فولاد ابزاری چیست؟ فولاد ابزار

فولاد ابزاری (به انگلیسی Tool steel) به دسته ای از فولادهای کربنی و آلیاژی گفته می شود.

فولاد ابزاری - فولاد ابزار چیست؟

فولاد ابزاری

که برای ساخت ابزار و قالب مناسب هستند. این خواص شامل سختی بالا، مقاومت به سایش، مقاومت به تغییر شکل و دفورمه شدن وقابلیت حفظ لبه برش دهنده در دماهای بالا است. به همین دلیل فولادهای ابزاری برای شکل دهی به سایر مواد مناسب هستند.

فولادهای ابزاری معمولاً در کوره های قوس الکتریکی و تحت شرایط و الزامات ویژه فولادهای ابزاری ذوب می شوند. فولادهای ابزاری در حقیقت فولادهایی هستند. که قابلیت سخت کاری تمپرینگ دارند. درصد بالای عناصر آلیاژی و میکروساختار مناسب کاربردهای طاقت فرسا و شدید، باعث آن است که تولید این فولادها دشوار باشد.

خواص اصلی فولاد ابزار شامل مقاومت به سایش. سختی بالا و قابلیت حفظ شکل در دماهای فوق العاده بالا باعث استفاده از آن در ساخت ابزارهایی مانند مته، برقو، کاترها. قالب های فورجینگ و قالب های تزریق پلاستیک می شود.

بازار فولاد ابزار در سال 2017 بیش از چهار و نیم میلیارد دلار ارزش داشت و انتظار می رود. تا سال 2024 صنعت به بیش از دو نیم میلیون تن فولاد ابزار نیاز داشته باشد. بزرگترین شرکت های تولید کننده فولاد ابزاری در جهان عبارتند از:

ناچی-فوجیکوشی، هیتاچی متالز، وست آلپاین، ساموئل سان اند کو، ارامت، تیانگونگ اینترنشنال، شرکت فولاد پنسیلوانیا، کی لو اسپشال استیل.

طبقه بندی فولادهای ابزاری

تعداد بسیار زیادی از فولادهای ابزار به طور متوسط مؤسسه آهن و فولاد آمریکا (AISI) طبقه بندی شده است. که توسط کشورهای بسیاری پذیرفته شده و استفاده می شود. سیستم طبقه بندی AISI فولادهای ابزار را بر اساس مشخصات برجسته آنها مانند آلیاژ. کاربرد یا عملیات حرارتی آنها به گروه های مختلفی تقسیم بندی می کند.

فولاد ابزاری - فولاد ابزار چیست؟

ریزساختار مورد سختکاری یک فولاد ابزاری متداول، شامل زمینه ای از مارتنزیت که تمپر است حاوی پراکندگی های مختلفی از آهن و کاربیدهای آلیاژی است. وجود درصد بالایی از کربن یا عناصر آلیاژی در این فولادها، امکان سختکاری یا تشکیل مارتنزیت در هنگام خنک کاری را فراهم کرده است. هرچه درصد کربن یا عناصر آلیاژی در مارتنزیت در حال فوق اشباع بیشتر باشد، که آستنیت مادر به ارث می برد. درصد کاربیدهای شکل گرفته در حین تمپرینگ بیشتر خواهد بود.

هرچه درصد عناصر تشکیل دهنده کاربیدهای قوی بیشتر باشد. چگالی کاربیدهای پایدار در آستنیت در هنگام کار در حالت گرم و آستنیتی کردن بیشتر خواهد بود. این کاربیدها علاوه بر آنهایی که در حین تمپرینگ در مارتنزیت شکل گیری شدند. به عنوان اجزایی از میکروساختار باقی خواهند ماند. هرچه درصد کربن مارتنزیت و چگالی کاربیدها بیشتر باشد. مقاومت به سایش فولاد افزایش خواهد یافت. اما از طرفی چقرمگی آن کاهش می یابد.

گروه سختکاری شونده با آب :گروه W

فولادهای ابزاری سختکاری شونده در آب کمترین میزان عناصر آلیاژی را در میان فولادهای ابزاری دارند. و اساساً این فولادها، فولادهای کربنی هستند. به همین دلیل قابلیت سختکاری آنها پایین بوده و برای تشکیل مارتنزیت باید آنها را در آب کوئنچ کرد. حتی با وجود کوئنچ کردن در آب ممکن است فقط سطح فولاد سختکاری شود. با این حال درصد بالای کربن در فولادهای ابزاری سختکاری شونده در آب این اطمینان را می دهند. که در هر جایی که مارتنزیت شکل بگیرد. سختی بالایی وجود خواهد داشت. به دلیل درصد پایین عناصر آلیاژی در فولادهای ابزاری سخت شونده در آب، با عملیات حرارتی فقط کاربیدهای آهن شکل خواهند گرفت.

این فولادها توسط آب سختکاری می شوند. و به همین دلیل فولادهای ابزاری سختکاری شونده با آب نام گذاری شده اند. فولادهای گرید -W در حقیقت فولادهای کربن -بالای ساده هستند. این گروه از فولادهای ابزاری به دلیل قیمت پایین تر آنها نسبت به سایر فولادهای ابزاری پرکاربردترین فولادهای ابزاری هستند. این فولادها برای کاربردهایی که دمای بالا وجود ندارد بسیار مناسب است. در دماهای بالای 150 درجه سانتی گراد این فولادها خاصیت سختی خود را به شدت از دست می دهند. از آنجایی که این فولادها پس از عملیات حرارتی. خیلی بیشتر از فولادهای سختکاری شونده در هوا یا روغن، تاب برداشته یا ترک می خورند. امروزه نسبت به قرن 19 و 20 خیلی کمتر از آنها استفاده می شود.

گروه کار سرد

گروه سختکاری شونده با روغن (Oil Hardening): سری O

فولادهای ابزاری کار سرد، سختکاری شونده در روغن با هدف تولید فولادهایی با مقاومت به سایش بسیار بالا. در شرایط کار در حالت سرد توسعه یافتند. سختی بالا توسط مارتنزیت کربن-بالای که تمپر است در دمای پایین، برای تولید کاربیدهای متفرق بسیار ریز، ایجاد می شود. به دلیل وجود درصد بالای کربن و عناصر آلیاژی، قابلیت سختکاری تا عمق زیادی از قطعه، توسط کوئنچ کردن در روغن وجود دارد. گرید O7 حاوی درصد بالایی از کربن و درصد زیادی عناصر آلیاژی است. که باعث بهبود تشکیل گرافیت می شود. و این امر سبب افزایش قابلیت ماشین کاری و عمر قالب می شود.

این سری شامل گریدهای O1، O2،O6،O7 می باشد. فولادهای این گروه همگی در دمای 800 درجه سانتی گراد سختکاری و داخل روغن کوئنچ میشود. و در دمای زیر 200 درجه سانتی گراد برگشت (Tempering) دهی می شوند.

گروه سخت کاری شوند در هوا (Air Hardening): سری A

فولادهای ابزاری آلیاژ-متوسط، کار سرد در شرایط کار در حالت سرد مقاومت به سایش بالایی دارند. گریدهای مختلف این فولادها، به دلیل دامنه مختلفی از درصد کربن و عناصر آلیاژی، ترکیب های مختلفی از چقرمگی و سختی ارائه می دهند. مشابه فولادهای سخت شوند در روغن،مقاومت در برابر سایش توسط مارتنزیت-پر-کربن و کاربیدهای ریز متفرق فراهم می شود. با این حال درصد عناصر آلیاژی به اندازه ای زیاد است که امکان تشکیل مارتنزیت در هنگام خنک شدن در هوا نیز وجود دارد.

و در نتیجه این فولادها در هوا نیز سختکاری می شوند. خنک کاری نسبتاً آهسته این فولادها در هوا باعث به حداقل رسیدن اعوجاج. و تاب برداشتن قطعه و پایداری ابعادی خوب آنها در هنگام عملیات حرارتی میشود. این گروه از فولادهای ابزاری دارای گریدی با نام A10 است که حاوی گرافیت نیز می باشد.

فولادهای ابزاری نوین سختکاری شونده در هوا با ویژگی «تغییر شکل و دفورمه شدن کم» خود در طول فرایند خنک کاری شناخته می شوند. قابلیت ماشینکاری آنها معمولاً خوب بوده و توازن خوبی بین استحکام و مقاومت به سایش در آنها برقرار است.

اولین فولاد ابزار سختکاری شونده در هوا با عنوان Mushet Steel شناخته می شد.

گروه کربن بالا، کروم بالا: سری D

فولادهای ابزاری کار سرد، کربن-بالا، کروم-بالا مقاومت بسیار بالایی در برابر سایش و خوردگی دارند. در این فولادها علاوه بر نقش مارتنزیت کربن-بالای که تمپر است در اجزای میکروساختار. تعداد زیادی از کاربیدهای آلیاژ نیز نقش مهمی در دستیابی به مقاومت در برابر سایش بالا دارند. مقداری از کاربیدهای آلیاژ در هنگام انجماد تولید میشود و با آستنیت در هنگام کار در حالت گرم و آستنیتی کردن همزیستی می کنند.

و مقداری نیز در هنگام تمپر کردن ایجاد می شود. در این فولادها نیز، درصد بالای عناصر آلیاژی قابلیت سختکاری را بالا می برد. و امکان تولید مارتنزیت در هنگام خنک کاری در هوا و در نتیجه پایداری ابعادی قطعه ایجاد می گردد. با اینکه مقاومت به سایش فولادهای ابزاری سری-D برای کاربردهای کار در حالت سرد مطلوب است. فرایندهای ماشینکاری و سنگ زنی در هنگام تولید قالب های ریخته گری و تزریق پلاستیک دشوار است.

فولادهای ابزاری کلاس کار سرد شونده سری D، که در اصل شامل فولادهای D2 و D3 و D6 و D7 است. حاوی 10 تا 13 درصد عنصر کروم است. این فولادها معمولاً سختی خود را تا 425 درجه سلسیوس حفظ می کنند. از کاربردهای متداول این گروه می توان به قالب های فورجینگ. بلوک قالب های دایکستینگ و قالب های ساخت قطعه به روش کشش (Drawing) اشاره کرد. به دلیل درصد بالای کروم آنها برخی فولادهای سری D به عنوان فولاد زنگ نزن یا «شبه-زنگ نزن» شناخته می شوند. اما به دلیل رسوب کروم و محتوای کربن آنها به صورت کاربید، خاصیت مقاومت به زنگ زدگی آنها پایین است.

گروم کار گرم

فولادهای ابزاری کار گرم فولادهایی هستند که برای شکل دهی یا برش مواد در دماهای بالا از آنها استفاده می شود.

فولاد های ابزار گرمکار کرومی باید مقاومت به بارگذاری ضربه ای در حالت گرم فوق العاده بالا. مقاومت به نرم شدن در هنگام قرار گرفتن در معرض گرما، و مقاومت به خستگی بالایی داشته باشند.

این مجموعه الزامات طاقت فرسا، که در فورجینگ و بسیاری از فرایندهای کار در حالت گرم و ریخته گری تحت فشار کاملاً متداول است. با استفاده از درصد کربن متوسط، و غلظت های نسبتاً بالای کروم و سایر عناصر تشکیل دهنده کاربید برطرف می گردد. درصد متوسط کربن با محدود کردن غلظت کربن مارتنزیت و محدود کردن اندازه ذرات کاربید آلیاژ، چقرمگی را افزایش می دهد.

استحکام دما بالای خوب نیز از طریق تمپرینگ در دمای بالا ایجاد می گردد. که در آن پراکندگی های پایدار و ریز کاربیدهای آلیاژ کروم و وانادیم رسوب می کند. این کاربیدهای ریز در زیر کار و استفاده از قالب، بسیار آهسته و کند درشت می شوند. درصد آلیاژ بالای فولادهای H نیز سختی پذیری بسیار خوبی را ایجاد کرده. و باعث سخت شدن بخش های ضخیم قالب توسط خنک سازی در هوا می شود.

فولادهای ابزار گرمکار تنگستنی مقاومت به نرم شدگی در دمای بالای بسیار بیشتری نسبت به فولادهای ابزار کار گرم کرومی دارند. این مقاومت به نرم شدگی از طریق افزودن مقادیر قابل توجهی از تنگستن به فولاد ایجاد می گردد. که خود نیز علاوه بر کروم، تعداد زیادی کاربیدهای آلیاژ پایدار در داخل ریزساختار ایجاد می کند. البته این توزیع کاربیدهای اضافی باعث کاهش چقرمگی می شود.

فولادهای ابزار گرمکار مولیبدنی می توانند به نرم شدگی مشابهی با فولادهای ابزار کار گرم تنگستنی ایجاد کنند. به همین دلیل نسبت به قیمت یا دسترسی به هر کدام، می توانند جایگزین هم شوند. مولیبدن نیز، که یکی دیگر از عناصر تشکیل دهنده کاربیدهای آلیاژ قوی است. در کنار کروم، وانادیوم و تنگستن به فولاد افزوده می شود. تا بخش بزرگی از کاربیدهای آلیاژ را فراهم کند. که در صورت قرارگیری در معرض عملیات های شکل دهی دمای بالا، باعث ایجاد ریزساختارهای پایدار می شود.

گروه مقاوم به شوک

فولادهای ابزاری مقاوم به شوک یا ضربه با هدف ساخت فولادهایی با چقرمگی و مقاومت به شکست بالا. در کنار داشتن استحکام و مقاومت به سایش بالا برای کاربردهای بارگذاری ضربه ای ساخته شده اند. چقرمگی بالا با نگه داشتن درصد کربن در سطح متوسط حاصل می شود. به این طریق درصد کربن در مارتنزیت کم است و کاربیدهای متفرق ریز است. درصد عناصر آلیاژی این فولادها نسبت به فولادهای ابزاری گروه W بیشتر بوده و در نتیجه قابلیت سختکاری آنها نیز بالاتر است. عناصر آلیاژی همچنین ایجاد کاربیدهای پراکنده را تقویت می کنند.

افزایش زیاد مقاومت به شوک و سختی توسط آلیاژی کردن فولاد با عنصرهای کروم-تنگستن، سیلیکون-مولیبدن، سیلیکون-منگنز انجام می شود. فولادهای ابزاری مقاوم به شوک (سری S) طوری طراحی می شوند. که هم در دماهای بالا و هم در دماهای پایین نسبت به شوک و ضربه ناگهانی مقاوم باشند. برای داشتن استحکام کافی نیاز است که سطح کربن پایین باشد (در حدود 0/5 درصد).

گروه تندبر

گروه کاربرد-خاص

فولادهای ابزاری نوع -P که مخفف فولادهای قالب تزریق پلاستیک (Plastic Injection Molds) هستند. این فولادها نسبت به سایر فولادهای ابزاری درصد کربن کمتری دارند. تا امکان ماشینکاری و ایجاد حفره های مورد نیاز در آنها، در حالت نرم بازپخت شده، وجود داشته باشد. سپس این فولادها کربن دهی و سختکاری می شوند. تا سختی سطحی و مقاومت به سایش مورد نیاز ایجاد گردد. یکی از الزامات اصلی فولادهای ساخت قالب، قابلیت صیقل کاری و داشتن بافت سطح عالی در آنهاست. گاهی اگر خوردگی قالب های تولیدی از فولادهای آلیاژ پایین نوع-P مشکل ساز باشد. از فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی برای ساخت این قالب ها استفاده می شود.

فولادهای ابزاری نوع-L که مخفف فولادهای ابزار آلیاژ – پایین استفاده خاص هستند. فولاد L6 برای مثال چقرمگی بسیار بالایی دارد.

فولادهای ابزاری نوع-F که توسط آب سختکاری می شوند. و مقاومت به سایش آنها بسیار بیشتر از فولادهای ابزاری نوع-W است.

ذوب اولیه

امروزه ذوب در کوره های قوس الکتریکی اصلی ترین روش تولید فولادهای ابزاری می باشد. همچنین امروزه فرایند تولید فولاد به دو مرحله تقسیم شده است. مرحله اول فقط شامل ذوب بوده و هیچ گونه پالایش و اصلاحی در آن انجام نمی شود. در نتیجه می توان ماشین آلات و فرایندها را برای این حالت بهینه سازی کرد. (برای مثال از کوره های قوس الکتریکی فوق قوی استفاده کرد). در مرحله دوم فلز مذاب داغ به داخل یک پاتیل یا مخزن مبدل منتقل میشود. و عمده پالایش و اصلاح در آنجا انجام می شود. مزیت اصلی اصلاح در مخزن ثانویه افزایش سرعت و ظرفیت تولید می باشد. راندمان، کیفیت، تکرارپذیری و همچنین ثبات نیز افزایش می یابند.

مواد اولیه بخش قابل توجهی از هزینه فولاد ابزاری تولیدی را تشکیل می دهند. به همین دلیل، فشارهای ناشی از بازارهای رقابتی، استفاده از موادی با کمترین هزینه که ترکیب شیمیایی نهایی را ایجاد کند، الزامی کرده است. معمولاً 75% از فلز قراضه ای که قرار است ذوب شود. خود فولاد ابزاری قراضه است. در تولید فولاد ابزاری برای جلوگیری از آلودگی مذاب باید توجه کافی داشت. مخصوصاً آلایش مذاب توسط عناصر نامطلوبی مانند نیکل، کبالت و مس که نمی توان آنها را از طریق اکسایش از مذاب حذف کرد.

افزودن عناصر آلیاژی از قبیل کروم، تنگستن، مولیبدن، وانادیم، سیلیسیم و منگنز. معمولاً در فرایند AOD (کربن زدایی اکسیژن آرگون) به شکل فِرو آلیاژها انجام می شود. همچنین می توان مولیبدن، کبالت و وانادیم را به شکل اکسید نیز به مذاب اضافه کرد. سپس در فرایند AOD آنها را کاهش داد. (کاهش عکس فرایند اکسایش است که در آن ماده، الکترون جذب می کند).

ماده اولیه شارژ شده در مخزن معمولاً با بالاترین سرعت ممکن ذوب می شود. سپس به یک مخزن پالایش ثانویه مانند مخزن AOD منتقل می شود. سپس در این مخزن با تزریق نسبت های که کنترل هستند از گازهای اکسیژن و آرگون یا نیتروژن. از درون لوله دم آهنگری (tuyere) غوطه ور در مذاب، پالایش و اصلاح انجام می شود. در این فرایند کنترل عالی ترکیب شیمیایی، شامل درصد کربن، گوگرد، فسفر، گاز اکسیژن (O2) و گازه هیدروژن (H2) امکان پذیر است.

همچنین می توان نسبت به نوع آلیاژ در حال ساخت. نیتروژن را تا حدودی حذف کرده یا با تزریق آن به مذاب آن را عمدتاً افزایش داد. از آنجایی که در فرایند AOD منبع گرمای اضافی وجود ندارد. کنترل دما از طریق کنترل نرخ دمش گاز انجام می شود. برای تأمین گرمای اضافی می توان از افزودن آلومینیوم یا سیلیسیم به عنوان سوخت و ایجاد فرایند اکسایش گرمازا استفاده کرد.

زمانی که ترکیب شیمیایی مورد نظر ایجاد شد. و دمای مورد نیاز ایجاد شد. مذاب را به داخل یک پاتیل می ریزند. و به ایستگاه ریخته گری منتقل می شود. (برای تفکیک این فرایند با سایر فرایندهای ریختن به آن teeming می گویند.

فروش انواع استیل-فولاد نسوز -فولاد دریایی-فولاد ساختمانی-فولاد آلیاژی (استیل دی) ((ارتباط سریع با واحد فروش 02166396590- 09922704358))

برای پیدا کردن مکان فعالیت استیل دی بر روی کلمه (نقشه) کلید نمایید

استیل دی –Steel day

02166396590– 09922704358

آدرس دفتر مرکزی: تهران – جاده قدیم کرج – بعد از کارخانه شیرپاستوریزه – فتح سیزدهم – مجتمع پایتخت- واحد C9

ارتباط با ما در شبکه های اجتماعی (با کلیک بر روی لینک های زیر به ما بپیوندید)

https://t.me/steel_day تلگرام

https://www.instagram.com/steel_day.ir اینستاگرام

https://twitter.com/MDlakan توییتر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.