فولادهای گرم­کار 

دسته‌­ای از فولادهای ابزار است که برای کاربردهای دما بالا طراحی شده و بر مبنای استاندارد ISO 4957 دمای بالا برای این فولادها شامل کاربردهایی است که در آن­ها دمای سطح قالب یا ابزار بالاتر از ℃200 باشد. این فولادها تنها شامل خانواده H هستند که خود به سه دسته کروم­دار، تنگستن‌­دار و مولیبدن‌­دار تقسیم می­‌شود. در ادامه هرکدام از دسته بندی‌های این فولاد بررسی شده‌اند.

خواص فولاد گرمکار

به طور کلی فولاد ابزار گرمکار باید از خواص زیر برخوردار باشد:

• مقاومت در برابر تغییر شکل در طول عملیات حرارتی (قالب‌های پیچیده در حین عملیات حرارتی نباید دچار تاب شوند، این مشکل با به کارگیری فولادهایی با سختی پذیری بالا حل خواهد شد).
• استحکام کششی گرم بسیار بالا
• مقاومت به ترک‌های گرما خستگی (ایجاد ترک‌های سطحی ریز در سطح ابزار)
• مقاومت به سایش و فرسایش در دمای بالا
• مقاومت در برابر شوک‌های حرارتی و مکانیکی

عملیات حرارتی فولاد گرم کار

بهترین روش عملیات حرارتی فولادهای ابزار گرمکار تحت خلأ است که در آن برای کوئنچ قطعات از گاز فشرده استفاده می‌شود. از چند دهه قبل که این نوع از کوره‌های عملیات حرارتی به بهره‌برداری صنعتی رسیدند، تا به امروز در حال توسعه و پیشرفت بوده‌اند. استفاده از این نوع عملیات حرارتی مزایای زیادی دارد که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• عدم دکربوره شدن سطح قطعات
• عدم اکسید شدن سطح قطعات (حفظ کیفیت سطح پس از عملیات)
• حفظ یکنواختی ابعاد در دمای بالا و اعوجاج کم قطعات پس از عملیات حرارتی
• قابلیت تعریف و کنترل روند تغییرات دما که منجر به تکرارپذیری نتایج می‌شود.
• قابلیت مستندسازی گراف‌های دمایی و فشار دستگاه در هنگام خلأ و کوئنچ
• اتوماسیون کامل فرایند عملیات حرارتی

هر سیکل عملیات حرارتی شامل حرارت دادن تا دمای آستنیته (1080-1020 درجه سانتیگراد) با سرعت معین و طی چند مرحله، نگهداری به مدت کافی در این دما و سپس سرد کردن سریع قطعه به منظور افزایش سختی است. در حین حرارت‌دهی و سرد شدن، یک پروفیل دمایی و در نتیجه اختلاف دما میان لبه‌های بیرونی قطعه با مغز آن ایجاد می‌شود.

تحت هیچ شرایطی نمی‌توان از بروز این اختلافات دمایی که عامل ایجاد تنش پسماند و در نتیجه اعوجاج در داخل قطعه است جلوگیری کرد. با حرارت‌دهی و سرد کردن آهسته می‌توان این اعوجاج‌ها را به حداقل رساند. با این وجود، ریزساختار، رشد دانه، سختی‌پذیری فولاد و الزامات اقتصادی ایجاب می‌کنند که فرایند عملیات حرارتی با سرعت بالایی انجام شود.

حرارت‌دهی در کوره خلأ از طریق تابش انجام می‌شود. افزایش دما به شکل پلکانی و مرحله به مرحله (پیش گرمایش) باعث یکنواخت شدن دما در تمام مقطع قطعه می‌شود. بنابراین، اختلاف دما میان سطح و مغز قطعه کاهش پیدا کرده و حرارت‌دهی یکنواخت‌تر شارژ کوره ممکن می‌شود.

یکی از مزایای استفاده از کوره‌های خلأ برای عملیات حرارتی فولادهای گرمکار، توانایی کنترل دقیق دما با استفاده از ترموکوپل‌هایی است که هم در داخل محفظه و هم در میان قطعه‌کارها قرار دارند. ترموکوپل‌هایی که در مجاورت قطعات قرار می‌گیرند، امکان اندازه‌گیری دمای قطعات قرار گرفته در مرکز کوره را فراهم کرده و باعث حصول اطمینان از کافی بودن مدت زمان نگهداری قطعه در دمای آستنیته می‌شوند.

تمام این فرایندها به شکل کاملاً اتوماتیک انجام شده و مستندسازی عملیات حرارتی از طریق چاپ سیکل‌های اجرایی توسط دستگاه باعث می‌شود تا نتایج بدست آمده تکرارپذیری بالایی داشته باشند.

سرعت سرد شدن در طی فرایند عملیات حرارتی باید بر مبنای الزامات زیر تعیین شود:

• سختی‌پذیری فولاد
• تا حد لازم سریع و تا حد ممکن کند باشد
• یکنواخت بودن کاهش دما برای تمام شارژ کوره
• شیب دمایی در داخل قطعه بر روی حداقل مقدار ممکن حفظ شود

برآورده شدن این الزامات منتهی به هدف اصلی می‌شود: ساختار سخت شده کاملاً مارتنزیتی با حداقل اعوجاج. سرعت کوئنچ کردن بشدت بر روی استحکام تأثیر می‌گذارد.

محیط مبرد ایده‌آل برای کوئنچ کردن قطعات محیطی است که سرعت سرد شدن قطعه در داخل آن دقیقاً به اندازه‌ای باشد که سختی مد نظر را حاصل کند. زیرا این به معنی کمترین ریسک ایجاد ترک و اعوجاج در قطعه است. فشار کوئنچ، نوع گاز مورد استفاده، سرعت گردش گاز مبرد و … پارامترهایی هستند که با استفاده از آن‌ها می‌توان سرعت‌های سرد شدن مختلفی بدست آورد که متناسب با نوع و جنس قطعه است و به دلیل مشخص بودن این پارامترها، فرایند عملیات حرارتی و نتایج بدست آمده کاملاً تکرارپذیر باشند. طراحی درست کوره به شکل مستقیم بر روی سرد شدن یکنواخت قطعات اثر گذار است.

برای به حداقل رساندن تنش حرارتی میان سطح و مغز قطعات از روش کوئنچ همدما (مارکوئنچینگ) در دمایی بالاتر از شروع استحاله مارتنزیتی استفاده می‌شود. کوئنچ همدما میزان اعوجاج را به ویژه در قطعات بزرگ و پیچیده کم می‌کند.

انواع فولاد گرمکار

انواع فولاد گرمکار براساس ترکیب شیمیایی و عملیات‌ حرارتی در سه دسته‌بندی اصلی جای می‌گیرند: 1. فولادهای پایه کروم 2-فولادهای پایه تنگستن 3. فولادهای پایه مولیبدن

فولاد ابزاری گرمکار کروم دار

این  گروه از فولاد ابزار گرمکار باید مقاومت عالی در برابر بارگذاری ضربه‌ای دما بالا، نرم شدن در هنگام قرار گرفتن در دماهای بالا و همچنین در برابر خستگی حرارتی داشته باشند.  این شرایط در این دسته از فولادها با استفاده از درصد متوسط کربن و غلظت بالای کروم و دیگر عناصر کاربید ساز قوی برآورده می‌شود.

فولاد های ابزار گرمکار تنگستن دار

این دسته از فولادهای گرمکار نسبت به فولادهای گرم کار کروم دار مقاومت بیشتری در برابر نرم شدن در هنگام قرار گرفتن در دماهای بالا را دارند. بهبود مقاومت در برابر نرم شدن توسط افزودن مقادیر زیاد تنگستن انجام می‌پذیرد.

فولادهای گرم کار مولیبدن دار

این دسته از فولادها، مقاومت به نرم شدن قابل مقایسه‌ای با فولادهای گرم کار تنگستن‌دار دارد؛ بنابراین بسته به فراوانی و قیمت، جانشینی برای این فولادها است. مولیبدن، دیگر عنصر کاربید ساز قوی برای تامین کسر حجمی زیاد کاربیدهای آلیاژی همراه با کروم، وانادیم و تنگستن به فولاد افزوده می شود که منجر به پایداری ریز ساختار در هنگام قرار گرفتن در معرض عملیات شکل دهی در دمای بالا می‌‍گردد.

جدول فولادهای گرمکار

در عکس بالا جدول فولادهای گرم­کار  بر مبنای طبقه­‌بندی AISI آورده شده است. این دسته از فولادها با حرف H نمایش داده می‌­شوند که نشان از گرم­کار بودن (Hot-working) آن­‌ها دارد. همانطور که در بخش انواع فولاد گرمکار به آن اشاره شد، این فولادها خود به سه دسته فولادهای ابزار گرمکار کروم دار، تنگستن دار و مولبیدن دار تقسیم می‌شوند.

تاثیر عناصر بر روی خواص فولاد گرم‌کار

کاربرد فولادهای گرم­کار

کاربرد فولادهای گرمکار شامل قالب­‌ها و ابزارهای گرم­کار در صنایع مختلف از جمله دایکست، اکستروژن، تزریق پلاستیک و فورج، ابزارهای پرس با سرعت بالا، قالب­‌های خم و سکه­‌زنی و قالب­‌ها و ابزار تولید پیچ، مهره و پرچ می‌­باشد.

فولادهای 1.2343، 1.2344 و 1.2367
از جمله پرکاربردترین فولادهای ابزار گرم­کار در صنعت هستند که برای مصارف مختلف مورد استفاده قرار می‌­گیرند. فولاد 1.2343 برای کاربردهایی که به چقرمگی و مقاومت در برابر ضربه بالا نیاز دارند مناسب است. در مقابل، برای کاربردهایی که به استحکام بیشتر در دمای بالا و در مقابل، چقرمگی کمتری نیاز دارند از فولاد 1.2344 استفاده می­شود. کاربرد فولاد 1.2367 مشابه فولاد H13 یا 1.2344 بوده و در موارد حادتر که نیاز به استحکام بیشتر یا عمر قالب بالاتر وجود دارد مورد استفاده قرار می­گیرد.

جوشکاری فولاد گرم­کار

جوشکاری فولاد گرمکار یکی از فرایندهای اتصال متداول در ساخت و تولید قطعات با استفاده از این فولادها است. به طور کلی، فولادهای گرم­کار هم در حالت آنیل شده و هم در حالت کوئنچ-تمپر شده قابلیت جوشکاری دارند. بدین منظور، پیش گرم کردن این فولادها حداقل تا دمای ℃ 325 پیش از انجام جوشکاری الزامی است.

در حین انجام جوشکاری فولاد گرمکار، دمای قطعه باید بین 325 تا حداکثر ℃475 حفظ شود. پس از پایان یافتن جوشکاری، بهتر است که قطعه به آرامی تا دمای محیط سرد شود. قطعاتی که پیش از جوشکاری در حالت آنیل شده قرار داشتند باید یک بار دیگر پس از جوشکاری آنیل شوند. قطعاتی که پیش از جوشکاری کوئنچ-تمپر شده باشند نیز باید پس از اتمام جوشکاری تا ℃30 پایین‌­تر از آخرین دمای تمپری که داشته­‌اند، حرارت داده شوند.