کشش عمیق در فولاد ضد زنگ

کشش عمیق در فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکل به معنای ایجاد تعادل بین ویژگی‌هایی متضاد است. تنظیم مقادیر سختی و سایر خواص مکانیکی، متناسب با فرآیندهای تولیدی به تصمیم‌گیری در انتخاب آلیاژ مناسب کمک می‌کند. فرض کنید در یک کارخانه قرار است قطعه‌ای از فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل تولید شود. تا به اینجای کار هیچ مشکلی وجود ندارد تا اینکه متوجه می‌شوید استحکام و خواص مکانیکی مواد اولیه از آن چیزی که گفته‌شده، کمی بالاتر است. در آن صورت که است فرایند شکل‌گیری و فرم‌پذیری قطعه سخت و طاقت‌فرسا خواهدشد. نقش و تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد و فرایندهای تولید ورق شامل موارد مختلفی هستند که در رفتار فلز در فرایندهای تولیدی بعدی تاثیر قابل توجهی دارند. در این مطلب به تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد و بخصوص فولاد ضدزنگ و سایر عوامل موثر بر کشش عمیق می‌پردازیم، برای اطلاعات بیشتر با ما همراه باشید.

مواد ایده‌آل

به‌طورکلی پِرس‌کار‌ها و صنعت‌گرانی که با فرم‌دهی ورق فولاد سروکار دارند، مواد انعطاف‌پذیر را ترجیح می‌دهند که قابلیت کارسرد داشته باشند. این در حالی است برخی از آلیاژها قابلیت شکل‌پذیری مناسبی ندارند. آلیاژهای استنلس استیل معمولاً دارای ویژگی‌هایی همچون استحکام و سختی بالا هستند. حالا منظور از مواد ایده‌آل چیست؟

در واقع مواد ایده‌آل شامل آلیاژهایی هستند که در حین فرم‌دهی می‌توانند به‌راحتی شکل مورد نظر را بگیرند؛ اما بلافاصله بعد از اینکه به یک قطعه تبدیل می‌شوند، استحکام کافی را خواهند داشت. اگر یک سری از تدابیر در تولید فولاد ضدزنگ لحاظ گردد ، به این ماده ایده‌آل نزدیک شود. اینجا است که تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد (آشنایی با انواع آلیاژ استیل و خواص آن‌ها) مشخص خواهد شد. همچنین با برخی عملیات حرارتی، سخت‌کاری و کار سرد نیز می‌توان فولاد ضدزنگ را به یکی از ایده‌آل‌ترین مواد تبدیل کرد.

شکل‌پذیری

در این بخش به فرایند فرم‌پذیری ورق استیل خواهیم پرداخت. رخداد شکل‌پذیری را جایی بین استحکام تسلیم و استحکام کششی شاهد خواهیم بود. اگر از حد تسلیم عبور نکنیم، در آن صورت تغییر فرم نیز اتفاق نخواهد افتاد؛ اما عبور از مرز استحکام کششی یا مقاومت کششی، باعث شکست مواد خواهد شد. اگر فولاد مقاومت از نوع استحکام بالا باشد، در آن صورت، فاصله که بین تنش تسلیم و مقومت کشش کم می‌شود، و این امر باعث کاهش قابلیت فرم‌پذیری خواهد شد. می‌خواهید به فولاد ضدزنگ با شکل‌پذیری مطلوب و استحکام کششی مناسب دست پیدا کنید، باید یک سری عملیات اضافه روی آن اعمال شود؛ در غیر این صورت نمی‌توانید انتظار بیهوده داشته باشید.

زمانی که یک قطعه مراحل فرم‌دهی در قالب چند مرحله‌ای یا پروگرسیو را طی می‌کند، تحت کار سرد ناشی از فشارهای مراحل اولیه قالب سخت می‌شود. این کار مواد اولیه را تبدیل به جسم نیمه‌سخت می‌کند. در چنین شرایطی که فولاد اولیه سخت می‌شود، تکنسین پرس‌کار چندین گزینه پیش‌ روی خود دارد. شاید اولین راه‌کار این باشد که قالب تقویت شود و از پرس با تناژ بالاتری استفاده شود. این کار هزینه بالایی دارند. همچنین باعث می گردد قالب مربوطه زود فرسوده شود. برای اینکه بتوان به عملکرد درست ماده مربوطه پی‌برد، پیشنهاد می‌شود آزمایش‌های کشش در مراحل مختلف روی آن انجام گیرد.

گزینه بهتری که می‌توانید از آن برای شکل‌دادن قطعات استفاده کنید

پیشنهاد دیگر این است که ابتدا قطعات تغییرشکل داده شوند. سپس عملیات حرارتی جهت افزایش سختی و استحکام انجام گیرد. برای اینکه تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد مشاهده شود، باید فاکتورهای مختلفی در نظر گرفته شوند. یکی از آن‌ها انعطاف‌پذیری کافی برای کارسرد است. همچنین میزان سختی نیز باید کافی باشد تا بتواند مشخصات مکانیکی مورد انتظار قطعه را به‌خوبی برآورده کند. از سختی می‌توانیم به‌عنوان نشانه استحکام یاد کنیم.

در آلیاژهایی مثل انواع استنلس استیل که عملکرد بالایی دارند، تنها نباید به‌سختی توجه داشت. خریدار و سفارش‌دهنده چنین فولادهایی به فاکتورهای گوناگون دیگری نیز توجه دارند که از جمله آن‌ها می‌توانیم به مقاومت در برابر خوردگی فلزات، حفظ مشخصات مکانیکی در دماهای بالا و… اشاره کنیم. کارخانه‌های فولاد باید بتوانند آلیاژی تولید کنند که مشخصات مورد انتظار مشتریان را داشته باشند. البته نکته قابل‌توجه دررابطه‌ با این موضوع کم‌کردن هزینه و تولید مقرون به صرفه است. در مجموع روش‌های گوناگونی وجود دارند که با کمک آن‌ها می‌توان هزینه‌ها را در مراحل مختلف کاهش داد؛ از آن جمله:

• کم‌کردن تعداد مراحل نورد و کوره در تولید ورق
• کم‌کردن مراحل قالب در تولید قطعه
• استفاده از ورق با ضخامت کمتر در مراحل طراحی

درجات سختی

در این بخش از مطلب تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد می‌خواهیم به درجات سختی فولاد بپردازیم. طبق تعاریف استاندارد ASTM سختی فولادهای کم کربن دارای درجات مختلفی است که از جمله آن‌ها می‌توانیم به سطوح زیر اشاره کنیم:

• فولاد یک‌چهارم سخت که بصورت اسمی حداقل 125000 psi استحکام کششی دارد
• نیم ‌سخت که بصورت اسمی حداقل 150000 PSI استحکام کششی دارد
• سه‌چهارم سخت که بصورت اسمی حداقل 175000 PSI استحکام کششی دارد
• تمام سخت که بصورت اسمی حداقل 185000 PSI استحکام کششی دارد

فاکتورها و عوامل مختلفی وجود دارند که می‌توانند روی میزان سختی فولاد تاثیر بگذارند. به‌عنوان‌مثال درجات سختی فوق با کارسختی ناشی از کاهش یا افزایش عملیات نورد و عملیات آنیل کردن می‌تواند به دست آید. مقادیر سختی که در این بخش ذکر کردیم، کاملاً واقعی هستند و می‌توانند فقط ناشی از شرایط تولید ورق و فرآیندهای مربوطه باشند. پس مشاهده می‌کنید که چگونه ممکن است ورق استیل تولید کارخانجات مختلف در زیر پرس و قالب رفتار مختلفی از خود نشان دهد.

فولاد ضدزنگ سری ۳۰۰

در این بخش به نکاتی درباره کشش عمیق ورق استیل خواهیم پرداخت. فولادهای ضدزنگ آستنیتی سری ۳۰۰ با روش‌های کارسرد قابلیت سخت شدن دارند ولی قابلیت عملیات حرارتی ندارند. از آنجا که کار سرد در محدوده پلاستیک بین استحکام تسلیم و استحکام کششی اتفاق می‌افتد، نگاهی به جدول خواص ممکن است نشان دهد که استنلس استیل گرید ۳۰۱ انتخاب خوبی برای قطعات پرسی است زیرا محدوده استحکام تسلیم و مقاومت کششی آن نسبتاً گسترده است. این گرید استیل، کشش زیادی را تحمل می‌کند، اما تمایل زیادی به کارسرد دارد. به همین دلیل، ۳۰۱ برای فرآیند کشش عمیق توصیه نمی‌شود.

فولاد ضدزنگ گرید ۳۰۵ با اینکه محدوده‌ی بین استحکام کششی و تسلیم بسیار باریک‌تری دارد، انتخاب مناسب‌تری برای فرایند فرم‌دهی با کشش عمیق است. حدود ۹۰% قطعاتی که به کشش عمیق نیاز دارند، از گرید ۳۰۵ استفاده می‌کنند. همچنین در آلیاژ ۳۰۵ مقدار نیکل بالاتر است؛ به همین علت هنگام تغییر شکل‌، سختی ماده با ‌سرعت کمتری افزایش می‌یابد. لازم به ذکر است درصد ازدیاد طول یا الانگیشن با سرعت بسیار بالایی کاهش می‌یابد و کم می‌شود؛ به همین علت در عملیاتی که کشش خیلی عمیق مدنظر است، استفاده از آن چندان پیشنهاد نمی‌شود. از فولاد ضدزنگ گرید ۳۰۲ می‌توانیم به‌عنوان یک انتخاب میانه یاد کنیم. خواص مکانیکی و شکل‌پذیری آن چیزی مابین ۳۰۱ و ۳۰۵ است؛ بنابراین این قابلیت را دارد تا مزایا و معایب هر دو آلیاژ را ارائه دهد.

فولاد ضدزنگ سری ۴۰۰

فولادهای ضدزنگ مارتنزیتی سری ۴۰۰ در واقع همه‌کاره هستند؛ زیرا استحکام‌بخشی آن‌ها با کمک عملیات حرارتی و کار سرد امکان‌پذیر است. آلیاژهای سری ۴۰۰ حتی در حالت آنیل کم می‌توانند استحکام بیشتری نسبت به فولادهای کربنی نشان دهند. درصد ازدیاد طول آن‌ها معمولاً پایین‌تر است و در مجموع فلزات سخت‌تری هستند. پس در حین عملیات فرم‌دهی به نیروی بیشتری نیاز است.

هنگامی که قطعات در حین پرس‌کاری به اندازه کافی سخت نمی‌شوند، تولید کننده گزینه دیگری دارد – عملیات حرارتی. در فرآیند عملیات حرارتی قطعات بعد از دستیابی دما به 950 تا 1010 درجه سانتیگراد از کوره خارج می‌شوند. سپس برای اینکه به‌سختی مورد نظر برسند، با روند خاصی سرد خواهند شد. فولاد ضد زنگ گرید 410 معمولاً بین 35 تا 45 درجه راکول قابل سخت شدن است، در حالی که گرید 420 تا حدود 50 درجه و گرید 440A بین 50 تا 60 درجه راکول سخت می‌شوند.

این گریدها با قابلیت سخت شوندگی بالا لحاظ می‌شوند. بنابراین کوئنچ در دمای محیط معمولاً به نتایج مطلوبی می‌رسد. کوئنچ آب و روغن در موارد خاص از گزینه‌های دیگر هستند. برای گریدهای 420 و 440A از قطعات تنش‌زدایی کنید تا از شکنندگی جلوگیری شود. این موضوع ممکن است برای ورق فلزی مطرح نباشد، اما سایر انواع مواد اولیه قابل انجام است.

فولادهای ضدزنگ رسوب سخت

اگر گریدهای مارتنزیتی به اندازه کافی قابلیت سخت شوندگی ندارند، فولاد زنگ نزن رسوب سخت گزینه مناسبی است. این گروه از فولادهای ضد زنگ حاوی مقادیر کمی مس، آلومینیوم، فسفر یا تیتانیوم هستند. قطعات به صورت سرد فرم‌دهی شده و در شرایط بازپخت با محلول نسبتاً سبک رسوب‌سخت می‌شوند، که در این عملیات عناصر افزوده شده به عنوان ترکیبات بین فلزی رسوب سختی ایجاد می‌کنند که سختی و استحکام فلز را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند.

فولاد زنگ نزن رسوب سخت مانند 17-4PH، 17-7PH، A286 و AM350 مشابه هستند و بسته به در دسترس بودن گرید و عملیات مورد نظر، ممکن است به جای یکدیگر استفاده شوند. با توجه به افزایش قابل توجه بین میزان سختی آنیل شده و نهایی، عملیات حرارت تکمیلی این آلیاژها بسیار مورد توجه هستند.

آلیاژهای 17-4PH و A286 را می‌توان با عملیات حرارتی مختلفی از شرایط آنیل‌کردن یا محلول‌کاری گرفته تا مجموعه‌ای از عملیات‌ سرد، به خواص شگفت‌آوری رساند. با چندین عملیات حرارتی و تمپر کردن، می‌توانید به ویژگی‌های خاص دست‌یابید. چرخه‌های عملیات حرارتی را با یک متالورژیست مجرب بررسی کنید تا نتایج بهینه برای شکل‌پذیری و استحکام را به‌دست آورید.

نیکل و آلیاژهای نیکل

به مبحث مهم دیگری از تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد می‌رسیم. آلیاژهایی که دارای نیکل بالایی هستند، راحت‌تر می‌توانند تغییر فرم دهند. در آلیاژهای اختصاصی به‌غیراز نیکل خالص، شاهد حضور مواد دیگری نیز هستیم که از جمله آن‌ها می‌توانیم به مونل Monel 400 و اینکونل Inconel 718 و Inconel 800 اشاره کنیم. در آلیاژهایی دیگری که مبتنی بر نیکل هستند و با روش نورد سرد تولید می‌شوند، با اینکه چقرمگی بالایی دارند می‌توان نسبت به آنیل کردن اقدام کرد تا از این طریق باعث بهبود قابلیت شکل‌پذیری شویم.

این آلیاژها شامل Inconel 625، Hastelloy C-276، Hastelloy X و Haynes 230 می‌شوند. Inconel 718 این قابلیت را دارد تا با کمک عملیات سرد کار ،سختی آن را افزایش داد. همچنین با کمک روش‌های استاندارد عملیات حرارتی می‌توان Inconel 718 را به درجه 180000 PSI رساند. البته اگر می‌خواهید پارامترهای دیگر همچون شکل‌پذیری و مقاومت را نیز بهینه‌سازی کنید، به شما پیشنهاد می‌کنیم حتماً از یک متخصص متالورژی مجرب کمک بگیرید.

سایر عوامل مؤثری

در ادامه مقاله تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد، قصد داریم به عوامل و پارامترهای دیگری مانند اندازه دانه‌بندی، جهت نورد و برگشت فنری ورق نیز اشاره کنیم که در آماده‌سازی آلیاژ برای کشش عمیق و فرم‌پذیری بهتر نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند. در اینجا در مورد یکی از این عوامل یعنی اندازه دانه بیشتر توضیح می‌دهیم.

اندازه دانه

تست‌های ضربه را نمی‌توان نشانگر خوبی برای سنجش سختی و فرم‌پذیری مواد نسبتاً نرم دانست؛ ازاین‌رو از اندازه دانه به‌عنوان پارامتری جهت نشان‌دادن قابلیت شکل‌پذیری مواد بهره برده می‌شود. اندازه دانه باید ثابت باشد تا شاهد فرم‌پذیری مطلوبی باشیم. برای کنترل‌ اندازه دانه باید بر دمای کوره آنیلینگ و همچنین سرعت عبور مواد، نظارت دقیقی داشت. اگر اندازه دانه‌ها درشت باشند یا یکنواخت نباشند، در آن صورت دیواره قطعه در کشش عمیق حالت زبر و پوست پرتقالی پیدا می‌کند.

در صورتی که دانه‌بندی مواد ریز باشد نیز فرایند شکل‌پذیری سخت خواهد شد. طبق استاندارد ASTM برای درجه‌بندی اندازه دانه، مقدار 00 برای بزرگترین دانه‌بندی و نرم‌ترین ماده و 13 برای ریزترین دانه‌بندی در نظر گرفته می‌شود. به این ترتیب بهترین اندازه دانه برای کشش عمیق بین 6 تا 10 می‌باشد و برای بلنک 9 تا 12 مناسب است. به هرحال بهینه سازی و تعادل بین میزان فرم‌پذیری و استحکام موضوعی پیچیده و چالش برانگیز است. همچنین در نهایت عمق کشش، پیچیدگی قطعه و تعداد مراحل و طراحی قالب نیز از عوامل بسیار تاثیرگذار هستند.

سخن آخر

در صنایع مختلف فلزی برای ساخت قطعات و بخصوص قطعاتی که از ورق فلزی با پرس‌کاری تولید می‌شوند به انواع فلزات و آلیاژها به دقت توجه می‌شود. ویژگی‌ها و خواص مکانیکی آلیاژها علاوه بر ایجاد خصوصیاتی مثل استحکام، باعث قابلیت‌های تولیدی مختلف نیز می‌شوند. از طرف دیگر فرایندهای تولید مواد خام و قطعه‌سازی نیز بر رفتار و خواص فلزات تاثیرگذار هستند. مجموع این عوامل چالش‌هایی را پیش روی صنعت‌گران قرار می‌دهد و از طرف دیگر انگیزه‌ای برای توسعه روزافزون مواد و آلیاژهای جدید می‌شود. پیشنهاد آلیاژهای جدید یکی از این راهکارها است، ولی تاثیر فرایندها و عملیات تکمیلی بر روی مواد فلزی نیز بسیار زیاد است. در این مطلب سعی کردیم به بررسی تاثیر عناصر آلیاژی و عملیات تکمیلی بر فولاد بپردازیم و مهم‌ترین راهکارها جهت ایجاد خصوصیات کشش‌پذیری بهتر را با شما به اشتراک بگذاریم.

گروه صنعتی فولاد کاران

گروه صنعتی فولاد کاران از سال ۱۳۷۰فعالیت خود را در زمینه‌ی تولید و تامین مقاطع مختلف فولادی و آهن, از قبیل میلگردهای فولادی و آلیاژی , میلگردهای ساختمانی, انواع مقاطع ترانسمیسیون , ورق‌های آلیاژی , ورق‌های روغنی و سیاه و گالوانیزه‌ی هفت الماس ,آغاز نموده است . تلاش مجموعه فولادکاران در این مدت در جهت رضایتمندی و تامین دقیق سفارشات معطوف بوده است.
ما را در شبکه‌های اجتماعی دنبال کنید:
اینستاگرام : https://instagram.com/foladkaran.tehran?igshid=MWZjMTM2ODFkZg==
فیسبوک: https://www.facebook.com/jamal.fazli.948
لینکدین: https://www.linkedin.com/in/jamal-fazli-65890a1b6
پینترست: https://nl.pinterest.com/fuladk
آپارات: https://www.aparat.com/FuladKaran