فولاد ابزار کربن، که بیشتر به آن فولاد کربنی هم میگویند، ترکیبی از آهن با مقدار زیادی کربن است. اگر میزان کربن در یک فولاد از نیم درصد بیشتر باشد، آن را در دستهبندی ابزار کربن قرار میدهیم. شاید بپرسید چرا کربن اینقدر مهم است؟ چون کربن باعث میشود این فولاد بتواند به شدت سخت شود و در برابر سایش مقاومت کند.
بزرگترین مزیت فولاد ابزار کربن، عملکرد و قیمت مناسب آن است. این فولادها نسبت به فولادهای پیچیدهتر، هم ارزانترند و هم راحتتر در دسترس هستند، در حالی که سختی و مقاومت لازم برای ابزارهای روزمره را فراهم میکنند. کار کردن با آنها هم نسبتا ساده است. اما یک نقطه ضعف بزرگ دارند؛ در دمای بالا عملکرد خوبی ندارند. یعنی اگر خیلی داغ شوند، سختیشان را از دست میدهند و نرم میشوند. به همین دلیل، برای ابزارهایی که هنگام کار خیلی داغ میشوند، گزینه مناسبی نیستند.
گاهی اوقات، برای بهتر شدن خواص این فولاد، کمی وانادیوم یا کروم به آن اضافه میشود. وانادیوم با ساخت ترکیبات سخت، مقاومت به سایش را بیشتر میکند و از رشد دانههای فولاد در دمای بالا جلوگیری میکند. اما با این حال، فولاد ابزار کربن در مقایسه با فولادهای پیشرفتهتر مثل خانواده فولاد d3، از نظر میزان سختی در عمق، مقاومت به گرما و دوام، در سطح پایینتری قرار دارد.
ترکیب شیمیایی فولاد ابزار کربن
در فولادهای ابزار کربن (Carbon Tool Steel)، میزان کربن معمولاً بین ۰.۶ تا ۱.۵ درصد است. همین مقدار بالای کربن، باعث میشود فولاد به سختی و مقاومت فوقالعادهای در برابر سایش دست پیدا کند. علاوه بر کربن، عناصری مثل منگنز و سیلیسیم هم در این فولاد وجود دارند که به بهبود خواص آن کمک میکنند. این ترکیب دقیق باعث میشود فولاد پس از عملیات حرارتی، به سختی خیلی خوبی برسد.
دستهبندی فولادهای ابزار کربن
فولادهای ابزار کربن بر اساس میزان کربن، به چند دسته تقسیم میشوند:
فولاد با کربن کم: برای ابزارهایی که نیاز به مقاومت در برابر ضربه دارند، مثل قلمها و چکشها، مناسب است.
فولاد با کربن متوسط: سختی و مقاومت در برابر شکست خوبی ایجاد میکند و کاربردهای متنوعی دارد.
فولاد با کربن بالا: با بیشترین میزان کربن، سختترین نوع است و برای ساخت ابزارهای برشی دقیق مثل تیغهها و قالبها مناسب است.
فولاد ابزار کربن
کاربردهای فولاد ابزار کربنی
این فولاد به خاطر سختی بالا و قیمت مناسب، در ساخت ابزارهای زیادی به کار میرود که شاید هر روز با آنها سروکار دارید:
ابزارهای دستی: مثل پیچگوشتی، آچار و اسکنه.
تیغهها: برای ساخت چاقو، قیچی و اره.
قالبها و سنبهها: برای شکلدهی فلزات در صنعت.
متهها: برای سوراخکاری چوب و پلاستیک.
مزایا و معایب فولاد کربنی
مزایا و معایب این فولادها عبارتند از:
مزایا
قیمت خوب: نسبت به فولادهای آلیاژی، معمولا ارزانتر و مقرونبهصرفهتر است.
سخت شدن آسان: با یک عملیات حرارتی ساده، به راحتی سخت و محکم میشود.
ماشینکاری راحت: در حالت نرم، برش دادن و شکل دادنش آسان است.
معایب
حساسیت به حرارت: در دمای بالا، سختیاش را از دست میدهد.
زنگزدگی: در برابر رطوبت مقاوم نیست و به راحتی زنگ میزند.
سختی فقط در سطح: در قطعات ضخیم، فقط لایههای رویی آن به خوبی سخت میشوند.
عملیات حرارتی فولاد ابزار کربنی
برای اینکه فولاد ابزار کربن به سختی دلخواه برسد، باید از یک فرآیندی به نام عملیات حرارتی فولاد عبور کند:
آنیلکاری (Annealing): فولاد گرم و به آرامی سرد میشود تا نرم و قابل ماشینکاری شود.
سختکاری (Hardening): فولاد دوباره گرم و به سرعت در روغن یا آب سرد میشود تا ساختار آن سخت شود.
بازگشت (Tempering): فولاد در دمای پایینتر دوباره حرارت میبیند تا شکنندگی آن کاهش یابد و مقاومت به ضربهاش بیشتر شود.
تفاوت فولاد ابزار کربنی با فولاد ابزار چیست؟
فولاد ابزار (Tool Steel) یک دسته یا خانواده بزرگ از فولادهاست که شامل انواع مختلفی از جمله فولادهای کربنی، فولاد آلیاژی، فولاد خشکه هوایی و… میشود. فولاد ابزار کربن (Carbon Tool Steel) تنها یکی از اعضای این خانواده بزرگ است.
به عبارت سادهتر، هر فولاد ابزار کربن، یک نوع فولاد ابزار محسوب میشود، اما هر فولاد ابزار، لزوما از نوع ابزار کربن نیست. فولادهای ابزار میتوانند شامل عناصر آلیاژی دیگری مثل کروم، مولیبدن، تنگستن و وانادیم باشند که هر کدام خواص خوبی به فولاد میدهند (مثل مقاومت به حرارت بالا یا مقاومت به خوردگی). بنابراین، فولادهای ابزار کربن زیرمجموعهای از فولاد ابزار است که ویژگی اصلی آن، سختیپذیری بالا به واسطه درصد بالای کربن است.
فولاد ابزار
تفاوت فولاد ابزار کربن با خانواده SPK چیست؟
فولادهای SPK مثل فولاد K107 و فولاد K110 که نام تجاری آنها بیشتر با فولادهای گرمکار و فولاد سردکار آلمان و سایر کشورهای صنعتی شناخته میشود، در واقع نوعی فولاد ابزار آلیاژی هستند و با نوع ابزار کربن تفاوتهای مهمی دارند. این تفاوتها بیشتر به ترکیب شیمیایی آنها وابسته است:
ترکیب شیمیایی: فولاد ابزار کربن، بر پایه کربن ساخته شده است. اما فولادهای SPK حاوی مقادیر قابل توجهی از عناصر آلیاژی مثل کروم، مولیبدن و وانادیم هستند. این عناصر باعث بهبود خواص فولاد میشوند.
مقاومت به سایش و حرارت: وجود کروم در فولادهای SPK باعث میشود مقاومت به سایش آنها بسیار بیشتر از نوع ابزار کربن باشد. همچنین، فولادهای SPK معمولاً مقاومت حرارتی بالاتری دارند و میتوانند در دماهای بالا نیز سختی خود را حفظ کنند، در حالی که فولادهای ابزار کربن در دماهای بالا نرم میشوند.
کاربردها: به همین دلیل، فولادهای SPK برای ساخت قالبهای صنعتی، سنبهها و ابزارهای برش که نیاز به مقاومت بالا در برابر سایش و حرارت دارند، استفاده میشوند. در مقابل، فولاد ابزار کربن برای ساخت ابزارهای دستی و کاربردهای سبکتر که نیاز به مقاومت حرارتی بالا ندارند، مناسب است.
انتخاب بین فولاد ابزار کربن و فولادهای دیگر به طور کامل به نیازهای شما و شرایط کاربرد بستگی دارد. اگر به دنبال یک فولاد ارزان و ساده برای ساخت ابزارهای دستی یا قالبهای کوچک با تیراژ پایین هستید، فولاد ابزار کربن میتواند یک گزینه عالی باشد. اما اگر پروژه شما شامل ساخت قالبهای صنعتی بزرگ، تیغههای برش دقیق، یا ابزارهایی است که در شرایط سخت و تحت فشار زیاد کار میکنند، فولاد SPK به دلیل مقاومت و دوام بالاتر، انتخاب منطقیتری خواهد بود.
سوالات متداول
آیا فولادهای ابزار کربن زنگ میزنند؟
بله، نوع ابزار کربن مقاومت بسیار کمی در برابر خوردگی و زنگزدگی دارد. این فولادها فاقد عناصر آلیاژی مانند کروم هستند که مقاومت به خوردگی را افزایش میدهند. به همین دلیل، ابزارهای ساخته شده از این فولادها باید به دقت نگهداری شده و از رطوبت و تماس با محیطهای خورنده دور نگه داشته شوند تا از زنگزدگی آنها جلوگیری شود. برای افزایش مقاومت به زنگزدگی میتوان از پوششهای سطحی مانند کروم یا نیکل استفاده کرد.
تفاوت اصلی بین فولادهای ابزار کربن و فولاد تندبر (High-Speed Steel) چیست؟
تفاوت اصلی در مقاومت به حرارت است. فولاد ابزار کربن در دماهای بالا به سرعت سختی خود را از دست میدهد، در حالی که فولادهای تندبر به دلیل وجود عناصر آلیاژی مانند تنگستن، مولیبدن، کروم و وانادیوم، میتوانند سختی خود را حتی در دماهای بسیار بالا (تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد) حفظ کنند. این ویژگی باعث میشود که فولادهای تندبر برای ساخت ابزارهای برشی با سرعت بالا مانند متههای CNC و ابزارهای تراشکاری مناسب باشند.
چرا فولادهای ابزار کربن با آب سختکاری میشوند و فولادهای SPK با روغن یا هوا؟
این تفاوت به میزان سختیپذیری آنها بازمیگردد. فولاد ابزار کربن سختیپذیری پایینی دارد، به این معنی که برای تبدیل ساختار آن به مارتنزیت، باید به سرعت سرد شود. آب بهترین محیط برای سرد کردن سریع است. در مقابل، فولادهای SPK به دلیل وجود عناصر آلیاژی مانند کروم و مولیبدن، سختیپذیری بالایی دارند و میتوانند حتی با سرد شدن آهستهتر در روغن یا هوا نیز به طور کامل سخت شوند. سرد کردن آهسته در روغن یا هوا، ریسک ترکخوردگی و اعوجاج در ابزار را به شدت کاهش میدهد.
آیا میتوان فولادهای ابزار کربن را جوشکاری کرد؟
جوشکاری دسته ابزار کربن بهخاطر محتوای کربن بالا، بسیار دشوار است. حرارت ناشی از جوشکاری میتواند باعث ایجاد ساختارهای مارتنزیتی بسیار سخت و شکننده در ناحیه تحت تاثیر حرارت (HAZ) شود که به راحتی ترک میخورند. برای جوشکاری این فولادها، نیاز به پیشگرمایش، استفاده از الکترودهای مناسب و پسگرمایش کنترل شده برای جلوگیری از ترکخوردگی وجود دارد. به طور کلی، جوشکاری این نوع فولاد توصیه نمیشود و در صورت لزوم باید توسط متخصصین انجام شود.
کاربرد فولاد ابزار کربن در چه صنایعی بیشتر است؟
ابزار کربن بهخاطر ویژگیهای خوب و قیمت مناسب، در صنایع مختلفی کاربرد دارد. صنایع دستی، نجاری و کشاورزی از مهمترین مصرفکنندگان این فولاد هستند. همچنین در ساخت ابزارهای ساده صنعتی، مانند برخی از قالبهای سرد، سنبهها و ابزارهای دستی، استفاده میشود. در هر صنعتی که نیاز به ابزاری با لبههای تیز و مقاومت به سایش در دمای اتاق باشد، فولادهای ابزار کربن میتواند یک انتخاب مناسب باشد.