دليل شامل للمعالجة الحرارية لفولاذ الأدوات O1

الوقت المقدر للقراءة: 11 دقائق

فولاذ الأدوات O1 مادة أساسية في تطبيقات التشغيل البارد، تُستخدم على نطاق واسع في تصنيع مختلف القوالب والأدوات. يشير رمزها "O" إلى أنها فولاذ مُقَسّى بالزيت. لا يمكن تحقيق الإمكانات الاستثنائية لفولاذ O1 بالكامل إلا من خلال المعالجة الحرارية. يعتمد الأداء الأمثل وعمر الخدمة للأداة كليًا على دقة... المعالجة الحرارية العملية. إذا كان التحكم في العملية غير كافٍ، فسوف تتأثر خصائص المادة بشكل كبير.

لتحقيق الخصائص الميكانيكية المثالية، يجب أن تلتزم عملية المعالجة الحرارية لـ O1 بشكل صارم بأربع خطوات حاسمة متتالية:

1. التسخين المسبق:يجهز المادة للتسخين اللاحق بدرجة حرارة عالية ويقلل من الإجهاد الحراري.
2. الأوستنيت:التسخين فوق درجة الحرارة الحرجة لتحفيز التحول في البنية الداخلية للصلب.
3. إخماد:عادةً ما يتم التبريد السريع في الزيت لتحقيق صلابة عالية.
4. التقسية:إعادة التسخين إلى درجة حرارة أقل لضبط الصلابة، والقضاء على الهشاشة، وتعزيز الصلابة.

الهدف من العملية برمتها هو تحقيق حالة توازن مثالية لفولاذ الأدوات O1 من خلال التحكم الدقيق في معلمات مثل مدة التسخين ودرجة الحرارة ووسط التبريد. يضمن هذا التوازن تمتع الفولاذ بصلابة عالية ومقاومة عالية للتآكل ومتانة كافية لتلبية متطلبات بيئات العمل الباردة القاسية.

فهم فولاذ الأدوات O1: التصنيف والتركيب وخصائص القلب

فولاذ الأدوات O1 (رقم UNS T31501) هو أحد أصناف فولاذ الأدوات المُصلَّب بالزيت والمُستخدم في العمل البارد. يُعرف في الصناعة باسم "فولاذ العمل" أو "الفولاذ متعدد الأغراض"، فهو متوفر بسهولة وبسعر معقول نسبيًا.

التركيب الكيميائي وتأثيره على الأداء

ينبع الأداء المثالي لـ O1 من مزيجه الدقيق بين محتوى الكربون العالي ومستويات معتدلة من عناصر السبائك.

• الكربون (C) - من 0.85% إلى 1.00%: هذا هو العنصر الأساسي في فولاذ O1. يُشكل هذا المحتوى العالي من الكربون أساس قدرته على تكوين بنية مارتنسيتية عالية الصلابة بعد الإخماد.
• المنغنيز (Mn) - من 1.00% إلى 1.40%: يلعب المنغنيز دورًا محوريًا، إذ يُثبّت الطور الأوستينيتي بفعالية، ويُخفّض درجة حرارة التحول الحرجة (A1). وهذا يُمكّن فولاذ O1 من تحقيق التصلب من خلال التبريد في درجات حرارة منخفضة نسبيًا.
• التنغستن (W) والكروم (Cr) - 0.40% إلى 0.60% لكل منهما: يُستخدم هذان العنصران بشكل أساسي لتعزيز المتانة. يُسهم التنغستن (W) في مقاومة الفولاذ العالية للتآكل وحواف القطع الحادة. كما يُعزز الكروم (Cr) بشكل كبير قابلية التصلب ومقاومة التآكل.
• الفاناديوم (V) - عادة ما يصل إلى 0.30%: يعمل كعنصر سبائك تكميلي.

التطبيقات النموذجية

يتميز الفولاذ O1 بمقاومة ممتازة للتآكل في درجات الحرارة العادية، مما يجعله مناسبًا للغاية لتصنيع قوالب ومكونات العمل الباردة المختلفة، بما في ذلك: قوالب القطع، قوالب سك العملة، قوالب السحب، قوالب التشكيل، المقاييس، مسارات الآلات، قوالب البلاستيك، شفرات القص، وقوالب التشذيب.

على الرغم من نطاق تطبيقاتها الواسع، فإن O1 لديه قيدان رئيسيان يجب مراعاتهما بدقة:

1. يتميز فولاذ O1 بمقاومة منخفضة للغاية للتليين في درجات الحرارة المرتفعة. بمجرد ارتفاع درجة حرارة الأداة أثناء التشغيل نتيجةً للاحتكاك أو عوامل أخرى، تفقد صلابتها بسرعة. يقتصر استخدامه على بيئات درجات الحرارة المنخفضة (درجة حرارة الغرفة)، ويفتقر إلى "الصلابة الحمراء".“
2. يُعد الفولاذ O1 عرضة لإزالة الكربون والتشقق أثناء المعالجة الحرارية، مما يتطلب مراقبة صارمة لعملية المعالجة الحرارية.

الخطوات الأربع للمعالجة الحرارية الصحيحة لفولاذ الأدوات O1

يعتمد الأداء الأمثل وعمر الأدوات والقوالب كليًا على دقة عملية المعالجة الحرارية. يجب تحقيق خصائص فولاذ O1 من خلال تركيبة مُحكمة تتضمن أربع خطوات أساسية: التسخين المسبق، والأوستينيت، والتبريد، والتطبيع.

المرحلة 1: التسخين المسبق لفولاذ الأداة O1

الغرض منه هو رفع درجة حرارة قطعة العمل بأمان استعدادًا لمرحلة الأوستنيت عالية الحرارة اللاحقة. تبلغ درجة حرارة التسخين المسبق 650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت)، حيث تُترك قطعة العمل لمدة تتراوح بين 10 و15 دقيقة أو حتى يسخن المقطع العرضي بأكمله بالتساوي.

الوظائف الأربع الرئيسية للتسخين المسبق:

1. يُقلل من الصدمة الحرارية: يُسبب وضع قطعة العمل الباردة مباشرةً في فرن عالي الحرارة صدمة حرارية شديدة. يُقلل التسخين المسبق بشكل كبير من خطر التشوه أو التشقق المفرط.
2. تخفيف التوتر: يساعد التسخين المسبق على تحرير الضغوط الداخلية الناتجة أثناء عمليات التصنيع أو التشكيل.
3. تهيئة البنية الدقيقة مسبقًا: تعمل هذه الخطوة على ضبط البنية الداخلية للصلب مسبقًا، مما يجعل من السهل تحويله إلى مارتنسيت أثناء خطوات التبريد اللاحقة.
4. تقليل تأثيرات السطح: في الأفران ذات الأجواء غير المحايدة، يساعد التسخين المسبق على تقليل درجة إزالة الكربون أو التكرير التي تحدث على سطح قطعة العمل.

تجنب تمامًا إطالة مدة النقع! لا يُنصح بنقع فولاذ O1 لفترة طويلة عند درجة حرارة التسخين المسبق البالغة 650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت)، لأن ذلك سيؤثر سلبًا على التركيب الجزيئي ويؤثر سلبًا على الخواص النهائية.

نصيحة عملية بسيطة: عند وضع قطعة عمل في فرن مُسخّن مسبقًا إلى 650 درجة مئوية، يُنصح بوضعها أولًا في أعلى الفرن لفترة وجيزة لإزالة أي برودة. يُعد هذا إجراءً احترازيًا إضافيًا لتقليل خطر الصدمة الحرارية.

المرحلة الثانية: الأوستنيت (التصلب)

هذه هي ثاني عملية معالجة حرارية رئيسية. يُسخّن الفولاذ إلى درجة حرارة محددة لتحويل بنيته الداخلية إلى أوستينيت متجانس، وإذابة الكربيدات في المحلول الصلب.

درجة حرارة الأوستنيت الموصى بها للأكسجين O1 هي 815 درجة مئوية (1500 درجة فهرنهايت)، ويتراوح نطاقها العام بين 760 درجة مئوية (1400 درجة فهرنهايت) و870 درجة مئوية (1600 درجة فهرنهايت). يُضاف 5 دقائق إضافية لكل بوصة من الحد الأدنى لسمك المقطع العرضي. على سبيل المثال، إذا كان أرق مقطع من قطعة العمل بوصتين، فإن مدة التثبيت تكون 10 دقائق. يؤدي عدم كفاية مدة التثبيت إلى تحلل غير كافٍ لعناصر السبائك، مما يؤدي إلى تصلب غير متجانس. بالنسبة لقطع العمل التي يزيد سمكها عن 25 مم (1 بوصة)، يجب زيادة مدة التثبيت بشكل متناسب.

يُعدّ التحكم في درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية. فإذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فإنها ستؤدي إلى ذوبان مفرط لكربيدات السبائك. يؤدي هذا إلى زيادة محتوى الكربون في الأوستينيت، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة بدء تحول المارتنسيت (Ms)، وفي النهاية إلى زيادة الأوستينيت المحتفظ به بعد التصلب. يُقلل الأوستينيت المحتفظ به من صلابة الفولاذ وثبات أبعاده. إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، فقد لا تتصلب قطعة العمل تمامًا، مما قد يؤدي إلى تشققها.

المرحلة 3: التبريد - متطلبات الزيت

لتحقيق الصلابة وعمق التصلب المطلوبين، يجب استخدام الزيت كوسط تبريد. يجب ألا تقل درجة حرارة زيت التبريد عن 80 درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت)، ويجب تحريك الزيت بقوة لضمان انتقال الحرارة بالتساوي إلى قطعة العمل. يجب تبريد قطعة العمل في الزيت حتى تصل درجة حرارتها إلى نطاق من 52 درجة مئوية إلى 65 درجة مئوية (125-150 درجة فهرنهايت)، وعند هذه النقطة يجب إزالتها من الزيت. عندما تصل قطعة العمل إلى 52 درجة مئوية إلى 65 درجة مئوية، يجب نقلها على الفور إلى فرن التطبيع. يحقق الفولاذ المُخمَّد مسبقًا صلابة عالية للغاية (عادةً 64-65 HRC) ولكنه أيضًا شديد الإجهاد وهش. يجعل التطبيع المتأخر الفولاذ عرضة بدرجة كبيرة للتشقق الناتج عن التبريد. إذا كان التطبيع الفوري أمرًا لا مفر منه، فمن المستحسن الحفاظ على الفولاذ عند 50 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية أثناء انتظار التطبيع.

نقطة فنية إضافية هي أن يحدث تصلب الفولاذ (التحول المارتنسيتي) عند درجات حرارة أقل من 205 درجة مئوية تقريبًا (400 درجة فهرنهايت). وبينما تظل قطعة العمل فوق 205 درجة مئوية، فإنها تظل طرية نسبيًا، وقد يكون من الممكن إجراء عمليات تقويم بسيطة في هذه المرحلة.

المرحلة 4: تلطيف فولاذ الأداة O1

التطبيع هو الخطوة الأخيرة في المعالجة الحرارية لفولاذ الأدوات O1 بعد الإخماد. وبينما يجعل الإخماد الفولاذ شديد الصلابة، فإنه يتركه أيضًا في حالة خطرة من الإجهاد العالي والهشاشة العالية. والغرض الرئيسي من التطبيع هو التخلص من هذه الإجهادات الداخلية الحرجة مع زيادة صلابة الفولاذ ومرونته وضمان ثبات أبعاده النهائي. وخلال عملية تطبيع فولاذ O1، تنخفض صلابته باستمرار مع ارتفاع درجة حرارة التطبيع.

نطاق درجة حرارة التلطيف الأكثر شيوعًا لفولاذ O1 هو 149 درجة مئوية - 232 درجة مئوية (300 درجة - 450 درجة فهرنهايت). يسمح التلطيف ضمن هذا النطاق المنخفض لفولاذ O1 بتعزيز صلابته بشكل ملحوظ مع الحفاظ على صلادة عالية جدًا، تصل عادةً إلى 62-63 HRC. 175 درجة مئوية (350 درجة فهرنهايت) هي درجة الحرارة الأكثر شيوعًا. يجب أن يكون وقت النقع كافيًا لضمان نفاذ الحرارة بالكامل. لكل بوصة (25 مم) من سمك المقطع العرضي، يلزم نقع لمدة ساعتين عند درجة حرارة التلطيف. يجب تجنب التلطيف الزائد تمامًا. بعد تثبيت التلطيف، يُنصح بتبريد قطعة العمل ببطء في هواء ساكن لتقليل توليد إجهادات متبقية جديدة أثناء التبريد.

عادةً ما يتطلب فولاذ الأدوات O1 عملية تطبيع واحدة فقط. ومع ذلك، لتحسين الخصائص المعدنية إلى أقصى حد - مثل تحسين حجم الحبيبات، أو تحسين مقاومة التآكل، أو تحقيق تخفيف شامل للإجهاد - يُفضل أحيانًا التطبيع المزدوج. يمكن إجراء هذا التطبيع الثانوي عند درجة حرارة أقل قليلاً أو عند درجة حرارة متقاربة لضمان تحول بنيوي دقيق كامل وتحسين استقراره.

مع ارتفاع درجة حرارة التلطيف، تنخفض صلابة الفولاذ ومتانته في درجة حرارة الغرفة عمومًا، بينما تزداد قابليته للسحب. بالنسبة لفولاذ الأدوات O1، تكون قيم الصلابة النموذجية بعد التلطيف هي:¹:

خصائص الأداء ومنع الفشل

يتعين علينا أن نظل يقظين ضد مخاطر الفشل المحتملة في فولاذ الأدوات O1 الناجمة عن إجراءات المعالجة الحرارية غير المناسبة، أو عيوب المواد، أو تصميم الأداة غير المعقول.

الصلابة والخصائص الميكانيكية

عادةً ما يُظهر فولاذ O1 صلابة تشغيلية تتراوح بين 56 و62 HRC. ورغم صلابته العالية، يُظهر فولاذ O1 خصائص ميكانيكية فائقة، خاصةً عند مقارنته بـ فولاذ الأدوات D2:

1. قوة خضوع أعلى: في اختبار الشد، يحقق O1 قوة خضوع شد تبلغ 829 ميجا باسكال، وهو ما يتجاوز بشكل كبير قوة D2 البالغة 411 ميجا باسكال.
2. ليونة جيدة: يُظهر O1 "تعرجًا واضحًا" (انخفاضًا في مساحة المقطع العرضي بمقدار 19.7%) قبل الكسر. يُعدّ هذا السلوك للتعرج مؤشرًا واضحًا على ليونة المادة ومتانتها الجيدة. في المقابل، يُظهر D2 تعرّقًا شبه معدوم، مع انخفاض في المساحة بمقدار 1.3% فقط، مما يُظهر هشاشته.

من بين الفولاذ من السلسلة O، يتمتع الفولاذ O1 بأعلى صلابة للتأثير في نطاق صلابة العمل النموذجي الذي يتراوح من 57 إلى 64 HRC.

التحكم في التشوه والاستقرار الأبعادي

يحمل فولاذ الأدوات O1 خطرًا متوسطًا للتشوه أثناء المعالجة الحرارية. في المقابل، يُشكل الفولاذ المُصلد بالماء خطرًا كبيرًا للتشوه، بينما يُمثل الفولاذ المُصلد بالهواء خطرًا أقل. يُعدّ التبريد بالزيت، بدلًا من التبريد بالماء، العامل الرئيسي في تقليل خطر تشوه فولاذ O1.

يحدث التشوه أثناء المعالجة الحرارية بشكل رئيسي بسبب الإجهاد الحراري وإجهاد التحول الطوري. بالنسبة لفولاذ O1 المُخمَّد بالزيت عند درجة حرارة المعالجة الحرارية المناسبة، يُتوقع أن تبلغ الزيادة في الأبعاد حوالي 0.0015 بوصة لكل بوصة (0.0015 مليمتر لكل مليمتر). على سبيل المثال، سيزداد حجم قطعة من فولاذ O1 بطول 100 مليمتر بمقدار 0.15 مليمتر تقريبًا بعد المعالجة الحرارية، وهو مقدار التغير المتوقع.

لتقليل مخاطر التشوه والتشقق في الفولاذ O1 أثناء المعالجة الحرارية، فإن التدابير التالية ضرورية:

1. قبل عملية التبريد الرسمية ذات درجة الحرارة العالية، يجب استخدام دورة تسخين مسبقة مناسبة للتخلص من الضغوط الداخلية التي ربما تطورت أثناء التشغيل بشكل فعال.
2. خلال مرحلة التصميم، يجب على المصممين الالتزام الصارم يتجنب دمج الميزات التالية في قطعة العمل، حيث تعمل كنقط تركيز للإجهاد مما يزيد بشكل كبير من احتمالية إخماد الشقوق والتشوه:
   • حواف وزوايا حادة.
   • قرب الأقسام السميكة من الأقسام الرقيقة.
   • علامات الختم.
   • ثقوب متباعدة بشكل غير صحيح.
3. بالنسبة لقطع العمل التي تخضع لعمليات تشغيل آلية مكثفة بعد المعالجة الحرارية، مثل الطحن الدقيق أو التفريغ الكهربائي (EDM)، يُنصح بشدة بإجراء "تلطيف لتخفيف الإجهاد" لاحقًا. ويرجع ذلك إلى أن هذه العمليات اللاحقة تُعيد إدخال إجهادات جديدة إلى سطح المادة المُصلبة. يجب أن تكون درجة حرارة هذا التلطيف لتخفيف الإجهاد أقل من درجة حرارة التلطيف النهائي (الرئيسي) بما يتراوح بين 14 و28 درجة مئوية (25 و50 درجة فهرنهايت) لتخفيف الإجهادات الجديدة بفعالية دون تقليل صلابتها بشكل كبير.

تجنب إزالة الكربون والتشقق

ولضمان السلامة المطلقة أثناء المعالجة بدرجات حرارة عالية، من الضروري منع إزالة الكربون وتجنب "المارتنسيت غير المخفف".

يشير مصطلح نزع الكربون إلى فقدان الكربون السطحي من الفولاذ عند درجات حرارة مرتفعة. وينتج عن ذلك تكوين طبقة ناعمة على سطح قطعة العمل، مما يجعل الأدوات عرضة للتآكل السريع أثناء الاستخدام. على الرغم من أن فولاذ O1 يُعتبر عمومًا ذو مقاومة عالية لنزع الكربون، إلا أنه كإجراء احترازي، يجب إجراء عمليات التسخين الخاصة به في جو محايد مُتحكم فيه، مثل استخدام أفران التفريغ، أو أفران الجو الواقي، أو أفران حمام الملح المحايد.

المارتنسيت المُخمَّد حديثًا أو غير المُعَدَّل هشٌّ للغاية. ينتج هذا التركيب عن تحوّل الأوستينيت المُحتَفَظ به أثناء التبريد. يُثبِّت التَعَدِّد البنية الدقيقة ويُقلِّل الهشاشة بشكل ملحوظ.

روابط ذات صلة

• فولاذ الأدوات O1 | 1.2510 | SKS3
• أداة الفولاذ O1 مقابل D2: ما هو الفرق؟
• فولاذ الأدوات O1: خيار جيد لصناعة السكاكين؟
• الفولاذ A2 مقابل الفولاذ O1: أيهما يناسب احتياجات مصنعك؟
• صلابة الفولاذ O1

1. ليد، ر.م. (سنة النشر). استكشاف أخطاء صناعة الأدوات والقوالب وإصلاحها (ص 244). جمعية مهندسي التصنيع. ↩︎