فولادهای ابزار ( Tool steels ) گروهی از فولادهای آلیاژی هستند که در ساخت ابزارها مورد استفاده قرار می‌گیرند .
خواص کلی فولادهای ابزار
مناسب بودن فولادهای ابزار در ساخت ابزارها ناشی از سختی مشخص ، مقاومت در برابر تغییر شکل و سایش و توانایی حفظ لبه برش در دماهای بالا است ؛ به همین دلیل از این فولادها در شکل دهی سایر مواد نیز استفاده می‌شود . فولاد ابزار با محتوای کربن بین ۰.۵ تا ۱.۵ درصد تحت شرایط کنترل شده و با دقت تولید می‌شود تا کیفیت مطلوب حاصل شود . وجود کاربیدها در زمینه فولادهای ابزار ، نقش زیادی در کیفیت فولاد دارد . چهار عنصر آلیاژی اصلی کاربید ساز در فولاد ابزار عبارت است از : تنگستن ، کروم ، وانادیم و مولیبدن . سرعت انحلال کاربیدهای مختلف در فاز آستنیت آهن ، عملکرد فولاد ابزار سازی را در دمای بالا تعیین می‌کند . محتوای منگنز در این فولادها غالبا کم نگه داشته می‌شود تا احتمال ترک خوردن در حین کوئنچ با آب به حداقل برسد [۱] .
انواع فولادهای ابزار
این فولادها به ۶ گروه اصلی تقسیم می‌شوند و عبارتند از :
- فولاد ابزار سخت شونده با آب ( Water – hardening )
- کار سرد ( Cold – work )
- مقاوم به شوک ( Shock resistant )
- تندبر ( High – speed )
- کار گرم ( Hot – work )
- کاربرد ویژه ( Special purpose ) [1] .
انتخاب گروه مناسب از فولادهای ابزار به هزینه ، دمای کاری ، سختی سطح مورد نیاز ( سختی فولاد ابزار ) ، استحکام ، مقاومت در برابر شوک و چقرمگی مورد نیاز بستگی دارد . هرچه شرایط سرویس دهی شدیدتر باشد ( درجه حرارت ، سایش ، خورندگی و بارگذاری بالاتر ) ، محتوای آلیاژ و در نتیجه مقدار کاربیدهای مورد نیاز برای فولاد ابزار بیشتر است . از این فولادها در برشکاری ، پرسکاری ، اکستروژن و سکه زنی فلزات و سایر مواد استفاده می‌شود [۱] .
گروه بندی فولادهای ابزار در جدول زیر ارائه شده است [۲] .
گروه بندی فولادهای ابزار [۲] .
فولاد ابزار سخت شونده با آب
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 [۱] .
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] .
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 [۱] .
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 [۱] .
فولادهای ابزار سخت شونده با هوا ( سری A )
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 [۱] .
فولاد ابزار کروم – کربن بالا ( سری D )
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 [۱] .
فولاد ابزار مقاوم به شوک
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 [۱] .
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 [۱] .
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 [۳] .
فولادهای ابزار کاربرد ویژه
فولاد ابزار نوع P در ساخت قالب‌های پلاستیکی ( کمتر رایج است ) ، قالب‌های ریخته گری روی و قالب‌های تزریق پلاستیک مورد استفاده قرار می‌گیرد [۱] .
فولاد ابزار نوع L یک فولاد ابزار کم آلیاژ خاص است . L6 بسیار سخت است [۱] .
فولاد ابزار نوع F یک فولاد سخت شده با آب است و نسبت به فولاد ابزار نوع W از مقاومت بیشتری در برابر سایش برخوردار است [۱] .
خواص فولادهای ابزار
ترکیب شیمیایی فولادهای کار سرد ( سخت شده با روغن ، سخت شده در هوا و کروم – کربن بالا ) در جداول زیر ارائه شده است [۲] .
ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای ابزار سخت شده با روغن [۲] .
ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای ابزار سخت شده در هوا [۲] .
ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای ابزار حاوی کروم – کربن بالا [۲] .
جدول زیر نیز انواع و ترکیب شیمیایی ( درصد وزنی ) فولادهای ابزار تندبر را نشان می‌دهد [۳] .
ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای تندبر [۳] .
در ادامه نیز به خواص برخی از فولادهای ابزار پرداخته شده است [۲] .
H10 : مقاومت مکانیکی و چقرمگی خوب – مقاومت عالی به نرم شدن .
H11 : مقاومت مکانیکی عالی .
H12 : مشابه H11 حاوی تنگستن و وانادیم برای سختی پذیری بیشتر .
H13 : مشابه H11 حاوی وانادیم .
H14 و H16 : مشابه H12 حاوی تنگستن بیشتر برای سختی پذیری در هوا و روغن .
فولادهای ابزار H19 : مشابه H12 حاوی تنگستن بیشتر ، وانادیم و کبالت برای سختی پذیری در هوا و روغن .
H22 : مقاوم به نرمی بهتر از H21 .
H24 و H25 : مقاومت تا دمای ۵۹۰ درجه سانتی گراد .
H26 : مقاومت و چقرمگی ماکزیمم .
H41 ، H42 و H43 : فولادهای تندبر حاوی کربن کم و مقاومت خوب در دمای بالا .
D3 : مقاومت بالا در برابر سایش .
فولادهای ابزار D4 و D5 : مقاومت بالا در برابر سایش – سختی پذیری در هوا .
D7 : بهترین مقاومت به سایش – سختی پذیری در هوا .
A4 و A5 : افزایش منگنز برای کاهش تغییر شکل .
A6 : چقرمگی عالی .
O7 : بهترین مقاومت به سایش .
S1 : مقاوم به شوک ضربه‌ای .
فولادهای ابزار S2 : مقاوم به شوک ضربه‌ای به همراه عناصر تنگستن و سیلیسیم – مقاومت و چقرمگی بالا .
S5 : مقاوم به شوک ضربه‌ای .
P1 – P6 : فولاد قالب کم کربن برای کربوریزه کردن .
W1 : فولاد سخت شونده با آب .
W2 : مانند W1 به همراه عنصر وانادیم .
در جدول زیر خواص مکانیکی فولادهای ابزار سرد کار تجاری آورده شده است [۲] .
خواص فولادهای ابزار سرد کار تجاری [۲] .
کاربرد فولادهای ابزار
در ادامه به برخی از کاربردهای این فولادها اشاره شده است [۱] .
O1 : این نوع از فولاد سرد کار در ابزارهای اندازه گیری ، ابزارهای برش ، ابزارهای نجاری و چاقوها استفاده می‌شود . می‌توان آن را تا ۶۶ HRC سخت کرد و افزودن وانادیم در آن اختیاری است . این فولاد همچنین به بعنوان Arne ، SKS3 ، ۱.۲۵۱۰ و ۱۰۰MnCrW4 هم فروخته می‌شود [۱] .
فولادهای ابزار O2 : این نوع از فولاد سرد کار در ابزارهای اندازه گیری ، ابزارهای برش ، ابزارهای نجاری و چاقوها استفاده می‌شود . می‌توان آن را تا ۶۶ HRC سخت کرد . این فولاد تحت عنوان ۱.۲۸۴۲ و ۹۰MnCrV8 فروخته می‌شود [۱] .
O6 : یک فولاد ابزار گرافیتی با مقاومت عالی در برابر سایش لغزشی ( Sliding wear ) و جوش سرد ( Galling ) بین دو فلز است . کاربردهای این فولادها عبارتند از : اندازه گیر پیچ ( Thread gauges ) ، مانومتر اصلی ( Master gages ) ، بادامک ، بوش ، لوله ، میله ، غلتک‌های شکل دهی ، تیغه‌های برشی ، منگنه ، قالب و غیره [۱] .
فولادهای ابزار A2 : یک فولاد ابزار همه کاره و رایج است که متداول‌ترین نوع از فولادهای سخت شونده در هوا است . از این فولاد در ساخت انواع قالب‌ها استفاده می‌شود [۱] .
A6 : این نوع فولاد ابزار در دمای نسبتا کم ( تقریبا با همان دمای نوع سخت شونده با روغن ) در هوا سخت می‌شود و از نظر ابعادی پایدار است . بنابراین ، معمولا برای قالب‌ها ، ابزارهای شکل دهی و ابزارهای اندازه گیری که به مقاومت در برابر سایش بالایی نیاز ندارند ( اما به پایداری بالایی نیاز دارند ) استفاده می‌شود [۱] .
فولادهای ابزار A10 : این گرید شامل توزیع یکنواختی از ذرات گرافیت است تا قابلیت ماشینکاری افزایش یابد و خواص خود روانکاری فراهم شود . این ماده معمولا در ابزارهای اندازه گیری ، میله‌ها ، ابزارهای برش و پانچ کننده‌ها استفاده می‌شود [۱] .
D2 : بسیار مقاوم در برابر سایش است . خصوصیات مکانیکی D2 به عملیات حرارتی بسیار حساس است . این فولاد بطور گسترده در تولید تیغه‌های برشی ، تیغه‌های رنده و ابزارهای برش صنعتی و در برخی از مواقع در ساخت تیغه‌های چاقو کاربرد دارد [۱] .
در ادامه نیز به برخی از کاربردهای انواع فولادهای ابزار اشاره شده است [۲] .
H10 : ریخته گری تحت فشار .
H11 : قالب‌ها .
H12 : قالب‌های اکستروژن و فورچ .
H13 : قالب‌های ریخته گری تحت فشار فلزات غیر آهنی .
H14 و H16 : قالب‌های اکستروژن و فورچ .
فولادهای ابزار H19 : قالب‌های اکستروژن و فورچ .
H21 : قالب‌های اکستروژن – سنبه – قالب برش .
H23 : ریخته گری تحت فشار آلیاژهای غیر آهنی – قالب‌های اکستروژن .
H24 و H25 : تیغه‌های برش – قالب‌های گرم .
D1 و D2 : قالب‌های فورچ – چاقوها – سنبه‌ها .
D3 : قالب‌ها – تیغه‌های برش – غلتک‌ها .
فولادهای ابزار A2 : قالب‌های کار سرد – قالب‌های برش .
A9 و A10 : برای قالب‌های اکستروژن و سکه زنی .
O1 – O2 : کاربردهای عمومی – غلتک‌های نورد – سنبه‌ها .
S1 : سنبه‌ها .
S5 : تیغه‌های برش – تجهیزات بادی – پوسته ابزارهای کاربیدی .
W1 : مقارها – تیغه‌های برش – قالب‌های پرسکاری .
برخی از کاربردهای فولادهای ابزار شرکت ASSAB در جدول زیر ارائه شده است [۲] .
برخی کاربردهای فولادهای ابزار [۲] .
در ادامه به برخی از کاربردهای انواع فولادهای ابزار حاوی تنگستن کارباید پرداخته شده است ( جدول زیر ) [۲]
کاربرد انواع ابزارهای تنگستن کارباید [۲] .
کاربرد فولادهای ابزار W با محتوای کربن مختلف در ادامه بیان شده است [۱] .
۰.۶۰ – ۰.۷۵ درصد کربن : قطعات ماشین ، اسکنه ( مغار ) ، پیچ ضامن ؛ خواص آن شامل سختی متوسط با چقرمگی بالا و مقاومت در برابر ضربه است [۱] .
۰.۷۶ – ۰.۹۰ درصد کربن : قالب‌های فورچ ، چکش و غلتک [۱] .
فولادهای ابزار حاوی ۰.۹۱ – ۱.۱۰ درصد کربن : در ابزارهایی که به مقاومت در برابر سایش و چقرمگی متعادلی نیاز دارند ( مانند سوهان ، مته‌ها ، ابزارهای برش و تیغه‌های برشی ) مورد استفاده قرار می‌گیرند [۱] .
۱.۱۱ – ۱.۳۰ درصد کربن : سوهان ، مته‌های کوچک ، ابزارهای تراشکاری ، تیغ‌های صورت تراشی و سایر کاربردهای سبک که به مقاومت به سایش بیشتری ( بدون نیاز به چقرمگی بالا ) نیاز دارند . افزایش محتوای کربن در فولاد باعث افزایش سختی می‌شود ، اما ذرات کاربید آهن آزاد در فولادهای کربنی ( حاوی ۱ یا ۱.۲۵ درصد کربن ) باعث می‌شود لبه بهتری داشته باشند [۱] .
کاربرد فولادهای ابزار تندبر : فولادهای تندبر بطور گسترده در ساخت انواع ابزارهای برش مانند مته‌ها ، فرزها ، ابزارهای برش دندانه‌دار ، تیغه اره ، تیغه‌های رنده و غیره کاربرد دارند . استفاده از این فولادها در قالب‌ها و پانچ کننده‌ها در حال افزایش است . در ساخت برخی از ابزارهای دستی ( که نیاز به چقرمگی خوب و سختی بالا همراه با مقاومت به سایش بالا دارند ) مانند تیغه‌های دستی ، چاقوهای آشپزخانه ، چاقوهای جیبی و غیره از این فولادها استفاده می‌شود [۳] .
درشکل زیر برخی از کاربردهای فولادهای ابزار نمایش داده شده است .
برخی از کاربردهای فولادهای ابزار .
فولادهای ابزار فولادهایی هستند که در ساخت ابزارها از آن‌ها استفاده می‌شود . این فولادها انواع مختلفی دارند ؛ به همین دلیل دارای گستره‌ی وسیعی از خواص هستند . این فولادها در ساخت انواع قالب‌ها ، انواع فرزهای مته ، انواع تیغه‌های برشی ، انواع ابزارهای دستی و غیره کاربرد دارند .
منابع
[۱] “https://en.wikipedia.org/wiki/Tool_steel.” .
[۲] کاویانی‌نژاد، فریدون, انتخاب مواد و طراحی برای مهندسین مواد- مکانیک- شیمی. موسسه آموزشی و تحقیقاتی صنایع دفاعی.
[۳] “https://en.wikipedia.org/wiki/High-speed_steel.” .