فولاد ابزار چیست و چه کاربردی دارد؟

فولاد انواع بسیار مختلفی دارد. شاید همین نکته مهم‌ترین دلیل برای گسترش کاربرد این آلیاژ آهن در صنایع و برای تولید محصولات تجاری باشد. فولاد ابزار یکی از نمونه‌های خاص و باکیفیت فولاد است که شاید کمتر اسم آن را شنیده باشید اما قطعاً از محصولات تولیدی آن به کرات استفاده کرده‌اید. همان‌طور که از نام آن نیز پیدا است به طور خاص برای ساخت ابزار، قالب و تجهیزات برش کاربرد دارد. در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا با ذکر جزئیات به بررسی ویژگی‌های فولاد ابزار می‌پردازیم.

فولاد ابزار سازی چیست؟

فولاد ابزار سازی (به انگلیسی Tool steel) نوعی آلیاژ با کیفیت از فولاد است که از آن به طور خاص برای ساخت انواع ابزارآلات و قالب‌ها استفاده می‌شود. فولادهای ابزاری در صنعت به واسطه‌ی سختی و استحکام بی‌نظیرشان و مقاومت خوبی که دربرابر سایش دارند، شهرت پیدا کرده‌اند. دقیقاً همین ویژگی‌ها باعث شده محصولات تولیدی از فولاد ابزاری برای ساخت تجهیزاتی که برای برش یا ایجاد تغییر شکل استفاده می‌شوند، کاربردی باشد.

عناصر فولاد ابزار شامل کروم، وانادیوم، تنگستن، مولیبدن و کبالت است که در شرایط مختلف با نسبت‌های متفاوت به منظور ایجاد خواص فیزیکی و مکانیکی مورد نیاز به ترکیبات آلیاژ افزوده می‌شود. سایر ویژگی‌های مورد نیاز بسته به کاربرد، با ایجاد تغییرات در فرمول و انجام عملیات حرارتی به وجود می‌آید. به عنوان مثال گاهی نیاز هست سختی فولاد ابزار، ثبات ابعادی و چقرمگی آن کم یا زیاد شود.

فولادهای ابزار تحت فرآیندهای مختلفی چون ذوب، آهنگری، نورد و ماشین‌کاری تولید می‌شوند تا نهایتاً بتواند تمام ویژگی‌های مورد نیاز مصرف‌کننده را کسب کنند.

ترکیبات و خواص فولاد ابزار

ترکیبات و خواص این نوع فولاد بسته به رده و نوع آن می‌تواند متفاوت باشد. در مجموع اما نوعی فولاد آلیاژی یا به عبارت بهتر ترکیبی از عناصر است که برای ایجاد خواص و ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی مورد نیاز با هم ترکیب شده‌اند.

ترکیبات

کربن، کروم، وانادیوم، مولیبدن، تنگستن و کوبالت عناصر آلیاژی فولاد ابزار هستند. عنصر اصلی در ترکیبات این آلیاژ کربن است که اتفاقاً به بهبود سختی و استحکام آن کمک می‌کند. بسته به رده‌ای که دارد بین 0.7 تا 1.5 درصد کربن در ترکیباتش وجود خواهد داشت. کروم اما به ترکیبات آلیاژ افزوده می‌شود تا مقاومت نهایی آن دربرابر زنگ‌زدگی و خوردگی را بهبود ببخشد. این مقاومت به واسطه‌ی کاربیدهای ایجاد شده به وجود می‌آید. با وجود وانادیوم، فولاد دیرتر ساییده می‌شود. وانادیوم باعث اصلاح ساختار دانه و درنتیجه بهبود چقرمگی هم می‌شود. مولیبدن، فولاد ابزار را در برابر حرارت و سایش مقاوم می‌کند، تنگستن عملکرد آلیاژ را در دمای بالا بهبود می‌بخشد و کبالت، که بعضی مواقع برای بالاتر بردن استحکام در دماهای بالا استفاده می‌شود.

خواص

فولاد ابزار در صنعت به واسطه‌ی یک ویژگی خاص، یعنی سختی، شهرت پیدا کرده است. خاصیتی که باعث شده این نوع فولاد تحت برش‌های سنگین و فرآیندهای دشوار تغییر شکل، دوام آورده و بهترین عملکرد را داشته باشد. این سختی بی‌نظیر به لطف عملیات حرارتی ایجاد می‌شود.

مقاومت بی‌نظیر فولاد دربرابر سایش و خوردگی، آن را به ماده‌ اولیه‌ای کارآمد برای ساخت ابزار برش و شکل‌دهی تبدیل کرده است. عناصر آلیاژی چون کروم و وانادیوم دلیل اصلی این مقاومت مطلوب  هستند.

فولاد ابزار استحکام بسیار بالایی هم دارد. استحکام بالا به این معنا که در برابر ضربه و فشار نیروی وزن بدون شکستگی، مقاوم باقی می‌ماند. این ویژگی زمان ساخت ابزاری که مدام تحت فشار و تنش هستند، اهمیت پیدا می‌کند.

بیشتر بدانید: فولاد چگونه ساخته می شود؟

رده‌های خاصی از این فولاد به طور اختصاصی برای کار در دما و فشار بالا طراحی شده‌اند که از آن‌ها برای ساخت ابزار کار در حرارت استفاده می‌شود. برخی از رده‌های فولاد ابزار که درون ترکیبات خود درصدی کروم دارند در مقابل زنگ‌زدگی مقاوم هستند. گرچه همه ابزارهای فولادی نیازمند مقاومتی زیاد دربرابر عوامل خورنده هستند.

انواع رده‌های فولاد ابزار

فولاد ابزار شامل طیف وسیعی از انواع و رده‌هاست که هر کدام برای هدف خواصی یا به عبارت دقیق‌تر تولید محصول خاصی ساخته شده‌اند. در ادامه تنها به چند نمونه از معمول‌ترین آن‌ها اشاره می‌کنیم.

1. فولاد ابزار کربنی

رده‌‌ها: w1, w2, w5

خواص و ویژگی‌ها: همان‌طور که از نامشان نیز پیدا است درصد کربن در ترکیبات آلیاژی آن‌ها بالا است. بسیار سخت هستند و مقاومت مطلوبی دربرابر سایش دارند. برای ساخت ابزاری چون چکش، کاربرد دارند.

فولاد ابزار کربنی (tcs-t2) و فولاد ابزار کربنی (tcs-t3)  هم رده خاصی از این نوع فولاد هستند. این رده تحت عملیات‌های حرارتی خاصی قرار می‌گیرد و همین دلیل اصلی تمایز آن شده است.

2. فولاد ابزار مقاوم دربرابر شوک

رده‌ها: S1, S2, S5

خواص و ویژگی‌ها: مقاومت خوبی دربرابر ضربه و سایش دارد. به واسطه‌ی این ویژگی بیشتر برای ساخت ابزاری چون چکش، مغار و پرچ‌زن که مدام تحت فشار و ضربه هستند، کاربرد دارد.

3. فولاد ابزار روغن سخت

رده‌ها: O1, O2, O6

خواص و ویژگی‌ها: ثبات ابعادی بالا، مقاومت دربرابر سایش و سختی، سه ویژگی مهم آن هستند. با کوئنچینگ روغن حتی سخت‌تر هم می‌شود. عموماً برای ساخت ابزار برش از آن‌ استفاده می‌کنند.

4. فولاد ابزار هوا سخت

رده‌ها: A2, A6, A10

خواص و ویژگی‌ها: عملکرد این رده بسیار مناسب است چرا که 4 ویژگی مهم را به طور همزمان دارد. سختی، مقاومت دربرابر سایش، ثبات ابعادی و استحکام. این رده هم برای ابزار برش، هم انواع قالب‌ها و هم قطعات ماشین استفاده می‌شود.

5. فولاد ابزار گرم‌کاری

رده‌ها: H13, H11, H21

خواص و ویژگی‌ها: سختی و استحکام بی‌نظیر و مقاومت در دماهای بالا و دربرابر سایش از جمله مهم‌ترین ویژگی‌های این رده است. به طور کلی برای استفاده و کار در دماهای بالا طراحی شده است. عموماً برای آهنگری و قالب‌سازی کاربرد دارد.

6. فولاد ابزار سرد‌کاری

رده‌ها: D2, D3, D6

خواص و ویژگی‌ها: این رده در دماهای پایین مقاوم و مستحکم است، ابعاد دقیقی دارد و دربرابر سایش هم مقاومت مطلوبی از خود نشان می‌دهد. برای ساخت تجهیزات سردکاری مثل ابزار فرمینگ استفاده می‌شود.

کاربردهای فولاد ابزار

کاربرد فولادهای ابزار در صنعت با توجه به ویژگی‌های بی‌نظیرش بسیار زیاد است اما همان‌طور که از نام آن نیز پیدا است بیشتر در زمینه تولید ابزار و تجهیزات از آن استفاده می‌شود.

1. ابزار برش

فولاد ابزار به شکل عمده به عنوان ماده اولیه برای تولید ابزار برش چون دریل، کاتر و اره استفاده می‌شود. سختی بالا، مقاومت در مقابل سایش و استحکام آن باعث شده این نوع فولاد برای این منظور مناسب باشد.

2. قالب و دوزه

قالب و دوزه تزریق پلاستیک و دایکست و قالب‌های فورج عموماً از جنس فولاد ابزار هستند. استحکام و دقت ابعادی بالا، باعث می‌شود هم محصول تولیدی شکل دقیق و درستی داشته باشد و هم قالب‌ها برای چندین بار قابل استفاده باشند.

3. ابزار فرمینگ

کاربردهای فولاد ابزار به همین موارد محدود نمی‌شود. از این نوع فولاد برای ساخت ابزار شکل‌دهی هم استفاده می‌شود. ابزار و قطعات ترمز فشار، رول فرمینگ و مهرزنی همه از این آلیاژ است.

4. ابزار نجاری

انواع ابزار نجاری چون مغار و چاقو هم از فولاد ابزار ساخته می‌شود. سختی این نوع فولاد باعث می‌شود لبه‌ی تیز و تیغ آن برای برش و شکل‌دهی مناسب باشد و عمر مفید طولانی هم داشته باشد.

5. ابزار معدن و ساختمان‌سازی

از فولاد ابزار برای ساخت ابزار و تجهیزات معدن‌کاری هم استفاده می‌شود. این ابزار بسیار سخت و مقاوم هستند و به سادگی هم ساییده نمی‌شوند درنتیجه به خوبی تحمل شرایط نگه‌داری سخت را خواهند داشت.

ماشین‌کاری

امکان ماشین‌کاری کردن فولاد ابزار تحت تکنیک‌های سنتی ماشین‌کاری چون تراشکاری، فرزکاری، سوراخکاری و سنگ‌زنی وجود دارد. گرچه به واسطه‌ی مقاومت و استحکام بالایی که دارند در مقایسه با سایر نمونه‌های فولاد، ماشین‌کاری آن‌ها چالش‌برانگیزتر خواهد بود. به همین دلیل پیش از خرید فولاد ابزار و شروع فرآیند ماشین‌کاری آن باید به چند نکته توجه داشته‌ باشید.

از ابزار برش کاربیدی با سرعت بالا با تیغه‌های تیز استفاده کنید تا بتواند فولاد ابزار را به درستی برش بدهد. ورقه‌های کاربیدی حتی به واسطه‌ی استحکام و مقاومت زیادشان عملکرد بهتری هم دارند.

با متعادل نگه‌داشتن سرعت برش، مانع از سایش و ایجاد حرارت بیشتر شوید. بهتر است پیش از تعیین سرعت برش، راهنمای ماشین‌کاری هر رده خاص و پیشنهادات تولیدکننده را بررسی کنید.

در طول فرآیند ماشین‌کاری یا از سیستم‌های خنک‌کننده یا محلول‌های خنک‌کننده استفاده کنید چرا که با کاهش دمای ابزار حین کار، عمر مفید آن‌ها بیشتر خواهد شد.

تراز و مستحکم بودن ماشین‌ها بسیار مهم است چرا که با به حداقل رسیدن لرزش کیفیت سطحی و دقت ابزار افزایش پیدا خواهد کرد.

عملیات حرارتی

از عملیات حرارتی فولادهای ابزار برای بهبود خواص کلی چون سختی، مقاومت دربرابر ضربه و سایش استفاده می‌شود. نوع عملیات حرارتی که روی قطعه انجام می‌شود به رده و کاربرد فولاد بستگی دارد. معمول‌ترین عملیات‌های حرارتی این نوع فولاد عبارت است از:

آنیلینگ

طی این عملیات حرارتی به فولاد ابزار تا رسیدن به دمایی خاص حرارت داده می‌شود سپس قطعه را به آرامی خنک می‌کنند. به این شکل تنش‌های داخلی فولاد از بین رفته و تحت ماشین‌کاری عملکرد بهتری خواهد داشت.

سخت‌کاری

تحت این فرآیند به قطعه فولادی به حدی حرارت داده می‌شود که دمای آن به بالاتر از دمای تبلور مجددش برسد. پس از اتمام این مرحله قطعه به سرعت به واسطه‌ی آب یا روغن خنک می‌شود. سخت‌کاری می‌تواند مقاومت دربرابر سایش و سختی قطعه را بیشتر کند.

تمپرینگ

تحت این فرآیند به فولادی که سخت‌کاری شده باشد مجدداً تا دمای مشخصی حرارت داده می‌شود و با نرخ مشخصی به تدریج آن را خنک می‌کنند. گرچه تمپرینگ درخشندگی فولاد را کاهش می‌دهد اما می‌تواند سختی و استحکام آن را حتی بهتر از قبل کند.

عملیات برودتی

تنها بعضی از انواع فولاد ابزار امکان دارد تحت این نوع عملیات حرارتی قرار بگیرند. تحت عملیات برودتی، دمای قطعه را با هدف بهبود دقت ابعادی و مقاومت آن دربرابر سایش به 120- تا 185- درجه سانتی‌گراد می‌رسانند.

پرداختکاری سطحی

امکان انجام پرداختکاری‌های بیشتر چون نیتریدینگ، کربورسازی و آبکاری هم بر روی قطعه وجود دارد. به واسطه‌ی پرداخت‌ها، سختی، مقاومت دربرابر سایش و زنگ‌زدگی بهتر می‌شود.

تفاوت فولاد ابزار با فولاد کربنی

هر دو انواع این فولاد جز کاربردی‌ترین‌ها هستند اما از لحاظ ترکیبات و به تبع آن خواص و کاربرد با هم تفاوت‌هایی دارند.

ترکیبات

فولاد ابزار مطابق نامش بیشتر برای ساخت ابزار استفاده می‌شود که باید مقاوم و مستحکم باشد و سرعت سایش پایینی هم داشته باشد. برای ایجاد این ویژگی‌ها در ترکیبات آن از تنگستن، مولیبدن، وانادیوم و کوبالت استفاده می‌شود. فولاد کربنی اما در واقع ترکیب آهن و کربن با درصد بسیار ناچیزی از سایر عناصر آلیاژی است. به همین خاطر ترکیبات آن بسیار ساده‌تر از فولاد ابزار است.

ویژگی‌ها

عناصر آلیاژی که بالاتر به آن‌ها اشاره کردیم مستقیماً بر خواص و ویژگی‌های فولاد اثر می‌گذارند درنتیجه فولاد ابزار بسیار مقاوم‌تر و مستحکم‌تر از فولاد کربنی است و درمقابل فولاد کربنی چکش‌خوارتر است. فولاد کربنی دربرابر سایش هم مقاوم‌تر بوده و عملکرد بهتری دارد. این به آن معنی است که ابزاری که با فولاد ابزار ساخته می‌شوند به سادگی برندگی خود را از دست نمی‌دهند. سختی فولاد ابزار فارغ از رده‌ای که دارد بالا است اما این در مورد فولاد کربنی متفاوت است. بسته به رده فولاد کربنی سختی متفاوت خواهد بود. در مورد جوشکاری فولاد ابزار بی‌شک فولاد کربنی به واسطه‌ی درصد کربن بیشترش عملکرد مطلوب‌تری خواهد داشت.

کاربرد

مطابق نام فولاد ابزار، مهم‌ترین کاربرد آن در زمینه تولید انواع ابزارآلات است، محصولاتی چون ابزار برش، انواع قالب‌ها، ابزار و تجهیزات صنعتی. سختی و استحکام این فولاد در کنار مقاومت بی‌نظیرش دربرابر سایش ابزار تولیدی از آن را به گزینه‌ای مناسب برای کار تحت فشار زیاد و نیروی برش تبدیل کرده است.

فولاد کربنی اما در زمینه‌های مختلف ساخت و ساز چون پل‌سازی و ساختمان‌سازی کاربرد دارد. کاربرد این مقاطع مستحکم و شکل‌پذیر اما به همین یک مورد محدود نمی‌شود و بسیار گسترده‌تر است. در مورد قیمت این دو نوع کاربردی از فولاد اما، قیمت فولاد ابزار به واسطه‌ی عناصر آلیاژی متفاوت و گران‌قیمت و ویژگی‌های بی‌نظیرش بیشتر از قیمت فولاد کربنی است.

جمع‌بندی

همان‌طور که توضیح دادیم فولاد ابزار نوعی از فولاد است که به طور خاص برای ساخت خود ابزار و یا اجزای ابزارسازی ساخته شده است. این آلیاژ مقاوم و مستحکم است و تحت فشار به سادگی دچار سایش و خوردگی نمی‌شود و این دقیقا همان ویژگی‌هایی است که ابزارآلات تحت فشار و نیروی زیاد به آن احتیاج دارند. فولاد ابزار انواع و رده‌های بسیار متفاوتی دارند که هر کدام با ویژگی‌های منحصر به فردشان برای ساخت ابزار خاصی مناسب‌تر و کاربردی‌تر هستند. علاوه براین در صنایع خودروسازی، هوافضا و ساختمان‌سازی هم بسیار کاربرد دارند. به طور کلی فولاد ابزار در صنعت به واسطه‌ی ویژگی‌های کاربردی و موارد مصرف گسترده‌اش نقش بسیار مهمی بازی می‌کند.

پرسش و پاسخ

مقالات در گروه صبا | نویسنده : سروناز خسروی راد | بروزرسانی : 21 خرداد 1402