العمل الساخن يتطلب الفولاذ مقابل الفولاذ أداة العمل البارد: ما هو المناسب لي؟

في الصناعة التحويلية، غالبًا ما يتم تشكيل المنتج وتجميعه باستخدام أدوات مصنوعة من الفولاذ. تتراوح هذه الأدوات من الأدوات المألوفة وغير المتخصصة، مثل المثاقب والمفكات، إلى المعدات الأكثر تخصصًا مثل قوالب صب المعدن المنصهر أو لتشكيل أجزاء مثل ألواح السيارات (في الهندسة، التشكيل يعني الحدادة أو الختم). هناك أنواع كثيرة من الأدوات الفولاذية. عادةً ما يتم اختيار فولاذ الأدوات المستخدم في قطع المعادن من عائلة تسمى الفولاذ عالي السرعة (HSS)، والتي تحمل هذا الاسم لأنها تظل صلبة ومقاومة للتآكل حتى 600 درجة مئوية (C). يمكن لـ HSS قطع المعادن بسرعات عالية مقارنة بأدوات الفولاذ العادي، والتي تبدأ في التليين عند درجة حرارة أعلى من 200 درجة مئوية تقريبًا. يوجد تمييز مماثل بين أنواع الفولاذ المستخدمة في صب أو تشكيل المعدن. في تلك العمليات، يتحدث المهندسون عن فولاذ أدوات العمل الساخنة وفولاذ أدوات العمل الباردة. يُستخدم فولاذ أدوات العمل الساخن في القوالب التي تحمل المعادن المنصهرة مثل الألومنيوم والزنك في مكانها حتى يصلب السائل، أو لتشكيل المعدن فوق 200 درجة مئوية (تقريبًا)، بينما يُستخدم فولاذ أدوات العمل البارد لتشكيل المعدن تحت نفس الدرجة درجة حرارة.

المقدمة

في الصناعة التحويلية، يكون لمصطلحي "أداة" و"فولاذ الأداة" معنى تقني خاص. يتم استخدامها لوصف جزء من آلات التصنيع الذي يتلامس مع المنتج، والفولاذ الذي يصنع منه هذا الجزء، إذا كان مصنوعًا من الفولاذ (كما هو الحال عادةً).

يمكن استخدام الأدوات، المعرفة على هذا النحو، لأغراض القطع أو الصب أو التشكيل.

القطع:  هو الإجراء الذي يتم تنفيذه بواسطة مثقاب، أو أداة ذات نقطة واحدة على مخرطة. إنه أيضًا الإجراء الذي يتم تنفيذه بواسطة الأدوات متعددة النقاط لآلة الطحن أو شفرة المنشار.

صب هي عملية تثبيت المعدن المنصهر، أو أي مادة منصهرة أخرى، في مكانه حتى يتصلب.

تشكيل هي عملية تشكيل أو ثني أو ختم قطعة عمل صلبة، بحيث يتغير شكلها دون فقدان المادة.

في بعض الأحيان يتم الجمع بين هذه الإجراءات، على سبيل المثال، عندما تقطع مكبس دائرة في صفيحة معدنية وتشكلها في نفس الوقت على شكل قاعدة قدر.

في هذا الاستخدام الفني، يُشار عمومًا إلى الآلة التي تحمل الأداة، والمواد التي تُصنع منها الآلة التي تحمل الأداة، بشكل منفصل عن الأداة نفسها.

تاريخ أداة الفولاذ

ربما كانت الأدوات الفولاذية الأولى هي تلك المستخدمة في صنع الأدوات التقليدية مثل المطارق، والسنادين، والسكاكين، والفؤوس. ولم يكن من الممكن تمييز هذا عن الحديد العادي الذي تم تصنيعه باستخدام التقنيات الأكثر بدائية في البداية.

ولكن مع مرور الوقت، تعلم الحدادون التقليديون تغيير خصائص الحديد لجعله أكثر صلابة لبعض الاستخدامات، وأكثر صرامة بالنسبة لبعض الاستخدامات الأخرى. أصبحت هذه الأشكال المعدلة من الحديد أول أشكال الفولاذ الحقيقية.

في الأيام الأولى لصناعة الصلب، منذ أكثر من ثلاثة آلاف عام، اكتشف الحدادون أنه من خلال تسخين الحديد بتركيبة معينة ثم غمره في الزيت أو الماء، يمكن جعله أكثر صلابة مما لو تم تركه ليبرد بشكل طبيعي. وأعني بعبارة "تركيبة معينة" الحديد الذي كان يحتوي على ما يقرب من واحد في المائة من وزنه، أو نحو ذلك، من الكربون المذاب عندما كان في الحالة الساخنة. التبريد المفاجئ من شأنه أن يمنع الكربون من الخروج من المحلول لتكوين جزيئات كبيرة نسبيًا من كربيد الحديد في مصفوفة من الحديد النقي واللين نسبيًا. وبدلاً من ذلك، قامت عملية التبريد بتثبيت ذرات الكربون في مكانها فيما أصبح الآن مصفوفة متوترة من الحديد والكربون تسمى مارتنسيت، والتي يصعب تشويهها.

وبطبيعة الحال، كل هذه الكيمياء لم تكن معروفة في ذلك الوقت. وبدلاً من ذلك، كان الحدادون القدماء يعملون وفقًا لقواعد عامة مختلفة. وفي اللغة الإنجليزية، أدى هذا إلى ظهور عبارة "الفن الأسود". كان عمل الحدادين فنًا وليس علمًا، وكان قاتمًا وأسودًا من الناحية المادية، وفوق ذلك لم يكن أحد يعرف حقًا ما كان يفعله الحدادون. هل كانوا متحالفين مع شياطين من حفرة الجحيم النارية؟ لكل هذه الأسباب، عُرف عمل الحداد باسم "الفن الأسود"، وهو مصطلح ينطبق على أي عملية غامضة أخرى مماثلة اليوم.

صورة الملكية العامة للحداد التقليدي (1606 م) عبر ويكيميديا ​​كومنز

مع مرور الوقت، أصبح فن الحدادين أكثر تفصيلاً ومهارة، على الرغم من أنه لا يزال فنًا. سيتم وضع قطع من الفولاذ الأكثر صلابة في مكان حافة الشفرة ودمجها مع قطع من الفولاذ الأكثر ليونة ولكن الأكثر صلابة لتشكيل الجزء الأكبر من الشفرة. هناك طريقة أخرى للتحضير الأولي تتضمن ترسيب التشعبات الكربيدية في كتلة واحدة من الفولاذ. ومع ذلك، عند ظهوره في البداية، سيتم بعد ذلك ضرب المركب وتسخينه وطيه عدة مرات لتعطيل الشوائب القابلة للهشاشة وفقاعات الغاز، ولتشكيل شفرات ذات أجسام صلبة وحواف صلبة. هذه التقنيات، والتي شملت بالاسم اليابانيين mokume-gane الطريقة والشرق الأوسط دمشق أنتجت هذه الطريقة فولاذًا بأنماط دوامية كشفت عن البنية الأساسية، خاصة عند الحفر. ومع ذلك، كان هناك القليل من الفهم العلمي لما كان يحدث بالفعل، مقارنة بالفهم البديهي والفني.

سيف ياباني مصنوع بتقنية موكومي جاني على خلفية من البريد المتسلسل. تصوير "دافانين"، 12 مايو 1986، CC BY-SA 4.0 بواسطة ويكيميديا ​​كومنز.

أصبحت الأمور أكثر علمية في أواخر القرن الثامن عشر وأوائل القرن التاسع عشر. لقد أوضح ظهور الكيمياء الحديثة أن الفولاذ في ذلك الوقت كان عبارة عن سبيكة، بل مركب، من الحديد وعناصر أخرى؛ أن المادة المضافة الرئيسية كانت الكربون؛ وأن الكربون يتخذ أشكالًا مختلفة في الفولاذ الناعم، والفولاذ الصلب، والحديد الزهر (حيث كان تركيز الكربون حوالي أربعة بالمائة بالوزن).

من خلال زيادة نسبة الكربون في الفولاذ بطريقة محكومة، أصبح من الممكن إنتاج فولاذ شديد الصلابة، على الرغم من هشاشته إلى حد ما، والذي كان جيدًا لقطع أشكال أخرى من الفولاذ. وهكذا وُلدت أول أدوات الفولاذ من النوع الحديث.

جمعت هذه الأدوات الفولاذية المبكرة مصفوفة معظمها مارتنسيت (مقواة بالتسقية) مع شوائب إضافية من كربيد الحديد.

ومع ذلك، فقد عانت من عيب ميلها إلى التليين بدرجة تزيد عن 200 درجة مئوية، مما حد من معدل استخدامها لقطع أنواع الفولاذ الأخرى.

في عام 1868، توصل المهندس الاسكتلندي روبرت موشيه، وهو نفسه ابن أحد أوائل صانعي الحديد الذين أدركوا أهمية الكربون، إلى شكل من أشكال الفولاذ يظل صلبًا عند درجات الحرارة المرتفعة.

لم تحتوي السبيكة الجديدة، المعروفة باسم فولاذ موشت، على الكميات المعتادة من الكربون فحسب، بل احتوت أيضًا على كميات أكبر من المنغنيز والتنغستن. كان للفولاذ الموشت أيضًا خاصية غير عادية تتمثل في عدم الحاجة إلى التبريد في سائل. لقد كان أول فولاذ "يقسي الهواء": وهو الفولاذ الذي يصلب إلى مستويات تشبه المارتينسيت ببساطة عن طريق التبريد من الحرارة الحمراء في طائرة من الهواء.

في أوائل القرن العشرين، تم تحسين خصائص فولاذ موشت بشكل أكبر على يد المهندس الأمريكي فريدريك وينسلو تايلور وزملائه. وأصبحت النتيجة معروفة باسم الفولاذ عالي السرعة (HSS). يظل HSS صلبًا بشكل مفيد حتى 1900 أو حتى 500 درجة مئوية: ومن هنا اسمه، حيث يمكن استخدامه لقطع أنواع الفولاذ الأخرى بسرعات أعلى حتى من فولاذ موشت. جنبا إلى جنب مع الحديد والكربون المشتركين في جميع أنواع الفولاذ، فإن معظم سبائك HSS لا تزال تحتوي على كميات كبيرة من التنغستن، بالإضافة إلى الكروم، الذي حل محل المنغنيز في تركيبة موشت الأولية.

في هذه الأيام، غالبًا ما تُستخدم أطراف الكربيد في تطبيقات قطع المعادن الأكثر تطلبًا، على الرغم من أن الفولاذ عالي السرعة يظل المادة المفضلة لتصنيع شفرات المنشار ولقم الثقب، والتي عادةً ما يكون إدخال أطراف الكربيد فيها غير عملي، خاصة في الأقطار الأصغر ودرجات حجم الأسنان الدقيقة.

ولكن ماذا عن الصب والتشكيل؟

لقد قمت حتى الآن بوصف التحسينات في أدوات الفولاذ المستخدمة في قطع الأشياء، بدءًا من الشفرات المبكرة وحتى الأدوات الصناعية الحديثة ذات نظام HSS. ومع ذلك، فإن التمييز الحديث بين فولاذ أدوات العمل الباردة وفولاذ أدوات العمل الساخنة ينطبق حقًا على الفولاذ المستخدم في الصب والتشكيل.

يتم استخدام فولاذ العمل الساخن في العمليات التي تتجاوز فيها درجة حرارة الأداة 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت).

يتم استخدام فولاذ أدوات العمل البارد في العمليات التي تظل فيها درجة حرارة الأداة أقل من 200 درجة مئوية.

إن الخط الفاصل عند 200 درجة مئوية ليس صعبًا وسريعًا تمامًا، نظرًا لوجود العديد من السبائك المختلفة ذات الخصائص المختلفة، ولكنه خط فاصل تقليدي يشار إليه على نطاق واسع في الأدبيات.

في جميع أشكال فولاذ الأدوات، فإن الأسباب الرئيسية للفشل هي الكسر والتشوه (خاصة التشوه الدائم أو "البلاستيكي")، وتآكل السطح، وتطور تشققات إجهاد السطح الناتجة عن الضغوط الدورية. الضغوط الدورية هي ذات أصل ميكانيكي وحراري؛ تعتبر الضغوط الحرارية مشكلة خطيرة بشكل خاص بالنسبة لفولاذ أدوات العمل الساخنة.

فولاذ أداة العمل البارد

عادةً ما يكون فولاذ أدوات العمل البارد عبارة عن فولاذ عالي الكربون، ويحتوي عادةً على حوالي واحد إلى واحد ونصف في المائة من الكربون من حيث الوزن. الأنواع الأكثر شيوعًا هي درجات السبائك المنخفضة المتصلبة بالزيت، ودرجات السبائك المتوسطة المتصلبة بالهواء، ودرجات الكروم العالية الكربون.

تعتبر الدرجات ذات السبائك المنخفضة التي تصلب الزيت هي الأرخص. باستثناء حقيقة أنها تحتوي على عدد أقل من الشوائب، فهي تشبه إلى حد كبير الأشكال القديمة من فولاذ الأدوات التي كانت تستخدم قبل فولاذ موشت.

تصلب درجات السبائك المتوسطة المتصلبة بالهواء بتشويه أقل من الفولاذ الذي يجب إخماده. ويمكن أيضًا تصليبها في مقاطع أكثر سمكًا من الفولاذ المروي بالزيت، حتى 100 ملم أو أكثر.

تعد الدرجات عالية الكربون والكروم العالي، والتي يتم تصليدها إما عن طريق تبريد الزيت أو تصلب الهواء اعتمادًا على تركيبتها الدقيقة، هي الأكثر مقاومة للتآكل.

عادةً ما يتم استخدام فولاذ أدوات العمل البارد في العديد من الاستخدامات الصناعية اليومية، بما في ذلك:

• يموت الصب من البلاستيك
• قوالب لتشكيل الألواح المعدنية الرقيقة مثل ألواح الجسم المنحنية للسيارات
• خراطيش ومراكز المخرطة
• بكرات
• قوالب تشكيل لفة للخيوط اللولبية والتخريش
• الدبابيس والمثاقب والصنابير والمغزل
• تصنيع العجلات والحوامل من الأسلاك والأنابيب الباردة
• المقصات والشفرات وأدوات القطع الأخرى، للتطبيقات التي يكون فيها القطع قصيرًا ويتم توليد القليل من الحرارة
• مقاييس
• يموت التقطيع والرسم والثقب

الفولاذ أداة العمل الساخن

مثل فولاذ موشت وأقدم أنواع الفولاذ عالي السرعة، فإن فولاذ أدوات العمل الساخنة يتضمن تقليديًا كميات كبيرة من التنغستن كعنصر صناعة السبائك. ومع ذلك، هناك أيضًا فولاذ أدوات العمل الساخن الذي يحتوي على الكروم كعنصر صناعة السبائك الرئيسي، ودرجات أخرى تحتوي على الموليبدينوم كعنصر صناعة السبائك الرئيسي.

إلى جانب قطع المعادن وحفرها بسرعة عالية، يتم استخدام فولاذ أدوات العمل الساخن عادةً في:

• يموت صب المعادن
• مصنع إنتاج القطاعات
• تزوير
• تصنيع المنتجات الزجاجية

اختيار المواد للصب

تسمى عمليات الصب التي يستخدم فيها فولاذ الأداة الصب بالقالب، حيث تعمل الأداة كقالب، مما يضفي شكلاً مفصلاً أو دقيقًا نسبيًا على المادة النهائية بطرق أكثر إخلاصًا وقابلة للتكرار مما هو ممكن مع الصب قوالب الرمل .

من المحتمل أن يكون الصب بالقالب قد نشأ مع صب الحروف للنوع المتحرك في القرن الخامس عشر الميلادي، في قوالب مفتوحة على شكل كل حرف. في المعنى الحديث، يتم حقن المعدن تحت الضغط في قالب مصنوع من أداتين متقابلتين، والذي يتم ملئه بدقة.

عادةً ما يتم تصنيع أدوات القوالب للمواد البلاستيكية من درجات خاصة من الفولاذ البارد المعروف باسم الفولاذ P، أو من الألومنيوم، أو من سبائك البريليوم والنحاس. تشمل مزايا النحاس والألمنيوم، لهذا الاستخدام، موصلية حرارية أعلى بكثير وبالتالي تبريد أسرع وأكثر توازنًا من الفولاذ.

من ناحية أخرى، تدوم القوالب الفولاذية لفترة أطول (تصل إلى ملايين الدورات) ويمكنها مقاومة التآكل بشكل أفضل بواسطة نفثات البلاستيك سريعة الحركة، خاصة إذا كانت تحتوي على مواد تقوية مركبة كاشطة مثل الألياف الزجاجية. لا يمكن تحقيق بعض التشطيبات السطحية بشكل موثوق إلا باستخدام الفولاذ أيضًا.

اختيار المواد لعمليات التشكيل

عمليات تشكيل المعادن التي يستخدم فيها الفولاذ لأدوات العمل البارد بشكل عام لا تنطوي على درجة عالية جدًا من التشوه الكتلي للمعدن. يعد نقل الخيوط اللولبية إلى سطح القضيب عن طريق التدحرج، أو ضغط لوح مسطح من المعدن في المنحنيات المعقدة للوحة جسم السيارة، نموذجيًا لعمليات التشكيل على البارد بهذا المعنى.

تشكيل لفة الباردة من موضوع المسمار. تصوير "توساكا"، 12 أكتوبر 2009، CC BY 3.0 بواسطة ويكيميديا ​​كومنز.

غالبًا ما تُضفي عمليات العمل الباردة بعض التحسينات على جودة المعدن من خلال إعادة توجيه البنية البلورية للمعدن و تصلب العمل، على الرغم من أن التأثير على البنية البلورية عادة ما يقتصر على السطح وأقل دراماتيكية مما هو عليه في حالة الحدادة، والتي سأناقشها في القسم التالي.

تتضمن جميع العمليات الأكثر جذرية لتشكيل المعادن العمل الساخن (أعلى من 200 درجة مئوية). كما لوحظ، وتشمل هذه:

• النتوء، و
• تزوير

كما ذكرنا أيضًا، فإن تصنيع المواد الزجاجية يعد تطبيقًا رئيسيًا آخر لأدوات العمل الساخنة على الفولاذ.

مصنع إنتاج القطاعات هي العملية التي يتم من خلالها دفع مادة دافئة وناعمة عبر قالب لتشكيل قطعة طويلة ذات مقطع عرضي ثابت. الأمثلة الأكثر شيوعًا للمواد المبثوقة هي المقاطع البلاستيكية والألومنيوم، والتي يمكن أن يكون لها أشكال معقدة للغاية. يمكن بثق المقاطع البلاستيكية من خلال قوالب فولاذية لأدوات العمل الباردة، ولكن يجب أن يتم بثق مقاطع الألومنيوم من خلال قوالب فولاذية لأدوات العمل الساخنة.

فئة خاصة من البثق هي البثق المضطرب، الذي يستخدم لتشكيل أشياء مثل أجسام علب الألمنيوم وأنابيب الحبوب. في حالة البثق المضطرب، يتم دفع القالب إلى أسفل داخل قطعة معدنية فارغة والتي تتدفق بعد ذلك للخلف حول القالب لتشكيل العلبة أو الأنبوب. ومن اللافت للنظر حقًا أنه يمكن تشكيل العلب والأنابيب ذات الجدران الرقيقة والمتساوية بهذه الطريقة.

يتم تصنيع الأنابيب غير الملحومة أيضًا عن طريق البثق. يتم تسخين قطعة من الخام الصلبة ثم ثقبها في المنتصف. ثم يتم وضعه فوق شياق ويتم تحديد حجمه النهائي وسمك جداره عن طريق البثق.

تزوير هي العملية التي يتم من خلالها دق قطعة من المعدن الساخن، غالبًا ما تكون شديدة السخونة، إلى شكلها النهائي بواسطة مطرقة صناعية، مع اتباع عمليات تصنيع بسيطة فقط (قطع). من الأمثلة الجيدة على المنتج الذي يتم تصنيعه عادةً عن طريق الحدادة هو مفتاح البراغي. قد يتم دفع المطرقة ميكانيكيًا في كلا الاتجاهين، أو يمكن رفعها ميكانيكيًا وإسقاطها عن طريق الجاذبية ("التزوير").

تشكيل الإطارات الفولاذية لعجلات قطارات السكك الحديدية. الصورة من تصوير راينر هالاما، 19 June 2010 ، CC BY-SA 3.0 بواسطة ويكيميديا ​​كومنز.

يعتبر الحدادة سليلًا صناعيًا مباشرًا لتقنيات الحدادة القديمة مثل موكومي جاني ودمشق. وله تأثير مماثل، وهو التسبب في تشتيت وإغلاق الشوائب الزجاجية وفقاعات الغاز، والبلورات الكبيرة أو "الحبيبات" التي توجد عادة داخل المعدن المصبوب - على غرار اللمعان الموجود على سياج الحديد المجلفن ، وهي في حد ذاتها نوع من البلورات المعدنية - يتم تعطيلها واستبدالها بأخرى أصغر حجمًا، وفي كثير من الحالات أيضًا يتم تشويهها في اتجاه المنحنيات الخارجية للشكل النهائي.

كما قد يتوقع المرء، فإن بنية الحبوب الناعمة تتفوق على البنية الخشنة؛ كما أن بنية الحبوب الدقيقة التي تتبع فيها الحبوب أيضًا شكل المنتج تعمل على تحسين الخواص الميكانيكية للمنتج النهائي بشكل أكبر، مما يجعل احتمال تشقق المنتج عند الزاوية تحت الأحمال الثقيلة أقل بكثير من غير ذلك.

يوجد رسم توضيحي جيد جدًا للبلورات التي تتبع الشكل على موقع الويب الخاص بـ dropforging.net. إن التشابه الجوهري مع منتجات الحدادين ذوي المهارات العالية في العصور السابقة واضح، إلا أنه في هذه الحالة تكون النتيجة أداة صناعية وليس سيفًا.

إن العديد من العناصر الميكانيكية الأكثر "خطورة"، وهي العناصر التي تتحمل أحمالًا ثقيلة والتي قد يكون لها عواقب وخيمة أو على الأقل مزعجة للغاية إذا انكسرت، يتم تزويرها. إلى جانب المفاتيح، التي قد تنكسر عند نقاط الضغط الأقصى، بالقرب من الصامولة، إذا تم تصنيعها بأي طريقة أخرى، تشمل المصنوعات المزورة أعمدة الكرنك للمحركات وقضبان التوصيل التي تربط المكابس بالعمود المرفقي، على الرغم من أن المكابس نفسها عادة ما يتم صبها. (ومع ذلك، تُستخدم المكابس المطروقة في محركات السباق وتحظى بشعبية متزايدة في الاستخدام العام).

هناك نوعان رئيسيان من الحدادة: الحدادة المفتوحة والتزوير المغلق. فتح رطل من المعدن في شكل خشن ويحسن هيكله الداخلي العام ولكنه لا يضفي أي شكل محدد أو نمط حبيبي. ينتج تزوير القالب المغلق أشكالًا وأنماط حبيبية أكثر تحديدًا.