فولاد چیست؟
فولاد واژه ای گسترده برای آهن و آلیاژهای کربن است.محتوای کربن (0.05٪ - 2٪ وزن) و افزودن عناصر دیگر، آلیاژ خاص فولاد و خواص مواد آن را تعیین می کند.سایر عناصر آلیاژی عبارتند از منگنز، سیلیکون، فسفر، گوگرد و اکسیژن.کربن سختی و استحکام فولاد را افزایش می دهد، در حالی که عناصر دیگری را می توان برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی یا ماشین کاری اضافه کرد.محتوای منگنز نیز به طور کلی بالا است (حداقل 0.30٪ تا 1.5٪) برای کاهش شکنندگی فولاد و بهبود استحکام آن.
استحکام و سختی فولاد یکی از محبوب ترین خواص آن است.آنها هستند که فولاد را برای کاربردهای ساختمانی و حمل و نقل مناسب می کنند زیرا این ماده می تواند برای مدت طولانی تحت بارهای سنگین و مکرر استفاده شود.برخی از آلیاژهای فولادی، به عنوان مثال انواع فولاد ضد زنگ، در برابر خوردگی مقاوم هستند، که آنها را بهترین انتخاب برای قطعاتی است که در محیط های شدید کار می کنند.
با این حال، این استحکام و سختی باعث طولانی شدن زمان ماشینکاری و افزایش سایش ابزار می شود.فولاد یک ماده با چگالی بالا است که آن را در برخی کاربردها بیش از حد سنگین می کند.با این حال، فولاد نسبت استحکام به وزن بالایی دارد، به همین دلیل یکی از متداول ترین فلزات مورد استفاده در ساخت است.
نوع فولاد
بیایید در مورد بسیاری از انواع فولاد صحبت کنیم.به عنوان فولاد، کربن باید به آهن اضافه شود.با این حال، محتوای کربن متفاوت خواهد بود و در نتیجه تغییرات زیادی در عملکرد آن ایجاد می شود.فولاد کربنی به طور کلی به فولادی غیر از فولاد ضد زنگ گفته می شود و با درجه 4 رقمی فولاد مشخص می شود.به طور گسترده تر، فولاد کم کربن، فولاد کربن متوسط یا فولاد کربن بالا است.
فولاد کم کربن: محتوای کربن کمتر از 0.30٪ (وزنی)
فولاد کربن متوسط: 0.3 - 0.5٪ محتوای کربن
فولاد کربن بالا: 0.6٪ و بالاتر
عناصر آلیاژی اصلی فولاد با اولین رقم از درجه چهار رقمی نشان داده می شود.به عنوان مثال، هر فولاد 1xxx، مانند 1018، از کربن به عنوان عنصر آلیاژی اصلی استفاده می کند.فولاد 1018 حاوی 0.14 تا 0.20 درصد کربن و مقدار کمی فسفر، گوگرد و منگنز است.این آلیاژ جهانی معمولاً برای ماشینکاری واشرها، شفت ها، چرخ دنده ها و پین ها استفاده می شود.
فولاد کربنی با پردازش آسان دوباره فسفاته و فسفاته می شود تا تراشه ها به قطعات کوچکتر تقسیم شوند.این کار از درهم خوردن تراشه های بلند یا بزرگ با ابزار در حین برش جلوگیری می کند.ماشینکاری آسان فولاد می تواند زمان پردازش را افزایش دهد، اما ممکن است شکل پذیری و مقاومت ضربه را کاهش دهد.
فولاد ضد زنگ
فولاد ضد زنگ حاوی کربن است، اما همچنین حاوی حدود 11٪ کروم است که مقاومت در برابر خوردگی مواد را افزایش می دهد.کروم بیشتر یعنی زنگ زدگی کمتر!افزودن نیکل همچنین می تواند مقاومت در برابر زنگ زدگی و استحکام کششی را بهبود بخشد.علاوه بر این، فولاد ضد زنگ دارای مقاومت حرارتی خوبی است و برای هوا فضا و سایر کاربردها در محیط های شدید مناسب است.
با توجه به ساختار کریستالی فلز، فولاد ضد زنگ را می توان به پنج نوع تقسیم کرد.این پنج نوع عبارتند از آستنیت، فریت، مارتنزیت، دوبلکس و سخت شدن بارشی.گریدهای فولاد ضد زنگ به جای چهار رقم با سه رقم مشخص می شوند.عدد اول نشان دهنده ساختار کریستالی و عناصر آلیاژی اصلی است.
به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ سری 300 آلیاژ نیکل کروم آستنیتی است.فولاد ضد زنگ 304 رایج ترین گرید است که با نام 18/8 نیز شناخته می شود، زیرا دارای 18٪ کروم و 8٪ نیکل است.فولاد ضد زنگ 303 یک نسخه ماشینکاری رایگان از فولاد ضد زنگ 304 است.افزودن گوگرد مقاومت در برابر خوردگی آن را کاهش می دهد، بنابراین فولاد ضد زنگ نوع 303 بیشتر از فولاد ضد زنگ نوع 304 زنگ می زند.
فولاد ضد زنگ را می توان در طیف وسیعی از صنایع استفاده کرد.فولاد ضد زنگ نوع 316 می تواند برای اجزای شیر در تجهیزات پزشکی مانند ماشین آلات و خطوط لوله پس از پردازش مناسب استفاده شود.فولاد ضد زنگ 316 همچنین برای پردازش مهره ها و پیچ و مهره ها استفاده می شود که بسیاری از آنها در صنایع هوافضا و خودرو استفاده می شود.فولاد ضد زنگ 303 برای چرخ دنده ها، شفت ها و سایر قطعات لازم برای هواپیما و خودرو استفاده می شود.
فولاد ابزار اسکنه
فولاد ابزار برای ساخت ابزار برای فرآیندهای مختلف تولید، از جمله ریخته گری، قالب گیری تزریقی، مهر زنی و برش استفاده می شود.آلیاژهای مختلف فولاد ابزار برای کاربردهای مختلف وجود دارد، اما همه آنها به دلیل سختی خود شناخته شده اند.هر یک از آنها می تواند سایش چندین مصارف را تحمل کند (قالب فولادی که برای قالب گیری تزریقی استفاده می شود می تواند یک میلیون بار یا بیشتر از مواد را تحمل کند) و مقاومت در برابر دمای بالایی دارد.
یکی از کاربردهای رایج فولاد ابزار، قالب گیری تزریقی است که توسط CNC فولاد سخت شده برای تولید قطعات تولیدی با بالاترین کیفیت پردازش می شود.فولاد H13 معمولاً به دلیل عملکرد خستگی حرارتی خوب آن انتخاب می شود - استحکام و سختی آن می تواند در معرض قرار گرفتن طولانی مدت در برابر دماهای شدید مقاومت کند.قالب H13 برای مواد قالب گیری تزریقی پیشرفته با دمای ذوب بالا بسیار مناسب است، زیرا عمر قالب طولانی تری را نسبت به سایر فولادها فراهم می کند - 500000 تا 1 میلیون بار.در عین حال، S136 فولاد ضد زنگ است و عمر قالب بیش از یک میلیون بار است.این ماده را می توان تا بالاترین سطح پرداخت کرد و برای کاربردهای خاص قطعاتی که نیاز به شفافیت نوری بالایی دارند استفاده کرد.
درمان فولاد
برخی از مفیدترین خواص فولاد از مراحل اضافی پردازش و ماشینکاری ناشی می شود.این روش ها را می توان قبل از فرآوری انجام داد تا خواص فولاد را تغییر داده و پردازش فولاد را آسان تر کند.لطفاً به یاد داشته باشید که سخت شدن مواد قبل از ماشین کاری باعث طولانی شدن زمان ماشینکاری و افزایش سایش ابزار می شود، اما فولاد را می توان پس از ماشینکاری برای افزایش استحکام یا سختی محصول نهایی پردازش کرد.به عبارت دیگر، مهم است که هر نوع درمان برنامه ریزی شده ای را که برای دستیابی به خواص لازم برای قطعات خود انجام دهید، پیش بینی کنید.
حرارت درمانی
عملیات حرارتی به چندین فرآیند مختلف شامل دستکاری دمای فولاد برای تغییر خواص مواد آن اشاره دارد.یک مثال آنیلینگ است که برای کاهش سختی و افزایش شکل‌پذیری استفاده می‌شود و پردازش فولاد را آسان‌تر می‌کند.فرآیند بازپخت به آرامی فولاد را تا دمای مورد نظر گرم می کند و آن را برای مدتی نگه می دارد.زمان و دمای مورد نیاز به آلیاژ خاص بستگی دارد و با افزایش محتوای کربن کاهش می یابد.در نهایت، فلز به آرامی در کوره خنک می شود یا توسط مواد عایق احاطه می شود.
نرمال کردن عملیات حرارتی می تواند تنش داخلی فولاد را از بین ببرد و در عین حال استحکام و سختی بالاتری نسبت به فولاد آنیل شده حفظ کند.در طول نرمال سازی، فولاد تا دمای بالا گرم می شود و سپس با هوا خنک می شود تا سختی بالاتری به دست آید.
فولاد کوئنچ شده یکی دیگر از فرآیندهای عملیات حرارتی است.درست حدس زدید، فولاد را سخت می کند.همچنین استحکام را افزایش می دهد، اما باعث شکننده تر شدن مواد نیز می شود.فرآیند سخت شدن شامل گرم کردن آهسته فولاد، خیساندن آن در دمای بالا و سپس سرد شدن سریع فولاد در محلول آب، روغن یا آب نمک است.
در نهایت، فرآیند عملیات حرارتی معتدل برای کاهش شکنندگی فولاد خاموش شده اتخاذ می‌شود.فولاد سکوریت شده تقریباً مشابه نرمال سازی است: به آرامی آن را تا دمای انتخاب شده گرم کنید و سپس فولاد را با هوا خنک کنید.تفاوت در این است که دمای تلطیف کمتر از سایر فرآیندها است که باعث کاهش شکنندگی و سختی فولاد سکوریت می شود.
سخت شدن بارش
سخت شدن بارش باعث بهبود استحکام تسلیم فولاد می شود.برخی از گریدهای فولاد ضد زنگ ممکن است دارای مقادیر pH در نام خود باشند، به این معنی که آنها دارای ویژگی های سخت شدن بارش هستند.تفاوت اصلی بین فولادهای سخت کننده بارشی این است که حاوی عناصر اضافی هستند: مس، آلومینیوم، فسفر یا تیتانیوم.آلیاژهای مختلف زیادی وجود دارد.به منظور فعال سازی خاصیت سخت شدن بارش، فولاد به شکل نهایی در می آید و سپس تحت عملیات سخت شدن سن قرار می گیرد.فرآیند سخت شدن با پیری مواد را برای مدت طولانی گرم می کند تا عناصر اضافه شده رسوب کند و ذرات جامد با اندازه های مختلف تشکیل شود و در نتیجه استحکام مواد بهبود یابد.
17-4PH (همچنین به عنوان فولاد 630 نیز شناخته می شود) یک نمونه رایج از درجه های سخت شدن بارش فولاد ضد زنگ است.این آلیاژ حاوی 17٪ کروم و 4٪ نیکل و 4٪ مس است که به سخت شدن بارش کمک می کند.به دلیل افزایش سختی، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی بالا، 17-4PH برای سکوهای HELIDECK، پره های توربین و درام های زباله هسته ای استفاده می شود.
کار سرد
خواص فولاد نیز بدون اعمال حرارت زیاد قابل تغییر است.به عنوان مثال، فولاد سرد کار شده توسط فرآیند سخت کاری قوی تر می شود.سخت شدن کار زمانی اتفاق می افتد که فلز از نظر پلاستیک تغییر شکل داده باشد.این را می توان با چکش زدن، غلتاندن یا کشیدن فلز به دست آورد.در حین ماشینکاری، اگر ابزار یا قطعه کار بیش از حد گرم شود، ممکن است به طور تصادفی سخت شدن کار نیز رخ دهد.کار سرد همچنین می تواند ماشینکاری فولاد را بهبود بخشد.فولاد کم کربن برای کار سرد بسیار مناسب است.
اقدامات احتیاطی برای طراحی سازه های فولادی
هنگام طراحی قطعات فولادی، مهم است که ویژگی های منحصر به فرد مواد را به خاطر بسپارید.مناسب ساختن آن با ویژگی های برنامه شما ممکن است نیاز به بررسی بیشتر در مورد طراحی تولید (DFM) داشته باشد.
به دلیل سختی مواد، پردازش فولاد نسبت به سایر مواد نرم تر مانند آلومینیوم یا برنج زمان بیشتری طول می کشد.برای بهینه سازی کیفیت ماشینکاری و به حداقل رساندن سایش ابزار باید از تنظیمات صحیح ماشین استفاده کنید.در واقع، این به معنای سرعت پایین‌تر اسپیندل و سرعت تغذیه برای محافظت از قطعات و قالب‌های شماست.
حتی اگر خود پردازش را انجام ندهید، باز هم باید نوع فولاد مناسب برای پروژه خود را ارزیابی کنید، نه تنها سختی و استحکام، بلکه تفاوت در ماشین کاری را نیز ارزیابی کنید.به عنوان مثال، زمان پردازش فولاد ضد زنگ حدود دو برابر فولاد کربنی است.هنگام تصمیم گیری در مورد گریدهای مختلف، باید در نظر داشته باشید که کدام خواص بالاترین اولویت را دارند و کدام آلیاژهای فولادی به راحتی بدست می آیند.گریدهای معمولی مانند فولاد ضد زنگ 304 یا 316، طیف وسیع تری از اندازه های موجودی را برای انتخاب دارند و به زمان کمتری برای یافتن و خرید نیاز دارند.