فولاد های ابزار

فولادهای ابزار آلیاژهایی هستند که برای ساخت ابزار ، حدیده ها و قالب‌های شکل‌دهی ، فرم دهی و برش مواد دیگر ، از قبیل فولاد ها ،فلزات غیر آهنی و پلاستیک ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فولادهای ابزار هم فولادهای کربنی هم آلیاژی یا فولادهای تندبر هستند که قابلیت سخت شدن و تمپر شدن را دارند. آنها معمولاً در کوره های الکتریکی ذوب می شوند و تحت عنوان فولاد ابزار تولید می شوند تا نیازهای خاص را برآورده کنند. آنها ممکن است در ابزارهای دستی خاص یا در وسایل مکانیکی برای برش، شکل دادن، فرم ‌دهی و پرکردن مواد در دماهای معمولی یا دمای بالا استفاده شوند. فولادهای ابزار همچنین در طیف گسترده‌ای از کاربردهای دیگر استفاده می شود که در آن مقاومت در برابر سایش، استحکام، چقرمگی و سایر خواص برای عملکرد بهینه انتخاب شده است.

همچنین فولادهای ابزار ممکن است با خواصی برای استفاده در کاربردهای غیرابزاری مانند فنرها، آهنرباها، یاتاقان‌ها یا حتی کاربردهای ساختاری تولید شوند.فولادهای ابزار که قبلا  انحصارا برای کاربردهای ابزاری استفاده می شدند ، برای برخی از فولادهای با استحکام فوق‌العاده اخیراً توسعه‌یافته‌اند – مانند فولادهای ماراجینگ، AF1410 و  Aeromet 100، که برای کاربردهای ساختاری ساخته شده‌اند- که به چقرمگی بالا نیاز دارند – گاهی اوقات برای کاربردهای ابزار نیز استفاده می شوند.

طبقه بندی فولادهای ابزار

طیف گسترده فولاد های ابزار با توجه به کاربرهای گسترده آن به شکل موثری ، توسط مؤسسه آهن و فولاد آمریکا (AISI) طبقه بندی می شوند. این سیستم نقطه شروعی برای انتخاب فولاد مناسب برای یک عملکرد معین از تعداد زیاد فولادهای موجود است.

سیستم طبقه‌بندی AISI، فولادهای ابزار را به گروه‌هایی مرتب می‌کند که بر اساس ویژگی‌های برجسته‌ای مانند آلیاژ (به عنوان مثال، فولادهای تنگستنی یا مولیبدنی)، کاربرد (به عنوان مثال، فولادهای ابزار سردکار یا گرمکار و یا تندبر)، یا عملیات حرارتی هستند (به عنوان مثال فولادهای ابزار سخت شونده با آب یا سخت شونده با روغن). جدول 2-1، نه گروه از فولادهای ابزار و نمادهای حروف شناسایی آن‌ها را فهرست می‌کند.

علاوه بر طبقه بندی AISI، فولادها با نامگذاری در سیستم شماره گذاری یکپارچه (UNS) برای فلزات و آلیاژها، که در سال 1975 توسط انجمن مهندسین خودرو (SAE) و انجمن آمریکایی تست و مواد (ASTM) تأسیس شد، شناسایی می شوند.

ترکیبی از خواص گروه های مختلف فولادهای ابزار، با عملکردهای پیچیده  فرآیند عملیات حرارتی است که توسط آلیاژسازی تعیین می شود. عملیات حرارتی نهایی فولادهای ابزار همیشه شامل یک فرآیند سه مرحله‌ای است: گرم کردن برای تشکیل آستنیت، سرد کردن برای تبدیل آستنیت به مارتنزیت، و گرم کردن یا تمپر کردن برای حذف آستنیت باقی‌مانده و تشکیل کاربید در مارتنزیت.

چندین اصل بسیار کلی آلیاژسازی و عملیات حرارتی در این مرحله معرفی شده است تا پایه ای برای مقایسه گروه های مختلف فولادهای ابزار ارائه شود:

• ریزساختار سخت شده یک فولاد ابزار معمولی شامل یک زمینه از مارتنزیت تمپر شده حاوی پراکندگی های مختلف از سمنتیت و کاربیدهای عناصر آلیاژی است.
• کربن بالا و محتوای آلیاژ بالا باعث افزایش سختی یا توانایی تشکیل مارتنزیت در هنگام سرد شدن می‌شود.
• هر چه محتوای کربن و آلیاژ در حالت فوق اشباع در مارتنزیت بیشتر باشد، چگالی کاربیدهایی که می‌توانند در هنگام تمپر کردن تشکیل شوند، بیشتر می شود.
• هر چه محتوای عناصر کاربید ساز قوی بیشتر باشد، چگالی کاربیدهایی که در آستنیت در حین کار گرم و آستنیته شدن پایدار هستند، بیشتر می‌شود. این کاربیدها به‌عنوان اجزای ریزساختار علاوه بر آن‌هایی که در مارتنزیت در طی تمپر کردن ایجاد می‌شوند، حفظ می‌شوند.
• هر چه محتوای کربن مارتنزیت بیشتر باشد و چگالی کاربیدها بیشتر باشد، سختی و مقاومت در برابر سایش بیشتر است اما چقرمگی ریزساختار فولاد ابزار کمتر است.

فولادهای ابزار سخت شونده با آب

این فولادهای ابزار کمترین میزان آلیاژی را در بین تمام فولادهای ابزار دارند و اساساً فولادهای کربنی هستند. بنابراین سختی پذیری آنها کم است و برای تشکیل مارتنزیت نیاز به کوئنچ آب است. حتی با کوئنچ آب، فقط سطح ابزار ممکن است سخت شود. با این حال، محتوای کربن بالا در فولادهای ابزار سخت‌شونده با آب تضمین می‌کند که مارتنزیت در جایی که تشکیل می‌شود از سختی بالایی برخوردار باشد. مطابق با محتوای آلیاژی کم، کاربیدهای آهن فقط با عملیات حرارتی فولادهای ابزار سخت‌شونده با آب تولید می شوند.

فولادهای ابزار مقاوم در برابر ضربه

این فولادهای ابزار برای ایجاد چقرمگی و مقاومت در برابر شکست در ترکیب با استحکام بالا و مقاومت در برابر سایش در شرایط بارگذاری ضربه‌ای ساخته شده‌اند. چقرمگی بالا با حفظ محتوای کربن در سطوح متوسط به دست می آید، در نتیجه محتوای کربن مارتنزیت کم و پراکندگی کاربید خوب باقی می ماند. محتوای آلیاژی فولادهای ابزار مقاوم در برابر ضربه بیشتر از فولادهای ابزار سخت‌شونده با آب است. بر این اساس، سختی پذیری نیز بالاتر است. عناصر آلیاژی همچنین باعث پراکندگی مفید کاربیدها می شوند.

فولادهای ابزار سرد کار سخت شونده با روغن

این فولادهای ابزار برای ایجاد مقاومت در برابر سایش بسیار بالا در شرایط کار سرد ساخته شده‌اند. سختی بالا توسط مارتنزیت با کربن بالا که در دماهای پایین پراکندگی بسیار ریز کاربیدها را فراهم کند، ایجاد می‌شود. سختی پذیری، به دلیل محتوای کربن بالا و عناصر آلیاژی متوسط، برای ایجاد عمق خوب سخت شدن با کوئنچ روغن کافی است. آلیاژ و محتوای کربن بسیار بالای فولاد نوع O7 باعث تشکیل گرافیت می شود که ماشین کاری و عمر قالب را افزایش می دهد.

فولادهای ابزار سرد کار با آلیاژ متوسط سخت‌شونده در هوا

این فولادهای ابزار نیز در شرایط کار سرد مقاومت سایشی بالایی دارند. گریدهای مختلف، به دلیل محدوده محتوای کربن و عناصر آلیاژی، ترکیبات مختلفی از سختی و چقرمگی دارند. مشابه فولادهای سخت شونده با روغن، مقاومت به سایش توسط مارتنزیت با کربن بالا و پراکندگی کاربید ریز ایجاد می شود. با این حال، به دلیل محتوای آلیاژ بالا، سختی پذیری به اندازه کافی بالا می‌باشد و اجازه تشکیل مارتنزیت در شرایط خنک شدن در هوا را می دهد. شرایط خنک کنندگی بسیار آهسته، اعوجاج را به حداقل می‌رساند و ثبات ابعادی خوبی را در طول عملیات حرارتی ایجاد می‌کند. این گروه از فولادهای ابزار دارای گرید A10 نیز هستند که گرافیت در ریزساختار آن وجود دارد.

فولادهای ابزار سرد کار با کربن بالا و کروم بالا

این فولادهای ابزار مقاومت در برابر سایش و خراش بسیار بالایی دارند. مارتنزیت با کربن بالا نه تنها جزء مهمی از ریزساختار است، بلکه کسر حجمی زیادی از کاربیدهای آلیاژی نیز نقش مهمی در دستیابی به مقاومت به سایش بالا دارند. برخی از کاربیدهای آلیاژی از طریق انجماد تولید می شوند و در هنگام کار گرم و آستنیته شدن با آستنیت همزیستی می کنند و برخی نیز از طریق تمپر تولید می شوند. مجدداً، محتوای بالای آلیاژ، سخت‌شوندگی عالی را فراهم می‌کند و تشکیل مارتنزیت را در شرایط خنک‌کنندگی در هوا و به دنبال آن مزیت کنترل ابعادی را ممکن می‌سازد. اگرچه مقاومت سایشی بالای فولادهای ابزار نوع D برای کاربردهای سرد مطلوب است، اما عملیات ماشینکاری در طول ساخت قالب‌ها و قالب‌های نهایی دشوار است.

فولادهای ابزار کم آلیاژ و با کاربرد خاص

این فولادهای ابزار را می‌توان در کاربردهای مختلفی با ویژگی‌های همپوشانی با گریدهای سخت شونده در آب و روغن استفاده کرد. این آلیاژ سختی متوسطی را ارائه می‌دهد که در برخی موارد برای سخت شدن در روغن مناسب است، اما در دسترس بودن گریدهای کربن متوسط، چقرمگی بالاتری را در مقایسه با فولادهای ابزار سخت شونده با روغن با کربن بالا امکان پذیر می کند.

فولادهای قالب

این فولادهای ابزار دارای محتوای کربن پایین نسبت به سایر فولادهای ابزار هستند تا در شرایطی که فولادها در شرایط آنیل نرم هستند، به وسیله ماشینکاری، حفره‌های قالب‌گیری پلاستیکی یا ریخته‌گری فلزی را شکل دهند. سپس قالب ها کربوره شده و سخت می شوند تا سختی سطح و مقاومت در برابر سایش بالایی به دست آید.

فولادهای ابزار کار گرم کروم دار

این فولادهای ابزار  باید مقاومت بسیار خوبی در برابر بارگذاری ضربه ای در دمای بالا، نرم شدن در هنگام قرار گرفتن در معرض دمای بالا و خستگی حرارتی داشته باشند. این مجموعه نیازمندی‌ها – که معمولاً برای آهنگری، بسیاری از انواع دیگر کار گرم و دایکاست – با استفاده از محتویات کربن متوسط و غلظت نسبتاً بالای کروم و سایر عناصر تشکیل‌دهنده کاربید قوی انجام می‌شود. محتوای کربن متوسط با محدود کردن غلظت کربن مارتنزیت و با محدود کردن اندازه ذرات کاربید آلیاژ، چقرمگی را افزایش می‌دهد. استحکام خوب در دمای بالا با تمپر در دماهای بالا که در آن پراکندگی‌های ریز و پایدار کاربیدهای آلیاژ کروم و وانادیم رسوب می کنند به دست می آید. این کاربیدها فقط در حین کار به آرامی درشت می‌شوند. محتوای آلیاژی بالای فولادهای H نیز سختی پذیری عالی را فراهم می کند و اجازه می دهد تا مقاطع سنگین در شرایط خنک کنندگی هوا سخت شوند.

فولادهای ابزار کار گرم تنگستنی

این فولادهای ابزار نسبت به فولادهای کار گرم کرومی مقاومت بسیار بیشتری در برابر نرم شدن در هنگام قرار گرفتن در معرض دمای بالا دارند. مقاومت بهبود یافته در برابر نرم شدن با افزودن مقادیر قابل توجهی تنگستن حاصل می شود که علاوه بر کروم، کسر حجم زیادی از کاربیدهای آلیاژی پایدار را در ریزساختار تولید می کند.

فولادهای ابزار کار گرم مولیبدنی

این فولادهای ابزار فولاد H42 که در این دسته در جدول 2-2 ذکر شده است، دارای مقاومت نرم‌شوندگی قابل مقایسه با فولادهای کار گرم تنگستنی است و بنابراین، بسته به در دسترس بودن و هزینه، یک انتخاب جایگزین ارائه می دهد. مولیبدن، یکی دیگر از عناصر تشکیل‌دهنده کاربید آلیاژی قوی، با کروم، وانادیوم و تنگستن اضافه می‌شود تا حجم زیادی از کاربیدهای آلیاژی را فراهم کند، که منجر به ایجاد ریزساختارهای پایدار در هنگام قرار گرفتن در معرض عملیات شکل‌دهی در دمای بالا می‌شود.

فولادهای ابزار تندبر تنگستنی

برای کاربردهای ابزار برش با سرعت بالا استفاده می شود. محتوای آلیاژی عناصر تشکیل دهنده کاربید قوی، به ویژه تنگستن در مقادیر 18 درصد یا بیشتر، به قدری زیاد است که این فولادها حتی زمانی که در معرض دمایی قرار می گیرند که ابزار قرمز به نظر می رسد، نرم نمی شوند. فولادهای T به دلیل کربن نسبتاً بالا و محتوای آلیاژی بسیار بالا، سختی پذیری بالایی دارند و برای ایجاد ریزساختارهایی با کسر حجمی زیاد از کاربیدهای پایدار در دمای بالا پردازش می شوند که مقاومت سایشی عالی ایجاد می کنند.

فولادهای ابزار تندبر مولیبدنی

مشابه گروه T از فولادهای تندبر، برای کاربردهای ابزار برش پرسرعت استفاده می‌شوند. مولیبدن جایگزین برخی از فولادهای تنگستنی گروه T می‌شود، اما ویژگی‌های عملکردی فولادهای T و M، به جز چقرمگی کمی بالاتر فولادهای گروه‌های M، اساساً یکسان است. ملاحظات آلیاژی (یعنی تشکیل کاربیدهای آلیاژی پایدار و افزودن کبالت برای افزایش سختی) و فرآیند عملیات حرارتی برای هر دو نوع فولادهای تندبر مشابه است. با این حال، فولادهای M به راحتی کربن زدایی می‌کنند و در سخت شدن نیاز به مراقبت بیشتری دارند.

فولادهای ابزار تندبر فوق سخت

این فولادهای ابزار می توانند تا HRC 70 سخت شوند، در مقایسه با حداکثر سختی 65/66 HRC که در سایر فولادهای تندبر به دست می آید. سختی بسیار بالا نشان‌دهنده بهینه‌سازی ویژگی طراحی عملیات حرارتی فولادهای تندبر، چگالی بسیار بالای کاربیدهای آلیاژی اولیه و کاربیدهای آلیاژی ریز است که توسط سخت‌کاری ثانویه با محتوای کربن بالاتر همراه با محتوای بالای کبالت و عناصر تشکیل دهنده کاربید قوی در دماهای بالا ایجاد می‌شود. چقرمگی در سطوح سختی بسیار بالا یکی از ویژگی‌های اصلی در کاربرد فولادهای تندبر فوق سخت است.