همه نوشته ها
کاربرد فولاد 1.2080 (Spk) در ساخت ابزار سایشپذیر بالا
معرفی فولاد 1.2080 (فولاد SPK)
فولاد 1.2080 که در بازار با نام تجاری فولاد SPK نیز شناخته میشود، یکی از معروفترین فولاد ابزار سردکار است که به دلیل ویژگیهای خاص خود در ساخت ابزارهایی با مقاومت سایش بسیار بالا کاربرد فراوان دارد. این فولاد در استاندارد DIN آلمان با نام X210Cr12 معرفی شده است و در دسته فولادهای پرکربن-پرکروم قرار میگیرد. حضور درصد بالایی از کروم در ترکیب شیمیایی این فولاد باعث شده تا ساختار میکروسکوپی خاصی شکل بگیرد که مقاومت بسیار خوبی در برابر سایش و خوردگی ایجاد میکند.
فولاد SPK به طور گسترده در صنایعی مانند ساخت قالبهای برشی، پانچها، تیغههای صنعتی، غلطکها و قطعاتی که نیاز به حفظ دقت ابعادی در شرایط کار شدید دارند، استفاده میشود. این فولاد پس از انجام عملیات حرارتی مناسب، میتواند به سختی بسیار بالایی دست پیدا کند و مقاومت خود را در برابر تغییر شکل، ترکخوردگی و سایش حفظ کند. در نتیجه، انتخاب اول بسیاری از مهندسان برای کاربردهایی است که قطعه تحت فشارهای مکانیکی شدید و ساییدگی مداوم قرار میگیرد.
ترکیب شیمیایی فولاد 1.2080
ترکیب شیمیایی فولاد 1.2080 به نحوی طراحی شده که ویژگیهای سایشپذیری و سختی فوقالعاده را تضمین کند. ترکیبات اصلی عبارتند از:
کربن (C): حدود 2.0% – 2.35%
نقش کلیدی در افزایش سختی و مقاومت به سایش فولاد دارد.
کروم (Cr): حدود 11% – 13%
مسئول اصلی بهبود مقاومت به خوردگی و سایش و ایجاد ساختار مارتنزیتی-کاربیدی است.
منگنز (Mn): حدود 0.20% – 0.60%
به بهبود سختیپذیری فولاد کمک میکند و دانهبندی ساختار را اصلاح میکند.
سیلیسیم (Si): حدود 0.10% – 1.0%
نقش مهمی در افزایش مقاومت به اکسیداسیون و بهبود خواص مکانیکی ایفا میکند.
فسفر (P) و گوگرد (S): در مقادیر بسیار پایین
حضور این عناصر در حداقل مقدار کنترل میشود تا کیفیت فولاد و مقاومت آن در برابر شکست و شکنندگی افزایش یابد.
ترکیب ویژه این عناصر سبب میشود که فولاد SPK پس از انجام عملیات حرارتی، ساختاری پر از کاربیدهای سخت داشته باشد که باعث افزایش مقاومت به سایش میشود.
برای مشاهده مقاله مرتبط: کاربرد فولاد 1.2080 (فولاد Spk) در ساخت ابزار قالبسازی کلیک کنید >>
خواص مکانیکی و فیزیکی فولاد SPK
فولاد SPK پس از عملیات حرارتی مناسب، به سختی فوقالعادهای در بازه 58 تا 64 راکول C (HRC) دست پیدا میکند. این سختی بالا به دلیل تشکیل کاربیدهای سخت کرومی است که در ساختار میکروسکوپی فولاد شکل میگیرند.
از نظر خواص مکانیکی، فولاد 1.2080 دارای مقاومت فشاری بالا، مقاومت در برابر ترکخوردگی ناشی از تنشهای داخلی، و چقرمگی نسبی مناسب است (البته در مقایسه با فولادهای کم کربن چقرمگی پایینتری دارد).
در مورد خواص فیزیکی، ضریب انبساط حرارتی پایین این فولاد باعث میشود که در عملیات حرارتی و یا در کاربردهای صنعتی با تغییر دمای زیاد، تغییر ابعاد کمتری داشته باشد. این پایداری ابعادی در کنار سختی زیاد، دلایل اصلی محبوبیت SPK در صنایع ابزارسازی و قالبسازی است.
ویژگیهای بارز فولاد SPK در ابزارسازی
مقاومت به سایش بسیار بالا
یکی از بارزترین ویژگیهای فولاد SPK، مقاومت بسیار بالای آن در برابر سایش است. این ویژگی ناشی از درصد بالای کروم و حضور گسترده کاربیدهای سخت کرومی در ساختار فولاد است. این کاربیدها به صورت ذرات سخت در زمینه فولاد عمل کرده و از تخریب سطحی در برابر تماسهای مکرر و اصطکاکهای شدید جلوگیری میکنند.
در عملیاتهایی نظیر برش فلزات سخت، پانچ کاریهای پرفشار، یا تولید قطعات فرمدهی سرد، ابزارهای ساخته شده از فولاد SPK حتی در برابر سایش مداوم مدت طولانی دوام میآورند بدون اینکه نیاز به تعویض یا تعمیر مکرر داشته باشند. همین عامل در کاهش هزینههای نگهداری و افزایش بازده تولید بسیار مؤثر است.
سختی پذیری و عملیات حرارتی مناسب
فولاد SPK قابلیت سختکاری بسیار خوبی دارد و پس از عملیات حرارتی (آستنیته شدن در دمای 980 تا 1050 درجه سانتیگراد و سپس کوئنچ در روغن یا هوا) به سختی بالایی میرسد. پس از کوئنچ، فولاد معمولاً به سختی بالای 60 HRC میرسد و با انجام تمپرینگ مناسب میتوان تعادل خوبی بین سختی و چقرمگی ایجاد کرد.
یکی از مزایای دیگر این فولاد، قابلیت انجام عملیات حرارتی دقیق و قابل پیشبینی است. با کنترل دمای آستنیته و نرخ سرد شدن، میتوان خواص نهایی فولاد را بسته به نوع کاربرد ابزار تنظیم کرد؛ به طور مثال برای قالبهای برشی نیاز به سختی بالاتر و برای پانچهای فرمدهی نیاز به تعادل بیشتری بین سختی و چقرمگی وجود دارد.
عملیات حرارتی صحیح باعث میشود فولاد SPK ساختاری مارتنزیتی به همراه پراکندگی یکنواخت کاربیدها داشته باشد که کلید عملکرد بلندمدت ابزار است.
برای مشاهده مقاله مرتبط: کاربرد فولاد 1.2080 (فولاد Spk) در ساخت ابزار اندازه گیری و کنترلی کلیک کنید >>
پایداری ابعادی در شرایط سخت کاری
یکی دیگر از مزایای قابل توجه فولاد SPK، پایداری ابعادی بسیار خوب در برابر حرارت و فشارهای مکانیکی شدید است. به عبارت دیگر، ابزار ساخته شده از این فولاد حتی پس از مواجهه با تغییرات دمایی یا نیروهای زیاد، تغییر شکلهای ناخواسته بسیار کمی نشان میدهد.
این ویژگی بسیار مهم است زیرا در بسیاری از کاربردهای صنعتی، حتی تغییرات ابعادی کوچک میتواند منجر به کاهش دقت، خرابی قطعه یا توقف خط تولید شود. پایداری ابعادی فولاد 1.2080 به دلیل ترکیب خاص آلیاژی و رفتار میکروسکوپی پایدار آن پس از عملیات حرارتی است.
در قالبهای برشی، قالبهای سنبه ماتریس و ابزارهای پانچ، این ثبات ابعادی کمک میکند که طول عمر قالب افزایش یابد و کیفیت تولید در سطح بالایی حفظ شود.
کاربردهای اصلی فولاد 1.2080 در ساخت ابزار
ساخت قالبهای برش و پانچ
فولاد 1.2080 (SPK) به دلیل سختی بالا، مقاومت فوقالعاده در برابر سایش و پایداری ابعادی عالی، انتخاب بسیار مناسبی برای ساخت قالبهای برش و پانچ است. این قالبها معمولاً در صنایع تولید قطعات فلزی، خودرو، لوازم خانگی و تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.
ویژگی مهم در این کاربردها آن است که تیغههای قالب باید در برابر فشار بسیار زیاد، ضربههای مکرر و سایش سطحی مقاومت داشته باشند. فولاد SPK با فراهم کردن این قابلیتها، عمر قالبها را افزایش داده و دقت عملیات برش را حفظ میکند.
همچنین به دلیل ترکیب آلیاژی خاص، این فولاد در حین عملیات کاری طولانی مدت دچار تغییر شکل نمیشود و هندسه قالب ثابت میماند که این موضوع اهمیت بسیار بالایی در تولیدات انبوه دارد.
ابزارهای شکلدهی سرد
ابزارهای شکلدهی سرد مانند ماتریسها، سنبهها و غلطکها به فولادی نیاز دارند که بتواند در برابر تنشهای بالا و ساییدگی مداوم مقاومت کند. فولاد 1.2080 به خاطر داشتن ساختار کاربیدی متراکم، به راحتی این نیاز را برآورده میکند.
در فرآیند شکلدهی سرد، قطعات بدون اعمال حرارت یا با دمای کم شکل داده میشوند که این امر فشار زیادی بر روی ابزارها وارد میکند. استفاده از SPK باعث میشود ابزارها بتوانند چرخههای تولید طولانیتری را بدون نیاز به تعویض طی کنند و هزینههای تولید کاهش یابد.
همچنین پایداری ابعادی این فولاد در فرایندهای شکلدهی به حفظ کیفیت قطعات تولیدی کمک میکند و احتمال بروز خطاهای هندسی را به حداقل میرساند.
تیغههای صنعتی و چاقوهای برش
تیغههای صنعتی و چاقوهای برش که برای بریدن مواد سخت مثل ورقهای فلزی، پلاستیکهای سخت، فیبرهای فشرده و حتی چرم استفاده میشوند، نیازمند لبهای مقاوم به سایش و دارای سختی بالا هستند.
فولاد SPK به دلیل سختی عالی و حفظ لبه در برابر سایش، انتخابی ایدهآل برای این ابزارها است. چاقوهای برشی ساخته شده از این فولاد میتوانند مدت زیادی بدون کند شدن کار کنند و کیفیت برش بالایی ارائه دهند.
همچنین، مقاومت به خوردگی نسبی که به خاطر وجود کروم در ساختار این فولاد ایجاد شده، طول عمر ابزارها را در محیطهای نسبتاً خورنده بیشتر میکند.
ابزارهای مخصوص محیطهای با سایش زیاد
در صنایعی مثل معدن، سیمان، صنایع غذایی و چاپ، ابزارها در محیطهایی کار میکنند که دائماً در معرض سایش هستند.
فولاد SPK به دلیل مقاومت عالی در برابر سایش، یکی از بهترین انتخابها برای ابزارهای این صنایع است. ابزارهایی مانند غلطکهای صنعتی، تیغههای آسیاب و قطعات مکانیکی تحت سایش شدید، معمولاً از این فولاد ساخته میشوند.
استفاده از فولاد 1.2080 در این محیطها باعث کاهش زمان توقف ماشینآلات به دلیل تعمیر یا تعویض ابزار و در نتیجه افزایش بهرهوری خطوط تولید میشود.
مقایسه فولاد SPK با سایر فولادهای ابزارسازی
تفاوت فولاد 1.2080 با فولاد 1.2379 (D2)
فولاد 1.2379 که با نام D2 نیز شناخته میشود، از لحاظ ترکیب شیمیایی و عملکرد بسیار به فولاد SPK (1.2080) شباهت دارد اما تفاوتهایی کلیدی بین این دو وجود دارد:
ترکیب شیمیایی:
فولاد D2 دارای مقدار کمی وانادیم است (حدود 1%) که در فولاد SPK وجود ندارد. حضور وانادیم باعث ایجاد کاربیدهای اضافی در ساختار D2 میشود که مقاومت به سایش و سختی آن را اندکی افزایش میدهد.
چقرمگی:
فولاد D2 نسبت به SPK چقرمگی بالاتری دارد. به همین دلیل در کاربردهایی که ابزارها علاوه بر سایش، در معرض ضربه نیز هستند، D2 انتخاب بهتری است.
قابلیت پرداختکاری:
سطح فولاد D2 پس از ماشینکاری و پولیش، کیفیت بهتری نسبت به فولاد SPK دارد و میتوان به سطحی صافتر دست یافت.
کاربرد:
اگرچه هر دو فولاد برای قالبهای برش و پانچ ایدهآل هستند، اما در صورت نیاز به چقرمگی بیشتر و مقاومت بهتر در برابر ترک، D2 ترجیح داده میشود.
در مجموع، فولاد SPK انتخاب اقتصادیتر برای کاربردهای صرفاً مبتنی بر سایش است در حالی که فولاد D2 در مصارف ترکیبی (سایش + ضربه) بهتر عمل میکند.
مقایسه فولاد SPK با فولادهای تندبر (HSS)
فولادهای تندبر (High Speed Steel یا HSS) نظیر M2 و M42 گروه دیگری از فولادهای ابزارسازی هستند که با فولاد SPK تفاوتهای قابل توجهی دارند:
سرعت ماشینکاری:
فولادهای HSS برای برش در سرعتهای بسیار بالا طراحی شدهاند، در حالی که فولاد SPK بیشتر برای کاربردهای سرعت پایین و مقاوم به سایش مناسب است.
مقاومت به دما:
HSS مقاومت حرارتی بسیار بالاتری نسبت به فولاد SPK دارد (تا حدود 600 درجه سانتیگراد). این ویژگی باعث میشود که HSS برای ابزارهایی که در ماشینکاریهای پرحرارت کار میکنند، مناسبتر باشد.
چقرمگی:
فولادهای HSS معمولاً چقرمگی بیشتری نسبت به SPK دارند و میتوانند بارهای دینامیکی و شوکهای بیشتری را تحمل کنند.
سختی:
هر دو گروه دارای سختی بالایی هستند ولی نوع سختی متفاوت است؛ در SPK تمرکز بر مقاومت به سایش در دمای محیط است، در حالی که در HSS سختی در دماهای بالا نیز حفظ میشود.
کاربرد:
فولاد SPK در قالبهای برش سرد، تیغههای برشی و ابزارهای سایش بالا کاربرد دارد، در حالی که HSS بیشتر در ابزارهای برشکاری فلزات، متهها، تیغهای تراشکاری و تیغههای فرز استفاده میشود.
بنابراین انتخاب بین SPK و HSS بستگی به نوع کاربرد دارد؛ اگر هدف اصلی مقاومت به سایش در محیط سرد و طول عمر بالا باشد، SPK گزینه بهتری است ولی اگر ماشینکاری در سرعتهای زیاد یا دمای بالا انجام میشود، HSS ارجحیت دارد.
نکات مهم در فرآیند ماشینکاری و عملیات حرارتی فولاد 1.2080
روشهای بهینه ماشینکاری فولاد SPK
ماشینکاری فولاد 1.2080 (SPK) به دلیل سختی بالا و وجود کاربیدهای کرومی سخت در ساختار آن، چالشیتر از ماشینکاری فولادهای کمآلیاژ یا کمکربن است. برای دستیابی به کیفیت سطح مناسب و افزایش طول عمر ابزارهای ماشینکاری، رعایت نکات زیر اهمیت بالایی دارد:
شرایط ماشینکاری قبل از عملیات حرارتی:
فولاد SPK معمولاً قبل از سختکاری ماشینکاری میشود، زمانی که هنوز در حالت نرم (آنیل شده) و با سختی حدود 200 HB قرار دارد. در این حالت، قابلیت ماشینکاری بسیار بهتر است و ابزارها کمتر دچار فرسودگی میشوند.
انتخاب ابزار مناسب:
برای ماشینکاری این فولاد، باید از ابزارهای با کیفیت بالا استفاده شود، نظیر:
ابزارهای کاربیدی (CARBIDE)
ابزارهای پوششدار (TiN یا TiAlN Coated Tools)
استفاده از این ابزارها باعث کاهش اصطکاک و افزایش طول عمر تیغهها میشود.
سرعت برش و نرخ پیشروی:
سرعت برش باید نسبتاً پایین انتخاب شود (مثلاً در حدود 20 تا 30 متر در دقیقه)، در حالی که نرخ پیشروی متوسط باشد. سرعت بالای برش باعث افزایش حرارت و تسریع فرسایش ابزار میشود.
استفاده از روانکار و خنککننده:
استفاده مداوم از روانکار و خنککننده هنگام تراشکاری یا فرزکاری الزامی است. این کار دمای ناحیه برش را پایین نگه داشته و از اکسیداسیون یا ترکهای حرارتی جلوگیری میکند.
آمادهسازی سطح قبل از سختکاری:
پیش از عملیات حرارتی، معمولاً لازم است قطعه ماشینکاری شده به صورت اضافی تراش داده شود تا از اثرات تغییر ابعاد بعد از سختکاری جلوگیری گردد. توصیه میشود حدود 0.2 تا 0.4 میلیمتر ماده اضافه در هر طرف قطعه باقی بماند.
دستورالعملهای پیشنهادی برای سختکاری و تمپرینگ
عملیات حرارتی صحیح بر روی فولاد 1.2080 تاثیر مستقیم در دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب از جمله سختی بالا، مقاومت به سایش و پایداری ابعادی دارد. مراحل اصلی عملیات حرارتی این فولاد به شرح زیر است:
آنیلینگ (نرمکاری اولیه):
اگر فولاد در حالت سخت باشد و نیاز به ماشینکاری داشته باشیم، ابتدا باید آن را آنیل کرد:
دمای حرارتدهی: 850 تا 880 درجه سانتیگراد
مدت زمان نگهداری: حداقل 2 ساعت
سپس خنککاری بسیار آهسته در کوره یا محیط کنترل شده (حدود 10 الی 20 درجه سانتیگراد در ساعت)
پیشگرمایش (قبل از سختکاری):
به منظور کاهش تنشهای حرارتی و جلوگیری از ترک، پیشگرمایش در دو مرحله انجام میشود:
مرحله اول: حدود 450–500 درجه سانتیگراد
مرحله دوم: حدود 800–850 درجه سانتیگراد
آستنیته کردن (سختکاری):
برای دستیابی به حداکثر سختی و مقاومت به سایش:
دمای آستنیته: 1000 تا 1050 درجه سانتیگراد
زمان نگهداری: حدود 20 تا 30 دقیقه (بسته به ضخامت قطعه)
محیط خنککاری: کوئنچ در هوا، روغن گرم یا کوره با فشار گاز کنترل شده (برای قطعات حساستر).
تمپرینگ (بازپخت):
پس از کوئنچ، قطعه باید به سرعت تمپر شود تا تنشهای داخلی کاهش یافته و چقرمگی بهبود یابد:
دمای تمپرینگ: 150 تا 250 درجه سانتیگراد برای حداکثر سختی (در صورت نیاز به مقاومت بهتر به ضربه، میتوان تمپرینگ در دمای بالاتر انجام داد تا سختی کمی کاهش یابد ولی چقرمگی بهتر شود.)
معمولاً دو مرتبه تمپرینگ توصیه میشود، هر بار به مدت 2 ساعت، برای تثبیت ساختار.
سختی نهایی:
سختی نهایی فولاد SPK پس از عملیات حرارتی مناسب، معمولاً در محدوده 58–64 HRC قرار میگیرد.
توصیه کاربردی:
اگر نیاز به بالاترین مقاومت سایش باشد، دمای تمپرینگ پایینتر انتخاب میشود؛ اما اگر اولویت با افزایش چقرمگی و جلوگیری از شکست ترد باشد، باید تمپرینگ در دماهای بالاتری انجام شود (مثلاً حدود 300–400 درجه سانتیگراد).
