فولاد ابزار و عملیات حرارتی- بخش سوم
عملیات حرارتی فولاد ابزار، و طبقه بندی آن، و بررسی چگونگی روش های تولید مرتبط با عملیات حرارتی و متالوژی عملیات حرارتی
درک روش های گروه بندی و تعیین هویت فولادهای ابزار برای ابزار سازان، مشخص سازی ویژگی های فولاد ابزار از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. هدف به دست آوردن این درک نیز با توجه به گستردگی و ازدیاد شرکت های تولید کننده فولادهای کلاس بالا تعیین می شود.
موسسه آهن و فولاد آمریکا سیستم تعیین هویت و تشخیص بسیار ساده‌ای را ایجاد کرده است. این روش تقسیم بندی نهایتا ۹ گروه مختلف از فولادهای ابزار و کاربرد های آنها را معرفی می کند. ۲ گروه اول مربوط به کوئنچ با هوا و یا مایع است. شکل ۱ این دو گروه را نشان می دهد.
شکل ۲ نموداری را نشان می دهد که فولادهای تولید شده با روش کوئنچ را به کاربرد های صنعتی آنها مربوط می کند.
کاربردها
کاربرد فولادها با توجه به سیستم AISI به صورت زیر تقسیم بندی می شود:
فولاد با کربن و یا کروم زیاد | سری D (فولادهای پایدار از نظر ابعادی) سختی بالا، فولادهای سخت شونده ثانویه (۲% کربن، ۵% کروم) |
ابزارهای آلیاژ کم برای اهداف خاص | سری L. معمولا با آب کوئنچ می شوند. |
فولادهای ابزار قالب گیری شده | سری P. معمولا محتوی کربن کمی می باشند، و مقدار کروم زیاد با نیکل و مولی (Moly)
|
فولادهای ابزار کار گرم (Hot work) | کرم کار گرم (۰٫۴% کربن، ۵% کروم (H10 تا H19)) |
فولادهای ابزار کار گرم (Hot work) | (۰٫۳۵% کربن، ۳ تا ۵ درصد کروم، ۱۰ تا ۱۵ درصد تنگستن) (H21 تا H26)
|
فولادهای ابزار کار گرم (Hot work) فولاد کار گرم | مولیبدن کار گرم شده (۰٫۶% کربن)، ۴% کروم، ۱% وانادیم، ۱۵% تنگستن، ۵% مولی (H42)
|
فولاد دارای تنگستن با سرعت بالا | ۰٫۸% کربن (به طور اسمی)، ۴% کروم% ۱۶٫۵% تنگستن (به صورت اسمی)، ۱% وانادیم T1 تا T15
|
فولاد دارای مولیبدن با سرعت بالا | سری M، HSSM1 تا M36 ۱% کربن (اسمی)، ۴% کروم، ۲% وانادیم (اسمی)، ۲% تنگستن (اسمی)، ۷% مولیبدن (اسمی) بعضی از فولادها تا ۱۲% نیز دارای کبالت |
فولادهای خیلی سخت سرعت بالا | سری M، M41 تا M47 ۱٫۱۰% کربن (اسمی) ۴% کروم (اسمی) ۳٫۲۵% تنگستن (اسمی) ۷٫۵% مولیبدن (اسمی) ۷٫۷۵% کبالت (اسمی) |
تمام مقادیر اسمی مشخص شده در جدول بالا با توجه به شماره و درجه فولاد تغییر می یابند و قابل تغییر هستند.
مشخصات
فولادهای ابزار سخت کاری شده با آب: قابلیت سخت شوندگی کم، کوئنچ با آب برای به دست آوردن فاز مارتنزیت ضروری است
فولاد سخت‌کاری شده با روغن: فولادهای ابزار بسیار مقاوم در برابر سایش
فولادهای سخت شده با هوا و سرد کاری شده: مقاومت سایشی زیاد. در این حالت باید سطح را در مقابل رخ دادن اکسیداسیون و دی کربوریزاسیون مراقبت کرد. به دلیل وجود کربن زیاد، توزیع کاربید به خوبی انجام می شود. با خنک کاری هوا فاز مارتنزیت تشکیل خواهد شد؛ هرچند، scale و دی کربوریزاسون ایجاد خواهد شد. بنابراین ضروری است تا عملیات خنک کاری را در خلا و تحت شرایط کاملا کنترلی انجام شود. به دلیل اینکه برای ایجاد فاز مارتنزیت سرعت خنک کاری کم نیاز است، مقدار اعوجاج نیز در کمترین مقدار خود حفظ می شود، به استثنای تنش پسماند که از فرآیند ماشین کاری قبلی در قطعه ایجاد شده است.
کربن و کروم بالا/ سری D:این فولادها با نام فولاد های سخت کاری شده ثانویه (Secondary ) نیز شناخته می شوند. کاربیدهای بعضی از آلیاژها از بازپخت کامل فولاد ایجاد خواهد شد. به عبارت دیگر، به منظور ایجاد آلیاژهایی با محتوی کاربید زیاد، و ارتقاء خواص سایشی، سختی فولاد افزایش خواهد یافت. همچنین می بایست توجه شود،این فولادها (که به صورت ابعادی، فولادهای پایداری هستند) اگر قبل از فرآیند آستنیته کردن مقدار تنش ایجاد شده در فرآیند ماشین کاری آزاد نشود دچار تغییر شکل خواهند شد. معمولا در کاربردهای مربوط به کار سرد (Cold work) به کار می روند.
فولادهای قالب (سری P): به دلیل مقدار کربن کم، سختی این نوع از فولادهای پایین می باشد. این فولادها برای فرآیند قالب گیری با دمای پایین و یا عملیات فرز کاری حفره ها در قالب های پلاستیکی مناسب می باشد. تنها راه به دست آوردن سختی سطحی بالا در این فولادها استفاده از اصلاح سطحی با FNC، کربن نیترید یا کروبوریزه کردن است.
فولاد های قالب گرم کار محتوی کروم: این گروه از فولادهای معمولا در کاربرد های گرم کاری مانند آهنگری، اکستروژن آلومنیوم، قالب گیری آلومنیوم و مگنزیم، شات اسلیوم (Shot sleeve) مورد استفاده قرار می گیرند. این فولادهای سختی قابل قبولی دارند و می توانند سخت تر نیز خواهند شد (با انجام عملیات کوئنچ وابسته به مقدار بیشینه ضخامت قطعه تا سختی ۵۵HRC سخت می شوند).
عملیات بازپخت معمولا در محدوده ی دمایی ۱۰۰۰ فار نهایت انجام می شود، دمایی که ریزش و رسوب کاربید اتفاق می افتد (کاربیدهای وانادیوم یا کروم). در این گروه از فولادها امکان باقی ماندن فاز آستنیت وجود دارد، که می بایست با انجام عملیات باز پخت از بین بروند.
فولاد ابزار گرم‌کار مولیبدنی: این گروه از فولادها زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که دمای آهنگری بالایی مورد استفاده به قطعه اعمال شود، شرایطی که در آلیاژهای کربنی به این ترتیب نیست. این گروه از فولادها در دما های بالای آهنگری، اکستروژن داغ و یا قالب گیری فلزات داغ مثل آلومینیوم و منگنز مورد استفاده قرار می گیرند.
فولادهای سرعت بالای مولیبدنی: مولیبدن از المانهای شکل‌دهنده کاربیدی می باشد و برای شکل دهی کاربید های سخت که به خوبی در شبکه فولاد توزیع شده است، بسیار می توانند مفید باشد. در انتخاب دمای آستنیته و زمان نگهداری در این دما، برای این دسته از فولادها می بایست بسیار دقت شود. اگر فولاد در دمای آستنیته زیاد بماند در این صورت ذوب دانه های یوتکتوئیدی مرزی (Eutectic grain boundary) آغاز خواهد شد.
فولاد های سرعت بالای تنگستنی: تنگستن از فرم دهنده های کاربیدی بسیار قوی محسوب می شود و می تواند سختی های بسیار بالایی را ایجاد کند. تمام فولادهای سرعت بالا (مولیبدن و تنگستن) به عنوان فولادهای سخت کاری شده ثانویه شناخته می شوند. علاوه بر این، امکان ایجاد برش در دمای برافروختگی بدون کاهش مقدار سختی وجود دارد. همچنین، اضافه کردن کبالت می تواند دمای کاری بالاتری را، قبل از از دست دادن سختی کوئنچ، ایجاد کند.
فولاد های سرعت بالا، با سختی بسیار زیاد: این فولادها برای ایجاد سختی بالاتر از ۷۰HRC مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از این فولاد ها سختی ضربه‌ای بسیار زیادی را ایجاد می کند. به عبارت دیگر، استحکام بسیار بالایی در حضور بارهای مکرر ضربه‌ای مانند تیغه فرز دارند.
فرم دهنده‌های کاربیدی: فرم دهنده‌های کاربیدی المان‌هایی هستند که می توانند کاربیدهایی قوی با توزیع مناسب را ایجاد کنند. فرم‌دهنده‌های کاربیدی قوی عبارتند از کروم، مولیبدن، تنگستن، وانادیم، منگنز، تیتانیوم، زیرکونیوم و نیوبیوم.
اگر دمای آستنیته به خوبی انتخاب شود، المانهای ذکر شده با کربن موجود واکنش داده و منجر به ایجاد کاربیدهایی با سختی بالا ایجاد می شود. وجود همه این المان ها در ماده ضروری نیست. در صورتی که در ترکیب کربن وجود داشته باشد در این صورت وجود یکی از این المان های یا دسته‌ای از آنها ممکن است. فرم دهنده‌های غیر-کاربیدی نیز عبارتند از نیکل، آلومینیوم، مس، نیتروژن، کبالت و سیلیکون.
منبع : Mold Making Technology
ترجمه : ایران ملد
