فولاد ابزار آلیاژی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش هستند. خواص آنها، هم از ترکیب شیمیایی آنها و هم از نحوه تولید آنها ناشی می شود. همانطور که از نام آنها مشخص است، این فولادها برای کارهایی مانند برش، سوراخ کردن، پانچ کردن، ضربه زدن یا انجام هر کار سخت دیگری هستند. فولادهای ابزار باید دارای خواص مناسب برای کاربردشان باشند. به عنوان مثال، یک مته و یک پانچ هر کدام به سختی و مقاومت در برابر سایش نیاز دارند. با این حال، پانچ ضربه بیشتری را تجربه می کند در حالی که مته سایش بیشتری را تجربه می کند. مهندسان و متالوژیست ها ترکیب هر نوع فولاد ابزار را بر اساس کاربرد ابزار انتخاب می کنند.

فولادهای ابزار همگی دارای عناصر آلیاژی هستند که کاربید تولید می کنند. کاربیدها یک ماده نسوز هستند، به این معنی که در برابر شکستن تحت فشار، تغییر با مواد شیمیایی یا گرما مقاومت می کنند. با این حال، فقط ترکیب شیمیایی نیست که فولاد ابزار را مقاوم می سازد. فولاد ابزار  سختی خود را از طریق عملیات حرارتی و خاموش کردن دقیق و کنترل شده بدست می آورد.

مطالب مرتبط: همه چیز در مورد فولاد

سخت شدن فولاد ابزار با کوئنچ

کوئنچینگ فرآیندی برای سخت شدن فولاد با تغییر ریزساختار آن است. در این فرآیند ابتدا فولاد گرم می شود. آلیاژهای فولاد بسته به مقدار کربن موجود در مخلوط، در دماهای مختلف گرم می شوند. پس از رسیدن به حرارت مناسب، آلیاژ از طریق قرار گرفتن در معرض گاز یا مایع بسیار خنک‌تر، خاموش یا سرد می‌شود. کوئنچینگ فلز را به سرعت منجمد می کند. هنگامی که فلز به این شکل منجمد می شود، تعداد زیادی از دانه های کریستالی ریز ساختار به یکباره و با جابجایی زیادی در هر دانه و بین آنها  شروع به یخ زدن می کنند.

این حالت را با خنک شدن بسیار آهسته مقایسه کنید، جایی که دانه ها به مرور زمان در محدوده های بزرگتر و دایره ای به آرامی خنک می شوند. وقتی که به آهستگی خنک می شوند می توانند در هنگام ضربه زدن به فلز در کنار یکدیگر حرکت کنند و منعطف شوند اما شکسته نشوند. ولی در حالت انجماد سریع، ساختار مولکولی، فضای کمتری برای حرکت ذرات در هنگام ضربه دارد و باعث سختی بیشتر و انعطلاف پذیری کمتر می شود. شبکه فلزی در این ساختارها مارتنزیت نامیده می شود و ساختار مولکولی دندانه دار مارتنزیت است که به فلزات خاموش شده سختی می دهد.

کوئنچ با آب سریعترین راه برای خاموش کردن است و کوئنچ با هوا کندترین راه. اینکه از آب استفاده شود یا هوا بستگی به آنچه که آلیاژ می تواند تحمل کند و همچنین ترکیب شیمیایی آن بستگی دارد. برخی از آلیاژها اگر خیلی سریع سرد شوند ممکن است ترک بخورند یا دچار اعوجاج شوند، اما در سرد شدن با هوای ملایم‌تر به خوبی سخت می‌شوند. برخی دیگر لایه مارتنزیت سخت را نمی سازند مگر اینکه با تغییر دمای زیاد مانند فرو رفتن در آب به صورت ناگهانی سرد شوند.

انواع فولاد ابزار

شش دسته کلی از فولاد ابزار وجود دارد. چهار مورد متداول عبارتند از فولادهای ابزار سخت شده با آب، سرد کار، گرم کار و فولادهای پرسرعت. برای برخی کاربردهای تخصصی نیز از فولادهای ابزار مقاوم در برابر ضربه و استفاده می کنند.

 فولاد ابزار سخت شونده با آب

این گروه از فولادهای ابزار اساساً فولاد کربنی هستند که تحت عملیات حرارتی قرار گرفته اند. آنها عموما حدود 0.5-1.5٪ کربن دارند. سایر عناصر آلیاژی ممکن است به دلایل مختلف در آنها وجود داشته باشد، اما معمولاً کمتر از 0.5٪ است. این فلزات مانند نیکل، تنگستن یا مولیبدن گران هستند. استفاده کمتر از فلزات گران قیمت برای مصارف عمومی و سبک بهتر است.

کوئنچ با آب در این گروه از فولادها برای به دست آوردن یک لایه خارجی سخت ضروری است. ابزارهای سبک و قطعات کوچک مانند فنرها و بست های کوچک نباید در محیط های خیلی پر فشار استفاده شوند زیرا این فولادها کمی شکننده تر از سایر فولاد ابزار ها هستند.

فولاد ابزار سرد کار

فولادهای ابزار سرد کار برای استفاده در دماهای پایین در نظر گرفته شده اند آنها سخت، و مقاوم در برابر سایش هستند، اما در محیط های گرم مناسب نیستند. از آنجایی که برش مواد سرد می تواند نیروی بیشتری نسبت به برش مواد گرم داشته باشد، مقاومت فشاری در فولاد ابزار سرد کار ضروری است.

سرما، در این زمینه، به این معنا نیست که وقت آن رسیده است که فلزکار ژاکت بپوشد. دمای 392 درجه فارنهایت (200 درجه سانتیگراد) و کمتر، برای این ابزارها سرد در نظر گرفته می شود. بر خلاف بسیاری از انواع فولاد، گرافیت اغلب در فولادهای سرد کار تشکیل می شود. این گرافیت بسیاری از این آلیاژها را قابل ماشین کاری می کند.

زیر مجموعه های فولاد ابزار سرد کار عبارتند از:

در ادامه برخی از زیر مجموعه های فولاد ابزار سرد کار را با هم مورد بررسی قرار خواهیم داد. به خواندن ادامه دهید تا همه چیز را در مورد فولادهای ابزار به شما بگوییم.

سخت شده در روغن

در طول فرآیند تولید، این آلیاژها در روغن خاموش می شوند. آنها 0.85-2.00 درصد کربن و معمولاً کمتر از 1 درصد از عناصر آلیاژی دیگر دارند. این عناصر ممکن است شامل منگنز، سیلیکون، تنگستن، کروم، وانادیم و مولیبدن باشد.

سخت شده با هوا

در طول فرآیند تولید، این آلیاژها در هوا خاموش می شوند. آنها 0.05-2.85٪ کربن دارند. این فولادها می توانند تا 5 درصد کروم داشته باشند. کروم بالا به این معنی است که در طول عملیات حرارتی گریدهای A دچار اعوجاج موضعی نمی شود.

کروم با کربن بالا (سری D)

این فولادهای سرد کار تا دمای 797 درجه فارنهایت (425 درجه سانتیگراد) استفاده می شود. آنها حاوی 1.4-2.5٪ کربن و 11-13٪ کروم هستند. آنها بسته به آلیاژ می توانند با هوا یا روغن خاموش شوند و در هر دو روش خنک کننده اعوجاج بسیار کمی را تجربه کنند. این آلیاژها عموماً مقاومت سایشی بسیار بالایی دارند.

فولاد ابزار گرمکار

فولادهای ابزار گرمکار همگی دارای درصد بیشتری از عناصر آلیاژی هستند تا کاربیدهای بیشتری ایجاد کنند تا دمای فعالیت های گرمتر را تحمل کنند. فولادهای ابزار کار گرم می توانند تا دمای 1004 درجه فارنهایت (540 درجه سانتیگراد) کار کنند. این گروه، محتوای کربن ، زیر 0.6٪ دارند.

فولاد ابزار گرم کار اغلب در دمای بالا با مواد گرم چکش خوار مانند فلز و شیشه استفاده می شود. قالب ها، استمپ ها و کمپرسورها همگی ممکن است با فولاد کار گرم ساخته شوند چراکه باید حتی در مواجهه طولانی با گرما به کار خود ادامه دهد.

سه نوع اصلی فولاد ابزار گرمکار وجود دارد که بر اساس عنصر اصلی آلیاژی آنها طبقه بندی می شود: کروم، تنگستن یا مولیبدن. تعداد کمی از آنها سطوح بالایی از کروم و تنگستن دارند، بنابراین بسته به ترکیب، به عنوان تنگستن یا کروم طبقه بندی می شوند. عنصر  آلیاژی به کار رفته در آنها نوع کاربید این فولاد را تولید می کند که هر کاربید مزایای متفاوتی را ارائه می دهد.

زیر مجموعه های فولاد ابزار گرمکار عبارتند از:

در ادامه این مطلب با نواع فولاد های گرمکار آشنا خواهیم شد

فولاد ابزار گرمکار کروم

فولادهای ابزار گرمکار کروم دارای 3 تا 5 درصد کروم هستند. سایر عناصر آلیاژی موجود در فولاد گرمکار کروم  مانند تنگستن، وانادیوم یا مولیبدن کمتر از 5 درصد هستند. وانادیوم به طور کلی در فولاد ابزار، برای ابزارهای برش استفاده می شود. این گروه از آلیاژها (و به طور خاص AISI H13) پرکاربردترین ابزار گرمکار هستند.

تنگستن

این آلیاژها اغلب حاوی مولیبدن یا وانادیم نیستند. در عوض حاوی 9 تا 18 درصد تنگستن هستند. بیشتر فولادهای ابزار کار گرم تنگستن بین 2 تا 4 درصد کروم دارند. این به طور کلی درست نیست: به عنوان مثال، آلیاژ AISI H23 دارای 12٪ کروم و 12٪ تنگستن است. گرید H23 گاهی اوقات با نام فولاد کروم و گاهی تنگستن و گاهی هر دو نامیده می شود. فولادهای تنگستن مقاومت حرارتی بسیار خوبی دارند اما می توانند شکننده باشند. این با پیش گرم کردن تا دمای کار قبل از استفاده کنترل می شود.

فولاد گرمکار مولیبدن

بسیاری از فولادهای ابزار کار گرم کروم نیز دارای مقدار کمی مولیبدن هستند. اما فولادهای گرمکار مورد استفاده در محیط های بسیار سخت، دارای مقدار بیشتری مولیبدن هستند. مولیبدن پایداری حرارتی بالاتر و مقاومت در برابر سایش در کاربرد در دمای بالا ایجاد می کند. فولاد ابزار مولیبدن گرید AISI H42 و H43 اغلب به عنوان قالب یا برش در آسیاب های فلزی برای تحمل گرما  و آهنگری استفاده می شوند.

فولاد ابزار سرعت بالا

تولید مدرن تا حدی به دلیل اختراع این دسته از فولاد ابزار امکان پذیر است. ابزارهای برش و قطعات ماشینی که با سرعت بالا کار می کنند به دلیل اصطکاک داغ می شوند. نوآوری فولاد ابزار سرعت بالا به ماشین‌کاران اجازه داد تا میزان تولید خود را افزایش دهند.

در سال 1900، فولاد ابزار پرسرعت در نمایشگاه پاریس معرفی شد. انبوهی از تولیدکنندگان حاضر در نمایشگاه می دیدند که تیغه‌ای که به دلیل اصطکاک قرمز شده است، اما همچنان به کار خود ادامه می‌دهد. فولادهای ابزار پرسرعت دارای 14-18٪ تنگستن، 3-5٪ کروم، 0.6٪ کربن و سایر عناصر بسته به کاربرد هستند.

فولاد ابزار مقاوم در برابر ضربه

فولادهای ابزار مقاوم در برابر ضربه فوق العاده قوی هستند و به گونه ای ساخته شده اند که مقاومت بالایی در برابر ضربه دارند. آنها ممکن است برای فنرها، قالب های مهر زنی و پانچ استفاده شوند. این گروه از آلیاژها اغلب دارای عناصر آلیاژی زیادی هستند که بیشتر آنها در فولادهای ابزار دیگر دیده می شوند. با این حال، سیلیکون، به میزان 0.15-3 ٪ در این دسته از فولادها وجود دارد.

انتخاب فولاد ابزار

در صورت طراحی یک ماشین صنعتی، یا خرید ماشینی برای مقاصد صنعتی یا تولیدی، نوع فولاد ابزار مورد استفاده بسیار  مهم است و باید توسط مهندس مشخص شود.

نیاز به دانستن این موارد برای افرادی که ابزار دستی می خرند متفاوت است. نوع فولاد مورد استفاده برای هر سازنده ابزار چیزی شبیه یک راز صنعتی است. با این وجود بهترین راه برای انتخاب ابزار این است که به جای نگرانی در مورد خود آلیاژ، توصیه هایی از متخصصان در این زمینه، و بررسی های آنلاین دریافت کنید.

برای انتخاب متریال برای پروژه خود می توانید با کارشناسان ما در فروشگاه مسیحا مشورت کنید.

طبقه بندی جامع فولادهای ابزار

فولادهای ابزار به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

فولادهای ابزار سرد کار

فولاد ابزار کار گرم

فولادهای ابزار با سرعت بالا

فولادهای سرد کار به زیر تقسیم می شوند:

سخت شدن هوا

فولادهای سرد کار با آلیاژ متوسط

فولادهای سرد کار با کربن بالا و کروم بالا

فولاد سرد کار سخت شده در روغن

فولادهای کار گرم به زیر تقسیم می شوند:

کروم

تنگستن

فولادهای کار گرم مولیبدن

فولادهای ابزار پرسرعت به دو دسته تقسیم می شوند:

مولیبدن

تنگستن

فولادهای سرعت بالا

انواع دیگر فولادهای ابزار عبارتند از:

فولادهای ابزار سخت کننده آب

فولاد ابزار مقاوم در برابر ضربه

فولادهای ابزار کم کربن

فولادهای ابزار ویژه کم آلیاژ