در این مقاله قصد داریم ضمن معرفی فولاد ابزار و دسته بندی های اصلی آن، به بررسی انواع فولاد ابزار از جمله فولاد ابزار کربنی، سردکار، گرمکار، تندبر و فولادهای مقاوم به شوک و ضربه بپردازیم. همچنین ویژگی ها، مزایا، معایب و کاربردهای هر یک را به صورت جداگانه بررسی کرده و در پایان با مقایسه این فولادها در قالب یک جدول، دیدی جامع برای انتخاب مناسب ترین نوع فولاد ابزار ارائه خواهیم داد.
فولاد ابزار چیست؟ (Tool Steel)
فولاد ابزار (به انگلیسی Tool Steel) به گروهی از فولادهای مهندسی گفته می شود که به طور ویژه برای ساخت ابزارهای صنعتی، قالب ها و قطعاتی طراحی شده اند که در معرض شرایط کاری سخت قرار دارند. این شرایط معمولاً شامل سایش شدید، فشار بالا، ضربه های ناگهانی و در برخی کاربردها دماهای بالا است.
مهم ترین دلیل استفاده از فولاد ابزار، ترکیب متعادلی از سختی، استحکام، مقاومت در برابر سایش و چقرمگی مناسب است. این ویژگی ها باعث می شوند ابزار پس از عملیات حرارتی، لبه برش خود را حفظ کند، در برابر تغییر شکل مقاوم باشد و هم زمان در برابر ترک خوردگی و شکست ناگهانی نیز دوام بیاورد.
آنچه فولاد ابزار را از فولادهای ساختمانی یا فولادهای آلیاژی عمومی متمایز می کند، هدف محور بودن خواص مکانیکی آن است. در حالی که فولادهای معمولی عمدتاً برای تحمل بارهای سازه ای به کار می روند، فولاد ابزار برای انجام عملیات هایی مانند برش، پانچ، شکل دهی و تحمل تنش های تکرارشونده طراحی می شود.
به بیان ساده، فولاد ابزار فولادی است که بتواند هم سخت و مقاوم به سایش باشد و هم چقرمگی کافی برای کار در شرایط صنعتی دشوار را داشته باشد؛ ویژگی ای که آن را به یکی از حیاتی ترین مواد در صنایع قالب سازی، ابزارسازی و تولید قطعات صنعتی تبدیل کرده است.
جدول مفاهیم کلیدی خواص مکانیکی فولاد ابزار و معادل های انگلیسی آن ها
| اصطلاح فارسی | معادل فنی انگلیسی | توضیح شفاف و کاربردی |
|---|---|---|
| سختی | Hardness | به میزان مقاومت فولاد در برابر نفوذ، خراش یا تغییر شکل سطحی گفته می شود. هرچه سختی فولاد بیشتر باشد، ابزار ساخته شده از آن دیرتر کند می شود و لبه برش خود را بهتر حفظ می کند. |
| استحکام | Strength | توانایی فولاد در تحمل نیروهای واردشده بدون شکست یا تغییر شکل دائمی است. استحکام نشان می دهد فولاد تا چه حد می تواند فشار، کشش یا بار مکانیکی را تحمل کند. |
| مقاومت در برابر سایش | Wear Resistance | توانایی فولاد در مقابله با فرسایش سطحی ناشی از تماس، اصطکاک یا حرکت مداوم با قطعات دیگر است. این ویژگی برای ابزارهایی که به طور مداوم با مواد سخت در تماس هستند، بسیار حیاتی است. |
| چقرمگی | Toughness | توانایی فولاد در جذب انرژی و مقاومت در برابر ضربه بدون ترک خوردگی یا شکست ناگهانی. چقرمگی بالا به معنی مقاومت بهتر در برابر شوک و ضربه است. |
| پایداری خواص در دما | Thermal Stability | توانایی فولاد در حفظ سختی و استحکام خود در دماهای بالا. این ویژگی برای فولادهای ابزار گرمکار و تندبر اهمیت ویژه ای دارد. |
انواع فولاد ابزار و مبانی دسته بندی آن ها
فولادهای ابزار برای پاسخ گویی به شرایط کاری متفاوت، بر اساس سه معیار اصلی دسته بندی می شوند: ترکیب شیمیایی و میزان آلیاژسازی، دمای کاری ابزار و نوع تنش مکانیکی غالب. این دسته بندی به مهندسان و صنعتگران کمک می کند تا متناسب با شرایط استفاده، مناسب ترین نوع فولاد ابزار را انتخاب کنند.
جدول دسته بندی انواع فولاد ابزار بر اساس معیارهای اصلی
| معیار دسته بندی | نوع فولاد ابزار | توضیح مختصر و کاربردی |
|---|---|---|
| ترکیب شیمیایی | فولاد ابزار کربنی | فولادهایی با درصد کربن بالا و حداقل عناصر آلیاژی که برای کاربردهای ساده تر و ابزارهای کم هزینه استفاده می شوند. |
| دمای کاری | فولاد ابزار سردکار | مناسب ابزارهایی که در دمای محیط کار می کنند و تمرکز اصلی آن ها بر مقاومت در برابر سایش است. |
| فولاد ابزار گرمکار | برای ابزارهایی که در تماس با فلز داغ یا در دماهای بالا کار می کنند و باید خواص خود را حفظ نمایند. | |
| فولاد ابزار تندبر | طراحی شده برای برش با سرعت بالا که در آن افزایش دما اجتناب ناپذیر است. | |
| نوع تنش مکانیکی | فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه | فولادهایی با چقرمگی بالا که توانایی تحمل ضربه ها و شوک های مکانیکی شدید را دارند. |
نکته: این دسته بندی ها مستقل از یکدیگر نیستند و در بسیاری از موارد با هم هم پوشانی دارند، اما به صورت کلی نشان می دهند که هر نوع فولاد ابزار با چه هدفی طراحی شده است. در ادامه مقاله، هر یک از این گروه ها به صورت جداگانه بررسی می شود تا ویژگی ها، مزایا، محدودیت ها و کاربردهای آن ها به طور دقیق مشخص گردد.
مقایسه ی ویژگی و کاربرد انواع فولاد ابزار
می توان به طور ساده و شفاف ویژگی ها و موارد کاربرد انواع فولاد ابزارها را به دسته های مشخص تفکیک کرد:
جدول مقایسه کلی انواع فولاد ابزار از نظر ویژگی های عملکردی
| نوع فولاد ابزار | سختی | مقاومت سایشی | چقرمگی | عملکرد در دمای بالا |
|---|---|---|---|---|
| فولاد ابزار کربنی | زیاد | متوسط | کم | ضعیف |
| فولاد ابزار سردکار | زیاد | زیاد | کم تا متوسط | ضعیف |
| فولاد ابزار گرمکار | متوسط | متوسط | متوسط تا زیاد | زیاد |
| فولاد ابزار تندبر (HSS) | زیاد | زیاد | متوسط | بسیار زیاد |
| فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه | متوسط | کم | بسیار زیاد | متوسط |
جدول راهنمای انتخاب هر نوع فولاد ابزار
| نوع فولاد ابزار | بهترین زمان انتخاب | توضیح کوتاه و کاربردی |
|---|---|---|
| فولاد ابزار کربنی | وقتی ابزار ساده، کم هزینه و دمای کاری پایین است | مناسب ابزارهای عمومی که سختی مهم است اما سایش شدید یا ضربه بالا وجود ندارد |
| فولاد ابزار سردکار | وقتی سایش و دقت ابعادی اولویت دارد | ایده آل برای قالب ها و ابزارهایی که در دمای محیط و با اصطکاک بالا کار می کنند |
| فولاد ابزار گرمکار | وقتی ابزار در دماهای بالا کار می کند | انتخاب مناسب برای قالب ها و ابزارهای در تماس با فلز داغ |
| فولاد ابزار تندبر (HSS) | وقتی برش با سرعت بالا انجام می شود | مناسب ابزارهای ماشین کاری که افزایش دما اجتناب ناپذیر است |
| فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه | وقتی ضربه و تنش دینامیکی غالب است | بهترین گزینه برای ابزارهایی که احتمال شکست ناگهانی دارند |
در ادامه مشخصاً به بررسی هر کدام از انواع فولاد ابزارها می پردازیم:
فولاد ابزار کربنی
فولاد ابزار کربنی یکی از ساده ترین و پایه ای ترین انواع فولاد ابزار است که خواص اصلی خود را از درصد کربن بالا و عملیات حرارتی کنترل شده به دست می آورد. در این فولادها معمولاً درصد کربن در بازه ای حدود ۰٫۶ تا ۱٫۳ درصد قرار دارد و از عناصر آلیاژی خاص به مقدار زیاد استفاده نمی شود.
پایه ای بودن فولاد ابزار کربنی به این معناست که عملکرد آن مستقیماً به همین دو عامل وابسته است: میزان کربن و نحوه سختکاری. به بیان ساده، اگر این فولاد به درستی حرارت داده و سرد شود، می تواند به سختی بالایی برسد و برای ساخت ابزارهای برشی و ساده صنعتی مورد استفاده قرار گیرد؛ اما اگر فرآیند حرارتی دقیق نباشد، مستعد تردی و ترک خوردگی خواهد بود.
عملیات حرارتی فولاد ابزار کربنی معمولاً شامل گرم کردن تا محدوده آستنیته، سرد کردن سریع (اغلب در آب یا روغن بسته به گرید) و سپس تمپر برای کاهش تردی است. این فرآیند باعث می شود فولاد به سختی بالا و لبه پذیری مناسب برسد، اما در عین حال پایداری آن در دماهای بالا محدود باقی می ماند.
مزایا و محدودیت های فولاد ابزار کربنی
مزایا:
- دستیابی به سختی بالا با ترکیب ساده
- هزینه اقتصادی تر نسبت به فولادهای ابزار آلیاژی
- مناسب برای ابزارهای دقیق و برشی در دمای محیط
محدودیت ها:
- مقاومت کم تر در برابر حرارت و افت سختی در دماهای بالا
- چقرمگی محدود و حساسیت به ضربه های شدید
- نیاز به دقت بالا در عملیات حرارتی برای جلوگیری از ترک
فولاد ابزار کربنی در چه کاربردهایی استفاده می شود؟
این فولادها برای ابزارهایی مناسب اند که:
- در دمای محیط کار می کنند
- نیاز به سختی و تیزی لبه دارند
- تحت ضربه های بسیار شدید یا حرارت بالا قرار نمی گیرند
از جمله کاربردهای رایج آن می توان به تیغه ها و چاقوهای صنعتی، سوهان ها، ابزارهای دستی، سنبه ها و پانچ های سبک و برخی ابزارهای اندازه گیری اشاره کرد. انتخاب و تأمین فولاد ابزار کربنی متناسب با نوع کاربرد و عملیات حرارتی موردنظر، نقش مهمی در عملکرد و عمر ابزار دارد.
از گریدهای رایج فولاد ابزار کربنی می توان به W1 و W2 (سختکاری در آب و دستیابی به سختی بالا) و همچنین C105 و C110 (کاربرد عمومی ابزارهای برشی ساده) اشاره کرد.
فولاد ابزار سردکار
فولاد ابزار سردکار به گروهی از فولادهای ابزار گفته می شود که برای کار در دمای محیط یا دماهای پایین طراحی شده اند؛ یعنی در حین استفاده، ابزار دچار افزایش دمای قابل توجه نمی شود. در این فولادها تمرکز اصلی بر سختی بالا، مقاومت در برابر سایش و حفظ ابعاد دقیق است.
برخلاف فولاد ابزار کربنی که عمدتاً به کربن متکی است، فولادهای ابزار سردکار معمولاً دارای عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن یا وانادیوم هستند. این آلیاژسازی باعث می شود سختی پذیری عمقی بهتر، مقاومت سایشی بالاتر و پایداری خواص مکانیکی بیشتری نسبت به فولاد ابزار کربنی داشته باشند.
عملیات حرارتی فولاد ابزار سردکار معمولاً شامل آستنیته کردن، کوئنچ (اغلب در روغن یا هوا بسته به گرید) و تمپر دقیق است. نتیجه این فرآیند، فولادی با سختی بالا، مقاوم تر در برابر ساییدگی و دارای ثبات ابعادی مناسب است که برای ابزارهای دقیق بسیار اهمیت دارد.
مزایا و محدودیت های فولاد ابزار سردکار
مزایا:
- مقاومت سایشی بالا و عمر کاری طولانی
- حفظ لبه برش و دقت ابعادی مناسب
- سختی پذیری عمقی بهتر نسبت به فولاد ابزار کربنی
محدودیت ها:
- چقرمگی کمتر نسبت به فولادهای مقاوم به شوک
- نامناسب برای کار در دماهای بالا
- هزینه بالاتر نسبت به فولاد ابزار کربنی
فولاد ابزار سردکار در چه کاربردهایی استفاده می شود؟
این فولادها برای ابزارهایی مناسب اند که:
- در دمای محیط کار می کنند
- تحت سایش مداوم قرار دارند
- نیاز به دقت و پایداری ابعادی بالا دارند
کاربردهای رایج شامل قالب های برش و پانچ، قالب های کشش سرد، تیغه های صنعتی، سنبه ها، ابزارهای فرم دهی ورق و ابزارهای دقیق قالب سازی است.
از گریدهای رایج فولاد ابزار سردکار می توان به D2 (مقاوم به سایش بالا)، O1 (سختکاری روغنی و ماشین کاری مناسب) و A2 (تعادل بین مقاومت سایشی و چقرمگی) اشاره کرد. با توجه به تنوع گریدها، انتخاب صحیح فولاد ابزار سردکار باید بر اساس میزان سایش، دقت ابعادی و شرایط کاری انجام شود.
فولاد ابزار گرمکار
فولاد ابزار گرمکار به گروهی از فولادهای ابزار گفته می شود که برای کار در دماهای بالا طراحی شده اند؛ یعنی در حین استفاده، ابزار به طور مداوم در معرض حرارت زیاد قرار دارد. در این شرایط، مهم ترین چالش این است که فولاد بتواند سختی و استحکام خود را در دمای بالا حفظ کند و دچار افت خواص یا تغییر شکل نشود.
برای دستیابی به این عملکرد، فولادهای ابزار گرمکار معمولاً با عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن و وانادیوم آلیاژ می شوند. این عناصر باعث افزایش پایداری حرارتی، مقاومت به نرم شدگی و مقاومت در برابر ترک های حرارتی می شوند. عملیات حرارتی این فولادها شامل آستنیته کردن در دمای بالا، کوئنچ (معمولاً در هوا یا روغن) و تمپر در دماهای نسبتاً بالا است تا تعادل مناسبی بین سختی و چقرمگی ایجاد شود.
مزایا و محدودیت های فولاد ابزار گرمکار
مزایا:
- حفظ سختی و استحکام در دماهای بالا
- مقاومت مناسب در برابر ترک های حرارتی و شوک حرارتی
- چقرمگی بهتر نسبت به فولادهای سردکار
محدودیت ها:
- مقاومت سایشی کمتر نسبت به فولادهای سردکار
- هزینه بالاتر نسبت به فولاد ابزار کربنی
- نامناسب برای کاربردهایی که دقت لبه بسیار بالا و سایش غالب است
فولاد ابزار گرمکار در چه کاربردهایی استفاده می شود؟
این فولادها برای ابزارهایی مناسب اند که:
- به طور مستقیم با فلز داغ در تماس هستند
- تحت چرخه های مکرر گرم و سرد شدن قرار می گیرند
- نیاز به دوام حرارتی و چقرمگی مناسب دارند
کاربردهای رایج شامل قالب های فورج گرم، قالب های دایکست، قالب های اکستروژن گرم، ابزارهای برش داغ و قالب های ریخته گری تحت فشار است. برای کاربردهای دمای بالا، مشاوره در انتخاب گرید مناسب فولاد ابزار گرمکار می تواند از بروز ترک های حرارتی و افت عملکرد ابزار جلوگیری کند.
از گریدهای رایج فولاد ابزار گرمکار می توان به H13 (پایداری حرارتی و مقاومت به ترک گرم)، H11 (چقرمگی بالاتر نسبت به H13) و H21 (مقاومت مناسب در دماهای بالا) اشاره کرد.
نکته: تفاوت آلیاژی فولاد ابزار سردکار و گرمکار
اگرچه فولادهای ابزار سردکار و گرمکار ممکن است عناصر آلیاژی مشابهی داشته باشند، اما تفاوت در درصد و نقش این عناصر باعث تفاوت عملکرد آن ها می شود. فولادهای سردکار با تمرکز بر مقاومت سایشی و سختی طراحی می شوند، در حالی که فولادهای گرمکار با هدف حفظ استحکام و چقرمگی در دماهای بالا آلیاژسازی می گردند. این تمایز آلیاژی نقش کلیدی در انتخاب صحیح فولاد ابزار متناسب با شرایط کاری دارد.
جدول مقایسه آلیاژسازی در فولاد ابزار سردکار و گرمکار
| نوع فولاد ابزار | عناصر آلیاژی شاخص | تمرکز اصلی آلیاژسازی | نتیجه عملکردی |
|---|---|---|---|
| فولاد ابزار سردکار | کروم (Cr)، وانادیوم (V)، کربن بالاتر | افزایش سختی و مقاومت در برابر سایش | لبه گیری عالی، عمر بالا در سایش، چقرمگی کمتر |
| فولاد ابزار گرمکار | مولیبدن (Mo)، کروم (Cr)، وانادیوم (V)، کربن کمتر | حفظ خواص مکانیکی در دمای بالا و مقاومت حرارتی | پایداری حرارتی بالا، مقاومت به ترک حرارتی، سایش کمتر از سردکار |
فولاد ابزار تندبر
فولاد ابزار تندبر که با نام فولاد تندبر یا High Speed Steel (HSS) یا فولاد خشکه هوایی شناخته می شود، گروهی از فولادهای ابزار است که برای برش با سرعت بالا طراحی شده اند. ویژگی شاخص این فولادها توانایی حفظ سختی و لبه برش در دماهای بالا است؛ دماهایی که در اثر اصطکاک شدید حین برش ایجاد می شوند.
تفاوت اصلی فولاد تندبر با سایر فولادهای ابزار در آلیاژسازی خاص و هدفمند آن است. این فولادها معمولاً دارای عناصری مانند تنگستن (W)، مولیبدن (Mo)، وانادیوم (V) و در بسیاری از گریدها کبالت (Co) هستند. این ترکیب باعث ایجاد کاربیدهای بسیار سخت و پایدار می شود که از نرم شدن فولاد در دماهای بالا جلوگیری می کند؛ ویژگی ای که با عنوان سختی قرمز (Red Hardness) شناخته می شود.
عملیات حرارتی فولاد ابزار تندبر نسبت به سایر فولادهای ابزار پیچیده تر است و شامل آستنیته کردن در دماهای بالا، کوئنچ (اغلب در هوا یا روغن) و چند مرحله تمپر است. نتیجه این فرآیند، فولادی با سختی بالا، مقاومت سایشی مناسب و پایداری عالی در شرایط برش سریع است.
مزایا و محدودیت های فولاد ابزار تندبر
مزایا:
- حفظ سختی و لبه برش در دماهای بالا (سختی قرمز)
- مناسب برای برش با سرعت بالا
- مقاومت سایشی و عمر کاری بالا
محدودیت ها:
- چقرمگی کمتر نسبت به فولادهای مقاوم به شوک
- هزینه بالاتر به ویژه در گریدهای کبالت دار
- حساسیت به تنظیم نادرست عملیات حرارتی
فولاد ابزار تندبر در چه کاربردهایی استفاده می شود؟
فولادهای ابزار تندبر برای ابزارهایی مناسب اند که:
- با سرعت بالا برش انجام می دهند
- تحت اصطکاک شدید و افزایش دما قرار دارند
- نیاز به حفظ تیزی لبه در طول زمان دارند
کاربردهای رایج شامل مته ها، فرزها، قلاویزها، تیغچه های تراشکاری، اره های صنعتی و ابزارهای برشی ماشین کاری است.
از گریدهای رایج فولاد ابزار تندبر می توان به M2 (کاربرد عمومی ماشین کاری)، M35 (دارای کبالت برای تحمل حرارت بالاتر) و T1 (سختی قرمز بالا) اشاره کرد. در ابزارهای برشی پرسرعت، انتخاب دقیق گرید مناسب فولاد ابزار تندبر یا فولاد خشکه هوایی تأثیر مستقیمی بر کیفیت ماشین کاری و عمر ابزار دارد.
فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه
فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه که در منابع فنی با عنوان Shock-Resisting Tool Steel شناخته می شود، گروهی از فولادهای ابزار است که برای تحمل ضربه های ناگهانی، تنش های دینامیکی و بارهای متناوب طراحی شده اند. در این نوع فولاد، برخلاف فولادهای سردکار و تندبر، تمرکز اصلی نه بر سختی بسیار بالا، بلکه بر چقرمگی و جذب انرژی ضربه است.
برای دستیابی به این رفتار، فولادهای ابزار مقاوم به شوک معمولاً دارای کربن کمتر نسبت به سایر فولادهای ابزار و آلیاژسازی متعادل با عناصری مانند سیلیسیم (Si)، کروم (Cr) و گاهی مولیبدن (Mo) هستند. این ترکیب باعث می شود فولاد در برابر ترک خوردگی و شکست ناگهانی مقاومت بالایی داشته باشد، حتی اگر سختی نهایی آن کمتر از فولادهای سردکار یا تندبر باشد.
عملیات حرارتی این فولادها به گونه ای تنظیم می شود که تعادل مناسبی بین سختی متوسط و چقرمگی بالا ایجاد شود. معمولاً سختکاری ملایم تر و تمپر در دماهای بالاتر انجام می شود تا از تردی جلوگیری گردد.
مزایا و محدودیت های فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه
مزایا:
- چقرمگی بسیار بالا و مقاومت عالی در برابر ضربه
- کاهش احتمال ترک خوردگی و شکست ناگهانی
- مناسب برای تنش های دینامیکی و بارهای متناوب
محدودیت ها:
- سختی و مقاومت سایشی کمتر نسبت به فولادهای سردکار و تندبر
- نامناسب برای برش دقیق یا سرعت های بالا
- محدودیت کاربرد در محیط های با سایش غالب
فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه در چه کاربردهایی استفاده می شود؟
این فولادها برای ابزارهایی مناسب اند که:
- تحت ضربه های شدید و مکرر قرار دارند
- نیاز به دوام و جذب انرژی دارند
- احتمال شکست ناگهانی در آن ها بالاست
از جمله کاربردهای رایج می توان به سنبه ها و پانچ های ضربه ای، چکش های صنعتی، ابزارهای برش ضربه ای، تیغه های برش سنگین، ابزارهای فورج سرد ضربه ای و قطعات تحت شوک مکانیکی اشاره کرد.
از گریدهای رایج فولاد ابزار مقاوم به شوک و ضربه می توان به S7 (تعادل عالی بین چقرمگی و استحکام)، S5 (مقاوم در برابر ضربه های شدید) و S1 (کاربردهای ضربه ای عمومی) اشاره کرد.
همان طور که بررسی شد، انتخاب فولاد ابزار مناسب تنها به شناخت نام گریدها محدود نمی شود، بلکه به درک صحیح شرایط کاری، نوع تنش و دمای عملکرد وابسته است. یک انتخاب نادرست می تواند عمر ابزار را کاهش داده و هزینه های تولید را افزایش دهد، در حالی که مشاوره تخصصی این ریسک را به حداقل می رساند. به همین دلیل، بهره گیری از تجربه و مشاوره ی تخصصی شرکت فولاد حامیران می تواند به انتخابی دقیق تر، مطمئن تر و متناسب با نیاز واقعی صنعت منجر شود.
