آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات

فولاد ابزار سخت شونده با آب

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات فولادهای ابزار گروه W نام خود را از خاصیت خود ( کوئنچ با آب ) گرفته‌اند . فولاد گرید W در واقع فولاد ساده کربنی با محتوی کربن بالا است . این گروه بدلیل هزینه کم در مقایسه با سایر فولادها ، متداول‌ترین نوع فولاد ابزار است . این فولادها برای قطعات و کاربردهایی که نیاز به درجه حرارت بالایی ندارند ، مناسب هستند و  بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتی گراد تا حد قابل توجهی نرم می‌شوند . قابلیت سختی پذیری فولاد ابزار گروه W کم است ، بنابراین به فرآیند کوئنچ سریع در آب نیاز دارد .

این فولادها می‌توانند به سختی بالایی ( بالاتر از ۶۶ HRC ) برسند و در مقایسه با سایر فولادهای ابزار شکننده هستند . چقرمگی فولاد ابزار گروه W با آلیاژ سازی با منگنز ، سیلیسیم و مولیبدن افزایش می‌یابد . برای حفظ اندازه دانه‌ ریز در حین عملیات حرارتی این فولادها ، به حداکثر ۰.۲۰ درصد وانادیوم نیاز است

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات فولاد ابزار کار سرد

فولادهای ابزار کار سرد شامل سری O ( سخت شونده با روغن ) ، سری A ( سخت شونده با هوا ) و سری D ( حاوی کربن – کروم بالا ) هستند . این فولادها برای برش یا شکل دهی موادی استفاده می‌شوند که در دمای پایین قرار دارند [۱] .

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات فولادهای ابزار کار سرد دارای سختی پذیری و مقاومت در برابر سایش بالا و همچنین چقرمگی و مقاومت در برابر نرم شدن حرارتی متوسطی هستند . فولاد ابزار سرد کار در تولید قطعات بزرگتر یا قطعاتی که در طی سخت شدن به اعوجاج اندکی نیاز دارند ، کاربرد دارد . استفاده از کوئنچ روغن و سخت کاری در هوا ( نسبت به کوئنچ سریع در آب که تنش‌های زیادی ایجاد می‌کند ) به کاهش اعوجاج کمک می‌کند . در مقایسه با گرید سخت شونده با آب ، در این فولادها از عناصر آلیاژی بیشتری استفاده شده است . این عناصر آلیاژی سختی پذیری فولاد را افزایش می‌دهد ؛ در نتیجه به فرآیند کوئنچ با شدت کمتری نیاز دارند تا احتمال ترک خوردن کاهش یابد . این فولادها از سختی سطح بالایی برخوردار هستند و اغلب برای ساخت تیغه‌های چاقو استفاده می‌شوند

فولاد کربنی

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات فولادهای ساده کربنی که به آن‌ها فولاد غیر آلیاژی نیز گفته می‌شود، خود به دو دسته فولاد کربنی و فولاد کربنی دماپایین تقسیم می‌شوند. این دو نوع فولاد درصد عناصر کربن، نیکل و منگنز یکسانی دارند و تنها روش ساخت، آن‌ها را از یکدیگر متمایز می‌کند. فولادهای کربنی دماپایین از طریق عملیات حرارتی فولادهای ساده کربنی حاصل می‌شوند. فولادهای کربنی به‌صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• فولاد کم کربن
• فولاد کربن متوسط
• فولاد کربن بالا
• آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات اینکه دقیقاً به چه فولادی کم کربن گفته می‌شود، بر اساس استانداردهای مختلف و نوع کاربرد متفاوت است. به‌عنوان‌مثال، طبق استاندارد ASTM، فولاد کم کربن مورداستفاده در صنایع خودروسازی باید حداکثر 0.1% و در صنایع پتروشیمی و نیروگاهی حداکثر 0.3% کربن داشته باشند. اما به‌طور تقریبی، فولادهایی که کمتر از 0.3% کربن دارند در دسته فولادهای کم کربن قرار می‌گیرند. فولادهای کربن متوسط حاوی 0.3 تا 0.6 درصد کربن هستند و این مقدار برای فولادهای پر کربن بالاتر از 0.6 درصد است.

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات فولاد های آلیاژی

فولادهای آلیاژی بر اساس وجود عناصر آلیاژی نظیر کروم، نیکل، منیزیم، مولیبدن، تیتانیم و… دسته‌بندی و تعریف می‌شوند. این دسته‌بندی‌ها بر اساس مقدار عناصر آلیاژی، خواص و کاربرد مطرح است

فولاد کم آلیاژ

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات فولادهای کم آلیاژ به دسته‌ای از فولادها گفته می‌شود که مطابق با استاندارد ASTM، مجموع عناصر آلیاژی در آن‌ها کمتر از 5% است. این فولادها به دلیل مقدار کم عناصر آلیاژی، قیمت کمتری نیز دارند.

فولاد پر آلیاژ

این دسته از فولادها حاوی مقدار عناصر آلیاژی بیشتری نسبت به فولادهای کم آلیاژ هستند. مطابق استاندارد ASTM، به فولادهایی که مجموع عناصر آلیاژی در آن‌ها بیش از 5% است، فولاد پر آلیاژ گفته می‌شود. از مهم‌ترین فولادهای پر آلیاژ می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• فولاد مارایجینگ
• فولاد ضدزنگ
• فولاد ابزار

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات فولادهای ابزار سخت شونده با روغن ( سری O )

این سری از فولادها شامل نوع O1 ، O2 ، O6 و O7 هستند . همه فولادهای این گروه معمولا در دمای ۸۰۰ درجه سانتی گراد سخت شده و سپس در زیر دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد با روغن کوئنچ می‌شوند

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات فولادهای ابزار سخت شونده با هوا ( سری A )

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات اولین فولاد ابزار سخت شونده با هوا فولاد Mushet بود . فولادهای مدرن سخت شونده با هوا به وسیله اعوجاج کم در عملیات حرارتی ( بدلیل محتوای کروم – نیکل در آن‌ها ) شناسایی می‌شوند . ماشینکاری آن‌ها خوب است و دارای تعادلی از مقاومت در برابر سایش و چقرمگی هستند

فولاد ابزار کروم – کربن بالا ( سری D )

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات سری D از فولادهای ابزار کار سرد شامل انواع D2 ، D3 ، D6 و D7 است که بین ۱۰ تا ۱۳ درصد کروم دارند ( که بطور غیر عادی زیاد است ) . این فولادها سختی خود را تا دمای ۴۲۵ درجه سانتی گراد حفظ می‌کنند . از کاربردهای معمول این فولادها می‌توان به قالب‌های فورچ ، قالب‌های ریخته گری و قالب‌های کششی اشاره کرد . بدلیل محتوای بالای کروم ، برخی از فولادهای ابزار نوع D ، اغلب بعنوان فولادهای زنگ نزن یا نیمه زنگ نزن در نظر گرفته می‌شوند ؛ با این وجود مقاومت در برابر خوردگی آن‌ها بدلیل ایجاد کاربیدهای کروم و کربن بسیار اندک است

فولاد ابزار مقاوم به شوک

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات مقاومت به شوک بالا و قابلیت سختی پذیری خوب توسط آلیاژهای کروم – تنگستن ، سیلیسیم – مولیبدن و سیلیسیم – منگنز فراهم می‌شود . گریدهای مقاوم به شوک فولادهای ابزار ( S ) به منظور بهبود مقاومت به شوک در دماهای پایین و بالا طراحی شده‌اند . محتوای پایین کربن ( تقریبا ۰.۵ درصد کربن ) برای دستیابی به چقرمگی مناسب مورد نیاز است .

عناصر آلیاژی تشکیل دهنده کاربید ، مقاومت در برابر سایش ، سختی پذیری و ویژگی‌های گرم کاری را بهبود می‌بخشد . این خانواده از فولادها چقرمگی ضربه بسیار بالا و مقاومت فرسایشی نسبتا کمی دارند و می‌توانند به سختی نسبتا بالایی ( HRC 58/60 ) دست یابند . در ایالات متحده ، چقرمگی در فولادهای ابزار مقاوم به شوک معمولا با ۱ تا ۲ درصد سیلیسیم و ۰.۵ تا ۱ درصد مولیبدن حاصل می‌شود . در اروپا فولادهای مقاوم به شوک شامل ۰.۵ تا ۰.۶ درصد کربن و حدود ۳ درصد نیکل هستند . محدوده‌ای از ۱.۷۵ تا ۲.۷۵ درصد نیکل هنوز هم در برخی از فولادهای کم آلیاژی استحکام بالا ( HSLA ) و مقاوم به شوک مانند L6 ، ۴۳۳۰ و فولاد اره سوئدی استفاده می‌شود ، اما نسبتا گران است . نمونه‌ای از کاربرد این فولادها در تولید مته دستی مخصوص سوراخ کردن سنگ است

فولاد ابزار کار گرم ( فولاد گرم کار )

فولادهای کار گرم گروهی از فولادهای ابزار هستند که برای برش و شکل دهی مواد در دمای بالا استفاده می‌شوند . فولاد ابزار گروه H به منظور حفظ طولانی مدت استحکام و سختی در دمای بالا ، توسعه یافته‌ است . این فولادها آلیاژهایی حاوی کربن ( کم ، متوسط و بالا ) هستند که بدلیل مقادیر قابل توجهی از کاربید ، دارای سختی داغ ( Hot hardness ) ، چقرمگی و مقاومت به سایش هستند . H1 تا H19 فولادهای ابزار پایه کروم هستند که ۵ درصد کروم دارند . H20 تا H39 فولادهای پایه تنگستن هستند و محتوای تنگستن در آن‌ها بین ۹ تا ۱۸ درصد و محتوای کروم آن‌ها ۳ تا ۴ درصد است . گریدهای H40 تا H59 فولاد ابزار پایه مولیبدن هستند

فولاد میکرو آلیاژی استحکام بالا

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات در این نوع فولادها هر عنصر آلیاژی کمتر از 0.1% است که معمولاً شامل یکی از عناصر نیوبیم، وانادیم و تیتانیم می‌شوند. فولادهای میکرو آلیاژی دارای استحکام تسلیم بالای 320 مگاپاسکال و استحکام کششی بالای 440 مگاپاسکال هستند و به همین سبب، در دسته فولادهای استحکام بالا قرار می‌گیرند.

فولاد ضد زنگ آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات

فولادهایی که حداقل 10.5% کروم دارند و با مقاومت به خوردگی بسیار خوب شناخته می‌شوند، همان فولادهای ضدزنگ هستند. علاوه بر کروم، نیکل نیز یک عنصر آلیاژی مهم در فولادهای ضدزنگ است که مقاومت به خوردگی و استحکام در دمای پایین را از طریق کاهش DBTT (دمای انتقال نرمی به تردی) برای فولاد ضدزنگ به ارمغان می‌آورد. انواع فولادهایی که در بازار به استیل بگیر و استیل نگیر معروف‌اند، به ترتیب بر فولادهای ضدزنگ فریتی و آستنیتی دلالت دارند. انواع فولاد ضدزنگ به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:

• فریتی
• آستنیتی
• مارتنزیتی
• دو فازی
• رسوب سخت شده
• آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات فولاد ابزار

همان‌طور که از نام آن مشخص است، این فولاد برای ساخت ابزار برش و ابزار شکل‌دهی به‌کاربرده می‌شود. ابزارهای برش باید سختی و استحکام بالاتری نسبت به نمونه‌های تحت فرآیند خود داشته باشند و فولادهای ابزار که کربن بالایی دارند، این سختی و استحکام را تأمین می‌کنند. فولادهای ابزار جزو سخت‌ترین فولادهای موجود محسوب می‌شوند. در جدول زیر انواع فولاد ابزار مشخص‌شده‌اند.

فولاد ابزار تندبر

فولاد ابزار تندبر ( High-speed steel ( HSS / HS ) ) زیرمجموعه‌ای از فولادهای ابزار است و بعنوان مواد مورد استفاده در ابزارهای برش مورد استفاده قرار می‌گیرد . این فولاد اغلب در تیغه‌های اره برقی و فرزهای مته کاربرد دارد . فولادهای تندبر نسبت به فولادهای ابزار قدیمی پر کربن ، در دماهای بالاتری مقاومت می‌کنند ( بدون اینکه خواص سختی خود را از دست بدهند ) . این ویژگی فولاد HSS باعث شده است تا سریع‌تر از فولاد پر کربن برش دهد ، از این رو فولاد تندبر نامیده می‌شود

طبقه بندی فولاد بر اساس روش تولید

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات روش تولید به‌طور مستقیم هم بر کیفیت و هم بر خواص فولاد تأثیرگذار است. بنابراین، کنترل خواص و ریزساختار از طریق کنترل روش تولید امکان‌پذیر است. روش‌های معمول در تولید فولاد شامل روش کوره باز، روش بسمر، کوره اکسیژن قلیایی و کوره الکتریکی می‌شوند.

حدود 70% فولاد جهان به روش کوره اکسیژن قلیایی یا BOF تولید می‌شود. این روش، درواقع بهینه‌سازی شده روش بسمر است. روش کوره الکتریکی نیز فولادهای بسیار باکیفیتی تولید می‌کند که شامل فولادهای ابزار و ضدزنگ می‌شوند؛ اما هزینه بسیار بیشتری نسبت به دیگر روش‌ها دارد و تنها 30% از کل فولاد جهان به این روش تولید می‌شود.

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات طبقه بندی فولاد بر اساس روش تولید

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات روش تولید به‌طور مستقیم هم بر کیفیت و هم بر خواص فولاد تأثیرگذار است. بنابراین، کنترل خواص و ریزساختار از طریق کنترل روش تولید امکان‌پذیر است. روش‌های معمول در تولید فولاد شامل روش کوره باز، روش بسمر، کوره اکسیژن قلیایی و کوره الکتریکی می‌شوند.

حدود 70% فولاد جهان به روش کوره اکسیژن قلیایی یا BOF تولید می‌شود. این روش، درواقع بهینه‌سازی شده روش بسمر است. روش کوره الکتریکی نیز فولادهای بسیار باکیفیتی تولید می‌کند که شامل فولادهای ابزار و ضدزنگ می‌شوند؛ اما هزینه بسیار بیشتری نسبت به دیگر روش‌ها دارد و تنها 30% از کل فولاد جهان به این روش تولید می‌شود.

انواع فولاد بر اساس تمام‌ کاری نهایی

تمام‌کاری نهایی علاوه بر حفظ کیفیت و بهبود آن در فولاد، در ایجاد یک سطح تمام‌شده مناسب نیز کمک می‌کند. فولادها برحسب نوع تمام‌کاری نهایی به انواع فولاد نورد سرد و فولاد نورد گرم تقسیم می‌شوند. تمام‌کاری سرد، سطح مناسب‌تری را ارائه می‌دهد.

طبقه بندی فولاد بر اساس شکل آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات 

فولادها پرمصرف‌ترین فلزات در کاربردهای صنعتی و ساختمانی هستند. این فلز به شکل‌های گوناگونی در صنایع مختلف و ساخت‌وساز به کار می‌رود. شمش فولادی، نخستین شکلی است که فولاد به خود می‌گیرد. میلگرد، تیرآهن، لوله، ورق، پروفیل و… از دیگر شکل‌های فولاد هستند

انواع فولاد بر اساس روش اکسیژن زدایی

آلیاژ استفاده شده در ابزار آلات برخی فولادها دارای مقدار قابل‌توجهی اکسیژن هستند. این مقدار اکسیژن شاید در برخی موارد حدود 0.02 تا 0.04 درصد باشد اما همین مقدار کم هم مضر است. از فولادی که اکسیژن آن حذف نشده است تحت عنوان فولاد جوشان (Rimmed Steel) یاد می‌شود. فولاد جوشان چون دارای اکسیژن است، با کربن واکنش داده و تولید تخلخل و حفرات گازی CO می‌کند که مضر است. این نام‌گذاری به‌این‌علت است که در فولاد جوشان به دلیل آزاد شدن CO یک حالت مشابه جوشیدن ایجاد می‌شود.

اگر مقداری از اکسیژن فولاد حذف‌شده باشد، به آن فولاد نیمه آرام (Semi killed Steel) می‌گویند و فولادی که تمام اکسیژن آن حذف شود، به فولاد آرام (Killed Steel) معروف است. گونه دیگری از فولاد نیز وجود دارد که حالتی بین فولاد نیمه آرام و آرام دارد و به آن فولاد سر دار (Capped Steel) می‌گویند.

فولادها بر اساس ریزساختار

خواص یک ماده تابعی از ریزساختار آن است و با کنترل ریزساختار می‌توان خواص را کنترل کرد. فولادها نیز دارای انواع ریزساختارها هستند که هر یک ویژگی‌هایی مانند استحکام، سختی، خواص مغناطیسی و… را به آن می‌بخشند. فولادها بر اساس ریزساختار به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

• فریتی
• پرلیتی
• مارتنزیتی
• بینیتی