بیشترین کاربرد فولادهای ابزار برای ساخت و شکل دادن مواد اصلی از قبیل فلزات، پلاستیک ها و چوب است. فولادهای ابزار با توجه به ترکیب شیمیایی جز فولادهای کربنی یا آلیاژی هستند که قدرت سخت شدن (آبدار شدن) و بازپخت را دارد. هدف از نگارش این مقاله ارائه توضیحاتی در مورد فولاد ابزار سردکار و گرم کار (فولادهای آبدار) و کاربرد فولاد ابزار سردکار و گرم کار است. لطفا با ما همراه باشید.
فولاد ابزار
اگر چه فولادهای ابزار درصد کمی از کل فولادهای تولیدی را تشکیل می دهد؛ ولی به علت کاربرد آن ها در تولید سایر فولادها و مواد مهندسی موقعیت استراتژیک دارد.
برخی از مهم ترین ویژگی های فولادهای ابزار عبارتند از:
- مقاومت سایشی و سختی زیاد
- مقاومت گرمایی خوب
- استحکام برای کار روی مواد
باتوجه به این که فولادهای ابزار دارای ویژگی های بسیار خاص هستند، معمولا در کوره الکتریکی ذوب می شوند. تلاش زیادی صورت می گیرد تا تخلخل، جدایش، ناخالصی ها و آخال های غیر فلزی در حد امکان پایین نگه داشته شوند. بررسی های دقیق میکروسکوپی و ماکروسکوپی روی فولاهای ابزاری انجام می شود تا از داشتن ویژگی های فولاد ابزار مطمئن شوند.
کاربرد فولادهای ابزار باید از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشد و باید این فولادها قابلیت شکل پذیری و یا ماشین کاری برای تبدیل به شکل مطلوب را داشته باشند.
از فولاد ابزار برای ساخت ابزارهای زیر استفاده می شود:
- مته ها
- قالب های کشش عمیق
- سنبه ها
- قالب های استروژن
- تیغه ها برشی
- ابزارهای برشی
دسته بندی فولادهای ابزار
به طور کلی فولادهای ابزار به چند دسته تقسیم می شود که در ادامه به آن ها اشاره می شود:
- فولاد ابزار سخت شده در آب
- فولاد ابزار مقاومت به شوک
- فولاد ابزار سردکار (آبدهی شده در روغن، آبدهی شده در هوا، پرکربن- پرکروم)
- فولاد ابزار گرم کار (نوع کروم دار، نوع تنگستن دار، نوع ملیبدن دار)
- فولاد ابزار تندبر (نوع تنگستن دار، نوع مولیبدن دار)
- فولاد ابزار با کاربرد خاص (کم آلیاژ، فولاد ابزار قال)
فولاد ابزار سخت شده در آب
دسته اول از فولادهای ابزار که به آن می پردازیم، فولاد ابزار سخت شده در آب است. فولادهای ابزار سخت شده در آب به سه زیر دسته کم کربن، کربن متوسط و کربن زیاد تقسیم می شود.
ترکیب شیمیایی فولاد ابزار سخت شده در آب
فولادهای ابزاری که در آب سخت شده اند، فولادهای ساده کربنی دارای ۰/۶ الی ۱/۴ درصد کربن هستند. البته اغلب مقدار کربن بین ۰/۸ الی ۱/۱ درصد است و در یکی از آلیاژها ۰/۲۵ درصد V و در دیگری ۰/۵ درصد Cr اضافه می شود.
کاربرد فولاد ابزار سخت شده در آب
هر کدام از زیر دسته های فولاد ابزار سخت شده در آب کاربردهای فراوانی دارد که در ادامه به آن ها اشاره می شود:
کاربرد فولاد ابزار سخت شده در آب گروه کم کربن
برخی از کاربردهای فولاد ابزار سخت شده در آب گروه کم کربن عبارتند از:
- ابزار آهنگری
- ابزار لوح زنی
- ابزار آب بندی
- قالب های آهنگری
- ابزار پرچ
- تیغه های برشی
- سنبه ها
- پتک
کاربرد فولاد ابزار سخت شده در آب گروه کربن متوسط
برخی از مهم ترین کاربردهای فولاد ابزار سخت شده گروه کربن متوسط عبارتند از:
- ابزار کشاورزی
- ابزار مهره سازی
- قالب های لوح زنی
- قلاویز
- بوش ها
- قالب های سرسرد
- اسکنه ها
- ابزارهای سکه سازی
- مته ها
- قالب های شکل دادن
- قالب های جواهرسازی
- سنبه ها
- ماندرل ها
- تیغه های برشی
- ابزارهای چوب بری
کاربرد فولاد ابزار سخت شده در آب گروه کربن زیاد
تعدادی از کاربردهای فولاد ابزار سخت شده در آب گروه کربن زیاد عبارتند از:
- شیشه بر
- قالب های جواهرسازی
- قلاویزها
- ابزار تراشکاری
- مته های پیچشی
- ابزار چوب بری
- قالب های کششی
- ماندرل های کشش لوله
- سنبه های بزرگ
- تیغ اصلاح
- قالب ها و غلتک های کارسرد
- صفحات سایشی
عملیات گرمایی و ریز ساختار فولاد ابزار سخت شده در آب
ارزان ترین نوع فولادهای ابزار، فولاد سخت شده در آب است. این دسته از فولادهای ابزار به دلیل این که ترکیب شیمیایی ساده، مقاومت سایشی کمی دارند. سختی پذیری فولادهای ابزار سخت شده در آب نیز کم است و به اندازه کافی سخت نمی شوند، مگر این که به شدت در آب، آبدهی شوند. سختی پذیری تا حدی کم است که حتی با آبدهی شدید و در نمونه های خیلی نازک، تنها لایه های سطحی یا پوسته با مارتنزیت دگرگون می شود و هنوز داخل یا مغز آن ساختار پرلیتی نرم دارد.
فولاد ابزار مقام به شوک
دسته دیگری از فولادهای ابزار، فولاد ابزار مقاوم به شوک است. این نوع از فولادهای ابزار زمانی که تنش های ضربه ای تکراری است، به کار می روند مانند تیغه های پرشی، اسکنه ها و ابزار پرچ. مهم ترین خاصیت فولاد ابزار، چقرمگی و پس از آن سختی است.
ترکیب شیمایی فولاد ابزار مقاوم به شوک
فولاد ابزار مقاوم به شوک نسبت به سایر فولادهای ابزار، دارای کربن کمتری است یعنی حدود ۰/۵ درصد و در سختی های کمتری بکار می روند یعنی حدود ۶۰Rc-56Rc.
کاربردهای فولاد ابزار مقاوم به شوک
از فولادهای ابزار مقاوم به شوک در تولید ابزار های زیر استفاده می شود:
- قالب های کله پیچ
- اسکنه های تراش
- ابزار برش
- لوله
- مته های بتونی
- قالب های آهنگری
- تیغه های برش
- محورهای ضربه ای
- ناخن ها
- ابزار پرچ
- سرپیچ گوشتی
- رقاصک ساعت
- منگنه ها
- قیچی های چرخشی
- قالب های حکاکی
- قالب های پلاستیک
- قالب های ریخته گری تزریقی
عملیات گرمایی و ریز ساختار فولادهای ابزار مقاوم به شوک
یکی از مهم ترین فولادهای ابزار مقاوم به شوک، فولاد S5 است. این فولاد ارزان است و کاربرد عمومی دارد. آلیاژ S5 دارای سیلیسیم زیاد و کربن نسبتا کم است و برای اطمینان از تبدیل کامل فریت به آستنیت، معمولا در دمای زیاد آستنیتی می شود. آلیاژ S5 سختی پذیری متوسط دارد.
فولاد ابزار سردکار و گرم کار (فولاد آبدار)
در ادامه این مقاله قصد داریم تا در مورد فولاد ابزار سردکار و گرم کار یا به عبارتی فولادهای آبدار و کاربردهای فولاد ابزار سردکار و گرم کار و همچنین ترکیب شیمیایی فولاد ابزار سردکار و گرم کار صحبت کنیم.
فولادهای ابزار سردکار
فولاد ابزار سرد کار در قالب ها و ابزار سردکار که در آن ها مقاومت سایشی و چقرمگی مهم است، به کار می روند. مهم ترین انواع فولاد ابزار سردکار عبارتند از:
- فولادهای ابزار سردکار آبدهی شده در روغن
- فولادهای ابزار سردکار آبدهی شده در هوا
- فولادهای ابزار سردکار نوع پرکربن – پرکروم
فولادهای ابزار سردکار آبدهی شده در روغن
فولاد ابزار سردکار از نوع آب دهی شده در روغن، جز پرکاربردترین فولادهای ابزار است. ویژگی ها و خواص فولاد ابزار سردکار آبدهی شده در روغن عبارت است از:
- سختی زیاد در حالت آبدهی شده
- سختی پذیری زیاد از دماهای کم آبدهی
- نداشتن ترک در مقاطع آبدهی شده
- نگهداری لبه های تیز در ابزار برشی
لازم به ذکر است که این نوع از فولادها برای برش با سرعت زیاد و یا گرم کار، کاربردی ندارند.
ترکیب شیمیایی فولاد ابزار سردکار آبدهی شده در روغن
این فولاد پرکاربرد که در روغن سرد شده است، دارای منگنز زیاد به همراه ۰/۵ درصد Cr و ۰/۵ درصد W است که سختی پذیری آن را افزایش می دهد و در نتیجه نیاز به آبدهی در آب نیست.
کاربرد فولاد ابزار سردکار آبدهی شده در روغن
برخی از مهم ترین موارد استفاده از فولادهای ابزار سردکار آبدهی شده در روغن عبارتند از:
- قالب های لوح
- قالب های پلاستیک
- قالب های کشتی
- قالب های آرایشی
- کاردهای کاغذ
- تیغه های برش
- شیرآلات
- ابزار اندازه گیری
- قالب های خمش
- قالب های پولک زنی
- غلتک های نورد سرد
- سنبه ها
- چاقوهای برش چرم و لاستیک
- مته های دنداپزشکی
- ابزار نجاری
- برقوهای دستی
- خراشنده ها
عملیات گرمایی و ریز ساختار فولادهای ابزار سردکار آبدهی شده در روغن
این نوع فولاد در حالت تابکاری شده، دارای ساختار فریت و کاربیدهای کروی است که در هنگام آستنیتی کردن در دمای ۸۱۵ سانتیگراد بیشتر کاربیدها حل می شوند و فقط مقدار کمی مقدار حل نشده باقی می ماند.
پس از آبدهی در روغن تا دمای اتاق، ساختار بیشتر مارتنزیت بازپخت نشده است، اما مقداری کاربید حل نشده، بینایت و آستنیت باقی مانده نیز وجود دارند.
با بازپخت فولاد در دمای ۱۵۰سانتیگراد و به مدت دو ساعت، مارتنزیت بازپخت شده با مقداری کاربید حل نشده ایجاد می شود. اگر این فولاد در دمای خیلی زیاد آستنیتی شود، پس از آبدهی ساختار درشتی ایجاد می شود که بعد از بازپخت نیز باقی می ماند.
فولادهای ابزار سردکار آبدهی شده در هوا
فولاد ابزار سردکار (سرد شده در هوا) در مواردی که مقاومت سایش قابل قبول و به خصوص چرمقگی خوب نیاز است کاربرد دارد، به عنوان نمونه در قالب های کشش شکل دهی و لوح. این دسته از فولادهای ابزار سرد شده در هوا با مقدار متوسط عناصر آلیاژی هستند.
این نوع از فولادها را می توان برای قالب های پیچیده استفاده کرد. دلیل این کاربرد این است که تغییر ابعاد این فولادها پس از سخت کردن و بازپخت حدود ۱/۴ برابر تغییر ابعاد فولادهای ابزار منگنزی است که در روغن آبدهی شده است.
ترکیب شیمایی و کاربرد فولاد ابزار سردکار آبدهی شده در هوا
عناصر آلیاژی اصلی در فولادهای ابزار سردکار علاوه بر ۱ الی ۲ درصد کربن، کروم منگنر، مولیبدن، وانادیوم و نیکل است. دو آلیاژ مهم فولاد ابزار سردکار آبدهی شده در هوا، آلیاژی با ۵ درصد کروم و دیگری با ۲ الی ۳ درصد منگنز و ۱ درصد کروم است.
کاربرد فولادهای ابزار سردکار آبدهی شده در هوا
برخی از مهم ترین کاربردهای فولاد ابزار سردکار آبدهی شده در هوا عبارتند از:
- قالب های خوشه
- قالب ها لوح
- تیغه های برش
- قالب پلاستیک
- قالب سکه زنی
- غلتک های شکل دهی
- سوراخ کن
- ابزار کنگره سازی
- وسایل اندازه گیری
- ابزار کشاورزی
- چاقوهای برشی
- پیچ های سربزرگ
- رینگ های نگه دارنده
- ابزار ساچمه زنی
- قالب های پرس گرم
عملیات گرمایی و ریز ساختار فولادهای ابزار سردکار آبدهی شده در هوا
فولادهای ابزار سردکار نوع A2 در ابزاری به کار می رود که ویژگی چقرمگی نسبت به مقاومت سایشی مهم تر است. حلالیت کروم، مولیبدن و وانادیم در آستنیت باعث سختی پذیری بالا در این آلیاژها می شود.
مقاطع بزرگ این آلیاژ را پس از آستنیتی کردن می توان در ۹۸۶ درجه سانتیگراد در هوا سرد کرد. سرد کردن خیلی آهسته مقاطع بزرگ، منجر به رسوب کاربیدها و تشکیل بی نهایت می شود. برای جلوگیری از این مشکل، قطعات بزرگ را می توان در حمام نمکی با دمای ۵۴۰ سانتیگراد آبدهی و سپس تا دمای اتاق در هوا سرد کرد.
تغییرات ریز ساختار را که هنگام عملیات گرمایی فولادهای ابزار سردکار نوع A رخ می دهد، می توان با تغییراتی که در فولاد ابزار سردکار A2 به وجود می آید، نشان داد. در حالت تابکاری، ریز ساختار فولاد ابزار سردکارA2 شامل فریت کم آلیاژ و حدود ۱۵ درصد وزنی کاربید است که عمدتاً نوع M7C3 و M23C6 است.
در موقع آستنیتی کردن، این نوع از فولاد باید تا بیش از ۹۷۰ درجه گرم شود؛ زیرا تا زمانی که دما بیش از ۹۲۷ درجه سانتیگراد نشود، کاربیدها سریع حل نمی شوند.
بعد از آستنیتی کردن، بیشتر کربن، کروم، مولیبدن، وانادیوم در آستنیت حل می شوند .تنها حدود ۵% کاربید، همانطور که در ساختار فولادی که پس از آستنیت شدن در هوا آبدهی و بازپخت شده است، دیده می شود. کاربیدهای باقی مانده بیشتر از نوع M7C3 است، بنابراین از تغییر ابعاد ناشی از دگرگونی آستنیت به مارتنزیت در دمای اتاق جلوگیری می شود.
مشکلات ناشی از بیش گرمایی فولاد ابزار سردکار A2 در حین آستنیتی شدن
اگر فولادهای ابزار سردکار A2 در حین آستنیتی شدن بیش گرمایی شود، ساختاری درشت دانه با کاربیدهای گداخته شده ایجاد می شود. این ساختار نامطلوب است، زیرا با عملیات گرمایی بعدی نمی توان به حداکثر سختی رسید. اگر آلیاژ قبل از رسیدن به دمای اتاق بازپخت شود، شرایط بازپخت گرم فراهم می شود که در آن پس از بازپخت مقدار زیادی آستنیت باقیمانده وجود دارد .این شرایط نیز نامطلوب است، زیرا سختی کامل به دست نمی آید و ممکن است به علت حضور آستنیت باقیمانده بعدا ابعاد قطعه تغییر کند.
فولادهای ابزار سردکار پر کربن- پر کروم
فولادهای ابزار پر کربن – پر کروم، اولین بار در آمریکا و در سال ۱۹۱۵ به منظور جایگزینی فولادهای ابزار تندبر ساخته شد. اما از آنجایی که این فولادها در برش با سرعت های زیاد سختی کافی ندارند و نیز ترد هستند؛ بنابراین در این زمینه کاربرد محدودی خواهند داشت. البته مقاومت سایشی بالا و تغییر شکل ناپذیری فوق العاده آن ها برای قالب های سردکار بسیار کاربردی است.
ترکیب شیمیایی فولادهای ابزار سردکار پر کربن- پر کروم
مقاومت سایشی عالی فولادهای ابزار سردکار (پرکربن – کرم دار) ناشی از درصد بالای کروم (۱۲ درصد) و کربن (۱/۵ تا ۲/۳۵ درصد) است. اختلاف در مقاومت سایشی فولادهای ابزار پرکربن – پر کروم مربوط به تغییر در میزان کربن آن هاست.
این دسته از فولادها به علت اینکه کروم زیادی دارند، در مقابل اکسایش در دمای بالا مقاوم هستند و پس از سخت شدن و صیقل خوردن در برابر لک شدن (زنگ زدگی)هم مقاومت خوبی از خود نشان می دهند.
برای ایجاد انواع مختلف از این نوع فولاد، مقداری مولیبدن، وانادیم، کبالت و تنگستن به این فولادها اضافه می شود. مولیبدن سختی پذیری و چقرمگی را افزایش می دهد، اما تأثیری در اندازه دانه آستنیت یا مقدار آستنیت باقی مانده ندارد.
وانادیوم دانه ها را ریز می کند، اما وقتی بیش از ۰/۸ درصد اضافه شود، سختی پذیری را کاهش می دهد. وانادیوم همچنین آستنیت باقی مانده را کاهش می دهد و افزایش آن تا ۱ درصد، باعث افزایش چقرمگی می شود.
کاربرد فولاد ابزار سردکار پر کربن – پر کروم
برخی از مهم ترین کاربردهای فولادهای ابزار سردکار پر کربن- پر کروم عبارتند از:
- قالب های پولک زنی
- قالب های کار سرد
- قالب های کشش
- قالب های نورد
- تیغه های برش
- چاقو های شکافنده
- ابزار پرداخت
- سنبه ها
- غلطک های شکل دهی و پیوسته
- کارد و چنگال
- صفحات سایشی
- قالب ها و ابزار سرامیک
عملیات گرمایی و ریز ساختار فولاد ابزار سردکار پر کربن- پر کروم
برای این که تغییر ابعاد در این آلیاژ به حداقل برسد، باید به آهستگی و یکنواخت تا دمای آستنیتی گرم شود. برای سخت کردن فولادهای پرکربن – پرکرم، معمولاً از حمام های نمک یا کوره هایی با اتمسفر کنترل شده، استفاده می شود.
در این دسته از فولادها، افزودن ۰/۸ Mo، تشکیل پرلیت را به تأخیر می اندازد و می توان با سرد کردن در هوا به سختی کامل رسید. در واقع اضافه کردن کمی Mo سختی پذیری این فولادها را به مقدار زیادی افزایش می دهد.
فولادهای ابزار سردکار معمولاً از دمای آستنیتی که حدود ۱۰۱۰ الی ۱۰۳۸ سانتیگراد است، در هوا سرد می شود. اگر در دماهای خیلی زیاد آستنیتی شود، سختی آن به هنگام بازپخت در دماهایی تا حدود ۴۵۰ سانتگراد کم خواهد شد. دلیل کاهش سختی این است که پس از آستنیتی کردن در دماهای بیشتر از ۱۰۹۰ سانتیگراد، کربن و کروم بیشتری در آستنیت حل می شود و دمای Ms کم می شود؛ در نتیجه آستنیت باقیمانده بیشتر است.
وقتی دمای بازپخت از ۵۰۰ درجه سانتیگراد افزایش پیدا کند، بیشتر آستنیت باقیمانده به مارتنزیت تغییر حالت می دهد و حداکثر سختی که به وجود می آید تا اندازه ای مربوط به این دگرگونی است. رسوب کردن کاربید کروم نیز ممکن است به افزایش سختی در دمای زیاد کمک کند.
فولاد ابزار گرم کار
هدف اصلی ما در این مقاله صحبت در مورد فولاد ابزار سردکار و گرم کار بود. حال پس از ارائه توضیحات در مورد فولادهای ابزار سردکار زمان تمرکز بر فولاد ابزار گرم کار است. فولادهای ابزار گرم کار دارای سه نوع اصلی هستند که عبارتند از:
- کروم پایه، انواع H1 تا H19
- فولادهای تنگستن پایه، انواع H20 تا H39
- مولیبدن پایه، انواع H40 تا H59
به منظور استفاده از فولادهای ابزار در شرایط کارگرم مثل اکستروژن، آهنگری گرم و قالب های ریخته گری، ویژگی های زیر اهمیت دارد:
- مقاومت نسبت به تغییرشکل در دمای کارگرم: فولادهای کربنی در این دما نرم و ضعیف هستند؛ در نتیجه در شرایط کارگرم کاربردی ندارد.
- مقاومت نسبی به شوک گرمایی و مکانیکی (به خصوص اگر از آب برای سرد کردن استفاده شود): به منظور افزایش مقاومت به شوک، درصد کربن را باید پایین نگاه داشت.
- مقاومت به سایش و فرسایش در دمای بالا.
- مقاومت به تغییر شکل به هنگام عملیات گرمایی: قالب های پیچیده، در حین انجام عملیات گرمایی نباید تاب بردارند. البته این مشکل با کاربرد فولادهایی با سختی پذیری بالا قابل حل است.
- مقامت به ترک های گرما خستگی (ایجاد ترک های سطحی ریز در سطح ابزار)
ترکیب شیمیایی فولاد ابزار گرم کار
فولادهای گرم کار با ۵ درصد کروم مانند انواع H11 و H12 و H13 سختی پذیری زیادی دارند و مقاطع نسبتا بزرگ این فولادها را می توان با حداقل تغییر ابعاد به وسیله سرد کردن هوا، سخت کرد.
درصد نسبتا زیاد سیلیسیم در نوعH11 ، برای بهبود مقاومت در برابر اکسایش در دمای آستنیتی ۱۰۱۰ سانتیگراد است. این آلیاژ ۵ درصد Cr و ۱/۵ درصد Mo در محلول جامد دارد؛ در نتیجه زمان واکنش کاملا طولانی است، ولی زمان لازم برای رسوب کاربیدها کوتاه است.
کاربرد فولاد ابزار گرم کار
برخی از مهم ترین کابردهای فولاد ابزار گرم کار عبارتند از:
- محورها و مرغک ها
- قالب های آهنگری و اکستروژن
- سنبه ها
- قالب های تزریق
- قالب های مدل
- رینگ های فشار دهنده
- قالب های پولک زنی
- تیغه های قیچی
- ابزارهای مهره سازی
- ابزارآلات سوراخ کن و رینگ ها
- کله زنی گرم
- قطعات ساختمانی با استحکام
عملیات گرمایی فولاد ابزار گرم کار
وقتی فولاد ابزار گرم کار نوع H3 به مدت یک ساعت در دمای ۱۰۱۰ سانتیگراد آستنیتی می شود، کاربیدهای کروم و مولیبدن در محلول جامد حل خواهند شد و تنها کاربید وانادیوم MC حل نمی شود.
سرد کردن در هوا تا دمای اتاق، ساختاری شامل مارتنزیت، آستنیت باقیمانده، و احتمالا مقداری بینایت ایجاد می کند. پس از دو مرتبه بازپخت شدن این ساختار در حدود ۵۷۸ درجه سانتیگراد، آستنیت باقیمانده به مارتنزیت بازپخت شده تغییر پیدا می کند.
در بازپخت اول، آستنیت باقیمانده بر اثر سرد کردن در هوا پس از آستنیتی کردن به مارتنزیت دگرگون می شود (این فرایند بهینه سازی نام دارد). در بازپخت دوم، مارتنزیت جدید به مارتنزیت بازپخت شده تغییر می یابد. بنابراین برای بدست آوردن حداکثر پایداری ابعادی، فولادهای ابزار گرم کار باید دوبار بازپخت شوند.
بدون دیدگاه