فولاد ابزاری و کاربرد آن

فولاد به دلیل سختی و مقاومت حداکثری خود در بسیاری از صنایع مهم امروزی مورداستفاده قرار می‌گیرد. صنعت ابزارآلات یکی از همین صنایع است که به‌طور گسترده‌ای از فولاد استفاده می‌کند. فولاد ابزاری (Tool Steel) نیز به گروهی از فولاد آلیاژی و کربنی اطلاق می‌شود که در تولید قالب و ابزارهای مختلف کارایی دارد. همچنین، از مشخصات مهم فولادهای ابزاری می‌توان به مقاومت عالی در برابر سایش و تغییرشکل و همین‌طور، توانایی حفظ لبه برش‌دهنده در زمان حرارت‌دهی اشاره کرد. فولاد ابزاری بر اساس همین ویژگی‌ها گزینه ایده‌آلی جهت شکل‌دهی مواد محسوب می‌شود. در ادامه با انواع فولاد ابزاری و مشخصات آن‌ها آشنا خواهید شد. با ما همراه باشید.

انواع فولاد ابزار

فولادهای ابزاری توسط موسسه آهن و فولاد آمریکا به چندین گروه تقسیم شده‌اند. این طبقه‌بندی فولاد ابزاری را بسیاری از کشورها تایید کرده‌اند و از آن استفاده می‌کنند. نحوه طبقه‌بندی نیز مطابق با مشخصات اصلی آن‌ها نظیر آلیاژ، عملیات حرارتی و کاربردهایشان انجام گرفته است. درضمن، این گروه‌بندی فولادهای ابزاری در کشور ما نیز مورداستفاده قرار می‌گیرد. در قسمت زیر، فهرست انواع فولاد ابزاری به همراه نماد شناسایی، مشخصات و کاربردهای آن‌ها درج شده است.

فولاد ابزاری گرم کار H

فولاد ابزاری گرم کار (Hot Work) با نماد شناسایی H جهت شکل‌دهی یا برش مواد در دماهای بسیار بالا مورداستفاده قرار می‌گیرد. این فولاد دسته‌بندی مخصوص به خود را دارد که شامل فولاد ابزار کار گرم کرومی، تنگستنی و مولیبدنی می‌شود. این فولادهای ابزاری دارای مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر دما، خستگی و نرم‌شدگی هستند. این مقاومت به نرم‌شدگی در فولادهای ابزار گرم کار تنگستنی و مولیبندی بیشتر از مدل کرومی است. همچنین، فولادهای کار گرم در مواردی نظیر اکستروژن داغ، ابزار برشی داغ، ابزار ریخته‌گری، قالب‌ریزی داغ و... بکار گرفته می‌شوند.

فولاد ابزاری سردکار

فولاد ابزاری سرد کار به انواع فولاد سختکاری شونده با روغن (O)، سختکاری شونده در هوا (A) و همین‌طور، گروه کربن بالا، کروم بالا سری D تقسیم می‌شود. فولاد ابزاری سختکاری شونده با روغن سری O به منظور ساخت فولادهای مقاوم به سایش زیاد در موقعیت کاری سرد ایجاد شده‌ است؛ همچنین، این سری از فولادهای ابزار سرد کار شامل گریدهای O1، O2، O6 و O7 می‌شود. این فولادها تحت دمای 800 درجه سلسیوس سختکاری شده‌اند و همچنین، درون روغن کوئنچ شده و در دمای کمتر از 200 درجه سلسیوس برگشت خورده‌اند.

گروه سختکاری شونده در هوا (A) نیز از مقاومت بالایی در برابر سایش برخوردار هستند. گریدهای مختلف آن هم به علت دامنه متنوعی از درصد عناصر آلیاژی و کربن، ترکیب‌های گوناگونی از سختی و چقرمگی را عرضه می‌کنند. مدل بعدی آن، گروه کربن بالا، کروم بالا: سری D است که مانند دو نوع قبلی، مقاومت عالی در برابر سایش و خوردگی دارد؛ گریدهای آن نیز شامل D2، D3، D6 و D7 می‌شود. کاربرد فولادهای ابزار کار سرد نیز در ابزار برش، سکه‌زنی با حساسیت کم در برابر شکست و... است.

سختکاری شونده با آب W

فولادهای ابزاری سختکاری شونده با آب (W) دارای کمترین میزان عناصر آلیاژی در بین فولادهای ابزاری هستند و اصولا، جزو فولادهای کربنی به حساب می‌آیند. بر همین اساس، توانایی سختکاری کمی دارند و جهت تشکیل مارتنزیت باید در آب کوئنچ قرار بگیرند. به‌طورکلی، این گروه از فولادهای ابزاری در آب سختکاری می‌شوند؛ به همین خاطر، آن‌ها را فولادهای ابزاری سختکاری شونده با آب نامیده‌اند. از مهم‌ترین مشخصات آن‌ها می‌توان به مقاومت کم در برابر حرارت و قیمت مناسب اشاره کرد. به این ترتیب، فولادهای ابزارکاری سری W معمولا در مصارفی که نیاز به حرارت‌دهی وجود ندارد، مورداستفاده قرار می‌گیرند.

فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه S

این فولاد ابزاری از چقرمگی و مقاومت به شکست و سایش بالایی برخورداری است و جهت بارگذاری ضربه‌ای بکار گرفته می‌شود. میزان عناصر آلیاژی در این فولاد بیشتر از فولادهای ابزاری سری W است و طبیعتا، قابلیت سختکاری بهتری دارد. درضمن، این مقاومت به شوک و ضربه به دلیل آلیاژی کردن فولاد توسط عناصر سیلیکون-مولیبدن، سیلیکون-منگنز و کروم-تنگستن حاصل شده است. همچنین، این مقاومت به شوک و ضربه‌های ناگهانی در هر دو دمای پایین و بالا وجود دارد. موارد مصرف فولادهای ابزاری گروه S شامل تولید دستگاه بخارپز، قالب‌ریزی گرم، لبه‌بری گرم، برش‌زنی گرم و سرد، ابزارهای قلم‌زنی، مته خفاری، گریپور گرم و سرد و قطعات کلاچ می‌شود.

فولادهای ساخت قالب P

فولادهای ابزار قالب که با نماد P شناخته می‌شوند، کمترین درصد کربن را در میان سایر فولادهای ابزاری دارند. پایین بودن میزان کربن در این فولادها باعث شده است، مقاومت آن‌ها در برابر سایش کاهش یابد. البته با افزودن نیکل و کروم به ترکیب فولادهای سری P می‌توان مقاومت آن‌ها را تا حد زیادی افزایش داد. از این مدل فولادها در تولید قالب‌های تزریقی، قالب‌های فشاری و... استفاده می‌شود. بنابراین، این گروه از فولادهای ابزارکاری دارای کاربردهای خاص و ویژه‌ای هستند.

فولادهای ابزاری تندبر تنگستنی T

فولاد ابزاری تندتر تنگستنی (T) نخستین فولاد تندبر است که در سال 1903 کشف شد. این دسته از فولادها مقاومت بسیار خوبی در دمای بازپخت دارند و مقاومت سایشی آن‌ها نیز بالا است. سختی و مقاومت فولادهای تندبر تنگستنی در دمای 500 الی 1000 درجه سانتی‌گراد نیز ثابت و پایدار باقی می‌ماند. این مشخصات ارزنده، باعث استفاده از فولادهای ابزاری مدل تندتر تنگستنی در موقعیت‌های نیازمند برش با سرعت بالا شده است. به‌طورکلی، فولادهای تنگستن نوعی آلیاژ سخت و قدرتمند تلقی می‌شوند و از آن‌ها می‌توان به عنوان مته، فرز، ابزار تراش و... استفاده کرد. بنابراین، کاربردهای فولاد ابزاری تندتر تنگستنی سری T در دنیای صنعت بسیار متنوع و گسترده است.

فولادهای ابزاری تندبر مولیبدنی M

فولاد ابزاری تندبر مولیبدن انواع مختلفی دارد که از آن‌ها می‌توان به فولادهای M1، M2، M7 و M50 اشاره کرد. از بین این موارد، فولاد تندبر مولیبدن M2 موارد مصرف بیشتری دارد؛ این فولاد از کاربیدهای کوچک و تقسیم‌شده‌ای تشکیل شده است که موجب‌شده فولاد مقاومت به سایش مطلوبی داشته باشد. فولاد M1 نیز مقاومت مکانیکی مدل M2 را ندارد؛ اما استقامت بهتری در برابر شوک داشته و منطف‌تر است. از فولاد M7 هم برای تولید مته‌های بزرگتر که نیازمند انعطاف‌پذیری و عمر طولانی هستند، استفاده می‌شود. فولادهای تندبر مولیبدنی گروه M50 نیز به دلیل بهره‌مندی از مقاومت به شکست و انعطاف‌پذیری مناسب در ساخت دریل‌ها بکار گرفته می‌شوند.

فولاد تندبر

فولاد تندبر (High-speed steel) معروف به HSS یکی دیگر از انواع فولادهای ابزاری است که معمولا در تولید ابزارهای برشی بکار گرفته می‌شود. به عبارتی، مته‌ها و تیغه‌های صفحه اره گردبر را با بهره‌گیری از فولادهای تندبر تولید می‌کنند. درضمن، این فولاد به علت توانایی‌اش در ماشینکاری مواد در سرعت‌های تقریبا بالا به تندبر نام‌گذاری شده است. فولادهای تندبر از آلیاژهای پایه آهن از کروم، کربن، تنگستن یا مولیبدن یا هر دو آن‌ها هستند. گاهی مواقع نیز از کبالت در درصد بالا استفاده می‌شود.

همچنین، این گروه از فولادها به دلیل بهره‌مندی از سختی و مقاومت به سایش بالا در ابزارهایی نظیر فرز انگشتی، قلاویز، هاب چرخ‌دنده تراشی، تیغچه تراشکاری و... بکار می‌روند. انواع فولاد تندبر شامل فولاد تندبر تنگستنی، فولاد تندبر مولیبدنی و فولاد تندبر کبالت می‌شود. در قسمت بالا، به مدل‌های تنگستنی و مولیبدنی اشاره کردیم. فولادهای تندبر کبالتی نیز در گریدهای M35 و M42 ارائه می‌شوند و به دلیل داشتن کبالت از مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر گرما برخوردار هستند.

روش تولید و عملیات حرارتی فولادهای ابزاری

امروزه فولادهای ابزاری با روش کوره قوس الکتریکی تحت عملیات حرارتی تولید می‌شوند. ضمن اینکه فرآیند ساخت فولاد ابزاری شامل دو مرحله می‌شود. مرحله اول، تنها عملیات ذوب را شامل شده و فاقد پالایش یا اصلاح خاصی است؛ برای بهینه‌سازی این مرحله می‌توان کوره‌های قوس الکتریکی بسیار قوی را بکار گرفت. در مرحله دوم، فلز مذاب را داخل یک مخزن مبدل یا پاتیل هدایت می‌کنند و بعد از آن، اصلی‌ترین پالایش و اصلاح صورت می‌گیرد. به‌طورکلی، تولید فولاد ابزاری در کوره قوس الکتریکی پیچیدگی خاصی ندارد و کاملا مقرون به صرفه است.

همچنین، از مزایای اصلاح در مخزن می‌توان به افزایش ظرفیت تولید و سرعت، بهبود کیفیت و راندمان آن اشاره کرد. علاوه بر این، در روند تولید فولاد ابزاری، مواد اولیه نقش اساسی را در قیمت‌گذاری نهایی آن ایفا می‌کنند. به همین جهت، فشارهای بازار رقابتی، بکارگیری موادی با هزینه کم که ترکیب شیمیایی را ایجاد می‌کند، ضروری کرده است. معمولا 75 درصد از فلز قراضه‌ای که برای ذوب کنار گذاشته شده است، خود فولاد ابزاری قراضه محسوب می‌شود. می‌توان گفت که برای تولید فولادهای ابزاری روش‌های مختلفی وجود دارد که یکی از بهترین آن‌ها همین کوره قوس الکتریکی است.

فولاد ابزارسازی چه کاربردی دارد؟

فولادهای ابزاری به دلیل خواص مکانیکی و شیمیایی مطلوبی که دارند، توجه تولیدکنندگان و صنعتگران را به خود جلب کرده‌اند؛ به‌ طوری که شاهد استفاده گسترده از آن‌ها در صنایع مختلف هستیم. با استفاده از فولاد ابزارسازی می‌توان انواع اره برقی، مته، ماشین ریش‌تراش، ابزار قلم‌زنی، ابزار برشی و... را تولید کرد. درواقع، این دسته از فولادها سختی مناسبی در برابر صاف شدن و تغییر شکل دارند و از طرفی هم، مقاومت آن‌ها در برابر سایش، فرسایش و ترک‌خوردگی بسیار زیاد است؛ به همین جهت، به یکی از فولادهای پرکاربرد امروزی تبدیل شده‌اند. به عبارت بهتر، فولادهای ابزاری در زمینه شکل‌دهی به سایر مواد کاربرد دارند و این کار را به بهترین شکل ممکن انجام می‌دهند. درکل، با توجه به نوع کاربرد فولاد ابزاری می‌توان از یک مدل آن استفاده کرد و از قابلیت‌هایش بهره‌مند شد.