مواد با قابلیت مناسب جهت فرآیند لوح زنی دقیق

مقدمه

در پرسکاری معمولی می‌توان فلزات نسبتا سخت را به خاطر اثرات کم بر روی حجم تولید بین مراحل سنگ‌زنی، اثر معکوس روی انحنای لبه قطعه و اثر معکوس بر مشکل پلیسه به آسانی پرسکاری کرد. در مقابل بهترین مواد برای فرآیند لوح زنی دقیق موادی هستند که دارای خاصیت خوب سیلان بوده و نیز خاصیت خوب فرم‌دهی سرد را دارا باشند.

مواد با قابلیت مناسب جهت فرآیند لوح زنی دقیق

مواد مناسب جهت لوح زنی دقیق

بطور کلی هر چه نقطه تسلیم فلز پایین‌تر و ازدیاد طول نسبی آن بیشتر باشد فلز جهت لوح زنی دقیق مناسب‌تر می‌باشد. فولادهای کم کربن (حداکثر % 1/0 کربن) مناسب‌ترین مواد برای لوح زنی دقیق می‌باشند. همچنین فولادهای غیرآلیاژی (میزان کربن آن‌ها بین %12/0 تا %1) در صورتی که دارای ساختمان سمنتیت کروی باشند و فولادهای آلیاژی و زنگ‌نزن در صورتیکه دارای ساختار کاربیدی باشند و شکل هندسی پیچیده نداشته باشند جهت لوح زنی دقیق مناسب می‌باشند. کاربیدهای W و V و Cr و Mo کیفیت قطعات لوح زنی دقیق را کاهش می‌دهند. در زیر به تعدادی از آلیاژهای مناسب لوح زنی دقیق اشاره اجمالی می‌شود.

فولادها

تقریباً ً% 95 از قطعات تولیدی به روش لوح زنی دقیق از جنس فولاد می‌باشند. در تحقیقات متعدد نشان داده شده است که ساختار به جای ترکیب شیمیائی مهم‌ترین متغیری است که خواص فولاد را کنترل می‌کند. با زیاد شدن کربن، استحکام زیاد و نرمی کم می‌شود. برای روشن شدن مطلب ابتدا ساختارهای متفاوت فولاد بررسی می‌شوند آنگاه بسته به شرایط، بهترین ساختار معرفی می‌گردد.

• ساختار فریت
  

محلول جامد بین نشین کربن در آهن با شبکه کریستالی مکعب مرکزدار (bcc) می‌باشد. به طوری که حداکثر مقدار حلالیت کربن در آن در دمای ºC727 در حدود 0.02 درصد بوده و با کاهش دما حلالیت آن کمتر می‌شود. فولادهای فریتی دارای استحکام پایین هستند که حداکثر Kp/mm²20 استحکام کششی دارند و دارای قابلیت کششی و چکش خواری بسیار مناسبی را دارا هستند.

• کاربید آهن (سمنتیت)
  

اگر مقدار کربن موجود در آهن بیشتر از حد حلالیت آن در آهن فریت و آستنیت باشد ساختار جدیدی در آهن حاصل می‌شود که به نام سمنتیت معروف است. ساختار آن کاملاً از ساختارهای دیگر متفاوت است و تشکیل شده از یک نسبت ثابت و مشخص یک اتم کربن با سه اتم آهن، که ترکیب آن دارای 67/6 درصد وزنی کربن است که به صورت Fe₃C نشان داده می‌شود و پیوند بین ذرات آهن از نوع فلزی و ذرات آهن و کربن از نوع خاصی که شبیه پیوند فلزی است که به آن خواص فلزی می‌دهد. سختی سمنتیت بسیار بالا بوده به طوری که از HB 800 بیشتر است و انعطاف‌پذیری آن بسیار پایین و در حد صفر می‌باشد.

• ساختار پرلیت
  

ساختار متشکل از لایه‌های فریت و سمنتیت را پرلیت گویند که از استحاله یوتکتوئید حاصل می‌شود و مشابه اثر انگشت بر روی کاغذ است که شامل دسته‌هایی از لایه‌های متناوب فریت و سمنتیت با فواصل و جهات مختلف می‌باشد.

ساختارهای دیگری مانند مارتنزیت و بینایت نیز در اثر سرد شدن‌های غیر تعادلی در فولاد ایجاد می‌شوند که برای مطالعات بیشتر می‌توان به کتاب‌های متالورژی فیزیکی و عملیات حرارتی فولادها مراجعه کرد. با مطالعه ساختارهای متفاوت و بررسی عملکرد آن‌ها ساختار فریتی و ساختار پرلیتی به ترتیب مناسب‌ترین ساختار مواد لوح زنی دقیق می‌باشند.

موادی که تحت لوح زنی دقیق قرار می‌گیرند باید خواص سیلالیت سرد خوبی داشته باشند به عنوان مثال حساسیت به سخت شوندگی بالایی داشته باشند. علاوه بر این لوح زنی دقیق نیازمند موادی با نسبت حد الاستیک به استحکام بالا در حدود 60% و میزان ازدیاد طول بالایی می‌باشد.

جهت اهداف کاربردی، مشکلی برای لوح زنی مواد با محتوای کربن کمتر از 0.35% و استحکام 60-40 kg/mm² در صورت دارا بودن ازدیاد طول زیاد وجود ندارد. اگر میزان کربن از میزان 0.35% تجاوز کند دقت زیادی در مورد میکروساختار مواد باید انجام گیرد به عنوان مثال باید ریز دانه و دارای کره‌های سمنتیتی پخش شده باشد. فولادهای کربنی با درصد کربن تا حد 1% و فولادهای آلیاژی با درصد کم کربن را می‌توان با دقت در میکروساختار مواد، لوح زنی کرد. ورقهای نورد گرم شده در صورتی که آنیل دقیق و اسید شویی شوند نیز می‌توانند لوح زنی دقیق شوند. اثرات ساختار بر روی قطعات تولیدی از فولاد C45 درشکل زیر ذکر شده است.

A1 = ساختار فریتی-پرلیتی در ورق نورد گرم شده و آنیل نشده

A2 = ترک خوردگی سطح لوح زنی بعد از لوح زنی دقیق

B1 = ساختار آنیل شده، فریت و 100% سمنتیت کروی

B2 = (Feintool AG Lyss) سطح لوح زنی عاری از ترک خوردگی، بعد از لوح زنی دقیق

تأثیر ساختار فولاد روی کیفیت قطعه لوح زنی دقیق

• اثر ساختار فولاد روی کیفیت لوح زنی دقیق
  

عدد درجه کیفی فولاد به ندرت اطلاعاتی در زمینه ساختار فولاد ارائه می‌کند. یک فولاد با ترکیب تقریبی C = 0.6%, Si = 0.25%, Mn = 0.65%, P =
0.045%, S =
0.045%، سختی Hv500-100 و استحکام kp/mm2800-170 را بسته به عملیات حرارتی مناسب انجام شده بدست می‌آورد. وقتی که مسئله بر پایه استحکام کششی بیان شود مشخص است که فولادهای با همان کیفیت و استحکام کششی ساختارهای متفاوتی را می‌توانند داشته باشند.

فولادهای نورد گرم با درصد کربن کمتر از 86/0 درصد یک ساختار مخلوط از پرلیت خشن- سوربیت و فریت در سرعت سرد کردن معمولی دارند که با افزایش درصد کربن سهم پرلیت و سوربیت افزایش می‌یابد. در موقع لوح زنی دقیق سنبه باید لایه‌های سوربیت و پرلیت را جدا کند که کاربیدهای آهن باعث افزایش شدید سایش سنبه و ماتریس می‌شوند و در نهایت سطوح لوح زنی شکسته شده در قطعه کار ایجاد می‌شوند.

با عملیات حرارتی نرماله کردن سوربیت به پرلیت تبدیل شده که اندکی بهبود حاصل می‌شود. به جز فولاد خیلی کم کربن (1/0 درصد و یا کمتر) مواد دیگری که بدین روش تهیه می‌شوند از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نخواهند بود.

با عملیات آنیل، پرلیت لایه‌ای به سمنتیت کروی با دانه‌های منظم تبدیل می‌شود که کره‌های نسبتاً ریز و سخت سمنتیت موجود در ساختار، در طول عمل لوح زنی به داخل ماده فریتی نرم فشرده می‌شوند. این عمل باعث ایجاد سطوح لوح زنی تمیز و حجم تولید زیاد بین مراحل سنگ‌زنی می‌شود. عملیات فوق‌الذکر باعث کاهش استحکام قطعه می‌شود و در مواقعی مطلوب است که با عملیات سردکاری بتوان استحکام کششی را افزایش داد. با افزایش کار سرد به همراه افزایش تغییر شکل، کریستال‌های ماده در امتداد لوح زنی متمرکز شده و باعث افزایش استحکام کششی و کاهش انعطاف‌پذیری می‌شوند که باعث افت خواص ماده برای لوح زنی دقیق می‌شود. در شکل (4-2) نمودار مقایسه‌ای فولاد آنیل شدهGKZ و آنیل شده خیلی نرم (GKZ-EW) به نمایش درآمده است.

نمودار مقایسه‌ای آنیلینگ سمنتیت کروی معمولی و خیلی نرم

در فولادهای نرم اکسیژن‌زدایی نشده با وجود درصد پایین کربن به علت بلوکهای مجزای تشکیل شده در ساختار، لوح زنی دقیق به سختی انجام می‌گیرد. عناصر S,P,C در ناحیه جدایش به شدت زیاد شده و یک ساختار از دانه‌های لایه‌ای پیوند یافته تشکیل می‌شود، که باعث پیدایش ترک‌ها در سطوح لوح زنی دقیق می‌گردد.

از مطالب بالا مشخص می‌شود که چه ساختاری برای طول عمر ابزار و سطوح مناسب در لوح زنی دقیق بهتر است. شکل هندسی قطعه و انتظارات مربوط به کیفیت سطوح، ماده مورد استفاده برای لوح زنی دقیق را تعیین می‌کنند. پیچیدگی زیاد قطعه احتیاط بیشتری در انتخاب ساختار ماده را می‌طلبد. شکل (4-3) اثرات ساختار را بهتر نشان می‌دهد.

مقایسه بین ریز ساختار مناسب (سمت چپ) و نامناسب (سمت راست) در فرآیند لوح زنی دقیق

با توجه به توضیحات فوق‌الذکر مجموعه‌ای از فولادها را که جهت لوح زنی دقیق بسیار مناسب می‌باشند را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

فولادهای کربنی غیرآلیاژی

درصد کربن و ساختار متالورژیکی که در ماده ظاهر می‌شود نقشی حیاتی در کیفیت لوح زنی دقیق بازی می‌کند. ماده باید بهترین شکل‌پذیری و بالاترین درجه همگنی ممکن را داشته باشد. فولادهای کربنی غیرآلیاژی تا 1 درصد کربن می‌توانند در لوح زنی دقیق استفاده شوند.

ریزساختار فریت و پرلیت و کروی شدن کاربیدها نقش موثری در شکل‌پذیری ماده بازی کرده و موجب بهبود کیفیت لبه لوح زنی می‌شوند. توزیع یکنواخت سمنتیت، آخال‌های کاربیدی و دانه‌های ریز در سطح مقطع، تأثیر بسزایی روی کیفیت قطعه دارند. به طور کلی کاهش عناصری مثل فسفر و گوگرد که باعث ایجاد آخال‌های غیرفلزی می‌شوند و همچنین کرم که تولید کاربید کروم در ساختار می‌کند باعث افزایش شکل‌پذیری و رفتار مناسب‌تر فولاد در حین لوح زنی دقیق می‌شوند.

فولادهای آلیاژی

در این گروه از فولادهای کربنی نیز نیاز به ساختاری با کاربیدهای پراکنده و یکنواخت جهت انجام عملیات لوح زنی دقیق وجود دارد. به عنوان مثال در فولادهای HSLA که خواص سردکاری خوبی از خود بروز می‌دهند و میزان کربن آن کمتر از % 0.12 می‌باشد با اضافه کردن عناصری مثل منگنز، تیتانیوم یا نایوبیوم (به دلیل بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی این عناصر به فولاد اضافه می‌شوند) قابلیت انجام لوح زنی دقیق فولاد کاهش می‌یابد.

فولاد زنگ نزن

دو گروه عمده و پرکاربرد فولادهای زنگ‌نزن عبارت‌اند از نوع آستنیتی (غیرمغناطیسی) و نوع فریتی (مغناطیسی) که برای افزایش قابلیت لوح زنی دقیق درصد نیکل در آن‌ها نباید کمتر از %11 باشد.

فلزات غیرآهنی

محدوده وسیعی از آلیاژهای آلومینیوم از قبیل خانواده‌های T0، T4،T6 و سری‌های A2000 و A7000 و همچنین اغلب آلیاژهای مس می‌توانند در فرآیند لوح زنی دقیق به کاربرده شوند.

مس

مس در لوح زنی دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرد، ولی تمایل به جوش سرد دارد و به لبه‌های سنبه و ماتریس می‌چسبد که این مشکل می‌تواند با انتخاب ماده روانکاری مناسب برطرف شود.

برنج

برنج که آلیاژی از دو عنصر مس و روی است به دو گروه سرب‌دار و بدون سرب تقسیم‌بندی می‌شود. نوع سرب‌دار (CuZn40Pb2) در ماشینکاری به علت خاصیت خوب براده برداری استفاده می‌شود و تقریباً شامل 2% سرب می‌باشد و برنج سرب‌دار برای شکل‌دهی غیر ماشینکاری مناسب نیست و برای لوح زنی دقیق اصلاً به کار نمی‌رود.

آلیاژهای تا 38% روی دارای همان ساختار اصلی مس خالص هستند و محلول یکنواخت روی در مس می‌باشند و تمام دانه‌های کریستال شکل FCC دارند. وقتی درصد روی از %38 تجاوز بکند، روی جذب زمینه مسی نمی‌شود و فاز دوم با ساختار BCC ظاهر می‌شود و ساختار غیر هموژن دو فازی حاصل می‌شود. شکل‌دهی سرد فلزات بر اساس لغزش کریستال‌ها بر روی هم انجام می‌گیرد که این لغزش در حد اتمی مطرح است، ساختار FCC قابلیت لغزش بیشتر از BCC دارد، بنابراین محدوده قابل قبول لوح زنی دقیق قابل پیش‌بینی می‌باشد به طوری که
برنج با درصد روی بالاتر از% 37 سطوح لوح زنی تمیزی در فرآیند لوح زنی دقیق ایجاد نمی‌کند و سطوح متخلخل را به وجود می‌آورد. برنج با درصد روی کمتر از % 37 می‌تواند لوح زنی دقیق شود و با کاهش روی قابلیت آن افزایش می‌یابد.

برنز

برنز نرم مانند موادی که خاصیت خوب سیلان دارند می‌تواند در لوح زنی دقیق، سطوح لوح زنی کاملاً تمیز را ارائه دهد (مثل CuSn6).

آرژنتان

فرمول آرژنتان CuNi18Zn20, CuNi12Zn24 است که ترکیبات آن از روی فرمول شیمیایی مشخص است. این ماده دارای خاصیت خوب فرم‌دهی سرد است و برای لوح زنی دقیق مناسب می‌باشد. در صورتی که درصد مس آن از% 56 کمتر باشد برای لوح زنی دقیق استفاده نمی‌شود.

آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیوم با استحکام کششی کمتر از kp/mm2 25 لوح زنی دقیق می‌شوند. مخصوصاً آلیاژهای AlMgSi،AlMg و آلومینیوم خالص در مواردی که نرم یا نیمه سخت هستند استفاده می‌شوند. جدول (4-1)، کلیه مواد رایج جهت انجام موفق لوح زنی دقیق را ارائه کرده است.

مواد رایج مناسب برای لوح زنی دقیق