เหล็กเครื่องมือ
( Tool Steel )
5. เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูง
(High speed tool steel)
การพัฒนาเหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูง เพื่อความมุ่งหมายหลัก ในการใช้เป็นวัสดุในการตัดโลหะ
ด้วยความเร็วสูง ซึ่งต้องมีคุณสมบัติแข็งคมที่อุณหภูมิสูงกว่าปกติ ซึ่งเหล็กกล้าเครื่องมือทำงานร้อนจะรักษาความแข็งไว้ไม่ได้
เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงจะประกอบด้วยธาตุผสมที่มีคุณสมบัติรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ที่มีความแข็งและเสถียรภาพสูง
นอกจากนี้ยังให้โครงสร้างพื้นฐานของเหล็กที่มีความแข็ง, ความเหนียว,
ความสามารถในการอบชุบแข็งและคงความแข็งได้ดีที่อุณหภูมิสูง สรุปโดยทั่วไปแล้วคุณสมบัติของเหล็กที่จะถูกกำจัดให้อยู่ในเหล็กกล้าเครื่องมือกลุ่มนี้จะต้องมีความสามารถในการตัดโลหะสูง
( Cutting Perfmance ) เพื่อผลในด้านการทำงานตัดโลหะอย่างมีประสิทธิภาพและประหยัด
นอกจากจะใช้เป็นอุปกรณ์สำหรับตัดโลหะแล้วยังอาจนำไปใช้เป็นอุปกรณ์อื่น
ๆ ได้ผลดี เช่น การทำแม่พิมพ์อัดขึ้นรูปและแม่พิมพ์ตัดโลหะอื่น
ๆ ธาตุผสมที่สำคัญ ได้แก่ ทังสเตน โมลิบดินั่ม โครเมียม วาเนเดียม และโคบอลต์
ส่วนธาตุคาร์บอนซึ่งเป็นธาตุที่สำคัญในด้านความแข็งทั้งคาร์ไบด์และโครงสร้างพื้นฐาน
จะต้องสูงตั้งแต่ 0.7 - 1% และบางกรณีอาจสูงถึง 1.5% ทั้งนี้เพราะธาตุผสมแต่ละธาตุล้วนมีบทบาทลดปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเท็คตอย
เพื่อให้มีคาร์บอนในออสเทนไนท์ไม่น้อยกว่า 0.4% จึงต้องผสมคาร์บอนในเกณฑ์สูง
ทั้งนี้เพื่อให้โครงสร้างของเหล็กมีความสามารถในการชุบแข็งสูงและได้มาร์เทนไซท์ภายหลังการชุบ
มีความแข็งสูงเช่นเดียวกัน
ทังสเตนและโมลิบดินั่ม มีบทบาทร่วมกันในการเพิ่มคุณสมบัติคงความแข็งที่อุณหภูมิสูง
( Red hardness ) ซึ่งความสามารถในการตัด ในต่างประเทศที่ไม่มีแหล่งแร่ทังสเตนจะหันมาใช้
โมลิบดินั่มซึ่งถูกกว่าแทน โดยจะผสมโมลิบดินั่มประมาณ 1% แทน ทังสเตนประมาณ
1.6-2.0% ดังเช่นเหล็กเครื่องมือความเร็วสูงทั่ว ๆ ไป จะเป็นชั้นคุณภาพ
18-4-1 ( 18 % W, 4% Crและ 1% V) จะมีคุณภาพเทียบเท่ากับ 6-66-4-1 (
6% W, 6% Mo, 4% Cr และ 1% V ) คือสามารถใช้ โมลิบดินั่ม 6% แทนปริมาณทังสเตนได้
12 %
โครเมียม เป็นธาตุผสมที่มีบทบาทเสริมความสามารถในการชุบแข็งที่ให้ได้ความลึกของผิวแข็งสูง
ส่วนใหญ่จะผสมโครเมียม 4% ซึ่งจะละลายในออสเทนไนท์ได้หมด และภายหลังการชุบจะคงอยู่ในสภาพละลายในมาร์เทนไซท์ที่มีผลด้านความแข็งของมาร์เทนไซท์
ในขณะอบคืนตัว และมีผลบางส่วนต่อการเกิดความแข็งครั้งที่สอง ( Secondary
hardening )
วาเนเดียม ผสมในเหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงไม่น้อยกว่า
1% และในบางชั้นคุณภาพอาจผสมสูงถึง 2-3% วาเนเดียม มีบทบาทที่สำคัญด้านป้องกันการขยายตัวของเกรนในช่วงการเผาที่อุณหภูมิใกล้จุดหลอมเหลว
โคบอลต์ เป็นธาตุผสมที่ผสมในเหล็กกล้าเครื่องมือความสูง
ในชั้นคุณภาพพิเศษเท่านั้น ( Super grade ) ซึ่งจะผสมในอัตราสูงเกิน
10% บทบาทที่สำคัญของโคบอลต์ในเหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูง คือ ช่วยเพิ่มคุณสมบัติคงความแข็งที่อุณหภูมิสูง
( Red hardness ) โดยที่ความเหนียวของเหล็กไม่เปลี่ยนแปลง จากการศึกษาในหลาย
ๆ ด้านสามารถกล่าวยืนยันได้ว่าโคบอลต์มีส่วนต้านการตกผลึกของคาร์ไบด์ต่าง
ๆ ได้ดีโดยที่โคบอลต์ไม่รวมกับคาร์บอนแต่จะรวมกับธาตุผสมอื่น ๆ
เหล็กเครื่องมือชนิดนี้ทนแรงกระทำได้สูงมากแต่ทนแรงกระแทกไม่ได้ดี
และแบ่งออกเป็นกลุ่มย่อยดังนี้
เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงมีทังสเตนผสมหลัก
(TYPE T) เหล็กเครื่องมือชนิดนี้มีทังสเตนผสมส่วนมาก
เช่น HSS 18-4-1 (185W,45CR, 1%V) มีคุณสมบัติต้านทานต่อการสึกหรอดี
จึงนิยมนำไปใช้ทำสว่าน มีดกลึง หัวเจาะโลหะ และเครื่องตัดโลหะ เป็นต้น
- เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงมีโมลิบดีนัมผสมหลัก(TYPE
M)เหล็กเครื่องมือชนิดนี้มีโมลิบดีนัม ผสมส่วนมาก เช่น HSS 6-6-4-1
(6%mo 6%w 4%cr 1%v) มีคุณสมบัติที่สามารถทำให้แข็งได้ถึง 70 Rc และการใช้งานได้เหมือนกัน
แต่มีราคาถูกกว่าชนิดที่ผสมทังสเตน
- เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงชนิดพิเศษ (super
speed tool steel) เหล็กเครื่องมือชนิดนี้ จะผสม โคบอลต์ประมาณ
12 % ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติดีกว่า HSS ทั้งสองประเภทที่กล่าวมาแล้ว จะช่วยเพิ่มคุณสมบัติ
คงความแข็งขณะร้อนแดง (red hardness) สามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า
โดยทั่วไปจะมีส่วนผสม 18-20 %W, 4%Cr, 2 %V และ 12 %Co
