عملیات حرارتی انواع فولاد گرمکار

همان‌ طور که می ‌دانید محصولات ساخته شده با فولاد بسیار متنوع هستند و هر کدام از آن ‌ها کاربرد خاصی دارند. دو نوع از مهمترین فولادهایی که برای ساخت این محصولات مورد استفاده قرار می ‌گیرند، فولاد گرمکار و فولاد سردکار هستند. اهمیت این دو نوع فولاد در صنعت آهن و فولاد حتی از آنچه تصور می ‌شود بالاتر است. به‌ طوری ‌که بعد از شناخت این نوع فولاد متوجه می ‌شوید، اکثر وسایلی که در اطراف ما قرار داد، با فولادهای ابزار گرمکار و سردکار درست شده ‌اند. خود فولاد گرمکار نیز شامل فولادهای متنوع مانند فولاد 1.2343، فولاد 1.2713، فولاد 1.2606، فولاد 1.2714، فولاد 1.2344، فولاد 1.2365 می‌ باشند که هر کدام از آن ‌ها ویژگی ‌های منحصر به ‌فردی دارند و برای کاربردهای متفاوتی استفاده می ‌شوند.

فولاد گرمکار چیست؟

فولاد گرمکار فولادی است که در درجه حرارت‌ های بالا امکان شکل ‌دهی گرم قطعات کاری ساخته شده از فلزات غیر آهنی و آهنی است. به همین دلیل معمولاً از این نوع فولاد برای کارهایی مثل ریخته‌ گری تحت ‌فشار، اکستروژن گرم، آهنگری سقوطی و حتی تولید لوله و شیشه استفاده می ‌شود. در واقع فولاد گرمکار نوعی فولاد صنعتی محسوب می‌ گردد؛ زیرا ویژگی اصلی آن مقاومت بالا در برابر درجه حرارت ‌های زیاد و بالاتر از 316 درجه سانتی ‌گراد می ‌باشد. در نتیجه در برابر سایش و مواردی که نیاز به مقاومت و سختی بالا وجود دارد نیز بسیار کاربردی است.

فولاد ابزارهای سردکار معمولاً وقتی در محدوده دمایی 316 درجه سانتی‌ گراد یا بالاتر قرار می ‌گیرند، استحکام خود را از دست‌ داده و حالت نرمی به خود می ‌گیرند. در نتیجه برای بسیاری از موارد نمی ‌توان از آن استفاده کرد. از فولادهای خشکه هوایی یا تندبر نیز نمی ‌توان برای این کارها استفاده کرد. با اینکه فولادهای خشکه هوایی در دماهای بالا نرم نمی ‌شوند، اما باز هم سختی خود را از دست می ‌دهند. به همین دلیل در دماهای خیلی بالا تنها می ‌توان از انواع فولاد گرمکار استفاده نمود. همان ‌طور که در قسمت مقدمه به آن اشاره کردیم، فولادهای گرمکار در گریدهای مختلفی تولید و عرضه می ‌شوند که بر حسب نوع مواد سازنده و فرایند ساختشان قیمتشان متفاوت خواهد بود.

انواع فولاد گرمکار

فولادهای گرمکار دسته ای از فولادهای آلیاژی هستند که به طور خاص برای کار در دماهای بالا طراحی شده اند و باید در برابر نرم شدن، خوردگی و شوک های حرارتی مقاومت کنند. این فولادها بر اساس عناصر آلیاژی اصلی تشکیل دهنده به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که هر کدام خواص منحصر به فردی دارند. انتخاب نوع صحیح فولاد گرمکار تأثیر مستقیمی بر عمر قالب و کیفیت محصول نهایی دارد. با توجه به نوسانات بازار و تأثیر مستقیم هزینه های مواد اولیه بر قیمت آهن، شناخت دقیق این انواع و کارایی آن ها می تواند به مهندسان در انتخاب اقتصادی ترین و کارآمدترین گزینه برای پروژه های صنعتی کمک شایانی کند.

فولاد گرمکار ساخته شده با تنگستن

فولادهای گرمکاری که با عنصر تنگستن آلیاژی شده اند، به دلیل داشتن سختی استثنایی در دماهای بالا و مقاومت عالی در برابر سایش، شهرت زیادی دارند. تنگستن باعث تشکیل کاربیدهای بسیار سخت و پایدار در ساختار فولاد می شود که حتی در گرمای شدید ناشی از تزریق مذاب فلز نیز حفظ می شوند. این ویژگی باعث می شود که این فولادها برای ساخت قالب هایی که با فشار و اصطکاک زیاد سر و کار دارند، مانند قالب های فورج داغ، بسیار مناسب باشند. با این حال، وجود تنگستن می تواند چقرمگی فولاد را کمی کاهش دهد و فرآیند ماشین کاری را دشوارتر سازد، بنابراین استفاده از آن ها نیازمند مهارت و دقت بالایی در عملیات حرارتی است.

فولاد گرمکار ساخته شده با مولیبدن

مولیبدن یکی از مؤثرترین عناصر در بهبود خواص فولادهای گرمکار است که به طور گسترده در گریدهای محبوبی مانند H13 استفاده می شود. این عنصر به شدت سختی پذیری فولاد را افزایش می دهد و عمق سختی را بالا می برد، در حالی که چقرمگی لازم برای مقاومت در برابر شوک های حرارتی را حفظ می کند. فولادهای گرمکار حاوی مولیبدن در برابر ترک های ناشی از سرد و گرم شدن متوالی (شکست حرارتی) بسیار مقاوم هستند و ساختار خود را در دماهای بالا به خوبی حفظ می کنند. این ویژگی ها باعث شده است که این فولادها به انتخاب اول برای ساخت قالب های دایکست (Die Casting) و قالب های پلاستیک گیری که با چرخه های حرارتی سریع کار می کنند، تبدیل شوند.

فولاد گرمکار ساخته شده با کروم

کروم عنصر کلیدی در فولادهای گرمکار است که عمدتاً برای افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی در دماهای بالا به کار می رود. فولادهای گرمکار حاوی کروم، لایه ای محافظ روی سطح قالب تشکیل می دهند که از چسبیدن مذاب فلز به قالب و تخریب سطح آن جلوگیری می کند. این فولادها همچنین خواص سختی پذیری خوبی دارند و نسبت به سایر انواع، ماشین کاری راحت تری دارند. اگرچه ممکن است مقاومت به نرم شدن آن ها در دماهای بسیار بالا به اندازه فولادهای تنگستنی نباشد، اما تعادل خوبی بین سختی، چقرمگی و هزینه ایجاد می کنند که آن ها را برای طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و ساخت قالب های معمولی مناسب ساخته است.

عملیات حرارتی فولاد گرمکار

عملیات حرارتی فولاد گرمکار فرآیندی حیاتی و غیرقابل اجتناب است که برای دستیابی به خواص مکانیکی لازم مانند سختی و استحکام در دماهای بالا انجام می شود. این فرآیند معمولاً شامل دو مرحله اصلی سخت کاری و تمپر کردن است که ساختار داخلی فولاد را تغییر داده و آن را برای شرایط کاری سخت آماده می سازد. درک تفاوت فولاد سردکار و گرم کار در نحوه انجام این عملیات حرارتی بسیار مهم است؛ زیرا فولادهای گرمکار باید در برابر شوک های حرارتی مقاوم باشند، در حالی که فولادهای سردکار تمرکز اصلی بر سختی سطحی است. بدون اعمال صحیح این عملیات، قالب ها دچار تغییر شکل زودرس، ترک خوردن یا سایش سریع خواهند شد.

کوئنچ کردن (سخت کاری)

کوئنچ کردن یا سخت کاری اولین مرحله اصلی در عملیات حرارتی فولاد گرمکار است که در آن فولاد را تا دمای آستنیته شدن (معمولاً بین ۱۰۰۰ تا ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد) حرارت داده و سپس به سرعت در روغن، هوا یا گاز خنک می کنند. این سرعت خنک کاری بالا باعث می شود که ساختار آستنیت به مارتنزیت سخت تبدیل شود که سختی بسیار بالایی به فولاد می بخشد. انتخاب محیط خنک کننده در این مرحله بسیار حساس است، زیرا اگرچه هدف رسیدن به حداکثر سختی است، اما ایجاد تنش های داخلی و ترک خوردن باید کنترل شود. این مرحله پایه و اساس استحکام قالب را فراهم می کند، اما به دلیل تردی بیش از حد مارتنزیت، فولاد در این حالت برای کاربرد مستقیم مناسب نیست و نیاز به مرحله بعدی دارد.

تمپر کردن (آنیل کردن)

تمپر کردن یا بازپخت مرحله دوم و تکمیلی عملیات حرارتی است که پس از کوئنچ کردن انجام می شود تا خواص مطلوب نهایی حاصل گردد. در این مرحله، فولاد سخت شده را در دمایی پایین تر از دمای بحرانی (معمولاً بین ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی گراد) حرارت داده و مجدداً خنک می کنند تا بخشی از سختی و تردی مارتنزیت کاهش یابد و در عوض چقرمگی و تافنس افزایش یابد. این فرآیند باعث ایجاد تعادل بین سختی و انعطاف پذیری می شود که برای قالب های گرمکار ضروری است تا در برابر ضربات مکانیکی و شوک های حرارتی ناشی از چرخه های گرم و سرد شدن مقاومت کنند. بدون تمپر کردن، قالب بسیار شکننده خواهد بود و در اولین استفاده احتمال شکست آن وجود دارد.

مشخصات فولاد گرمکار

فولاد گرمکار به دلیل مقاومتی که باید در برابر حرارت‌ های بالا داشته باشد از اهمیت زیادی در صنعت فولاد کشور برخوردار است. از طرفی برای اینکه بتوان در موارد مورد نیاز از آن‌ ها استفاده کرد، باید ویژگی ‌های منحصر به ‌فردی داشته باشند و تحمل دماهای بالا یکی از این ویژگی ‌های خاص است. سایر ویژگی‌ های مورد نیاز برای فولاد گرمکار عبارتند از:

• مقاومت بالا در برابر تغییر شکل به دلیل طولانی شدن عملیات حرارتی
• استحکام بسیار زیاد در برابر کشش ‌های گرم
• قدرت تحمل بالا در برابر سایش ‌های گرم
• مقاومت بسیار بالا در برابر ضربه ‌های گرم
• قدرت و مقاومت بالا در برابر شوک‌ های حرارتی
• قابلیت خوب در ماشین ‌کاری خوب

موارد کاربرد فولاد گرمکار چیست؟

همان‌ طور که گفتیم مهمترین ویژگی فولاد گرمکار این است که در برابر گرمای زیاد مقاومت بالایی از خود نشان می ‌دهد و ذوب یا نرم نمی ‌شود. به همین دلیل در موارد زیر بیشترین کاربرد را دارند:

• ساخت قالب‌ های تزریقی
• ساخت وسایل و ابزار مورد نیاز برای سوراخ کردن
• ساخت ابزارآلات مخصوص مهره ‌سازی
• تهیه فولادهای مورد نیاز برای تیغه ‌های انواع قیچی ‌ها
• تولید رینگ ‌های فشار دهنده
• ساخت قالب‌ های مورد استفاده برای پولک زنی
• تهیه انواع سنباده‌ ها

نکات مهم در انتخاب و خرید فولاد گرمکار

انتخاب و خرید فولاد گرمکار نیازمند توجه دقیق به چندین پارامتر فنی و کیفی است تا قالب تولیدی دارای طول عمر و کارایی مطلوب باشد. اولین نکته، شناسایی دقیق نوع فرآیند تولید و دمای کاری قالب است؛ برای مثال، برای قالب های دایکست که با شوک های حرارتی شدید روبرو هستند، فولادهایی با تافنس بالا مانند H13 توصیه می شود، در حالی که برای کاربردهای با فشار استاتیکی ممکن است گریدهای دیگر مناسب تر باشند.

همچنین، بررسی آنالیز شیمیایی و اطمینان از خلوص فولاد (کم بودن ناخالصی هایی مانند گوگرد و فسفر) بسیار حیاتی است، زیرا این عناصر می توانند باعث کاهش چقرمگی و ایجاد ترک در قالب شوند. علاوه بر این، خریداران باید به وضعیت عملیات حرارتی اولیه (مانند آنیل نرم) و یکنواختی ساختار میکروسکوپی در شمش فولاد توجه کنند تا از مشکلات ماشین کاری و تغییر شکل های غیرقابل پیش بینی در مراحل بعدی جلوگیری شود.

در نهایت، انتخاب یک تأمین کننده معتبر و بررسی گواهینامه های کیفیت استاندارد، تضمین کننده خرید موفقیت آمیز خواهد بود. با توجه به هزینه بالای این فولادها و اهمیت حیاتی آن ها در خطوط تولید، صرف هزینه کمی بیشتر برای دریافت مواد باکیفیت و استاندارد، در بلندمدت جلوی هزینه های هنگفت توقف تولید و تعویض زودرس قالب را می گیرد. بنابراین، تحقیق بازار، مقایسه مشخصات فنی و مشاوره با متخصصان metallurgy قبل از نهایی کردن خرید، گام هایی ضروری هستند که سرمایه گذاری شما را به سمت بهره وری و دوام بیشتر سوق می دهد.

سوالات متداول