عملیات حرارتی فولادهای ابزار تندبر

heat-treating-of-high-speed-tool-steels-02

عملیات حرارتی فولادهای ابزار تندبر

فولادهایی با توانایی حفظ سختی حتی در دماهای بالا را هستند بنابراین، همانطور که از عبارت تندبر برمی‌آید، این فولادها در درجه اول برای ابزارهای برشی که حرارت قابل توجهی را در طی ماشینکاری تولید می کنند، استفاده می‌شوند. علاوه بر سختی داغ بسیار عالی که به دلیل توانایی فولادهای تندبر در مقاومت در برابر نرم شدن دارند، این گروه از فولادها دارای تعدادی ویژگی آلیاژی و فرآیندی منحصر به فردی هستند. این ویژگی ها شامل محتوای آلیاژ و کربن کافی برای تامین کاربیدهای آلیاژی، سخت شدن در دمای نزدیک به نقطه ذوب آن‌ها، سخت شدن با اندازه دانه‌های آستنیتی ریز، سخت شدن عمیق با خنک شدن در هوا و سخت شدن ثانویه برجسته در طول عملیات تمپر است.

فولادهای تندبر به عنوان فولادهای گروه M یا گروه T در سیستم طبقه بندی AISI، بسته به اینکه رویکرد اصلی آلیاژی مبتنی بر مولیبدن یا تنگستن باشد، تعیین می شوند. جدول 1 اطلاعاتی را فهرست کرده و خواص و عملکرد فولادهای گروه T را رتبه بندی می کند.

فولادهای تندبر گروه T و M عملاً عملکرد یکسانی دارند و امروزه به دلیل مزایای اقتصادی، فولادهای تندبر مولیبدنی بسیار بیشتر از فولادهای تندبر تنگستنی مورد استفاده قرار می گیرند. تفاوت در هزینه تا حدی بر اساس این واقعیت است که وزن اتمی مولیبدن تقریباً نصف وزن اتمی تنگستن است. بنابراین، بر اساس وزن، مولیبدن کمتری نسبت به تنگستن برای ارائه عملکرد معادل مورد نیاز است. اتم های مولیبدن و تنگستن شعاع اتمی مشابهی دارند و کاربیدهای مشابهی تشکیل می دهند. جایگزینی 6/1 تا 2 درصد وزنی تنگستن با تنها 1 درصد وزنی مولیبدن برای ایجاد ریزساختار و خواص کاملاً مشابه در فولادهای ابزار تندبر اتفاق می‌افتد.

گروه M فولادهای تندبر را می‌توان به دو زیر گروه تقسیم کرد، یکی بر اساس افزودن مولیبدن با تنگستن محدود، و دیگری بر اساس مولیبدن به اضافه تنگستن بالاتر. زیرگروه مولیبدن شامل فولادهای M1، M7 و M10 و زیرگروه مولیبدن- تنگستن شامل فولادهای M2، M3 و M4 است. سه تا از این فولادها، M1، M2 و M10، همراه با T1، از نظر خواص و عملکرد بسیار مشابه هستند و می توانند به جای یکدیگر برای بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند.

آستنیته فولادهای تندبر

آستنیته کردن برای سخت شوندگی یک مرحله مهم در عملیات حرارتی فولادهای تندبر است. همانطور که در شکل1 نشان داده شده است، آستنیته شدن در منطقه فازی آستنیت-کاربید، یعنی در دماهای بسیار بالا انجام می شود. زمان آستنیته بسیار کوتاه است، حدود 2 تا 5 دقیقه. با توجه به دمای بسیار بالا، دو مرحله پیش گرم کردن قبل از گرم کردن تا دمای آستنیته نهایی توصیه می شود تا شوک حرارتی به حداقل برسد.

درست مانند سایر فولادهای ابزار، عملکرد آستنیته کردن فولادهای تندبر تنظیم کسرهای حجمی کاربید و ترکیب شیمیایی زمینه برای ایجاد پاسخ بهینه به سخت شدن و تمپر بعدی است. تفاوت فولادهای تندبر با سایر فولادها در پایداری قابل توجه کاربیدهای آلیاژی است. کاربیدهای M₂₃C₆ در دماهای آستنیته نسبتاً پایین حل می شوند و در دمای 1095 درجه سانتیگراد (2000 درجه فارنهایت) کاملاً حل می شوند. با این حال، کاربیدهای M₆C و MC اولیه در دماهای بسیار بالاتر پایدار هستند و در واقع، علیرغم دماهای آستنیته بالا که برای سخت شدن استفاده می شود، هرگز به طور کامل حل نمی شوند.

شکل 2 تغییرات درصد حجمی کاربیدهای آلیاژ M₆C و MC را به عنوان تابعی از دمای آستنیته برای تعدادی از فولادهای تندبر نشان می‌دهد. کاربیدهای M₆C تمایل دارند تا حدودی سریعتر از کاربیدهای MC حل شوند. همه فولادهای تندبر حاوی مقداری از هر نوع کاربید آلیاژی هستند، اما مقدار کاربیدهای مختلف که معمولاً در یک فولاد سخت شده معین باقی می‌مانند به ترکیب فولاد بستگی دارد.

اگر یک فولاد تندبر بعد از اولین عملیات حرارتی سختکاری و تمپر، مجدد نیاز به سخت شدن داشته باشد، درشت شدن شدید دانه‌ها ممکن است در طی عملیات آستنیته دوم ایجاد شود. مرزدانه‌های درشت کاملاً شکننده هستند و شکست بین دانه‌ای ایجاد شده منجر به شکست می‌شود. چقرمگی کمتر فولادهای تندبر که به طور ناپیوسته درشت شده اند، عموماً آنها را برای ابزار برش نامناسب می کند. شکل 3 نشان می دهد که درشت شدن دانه‌ها در طی عملیات سخت شدن مجدد، تابعی از دمای آستنیته اول است. به منظور جلوگیری از درشت شدن ناپیوسته دانه، ابزارهایی که نیاز به سخت شدن مجدد دارند باید قبل از عملیات سخت شدن دوباره آنیل شوند. تمپر مجدد، پراکندگی‌های کاربید درشت‌تری ایجاد می‌کند که در طی آستنیته کردن به تدریج درشت و حل می‌شوند و در نتیجه باعث افزایش تدریجی اندازه دانه می‌شوند.

اگرچه فولادهای تندبر در کوئنچ در هوا دارای سختی کافی هستند، اما غالباً در دماهای بین 540 تا 650 درجه سانتیگراد (1000 تا 1200 درجه فارنهایت) از طریق کوئنچ کردن در نمک یا مارتمپر کردن سخت می‌‎شوند و هیچ افتی در سخت شدن در طول کوئنچ حمام نمک رخ نمی دهد. کوئنچ های حمام نمک خنک شدن را تا حدودی تسریع می کنند و در نتیجه تشکیل کاربیدهای مرزدانه را به حداقل می رساند. شبکه‌های نازک کاربیدهای مرز دانه بر سختی تأثیر نمی‌گذارند، اما می‌توانند در برخی شرایط تنش، چقرمگی را کاهش دهند.

هدف از سخت شدن، تشکیل ریزساختارهای مارتنزیتی است که کربن و عناصر آلیاژی کافی را برای ایجاد سختی ثانویه در حین تمپر ترکیب کنند. ریزساختارهای فولادهای تندبر سخت شده متشکل از مخلوطی از مارتنزیت و آستنیت باقی مانده است که به نوبه خود به آستنیته کردن و نحوه خنک شدن ابزارها پس از آستنیته کردن بستگی دارد. شکل 4 اثر دما و زمان آستنیته شدن را بر سختی فولاد T1 نشان می دهد. حداکثر سختی با افزایش دمای آستنیته افزایش می یابد. این داده‌ها اهمیت آستنیته شدن در دمای بالا را در تسریع انحلال کاربیدهای آلیاژی پایدار در فولادهای تندبر و مزایای همراه بر تشکیل آستنیت و استحکام مارتنزیت نشان می‌دهد. با دمای آستنیته بالاتر، انتظار می‌رود افزایش کربن موجود در آستنیت منجر به ماندگاری بیشتر آستنیت در خنک شدن تا دمای اتاق و همچنین مارتنزیت با سختی بالاتر شود. ترکیبات زمینه بسیاری از فولادهای ابزار تندبر که به درستی سخت شده اند کاملاً مشابه هستند .

مقدار آستنیت باقی‌مانده ممکن است بسیار متفاوت باشد، تخمین زده می‌شود که حداقل 15 درصد آستنیت باقی‌مانده در همه فولادهای تندبر وجود دارد و 20 تا 25 درصد آستنیت باقی‌مانده نشان‌دهنده یک مقدار خوب برای کاربردهای صنعتی است.

heat-treating-of-high-speed-tool-steels-01

تمپر و سختی فولادهای تندبر

تمپرینگ آخرین مرحله عملیات حرارتی است که برای فولادهای تندبر اعمال می شود. ریزساختار در شروع تمپر شامل کاربیدهای اولیه، مارتنزیت و آستنیت باقی مانده است که مقادیر دقیق آنها به بسیاری از عوامل آلیاژی و فرآوری بستگی دارد، اما معمولاً به ترتیب در حدود 10 %، 70٪، 20٪ است. ذرات درشت کاربید آلیاژی اولیه با دمای نسبتاً پایینی که برای تمپر استفاده می شود، بدون تغییر باقی می مانند.

مارتنزیت و آستنیت باقی مانده، اگرچه ساختارهای کریستالی متفاوتی دارند، اما ترکیبات یکسانی دارند. با این حال، ترکیبات پایدار ایجاد شده در طول آستنیته شدن در دمای بالا، در دمای اتاق و در دماهای مورد استفاده برای تمپر، بسیار ناپایدار هستند، زیرا مارتنزیت و آستنیت با اتم‌های کربن و عناصر آلیاژی فوق اشباع شده‌اند. در نتیجه، در طول تمپر، زمانی که نفوذ عناصر آلیاژی امکان پذیر است، تعدادی از تغییرات ساختاری آغاز می شود – به ویژه، رسوب کاربیدهای آلیاژی.

سخت شدن ثانویه ناشی از رسوب کاربیدهای آلیاژی بسیار ریز و پایدار است. برای زمان‌های تمپر ثابت در حدود ۱ یا ۲ ساعت، سخت شدن ناشی از رسوب کاربید آلیاژی در حدود ۳۱۵ درجه سانتی‌گراد (۶۰۰ درجه فارنهایت) شروع می‌شود و بین ۵۱۰ تا ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد (۹۵۰ تا ۱۰۵۰ درجه فارنهایت) به اوج می‌رسد. در دماهای تمپر بالاتر، توزیع ریز ذرات M₂C و MC با رسوب کاربیدهای M₂₃C₆ و M₆C جایگزین می‌شود. این کاربیدها به سرعت درشت می شوند و با افزایش درجه حرارت سختی به شدت کاهش می یابد.

دماهای آستنیته بالاتر، که در آن کربن و عناصر آلیاژی بیشتری وارد محلول می شوند، فوق اشباع مارتنزیت کوئچ شده را بالا برده و شدت رسوب کاربید را افزایش می دهد، بالاترین سختی و سختی ثانویه را در تمام دماهای تمپر نسبت به نمونه های آستنیته شده در دمای پایین تر افزایش می دهد. بنابراین، دمای آستنیته در انتهای محدوده های توصیه شده برای کاربردهای برشی که به حداکثر سختی نیاز دارند ترجیح داده می شوند، مشروط بر اینکه اندازه دانه آستنیت به شدت درشت نباشد. آستنیت باقیمانده نیز با افزایش دمای آستنیته شدن افزایش می‌یابد، اما میزان آستنیت باقی‌مانده تأثیر کمی بر حداکثر سختی تمپرشده دارد. مشاهده شده است که فولادهای تندبر که با هوا خنک شده‌اند، سختی کوئنچ شده‌ی مشابه زمانی دارند که در روغن کوئنچ می‌شوند، اما مقاومت کمتری در برابر حرارت دارند. برای هر درجه حرارت و زمان تمپر ثابت، سختی نمونه‌های خنک‌شده با هوا یک یا دو عدد HRC کمتر از نمونه‌های کوئنچ شده با روغن است.

تفاوت عمده بین رفتار تمپر فولادهای تندبر و سایر فولادهای ابزار با محتوای آلیاژی پایین، پایداری بسیار بالای آستنیت باقی مانده در فولادهای تندبر سخت شده است. با این حال، تمپر کردن، آستنیت باقیمانده را به گونه‌ای تنظیم می‌کند که در طی سرد شدن پس از تمپر به مارتنزیت تبدیل شود. باید توجه کرد که مارتنزیت تشکیل شده در هنگام خنک شدن پس از اولین چرخه تمپر، تمپر نشده است، بنابراین چقرمگی فولاد تندبر را کاهش می‌دهد. این شرایط نیاز به چرخه‌های تمپر دوگانه و سه‌گانه اعمال شده در فولادهای تندبر دارد.

عملیات حرارتی سایا با در اختیار داشتن کوره های دمای بالا (تا 1250 درجه سانتیگراد ) توانایی فنی و همچنین تجربه کافی در زمینه عملیات حرارتی فولاد های ابزار تند بر ( HSS یا حشکه هوایی ) ارایه خدمات سختکاری این فولاد ها را به صورت مداوم در برنامه دارد . جهت اطلاع از برنامه شارژ دمای بالا با ما تماس بگیرید .

به طور کلی در جدول زیر نگاهی اجمالی به فولادهای ابزار تندبر خواهیم داشت:

فولاد ابزار تندبر	Mat. No	Other Standards	Chemical Composition	Hardening Cycle
M2	1.3343	DIN: S6-5-2	C: 0.95%, Cr: 4.15%, V: 1.95%, Mo: 5.00%, W: 6.40%	Preheat: 500-800°C Austenitize: 1180-1200°C Quench: Oil, Salt bath 500°C, or Air, Temper: 540-560°C for 1-2 hours
M42	1.3247	DIN: S2-10-1-8	C: 1.05%, Cr: 3.75%, V: 1.50%, Mo: 9.50%, W: 1.50%, Co:8.00%	Preheat: 500-800°C Austenitize: 1160-1200°C Quench: Oil, Salt bath 500°C, or Air Temper: 510-560°C for 1-2 hours
T1	1.3355	DIN: S18-0-1	C: 0.78%, W: 18.00%, Cr:4.15, V: 1.10%	Preheat: 500-950°C Austenitize: 1230-1250°C Quench: Salt bath 500°C, oil, or Air Temper: 540-650°C for 1-4 hours
T15	1.3202	DIN: S12-1-4-5	C: 1.50%, W: 12.00%, Mo: 0.85%, V: 4.00%, Cr:4.15%, Co:4.75%	Preheat: 500-900°C Austenitize: 1180-1240°C Quench: Air, Oil or Salt bath 500°C Temper: 540-595°C for 1-4 hours
M4	1.3343	AISI: M4, JIS: SKH54	C: 1.00%, Cr: 4.10%, V: 1.90%, Mo: 4.80%	Preheat: 550-800°C Austenitize: 1180-1230°C Quench: Air, Salt bath 500°C or oil Temper: 550-595°C for 1-4 hours
T42	1.3207	AISI: T42, JIS: SKH59	C: 1.25%, Cr: 4.00%, W: 9.50%, Mo: 3.50%, V:3.25%, Co:10.0%	Preheat: 550-900°C, Austenitize: 1200-1230°C, Quench: Air Salt bath 500°C or oil, Temper: 540-600°C for 1-4 hours
M35	1.3243	DIN: S6-5-2-5	C: 0.93%, Cr: 4.20%, V: 6.20%, Ni: 1.90%, Co: 4.75%	Preheat: 500-900°C, Austenitize: 1200-1240°C, Quench: Salt bath 550°C, oil, or air, Temper: 550-580°C for 1-2 hours
T4	1.3255	AISI: T4, JIS: SKH75	C: 0.79%, Mo: 0.65%, Cr: 4.15%, V: 1.55%, W: 18%, Co: 4.75%	Preheat: 550-800°C, Austenitize: 1240-1280°C, Quench: Salt bath 550°C or oil or Air, Temper: 550-580°C for 1-4 hours

جدول1-فاکتورهای عملکرد و اطلاعات برای فولادهای ابزار تندبر نوع T

شکل1- نمودار فازی برای فولاد تندبر نوع T1 بر اساس بخش 18W-4Cr از طریق سیستم چهارتایی Fe-W-Cr-C

شکل2- درصد حجمی M₆C، MC، و کاربیدهای کل به عنوان تابعی از دما در هشت فولاد تجاری تندبر پس از کوئنچ در روغن.

شکل4- تاثیر زمان و دمای آستنیته شدن بر سختی فولاد تندبر T1. نمونه‌ها در حمام نمک آستنیته شدند.

شکل3- رابطه تمپر اول و دوم (درشت شدن) برای چند فولاد تندبر.