فولاد هاي تند بر

(۲-۳) مختصري درباره فولاد هاي تند بر
فولادهاي ابزار تند بر ، فولادهاي پر آلياژي هستند كه براي سرعتهاي بالاي برش فلزات خيلي سخت بكار برده مي شوند . از آنجائيكه برش با سرعت زياد سبب بالا رفتن درجه حرارت ابزار و نهايتا رسيدن آن به محدوده سرخ شدن مي شود( Red Range) ، اين ابزارها بايد در مقابل بازگشت (Temper) در محدوده دمايي ذكر شده مقاوم باشند توانايي حفظ سختي و استحكام در محدوده سرخ شدن تحت عنوان سختي داغ ناميده مي شود( Hot Hardness) كه يك خاصيت مهم به شمار مي رود . اين فولادها همچنين بايد مقاومت به سايش و سختي بالايي داشته باشند تا بتوانند مدت معيني لبه هاي تيز برشي خود را حفظ نمايند .

در فولادهاي تند بر ، تنگستن يا موليبدن ( در بعضي موارد هم تنگستن وهم موليبدن ) براي تشكيل كار بيد و سختي داغ ، واناديم براي افزايش مقاومت سايشي وكروم براي كاهش اكسيداسيون وافزايش سختي ودر بعضي اوقات كبالت جهت بهبود سختي دردماي بالا افزوده مي شوند .
فولادهاي ابزار تند بر از نظر تركيب شيميايي به دو دسته تقسيم مي شوند :

۱) نوع حاوي T تنگستن هستند .
۲) نوع كه حاويM موليبدن هستند .
تركيب شيميايي اين فولادها در جدول ۱-۲ نشان داده شده است .
( ۲-۳-۱) اثر عناصر مختلف بر خواص فولادهاي ابزار
۲-۳-۱- ۱ كربن

مانند ديگر فولادهاي ابزار ، كربن ممترين عنصر آلياژي در عمليات سخت كاري مي باشد كه در مراحل مختلف چرخه توليد به نسبتهاي متفاوتي بين زمينه و فاز كا ربيد توزيع مي شود درحالت آنيل شده كربن عمدتا به صورت كاربيد مي باشد كه در هنگام فرايند آستنيته كردن اغلب اين كار بيد ها حل شده و كربن وارد زمينه مي شود .
در حين فرايند بازگشت ، با افزايش درصد كربن زمان سرد كردن بيشتري جهت انجام استحاله مار تنزيتي مورد نياز مي باشد و معمولا عمل بازگشت تا سه مرتبه تكرار مي شود . چرا كه در دفعات اول و دوم بازگشت ، استحاله مار تنزيتي بطور كامل انجام نشده وهنوز مقداري از آستنيت به صورت استحاله نيافته باقي مي ماند . در صورت لزوم نياز به تكرار عمل بازگشت تا انجام كامل استحاله مار تنزيتي مي باشد .

(۲-۳-۱) كروم
وجود حدود ۴ درصد كروم در كليه فولادهاي تند بر باعث شده كه اين عنصر بعد از كربن بعنوان عنصر اصلي به شمار آيد . كروم با توجه به نوع عمليات حرارتي و مقادير مختلف كربن انواع كار بيدها راتشكيل داده ، باعث افزايش سختي پذيري شده و پوسته اي شدن ( Scalng) را به تعويق مي اندازد . اين عنصر در فولاد آنيل شده بصورت كار بيدي كه طي سيكل سخت كردن در آستنيت حل مي گردد وجود دارد واز اين رو يكي از علل اصلي توليد مار تنزيت در فولاد كوئنچ وبازگشت داده شده است .
كروم بواسطه كاستن از مقدار آستنيت باقيمانده ، سرعت نرم شدن فولادها را كاهش مي دهد اما خود به تنهايي قادر به ايجاد اين سختي ثانويه است .
۲-۳-۱-۳ واناديم

اين عنصر معمولا حدود يك تا پنج درصد از وزن فولاد هاي ابزار تند بر را تشكيل مي دهد . مهمترين اثر واناديم توليد كار بيدهاي خيلي سخت از نوع VC مي باشد كه در واقع تركيب شيميايي آنها نزديك به V4C3 مي باشد . اين ذرات كار بيدي زاويه دار و سخت ، اهميت زيادي در افزايش مقاومت به سايش دارند واز آنجاييكه در درجه حرارتهاي معمول سخت كردن قابل حل نيستند . در محدود كردن رشددانه ها موثرند . واناديم همچنين در پايداري مارتنزيت تاثير بسزايي دارد وهنگام بازگشت از نرم شدن فولاد جلوگيري مي كند . براي بوجود آمدن اين اثر ، دماي آستنيته كردن اهميت زيادي دارد تا حداكثر مقدار كار بيد واناديم در فاز آستنيت وجود داشته باشد

در فولاد تند برT1 حدود يك درصد واناديم وجود دارد اما در فولادهاي تند بر موليبدني اين مقدار كافي نبوده و معمولا حدود دو درصد در نظر گرفته مي شود . مقادير بيشتر واناديم تا حدود پنج درصدهم قابل تحمل مي باشد . اما بيش از اين مقدار ، مشكلاتي را در آهنگري بوجودمي آورد ونيز مقدار آستنيت باقيمانده را افزايش داده سبب بروز مشكلات زيادي درعمليات حرارتي مي شود .

حلاليت كم كار بيد واناديم در آستنيت اثر مهمي در عمليات حرارتي دارد . بطوريكه رسوب ذرات ريز كار بيد در مرز دانه ها باعث ايجاد سختي ثانويه مي گردد .
افزايش و اناديم به دليل تشكيل كار بيد وريز كردن دانه هاي آستنيت كاهش سختي پذيري فولاد را بهمراه دارد . حرارت دادن در بالاتر از دماي سخت كاري ( نزديك دماي سوليدوس ) باعث حل شدن اين كار بيد ها در آستنيت مي شود كه در چنين شرايطي واناديم سختي پذيري فولاد را افزايش مي دهد .
۲-۳-۱-۴ كبالت

ميزان استفاده از كبالت د رفولاد ابزار تند بر به مراتب كمتر از عناصر آلياژي ديگر است . كبالت بر خلاف عناصر آلياژي قبلي وارد فاز زمينه مي شود . اين عنصر درجه حرارت سوليدوس را افزايش مي دهد ولذا درجه حرارت سخت كاري را زياد مي كند ودر نتيجه انحلال كار بيد افزايش يافته و به تبع آن مقدار آستنيت باقيمانده افزايش مي يابد شكل ۲-۲ نشان مي دهد كه در يك درجه حرارت سخت كاري خاص ، افزايش مقدار كبالت باعث كاهش مقدار آستنيت باقيمانده مي شود .
باافزايش مقدار كبالت ، سختي پذيري وسختي سرخ نيز بهبود يافته و همچنين هدايت حرارتي مخصوصا دردرجه حرارتهاي بالا افزايش مي يابد . اثرات منفي كبالت ، كاهش چرمگي و مقاومت به سايش مي باشد .

۲-۳-۱-۵ تنگستن و موليبدن
اين دو عنصر اثرات مشابهي داشته و تفاوت عمده آنها درمقدار وزني موجود در آلياژ مي باشد كه اين امر نيز به دليل اختلاف وزني اتمي آنهاست بطوريكه يك درصد موليبدن معادل حدود ۶/۱ تا ۲ درصد تنگستن مي باشد . از آنجائيكه ملاحظات اقتصادي در انتخاب يكي از اين دو عنصر مد نظر مي باشد . در نقاط مختلف دنيا اين انتخاب متفاوت خواهد بود .
تنگستن وموليبدن مقاومت به بازگشت راافزايش مي دهند وگزارش شده كه هر دو آنها بازده برش را افزايش مي دهند . {۲} موليبدن درجه حرارت ساليدوس را بيشتر از تنگستن كاهش مي دهد ولذا حداكثر درجه حرارت مجاز براي عمليات حرارتي در فولادهاي موليبدن دار كمتر مي باشد .

موليبدن و تنگستن هر دو در تركيب با آهن و كربن ، كار بيدهاي پيچيده و پايداري را تشكيل مي دهند . كار بيد متداول آنها بصورتM6C مي باشد كه معمولا بين تركيبات Fe 4W2C, W3Fe3C يا عموما تركيب ( FeMO.W) 6C متغير مي باشد . كه تحت عنوان كار بيد اتا ناميده مي شوند . كاربيدهاي فولادهاي تند بر در حين عمليات حرارتي حلاليت كمي در زمينه دارند . بنابراينMo, W سهم كمي در سختي پذيري اين فولادها داشته وبه همين دليل براي بالا بردن ميزان سختي پذيري فولاد ميزان كروم را افزايش مي دهند .
به هر حال موليبدن و تنگستن مقاومت در برابر نرم شدن مار تنزيت راهنگام باز گشت بشدت افزايش مي دهند كه اين امر سهم بسزايي در افزايش سختي سرخ دارد .
در فولادهاي فاقد اين دو عنصر يا داراي مقادير كم اين عناصر ، سختي ثانويه بسيار ناچيز است .

گزارش شده است كه آستنيت در فولادهاي تند بر موليبدن دار ، از پايداري كمتري نسبت به نوع تنگستن دار برخوردار مي باشد كه اين امر در عمليات حرارتي يك مزيت عملي محسوب مي شود.
(۲-۳-۲) عمليات حرارتي
عمليات حرارتي فولادهاي تند بر به دليل گسترده بودن محدوده دمايي و نياز به بازگشت چند مرحله اي تا اندازه هاي پيچيده تر از انواع ديگر فولادهاي مهندسي مي باشد . به منظور دستيابي به حداكثر سختي در دماي اتاق ودرجه حرارتهاي بالا ، نياز به سخت كاري اين فولادها در دمايي نزديك به درجه حرارت ساليدوس ( وحتي بعضي اوقات كمي بيشتر از آن ) مي باشد . كارهاي اخير بر روي اين فولادها نشان داده است كه سخت كاري از درجه حرارتي كه علايمي از ذوب موضعي ( Incipien Melting) آشكار مي شود ، خواص خيلي خوبي را حاصل خواهد نمود .

امروزه سختي ثانويه ناشي ازعمل بازگشت يكي از بهترين خواص اين فولادها بشمار مي رود . البته بايد متذكر شد كه در فرايند گرم كردن اين فولادها لازم است سرعت گرم كردن بسيار كم باشد كه اين معمولا به وسيله موادي كه داراي هدايت حرارتي كم هستند مانند نمكهاي فلزي انجام مي شود .
پيشرفتهاي اخير در فولادهاي تند بر نشان داده است كه هر قدر دمايي كه از آن عمل كوئنچ صورت مي پذيرد بالاتر رود ، سختي افزايش يافته وخواص برشي هم بهبود مي يابد و چنانچه كوئنچ از دماي پايين تر صورت گيرد سختي كمتر شده اما چقرمگي بهبود مي يابد .

عمليات سخت كاري بكار رفته برخواص حاصل از كوئنچ وبازگشت نهايي تاثير مي گذ ارد . چقرمگي خواص برش سختي واندازه دانه از جمله مهمترين اين خواص به شمار مي روند . چنانچه درجه حرارت و زمان سخت كاري آنقدر بالا باشد كه باعث ذوب موضعي شود ، چقرمگي به شدت كاهش يافته وقابلت برشي افزايش خواهد يافت .
پس از كوئنچ معمولا ساختار فولاد تند بر حاوي حدود ۱۵ درصد انواع كار بيدها ، مار تنزيت اوليه وحدود ۲۰ درصد آستنيت باقيمانده مي باشد .
هدف از بازگشت در فولادهاي تند بر ، دستيابي به سختي ثانويه توسط سختي رسوبي واستحاله آستنيت باقيمانده به مار تنزيت ( از طريق رسوب كار بيدها ) است در شكل منحني بازگشت عمومي فولادهاي تند بر آمده است . مقادير واقعي سختي ودرجه حرارت با عمليات آستنيته كردن و كوئنچ نمودن وهمچنين با تغيير تركيب شيميايي تغيير مي كنند ولي شكل كلي منحني ثابت است.

مكانيزم عملي بازگشت بوسيله محققين زيادي بررسي شده وهنوز وجود مكانيزم دقيقي براي آن مورد بحث مي باشد . درحال حاضر دو مكانيزم براي توجيه منحني بازگشت ما رتنزيت مورد توافق اكثريت است يكي افت سختي با افزايش دماي بازگشت ( شكل a 3-13) و ديگري فرايند سختي رسوبي كه باعث افزايش سختي ( شكل b 3-13 ) مي شود .
نتيجه اين دو منحني در منحني بازگشت مشاهده مي شود كه كاهش در سختي پس از رسيدن به حداكثر آن بوده ( شكل ۱۳-۳ ) وبه دليل كم شدن انطباق رسوب مي باشد . بعلاوه رسوب كار بيدها از آستنيت باقيمانده حاصل از كوئنچ باعث ناپايدار شدن اين آستنيت ودر نتيجه استحاله آن به مار تنزيت در ضمن سرد كردن مي گردد .

در اين حالت يك مرحله ديگر براي بازگشت نياز است تا مار تنزيت ثانويه را بازگشت دهد ودر بعضي از حالات كه ممكن است در اين مرحله هم مار تنزيت جديد بوجود بيايد ، مرحله سوم براي بازگشت ضروري است .

خلاصه اي از مراحل متفاوت عمليات حرارتي كه معمولا بر روي فولادهاي ابزار تند بر انجام مي شود بطور طرحواره در شكل ۱۷-۳ آورده شده است .
۲-۳-۲ خواص مكانيكي

در سالهاي اخير مطالب زيادي راجع به خواص و آزمايشات فولادهاي ابزار تندبر نوشته شده است اما هنوز هم به دلايل زير فهم كامل آنها ميسر نشده است . دليل اول ،بستگي كامل بعضي از خواص به فاز زمينه و بستگي برخي ديگر به فاز كاربيد مي باشد كه باعث مي شود خواص مكانيكي به شدت به ساختار اين فولادها بستگي پيدا كند دليل دوم ، مشكل بودن درك نيروهاي وارد بر قطعه در ضمن عمليات بر شكاري مي باشد ودليل سوم اين فولادها ناگزير داراي مقداري غير يكنواختي در مقياس خردMicro Scaling) ( و خلان ( Macro Scale) هستند .

با وجود توسعه مواد ابزاري جديد هنوز هم فولادهاي تند بر به مقدار زيادي در كارهاي برشي مورد استفاده قرار مي گيرند ( از عمده موارد سايشي كارهاي برشي مي باشد ) اگر چه مواد ابزاري جديد داراي سختي بالايي هستند اما بدليل چقرمگي كم اين مواد ، فولادهاي تد بر كارايي بهتري از خود نشان مي دهند . خاصيت مهم ديگر در فولادهاي تند بر امكان ساخت قطعه يا ابزار با شكل مورد نظر از شمش آن به وسيله كار گرم ونهايتا ماشينكاري جزئي مي باشد ( در شرايط آنيل )
۲-۳-۳-۱ اثر عمليات حرارتي برسايش

تجربيات فراوان در اين نوع آزمايشات نشان داده اند كه پارامترهاي زيادي در سايش مواد ابزاري موثرند از طرفي هم اين پارامترها مستقل از هم نبوده و بنحوي متاثر از يكديگر مي باشند . به هر حال به طور مختصر مي توان پارامترهاي سرعت ، مسافت و نيرو را بر سايش مواد ابزاري موثر دانست .

آزمايشهاي سايش بر روي چند نوع از فولادهاي ابزار مطابق جدول ۵-۳ انجام شده است . از هر يك از نمونه ها سه نمونه تحت عمليات حرارتي متفاوت ( عمليات حرارتي كوئنچ و بازگشت كوئنچ و پايدار سازي و بازگشت ) قرار گرفته و سپس آزمايشات سايش بر روي آنها انجام شده است كه نتايج آن در جدول ۵-۳ نشان داده شده است {۲۵} همانطور كه در جدول مذكور مشاهده مي شود سختي و مقاومت سايشي در اثر عمليات حرارتي زير صفر بهبود يافته است به اين دليل كه اگر عمل كوئنچ در دماي اتاق متوقف شده و سپس عمليات زير صفر انجام شود باعث پايداري استنيت باقيمانده مي شود لذا پير سازي در دماي اتاق كاهش يافته ودر اثر اين عمليات مقدار بيشتري از آستنيت به مار تنزيت تبديل مي شود .

Fanju Meng آزمايشات سايش بر روي فولادي با تركيب۱% C و (۱/۴ % Cr) انجام داد واثر تغيرات سرعت بر نرخ سايش راموردبررسي قرار داد كه خلاصه آن درشكل ۱۳-۴ نشان داده شده است {۳۲} همانند نتايج جدول ۵-۳ در اينجا هعم عمليات زير صفر باعث بهبود نتايج ( كاهش نرخ سايش ) شده است .