فولاد سردکار یکی از مهم ترین گروه های فولاد ابزار است که برای ساخت ابزارها، قالب ها و قطعاتی مورد استفاده قرار می گیرد که در حین کار با دمای نسبتا پایین سروکار دارند. این فولادها به دلیل برخورداری از سختی بالا، مقاومت مناسب در برابر سایش، استحکام فشاری مطلوب و قابلیت حفظ لبه برنده، در بسیاری از صنایع تولیدی و قالب سازی کاربرد گسترده ای دارند.
اگر بخواهیم ساده تر توضیح دهیم، هر زمان عملیات برش، شکل دهی، پانچ یا فرم دهی فلز در شرایطی انجام شود که ابزار در معرض حرارت بسیار بالا قرار نگیرد، می توان از فولادهای سردکار استفاده کرد. قالب های برش، تیغه های صنعتی، سنبه و ماتریس، ابزارهای پانچ و برخی از ابزارهای نورد سرد نمونه هایی از کاربرد این گروه از فولادها هستند.
البته فولاد سردکار تنها یک نوع فولاد مشخص نیست و گریدهای مختلفی از آن تولید می شود. هر گرید از نظر سختی، مقاومت به سایش، چقرمگی، قابلیت ماشین کاری و رفتار در عملیات حرارتی ویژگی های متفاوتی دارد. به همین دلیل انتخاب گرید مناسب باید متناسب با شرایط کاری ابزار انجام شود.
قیمت فولاد سردکار با توجه به گرید، ترکیب شیمیایی، ابعاد، کیفیت تولید و شرایط بازار متفاوت است.
فولاد سردکار یا Cold Work Tool Steel به گروهی از فولادهای ابزار گفته می شود که عمدتا برای ساخت ابزارهایی طراحی شده اند که عملیات خود را در دمای پایین تر از محدوده کاری فولادهای گرمکار انجام می دهند. این فولادها معمولا ترکیبی از سختی، مقاومت به سایش و استحکام بالا را ارائه می دهند.
در عملیات سردکاری، ابزار ممکن است تحت فشارهای زیاد، تماس مداوم با قطعه، اصطکاک، سایش و حتی ضربه قرار بگیرد. در نتیجه فولادی که برای ساخت چنین ابزاری انتخاب می شود باید بتواند در برابر این عوامل مقاومت مناسبی داشته باشد.
از مهم ترین ویژگی های فولاد سردکار می توان به موارد زیر اشاره کرد:
البته تمامی فولادهای سردکار این ویژگی ها را به یک اندازه ندارند. برای مثال فولاد D2 مقاومت به سایش بالایی دارد، در حالی که فولادهایی مانند A2 تعادل بیشتری میان مقاومت به سایش و چقرمگی ارائه می دهند. در منابع فنی Uddeholm نیز افزایش مقاومت سایشی در میان برخی گریدهای متداول به ترتیب O1، A2، D2 و D6 گزارش شده است.
به همین دلیل نمی توان صرفا بر اساس عنوان «فولاد سردکار» درباره عملکرد یک فولاد تصمیم گرفت و باید گرید، ترکیب شیمیایی، سختی مورد نیاز و نوع کاربرد نیز بررسی شود.
فولادهای سردکار را می توان بر اساس روش سخت کاری و ترکیب آلیاژی در گروه های مختلفی دسته بندی کرد. در استاندارد AISI، سه گروه شناخته شده از این فولادها با حروف O، A و D مشخص می شوند.
فولاد سردکار سخت شونده در روغن
این دسته معمولا با حرف O شناخته می شود و یکی از معروف ترین گریدهای آن فولاد O1 است.
فولاد O1 پس از آستنیته شدن معمولا با استفاده از روغن سخت کاری می شود. این فولاد ماشین کاری مناسبی دارد و پس از عملیات حرارتی می تواند ترکیب مطلوبی از سختی و چقرمگی ایجاد کند.
O1 یا فولاد 1.2510 در ساخت ابزارهای عمومی سردکار، قالب ها، پانچ ها و تیغه هایی که تحت شرایط کاری بسیار شدید قرار ندارند استفاده می شود. Uddeholm این گرید را فولاد ابزار عمومی مناسب برای تیراژهای کوتاه تا متوسط معرفی می کند.
فولاد سردکار سخت شونده در هوا
این گروه با حرف A شناخته می شود و A2 یکی از گریدهای پرکاربرد آن است.
فولادهای این گروه در زمان عملیات حرارتی قابلیت سخت شدن در هوا را دارند و معمولا نسبت به برخی فولادهای سخت شونده در روغن تغییرات ابعادی کمتری تجربه می کنند.
فولاد A2 یا 1.2363 دارای سختی و استحکام فشاری بالا، سختی پذیری مناسب و مقاومت قابل قبول در برابر لب پر شدن و ترک خوردگی است.
فولاد سردکار پرکربن و پرکروم
این گروه معمولا با حرف D شناخته می شود. D2 یکی از شناخته شده ترین فولادهای این خانواده است و در بازار ایران نیز کاربرد زیادی دارد.
مقدار بالاتر کربن و کروم در این دسته باعث ایجاد سختی و مقاومت سایشی قابل توجه می شود. برای نمونه D2 یا 1.2379 به دلیل مقاومت سایشی بالا، سختی مناسب و قابلیت حفظ لبه برای ساخت انواع قالب ها، پانچ ها، تیغه ها و ابزارهای برشی مورد استفاده قرار می گیرد.
کاربرد فولاد سردکار بسیار گسترده است و بخش قابل توجهی از ابزارهایی که برای تغییر شکل یا برش فلزات در دمای محیط استفاده می شوند، می توانند از گریدهای مختلف این گروه ساخته شوند.
یکی از مهم ترین کاربردهای فولاد سردکار، ساخت قالب های برش است. در چنین قالب هایی سطح ابزار دائما با ورق یا قطعه فلزی در تماس است و بنابراین مقاومت به سایش اهمیت زیادی پیدا می کند.
این فولادها همچنین در ساخت سنبه و ماتریس مورد استفاده در فرآیند پانچ کاربرد دارند. فشار زیاد وارد شده به ابزار باعث می شود علاوه بر سختی، استحکام فشاری و مقاومت در برابر ترک نیز اهمیت داشته باشد.
از دیگر کاربردهای رایج فولاد سردکار می توان به ساخت تیغه های برش صنعتی، ابزارهای فرم دهی، قالب های کشش، ابزارهای نورد سرد، ابزارهای سکه زنی، قطعات مقاوم به سایش و برخی ابزارهای اندازه گیری اشاره کرد.
به طور کلی مهم ترین کاربردهای فولاد سردکار عبارت هستند از:
سازندگان فولاد ابزار نیز کاربردهایی مانند Blanking، Forming، Coining، Shearing و Roll Forming را از حوزه های اصلی مصرف فولادهای سردکار معرفی می کنند.
گریدهای مختلفی از فولاد سردکار در استانداردهای AISI، DIN و سایر استانداردهای بین المللی وجود دارند. انتخاب میان این گریدها باید با توجه به شرایط کاری انجام شود.
فولاد D2 یا 1.2379
فولاد D2 یکی از معروف ترین و پرمصرف ترین فولادهای سردکار است. این گرید از دسته فولادهای پرکربن و پرکروم محسوب می شود و مقاومت سایشی بالایی دارد.
از D2 معمولا در ساخت قالب های برش، سنبه ها، تیغه های صنعتی، ابزارهای پانچ و قطعاتی استفاده می شود که مقاومت در برابر سایش در آنها اهمیت زیادی دارد.
یکی از نقاط قوت D2 قابلیت دستیابی به سختی بالا پس از عملیات حرارتی است. Uddeholm برای AISI D2 سختی حدود 60 تا 62 HRC پس از عملیات حرارتی مناسب را ذکر می کند.
فولاد A2 یا 1.2363
A2 گزینه ای مناسب برای کاربردهایی است که علاوه بر مقاومت سایشی، به مقاومت در برابر لب پر شدن و ترک نیز نیاز دارند.
این فولاد سختی پذیری مناسبی داشته و از نظر ماشین کاری و سنگ زنی نیز عملکرد قابل قبولی ارائه می دهد. به همین دلیل در قالب های برش، ابزارهای شکل دهی، تیغه های صنعتی، پانچ ها و برخی قطعات مقاوم به سایش مورد استفاده قرار می گیرد.
فولاد O1 یا 1.2510
O1 یک فولاد سردکار عمومی و سخت شونده در روغن است. ماشین کاری مناسب، پایداری ابعادی قابل قبول هنگام سخت کاری و ترکیب مناسب سختی و چقرمگی باعث شده است این فولاد برای ساخت ابزارهای عمومی گزینه مطلوبی باشد.
از این گرید برای ساخت برخی قالب های برش، ابزارهای شکل دهی، تیغه ها، سنبه ها و قطعات ابزارسازی استفاده می شود.
فولاد D6 یا 1.2436
D6 یکی دیگر از فولادهای پرکربن و پرکروم سردکار است که مقاومت سایشی بسیار بالایی دارد. این ویژگی آن را برای ابزارهایی مناسب می کند که سایش شدید دارند، اما نیاز به چقرمگی بسیار بالا در آنها مطرح نیست.
در منابع فنی Uddeholm نیز D6 به عنوان فولادی با مقاومت سایشی بسیار بالا و مناسب برای ابزارهای با تیراژ طولانی در شرایط سایشی معرفی شده است.
در یک نگاه کلی می توان گفت انتخاب میان این گریدها به این صورت انجام می شود: اگر مقاومت سایشی بالا اولویت اصلی باشد، گریدهایی مانند D2 و D6 مورد توجه قرار می گیرند؛ اگر تعادل میان سایش و چقرمگی مورد نیاز باشد، A2 می تواند گزینه مناسبی باشد و برای کاربردهای عمومی تر و تیراژهای پایین تر نیز O1 انتخاب رایجی است.
فولاد سردکار و فولاد گرمکار هر دو در گروه فولادهای ابزار قرار می گیرند، اما شرایط کاری و ویژگی های مورد انتظار از آنها متفاوت است.
مهم ترین تفاوت این دو گروه به دمای کاری مربوط می شود. فولاد سردکار برای ابزارهایی انتخاب می شود که در حین عملیات در معرض دماهای بسیار بالا قرار ندارند. در مقابل فولاد گرمکار برای ابزارهایی ساخته شده است که به صورت مداوم یا متناوب با قطعات داغ و حرارت بالا در تماس هستند.
قالب های برش ورق، پانچ و فرم دهی سرد نمونه هایی از کاربرد فولاد سردکار هستند. در مقابل قالب های فورج گرم، قالب های دایکاست و برخی ابزارهای اکستروژن گرم معمولا به فولادهای گرمکار نیاز دارند.
از نظر خواص نیز فولادهای سردکار معمولا با تمرکز بر سختی، مقاومت به سایش و استحکام فشاری انتخاب می شوند. فولادهای گرمکار علاوه بر استحکام و مقاومت سایشی باید بتوانند سختی و خواص مکانیکی خود را در دمای بالا حفظ کنند و در برابر خستگی حرارتی مقاومت داشته باشند.
| معیار مقایسه | فولاد سردکار | فولاد گرمکار |
| شرایط کاری | دمای پایین و متوسط | دمای بالا |
| ویژگی مهم | سختی و مقاومت به سایش | استحکام گرم و مقاومت حرارتی |
| کاربرد رایج | برش، پانچ، فرم دهی سرد | فورج گرم، دایکاست، اکستروژن |
| نمونه گرید | D2، A2، O1 | H11، H12، H13 |
| تنش حرارتی | کمتر | زیاد |
| نیاز به مقاومت خستگی حرارتی | اهمیت کمتر | اهمیت بسیار زیاد |
بنابراین نمی توان فولاد سردکار و گرمکار را بدون در نظر گرفتن دمای کار جایگزین یکدیگر کرد. انتخاب اشتباه فولاد می تواند باعث سایش سریع، ترک خوردگی، تغییر شکل ابزار یا کاهش طول عمر قالب شود.
فولاد سردکار به دلیل خواص مکانیکی مناسب، یکی از مهم ترین مواد اولیه در صنعت ابزارسازی و قالب سازی محسوب می شود. با این حال این گروه از فولادها در کنار مزایای فراوان، محدودیت هایی نیز دارند.
مزایای فولاد سردکار
یکی از مهم ترین مزایای این فولادها سختی بالای آنها پس از انجام عملیات حرارتی مناسب است. این ویژگی باعث می شود ابزار بتواند در برابر تغییر شکل و سایش مقاومت کند.
مقاومت سایشی بالا نیز از دیگر مزایای مهم فولادهای سردکار، به ویژه گریدهای پرکربن و پرکروم مانند D2 است. این ویژگی می تواند عمر ابزار را در عملیات برش و پانچ افزایش دهد.
از دیگر مزایا می توان به استحکام فشاری مناسب، قابلیت حفظ لبه برنده، تنوع زیاد گریدها و امکان انتخاب فولاد بر اساس نوع مکانیزم خرابی ابزار اشاره کرد.
معایب فولاد سردکار
سختی بالا همیشه یک مزیت مطلق نیست. افزایش سختی و مقاومت سایشی در برخی گریدها می تواند با کاهش چقرمگی همراه باشد. در چنین شرایطی، ابزار در مقابل ضربه یا بارگذاری نامناسب مستعد لب پر شدن یا ترک خواهد بود.
ماشین کاری برخی گریدهای پرآلیاژ نیز دشوارتر است و هزینه ساخت ابزار را افزایش می دهد.
عملیات حرارتی این فولادها نیز باید با دقت انجام شود. انتخاب نادرست دمای آستنیته، روش سرد کردن یا دمای تمپر می تواند خواص نهایی فولاد را تحت تاثیر قرار دهد.
همچنین فولاد سردکار برای کاربردهای دارای دمای کاری بسیار بالا طراحی نشده است. در چنین شرایطی استفاده از یک فولاد گرمکار مناسب معمولا انتخاب صحیح تری خواهد بود.
انتخاب بهترین فولاد سردکار تنها بر اساس قیمت یا میزان سختی آن تصمیم درستی نیست. برای انتخاب گرید مناسب باید شرایط واقعی عملکرد ابزار بررسی شود.
نوع سایش یکی از نخستین مواردی است که باید در نظر گرفته شود. اگر ابزار در معرض سایش شدید قرار دارد، استفاده از فولادی با مقاومت سایشی بالا اهمیت بیشتری پیدا می کند.
میزان ضربه و احتمال لب پر شدن نیز بسیار مهم است. یک فولاد فوق العاده سخت اما کم چقرمه ممکن است در ابزارهایی که با ضربه مواجه هستند، خیلی زود دچار شکست شود.
تیراژ تولید عامل دیگری است که باید بررسی شود. برای یک قالب با تیراژ محدود ممکن است استفاده از یک فولاد بسیار گران و پیشرفته از نظر اقتصادی توجیه نداشته باشد. در مقابل، برای خطوط تولید انبوه، افزایش عمر قالب می تواند هزینه اولیه بالاتر فولاد را جبران کند.
جنس قطعه کار نیز در انتخاب گرید تاثیر مستقیم دارد. سختی، استحکام و خاصیت سایندگی ماده ای که قرار است برش یا فرم داده شود، میزان فشار وارد شده به ابزار را تعیین می کند.
عملیات حرارتی یکی دیگر از عوامل تعیین کننده است. حتی انتخاب بهترین گرید بدون عملیات حرارتی صحیح نمی تواند عملکرد مطلوبی ایجاد کند.
ماشین کاری و سنگ زنی نیز باید مورد توجه قرار گیرد. هرچه فولاد پرآلیاژتر و مقاوم تر باشد، در بسیاری از موارد فرآیند ساخت ابزار نیز دشوارتر و پرهزینه تر خواهد شد.
در نهایت بهتر است هنگام انتخاب فولاد سردکار این عوامل به صورت همزمان بررسی شوند:
در واقع بهترین فولاد سردکار لزوما سخت ترین یا گران ترین گرید موجود نیست؛ بلکه فولادی است که میان مقاومت سایشی، چقرمگی، قابلیت ساخت، طول عمر ابزار و هزینه نهایی تعادل مناسبی ایجاد کند.
سوالات متداول
فولاد D2 یا 1.2379 یکی از شناخته شده ترین گریدهای فولاد سردکار است. این فولاد به دلیل سختی و مقاومت سایشی بالا در ساخت قالب، پانچ، تیغه و ابزارهای برشی کاربرد زیادی دارد.
این فولاد در ساخت قالب های برش، سنبه و ماتریس، پانچ، تیغه های صنعتی، ابزارهای فرم دهی، قالب های کشش، ابزارهای نورد سرد و قطعات مقاوم به سایش استفاده می شود.
D2 معمولا مقاومت سایشی بالاتری دارد، در حالی که A2 می تواند تعادل مناسب تری میان مقاومت سایشی و مقاومت در برابر لب پر شدن و ترک ایجاد کند. انتخاب میان آنها به نوع بارگذاری و شرایط کاری ابزار بستگی دارد.
تفاوت اصلی در شرایط دمایی کاربرد آنها است. فولاد سردکار برای ابزارهای مورد استفاده در دمای پایین تر طراحی شده است، در حالی که فولاد گرمکار باید در برابر دمای بالا، افت سختی و خستگی حرارتی مقاومت کند.
در اغلب کاربردهای ابزارسازی، بله. عملیات سخت کاری و تمپر برای دستیابی به سختی، مقاومت سایشی و خواص مکانیکی مورد نیاز انجام می شود. شرایط عملیات حرارتی باید بر اساس گرید فولاد انتخاب شود.
