فولاد خوش تراش که به عنوان فولاد اتومات یا ماشین کاری آزاد شناخته می‌شود، آن دسته از فولادهایی هستند که در هنگام ماشینکاری تراشه‌های کوچک ایجاد می‌کنند. این کار با خرد کردن تراشه‌ها به قطعات کوچک باعث افزایش قابلیت ماشینکاری مواد می‌شود، بنابراین از درهم آمیختگی آنها در ماشین آلات جلوگیری می‌شود.
برای شناخت بیشتر این فولاد، باید به مواد تشکیل دهنده و خواص مکانیکی آن توجه کرد که در ادامه به توضیح آنها پرداخته شده است. با آی فولاد همراه باشید.
عملیات ماشین کاری
عملیات چرخش، فرز و حفاری معمولاً به عنوان عملیات ماشین کاری شناخته می‌شود که در طی آن، تغییر شکل یا جوشکاری فصل مشترک قطعه کار به جای تشکیل تراشه اتفاق می‌افتد.
در حین عملیات ماشینکاری ، سطح کار دچار اختلال می‌شود، دمای برش افزایش یافته و عمر ابزار به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. یک لبه بزرگ در نوک ابزار با محتوای گوگرد بسیار کم تشکیل می‌شود. این امر به بررسی مکرر یا تغییر ابزار نیاز دارد که باعث کاهش بهره‌وری و هزینه‌های بالاتر می‌شود.
به طور کل، اصطلاح ماشین کاری با سه پارامتر زیر مشخص می‌شود:
سرعت ماشین کاری
صافی سطح اجزای ماشین کاری شده
عمر ابزارهای برش مورد استفاده برای عملیات ماشین کاری
قابلیت ماشین کاری فولادهای خوش تراش
اصطلاح قابلیت ماشین کاری به سهولت در اجرا و کاهش هزینه دستیابی به تولید قطعات ماشینکاری مربوط می‌شود. قابلیت ماشین کاری را می‌توان از نظر صافی سطح ، شکل تراشه ، عمر ابزار ، میزان مصرف برق و سرعت تولید اندازه‌گیری کرد. ماشین کاری خاصیت ذاتی ماده مثل استحکام کششی نیست زیرا بستگی به معیار انتخاب شده ، نوع ابزار برش ، عمل برش ، شرایط برش و قدرت ابزار دارد.
هرچه استحکام و سختی فولاد بالاتر باشد ، نیروهای برش و درجه حرارت بالاتر و قابلیت ماشین کاری آن پایین‌تر است. با این وجود، نرمی فولاد قابلیت ماشین کاری آن را با تسهیل فرآیند تشکیل تراشه و کاهش لبه داخلی بهبود می‌بخشد.
با این وجود سختی بهینه برای حداکثر قابلیت ماشینکاری وجود دارد. در سطح سختی بسیار کم، فولادها بسیار نرم و انعطاف‌پذیر هستند و یک لبه داخلی بزرگ و ناپایدار در لبه برش شکل می‌گیرد. از این رو ماشین کاری در فولادهای نرم بهتر است. بنابراین در هنگام تلاش برای به حداکثر رساندن ماشین کاری باید حد بهینه حاصل شود زیرا فولادهایی که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند قوی و سخت هستند.
هدف از طراحی فولادهای خوش تراش، افزایش انعطاف پذیری فولادها به منظور افزایش سهولت استفاده از عملیات برش برای فلز است. با این حال ، پیشرفت در عملکرد ماشینکاری اغلب به قیمت خواص مکانیکی است.
ترکیبات فولادهای خوش تراش
فولادهای خوش تراش فولادی مقداری بالاتر از حد معمول گوگرد و فسفر دارند که برای ساخت قطعات ابزارهای اتوماتیک پر سرعت و نیمه اتوماتیک با سرعت بالا مناسب هستند. فولادهای خوش تراش معمولاً فولادهای کربنی هستند و در آلیاژ آنها از گوگرد (S) ، سرب، بیسموت (Bi) ، سلنیوم (Se) ، تلوریم (Te) یا فسفر (P) استفاده می‌شود.
حضور این عناصر خصوصیات لازم برای ماشینکاری بهتر را نتیجه می‌دهد، زیرا اساساً پراکندگی آسان تراشه‌ها را در طول ماشین کاری تضمین می‌کند. در نهایت باعث می‌شود که نیروی ماشینکاری کاهش پیدا کند و باعث بهبود عمر ابزار و صافی سطح اجزای ماشینکاری می‌شود.
فولاد خوش تراش به صورت میله تولید می‌شود و حاوی ۰.۰۸-۰.۴۵ درصد کربن ، ۰.۱۵-۰.۳۵ درصد سیلیکون ، ۰.۶-۱.۵۵ درصد منگنز ، ۰.۰۸-۰.۳۰ درصد گوگرد، و ۰.۰۵-۰.۱۶ درصد فسفر است. مقدار بالای گوگرد منجر به تشکیل اجزایی مانند سولفید منگنز در طول دانه می‌شود. این اجزاء برش را تسهیل می‌کنند و باعث سنگ زنی و تشکیل آسان تراشه می‌شوند. برای این اهداف ، فولاد خوش تراش گاهی با سرب و تلوریم آلیاژ می‌شود.
خصوصیات مکانیکی فولادهای خوش تراش
خصوصیات مکانیکی فولاد خوش تراش یا همان فولادهای اتومات (بسته به گرید فولاد و قطر میله) به شرح زیر است:
خواص مکانیکی در عرض دانه‌های فولاد خوش تراش به طور قابل توجهی پایین‌تر از طول دانه است. خاصیت انعطاف پذیری و چقرمگی آن نسبت به فولادهای کربنی معمولی به دلیل وجود گوگرد و فسفر کمتر است. قابلیت جوش‌پذیری آن هم ضعیف‌تر است.
قطعات فولادی خوش‌تراش معمولاً بدون عملیات حرارتی و فقط با تمپرینگ برای رفع تنش استفاده می‌شوند. فولادهای خوش تراش در درجه اول برای ساخت پیچ و مهره، قطعات خاص خودرو و ابزار مورد استفاده قرار می‌گیرند.
متالورژی فولادهای خوش تراش
رفتار برشی فولادهای کربنی و آلیاژی تحت تأثیر ترکیب شیمیایی، ریزساختار، مقدار و نوع اجزاء و … قرار دارد. در فولادهای نرمالیزه شده فریت/ پرلیت، افزایش محتوای کربن به سرعت عمر ابزار را با تغییر تشکیل تراشه از مکانیسم جریان به مکانیسم برشی تغییر می‌دهد. با این حال ، برای فولادهای حاوی کمتر از ۰.۱۵ درصد کربن، لبه‌های بزرگ ساخته شده از مواد ممکن است دچار شار شود که می‌تواند ویژگی‌های ماشین کاری غیرقابل پیش‌بینی به همراه داشته باشد.
کاهش میزان کرنش می‌تواند باعث سایش کمتر ابزار، طول تراشه کوتاه تر و صافی بهتر سطح شود و این می‌تواند با نورد سرد یا افزایش سطح P و نیتروژن (N) تقویت شود.
سازه‌های مارتنزیت / بینیتی کوئنچ و تمپر شده به دلیل سطح سختی بالا ، دارای ویژگی‌های ماشین کاری نامرغوب هستند ، اگرچه بیشتر فولادهای کربن متوسط در این شرایط ماشین کاری می‌شوند.
تاثیر عناصر در رفتار فولاد خوش تراش
یکی از محبوب ترین روشهای افزایش قابلیت ماشینکاری ، دستکاری ماهیت و توزیع اجزاء موجود در فولاد است. اجزاء را می‌توان بطور گسترده از نظر تأثیر آنها بر رفتار برش به شرح زیر طبقه‌بندی کرد:
مضر (ساینده ، سخت) مانند Al2O3 ، SiO2 ، Cr2O3 ، TiN و غیره
مطلوب مانند MnS ، MnSe ، MnTe ، سرب ، Bi
دارای تأثیرات کوچک یا بدون تأثیر مانند FeO ، MnO ، سیلیکات‌های نرم
یکی از متداول‌ترین تکنیک‌های بهبود ماشینکاری افزایش سطح S (گوگرد) است. S سولفید منگنز مرکب (MnS) را تشکیل می‌دهد که نرم است و به عنوان یک ناپیوستگی تراشه عمل می‌کند. S حجم اجزاء قابل تغییر در MnS را افزایش می دهد.
به طور معمول بالاترین سطح S تجاری در حدود ۰.۳۵ درصد است و ارزان ترین افزودنی ماشین کاری محسوب می‌شود. افزودن مواد باعث این تاثیرات می‌شود:
کار برشی درگیر در تشکیل تراشه کاهش می‌یابد.
یک اثر روان کننده قوی در فصل مشترک ابزار / تراشه رخ می‌دهد.
رسوبات سولفید محافظ روی ابزارهای کاربید در طیف وسیعی از سرعتهای برش شکل می‌گیرند.
پایداری لبه ساخته شده افزایش یافته و اندازه آن کاهش می یابد و در نتیجه صافی سطح بهبود می‌یابد.
ترکیب شیمیایی فولاد، چگونه ماشین کاری را بهبود می‌بخشد؟
قابلیت ماشین کاری با افزایش مقدار گوگرد بهبود می‌یابد. اجزاء سولفید منگنز به عنوان مکان‌های شروع ترک داخلی در طی تغییر شکل شدید و درجه حرارت بالا که در طول تراش در عملیات برش ایجاد می شوند، عمل می کنند و باعث کاهش پیچش تراشه می شوند.
آنها همچنین به عنوان یک روان کننده داخلی بین تراشه و ابزار رفتار می کنند. این امر شکل گیری لبه داخلی را نیز کاهش می‌دهد. از این رو ، بخش بزرگی از اجزاء سولفید منگنز در فولاد خوش تراش نیروی مورد نیاز برای ایجاد تراشه را کاهش می دهد. این باعث کاهش اصطکاک بین تراشه و ابزار ، کاهش دمای برش ، کاهش ساییدگی ابزار و بهبود سطح می شود.
با وجود انواع خاصی از ابزار برش کاربید ، لایه‌ای از سولفید منگنز می تواند بر روی سطح ابزار ایجاد شود و به عنوان یک سد محافظ بین تراشه و ابزار عمل کرده و باعث افزایش قابلیت ماشینکاری شود.
قابلیت ماشین کاری با توزیع یکنواخت سولفیدهای کروی بزرگ ، که توزیع آن با روشهای ریخته گری و حذف اکسیداسیون تحت تأثیر قرار می گیرد ، بهینه شده است. Se و Te می‌توانند جایگزین گوگرد برای تشکیل اجزاء مخلوط شوند و فعالیت S زیاد آنها منجر به سطح انرژی پایین تر شود. Te همچنین ممکن است به عنوان یک فیلم نازک در مرزهای بین فازی باقی بماند و از این رو مقاومت در برابر برش را بیشتر کاهش دهد.
Pb به شکلی مشابه گوگرد کار می کند. اگرچه حلالیت سرب در فولاد مذاب در حدود ۰.۳٪ است ، اما در حالت جامد نامحلول است و یک پراکندگی تصادفی از اجزاء موجود در فولادهای با S کم را تشکیل می دهد. در موارد دوباره سولفور شده، افزودن سرب همچنین باعث تشکیل دنباله بر روی قطعات MnS می‌شود.
سرب بعنوان یک روان کننده داخلی عمل می‌کند ، اصطکاک را کاهش می دهد ، باعث بهبود فرم تراشه و صافی سطح می شود. در دمای برش بالا ، فولاد سرب دار شروع به رفتار مشابه با فولاد غیر سرب می‌کند.
بیسموت در مکان‌هایی اضافه می شود که استفاده از سرب مورد علاقه نیست (یا در موارد شدید ممنوع است). همچنین از آن به عنوان مکمل سرب استفاده می‌شود. Bi با ذوب شدن به یک فیلم نازک از مایع برای روغنکاری در کسری از میکرو ثانیه، توانایی ماشینکاری بهتر در فولادها را ایجاد می‌کند.
از دیگر مزایای استفاده از Bi ، شامل توزیع یکنواخت به دلیل یکسان بودن چگالی آن با آهن، دوستار محیط زیست بودن نسبت به سرب و همچنان قابلیت جوشکاری است.
عناصر دیگر مانند P و N نیز نقش موثری در تصمیم گیری در مورد عملکرد کلی ماشینکاری برای فولاد خوش تراش دارند. P و N نه تنها سختی فولادها را افزایش می دهند بلکه آنها نیز فولاد را ترد می کنند. این افزایش سختی برای دستیابی به سختی بهینه کافی است. بنابراین ، آنها نیز اجزای مهمی در فولادهای خوش تراش کم کربن هستند.
قیمت فولاد خوش تراش
به طور کلی فولاد خوش تراش ۱۵ تا ۲۰ درصد از فولاد استاندارد گران‌تر است اما با توجه به افزایش سرعت ماشینکاری، برش‌های بزرگتر و عمر بیشتر، این افزایش قیمت جبران می‌شود و می‌توان استفاده از فولاد اتومات را یک انتخاب بهینه دانست.
