فولاد ابزار چیست؛ انواع و کاربردهای آن
ابزارآلات در بخش‌های مختلفی از صنعت استفاده می‌شوند. به همین خاطر مهم است که چه موادی برای ساخت آن‌ها مصرف می‌شود. همچنین ابزارآلاتی که در زندگی افراد نقش دارند هم باید از کیفیت و جنس مطلوبی برخوردار باشند تا بتوانند برای مدت بیشتری دوام بیاورند و رضایت مخاطبان را جلب کنند.
فولاد ماده‌ای است که می‌تواند این امکانات را برای ابزارآلات فراهم کند و طول عمر آن‌ها را افزایش دهد. در ادامه قصد داریم تا شما را بیشتر با فولاد ابزار آشنا کنیم و ویژگی‌های مربوط به آن را به صورت کامل شرح دهیم.
مقاومت بالا در برابر سایش و سختی بیشتر، از جمله ویژگی‌هایی است که فولاد ابزار دارد. همین موضوع آن را برای ساخت تجهیزات و ابزارهای فولادی بسیار مناسب می‌کند.
فولاد ابزار چیست؟
ابتدا باید تعریفی برای فولاد ابزار به شما ارائه دهیم. فولاد ابزار (Tool Steel) از انواع فولادهای کربنی و آلیاژی ساخته می‌شوند. فولادی که به این صورت تولید می‌شود، خواص و ویژگی‌های منحصربه‌فردی در آن ایجاد می‌شود. مقاومت بالا در برابر سایش و سختی بیشتر، از جمله ویژگی‌هایی است که این نوع فولادها دارند. همین موضوع آن‌ها را برای ساخت تجهیزات و ابزارهای فولادی بسیار مناسب می‌کند.
فولاد ابزار زمانی که در شرایط محیطی و دمایی پیچیده‌ای قرار می‌گیرد، به راحتی آسیب نمی‌بیند و فواید خود را از دست نمی‌دهد. همچنین فولاد ابزار از چقرمگی بالایی هم برخوردار است و به همین خاطر در دماهای بالا تغییر شکل نخواهد داد.
[button url="https://ahanonline.com/205459/فولاد-چیست-انواع-آن/" text="بیشتر بدانید: فولاد چیست و انواع آن"]
انواع فولادهای ابزار
فولادهای ابزار به دلیل اینکه تنوع ابزارآلاتی که ساخته می‌شوند بسیار زیاد است، باید در انواع مختلفی تولید شوند. علاوه بر این، ابزارها و تجهیزاتی که قرار است از فولاد درون خود بهره‌مند شوند، در موارد متنوعی استفاده می‌شوند و نیاز است که شرایط گوناگونی را برای هر یک در نظر بگیرند.
وجود تنوع در فولادهای ابزار باعث تنوع در قیمت این محصولات و نقش آن‌ها خواهد شد. برای اینکه متوجه شوید چه فولاد ابزاری را در چه موارد و شرایطی باید به کار ببرید، در ادامه تمامی مراحل و مدل‌ها را برای شما توضیح خواهیم داد تا با انواع آن آشنا شوید.
فولاد ابزاری سردکار
فولاد ابزاری سردکار، فولادهایی هستند که خود چندین مدل دارند. این فولادهای ابزار آبدهی می‌شوند. آبدهی فولاد ابزاری سردکار هم توسط روغن و هم هوا می‌تواند انجام شود. جدای این دسته‌بندی که از طریق آبدهی این نوع فولادها شکل می‌گیرد، میزان کربن و کروم موجود در آن‌ها هم دسته‌بندی دیگری را ایجاد می‌کند.
فولاد ابزار سردکار آبدهی شده در روغن
فولاد ابزاری سردکار آبدهی شده در روغن، از پرکاربردترین فولادهای ابزاری است. این فولادها به دلیل آبدهی که در آن‌ها انجام می‌شود، سختی بسیار زیادی دارند. همچنین مقاطعی که به این شکل آبدهی شدند، ترک ندارند. فولاد سردکاری که در روغن آبدهی می‌شود، در لبه تیز ابزار برشی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند.
البته اگر ابزار برشی قرار باشد با سرعت بالا و گرمای زیاد کار کند، فولاد سردکاری آبدهی شده در روغن نمی‌تواند به خوبی پاسخگو باشد و انتخاب مناسبی محسوب نمی‌شود. این نوع فولاد ابزار به آبدهی در آب هم نیازی ندارد.
فولاد ابزار سردکار آبدهی شده در هوا
فولاد ابزار سردکار آبدهی شده در هوا پس از انجام فرآیند آنیلینگ و سخت کردن، تقریبا 40 درصد بیشتر از فولادهایی که در روغن آبدهی شده‌اند، تغییر ابعاد می‌دهند. به همین خاطر این نوع فولاد سردکار برای قالب‌های پیچیده و به طور کلی در مواردی که چقرمگی مهم‌تر از مقاومت سایشی است، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. وجود مواد مختلف در این فرآیند باعث سختی‌پذیری زیاد در این نوع فولاد می‌شود.
فولاد ابزار سردکار پرکربن_پرکروم
همان‌طور که در ابتدای این بخش اشاره کردیم، فولاد ابزار سردکار در دو نوع دیگر به نام‌های پرکربن و پرکروم هم هستند که تقریبا ویژگی‌های یکسانی دارند. فولاد ابزار سردکار پرکربن-پرکروم، ابتدا در سال 1915 در آمریکا به عنوان جایگزینی برای فولادهای ابزار تندبر ساخته و معرفی شد.
این نوع فولاد ابزار سردکار مقاومت بسیار بالایی در برابر سایش و خوردگی به فولاد ابزار می‌دهند تا جایی که برخی به فولاد ابزارهایی که درصد بالایی کروم دارند یا به اصطلاح پر کروم هستند، عنوان فولاد زنگ‌نزن را اختصاص دادند. اما به دلیل اینکه در برش‌هایی که با سرعت زیاد رخ می‌دهند، ترد هستند و به اندازه کافی سختی ندارند، کاربردهای محدودی برای آن‌ها در نظر گرفته می‌شود.
فولاد ابزار گرم‌کار
فولاد ابزار گرم‌کار همان‌طور که از اسمش پیداست، مقاومت بسیار بالایی در برابر دمای زیاد دارد و همین موضوع تفاوت اصلی میان این نوع فولاد ابزار با نوع سردکار آن است. علاوه بر تحمل دمای زیاد، فولاد ابزار گرم‌کار در برابر شوک‌های حرارتی، استحکام کشش‌های گرم و قابلیت ماشین‌کاری، مقاومت خوبی را از خود نشان می‌دهد. فولاد ابزار گرم‌کار در ریخته‌گری و آهنگری بیشترین کاربرد را دارد. فولاد گرم‌کار هم درست مثل فولاد ابزار سردکار، انواع مختلفی دارد تا بتوان از آن در موارد گوناگونی استفاده کرد. فولادهای ابزار گرم‌کار را در صنعت می‌توان به دو بخش اصلی تقسیم کرد:
- فولادهای گرم‌کاری که در برابر شوک‌ها مقاومت بالایی دارند.
- فولادهای گرم‌کاری که درجه سختی آن‌ها با استفاده از آب افزایش پیدا می‌کند.
شاید تفاوت‌های فولاد ابزار گرم‌کار و سردکار به‌راحتی به چشم نیاید به همین خاطر در ادامه تفاوت‌های آن‌ها را با هم بررسی خواهیم کرد.
مهم‌ترین تفاوت این دو فولاد دمای کاری آن‌ها است. فولادهای سردکار ماکزیمم دمای کاری بین 200 تا 250 درجه سانتیگراد دارند و در دماهای بالاتر استحکام خود را از دست می‌دهند؛ اما فولادهای گرم‌کار می‌توانند خواص خود را در دماهایی بین 480 تا 760 درجه سانتیگراد نیز حفظ کنند.
در ترکیب شیمیایی فولادهای سردکار کربن بیشتری نسبت به فولادهای ابزار گرم‌کار وجود دارد. زیرا این فولاد قرار است سختی و سختی‌پذیری بالایی داشته باشد.
مقدار کروم آلیاژهای فولاد ابزار سردکار نسبت به گرم‌کار بیشتر است، بنابراین مقاومت سایشی در دماهای پایین آن بیشتر است؛ اما نمی‌توانند این سختی را در دماهای بالا حفظ کنند و فولادهای سردکار استحکام خود را در دمای بالا از دست می‌دهند. قیمت آلیاژهای سردکار هم نسبت به فولادهای ابزار گرم‌کار پایین‌تر هستند.
فولاد ابزار تندبر
فولاد ابزار تندبر یکی از انواع فولاد ابزار است که شباهت زیادی به فولاد ابزارهای سردکار پرکربن_پرکروم دارد. فولادهای تندبر را با نام خشکه هوایی هم می‌شناسند. این نوع فولاد ابزار علاوه بر سختی بسیار زیادی که دارد، در برابر گرمای فرآیند آنیلینگ هم مقاومت زیادی از خود نشان می‌دهند.
همین ویژگی‌ها باعث شده تا از این نوع فولاد ابزار در ساخت ماشین‌های ریش‌تراش، فرز و مته استفاده شود. فولادهای تندبر قادر هستند که مقاومت خود را تا حدود 600 درجه سانتیگراد به صورت کامل حفظ کنند.
درجه حرارت لازم برای آستنیتی کردن فولاد تندبر، حدود 1300 درجه سانتیگراد است. بدین صورت قبل از اینکه ابزار در داخل کوره گرم شود، معمولا تا حدود 800 درجه سانتیگراد مراحل پیش از گرم شدن را آغاز می‌کند. پس از آستنیتی شدن اغلب در وان حاوی روغن یا نمک محلول و یا در هوای معمولی سریع سرد می شود. برای جلوگیری از ترک برداشتن (در اثر سختی بالا) باید اینگونه فولادهای ابزار بلافاصله بعد از سریع خنک کردن در دمای حدود 100 درجه سانتیگراد تحت عمل بازپخت قرار گیرند.
[button url="https://ahanonline.com/10448/فولاد-کربنی/" text="بیشتر بدانید: معرفی گروه فولاد کربنی"]
فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه
همان‌طور که از نام این فولاد مشخص است، فولاد ابزار مقاوم در برابر شوک و ضربه باید مقاومت خوبی را از خود در برابر ضربات زیاد و مکرر نشان دهد. به عبارت بهتر مقاومت سایشی کم و چقرمگی در این نوع فولاد که جزو فولادهای سردکار محسوب می‌شود، بالا است. همچنین در دماهای پایین و بالا هم در برابر ضربه مقاوم هستند و درصد کمی کربن در آن‌ها به کار رفته است. کاربردهای فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه به شرح زیر هستند:
- ساخت فنرها
- ابزارهای تراش‌کاری
- چکش‌های ضربه‌ای
- تیغه‌های قیچی گرم
- ابزارهای دستگاه بخارپز
- ابزارهای قلم زنی
- انواع مته‌های حفاری اعم از سردکار و گرم‌کار
- قطعات کلاچ
- لبه‌بری گرم
فولاد ابزار کربنی (غیرآلیاژی)
اکثر مدل‌هایی که برای فولاد ابزار وجود دارند، آلیاژی هستند. اما این نوع از فولاد ابزار غیرآلیاژی است و با ماده اصلی مورد استفاده در آن، عنصر کربن است. در ترکیبات این فولاد ابزار، میزان کربن موجود نقش تعیین‌کننده‌ای در کاربرد آن دارد. معمولا مقدار کربن در فولاد ابزارهای غیرآلیاژی از 0/5 تا 1/5 درصد است و هرچقدر که مقدار آن بیشتر باشد، به همان نسبت سختی فولاد ابزار هم بیشتر خواهد شد.
سختی این فولاد ابزار به میزان قابل توجهی بالا است؛ اما اگر دمایی بیش از 200 درجه سانتیگراد ببیند، سختی خود را از دست می‌دهد و این در حالی است که فولاد ابزارهای غیرآلیاژی بین 800 تا 1000 درجه سانتیگراد می‌توانند دما را تحمل کنند.
فولاد ابزار قالب
در فولادهای ابزار قالب، میزان کربن و عناصر آلیاژی کم هستند و معمولا نیکل و کروم به این فولادها اضافه می‌شوند. فولادهای ابزار قالب را بر حسب میزان کربن می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد:
- فولاد ابزار قالب با میزان کربن کمتر از ۱۲/۰ درصد (P1_P6)
- فولاد ابزار قالب با میزان کربن بیشتر از ۱۲/۰ درصد (P20_P21)
فولادهای ابزار قالبی که در گروه یک قرار می‌گیرند، برای ساخت قالب‌های فشاری گزینه مناسبی هستند. اما مقاومت آن‌ها در برابر سایش کم است که با انجام عملیات حرارتی و سخت‌کاری، این مقاومت را افزایش می‌دهند.
فولادهای ابزار قالبی گروه دو هم به دلیل وجود کربن بیشتر برای قالب‌های تزریقی گزینه مناسبی محسوب می‌شوند. فولادهای ابزار قالب در گروه دو از طریق فرآیند براده‌برداری ساخته می‌شوند و برای افزایش مقاومت، آن‌ها را در روغن یا آب کوئنج قرار می‌دهند.
فولادهای ابزار سخت‌شونده در آب
نوع پرکاربرد دیگری از فولادهای ابزار هستند که با آب سخت‌کاری می‌شوند. به همین دلیل نام آن‌ها فولادهای ابزار سخت‌شونده در آب است. این نوع فولاد ابزارها برای استفاده‌های دم‌دستی و ساده مناسب هستند. قیمت آن‌ها نسبت به دیگر انواع فولاد ابزار پایین‌تر است و جنس آن‌ها را استیل تشکیل می‌دهد.
از فولاد ابزار سخت‌شونده در آب نباید در دمای بالا (تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد) و فشار زیاد استفاده کرد و در مقابل این دو مورد اصلا مقاومت خوبی از خود نشان نمی‌دهد. این فولاد ابزار در ساخت وسایلی مثل چاقو، چنگال و سایر ابزار برشی کاربرد دارند.
خواص فولادهای ابزار
تا به اینجا شما را با انواع فولاد ابزار آشنا کردیم. حال لازم است که در مورد خواص این دسته از فولادها که برای ساخت ابزار و قالب مناسب هستند، توضیح بیشتری بدهیم. در واقع خواص فولادهای ابزار با توجه به نوعی که انتخاب می‌کنید ممکن است متغیر باشد، اما خواصی هم وجود دارند که در همگی آن‌ها مشترک هستند. این خواص شامل:
- مقاومت در برابر سایش
- مقاومت در برابر خوردگی
- سختی‌پذیری
- مقاومت در برابر تغییر شکل
- دفورمه شدن
- حفظ لبه برش‌دهنده در دماهای بالا
- درجه حساسیت در مقابل انقباض
- مقاومت در برابر درجه حرارت آنیلینگ
[button url="https://ahanonline.com/10454/فولاد-آلیاژی-alloy-steel/" text="بیشتر بدانید: فولاد آلیاژی و انواع آن"]
کاربردهای فولاد ابزارسازی
کاربردهای فولاد ابزار بستگی به نوع ابزاری دارد که انتخاب می‌کنید. از آنجایی که تمامی انواع فولاد ابزارها یک درصدی کربن در ترکیبات خود دارند، برای بیان کاربردهای فولاد ابزارهای مختلف، آن‌ها را به نسبت درصد کربن موجود، تقسیم‌بندی می‌کنیم و کاربردهای هرکدام را به صورت جداگانه بیان خواهیم کرد.
- فولاد ابزار کم کربن (سختی‌پذیری کم)
فولاد ابزارهای کم کربن در ساخت قطعات مهندسی، ساختمان کشتی و راه‌آهن (با قابلیت جوش‌پذیری عالی) بیشتر کاربرد دارند. دلیلش هم این است که این قطعات در معرض دما و فشار زیاد نیستند، بنابراین سختی زیادی هم نیاز ندارند.
- فولاد ابزار کربن متوسط (سختی‌پذیری متوسط)
ساخت قطعات و اجزا در صنایع راه آهن، ماشین‌آلات و دستگاه‌های مربوط به صنایع حمل و نقل از کاربردهای فولاد ابزارهایی است که کربن متوسط و در نتیجه سختی‌پذیری متوسطی دارند.
- فولاد ابزار کربن زیاد (سختی‌پذیری زیاد)
این گروه در مواردی مثل ساخت غلطک‌ها، ابزارآلات و ماشین‌آلات صنعتی که نیاز به مقاومت بالایی در برابر سایش دارند بیشترین استفاده را دارند.
علاوه بر موارد ذکر شده می‌توان از فولادهای ابزار کربنی برای ساخت قطعاتی نظیر ابزار دستی, ابزار آلات کشاورزی, آچار، پیچ و مهره، ماتریس، محور کرپی داس، چکش، پیچ‌گوشتی، قالب‌های برجسته کاری تو پر و توخالی و همچنین قالب‌های برش و پانچ سرد و سایر ابزارآلات ساده دیگر استفاده نمود.
روش‌های تولید و عملیات حرارتی فولاد ابزار
فرآیند تولید فولاد ابزار بسیار حساس است و نیاز دارد که با دقت بسیار زیادی انجام شود. برای تولید فولاد ابزار با کم‌ترین ناخالصی از کوره‌های القایی فورج (نوعی کوره حرارتی القایی که با الکتریسیته کار می‌کند) استفاده می‌کنند. اگر در طول این فرآیند دقت نشود، ممکن است تردی حرارتی ظاهر شود. همچنین مهم است که فولاد ابزار به سرعت سرد شده و در درجه حرارت پایین مورد عملیات آنیلینگ قرار گیرد تا سختی به دست آمده کم نشود.
کوره‌های حرارتی را بر اساس منبع تامین انرژی، به کوره‌های با سوخت فسیلی و کوره‌هایی با منبع انرژی الکتریسیته تقسیم می‌کنند. کوره‌های القایی فورج جز دسته کوره‌های با منبع انرژی الکتریسیته هستند و برای تولید فولاد ابزار مورد استفاده قرار می‌گیرند. نقش کوره‌های القایی در تولید و ریخته‌گری بسیار بیش از گذشته شده است و به علت ذوب القایی و راندمان بالایی که دارد؛ همچنین آلودگی کمتری که برای محیط زیست ایجاد می‌کنند، بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است.
اما کوره‌های دیگری هم در این دسته‌بندی‌ها حضور دارند. یکی از این کوره‌ها، کوره‌های قوس الکتریکی هستند. کوره قوس الکتریکی یکی دیگر از کوره‌های پرکاربرد در صنعت است که برای تولید فولادهای ابزار بدون ناخالصی غیرفلزی استفاده می‌شود. این کوره‌ها به کمک تغییر شکل گرم خاص و عملیات سطحی ویژه از پدیدار شدن عیب‌های داخلی و خارجی جلوگیری می‌کند و از همین طریق خطر ایجاد ترک را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.
عملیات حرارتی که در فولاد ابزار اتفاق می‌افتد، تفاوت چندانی با عملیات‌های حرارتی فولادهای غیرآلیاژی و کم‌آلیاژی ندارد و در درجه حرارت‌های معمولی انجام می‌شود. اما همان‌طور که گفته شد، عملیات حساسی است که باید در انجام آن بسیار دقت شود چون ممکن است تردی حرارتی در فولادهای ابزار پدیدار شود. بعد از انجام عملیات حرارتی هم سرد شدن فولاد ابزار است که باید با ظرافت شکل گیرد تا فولاد دچار کاهش سختی و افزایش سفتی نشود.
جمع‌بندی
فولاد ابزار با ورود خود به بازار توانست توجهات زیادی را به خود جلب کند. همچنین استفاده و کاربردهای گسترده‌ای که دارد باعث شده تا در صنایع گوناگونی حضور داشته باشد و به رشد آن‌ها کمک کند. تولید فولاد ابزار در ایران به شکل قابل توجهی پیشرفت کرده و امید است که در سال‌های آینده رشد و پیشرفت بیشتری را در فولاد ابزارها شاهد باشیم تا به صنایع بیشتری بتواند کمک کند.
در این مطلب سعی کردیم که شما را با انواع فولاد ابزار، خواص و کاربردهای آن در صنایع مختلف آشنا کنیم. شاید تا قبل از خواندن این مطلب سوالات زیادی در ذهن شما در مورد فولاد ابزار وجود داشت که امیدواریم با خواندن این مقاله به پاسخ سوالات خود رسیده باشید. اگر هم سوال یا ابهامی هنوز در ذهن شما وجود دارد می‌توانید از طریق کامنت‌ها با ما در میان بگذارید تا در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ خود را دریافت کنید. در ضمن مثل همیشه منتظر خواندن نظرات شما در مورد این مطلب هستیم.
