترکیبی از این عناصر آلیاژی ساخته می‌ شوند؛ در برخی موارد نیز از مقادیر قابل‌ توجه کبالت در فولاد خشکه استفاده می‌ شود. مقادیر کربن و دیگر عناصر آلیاژی به‌ گونه‌ ای اندازه‌ گیری می‌ شود که فولاد خشکه به بهترین و بالاترین سطح سختی، مقاومت در برابر ساییدگی، مقاومت در برابر نرمی در زمان مواجهه با حرارت و استحکام کافی برای انجام عملیات‌ های برش صنعتی برسد.

مزایای فولاد خشکه هوایی

مزایای فولاد خشکه هوایی : مهمترین کاربرد فولاد خشکه در تهیه ابزارهای برش مختلف، از جمله دریل، دستگاه فرز، بیت ابزار، بیت‌ های روتر، تیغه‌ اره، تیغه‌ های برش و اتصالات و غیره مشاهده می‌ شود. امروزه فولاد ابزارهای خشکه در عملیات‌ های پانچ و حدیده نیز کاربرد دارد. یکی دیگر از موارد استفاده از فولاد خشکه یا تندبر در تهیه و تولید ابزارهای دستی ظریف می باشد. سختی مناسب و مقاومت در برابر سایش از جمله ویژگی‌ هایی است که این ابزار را به گزینه‌ ای مناسب برای انجام عملیات‌ های کم‌ سرعت تبدیل کرده است. برخی از ابزارهای تولید شده با این هدف عبارتند از: اسکنه، چاقوی آشپزخانه، چاقوهای جیبی، سوهان و غیره. علاوه بر این، از فولادهای خشکه برای خراطی نیز استفاده می‌ شود. زیرا در این موقعیت، سرعت عبور قطعات از لبه تیغ سریع‌ تر از ابزار دستی است و در مقایسه با ابزار فولادهای کربنی، فولاد خشکه به‌ راحتی تیزی لبه خود را از دست نمی‌ دهند.

فولاد خشکه t&m

فولاد خشکه t&m

بر اساس اطلاعات به‌ دست‌ آمده از AISI (موسسه فولاد و آهن ایالات‌ متحده آمریکا)، در حال حاضر بیش از 40 دسته‌ بندی مختلف برای فولاد خشکه وجود دارد. سیستم دسته‌ بندی تعریف‌ شده در AISI به‌ گونه‌ ای تنظیم‌ شده است که فولاد ابزارهای خشکه حاوی تنگستن در گروه T و فولاد ابزارهای خشکه با پایه مولیبدن در دسته M قرار می‌ گیرند. علاوه بر این، حروف T و M با عددی همراه هستند که معنی خاصی ندارد و تنها برای تمایز فولادهای خشکه مختلف در نظر گرفته‌ شده است. برای مثال، M1 نشان‌ دهنده این نیست که میزان عنصر آلیاژی این فولاد از M2 بیشتر است و یا سختی بیشتر و مقاومت کمتری در برابر ساییدگی دارد. این عدد تنها انواع مختلف فولاد خشکه را از یکدیگر متمایز کرده و به‌منظور تسهیل انتخاب فولاد ابزارهای خشکه تعریف می‌شود.

سری T حاوی 12 تا 20 درصد تنگستن است و دیگر عناصر آلیاژی اصلی در این سری عبارتند از: کروم، وانادیوم و کبالت. سری M حاوی میزان نسبی 3.5 تا 10 درصد مولیبدن است و کروم، وانادیوم، تنگستن و کبالت از جمله دیگر عناصر آلیاژی استفاده‌ شده در ترکیب سری M هستند. تمامی فولاد ابزارهای خشکه، با پایه تنگستن یا مولیبدن، تقریباً 4% کروم را در بر می‌ گیرند. مقادیر کربن و وانادیوم متفاوت بوده و به‌ طور کلی، اگر میزان وانادیوم افزایش یابد، مقادیر کربن نیز افزایش خواهد یافت، مقادیر کبالت و مولیبدن در نوع T1 تنگستن، صفر است. با این‌ حال، فولاد ابزارهای سری T با پایه کبالت، از T4 تا T15، شامل مقادیر مختلف کبالت هستند. میزان کبالت در سری M، از M1 تا M10 (به‌ جز M6)، صفر است؛ فولاد ابزارهای مولیبدن با پایه کبالت در سری‌ های M30 و M40 دسته‌ بندی می‌ شوند. فولاد ابزارهای خشکه سوپر نیز در دسته M40 به بالا قرار دارند. این فولاد ابزارهای سوپر در مواجهه با حرارت به بالاترین حد سختی ممکن میرسند.

به‌ طور کلی، مقاومت سری M در برابر سایش بیشتر از سری T است. علاوه بر این، اعوجاج (distortion) فولاد ابزارهای سری M در حین عملیات‌ های حرارتی کمتر بوده و هزینه تولید و نگهداری کمتری نیز دارند. به‌ منظور بهبود عملکرد و طول عمر فولاد ابزارهای خشکه میتوان این ابزارها را به لایه‌ ای از نیترید تیتانیوم یا کربید تیتانیوم و یا دیگر لایه‌ های محافظتی شناخته‌ شده مجهز کرد.

فولادهای حاوی تنگستن

در صورتی که در فولادهای تندبر از ۱۸ درصد آلیاژ تنگستن استفاده شود به آن فولادهای تنگستن پایه می‌گویند.

فولادهای حاوی مولیبدن

در صورتی که در فولادهای تندبر از ۱۸ درصد آلیاژ مولیبدن استفاده شود به آن فولادهای مولیبدن پایه می‌گویند.

فولادهای تندبر (خشکه هوایی) فولادهای آلیاژی هستند که از عناصر آلیاژی تنگستن و مولیبدن، ویژگی‌های خود را دریافت می‌کنند.

فولادهای HSS تنگستن پایه در مقایسه با فولادهای HSS مولیبدن پایه کاربرد بیشتری دارند.

همچنین فولادهای تندبر مولیبدن پایه به علت مقاومت کمی که دارند، از نظر قیمت ارزان‌تر هستند.

وجود عناصر آلیاژی نظیر مولیبدن، کروم، تنگستن، وانادیوم در فولادهای خشکه هوایی باعث شده که به فولادی با کارآیی بالا تبدیل شوند.

به همین علت این فولادها قادرند که سختی خود را در دمای بیش از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد حفظ کنند و مقاومت خوبی در برابر سایش داشته باشند.

برای بهبود خاصیت سختی در فولاد تندبر می‌توان به آن عنصر کبالت اضافه کرد. فولادهای HSS با دارا بودن سختی به طور میانگین ۶۰ تا ۷۰ راکول در دسته‌ی سخت‌ترین فولادهای آلیاژی جای گرفته است.

کاربرد خشکه هوایی

1. از فولادهای تندبر برای ساخت انواع ابزارهای برشی نظیر ابزار دنده تراشی، تیغه تراش، دریل، فرز برش، مته، تیغه‌های اره و غیره استفاده می‌شود.
2. همچنین روزانه استفاده از فولادهای تندبر برای قالب سازی و مهرزنی رو به افزایش می‌باشد.
3. از این فولاد برای ساخت ابزارهای دستی نیز استفاده می‌شود علی الخصوص برای مواردی که سختی و مقاومت سایشی بالا اهمیت داشته باشد تا برای استفاده از ابزارها برای برنامه‌های کاربردی که کم سرعت و دارای لبه‌های تیز هستند. مثل ساخت چاقوهای جیبی و آشپزخانه، مته‌های حفاری و غیره.
4. محبوب‌ترین نوع فولاد برای استفاده در خراطی، فولاد ابزارهای HSS می‌باشد. زیرا سرعت حرکت در لبه ها برای فولاد ابزار دستی بسیار بالا است.

به دلیل سختی و مقاومت زیادی که فولاد تندبر در زمان برش دارد، علاوه بر موارد بالا کاربردهای زیادتری دارد که شامل موارد زیر می شود.

ویژگی فولاد تندبر

‌ویژگی فولاد تندبر:علی‌ رغم ویژگی‌ های منحصر به‌ فردی که به‌ واسطه تغییر نوع و مقدار عناصر آلیاژی مختلف در فولاد ابزارهای خشکه به وجود می‌ آیند، برخی از ویژگی‌ های مشابه در تمامی فولاد ابزارهای خشکه یا تندبر عبارتند از:

• تمامی آنها شامل مقادیر زیادی عنصر آلیاژی هستند.
• مقادیر کربن در تمامی این ابزارها به حدی است که امکان سختی تا 64 HRC برای فولاد مهیا باشد.
• سختی تمامی این فولاد ابزارها به‌ صورت عمقی اتفاق می‌ افتد؛ به‌ گونه‌ ای که پس از اتمام عملیات‌ های صنعتی، سختی تمامی قسمت‌ ها، از مرکز تا سطح، کاملاً یکپارچه و واحد است.
• تمامی این ابزارها در دماهای بالا سخت می‌ شوند و سرعت تغییر آن‌ ها به حدی است که حتی در تماس با هوا سرد شده و همچنان در حداکثر سطح سختی خود باقی می‌ مانند.

مهمترین ویژگی فولاد خشکه در قابلیت برش آن‌ ها خلاصه می‌ شود. قابلیت برش این ابزار نیز رابطه مستقیمی با چهار ویژگی کلی دارد:

• سختی: میزان مقاومت ابزار در برابر نفوذ دستگاه نفوذکننده شبه الماس که در دمای محیط اندازه‌ گیری می‌ شود.
• سختی داغ: قابلیت ابزار در حفظ سختی در دماهای بالا
• مقاومت در برابر سایش: مقاومت در برابر ساییدگی که معمولاً با تکیه بر آزمون‌ های قابلیت خرد شدن، سایش فلز بر فلز و غیره اندازه‌ گیری می‌ شود.
• استحکام (سفتی): قابلیت ابزار در جذب انرژی

اهمیت نسبی این ویژگی‌ ها بر اساس کاربرد مورد نظر تغییر می‌ کند. سرعت‌ های فلزکاری بسیار بالا نیازمند ابزاری هستند که دارای سختی ابتدایی بالا و حداکثر مقاومت در برای نرم شدن در دماهای بالا باشند. برخی مواد می‌ توانند موجب ساییدگی شدید ابزار برش شوند؛ از این‌ رو، مقاومت ابزار برش در برابر سایش می‌ تواند از مقاومت ابزار در برابر دماهای بالا بسیار مهم‌ تر باشد. برش مواد سخت نیازمند فولاد ابزاری است که سختی بیشتری دارد؛ در این صورت، طول عمر ابزار برش نیز افزایش خواهد یافت. با این‌ حال، در این موقعیت باید استحکام و سفتی مورد نیاز برای عملیات مورد نظر را نیز در نظر گرفت. برای انتخاب بهترین فولاد ابزار با مناسب‌ ترین ویژگی‌ ها باید در ابتدا، گرید مناسب و سپس، عملیات حرارتی مناسب با شرایط را انتخاب کرد.