دانلود مقاله طراحی و رفع عیوب قالب های دائمی

››طراحی و رفع عیوب قالبهای دائمی ››معرفی انواع فولاد های ابزار ›خطاهای رایج در طراحی ›عیب یابی و رفع عیب قالب ها ›عملیات سطحی برای بهبود خواص سطح قالب ››فولاد های ابزار کربنی ›W1 یک فولاد ابزار کربنی سخت شونده در آب است که میزان کربن آن 0.91-1.

0% می باشد.

این فولاد پس از سختکاری، دارای سطح سخت و مغز نرم‌تر می شود.

فولادهای ابزار سرد کار ›چند نوع ابزار سرد کار (Cold- work tool steels) در زیر معرفی می‌شوند: ›01 یک فولاد ابزار همه منظوره (General purpose) سخت شونده در روغن است که در عملیات حرارتی، سختی بالایی می‌گیرد.

ابزارها و قالب‌های ساخته شده از این نوع فولاد دارای لبه‌های بادوامی هستند.

››06 یک فولاد ابزار با آلیاژ متوسط (Medium- alloy) و 1.45% کربن و سخت شونده در روغن است.

در این فولاد در حالت آنیل شده، حدود یک سوم کربن به صورت گرافیت و بقیه کربن به صورت ترکیب کاربیدی می‌باشد.

سهولت ماشین‌کاری این فولاد ابزار بهتر از بقیه انواع فولادهای سخت شونده روغن است.

فولاد 06 برای کاربردهای عمومی در قالب‌سازی و ابزارسازی مناسب است واستحکام به سایش بسیار خوبی دارد.

ولی لبه‌ها قطعات ساخته شده از این فولاد دوام زیادی ندارد.

››A2 یک فولاد ابزار همه منظوره سخت شونده در هوا است که به هنگام عملیات حرارتی دچار اعوجاج اندکی می‌شود و استحکام به سایش خوبی دارد.

این فولاد کاربردهای عمومی زیادی دارد و نسبت به فولادهای گروه S (مقاوم در برابر شوک) استحکام سایشی بالاتر داشته و چقرمگی بهتری نسبت به فولادهای گروه D (مقاوم به سایش) دارد.

››A6 یک فولاد ابزار کرم – مولیبدن کم آلیاژ (Low- alloy) سخت شونده در هوا است که ترکیبی از ویژگی‌های چقرمگی، استحکام و مقاومت در برابر سایش را از خودنشان می‌دهد.

برای ساخت ابزارها و قالب‌های سرد کار با عمر کاری متوسط، A6 یک انتخاب عالی است.

دمای سختکاری این فولاد نسبتا پایین است و در هوا سخت می‌شود و به همین دلیل ثبات ابعادی خوبی در عملیات حرارتی دارد.

››D2 یک فولاد ابزار پر کربن و پر کرم، سخت شونده در هوا است.

این فولاد طوری فرموله شده است که ترکیبی از ویژگی‌های حاصل از سخت شونده در هوا و مقاومت عالی در برابر سایش را از خود نشان می‌دهد.

این نوع فولاد به عنوان یک معیار استاندارد برای مقایسه دیگر فولادها از نظر مقاومت سایشی، ثبات ابعادی در عملیات حرارتی و دیگر ویژگی‌های حاصل از سخت شدن در هوا می‌باشد.

››D3 یک فولاد ابزار سرد کار پر کربنی سخت شونده در روغن است.

از ویژگی‌های مهم این فولاد می‌توان به مقاومت سایشی بسیار زیاد، استحکام فشاری بالا و قابلیت سختکاری عمقی (Deep hardening) اشاره کرد.

از این فولاد در مواردی استفاده می‌شود که مقاومت سایشی، تغییر شکل ناپذیری (Non- deformation) و سختی بالا مورد نیاز باشد.

››فولادهای مقاوم در برابر شوک ›S1 یک فولاد مقاوم در برابر شوک همه منظوره و سخت شونده در روغن است.

این فولاد ویژگی‌های فولادهای سرد کار و گرم کار را تواما دارد و برای ابزارهایی که در معرض شوک قرار می‌گیرند، مناسب است.

S1 کربن کمی دارد و به همین دلیل چقرمگی این فولاد خوب است.

وجود کرم و تنگستن در این فولاد باعث ایجاد مقاومت سایشی و سختی‌پذیری بالا می‌شود.

سطح قطعات ساخته شده از فولاد S1 را معمولا کربن‌دهی (سمانتاسیون) می کنند تا استحکام سایشی آنها افزایش یابد.

››S5 یک فولاد مقاوم در برابر شوک و سخت شونده در روغن است که هم می‌توانند نرم باشد و هم قابلیت سختی‌پذیری زیاد دارد.

›S7 یک فولاد مقاوم در برابر شوک سخت شوند در هوا است که مقاومت در برابر ضربه (چقرمگی) آن عالی است.

این فولاد کاربردهای متنوعی دارد.

از فولاد S7 در ساخت ابزارها و قالب‌های سرد کار متوسط، قالب‌های تزریق پلاستیک، تیغه‌های برش، قالب‌های گرم، کار متوسط و قطعات متنوع دیگر استفاده می شود.

››فولادهای ابزار گرم‌کار ›H13 پرمصرف‌ترین فولاد گرم‌کار (Hot-work) سخت شونده در هوا است که از آن در ساخت قالب‌های دای‌کست (Die- Cast) قالب‌های تزریق پلاستیک و قالب‌های فورجینگ (Forging) استفاده می گردد.

ویژگی‌های فولاد H13 عبارتند از سختی سرخ (Red hardness) خوب، مقاومت سایشی و مقاومت در برابر ترک‌های حرارتی، بهترین سختی کاربردی این فولاد 44-48 HRC برای قالب‌های دای‌کست و 40-44 HRC برای قالب‌های مقاوم در برابر شوک (مانند قالب‌های فورجینگ) است.

››فولادهای ابزار تندبر ›M2 یکی از فولادهای تندبر سخت شونده در هوا، روغن یا نمک (Salt) است که عنصر آلیاژی اصلی آن مولیبدن و دیگر عناصر آن تنگستن، کرم و وانادیم می‌باشد.

این یک فولاد همه منظوره مقاوم در برابر شوک و سایش است و سختی سرخ خوبی دارد.

›M4 یک فولاد تندبر سخت شوند در هوا، روغن یا نمک، با عناصر آلیاژی مولیبدن، تنگستن و وانادیم و میزان کربن بالا است.

مقاومت سایشی این فولاد در مقایسه با دیگر فولادهای تندبر خیلی بیشتر است.

››M42 یک فولاد تندبر سخت شونده در هوا یا نمک است.

این فولاد پر کربن است و عناصر آلیاژی اصلی آن مولیبدن و کبالت می‌باشد.

این فولاد را می توان تا 70 HRC سخت کرد.

سختی سرخ فولاد M42 عالی و چقرمگی آن نیز خوب است.

مقاومت سایشی این فولاد عالی و سنگ‌زنی آن نیز به سادگی انجام می شود.

در مواردی که مقامت سایشی بالا، سختی سرخ خوب و چقرمگی در یک ابزار لازم باشد، باید از فولاد M42 استفاده نمود.

›T15 یک فولاد تندبر از نوع تنگستنی سخت شونده در هوا یا نمک است که میزان کربن، وانادیم و کبالت آن بالا است و توصیه می‌شود در مواردی که مقاومت سایشی و سختی سرخ زیادی مورد نیاز باشد، از این فولاد استفاده شود.

››فولادهای قالب پلاستیک ›فولاد 420 یک فولاد زنگ زن سخت شونده و در روغن یا هوا است.

این فولاد مقاومت سایشی، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت پرداخت‌کاری خوبی دارد و می‌تواند آن را تا 46-50 HRC سخت کرد.

›P20 یک فولاد با آلیاژ متوسط و از پیش سخت شده با سختی HB 300 است.

این فولاد قالب را در حالت سخت شده می‌توان به خوبی ماشینکاری نمود.

››انتخاب فولاد های ابزار ›جدول زیر می‌توان به عنوان راهنما در انتخاب بهترین فولاد ابزار، برای یک ابزار یا قالب استفاده نمود.

در این انتخاب باید به معیارهای کاری مختلف مثلا مقاومت سایشی، استحکام در برابر ضربه، چقرمگی، سختی سرخ، عملیات حرارتی و قابلیت ماشینکاری توجه کرد.

››خطاهای رایج در طراحی ›اهمیت طراحی درست ابزار و قالب برای هر کس روشن است.

ابزارهایی که به درستی طراحی نشده باشند، ممکن است در عملیات حرارتی ترک بردارند و عمر کاری آنها به صفر برسد و یا ممکن است پس از شروع کار با آنها و خیلی زودتر از موعد مورد انتظار خراب شوند.

اغلب قطعاتی که به هنگام عملیات حرارتی دچار شکست می‌شوند به درستی طراحی نشده‌اند.

در این موارد نباید به سادگی عملیات حرارتی را مورد سرزنش قرار داد، ››گوشه‌های تیز ›گوشه‌‌های تیز (Sharp comers) چه گوشه‌های داخلی چه خارجی و همچنین قالبهایی که گوشه‌های تیز دارند، در یک ابزار یا قالب، نقاط تنش‌زا محسوب می‌شوند.

یک عادت خوب در ماشینکاری قطعات قالب‌ها و ابزارها این است که همه گوشه‌های تیز با یک شعاع مناسب گرد شوند.

در ماشینکاری گوشه‌های تیز، هر جا که امکان داشته باشد و مزاحمتی در عملکرد ابزار یا قالب ایجاد نشود، باید از حداکثر شعاع ممکن برای گرد کردن گوشه‌های استفاده نمود.

››وجود قسمت‌های نازک در مجاورت قسمت‌های ضخیم ›به هنگام کوئینچ قطعات در عملیات حرارتی، قسمت‌های نازک سریع‌تر سرد می‌شوند و در نتیجه زودتر از قسمت‌های ضخیم مجاورشان سخت خواهند شد.

این پدیده باعث ایجاد تنشهای تغییر حالت (Transformation stress) در ابزار شود که بعضا از استحکام نهایی فولاد نیز فراتر می‌روند و بنابراین در ابزار اعوجاج و یا ترک به وجود می‌آید.

اگر لازم است ابزار با همین فرم طراحی شود با استفاده از فولادهای سخت شونده در هوا می توان این مشکل را کاهش داد.

به خاطر داشته باشید که استفاده از فولادهای مقاوم در برابر شوک نیز می‌توان ایجاد ترک و شکست در ابزارها را به هنگام تولید کاهش داد.

››سوراخ‌ های مشکل‌آفرین ›تعیین محل سوراخ‌ها در یک ابزار، یکی از قسمت‌های مهم طراحی است.

سوراخ‌های ته بسته، سوراخ‌های رزوه شده و سوراخ‌هایی که محل مناسبی نداشته باشند، سوراخ‌های مشکل آفرین هستند.

سوراخ‌ها را باید طراحی کرد و نه فقط آنها را در محل‌های مختلف ابزار یا قالب قرار داد.

مثلا وجود بعضی سوراخها باعث ایجاد دیواره‌های نازکی می‌شود که ممکن است به هنگام سختکاری باعث ترک و خرابی زودرس ابزار گردد.

وجود سوراخها در محلهای نامناسب سبب کوئیچ و سرد شدن غیر یکنواخت قطعه خواهد شد.

این پدیده مخصوصا هنگامی که قطعه در محیط مایع کوئنچ می‌شود بیشتر اتفاق می‌افتد.

بنابراین در صورتی که نتوان چیدمان سوراخها را به صورت بهینه طراحی کرد، توصیه می‌شود از فولادهای سخت شونده در هوا استفاده گردد.

››نقوش حکاکی شده ›ایجاد تمرکز تنش در محلهای حکاکی شده، یکی دیگر از دلایل خرابی و شکست زودرس قالب‌ها و ابزارها است، که هم در عملیات حرارتی و هم به هنگام تولید ممکن است مشکل‌ آفرین شود.

با حکاکی کردن سطوح قطعات، نقاط نیز ایجاد می شود.

بنابراین از انجام حکاکیهای با لبه‌های تیز و عمیق و ردیف کردن اعداد و حروف حکاکی شده در کنار هم اجتناب نمایید.

استفاده از سنبه‌های حکاکی با گوشه‌های گرد که نقوش کم عمقی بر سطح قطعه به وجود می آورد مشکلی ایجاد نمی‌کند.

››انتخاب فولادهای ابزار ›جدول زیر می‌توان به عنوان راهنما در انتخاب بهترین فولاد ابزار، برای یک ابزار یا قالب استفاده نمود.

››سوراخ‌های مشکل‌آفرین ›تعیین محل سوراخ‌ها در یک ابزار، یکی از قسمت‌های مهم طراحی است.

››زبری سطوح ›ماشینکاری خشن بر روی سطح قطعات، خطوط و تیزیهای بر جای می‌گذارد که باعث تمرکز تنش می‌شوند.

›ساختن و تعمیر کردن ابزارها و قالب‌ها به روش‌های ماشینکاری، سنگ زنی، ماشینکاری با تخلیه الکتریکی (EDM) و جوشکاری انجام می‌گیرد.

برای یک قالبساز یا طراح قالب، لازم است که بداند این فرایندها چه اثراتی ممکن است بر سختی، ساختار و متالورژی فولاد داشته باشند و چگونه می‌توان بر مشکلات احتمالی غلبه کرد.

››قابلیت ماشین‌کاری ›قابلیت ماشین‌کاری (Machinability) معیاری برای سنجش آسانی برده‌برداری از یک ماده است که بستگی به خواص اصلی ماده دارد و بعضی شرایط فرایند نیز بر آن تاثیر می‌گذارد.

خواص ماده که بر قابلیت ماشین‌کاری آن موثر هستند عبارتند از : سختی، استحکام کششی، ترکیب شیمیایی، ریز ساختار، میزان کار سرد که روی آن انجام شده است فرم، ابعاد و صلبیت.

›شرایط فرایند نیز که بر قابلیت ماشینکاری تاثیر دارند عبارتند از: سرعت برشی، عمق براده‌برداری، فرم هندسی ابزار برشی و دیگر پارامترهای ماشینکاری با توجه به این همه متغیر موثر در قالب‌ ماشینکاری، ارائه ارقامی به عنوان قابلیت ماشین‌کاری برای یک ماده، تقریبی است و فقط برای مقایسه مواد با یکدیگر به کار می‌رود.

››ترکیب شیمیایی ماده ›ترکیب شیمیایی ماده بر ساختار، خواص مکانیکی و عملیات حرارتی آن ماده موثر است و بنابراین یک عامل مهم در سنجش قابلیت ماشینکاری محسوب می شود.

اگر چه تاثیر هر یک از عناصر موجود در ترکیب شیمیایی، تحت تاثیر عناصر و عوامل دیگر قرار دارد.

ولی به طور کلی می‌توان اثرات هر یک از این عناصر را در قابلیت ماشینکاری مواد به شرح زیر برشمرد: ›عناصر کار بیدساز (Carbide former) نظیر کرم، تنگستن، مولیبدن و وانادیم باعث افزایش سختی ماده و کاهش قابلیت ماشینکاری آن می‌شود.

››نیکل و منگنز، که در فریت حل می‌شوند، باعث افزایش سختی و چقرمگی ماده شده و بنابراین قابلیت ماشینکاری را کاهش می دهند.

البته این اثرات را می‌توان با آنیل کردن کاهش داد.

›آلومینیم و سیلیسیم می‌توانند آخالهای سخت و ساینده‌ای درست کنند و باعث کاهش قابلیت ماشین‌کاری ماده شوند ›عناصر شیمیایی گوگرد، سرب، فسفر، سلنیم و تلوریم تشکیل آخالهای نرم در فولاد می‌دهند که قابلیت ماشینکاری را بهبود بخشند.

››عیب‌یابی ›در عملیات حرارتی ابزارآلات، قالب‌ها، فیکسچرها و قطعات ماشین‌آلات، عیوبی نظیر سخت نشدن به میزان مورد نظر، ایجاد سختی سطحی غیر یکنواخت، کربن‌زدایی، پوسته سطحی، اعوجاج و تغییرات ابعادی، ترک خوردن و شکستن معمولا اتفاق می‌افتد.

در این بخش، به این عیوب از نقطه نظر عملیات حرارتی و تجهیزات مربوط به این عملیات پرداخت می‌شود.

اغلب عیوب ایجاد شده در عملیات حرارتی به علت طراحی نادرست قطعه کار و کوتاه کردن زمان سیکلهای عملیات حرارتی ناشی می‌شوند.

بنابراین با در نظر گرفتن نکات مربوط به طراحی قطعه کار و در نظر گرفتن زمان کافی در سیکلهای مختلف عملیات حرارتی نظیر پیش‌گرم، آستنیته شدن کامل، کوئنچ و تمپرینگ می‌توان از بسیاری از این عیوب جلوگیری کرد.

››عیب سختی زیاد سطحی ›علل ممکن و راه حل‌های پیشنهادی عبارتند از: ›عدم کنترل صحیح دمای سطح قطعه کار.

لازم است سیستم دمای کوره مداوم کنترل و کالیبره شود.

›کربن‌دهی سطح قطعه کار.

لازم است عملیات گرم کردن در کوره‌های با اتمسفر کنترل شده (گازهای بی‌اثر) انجام شود.

›کرم کردن بیش از حد قطعات به هنگام سختکاری، نباید از محدوده دمایی توصیه شده توسط تولید کننده فولاد تجاوز نمود.

››طولانی کردن بیش از حد زمان نگهداری قطعه کار در دمای سختکاری نباید زمان نگهداری در حرارت را بی‌جهت طولانی نمود.

زمان نگهداری مطلوب ممکن است در انواع کوره‌ها، متفاوت باشد ›زمان ناکافی در مرحله تمپرینگ.

بر اساس میزان سختی مورد نیاز، بالاترین دمای تمپرینگ را انتخاب کنید.

زمان مطلوب نگهداری قطعه کار در دمای تمپرینگ تقریبا 120 min برای هر اینچ ضخامت و یا 4.72 min برای هر میلی متر ضخامت قطعه کار می باشد.

فولادهای ابزار سخت شونده در هوا را دو یا سه بار تمپر کنید.

› › ›عیب: سختی سطحی پایین ›علل ممکن و راه حلهای پیشنهادی عبارتند از: ›عدم کنترل دقیق دمای کوره باید سیستم کنترل دمای کوره دایما مورد نظارت و کالیبراسیون قرار گیرد، ›کربن‌زدایی سطحی، لازم است قطعه کار در کوره‌هایی با اتمسفر خنثی و تحت کنترل حرارت داده شوند، ›دمای سختکاری انتخاب شده خیلی پایین بوده است.

باید قطعه کار را تا محدوده دمایی توصیه شده توسط تولید کننده فولاد گرم کرد.

›عدم نگهداری کافی قطعه کار در دمای سختکاری، قطعه کار را قبل از گرم کردن نهایی، کاملا پیش‌گرم کنید.

زمان نگهداری قطعه کار در دمای‌ آستنیته کردن را به خوبی رعایت کنید.

››سرعت کوئنچ خیلی آهسته بوده و یا کوئنچ به صورت یکنواخت انجام نشده است.

باید عملیات کوئنچ به طور یکنواخت و سرعت مطلوب انجام شود.

وقتی ضخامت ابزارها و قالب‌های ساخته شده از فولادهای سخت شونده در هوا، زیاد باشد لازم است از باد زدن برای کوئنچ استفاده کرد، زیرا در هوای آرام نمی‌تواند با سطعت مطلوب کوئنچ شود ›دمای تمپرینگ بالاتر از حد مورد نیاز بوده است.

قطعه کار را تا محدوده دمایی توصیه شده گرم کنید.

›››عیب : سختی غیر یکنواخت سطح ›علل ممکن و راه‌حلهای پیشنهادی عبارتند از: ›کربن‌زدایی یا ایجاد پوسته در سطح فولاد، در صورتی که سطح فولاد قبلا کربن‌زدایی شده است لازم است لایه کربن‌زدایی شده قبل از سختکاری برداشته شود.

گرم کردن فولاد، باید در کوره‌هایی با اتمسفر کنترل شده انجام شود و در صورتی که این کار امکان‌پذیر نباشد، باید قطعات را در لفاف‌های (Folis) فولادی زنگ نزن پیچید.

باید همه درزهای کوره مسدود شود تا هوا به داخل آن نفوذ کند.

توصیه می‌شود که کوره‌ها به موقع تعمیر و به خوبی نگهداری شوند تا بتوان به خوبی نگهداری شوند تا بتوان به خوبی فضای داخل آنها را آب‌بندی نمود ››کوئنچ قطعه کار یکنواخت نبوده است.

در سختکاری قطعات بزرگ در هوا توصیه می‌شود هوای اطراف قطعه کار توسط یک بادزن به جریان افتد.

قطعات کوچک را می‌توان در هوای محیط کارگاه که جریانی طبیعی دارند، به خوبی کوئنچ نمود.

مخزن‌های کوئنچ مایع باید همزن داشته باشند و در صورتی که به علت کوئنچهای مکرر خیلی گرم شده‌اند، با یک سیستم چیلر خنک شوند.

مخزن‌های کوئنچ مایع باید تمیز و در محدوده دمایی کنترل شده نگهداری شوند.

از آب نمک به جای آب خالص استفاده کنید.

››عیب: کربن زدایی یا ایجاد پوسته در سطح ›علل ممکن و راه‌حلهای پیشنهادی عبارتند از: ›در صورت امکان برای ساخت ابزارها از میلگردها یا بلوکه‌های فولادی که سطح آنها کربن‌زدایی نشده است، استفاده کنید.

سطح فولادهای نورد شده باید تراشیده شود تا لایه کربن‌زدایی شده آن از بین برود ›قطعه کار در کوره‌ای با اتمسفر خنثی گرم نشده است.

توصیه می‌شود در کلیه سیکلهای حرارتی، از جمله آنیل کردن و آستنیته کردن از کوره‌هایی با اتمسفر خنثی، کوره‌های خلاء یا کوره‌های حمام نمک خنثی استفاده گردد.

››عیب : اعوجاج (خمش، پیچش، کمانی شدن) ›علل ممکن و راه‌حل‌های پیشنهادی عبارتند از: ›طراحی پیچیده فرم قطعه کار.

لازم است قطعه کار را طوری طراحی نمود که حداقل فرم‌های تنش‌زا نظیر گوشه‌‌های داخلی و خارجی تیز، مجاورت دیواره‌های نازک با دیواره‌های ضخیم، سوراخ‌های ته بسته و طراحی سوراخ‌ها به طوری که دیواره‌های نازکی ایجاد شود، در آن به وجود آید.

›وجود تنشهای مکانیکی در قطعه کار در اثر تغییر شکل سرد و ماشینکاری.

قبل از شروع سختکاری، قطعه کار را تنش‌زدایی کنید تا تنشهای مکانیکی آن آزاد شوند.

›استفاده از تکیه‌گاه‌های نامناسب برای چیدن قطعات در کوره.

قطعات را بر روی تکیه‌گاه‌های مناسب باید قرارداد و در صورت امکان آنها را به صورت عمودی در کوره آویزان کرد.

کوره را نباید بیش از حد از قطعات انباشته نمود.

می‌توان قطعات نازک و طویل را به تکیه‌گاه‌های بزرگ‌تر بست، ››وارد شدن شوک حرارتی به قطعه کار در اثر گرم شدن خیلی سریع آن به هنگام آستنیته کردن.

قطعات را ابتدا به خوبی پیش‌گرم کنید و سپس آنها را به دمای آستنیته برسانید و به مدت کافی در این دما نگهدارید.

›قطعات به طور یکنواخت گرم نشده‌اند و در دمای آستنیته کردن به مدت لازم نگهداری نشده‌اند.

کوره را نباید از قطعات زیاد انباشته کرد.

قطعات باید ابتدا به خوبی پیش‌گرم شده و سپس به مدت کافی در دمای سخت‌کاری نگهداشته شوند ›کوئنچ قطعات یکنواخت نبوده است.

لازم است عملیات کوئنچ کاملا یکنواخت و سرعت سرد شدن ثابت باشد.

در غیر این صورت بهتر است از فولادهای سخت شونده در هوا استفاده گردد.

››عیب: تغییرات ابعادی (انقباض یا انبساط) ›علل ممکن و راه‌حل‌های پیشنهادی عبارتند از: ›تبدیل غیر کامل و یا غیر یکنواخت آستنیت به مارتنزیت؛ عملیات کوئنچ را باید کامل و یکنواخت اجرا نمود.

زمان عملیات تمپرینگ نباید کوتاه شود.

فولادهای سخت شونده در هوا را در دو یا سه مرحله تمپر کنید.

از عملیات برودتی زیر صفر یا عملیات برودتی عمیق برای تکمیل تبدیل آستنیت به مارتنزیت استفاده نمایید.

ایجاد انبساط حداقل در یکی از ابعاد قطعه کار، به هنگام عملیات حرارتی مناسب، قابل انتظار است.

››عیب: ایجاد ترک به هنگام سخت‌کاری ›علل ممکن و راه‌حل‌های پیشنهادی عبارتند از: ›سیستم کنترل معیوب کوره و در نتیجه گرم شدن ناکافی یا بیش از حد قطعه کار در مرحله آستنیه کردن کوره باید کنترل شده و سیستم آن کالیبره گردد.

›وجود فرم‌های تنش‌زا به دلیل طراحی نامناسب قطعه کار، طرح قطعه کار را ساده کرده و فرم‌های تنش‌زا را در آن تا حد امکان حذف کنید.

›وجود تنشهای مکانیکی زیاد در نقاط خاصی متمرکز شده‌اند.

قطعاتی که بر روی آنها عملیات تغییر شکل سرد یا ماشینکاری سنگین انجام شده است، باید قبل از سختکاری تنش‌زدایی شوند.

›کربن‌زدایی یا کربن‌دهی فولاد.

لازم است قطعات فولادی در کوره‌های با اتمسفر خنثی گرم شوند تا این عیوب در انها به وجود نیاید.

››درشت شدن دانه‌های فولاد به علت حرارت دادن بیش از حد یا نگهداری بیش از حد فولاد در دمای سختکاری که به ترد شدن فولاد می‌انجامد.

لازم است قطعات به خوبی پیش گرم شوند و سپس تا دمای مناسب و به مدت زمان مطلوب آستنیته گردند.

›کوئنچ شدن غیر یکنواخت.

عملیات کوئنچ باید یکنواخت و با سرعت حتی المقدور ثابت انجام شود.

می‌توان از فولادهای سخت شونده در هوا استفاده کرد ›کوتاه بودن زمان تمپرینگ.

لازم است اولا عملیات تمپرینگ بلافاصله پس از کوئنچ اجرا گردد.

ثانیا باید زمان کافی را برای این عملیات در نظر گرفت.

همچنین توصیه می‌شود دمای تمپرینگ از 400F (204C) پایین‌تر نباشد.

فولادهای سخت شونده در هوا باید در دو یا سه مرحله تمپر شوند.

››عملیات سطحی برای بهبود خواص سطح فولاد ›عملیات و پوششهای سطحی که در این فصل شرح داده می‌شوند، فقط برای افزایش مقاومت سایشی سطح فولادها هستند.

این عملیات و پوششها نمی‌توانند از ابزارها و قالبهایی که دارای طراحی ضعیف هستند، به درستی عملیات حرارتی نشده‌اند و یا جنس آنها مناسب نیست، محافظت نمایند و دیگر عیوب فولاد را بپوشاند.

››پوششهای سطحی باید یک زیرکار صلب و محکم به عنوان تکیه‌گاه داشته باشند.

همچنین باید نوع فولادی که به عنوان یک زیرکار (Substrate) انتخاب می‌شود، مناسب باشد.

مثلاً اگر ابزار در معرض ضربه است و باید چقرمه باشد، باید از یک فولاد و هم روش عملیات یا پوششی سطحی با دقت انتخاب شوند، ابزار حاصل در تولید خیلی خوب عمل خواهد کرد.

مزایای استفاده از یک ابزار خوب عبارتند از: ››یک روند تولید طولانی و بدون وقفه، ›کاهش نگهداری و تعمیر ابزار و قالب، ›کاهش مصرف مواد روانکار، ›افزایش عمر ابزار و کارآیی آن و ›تولید قطعاتی با کیفیت بالاتر.

›برای بهبود هر چه بیشتر توان کاری یک ابزار، مثلاً کاهش سایش در قالبها، کاهش نیاز به مواد روانکار و محافظت از سطح ابزارها، لازم است عملیات سطحی یا پوششهای سطحی (نظیر آبکاری کرم، نیتراسیون یونی، نفوذ حرارتی و غیره) بر روی ابزارها و قالبها اجرا گردد.

››عملیات سطحی نباید بر روی قطعاتی که دارای عیوب ساختاری هستند و با دقت ساخته نشده‌اند، انجام شوند، زیرا این عملیات نمی‌تواند اینگونه عیوب و ضعفها را برطرف کند.

حتی ممکن است اجرای عملیات سطحی به تشدید عیوب در یک قطعه منجر شود و به علاوه زمان و پول نیز به هدر خواهد رفت.

عملیات سطحی باید بر روی ابزارهایی که از فولادهای مرغوب ساخته شده‌اند و شزایط ساخت بهینه‌ای داشته‌اند، انجام شود.

›یک زیرساختار محکم ›خواص فولاد به کار رفته در یک قالب یا ابزار، که زیرساخت عملیات سطحی آن نیز محسوب می‌شود، در عمر کار آن بیشترین تأثیر را دارد.

بنابراین برای اینکه یک زیرساخت، بتواند پایه‌ای مناسب برای اجرای عملیات یا پوششهای سطحی باشد، باید کیفیتهای زیر را احراز کند: ›دارای طراحی خوبی باشد، یعنی حتی‌المقدور عاری از فرمهای تنش‌زا باشد تا در عملیات حرارتی یا به هنگام تولید دچار ترک و خرابی زودرس نشود، ›از فولاد مناسبی ساخته شده و سطح سختی آن نیز متناسب با نوع فولاد و کاربرد ابزار باشد تا بتواند خواص فیزیکی و متالورزیکی مورد انتظار را برآورده کرده و حداکثر کارآیی را از خود نشان دهد ››به هنگام عملیات حرارتی، دقت و توجه کافی به جنبه‌هاسی مختلف این عملیات شده باشد، تا علاوه بر سختی، دیگر خواص فیزیکی و متالورژیکی مورد نیاز در آن ایجاد گردد.

›بسیاری از ابزارها و قالبها به دلیل وجود عیوب حاصل از طراحی نامناسب، عملیات حرارتی ضعیف و انتخاب فولاد نامناسب، به هنگام تولید خیلی زود از بین می‌روند.

البته تجربه نشانداده است که علت اصلی این عیوب، عملیات حرارتی نامناسب بر روی فولاد بوده است.

عدم توانایی در حفظ ترکیب شیمیایی سطح فولاد به هنگام گرم کردن، کوئنچ کردن فولاد در حالی که هنوز به قدر کافی گرم نشده است، عملیات تمپرینگ ناکافی و گرم کردن بیش از حد فولاد برای سختکاری از جمله این علل هستند.

بنابراین بدون در نظر گرفتن اینکه عملیات سطحی می‌تواند بر کیفیت مقاومت سایشی فولاد بیفزاید، باید ابزار فولاد با دقت و حوصله و در شرایط بهینه عملیات حرارتی شود.

›کربن دهی ›کربن‌دهی (Carburizing) باعث می‌شود که میزان کربن در سطح فولاد افزایش یابد.

برای این کار، ابزار فولادی را در دمایی معادل 1700 oF(927 oC) در معرض یک ماده پرکربن (جامد،‌ مایع یا گازی) قرار می‌دهند تا کربن به سطح فولاد نفوذ کند.

پس از کربن‌دهی، ابزار فولادی باید کوئنچ شود.

بدین‌ ترتیب سطح فولاد که کربن بیشتری دارد، سخت‌تر از عمق آن خواهد شد و مقاومت سایشی ابزار افزایش خواهد یافت.

››نیتراسیون گازی ›در عملیات نیتراسیون گازی (Gas nitriding)،‌ قطعه کار در یک کوره با اتمسفر گاز آمونیاک تا دمای 900-1150F (482-621C) به مدت طولانی حرارت داده می‌شود.

بدین ترتیب در ضخامت کمی از سطح فولاد، نیتریدهایی تشکیل می‌شود که خیلی سخت هستند.

ابزارهای نیتروره شده، مقاومت سایشی فوق‌العاده‌ای دارند و سطح آنها کم اصطکاک است، به طوری که از چسبندگی و جوش خوردن آنها به قطعات مجاور جلوگیری می‌شود.

مخصوصا در مواردی که سایش فلز بر روی فلز مطرح باشد، استفاده از نیتراسیون مفید خواهد بود.

مقاومت در برابر خستگی ابزارهای نیتروره شده نیز بالا است.

››سیانوره کردن ›سیانوره کردن یا غوطه‌ور کردن فولاد در حمام سدیم سیانید در محدوده دمایی 1350-1600F (732-871C) یعنی کمی بالاتر از دمای تبدیل ساختاری فولاد انجام می‌شود.

انتخاب دمای حمام بستگی به گرید فولاد دارد.

با توجه به نیتریدها در این حمام، یک لایه سطحی بسیار سخت بر روی ابزار فولادی به وجود می‌آید که مقاومت سایشی خیلی زیادی (نزدیک به مقاومت سایشی فولادهای نیتروره شده) خواهد داشت.

››کربونیتراسیون ›کربونیتراسیون که سیانوره کرده گازی نیز نامیده می شود، شبیه به عملیات سیانوره کردن است، با این تفاوت که هم کربن و هم نیتروژن به سطح فولاد نفوذ می‌کنند.

قطعه کار در یک کوره که اتمسفر آن حاوی هیدروکربنها و آمونیاک است، تا محدوده دمایی 1200-1650F (649-899C) حرارت داده می‌شود.

قطعات پس از کربونیتراسیون، کوئنچ و تمپر می‌شوند و یک سطح سخت و مقاوم در برابر سایش پیدا می‌کنند.

››رسوب‌دهی بخار فیزیکی یا PVD ›PVD یک روش ایجاد پوشش‌های سخت بر روی ابزارها در خلاء و دمای پایین است.

ابزارها را در راکتور دستگاه قرار داده شده و محفظه راکتور از هوا تخلیه می‌شود تا در آن خلاء نسبی به وجود آید.

با تخلیه الکتریکی و تشکیل پلاسمای حاوی یونهای تیتانیم و نیتروژن می‌توان یک پوشش Tin به روش PVD بر روی ابزاها نشاند.

یونهای تیتانیم در اثر فرایندهای تبخیر واکنشی فعال و پاشش واکنشی به وجود می‌آید.

انرژی مورد نیاز برای ایجاد واکنشهای شیمیایی مورد نیاز از طریق یک میدان الکتریکی پر انرژی تامین می‌شود.

››سطوحی که باید پوشش کاری شوند در راستای منبع ایجاد پوشش قرار داده می‌شوند.

برای این منظور، ابزارها باید درون محفظه راکتور قرار گیرند.

چنانچه قسمت‌هایی از ابزار نیاز به پوشش کاری نداشته باشد، باید با استفاده از ماسک مخصوص آن قسمت‌ها را جدا پوشاند.

به روش PVDمی‌توان از جنس تیتانیم نیترید، تیتانیم کربونیترید، کرم نیترید و کرم کاربید بر روی ابزار ایجاد کرد.

ضخامت پوشش‌های PVD تقریب 0.00008-0.00020 in می‌باشد.

با توجه به این که عملیات PVD در دمای پایین (دمایی به مراتب پایین‌تر از محدوده تمپرینگ اغلب فولادها) انجام می‌‌شود، لازم نیست عملیات حرارتی دیگری بر روی ابزار انجام شود.

پوشش دادن ابزارهایی که تلرانس ابعادی دقیقی دارند، به روش PVD نسبت به روش CVD ارجحیت دارد.

روش PVD معمولا برای پوشش کاری ابزارهای برشی استفاده می شود.

رسوب‌دهی بخار شیمیایی یا CVD ›روش پوشش دهی CVD در حال حاضر رایج‌ترین فرایند برای بهبود کیفیت سطوح ابزارها، در بین تولیدکنندگان است.

در این روش قطعه کار درون محفظه یک راکتور قرار گرفته و تا دمای 1850-2000F(1010-1093C) حرارت داده می‌شود.

گازهای موجود در فضای راکتور شامل عناصری هستند که باید به صورت پوشش بر روی ابزار رسوب کنند.

این گازهای تحت شرایط کنترل شده به راکتور وارد می‌شوند.

ضخامت پوشش CVD خیلی کم و در حدود 0.00024 -0.00040 in است.

با این روش می‌توان پوشش‌هایی از جنس Al2O3, TINC, TIC, TIN و گاهی چند لایه مختلف از این مواد را بر روی ابزار به وجود آورد.

›پوشش CVD مخصوصا برای ابزارهایی مناسب است که در معرض تنشهای فشاری سنگین قرار می‌‌گیرند مثلا قالبهای اکستروژن، فرم دادن و کشش.

›با توجه به دمای بالا به هنگام پوشش دهی CVD لازم است ابزارهای فولادی پس از پوشش کاری مجددا عملیات حرارتی شوند تا سختی مورد نیاز در فولاد زیر ساخت به وجود آید و ساختار فولاد نیز از نظر متالورژیکی بازیابی گردد.

››نیتروکربوره کردن فریتی ›عملیات نیتروکربوره کردن فریتی یک عملیات سختکاری سطحی با عمق نسبتا زیاد است که می‌توان آن را در کوره‌های با اتمسفر کنترل شده و یا در کوره‌های با بستر روان انجام داد.

لایه سخت شده بر روی ابزار به واسطه ترکیب نیتروژن، آمونیاک و گازهای هیدروکربنی با سطح ابزار ایجاد می‌شود و سختی این لایه حداقل 70 HRC می‌باشد که بسیار مقاوم در برابر سایش خواهد بود.

این عملیات در دمای نسبتا پایین 600-1200F(316-469c) اجرا می‌شود.

›در صورتی که این فرایند به صورت نرمال انجام شود ضخامت لایه سخت شده 0.003-0.005 in (0.08-0.13 mm) خواهد بود.

با اجرای سیکل دو مرحله‌ای ضخامت لایه به .0010-0.015 in (0.25-0.38 mm) افزایش می‌یابد.

تغییرات ابعادی برای یک سیکل نرمال تقریبا( 0.0001-0.0002 in (2.5-5 برای هر طرف می باشد.

›تمپرینگ برودتی عمیق (DCT) ›در عملیات تمپرینگ برودتی عمیق یا DCT ابزارها و قالب‌ها در معرض دماهای به شدت پایین در حد 300F (-184C) یعنی دمای نیتروژن مایع قرار داده می‌شوند.

عملیات برودتی در دماهای 120F (-84C) انجام می‌گیرد.

›تجهیزات DCT می‌توانند یک عملیات برودتی خشک تحت کنترل را تدارک ببینند.

به عبارت دیگر این فرایند بر اساس یک جدول زمانی دقیق از پیش تعیین شده اجرا می شود.

سرعت سرد کردن، نگهداری در دمای فرایند و گرم شدن قطعه کار توسط کامپیوتر کنترل می‌گردد.

›مزیت اصلی این عملیات، بهبود مقاومت سایشی ابزارها است.

این عملیات نه تنها بر روی سطح، بلکه در عمق قطعه کار نیز تاثیر دارد.

بنابراین خواص ایجاد شده در ابزار، در اثر سنگ‌زنی و سایش سطح نیز از بین نمی‌رود.

این خواص به علت تبدیل کامل آستنیت باقی مانده در فولاد به مارتنزیت و اشباع کاربیدهای ریزدانه که باعث افزایش استحکام و چقرمگی و ثبات ابعادی نیز می‌شود.

طبق گزارشات تهیه شده، این عملیات سطحی باعث بهبود خواص کلی همه فولادهای ابزار سختکاری شده می‌شود (البته به جز فولادهای سخت شونده در آب) این فرایند بر روی ابزارهای کاربیدی، فولادهای ریخته‌گری شده و چدنها نیز با موفقیت اجرا شده است.› ›یون نشانی با منبع پلاسما یا PSLL ›یون نشانی با منبع پلاسما یک روش جدید است که در دمای پایین اجرا می‌شود و می‌تواند یک لایه سخت و مقاوم در برابر سایش بر روی سطوح قطعات با فرم‌های هندسی پیچیده به وجود آورد.

قطعه کار در یک محفظه خلاء قرار می‌گیرد که در آن یک جریان پلاسما حاوی ماده پوشش برقرار شده است.

قطعه کار به یک منبع ولتاژ قوی پالسی با بار منفی وصل می‌شود.

در نتیجه یونها که بار مثبت دارند، به طرف سطح قطعه کار شتاب می‌گیرند و با سرعت به آن برخورد می‌کنند.

نفوذ یونها به داخل لایه سطحی باعث تغییرات شیمیایی و ریزساختاری در فولاد، متناسب با نوع یون جذب شده می‌شود.

روش Psll در واقع یک نوع پوشش کاری نیست، بلکه ترکیبی از بارورسازی فلز زیرساخت و یک لایه سطحی کامل شده می‌باشد.

در واقع لایه سطحی و فولاد لز زیرساخت، واحد و یکپارچه هستند.

به علاوه روش PSll یک عملیات نیست بلکه ترکیبی از چند عملیات است که همگی در دمای محیط انجام می‌شوند.

›نیتراسیون یونی ›در عملیات نیتراسیون یونی نیز یک لایه سطحی نیتریدی سخت بر روی ابزار ایجاد می شود.

در این عملیات از تخلیه الکتریکی تابشی برای تولید یونهای نیتروژن و گسیل آنها به طرف سطح برای نفوذ در قطعه فلزی استفاده می‌گردد.

این عملیات در واقع یک فرایند حرارتی شیمیایی است که در یک کوره خلاء و با به کارگیری انرژی الکتریکی قوی برای ایجاد یک جریان پلاسما، اجرا می‌شود.

جریان پلاسما باعث جدایش مولکولها و شتاب دادن آنها به طرف سطح قطعه کار می‌گردد.

این مولکولها در برخورد با سطح، باعث تمیز کردن آن و به وجود آمدن نیتروژن فعال برای نفوذ در سطح می‌شوند.

عمیق نفوذ نیتروژن در فرایند نیتراسیون یونی .005-0.020 in (0.13-0.5 mm) و سختی سطحی حاصله در حدود 60-65HRC خواهد بود.

›لایه نیتروره شده، مقاوم به سایش، خستگی و خوردگی است و در برابر خراش نیز مقاومتی عالی دارد.

در صورتی که زبری میکروسکوپی این سطح کمی بیشتر باشد، با نگهداشتن مواد روانکار در خود، سطحی لغزنده به وجود می‌آورد.

دمای اجرای این فرایند نسبتا پایین است(371-649c معادل (700-1200F و نسبت به عملیات نیتراسیون معمولی، اعوجاج کمتری در قطعات به وجود می‌آورد.

›رسوب‌دهی میکروپلاسما ›رسوب‌دهی میکروپلاسما فرایندی برای ایجاد پوشش‌های سخت با ترکیبات متنوع بر روی ابزارها است که رایج‌ترین این پوشش‌ها از جنس تنگستن کاربید و کرم کاربید هستند.

این فرایند، اسپری حرارتی پلاسما نیز نامیده می‌شود.

›در این عملیات عناصری که قرار است به عنوان پوشش استفاده شوند، به شکل پودر به درون یک جریان پلاسمای پر سرعت وارد شده، به فرم نیمه ذوب در می‌آیند و به طرف قطعه کار شتاب گرفته، با سرعت تقریبی 8000ft/sec(2.4km/sec) به سطح ابزار برخورد می‌کنند.

در حالت عادی ضخامت پوشش 0.0005-0.0015 in (0.013-0.038mm) و سختی آن (برای پوشش‌های تنگستن کاربید و کرم کاربید) در حدود 66 HRC می‌باشد.

›اگر چه مواد پوشش به صورت نیمه‌ ذوب شده به قطعه کار برخورد می‌کنند، ولی دمای سطح در این فرایند فقط تا اگر چه مواد پوشش به صورت نیمه ذوب شده به قطعه کار برخورد می‌کنند، ولی دمای سطح در این فرایند فقط تا (660C) افزایش می‌یابد.

ابزارهای پوشش داده شده به این روش، بر اساس نیازهای مشتری، ممکن است با سطحی مات یا پولیش شده کامل عرضه شوند.

قبل از اجرای این فرایند پوشش‌کاری، سطحی ابزار باید به روش سندبلاست با مواد خاصی، آماده‌سازی گردد.

›پوشش‌کاری CVD به کمک پلاسما ›فرایند پوشش کاری CVDبه کمک پلاسما برای پوشش دادن سطوح ابزارها با کربن آمورف شبه الماس به کار می‌رود.

همانند روش PVD در فرایند CVD به کمک پلاسما نیز از تجهیزات با خلاء زیاد استفاده می‌شود.

این عملیات با تخلیه الکتریکی فرکانس بالا آغاز می‌شود.

در ابتدای عملیات، فضای کوره دارای گاز آرگن است و سطح قطعه کار با تخلیه الکتریکی تمیز شده و فعال می‌گردد.

سپس اتمسفر کوره از آرگن تخلیه و به جای آن مخلوطی از هیدروکربنها و هیدروژن شارژ می‌شود.

اختلاف جنبشی یونهای مثبت و الکترونهای منفی و اختلاف پتانسیل بین این یونها و سطح قطعه کار باعث ایجاد یک پلاریزاسیون منفی در قطعه کار شده و در نتیجه یونها به سمت سطوح قطعه کار شتاب می‌گیرند.

›میزان انرژی اعمالی در این فرایند، تعیین کننده وضعیت و کیفیت پوشش خواهد بود.

اگر انرژی اعمالی کم باشد، پوشش به صورت نرم و پلیمر مانند می‌شود.

اگر انرژی خیلی زیاد باشد، پوشش گرافیت مانند به وجود می‌آید.

بنابراین برای ایجاد یک پوشش کربنی شبه الماس، سخت و آمورف، لازم است که کنترل دقیقی بر روی پتانسیل DC فشارهای جزیی و شدت جریان گاز در کوره به عمل آید.

›فرم هندسی ابزار نیز بر کیفیت پوشش موثر است.

معمولا برای هر قطعه کار با فرم خاص، از یک فیکسچر خاص باید استفاده شود.

با توجه به این که عناصر جذب شده در سطح قطعه کار، همگی از گازهای موجود در اتمسفر کوره جدا شده اند، ضخامت پوشش نهایی بسیار یکنواخت خواهد بود.

دمای اجرای این فرایند پایین است و بنابراین می‌توان قطعاتی از جنس آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیم و حتی پلاستیکها را نیز با این روش پوشش داد.

توان پرتاب یونها در این فرایند به شدت و فرم هندسی تخلیه الکتریکی بستگی دارد.

›پوشش کربنی شبه الماس امورف حاصل از این فرایند دارای سختی بالا وضریب اصطکاک بسیار پایین است و مقاومت در برابر خوردگی بالایی در تماس با اسیدها، قلیاها و حلالها دارد.