مجله علمی آموزشی magsci
نوشته های مرتبط
فولاد وفولادهای قالب
ارسالی از : زینب عابدینی
مقدمه و تاریخچه:
اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰٫۰۰۲ درصد تا ۲٫۱ درصد وزن خود کربن دارند بکار می‌رود. فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.
فولاد پر مصرف ترین فلز صنعتی است و مصرفش پیوسته افزایش می‌یابد. امروزه تولید فولاد جهان نزدیک به هزار و سیصد میلیون تن در سال است. گفته میشود فولاد سازی از هندوستان به ایران آمده است، زیرا در دوران باستان، فولاد هندی بنام بوده است. فولاد چند جوشی است. برای ساختن فولاد، کربن آهن خامِ سفید را می‌سوزانند، تا از۵/۳ تا ۶٪ به ۲/۰ تا ۵/۱٪ وزنش کاهش یابد، عنصرهای دیگر را در آن اندازه می‌کنند تا فولاد خواسته شده ساخته شود
اکنون به بررسی این مطلب که تحت عنوان فولادها(فولادهای قالب) میپردازیم که پیرامون درس علم مواد است
فولاد سازی
فولاد کربور آهن است که با عنصرهای دیگر هم جوش شده باشد. با سوزاندن کربن آهن خام سفید و همجوش کردن آن با کمی کربن و اندازه کردن عنصرهای دیگر در آن، به دو روش خمیری کردن و آب کردن فولاد را می‌سازند. روش خمیری: در آغاز صنعت فولاد سازی، فولاد را به این روش می‌ساختند، که کهنه شده است و دیگر به کار نمی‌رود : آهن خام را در تشت کوره ی شعله‌ای می گذاشتندو روی آن شعله می‌دمیدند تا آب شود. آهن خام آب شده را به هم می‌زدند تا کربن آن بسوزد. کم‌کم که کربن آهن خام می سوخت، درجه آب شدنش بالا می‌رفت و خمیری می‌شد. خمیر فولاد را تکه‌تکه با گاز انبر از کوره بیرون می‌آوردند و آنها را با پتک در هم می‌کوبیدند که سر باره شان بریزد و یکپارچه شوند. فولاد یکپارچه شده را نورد می‌زدند تا به شکل شمش در آید. چند شمش را دسته کرده در کوره گرما می‌دادند تا سرخ شود و با یک پتک سنگین آنها را در هم می‌کوبیدند تا یک تکه گردند و به آن شکل می‌دادند. سر بارهای که در کوره می‌ماند و آنچه هنگام کوبیدن خمیر فولاد از آن می‌ریخت چون آهن داشت از نو همراه مواد خام به کوره آهن گدازی می‌ریختند. روش آب کردن: امروزه همهٔ فولاد جهان به روش آب کردن ساخته میشود. آهن خام آبکی ای که از کورهٔ آهن گدتزی به بیرون روان می‌گردد، نخست به تغارهای فولادی می‌ریزد، از آنجا آن را در تانک مخلوط کن گهواره ای میری زند. برای آن که گرمای آهن خام به بدنهٔ تغار و تانک فولادی نرسد، درون آنها را با آجر نسوز آستر می‌کنند .
خواص فولاد
استحکام فولاد پارامتر کلی کیفیت است که برای سنجش آن باید معیارهای گوناگون مکانیکی خواص وجود داشته باشد. این معیارها در ادامه، ارائه شدهاست.
خصوصیات مکانیکی فولادها
– تنش تسلیم (Yield Stress) : میزان تنش کششی که در آن قططه شروع به تغییر شکل پلاستیک میکند.
– چکشخواری(Ductility Brittleness): قابلیت شکلپذیری ماده درحالت پلاستیک را بدون خطر شکست، چکشخواری میگویند.
– خزش (creep): مدت زمانی که طول میکشد که قطعهای، تحت تنش کششی تغییر شکل دائم، داشتهباشد.
-چقرمگی(Toughness): مقدار کار لازم برای شکستن واحد حجم ماده است.
– سختی(Hardness): مقاومت در مقابل فرو رفتن مواد دیگر در سطح قطعه را سختی یا مقاومت در مقابل خراش میگویند.
– استحکام در دمای بالا: خواص مکانیکی قطعه نباید با افزایش دما تغییر محسوسی کند.
خصوصیاتی از فولاد که در قالبهای پلاستیک در نظر گرفتهمیشود و با توجه به انتظارات ما از هر کدام از آنها، نوع فولاد انتخاب میشود.
- قابلیت ماشینکاری
- قابلیت پولیشکاری
- عملیات حرارتی
- عملیات به‌سازی سطح
- مقاوم در برابر سایش
- مقاوم در مقابل خوردگی
- مقاوم در مقابل تنشهای فشاری
- قابلیت جوشکاری
- چقرمگی
کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده میشود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده میشود. فولاد، انواع فراوانی دارد. که همه آن موارد در جدول کلید فولاد قابل دسترس می‌باشد.
انتخاب نوع فولاد نقش مؤثری در عمر، عملکرد و هزینه قالب دارد و با توجه به رقابتی شدن عرصه تولید، برآن شدیم این مقاله را برای انتخاب صحیح مواد اجزاء قالب تهیه کنیم. در این مقاله به نقش فولاد در قالبسازی، تأثیر عناصر آلیاژی در فولاد، دستهبندی فولادها، فولادهای اجزای قالب و فولادهای مورداستفاده برای محفظه قالبهای پلاستیک (کروکویته) میپردازیم.
نقش فولاد در قالبسازی
نمودار زیر، نشانگر هزینه طراحی، مواد، ماشینکاری، مونتاژ، سود و سربار قالب است و نشان میدهد که حدود ۲۸ درصد هزینه کل قالب مربوط به مواد است و این مقدار با توجه به شکل هندسی و پیچیدگی قطعه، تغییر خواهد کرد.
چنانچه در شکل ملاحظه میشود بیشتر هزینههای تولید، توسط قالب بهصورت غیرمستقیم وابسته به فولاد است که با عدم انتخاب فولاد مناسب، باعث تحمیل هزینههای اضافی به قالب شود.
خصوصیات قطعه که برای ساخت قالب و انتخاب فولاد مربوطه مؤثر است عبارتند از:
- صافی سطح
- گرینکاری
- خورنده بودن یا سایندهبودن جنس قطعه
- دقت ابعادی
- تیراژ تولیدی
- زمان ساخت
جنس قطعات پلاستیکی متنوع است و با توجه به خواص مختلف مواد و به فولادهای متفاوت برای ساخت قالب، نیاز است. در زیر برخی ازانواع پلاستیکهاو خصوصیات فولادهای مناسب برای آنها ارائه شدهاست.
PC(Poly Carbonate),PMMA(Polymethyl Methacrylate Acrylic) – : معمولاً برای لنزهای چراغ استفاده میشوند و فولاد مورداستفاده میبایست خاصیت پولیشپذیری خوب و مقاوم در مقابل خش و اکسید شدن را دارا باشد باتوجه به‌اینکه PC خاصیت جریانپذیری خوبی ندارد و ماده سختی است، فولاد مورداستفاده برای پلیمر فوق باید تنش تسلیم بالا و چقرمگی خوبی داشتهباشد.
– POM (Polyoxymethylene), PA(Nylon): دمای تزریق این مواد نسبتاً بالا است و برای بستها و کلیپها، استفاده میشود. با توجه به حساسیتهای ابعادی این نوع قطعات، فولاد این قالبها میبایست سخت و مقاوم در مقابل سایش باشد.
– PA(Naylon)+GF: با توجه به سایندگی الیاف شیشه، فولاد باید مقاوم به سایش باشد.
–PP(Polypropylene): این نوع پلیمر، برای قطعات سپر و گل پخش‌کن استفاده میشود. با توجه به حجم قطعه باید فولاد مربوطه، دارای ثبات ابعادی مناسب، مقاوم در مقابل تنشهای فشاری و دارای قابلیت ماشینکاری خوبی بوده و خواص مکانیکی آن یکنواخت باشد.
– PP(Polypropylene), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene): برای قطعات تزیینی خودرو استفاده میشود که معمولاً سطح اینگونه قطعات چرمیکاری (گرین) هستند و فولاد قالب میبایست خاصیت خوبی برای عملیات چرمیکاری (اسیدکاری یا گرین) داشتهباشد.
– PVC (Polyvinyl Chloride): این پلیمر به علت آزادسازی گاز کلر و ترکیب آن با آب موجود در هوا،اسیدکلریک تولید میکند و باعث خوردگی قالب میشود. بنابراین استفاده از فولادهای مقاوم در مقابل خورندگی برای قالبهای فوق پیشنهاد میشود.
با عدم انتخاب فولاد صحیح، عمر قالب کوتاه میشود و قطعه تولیدی کیفیت مطلوب را نخواهدداشت که منجر به ساخت مجدد قالب و هزینههای اضافی میشود.
فولادهای قالبهای پلاستیک
فولادهای قالبهای پلاستیک با توجه به چقرمگی آنها (نوع عملیات حرارتی) در گروههای زیر به بازار عرضه میشوند:
پیشسختشده (Pre Hardened)
آنیل(Annealed)
پیر سخت شونده(Age Hardening)
فولادهای پیشسخت شده (Pre Hardened):
این فولادها بهصورت سختکاری شده و باز پختشده به بازار ارائه میشوند و مستقیماً میتوان نقش قالب را روی آنها اجرا و بهرهبرداری کرد.
مزایای این فولادها
– کوتاه شدن فرایندهای ساخت: این فولاد، در فرایند بهرهبرداری، قبلاً سختکاری شده و نیازی به عملیات حرارتی و فرایند ماشینکاری بعد از آن را ندارد.
– عدم ایجاد ترکهای ریز در اثر عملیات حرارتی: معمولاًٌ فولادها بعد از عملیات حرارتی در اثر شوکهای حرارتی تابیده و در سطح آنها ترکهای ریزی به‌وجود میآید. نظر به اینکه اینگونه فولادها پیش از عرضه به بازار توسط تولیدکننده فولاد سختکاری شدهاند و بعد از فرایندهای ماشینکاری نیازی به‌عملیات حرارتی ندارند، ترکهای ریز و پسماند تنشهای حرارتی در فولاد، وجود نخواهد داشت و طول عمر آن بالاتر خواهدبود.
معایب این فولادها
– زمان ماشینکاری این فولادها با توجه به سختی آنها بیشتر از فولادهای آنیل شدهاست.
– با توجه به اینکه سختی اینگونه فولادها به‌تدریج از سطح به عمق کم میشود، قالبهایی که توسط اینگونه فولادها تهیه میشوند دارای سختی یکنواخت نیستند.
– برای رزینهایی که بسیار ساینده یا دارای دمای پروسه بسیار بالا هستند، مناسب نیستند.
فولاد قالب تزریق پلاستیک – P20 یا بدون P20
فولاد های ونربل مورد استفاده در قالب تنها انتخاب و تنها روش در قالب های تزریق پلاستیک به حساب نمی‌آید ، اماروشی باثبات و قابل اطمینان برای یک قالبگیری خوب است.
اگر از هر قالب‌ساز در هر جای دنیا پرسیده شود که متداولترین فولاد برای قالب تزریق پلاستیک چیست، وی بدون معطلی پاسخ خواهد داد “p20″.P20 تقریبا با فولاد‌هایی که با ریخته‌گری تزریقی تولید میشوند یکسان می‌باشند.
p20 چیست؟ فولادی محبوب است که از لحاظ ترکیب به فولاد “کروم دار” ۴۱xx که در کاربردهای فضایی استفاده میشود شباهت دارد. با توجه به ۰٫۴ درصد کربنی که در داخل این فولادموجود است، نمی‌بایست انتظار داشت که آلیاژ p20 از نوع فولاد سخت شونده در روغن باشد، پدیده کوئنچ کردن نیز بعد از رسیدن به دمای ۸۳۰ درجه سلسیوس انجام میشود. P20 به علت چکش‌خوار بودن دارای کاربردهای زیادی نیز می‌باشد: در دمای ۷۸۰ درجه به حالت خمیری می‌رسد و به واسطه خنک کاری توسط هوا می‌تواند در دماهای پایین نیز نرم باشد.
به انجام رساندن این پدیده ممکن است، برای مثال، در دمای خیلی پایین مثل ۱۰۰ درجه سلسیوس بخش میانی را تا ۵۱ راکول c نیز سخت کند، مهمتر از این، در دمای حدود ۴۸۰ درجه و با خنک کاری توسط هوا، قبل از انجام ماشین کاری نهایی روی قطعه، سطح تنش در ماده به دلیل ساختار آن کاهش می‌یابد. تمامی شرایط دمایی چه بالا و چه پایین با توجه به منابع اطلاعاتی زیادی که موجود است، کاملا معین و قابل کنترل بوده و می‌تواند اجازه سنگ‌زنی با سرعت بالا را داشته باشد همچنین توانایی آزادسازی تنش را قبل از اتمام برش‌های نهایی از خود نشان میدهد.
زمانی که مقدار سختی ثبت شده برای فولاد پایه ۵۰ HRC می‌باشد، p20 می‌تواند مقداری بیش از ۵۰ HRC سخت شود، حتی اگر مقدار سختی بیشتر و مقاومت شیمیایی بالاتر از این آلیاژ انتظار رود میتوان با نیتریده کردن آن سختی را تا ۶۰ HRC افزایش داد. میتوان سختکاری عمقی نزدیک به نیم میلیمتر در قطعه ایجاد کرد.استفاده از روکش کروم را نیز میتوان به عنوان روشی دیگر دانست، البته به منظور جلوگیری از ترد شدن به واسطه هیدروژن دمای متوسط مشخصی پیشنهاد شده است.
استفاده از p20 در عملیات حرارتی دو مزیت عمده را دارا می‌باشد، اول اینکه افرادی که عملیات حرارتی را انجام می‌دهند با ساختار ماده کاملا آشنا می‌باشند و راه‌های زیادی برای رسیدن به یک فرم خاص پیشنهاد شده است. دومین دلیل نیز این می‌باشد که به راحتی میتوان p20 را قبل از انجام سختی سازی ماده و یا در حین عملیات حرارتی ماشین کاری کرد، در نتیجه ماده برای انجام ماشین کاری نهایی در صورت نیاز نیز آماده خواهد بود.
استفاده از مواد سختکاری شده، اگرچه، فشار و زحمت بیشتری را برای قالب‌ساز به همراه داردولی وجود حفره‌های عمیق نیاز به بخش‌های ساختاری ضخیمی دارد، اگر عملیات حرارتی به خوبی انجام نشود، پدیده ایجاد شده را تاثیر به سزایی در کور و کویتی core and cavity قالب خواهد داشت. اگر در مرحله ماشینکاری لایه بیرونی کاملا برداشته شود، تنش باقیمانده باعث تغییر شکل بلوک خواهد شد، که در اینجا نیاز به انجام یک یا دو مرحله کاهش تنش باقیمانده در ماده خواهیم داشت. در حین انجام سختکاری فولاد کلاس p20 از تامین کننده ابزارهای خود و یا کسی که خدمات عملیات حرارتی انجام میدهد توصیه‌های لازم را دریافت کنید.
همانند اکثر کاربردهای ابزارهای فولادی، انتخاب مواد بر اساس مقایسه و معاوضه خواسته‌های مختلف انجام میشود. برای مثال آلیاژهای از فولاد که دارای سولفور می‌باشند، خاصیت ماشینکاری خوبی از خود نشان می‌دهند، اما به سختی میتوان سطح آنها را صیقل داد. در آلیاژهای تقویت شده p20 به منظور به دست آوردن خاصیت قابل قبول صیقل‌دهی دارای مقداری نیکل می‌باشند.
خاصیت صیقل‌دهی خوب از جمله خواص مهم و قابل قبول p20 می‌باشد، اما برای سطوحی که نیاز به پرداخت با تلرانس خیلی کمی دارند، نوعی از آلیاژ اصلاح شده p20 وجود دارد که در کاربردهای خاص مانند قالبهای لنز می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد.در پرداخت سطوح به یک سختی یکنواختی در طی سطح ماده نیاز است تا از بروز مشکلاتی مانند گودی، ناصافی و جلوگیری شود. پرداخت به واسطه اسید زمانی که اسید شروع به از بین بردن دانه‌های فلز در مرز فلز میکند نیز می‌تواند مشکلات مربوط به ترکیبات فلز را ایجاد میکند. در سطح فولاد‌هایی که دارای ترکیبی نامتقارن می‌باشند با قرار گرفتن در معرض اسید و پرداخت به وسیله آن حفره‌هایی ایجاد میشوند.
المانهای مختلف موجود در یک آلیاژ برای تحکیم ساختاری فلز اهمیت زیادی دارند، اما روش و چگونگی قالبگیری نیز دارای اهمیت زیادی می باشد. روش‌های تولید پیشرفته مانند ذوب مجدد در خلاء و متالوژی پودری می‌توانند ساختاری بسیار پیوسته از فولاد را ارائه دهند، اما طبیعی است که هزینه این روش‌ها نیز بیشتر خواهد بود.
| چه کلاسی از قالب؟
استاندارد SPI که طبقه‌بندی قالبها در ۱۰۰ گروه را ارائه میدهد که می‌تواند برای استفاده متقاضیان در زمینه قالبهای تزریق پلاستیک مورد استفاده قرار بگیرد. از دید جنس و مواد سازنده، انتخاب جنس به تعداد بخش‌هایی از قالب بستگی دارد که نیاز داریم ساخته شود. در جدول زیر خلاصه‌ای از جدول مواد آورده شده است. |
||
| فولاد توصیه شده | سیکل | گروه یا کلاس |
| قالب اولیه… هیچ محدودیتی روی مواد وجود ندارد: فولاد نرم/ مواد غیر فلزی | زیر ۵۰۰ | ۱۰۵ |
| پایه، فولاد نرم حوله دار شدن/ استفاده از آلومینیوم برای کاهش خوردگی | زیر ۱۰۰۰۰۰ سیکل | ۱۰۴ |
| پایه، کمترین سختی ۱۶۵BHN، کمترین مقدار سختی تار و پود و ساختار ۲۸۰ BHN | زیر ۵۰۰۰۰۰ سیکل | ۱۰۳ |
| پایه، کمترین سختی۲۸۰BHN، کمترین مقدار سختی تار و پود و ساختار ۴۸Rc. | زیر ۱ میلیون سیکل | ۱۰۲ |
| همانند ۱۰۲، بهترین کیفیت، مقاومت خوردگی، مقدار سختی در مناطق مختلف آن به میزان ۴HRC تغییر میکند. | بالای ۱ میلیون سیکل | ۱۰۱ |
| پیام این جدول مشخص و واضح است: در مواردی که حجم مواد زیاد است، مقاومت ساییدگی زیاد است استفاده از فولادهای گرانبها ضروری است که می‌تواند شامل فولادهای باشد که به منظور به دست آوردن طول عمر زیاد و مقاومت در برابر خوردگی، سخت‌کاریشده و یا پرداخت سطوح روی آنها انجام گرفته است. استاندارد SPI گروه بسیار بزرگی از مواد را شامل می شود | ||
فولادهای ارزان قیمت و قالبهای ارزان قیمت، نمی‌توانند معیار مناسبی برای کنترل قیمت باشند. برای مثال، ماشینکاری را میتوان به عنوان هزینه‌دارترین بخش قالبسازی دانست، سختی ناپیوسته و سطح ناصاف می‌تواند سبب خوردگی ابزارهای ماشینکاری و کاهش سرعت شود.
تعمیر و بازبینی قالبهای پلاستیک را نیز میتوان مورد مطالعه قرار داد. ناحیه حرارتی تحت تاثیر قرار گرفته در تمام ابزارهایی که تحت تعمیر بوده‌اند میبایست بیشتر از فلز پایه و با در نظر گرفتن ساختار سطحی آن باشد. به منظور کاهش عدم تطابق سختی در عملیات جوشکاری، و کاهش ایجاد ترک که معمولا در جوشکاری‌هایی که با عجله و سریع انجام میشوند اتفاق می‌افتد،حرارت دهی قبل و بعد از پروسه جوشکاری مهم تلقی میشود.جوشکاری قالبها از جمله کارهایی است که میبایست توسط متختصصانی که به جوشکاری قالب و ابزارهای فولادی تسلط دارند انجام شود.
چه معیارها و مشخصه‌هایی وجود دارد؟
با توجه به ترکیب‌های شیمیایی مختلفی که در سال‌های اخیر توسط تولیدکنندگان ارائه شده است، توضیح و بررسی p20 تا حدودی مشکل و سخت است. کلاس‌های ارتقاء یافته از این آلیاژ به همراه اضافه کردن مواد خاصی مانند نیکل می‌توانند در کاربردهای خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. اندازه قالب، سختی مورد نیاز، پرداخت سطحی دلخواه، نبود ذرات پلاستیکی خراشنده و یا گازهای خورنده که برای مثال با PVC تولید میشوند، را میتوان به عنوان فاکتورهای برای ارزیابی مسئله دانست.
علاوه بر این، بعضی از فولادها که در کلاس‌هایی غیر از p20 می‌توانند مناسب قالبسازی باشند، اما خواص و مشخصات خاصی را نیز با خود وارد مسئله خواهند کرد که ممکن است مفید نباشد. برای مثال فولاد دارای وانادیوم، می‌تواند در دمای بالا سختی مناسب و خوبی داشته باشد، که در قالبگیری به روش تزریقی به هیچ وجه اهمیت ندارد، همچنین می‌تواند خواص صیقلی و مقاومت خوردگی خوبی را نیز از خود نشان میدهد.
این انتخاب را نمی‌توان به عنوان بهترین دانست، p20 دارای خانواده‌ای از آلیاژها می‌باشد که در میان تولیدکنندههای مختلف و حتی موقعیتهای ژئوگرافی مختلف متفاوت باشد. یک سازنده چینی می‌تواند قالبی از نوعی از p20 را تولید کند که با آنچه که تولیدکنندههای ژاپنی، اروپایی، آمریکایی متفاوت باشد.
صحبت کردن با تولید کننده‌ها و کمپانی‌های که قابل اطمینان هستند می‌تواند به عنوان سیستم ارزیابی و افزایش اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد. در نهایت، p20را می‌تواند به عنوان ماده‌ای مناسب در قالبهای تزریقی مورد استفاده قرار داد، دلیل این موضوع نیز داشتن خواص پایدار و متعادل، دسترسی سریع، قیمت مناسب و شاید مهمتر از همه، ضریب راحتی که از نتایج فروش در یک سال استخراج میشود.
موادی که دارای قالب های بزرگتر می‌باشند خطرات بزرگتری را نیز در هر پروژه به همراه دارند.تولیدکنندههای ابزارها به ندرت از مواد تایید نشده استفاده می‌کنند مگر تحت شرایطی که سود به دست آمده قابل توجه باشد و یا راه دیگری برای پیاده‌سازی این مسئله وجود نداشته باشد.به هر حال مقابله با فولاد P20 مدت زمان زیادی طول خواهد کشید
منابع
- حامی، احمد. مصالح شناسی. انتشارات دانشگاه تهران، ۱۳۸۸٫
- دانشنامهٔ رشد
- The family of steels for plastic moulding- LUCCHINI SIDERMER -MECCANICA- June 2005
- Tool steels for the plastics industry-Edelstahlwerke Buderus AG-2007
- Plastic mould steels-FLETCHER EASYSTEEL-2007
- Steels for plastic moulding-EDELSTAHL WITTEN- KREFELD GMBH-2007
- Plastic mould steels- BOHLER-11.2003
- Plastic mould steels- ESCHMANN STAHL-2007
- Table of plastic steels properties- ASSAB-2008
