لماذا تختار قطع الفولاذ الحر؟

قطع الصلب مجانا

الفولاذ القطعي الحر والذي يُطلق عليه أيضًا الفولاذ الآلي الحر هو فولاذ يسهل تصنيعه.يتم زيادة قابلية تصنيع المادة حيث يتم كسر الرقائق إلى قطع صغيرة عند تشكيلها وبالتالي تجنب تشابكها في الماكينة.وهذا يتيح التشغيل التلقائي للمعدات دون تدخل بشري.يسمح قطع الفولاذ الحر بالرصاص أيضًا بمعدلات تصنيع أعلى.وكقاعدة عامة، فإن قطع الفولاذ الحر يكلف عادة ما بين 20٪ إلى 30٪ أكثر من الفولاذ القياسي.ومع ذلك، يتم تعويض ذلك من خلال زيادة سرعات المعالجة، والقطع الأكبر، وعمر الأداة الأطول.

في عمليات الخراطة والطحن والحفر المعروفة عمومًا بعمليات التشغيل الآلي، يحدث تشوه/لحام واجهة الأداة/قطعة العمل بدلاً من تكوين الرقاقة.أثناء عمليات التشغيل الآلي، يتم إضعاف تشطيب السطح، وزيادة درجة حرارة القطع وتقليل عمر الأداة بشكل كبير.يتم تشكيل 'حافة مدمجة' كبيرة على طرف الأداة بمحتويات منخفضة جدًا من الكبريت.وهذا يتطلب تغيير الملابس أو تغيير الأدوات بشكل متكرر، وانخفاض الإنتاجية وارتفاع التكاليف.

يتميز مصطلح الآلات بالمعلمات الثلاثة التالية.

1. سرعة التشغيل الآلي
2. الانتهاء من السطح للمكونات المصنعة
3. عمر أداة أدوات القطع المستخدمة في تشغيل الآلات.

يشير مصطلح 'قابلية التصنيع' إلى سهولة وتكلفة تحقيق جدول إنتاج للأجزاء المصنعة.إنه يتعامل مع الإنتاج المتسق للمكونات الآلية القادرة على تلبية مواصفات خصائص المنتج ومتطلبات أداء الخدمة، بأقل تكلفة ممكنة.

يمكن قياس قابلية التصنيع من حيث تشطيب السطح وشكل الرقاقة وعمر الأداة واستهلاك الطاقة ومعدل الإنتاج.إن قابلية التصنيع ليست خاصية مادية فريدة مثل قوة الشد، لأنها تعتمد على المعيار المحدد ونوع المادة ونوع أداة القطع وعملية القطع وظروف القطع وقوة أداة الآلة.

كلما زادت قوة الفولاذ وصلابته، زادت قوى القطع ودرجة الحرارة، وقلت قابليته للتصنيع.ومع ذلك، فإن تقصف الفولاذ يعمل على تحسين قابليته للتصنيع، من خلال تسهيل عملية تشكيل الرقاقة وتقليل الحافة المبنية.

ومع ذلك، هناك صلابة مثالية لتحقيق أقصى قدر من قابلية التشغيل الآلي.عند مستويات الصلابة المنخفضة جدًا (أقل من HV 100)، يكون الفولاذ ناعمًا للغاية ومرنًا وتتشكل حافة كبيرة غير مستقرة على حافة القطع.وبالتالي فإن قابلية التصنيع هي الأفضل في الفولاذ الناعم والهش.ومن ثم يجب التوصل إلى حل وسط عند محاولة تعظيم قابلية التشغيل الآلي نظرًا لأن الفولاذ الذي يستخدم عادةً يجب أن يكون قويًا وصلبًا.

الهدف من تصميم الفولاذ القطعي الحر هو زيادة سهولة إزالة المعدن من خلال عمليات القطع.ومع ذلك، فإن التحسينات في أداء الآلات غالبًا ما تكون على حساب الخواص الميكانيكية.

عادةً ما يكون الفولاذ القطعي الحر عبارة عن فولاذ كربوني مضاف إليه الكبريت (S)، أو الرصاص (Pb)، أو البزموت (Bi)، أو السيلينيوم (Se)، أو التيلوريوم (Te)، أو الفوسفور (P).إن وجود هذه العناصر يضفي الخصائص اللازمة للتصنيع الحر لأنه يضمن بشكل أساسي تشتيت الرقائق بسهولة أثناء التشغيل، وبالتالي تقليل قوة التشغيل، وتحسين عمر الأداة والتشطيب السطحي للمكون المُشكَّل.

تعدين الفولاذ القطع الحر

يتأثر سلوك القطع للفولاذ الكربوني وسبائك الفولاذ بالتركيب الكيميائي والبنية المجهرية وكمية ونوع الشوائب ومعدل تصلب العمل.في الفولاذ الحديدي/البيرليتي الطبيعي، تؤدي زيادة محتوى الكربون إلى تقليل عمر الأداة بسرعة، مع تغير تكوين الرقاقة من آلية التدفق إلى آلية القص.ومع ذلك، بالنسبة للفولاذ الذي يحتوي على أقل من 0.15% درجة مئوية، قد تتطور حواف كبيرة من المواد على وجه مشط الأداة، مما يؤدي إلى خصائص تصنيع غير متوقعة.

يمكن أن يؤدي انخفاض معدلات تصلب الإجهاد إلى تقليل تآكل الأدوات وطول الرقاقة الأقصر وتشطيب السطح الفائق، ويمكن تعزيز ذلك عن طريق العمل البارد أو زيادة مستويات P والنيتروجين (N).إذا كانت كميات المرحلة الثانية الصلبة (مثل الباينيت) موجودة بدلاً من البرليت، فإن منطقة القص أمام قمة الأداة تكون مقيدة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة وانخفاض قوى التغذية.تُظهر الهياكل المارتنسيتية/الباينية المسقية والمقساة خصائص تصنيع أدنى بسبب مستويات الصلابة العالية، على الرغم من أن معظم الفولاذ الكربوني المتوسط ​​يتم تشكيله في هذه الحالة.

بالنسبة لبنية مصفوفة معينة، فإن إحدى الطرق الأكثر شيوعًا لتحسين أداء التصنيع هي معالجة طبيعة وتوزيع الشوائب الموجودة مع الفولاذ.يمكن تصنيف الشوائب على نطاق واسع من حيث تأثيرها على سلوك القطع على النحو التالي.

1. المواد الضارة (الكاشطة، الصلبة) مثل Al2O3، SiO2، Cr2O3، TiN وغيرها
2. مفضلة مثل MnS، MnSe، MnTe، Pb، Bi
3. تأثير صغير أو معدوم مثل FeO، MnO، السيليكات الأساسية الناعمة

إحدى التقنيات الأكثر شيوعًا لتحسين إمكانية التشغيل الآلي هي زيادة مستوى S.يشكل S مركب كبريتيد المنغنيز (MnS) وهو ناعم ويعمل بمثابة انقطاع في كسر الرقاقة.S يزيد من حجم شوائب MnS القابلة للتشوه.عادةً ما تكون أعلى مستويات S التجارية حوالي 0.35% والكبريت هو أرخص مادة مضافة للتصنيع.الإضافات مفيدة بالطرق التالية.

1. يتم تقليل أعمال القص المستخدمة في تشكيل الرقاقة.
2. يحدث تأثير تشحيم قوي في واجهة الأداة/الرقاقة.
3. يتم الترويج لتقصف الرقائق.
4. تتشكل رواسب الكبريتيد الواقية على أدوات الكربيد على نطاق واسع من سرعات القطع.
5. يتم زيادة ثبات الحافة المدمج وتقليل الحجم، مما يؤدي إلى تحسين تشطيب السطح.

تتحسن إمكانية التشغيل الآلي مع زيادة محتوى الكبريت.تعمل شوائب كبريتيد المنغنيز كمواقع لبدء الشقوق الداخلية أثناء التشوه الشديد ودرجات الحرارة المرتفعة التي تحدث أثناء تكوين الرقاقة في عمليات القطع وتقلل من تجعد الرقاقة.إنها تجعل الرقائق تتجعد أكثر وتعمل ككسارة للرقائق.كما أنها تعمل كمواد تشحيم داخلية بين الشريحة والأداة.وهذا أيضًا يقلل من تكوين الحافة المبنية.ومن ثم، فإن وجود جزء كبير الحجم من شوائب كبريتيد المنغنيز في قطع الفولاذ الحر يقلل من القوة المطلوبة لإنشاء الرقاقة.وهذا يقلل من الاحتكاك بين الشريحة أوالأداة، تخفض درجة حرارة القطع، وتقلل من تآكل الأداة، وتحسن تشطيب السطح.هذا الأخير ضعيف بسبب وجود حافة كبيرة غير مستقرة على الأداة.

مع أنواع معينة من أدوات القطع الكربيدية، يمكن أن تتراكم طبقة من كبريتيد المنغنيز على وجه الأداة، وتعمل كحاجز وقائي بين الشريحة والأداة وتعزز قابلية التشغيل الآلي.

تم تحسين قابلية التصنيع من خلال التوزيع الموحد للكبريتيدات الكروية الكبيرة، والتي يتأثر توزيعها بشدة بممارسات الصب وإزالة الأكسدة.يمكن لـ Se وTe أن يحلا محل الكبريت لتكوين شوائب مختلطة، وتؤدي أنشطتهما العالية من S إلى انخفاض طاقات السطح في واجهات المصفوفة/الكبريتيد، وبالتالي تشجيع تكوين الفراغات الدقيقة والتشقق.قد يتواجد Te أيضًا كطبقة رقيقة عند الحدود بين المراحل، مما يقلل من مقاومة القص بشكل أكبر.

يعمل الرصاص بطريقة مشابهة للكبريت.على الرغم من أن قابلية ذوبان الرصاص في الفولاذ المنصهر تبلغ حوالي 0.3%، إلا أنه غير قابل للذوبان فعليًا في الحالة الصلبة ويشكل تشتتًا عشوائيًا للشوائب في الفولاذ المنخفض S.في الدرجات المعاد كبريتها، تشكل إضافات الرصاص أيضًا 'مخلفات' على شوائب MnS.يعمل Pb كمادة تشحيم داخلية، مما يقلل الاحتكاك، ويعزز تقصف الرقاقة، ويحسن شكل الرقاقة وتشطيب السطح.عند درجات حرارة القطع العالية، يبدأ الفولاذ المحتوي على الرصاص في التصرف بشكل مشابه للفولاذ الخالي من الرصاص.

يمكن لـ Pb أن يعزز بشكل فعال العولمة المفيدة للكبريتيدات مما يؤدي إلى تحسين أداء التصنيع.الإضافة التي تتجاوز 0.35% لا تكون عادةً ممكنة بسبب ظاهرة الفصل.ومع ذلك، فإن الإدخال المشترك لما يصل إلى 0.10% Bi يسمح بزيادة إجمالي محتوى الطور غير القابل للذوبان بشكل أكبر.إذا لم يكن Pb موجودًا، فعادةً ما يكون Bi موجودًا كمخلفات لشوائب MnS وكتشتت جيد.

تتم إضافة Bi في الأماكن التي لا يُفضل فيها استخدام الرصاص (أو يُحظر في الحالات القصوى).كما أنه يستخدم كمكمل للرصاص.يحقق Bi القدرة على المعالجة الحرة في الفولاذ عن طريق الصهر في طبقة رقيقة من السائل لجزء من الميكروثانية لتليين القطع.تشمل المزايا الأخرى لـ Bi التوزيع الموحد نظرًا لأن كثافته تشبه الحديد، ولأنه أكثر صداقة للبيئة مقارنة بالرصاص، ولا يزال قابلاً للحام.

تلعب العناصر الأخرى مثل P وN أيضًا دورًا تكميليًا في تحديد الأداء العام لتصنيع قطع الفولاذ الحر.لا يؤدي P و N إلى زيادة صلابة الفولاذ فحسب، بل يؤديان أيضًا إلى هشاشة الفولاذ.هذه الزيادة في الصلابة كافية لتحقيق الصلابة المثلى.لذلك، فهي أيضًا مكونات مهمة في الفولاذ القطعي المنخفض C.