فولاد ابزار و عملیات حرارتی، بخش اول
معرفی عملیات حرارتی برای قالب سازان
فلزات از زمانی که استفاده از آتش زنه به عنوان ابزاری برای خراشیدن پوست و کشتن حیوانات متوقف شد مورد استفاده بشر قرار گرفته است. بشر آهن را شناخت، اما امکان ایجاد دمای بالا برای ذوب کردن آن و استخراج آهن از سنگ معدن وجود نداشت. بنابراین فلزات ساده تر مانند مس مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین بشر یافت که چگونه می تواند آلیاژ مس را ایجاد کند، بنابراین برنج و برنز ایجاد شد که در مواردی مانند ساخت شمشیر، سپر، نیزه و کاربرد های دیگر مورد استفاده قرار می گرفت.
حدود ۴۵۰۰ سال پیش، چینی ها کشف کردند که چگونه می توانند دما را تا حد دمای ذوب آهن بالا ببرند و بتوانند آن را استخراج کنند. این کار را با استفاده از یک سیستم بادی ساده انجام دادند، به نحوی که جریان هوای ثابت و مداومی به آتش داده می شد تا آن را گرم نگه دارد و دما تا حد ذوب آهن بالا رود. از آهن ابزارهایی برای کندن، کشت و کار، بیل های حفاری و … ایجاد کردند. بنابراین استفاده از آهن در ابزار سازی از ۴۵۰۰ سال پیش آغاز شده است. تزریق کربن به داخل آهن نیز از زمان شروع آهنگری (forging) آغاز شده است. از سوزاندن (چوب/زغال) چوب برای ایجاد کربن در کوره استفاده می شد.
شواهدی از تولید مارتنزیت که توسط چینی ها و هندی های باستان از آهن و وتز (Wootz Iron) وجود دارد. باستانیان از وجود فاز مارتنزیت آگاهی نداشتند، فقط اطلاع داشتند که اگر فلزی را گرم و سپس سرد کنند سخت تر می شود. با گسترش و پیشرفت علم متالوگرافی میکروسکوپی بود که فاز مارتنزیت شناخته شده و نامگذاری شد.
مرجعی در ادیسه هومر وجود دارد که نشان می دهد آهن مورد استفاده قرار می گرفت و حرارت داده می شد. در اواسط قرن ۱۹ میلادی بود که تاثیر افزودن سایر فلزات به آهن مذاب مورد بررسی قرار گرفت ،سپس آلیاژ سازی فولاد مورد بررسی قرار گرفت. آلیاژ سازی فولاد (آهن به اضافه کربن) با استفاده از آلیاژهای گوناگون با آغاز قرن ۲۰ تبدیل به یک شاخه مستقل گشت.
عملیات حرارتی چیست؟
با بیان مقدمه‌ای راجع به تاریخ ابزارهای فولادی، حال نوبت به بیان اصول عملیات حرارتی می رسد. عملیات حرارتی فلزات روشی برای کنترل فلزات (از نقطه نظر خواص فیزیکی) است و به منظور دست یافتن به شرایط عملکردی فلز – هم در مرحله ماشین کاری و بعد در مرحله بهره برداری مورد استفاده قرار می گیرد. اکثر فلزات می توانند نرم یا سخت، سفت یا مقاوم در برابر سایش و یا هر دو باشند. همچنین می توانند احتمال وقوع خوردگی را کاهش دهند یا می توانند بسیار نرم باشند. همه این ویژگی ها به سبب وجود گرما در فلزات ایجاد شده است.
معانی مختلفی برای فلز (metal) بیان شده:
- فلزات گروهی از مواد می باشند که به صورت مستقل می توانند حضور داشته باشند مانند قلع، طلا، نقره، آهن، آلومینیوم، کروم، وانادیم و … .
- فلزات معمولا متراکم می باشند و همچنین رسانایی حرارتی خوبی به شمار می روند.
- فلزات اکثرا چکش خوار می باشند و به سادگی می توانند شکل دهی شوند. همچنین می توان پرداخت سطحی انجام داده و آنها را صیقل داد.
در کاربرد هایی که ما مطرح می کنیم آهن با فلزات دیگر آلیاژ می شوند تا بتوانند خواص فیزیکی آهن را تغییر دهند، برای مثال ترکیب کربن باآهن به منظور تولید فولاد ساده و مس با روی برای تولید برنج ساده. ترکیب های بسیار متنوعی را می توان ایجاد کرد، به همین دلیل خواص متنوعی نیز ایجاد می شود. گروه های فلزی را در حالت کلی می توان به ۲ گروه مشخص تقسیم کرد (شکل ۱).
با توجه به دیاگرام رسم شده مشخص است که تمرکز بحث ما روی فولاد (آهنی (ferrous)) و بقیه فلزات (غیر-آهنی (nonferrous)) می باشد. در این گروه نیز تمرکز ما بر فلزات گروه آهنی (فولاد) خواهد بود.
فولاد چیست؟
به سادگی می توان بیان کرد که فولاد از ترکیب آهن با کربن ایجاد می شود. حتی مقدار کربن بسیار کم می تواند تفاوت بسیار زیادی در مشخصات فولاد مانند سختی، تنش کشش نهایی، مقاومت ضربه و مقاومت فشاری ایجاد کند. فولادها را می‌توان به صورت نشان داده شده در شکل ۲ دسته بندی کرد.
نمودار رسم شده به سادگی در شناخت و دسته بندی فولادها مورد استفاده قرار بگیرد. همچنین نمودار مشابهی را نیز می توان برای فلزات غیر-آهنی ایجاد کرد که نشان می دهد چگونه می توان گروه‌های فلزی را از هم تشخیص داد.
بخش کاربرد نشان داده شده در شکل ۲ بسط و گسترش دسته‌بندی فولادهای ابزار می باشد، که گروه دوم فولادهای ابزار را نشان می دهد. ابزارهای فولادی با روش کوئنچ و ابزارهای دیگر با روش های کاربردی به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده‌اند.
متالوژی ساده عملیات حرارتی
عملیات حرارتی فولاد به این معنی است که حرارت به فولاد اعمال می شود تا دمای آن به بالاتر از دمای مشخص شده برسدو سپس آن را خنک می کنیم تا به وضعیت و حالت مناسب برسد. شکل ۳ فرآیند عملیات حرارتی را مشخص می کند. شکل شماتیک فرآیند ساده افزایش حرارت، هم دمایی و خنک شدن فولاد را نشان می دهد، که اصول پایه‌ای انجام تمام انواع عملیات حرارتی مانند فرآیند اصلاح سطحی (surface treatment processes) را نشان می دهد. عملیات حرارتی به منظور نرم کردن فولاد برای ماشین کاری بهتر و سپس آماده سازی فولاد از نظر متالوژی است تا متناسب با شرایط کاری و شرایط محیطی شود.
منبع : Mold Making Technology
ترجمه : ایران ملد
