Keluli Kerja Panas vs. Keluli Alat Kerja Sejuk: Manakah yang Sesuai untuk Saya?

Dalam industri pembuatan, produk ini sering dibentuk dan disatukan dengan alat yang diperbuat daripada keluli. Alat tersebut terdiri daripada yang biasa dan tidak khusus, seperti gerudi dan pemutar skru, hinggalah kepada peralatan yang lebih khusus seperti acuan untuk menuang logam cair atau untuk membentuk bahagian seperti panel kereta (dalam kejuruteraan, membentuk cara menempa atau mengecap). Terdapat banyak jenis keluli alat. Keluli alat untuk memotong logam biasanya dipilih daripada keluarga yang dipanggil keluli berkelajuan tinggi (HSS), yang dinamakan sedemikian kerana ia kekal keras dan tahan haus sehingga 600 darjah Celsius (C). HSS boleh memotong logam pada kelajuan tinggi berbanding alat keluli yang lebih biasa, yang akan mula melembutkan pada suhu melebihi 200 darjah C, secara anggaran. Perbezaan yang serupa wujud antara jenis keluli yang digunakan untuk menuang atau membentuk logam. Dalam operasi tersebut, jurutera bercakap tentang keluli alat kerja panas dan keluli alat kerja sejuk. Keluli alat kerja panas digunakan untuk acuan yang memegang logam cair seperti aluminium dan zink di tempatnya sehingga cecair memejal, atau untuk membentuk logam melebihi 200 darjah C (lebih kurang), manakala keluli alat kerja sejuk digunakan untuk membentuk logam di bawah suhu yang sama.

Pengenalan

Dalam industri pembuatan, istilah 'alat' dan 'keluli alat' mempunyai makna teknikal yang istimewa. Ia digunakan untuk menggambarkan bahagian jentera pembuatan yang bersentuhan dengan produk, dan keluli yang digunakan untuk membuat bahagian ini, jika ia diperbuat daripada keluli (seperti biasanya).

Alat, yang ditakrifkan sedemikian, boleh digunakan untuk tujuan memotong, menuang, atau membentuk.

Keratan ialah tindakan yang dilakukan oleh gerudi, atau alat titik tunggal pada mesin pelarik. Ia juga merupakan tindakan yang dilakukan oleh perkakas berbilang titik mesin penggilingan atau mata gergaji.

Pemutus ialah tindakan memegang logam cair, atau sebarang bahan cair lain, di tempatnya sehingga ia memejal.

Membentuk ialah tindakan menempa, membengkokkan atau mengecap benda kerja pepejal, supaya bentuknya berubah tanpa kehilangan bahan.

Kadangkala tindakan ini digabungkan, contohnya, apabila mesin penekan memotong bulatan dalam kepingan logam dan serentak membentuknya ke dalam dasar periuk.

Dalam penggunaan teknikal ini, mesin yang memegang alat itu, dan bahan yang digunakan untuk membuat mesin yang memegang alat itu, secara amnya dirujuk secara berasingan daripada alat itu sendiri.

Sejarah Keluli Alat

Keluli alat yang paling awal mungkin digunakan untuk membuat alat tradisional seperti tukul, andas, pisau dan kapak. Pada mulanya, besi ini sukar dibezakan daripada besi biasa yang dibuat dengan teknik paling primitif.

Namun seiring peredaran masa, tukang besi tradisional belajar untuk mengubah sifat-sifat besi agar lebih sukar untuk sesetengah kegunaan, dan lebih tahan lasak untuk kegunaan lain. Bentuk besi yang diubah suai ini menjadi bentuk keluli sebenar yang pertama.

Pada zaman awal pembuatan keluli, lebih daripada tiga ribu tahun yang lalu, tukang besi mendapati bahawa dengan memanaskan besi daripada komposisi tertentu dan kemudian mencelupkan ke dalam minyak atau air, ia boleh dibuat lebih keras daripada jika ia dibiarkan sejuk secara semula jadi. Dengan "komposisi tertentu," saya maksudkan besi yang mengandungi kira-kira satu peratus berat, atau lebih, karbon terlarut apabila ia berada dalam keadaan panas. Pelindapkejutan secara tiba-tiba akan menghalang karbon daripada keluar dari larutan untuk membentuk zarah karbida besi yang agak besar dalam matriks besi yang agak tulen dan lembut. Sebaliknya, proses pelindapkejutan mengunci atom karbon di tempatnya dalam apa yang kini merupakan matriks tegang besi dan karbon yang dipanggil martensit, yang lebih sukar untuk diubah bentuk.

Sudah tentu, semua keserasian ini tidak diketahui pada masa itu. Sebaliknya, tukang besi pada zaman dahulu bekerja mengikut pelbagai peraturan praktikal. Dalam bahasa Inggeris, ini menimbulkan ungkapan "seni hitam". Kerja tukang besi adalah seni dan bukannya sains, ia kotor dan hitam dari segi fizikal, dan selain itu tiada siapa yang benar-benar tahu apa yang dilakukan oleh tukang besi. Adakah mereka bersekongkol dengan syaitan dari lubang Neraka yang sama berapi-api? Atas semua sebab ini, kerja tukang besi dikenali sebagai 'seni hitam', istilah yang digunakan untuk sebarang proses misteri yang serupa pada hari ini.

Imej domain awam tukang besi tradisional (1606 Masihi) melalui Wikimedia Commons

Lama-kelamaan, seni tukang besi menjadi lebih rumit dan mahir, walaupun masih merupakan satu seni. Kepingan keluli yang paling keras akan diletakkan di tempat tepi bilah berada dan digabungkan dengan kepingan keluli yang lebih lembut tetapi lebih keras untuk membentuk sebahagian besar bilah. Satu lagi kaedah penyediaan awal melibatkan pemendakan dendrit karbida dalam satu blok keluli. Walau bagaimanapun, pada mulanya timbul, komposit kemudiannya akan dipukul, dipanaskan dan dilipat berkali-kali untuk mengganggu kekotoran dan gelembung gas yang berpotensi mereput, dan membentuk bilah dengan badan yang keras dan tepi yang keras. Teknik-teknik ini, yang namanya merangkumi teknik Jepun mokume-gane kaedah dan Timur Tengah Damsyik kaedah ini, menghasilkan keluli dengan corak pusaran yang mendedahkan struktur asas, terutamanya apabila diukir. Namun begitu, terdapat sedikit pemahaman saintifik tentang apa yang sebenarnya berlaku, berbanding dengan pemahaman yang lebih intuitif dan artistik.

Pedang Jepun yang dibuat dengan teknik mokume-gane dengan latar belakang rantai surat. Gambar oleh 'Dafannin', 12 Mei 1986, CC BY-SA 4.0 melalui Wikimedia Commons.

Keadaan menjadi lebih saintifik pada akhir 1700-an dan awal 1800-an. Kemunculan kimia moden menjelaskan bahawa keluli pada masa itu adalah aloi, malah komposit, daripada besi dan unsur-unsur lain; bahawa bahan tambahan utama ialah karbon; dan karbon mengambil bentuk yang berbeza dalam keluli lembut, keluli keras dan besi tuang (di mana kepekatan karbon adalah kira-kira empat peratus berat).

Dengan meningkatkan kadar karbon dalam keluli secara terkawal, ia menjadi mungkin untuk menghasilkan keluli yang sangat keras, walaupun agak rapuh, yang sesuai untuk memotong bentuk keluli lain. Keluli alat pertama jenis moden telah lahir.

Keluli alat awal ini menggabungkan kebanyakannya matriks martensit (yang dikeraskan dengan pelindapkejutan) dengan kemasukan tambahan besi karbida.

Walau bagaimanapun, ia mengalami kelemahan iaitu cenderung untuk melembut pada suhu melebihi 200 darjah Celsius, dan ini mengehadkan kadar ia boleh digunakan untuk memotong keluli lain.

Pada tahun 1868, jurutera Scotland, Robert Mushet, yang juga merupakan anak kepada salah seorang tukang besi pertama yang menyedari kepentingan karbon, telah menghasilkan sejenis keluli yang kekal keras pada suhu yang lebih tinggi.

Dikenali sebagai keluli Mushet, aloi baharu ini bukan sahaja mengandungi jumlah karbon biasa tetapi juga jumlah mangan dan tungsten yang lebih besar. Keluli Mushet juga mempunyai sifat luar biasa iaitu tidak perlu dipadamkan dalam cecair. Ia merupakan keluli 'pengerasan udara' yang pertama: keluli yang mengeras ke tahap seperti martensit hanya dengan menyejukkan daripada haba merah dalam pancutan udara.

Pada awal tahun 1900-an, sifat-sifat keluli Mushet telah diperbaiki lagi oleh jurutera Amerika Frederick Winslow Taylor, dan rakan-rakannya. Hasilnya dikenali sebagai keluli berkelajuan tinggi (HSS). HSS kekal keras sehingga 500 atau 600 darjah Celsius: dari mana namanya, kerana ia boleh digunakan untuk memotong keluli lain pada kelajuan yang lebih tinggi daripada keluli Mushet. Bersama-sama dengan besi dan karbon yang biasa terdapat pada semua jenis keluli, kebanyakan aloi HSS terus mengandungi sejumlah besar tungsten, ditambah kromium, yang telah menggantikan mangan dalam formulasi Mushet awal.

Pada masa kini, hujung karbida sering digunakan untuk aplikasi pemotongan logam yang paling mencabar, walaupun keluli berkelajuan tinggi kekal sebagai bahan pilihan untuk pembuatan bilah gergaji dan mata gerudi putar, yang mana penyisipan hujung karbida biasanya tidak praktikal, terutamanya pada diameter yang lebih kecil dan gred saiz gigi yang lebih halus.

Tetapi bagaimana pula dengan Penuangan dan Pembentukan?

Sehingga kini, saya telah menerangkan penambahbaikan dalam keluli alat yang digunakan untuk memotong sesuatu, daripada bilah awal hinggalah kepada alat perindustrian HSS moden. Walau bagaimanapun, perbezaan moden antara keluli alat kerja sejuk dan keluli alat kerja panas benar-benar terpakai kepada keluli yang digunakan untuk menuang dan membentuk.

Keluli kerja panas digunakan untuk proses di mana suhu alat akan melebihi 200 darjah Celsius (392 darjah Fahrenheit).

Keluli alat kerja sejuk digunakan untuk proses di mana suhu alat kekal di bawah 200 darjah Celsius.

Garis pemisah 200 darjah Celsius bukanlah sesuatu yang sukar dan pantas, memandangkan terdapat banyak aloi berbeza dengan sifat yang berbeza, tetapi ia merupakan garis pemisah konvensional yang banyak dirujuk dalam kesusasteraan.

Dengan semua bentuk keluli alat, punca utama kegagalan adalah kerosakan, ubah bentuk (terutamanya ubah bentuk kekal atau 'plastik'), haus permukaan, dan perkembangan retakan keletihan permukaan yang disebabkan oleh tegasan kitaran. Tegasan kitaran berasal dari segi mekanikal dan haba; tegasan haba merupakan isu yang sangat serius untuk keluli alat kerja panas.

Keluli Alat Kerja Sejuk

Keluli alat kerja sejuk pada amnya merupakan keluli berkarbon tinggi, biasanya mengandungi sekitar satu hingga satu setengah peratus karbon mengikut berat. Jenis yang paling biasa ialah gred aloi rendah pengerasan minyak, gred aloi sederhana pengerasan udara dan gred kromium tinggi karbon tinggi.

Gred aloi rendah pengerasan minyak adalah yang paling murah. Kecuali kerana ia mengandungi lebih sedikit bendasing, ia sebenarnya hampir sama dengan bentuk keluli alat lama yang digunakan sebelum keluli Mushet.

Gred aloi medium pengerasan udara mengeras dengan kurang herotan berbanding keluli yang perlu didinginkan. Ia juga boleh dikeraskan dalam bahagian yang lebih tebal daripada keluli yang didinginkan minyak, sehingga 100 milimeter atau lebih.

Gred kromium tinggi karbon tinggi, yang dikeraskan sama ada melalui pelindapkejutan minyak atau pengerasan udara bergantung pada komposisinya yang tepat, adalah yang paling tahan haus.

Keluli alat kerja sejuk biasanya digunakan untuk pelbagai kegunaan industri harian, termasuk:

• Tuangan plastik
• Acuan untuk membentuk panel logam nipis seperti panel badan kereta yang melengkung
• Chuck dan pusat mesin pelarik
• penggelek
• Acuan pembentuk gulung untuk ulir skru dan knurling
• Bros, reamer, pili dan mandrel
• Roda dan pemegang yang berfungsi untuk dawai dan tiub sejuk
• Gunting, bilah dan alat pemotong lain, untuk aplikasi di mana pemotongan adalah ringkas dan sedikit haba akan dihasilkan
• Tolok
• Acuan pengosongan, lukisan dan penebuk

Keluli Alat Kerja Panas

Seperti keluli Mushet dan keluli berkelajuan tinggi terawal, keluli alat kerja panas secara tradisinya menggunakan sejumlah besar tungsten sebagai elemen pengaloi. Walau bagaimanapun, terdapat juga keluli alat kerja panas yang mempunyai kromium sebagai elemen pengaloi utama, dan gred lain yang mempunyai molibdenum sebagai elemen pengaloi utama.

Bersama pemotongan dan penggerudian logam berkelajuan tinggi, keluli alat kerja panas biasanya digunakan untuk:

• Tuangan logam
• Penyemperitan
• Menjalin
• Pembuatan produk kaca

Pemilihan Bahan untuk Tuangan

Proses tuangan yang menggunakan keluli alat dipanggil tuangan acuan, di mana alat tersebut berfungsi sebagai acuan, memberikan bentuk yang terperinci atau agak tepat pada barang akhir dengan cara yang lebih tepat dan boleh diulang berbanding dengan tuangan dalam acuan pasir.

Tuangan acuan mungkin berasal dari tuangan huruf untuk jenis boleh alih pada tahun 1400-an Masihi, dalam acuan terbuka dalam bentuk setiap huruf. Dalam erti kata moden, logam disuntik di bawah tekanan ke dalam acuan yang diperbuat daripada dua alat yang bertentangan, yang diisi dengan tepat.

Acuan perkakas untuk plastik biasanya diperbuat daripada gred khas keluli kerja sejuk yang dikenali sebagai keluli P, daripada aluminium, atau daripada aloi berilium-kuprum. Kelebihan kuprum dan aluminium, untuk kegunaan ini, termasuk kekonduksian terma yang jauh lebih tinggi dan seterusnya penyejukan yang lebih cepat dan sekata daripada keluli.

Sebaliknya, acuan keluli tahan lebih lama (sehingga berjuta-juta kitaran) dan boleh menahan hakisan dengan lebih baik oleh pancutan plastik yang bergerak pantas, terutamanya jika ia mengandungi tetulang komposit yang kasar seperti gentian kaca. Sesetengah kemasan permukaan hanya boleh dicapai dengan andal dengan keluli juga.

Pemilihan Bahan untuk Proses Pembentukan

Proses pembentukan logam yang menggunakan keluli alat kerja sejuk secara amnya tidak melibatkan tahap ubah bentuk pukal logam yang sangat tinggi. Pemasangan ulir skru pada permukaan rod dengan menggelek, atau menekan kepingan logam rata ke dalam lengkungan kompleks panel badan automobil, adalah tipikal proses pembentukan sejuk dalam erti kata itu.

Pembentukan gulungan sejuk bagi ulir skru. Grafik oleh 'Tosaka', 12 Oktober 2009, CC OLEH 3.0 melalui Wikimedia Commons.

Proses kerja sejuk sering memberikan beberapa penambahbaikan kepada kualiti logam melalui pengorientasian semula struktur kristal logam dan pengerasan kerja, walaupun kesannya pada struktur kristal biasanya terhad kepada permukaan dan kurang dramatik berbanding dalam kes penempaan, yang akan saya bincangkan dalam bahagian seterusnya.

Semua proses pembentukan logam yang lebih drastik melibatkan kerja panas (melebihi 200 darjah Celsius). Seperti yang dinyatakan, ini termasuk:

• Penyemperitan, dan
• Menjalin

Seperti yang telah kami nyatakan, pembuatan artikel kaca merupakan satu lagi aplikasi utama untuk keluli alat kerja panas.

Penyemperitan ialah proses di mana bahan yang telah dipanaskan dan dilembutkan ditolak melalui acuan untuk membentuk artikel panjang dengan profil keratan rentas malar. Contoh artikel tersemperit yang paling biasa ialah keratan plastik dan aluminium, yang boleh mempunyai bentuk yang agak rumit. Keratan plastik boleh disemperit melalui acuan keluli alat kerja sejuk, tetapi keratan aluminium mesti disemperit melalui acuan keluli alat kerja panas.

Satu kategori khas penyemperitan ialah penyemperitan terbalik, yang digunakan untuk membentuk benda-benda seperti badan tin aluminium dan tiub pil. Dengan penyemperitan terbalik, acuan ditolak ke bawah ke dalam sekeping logam kosong yang kemudiannya mengalir ke belakang mengelilingi acuan untuk membentuk tin atau tiub. Sungguh luar biasa bahawa tin dan tiub dengan dinding yang begitu nipis tetapi sekata boleh dibentuk melalui kaedah ini.

Tiub lancar juga dihasilkan melalui penyemperitan. Bilet pepejal dipanaskan dan kemudian ditebuk di tengahnya. Ia kemudiannya diletakkan di atas mandrel dan diberikan saiz akhir dan ketebalan dindingnya melalui penyemperitan.

Menjalin ialah proses di mana sekeping logam panas, selalunya merah menyala, ditumbuk sehingga membentuknya akhirnya oleh tukul industri, dengan hanya operasi pemesinan (pemotongan) kecil untuk diikuti. Satu contoh produk yang baik yang biasanya dibuat melalui penempaan ialah sepana. Tukul boleh didorong secara mekanikal dalam kedua-dua arah, atau ia boleh diangkat secara mekanikal dan dijatuhkan oleh graviti ('penempaan jatuh').

Menempa tayar keluli untuk roda kereta api. Foto oleh Rainer Halama, 19 Jun 2010, CC BY-SA 3.0 melalui Wikimedia Commons.

Penempaan merupakan turunan industri langsung daripada teknik pertukangan lama seperti mokume-gane dan Damascus. Ia mempunyai kesan yang serupa, iaitu menyebabkan bendasing seperti kaca dan gelembung gas tersebar dan tertutup, dan kristal besar atau 'butiran' yang biasanya terdapat di dalam logam tuangan – serupa dengan kilauan pada pagar besi tergalvani, yang juga merupakan sejenis kristal logam – terganggu dan digantikan dengan yang lebih kecil dan, dalam banyak kes juga, berubah bentuk mengikut arah lengkungan luar bentuk akhir.

Seperti yang dijangkakan, struktur butiran halus adalah lebih baik daripada yang kasar; dan struktur butiran halus di mana butirannya juga mengikut bentuk produk meningkatkan lagi sifat mekanikal artikel akhir, menjadikannya jauh lebih kecil kemungkinan artikel itu akan retak di sudut di bawah beban berat berbanding sebaliknya.

Terdapat ilustrasi yang sangat baik tentang kristal mengikut bentuk di laman web dropforging.netPersamaan penting dengan produk tukang besi yang paling mahir pada zaman dahulu adalah jelas, kecuali dalam kes ini hasilnya adalah artikel perindustrian dan bukannya pedang.

Kebanyakan barang mekanikal yang paling 'serius', barang yang menanggung beban berat dan akan mempunyai akibat yang serius atau sekurang-kurangnya sangat menjengkelkan jika ia pecah, ditempa. Selain sepana, yang mungkin patah pada titik tekanan maksimum, berhampiran nat, jika ia dibuat dengan kaedah lain, barang tempa termasuk aci engkol enjin dan rod penyambung yang menyambungkan omboh ke aci engkol, walaupun omboh itu sendiri biasanya dituang. (Walau bagaimanapun, omboh tempa digunakan dalam enjin perlumbaan dan menjadi semakin popular dalam penggunaan umum).

Terdapat dua jenis penempaan utama: penempaan terbuka dan penempaan acuan tertutup. Penempaan terbuka menusuk logam menjadi bentuk kasar dan memperbaiki struktur dalamannya secara amnya tetapi tidak memberikan sebarang bentuk atau corak ira yang pasti. Penempaan acuan tertutup menghasilkan bentuk dan corak ira yang lebih pasti.