مواد مورد استفاده در قالب سازی

مواد مورد استفاده در قالب‌سازی: از انتخاب تا عملکرد بهینه

قالب‌ها، ستون فقرات تولید صنعتی مدرن، از قطعات پلاستیکی گرفته تا اجزای فلزی پیچیده، نقش حیاتی در شکل‌دهی به محصولات بی‌شماری دارند. اما قلب تپنده هر قالب، نه در طراحی پیچیده آن، بلکه در موادی نهفته است که برای ساخت آن به کار می‌رود. انتخاب مواد مناسب برای قالب، فراتر از یک تصمیم مهندسی صرف است؛ این انتخابی است که مستقیماً بر دوام، عملکرد، کیفیت قطعه نهایی و در نهایت، سودآوری فرآیند تولید تأثیر می‌گذارد.

۱. فولاد: قهرمان بلامنازع دنیای قالب‌سازی

فولاد، به دلیل ترکیب منحصر به فردی از سختی، استحکام، مقاومت به سایش و قابلیت ماشین‌کاری، انتخاب اصلی و قهرمان بلامنازع در ساخت قالب‌ها است. با این حال، "فولاد" خود یک دنیای وسیع از آلیاژهاست که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. انتخاب گرید صحیح فولاد، اولین و مهم‌ترین گام در طراحی و ساخت یک قالب موفق است.

الف) دسته‌بندی کلی فولادهای ابزار (Tool Steels):

فولادهای مورد استفاده در قالب‌سازی عمدتاً از خانواده فولادهای ابزار هستند که برای تحمل شرایط سخت کاری مانند دماهای بالا، فشارهای زیاد، سایش و ضربه طراحی شده‌اند. این فولادها بر اساس کاربرد و خواص اصلی به چند دسته تقسیم می‌شوند. فولادهای ابزار به دلیل داشتن مقادیر قابل توجهی کربن و عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن، وانادیم، تنگستن و نیکل، خواص مکانیکی ویژه‌ای را از خود نشان می‌دهند که آن‌ها را برای کاربردهای قالب‌سازی ایده‌آل می‌سازد.

۱. فولادهای سردکار (Cold Work Tool Steels):

این فولادها برای کاربردهایی مناسب هستند که دمای کاری قالب نسبتاً پایین است (معمولاً زیر 200-250 درجه سانتی‌گراد). در این دماها، فولاد باید قادر به حفظ سختی خود باشد و در برابر سایش ناشی از تماس با قطعه کار (که اغلب از مواد سخت‌تر یا با اصطکاک بالا ساخته شده است) مقاومت کند. ویژگی‌های اصلی آن‌ها شامل سختی بالا، مقاومت به سایش عالی و پایداری ابعادی خوب پس از عملیات حرارتی است.

• ویژگی‌های کلیدی:
  • سختی بالا: معمولاً پس از عملیات حرارتی به سختی‌های 58-65 HRC دست می‌یابند.
  • مقاومت به سایش: حضور کاربیدهای سخت (مانند کاربیدهای کروم، وانادیم و تنگستن) در ساختار فولاد، مقاومت به سایش را افزایش می‌دهد.
  • چقرمگی: میزان چقرمگی (مقاومت در برابر ترک خوردن و شکست) بسته به گرید فولاد متفاوت است، اما برای کاربردهای سردکار، تعادلی بین سختی و چقرمگی مطلوب است.
  • پایداری ابعادی: این فولادها پس از کوئنچ کردن (سرد کردن سریع) و تمپرینگ، کمترین میزان اعوجاج و تغییر ابعاد را دارند که برای حفظ دقت قالب ضروری است.
• انواع متداول:
  • گرید D (مانند D2, D3, D6, D7): این فولادها به دلیل دارا بودن مقادیر بالایی از کروم (بیش از 10%) و کربن، در دسته فولادهای پرکربن و پرکروم قرار می‌گیرند. این ترکیب، مقاومت به سایش فوق‌العاده‌ای را به آن‌ها می‌بخشد.
    • D2: یکی از پرکاربردترین فولادهای سردکار است. سختی بالا، مقاومت به سایش عالی، و مقاومت به نفوذپذیری (حفظ سختی در عمق) خوبی دارد. برای قالب‌های برش، فرم‌دهی، کشش عمیق، و ابزارهای پولک‌زنی (Coining) استفاده می‌شود. ماشین‌کاری آن نسبتاً دشوار است.
    • D3, D6, D7: این گریدها نیز مقاومت به سایش بالایی دارند اما ممکن است چقرمگی کمتری نسبت به D2 داشته باشند یا به عملیات حرارتی متفاوتی نیاز داشته باشند.
  • گرید O (مانند O1, O2, O6): این فولادها به دلیل سخت‌شوندگی در روغن (Oil-Hardening) نامگذاری شده‌اند. میزان کروم و عناصر آلیاژی در این گروه کمتر از گروه D است، که باعث می‌شود در دمای پایین‌تری سخت شوند و همچنین پایداری ابعادی بهتری نسبت به فولادهای سخت‌شونده در آب (W-group) داشته باشند.
    • O1: رایج‌ترین و پرکاربردترین فولاد در این گروه است. تعادل خوبی بین سختی، چقرمگی و قابلیت ماشین‌کاری ارائه می‌دهد. برای قالب‌های کوچک‌تر، ابزارهای برش، قالب‌های فرم‌دهی و کشش عمیق سطحی مناسب است.
  • گرید A (مانند A2, A6, A8, A10): این فولادها سخت‌شونده در هوا (Air-Hardening) هستند. وجود عناصر آلیاژی مانند مولیبدن و کروم، باعث می‌شود که حتی با سرد شدن در هوا (که کندتر از سرد شدن در روغن است) به سختی بالا دست یابند. این ویژگی منجر به اعوجاج کمتر و پایداری ابعادی بسیار خوب می‌شود.
    • A2: یکی از پرکاربردترین فولادهای سردکار است. خواص متعادلی شامل سختی خوب، چقرمگی مناسب، و پایداری ابعادی عالی دارد. برای قالب‌های برش، فرم‌دهی، و قالب‌های پلاستیک که نیاز به مقاومت به سایش دارند، به طور گسترده استفاده می‌شود.
• کاربردها:
  • قالب‌های برش (Blanking Dies): برای برش ورق‌های فلزی یا پلاستیکی.
  • قالب‌های کشش عمیق (Deep Drawing Dies): برای شکل‌دهی ورق‌های فلزی به اشکال سه‌بعدی.
  • قالب‌های سکه زنی (Coining Dies): برای ایجاد طرح‌های برجسته بر روی سکه‌ها یا قطعات مشابه.
  • ابزارهای فرم‌دهی سرد (Cold Forming Tools): مانند پانچ‌ها، ماتریس‌ها و مغارها.
  • قالب‌های پلاستیک: به خصوص آن‌هایی که نیاز به مقاومت به سایش بالا دارند یا با مواد پلاستیکی ساینده کار می‌کنند.

۲. فولادهای گرم‌کار (Hot Work Tool Steels):

این فولادها برای کاربردهایی طراحی شده‌اند که قالب در دماهای بالا کار می‌کند (معمولاً بالای 250 درجه سانتی‌گراد). در این دماها، فولادهای معمولی نرم شده و خواص خود را از دست می‌دهند. فولادهای گرم‌کار باید قادر باشند سختی، استحکام و مقاومت خود را در دماهای بالا حفظ کنند. ویژگی‌های کلیدی آن‌ها شامل حفظ سختی در دمای بالا (Hot Hardness)، مقاومت به خستگی حرارتی (Thermal Fatigue Resistance) و مقاومت به شوک حرارتی است. عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن، وانادیم و تنگستن در این فولادها بالاست تا ساختار آلیاژی پایدارتری در دماهای بالا ایجاد کنند.

• ویژگی‌های کلیدی:
  • حفظ سختی در دمای بالا (Hot Hardness): مقاومت در برابر نرم شدن در دماهای عملیاتی بالا.
  • مقاومت به خستگی حرارتی (Thermal Fatigue Resistance): توانایی تحمل چرخه های مکرر گرم و سرد شدن بدون ترک خوردگی. این مهم به دلیل تنش‌های حرارتی ناشی از انقباض و انبساط رخ می‌دهد.
  • مقاومت به شوک حرارتی (Thermal Shock Resistance): مقاومت در برابر ترک خوردن ناشی از تغییرات دمایی ناگهانی.
  • مقاومت به خزش (Creep Resistance): مقاومت در برابر تغییر شکل تدریجی تحت تنش و دما در طول زمان.
• انواع متداول:
  • گرید H (مانند H11, H13, H21): این گروه از فولادها دارای مقادیر بالایی از کروم، مولیبدن و گاهی وانادیم هستند.
    • H13: یکی از پرکاربردترین و پرطرفدارترین فولادهای گرم‌کار است. تعادل بسیار خوبی بین حفظ سختی در دمای بالا، چقرمگی خوب، مقاومت به ترک‌خوردگی و خستگی حرارتی ارائه می‌دهد. برای طیف وسیعی از کاربردهای دایکاست، فورجینگ و اکستروژن استفاده می‌شود. معمولاً سخت‌کاری آن در هوا انجام می‌شود.
    • H11: شبیه به H13 است اما با مقادیر کمی متفاوت عناصر آلیاژی.
    • H21: حاوی تنگستن است که مقاومت به سایش و حفظ سختی در دمای بسیار بالا را افزایش می‌دهد، اما ممکن است چقرمگی کمتری داشته باشد.
• کاربردها:
  • قالب‌های فورجینگ (Forging Dies): برای شکل‌دهی فلزات داغ با ضربه.
  • قالب‌های دایکاست (Die Casting Dies): برای تزریق فلزات مذاب (آلومینیوم، منیزیم، روی، برنج) به داخل قالب. این فرآیند شامل دماهای بالا و شوک حرارتی است.
  • قالب‌های اکستروژن (Extrusion Dies): برای شکل‌دهی فلزات (مانند آلومینیوم، مس) با عبور دادن آن‌ها از داخل یک قالب تحت فشار بالا.
  • قالب‌های دایکات (Die Cutting Dies): در کاربردهایی که نیاز به برش در دمای بالا دارند.
  • اجزای قالب‌های پلاستیک: در مواردی که فرآیند تزریق پلاستیک در دماهای بالا انجام می‌شود یا نیاز به خنک‌کاری ویژه وجود دارد.

۳. فولادهای پلاستیک‌کار (Plastic Mold Steels):

این فولادها برای ساخت قالب‌های تزریق پلاستیک (Injection Molding) و بادی (Blow Molding) بهینه‌سازی شده‌اند. در این فرآیندها، قطعه نهایی (معمولاً پلاستیکی) پس از ورود به حفره قالب، سرد شده و خارج می‌شود. بنابراین، خواص مورد نیاز برای این فولادها با فولادهای سردکار و گرم‌کار متفاوت است. خواص مورد نیاز شامل قابلیت پولیش‌کاری عالی (برای دستیابی به سطح آینه‌ای که بر ظاهر قطعه پلاستیکی نهایی تأثیر می‌گذارد)، قابلیت ماشین‌کاری خوب، مقاومت به خوردگی در برابر گازهای خورنده آزاد شده از برخی پلاستیک‌ها (مانند PVC)، و پایداری ابعادی برای حفظ دقت قالب در طول عمر طولانی آن است.

• ویژگی‌های کلیدی:
  • قابلیت پولیش‌کاری عالی (Excellent Polishability): برای دستیابی به سطحی صاف و آینه‌ای که مانع چسبیدن پلاستیک و بهبود خروج قطعه می‌شود.
  • قابلیت ماشین‌کاری خوب (Good Machinability): برای سهولت در ساخت و پرداخت حفره‌های پیچیده قالب.
  • مقاومت به خوردگی (Corrosion Resistance): به ویژه در برابر اسیدها یا گازهای خورنده‌ای که ممکن است از تجزیه پلاستیک آزاد شوند.
  • پایداری ابعادی (Dimensional Stability): برای حفظ تلرانس‌های دقیق قطعه.
  • مقاومت به سایش (Wear Resistance): در برابر سایش ناشی از مواد پلاستیکی حاوی الیاف (مانند فایبرگلاس) یا مواد افزودنی.
• انواع متداول:
  • P20: یکی از پرکاربردترین فولادها برای قالب‌های تزریق پلاستیک است. این فولاد به صورت پیش‌سخت‌کاری شده (Pre-Hardened) در سختی حدود 30-35 HRC عرضه می‌شود و معمولاً نیازی به عملیات حرارتی مجدد ندارد، که فرآیند ساخت قالب را تسریع می‌کند. قابلیت پولیش‌کاری و ماشین‌کاری خوبی دارد و قیمت آن نیز مقرون به صرفه است.
  • 420SS (فولاد ضد زنگ مارتنزیتی): این فولاد با افزایش میزان کروم (معمولاً 12-14%)، مقاومت به خوردگی بسیار بالایی را ارائه می‌دهد. برای قالب‌هایی که در محیط‌های مرطوب کار می‌کنند یا پلاستیک‌های خورنده (مانند PVC، ABS) را فرآوری می‌کنند، عالی است. قابلیت پولیش‌کاری آن نیز بسیار بالا است و می‌تواند به سطح آینه‌ای فوق‌العاده‌ای برسد. سختی آن با عملیات حرارتی قابل افزایش است.
  • NAK55 / NAK80 (از شرکت Daido Steel): اینها فولادهای آلیاژی پیش‌سخت‌کاری شده هستند که حاوی نیکل، کروم و مولیبدن می‌باشند. سختی بالایی (معمولاً 35-40 HRC) دارند و مقاومت به ضربه خوبی از خود نشان می‌دهند. قابلیت پولیش‌کاری و ماشین‌کاری عالی آن‌ها، آن‌ها را برای قالب‌های با کیفیت بالا و ظاهری مطلوب مناسب ساخته است. NAK80 معمولاً مقاومت بهتری در برابر تنش‌های الکتریکی (EDM) دارد.
  • H13 (بله، دوباره H13!): گرچه H13 یک فولاد گرم‌کار است، اما به دلیل مقاومت عالی به خستگی حرارتی و قابلیت حفظ سختی در دماهای بالا، در ساخت قالب‌های پلاستیک نیز برای کاربردهایی که نیاز به تحمل دمای بالا (مانند قالب‌های تزریق با راهگاه گرم) و عمر طولانی دارند، استفاده می‌شود. همچنین برای قالب‌های پلاستیکی که با مواد کامپوزیتی یا پلاستیک‌های مهندسی در دماهای بالا کار می‌کنند، انتخاب مناسبی است.
• کاربردها:
  • قالب‌های تزریق پلاستیک (Injection Molding Dies): برای تولید طیف گسترده‌ای از قطعات پلاستیکی.
  • قالب‌های بادی (Blow Molding Dies): برای ساخت ظروف پلاستیکی توخالی.
  • قالب‌های فشاری برای پلاستیک‌ها (Compression Molding Dies): برای شکل‌دهی مواد پلاستیکی با حرارت و فشار.

۴. فولادهای پرسرعت (High-Speed Steels - HSS):

این فولادها به دلیل قابلیت حفظ سختی در دماهای بالا (تا حدود 600 درجه سانتی‌گراد) و مقاومت به سایش فوق‌العاده، عمدتاً برای ساخت ابزارهای برشی مانند مته‌ها، فرزها، قلاویزها و تیغه‌های اره استفاده می‌شوند. اما در برخی از اجزای قالب که نیاز به مقاومت به سایش بسیار بالا و حفظ سختی در شرایط کاری سخت دارند نیز کاربرد پیدا می‌کنند.

• ویژگی‌های کلیدی:
  • سختی بالا در دمای بالا: این مهم‌ترین ویژگی HSS است که امکان برش با سرعت بالا را فراهم می‌کند.
  • مقاومت به سایش عالی: به دلیل وجود مقادیر زیاد کاربیدهای سخت (مانند کاربید تنگستن، مولیبدن، وانادیم).
  • چقرمگی نسبتاً خوب: گرچه در مقایسه با برخی فولادهای ابزار دیگر، چقرمگی کمتری دارند.
• انواع متداول:
  • سری M (بر پایه مولیبدن): مانند M2 (ترکیبی متعادل از مولیبدن، کروم، وانادیم و تنگستن)، M7، M42 (با کبالت بالا برای مقاومت به سایش بیشتر).
  • سری T (بر پایه تنگستن): مانند T1، T5، T15.
• کاربردها:
  • پانچ‌ها (Punches): در قالب‌های برش یا پرس که نیاز به مقاومت به سایش شدید دارند.
  • ماتریس‌های کوچک (Small Dies): در ابزارهای دقیق.
  • پین‌های پران (Ejector Pins): در کاربردهای خاص که نرخ فرسایش بالا است.
  • اجزای قالب‌های با سایش بالا: مانند کانال‌های مواد در قالب‌های خاص.

ب) نکاتی در مورد انتخاب گرید فولاد:

انتخاب گرید مناسب فولاد برای قالب، یک تصمیم چندوجهی است که به عوامل متعددی بستگی دارد:

• کاربرد نهایی و نوع فرآیند: اولین و مهم‌ترین عامل، نوع فرآیند تولید است. آیا قالب برای برش، شکل‌دهی فلزات در دمای بالا (فورجینگ، دایکاست)، یا تزریق پلاستیک استفاده می‌شود؟ هر فرآیند، شرایط کاری متفاوتی (دما، فشار، نوع سایش) را به قالب تحمیل می‌کند.
• نوع ماده قطعه تولیدی: خواص ماده‌ای که قرار است با قالب شکل بگیرد، تأثیر مستقیمی بر میزان سایش، فشار وارده و احتمال چسبندگی به سطح قالب دارد. مواد پلاستیکی حاوی الیاف، مواد ساینده، فلزات سخت، یا موادی که تمایل به چسبندگی دارند، نیازمند فولادهای با مقاومت به سایش و چسبندگی بهتر هستند.
• تیراژ تولید (Production Volume): برای تولیدات با تیراژ بسیار بالا (مثلاً میلیون‌ها قطعه)، انتخاب فولاد با عمر طولانی‌تر، مقاومت به سایش و خستگی حرارتی بالاتر، حتی اگر قیمت اولیه آن بالاتر باشد، از نظر اقتصادی توجیه‌پذیرتر است. برای نمونه‌سازی یا تولیدات با تیراژ کم، فولادهای با قابلیت ماشین‌کاری بهتر و قیمت ارزان‌تر ممکن است مناسب‌تر باشند.
• قابلیت ماشین‌کاری و عملیات حرارتی: سهولت ماشین‌کاری (برش، فرزکاری، سنگ‌زنی) و پیچیدگی عملیات حرارتی مورد نیاز (سخت‌کاری، تمپرینگ، نیترایدینگ) بر هزینه و زمان ساخت قالب تأثیر می‌گذارند. برخی فولادها، مانند سری D، ماشین‌کاری دشوارتری دارند.
• هزینه (Cost): هزینه مواد اولیه، هزینه ساخت و هزینه عملیات حرارتی، همگی باید در نظر گرفته شوند. فولادهای آلیاژی با کیفیت بالاتر و عملیات حرارتی پیچیده‌تر، معمولاً گران‌تر هستند، اما باید بازده کلی و عمر قالب را مد نظر قرار داد.
• نیاز به پولیش‌کاری و ظاهر سطح قطعه: برای قالب‌های تزریق پلاستیک که ظاهر قطعه نهایی اهمیت زیادی دارد، انتخاب فولادی که قابلیت پولیش‌کاری عالی داشته باشد، ضروری است.
• مقاومت به خوردگی: در صورت کار با مواد خورنده، فولادهای ضد زنگ یا فولادهایی که با پوشش‌های مقاوم به خوردگی محافظت می‌شوند، انتخاب می‌شوند.

۲. عملیات حرارتی (Heat Treatment): جادوی پنهان فولاد

انتخاب فولاد مناسب تنها نیمی از داستان است. عملیات حرارتی صحیح، عامل کلیدی در دستیابی به خواص مکانیکی مورد نظر فولاد، از جمله سختی، چقرمگی، استحکام و مقاومت به سایش است. این فرآیندها با تغییر ساختار میکروسکوپی فولاد (مانند اندازه و توزیع فازهای مختلف مانند آستنیت، مارتنزیت، پرلیت، بینایت و کاربیدها) خواص آن را دگرگون می‌کنند.

• سخت‌کاری (Hardening):
  • مفهوم: گرم کردن فولاد تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی (که در آن ساختار فولاد به آستنیت تبدیل می‌شود) و سپس سرد کردن سریع آن (کوئنچ کردن) در یک محیط واسط مانند روغن، آب، نمک مذاب یا هوا. این سرد شدن سریع، مانع از تشکیل ساختارهای نرم‌تر (مانند پرلیت) شده و منجر به تشکیل ساختار بسیار سخت و ترد مارتنزیت می‌شود.
  • هدف: افزایش سختی و مقاومت به سایش.
  • نکات: دمای سخت‌کاری باید متناسب با گرید فولاد انتخاب شود. نرخ سرد شدن نیز باید به اندازه کافی سریع باشد تا از تشکیل ساختارهای ناخواسته جلوگیری کند.
• تمپرینگ (Tempering):
  • مفهوم: پس از سخت‌کاری، فولاد بسیار سخت و در عین حال بسیار ترد است. تمپرینگ شامل گرم کردن مجدد فولاد سخت‌کاری شده تا دمایی پایین‌تر از دمای بحرانی (معمولاً بین 200 تا 650 درجه سانتی‌گراد) و سپس سرد کردن آهسته آن است. در این مرحله، بخشی از تنش‌های داخلی کاهش یافته و فاز مارتنزیت در اثر تشکیل کاربیدهای ریز و اتم‌های کربن پراکنده، تا حدودی نرم‌تر می‌شود.
  • هدف: کاهش شکنندگی (Brittleness) و افزایش چقرمگی (Toughness) و مقاومت به ضربه، در حالی که سختی قابل قبولی حفظ می‌شود.
  • نکات: دمای تمپرینگ عامل اصلی تعیین‌کننده سختی نهایی و چقرمگی است. دمای بالاتر منجر به چقرمگی بیشتر و سختی کمتر می‌شود. دو یا چند مرحله تمپرینگ برای برخی فولادها توصیه می‌شود.
• آنیلینگ (Annealing):
  • مفهوم: فرآیندی که برای نرم کردن فولاد، بهبود قابلیت ماشین‌کاری، کاهش تنش‌های داخلی ناشی از ساخت یا عملیات قبلی، و یکنواخت کردن ساختار میکروسکوپی انجام می‌شود. شامل گرم کردن فولاد تا دمایی خاص، نگهداری در آن دما و سپس سرد کردن بسیار آهسته (اغلب در کوره) است.
  • هدف: نرم کردن فولاد، بهبود خواص کار سرد، حذف تنش‌ها.
  • نکات: در فرآیند ساخت قالب، آنیلینگ معمولاً برای آماده‌سازی فولاد قبل از ماشین‌کاری یا پس از فرآیندهای ناخواسته که باعث سخت شدن ناگهانی شده‌اند، انجام می‌شود.
• نرماله کردن (Normalizing):
  • مفهوم: شبیه به آنیلینگ است اما فولاد تا دمای بالاتر (بالاتر از دمای آستنیته کامل) گرم شده و سپس در هوای محیط سرد می‌شود.
  • هدف: ایجاد ساختار دانه‌بندی یکنواخت‌تر و بهبود خواص مکانیکی نسبت به آنیلینگ.
• نیترایدینگ (Nitriding):
  • مفهوم: یک فرآیند سخت‌کاری سطحی که در آن اتم‌های نیتروژن به سطح فولاد در دماهای نسبتاً پایین (450-550 درجه سانتی‌گراد) و در محیط حاوی آمونیاک نفوذ می‌کنند. این نیتروژن با عناصر آلیاژی موجود در فولاد (مانند کروم، مولیبدن، آلومینیوم، وانادیم) واکنش داده و کاربیدهای نیتریدی بسیار سخت را در سطح تشکیل می‌دهد.
  • هدف: افزایش فوق‌العاده سختی سطحی (تا 60-70 HRC)، مقاومت به سایش، و مقاومت به خوردگی.
  • مزایا: این فرآیند در دمای نسبتاً پایین‌تری نسبت به سخت‌کاری سنتی انجام می‌شود، بنابراین اعوجاج و تغییر ابعاد قطعه حداقل است. همچنین نیازی به کوئنچ کردن ندارد.
  • کاربردها: مناسب برای اجزای قالب که نیاز به سطح بسیار سخت و مقاوم به سایش دارند، مانند پین‌های پران، بوش‌ها، و برخی سطوح قالب.
• کربنیتریدینگ (Carbonitriding):
  • مفهوم: ترکیبی از نیترایدینگ و کربن‌دار کردن (Carburizing) است. در این فرآیند، هم نیتروژن و هم کربن به سطح فولاد نفوذ می‌کنند.
  • هدف: ایجاد یک لایه سطحی سخت و مقاوم به سایش با خواص بهبود یافته.

۳. پوشش‌های سطحی (Surface Coatings): لایه‌ای محافظ برای عمر طولانی‌تر

حتی بهترین فولادها نیز محدودیت‌هایی دارند. پوشش‌های سطحی، لایه‌های نازکی از مواد خاص هستند که با استفاده از روش‌های مختلف بر روی سطح قالب اعمال می‌شوند تا خواص سطحی آن را بهبود بخشند، بدون اینکه خواص حجمی فولاد را تغییر دهند. این پوشش‌ها می‌توانند عمر قالب را به طور چشمگیری افزایش داده، اصطکاک را کاهش دهند، چسبندگی مواد را کم کنند، و کیفیت سطح قطعه نهایی را بهبود بخشند.

الف) پوشش‌های PVD (Physical Vapor Deposition):

این تکنولوژی شامل تبخیر یا اسپاترینگ (Sputtering) یک ماده هدف در یک محیط خلاء و سپس رسوب بخار اتمی یا مولکولی آن بر روی سطح قطعه است. پوشش‌های PVD در دمای نسبتاً پایین (حدود 150-500 درجه سانتی‌گراد) اعمال می‌شوند و دارای سختی بسیار بالا، مقاومت به سایش و ضریب اصطکاک پایین هستند.

• TiN (تیتانیوم نیترید):
  • رنگ: طلایی روشن.
  • خواص: سختی بالا (حدود 2000-2500 HV)، مقاومت به سایش خوب، مقاومت به خوردگی، ضریب اصطکاک نسبتاً پایین، و ظاهر جذاب.
  • کاربردها: قالب‌های برش، قالب‌های تزریق پلاستیک، ابزارهای تراشکاری و فرزکاری.
• TiCN (تیتانیوم کربنیترید):
  • رنگ: خاکستری/آبی.
  • خواص: سخت‌تر از TiN (حدود 3000 HV)، مقاومت به سایش و فرسایش بسیار بالا، مقاومت به چسبندگی.
  • کاربردها: قالب‌های برش با سختی بالا، قالب‌های اکستروژن، ابزارهای ماشین‌کاری که با مواد سخت کار می‌کنند.
• CrN (کروم نیترید):
  • رنگ: نقره‌ای براق.
  • خواص: مقاومت به چسبندگی (Adhesion) عالی، مقاومت به خوردگی بالا، و پایداری حرارتی خوب. این پوشش به خصوص برای کار با مواد پلاستیکی و فلزات نرم که تمایل به چسبیدن به سطح قالب دارند، بسیار مفید است.
  • کاربردها: قالب‌های تزریق پلاستیک، قالب‌های کشش عمیق، ابزارهای پلاستیک.
• AlTiN (آلومینیوم تیتانیوم نیترید):
  • رنگ: بنفش/خاکستری تیره.
  • خواص: مقاومت عالی در دماهای بالا (تا 800-900 درجه سانتی‌گراد) به دلیل تشکیل یک لایه اکسید آلومینیوم محافظ در سطح. سختی بسیار بالا.
  • کاربردها: ابزارهای ماشین‌کاری با سرعت بالا، قالب‌های گرم‌کار، قالب‌های تزریق پلاستیک در دماهای بالا.
• TiAlN (تیتانیوم آلومینیوم نیترید) و TiSiN (تیتانیوم سیلیکون نیترید): پوشش‌های پیشرفته‌تر با خواص بهبود یافته در دماهای بالا و مقاومت به سایش.

ب) DLC (Diamond-Like Carbon) Coatings:

این پوشش‌ها حاوی پیوندهای شیمیایی شبیه به الماس هستند و خواص منحصر به فردی را ارائه می‌دهند.

• مفهوم: لایه‌های نازک (چند میکرومتر) از کربن آمورف که خواص نزدیک به الماس را دارند.
• خواص: سختی فوق‌العاده بالا (می‌تواند به سختی الماس نزدیک شود)، ضریب اصطکاک بسیار پایین (بسیار لغزنده)، مقاومت شیمیایی بالا، و قابلیت کار در دماهای نسبتاً بالا.
• کاربردها: قالب‌هایی که نیاز به سطحی بسیار لغزنده و مقاوم در برابر سایش و چسبندگی دارند، مانند قالب‌های تزریق پلاستیک (به ویژه برای پلاستیک‌های خاص)، قطعات داخلی موتور، و ابزارهای دقیق.

ج) پوشش نیکل بدون الکترود (Electroless Nickel Plating):

این فرآیند شامل رسوب شیمیایی فلز نیکل (با افزودنی فسفر یا بور برای ایجاد آلیاژ Ni-P یا Ni-B) بر روی سطح فلز است، بدون نیاز به جریان الکتریکی.

• مفهوم: تشکیل یک لایه نیکل آلیاژی یکنواخت و سخت بر روی سطح.
• خواص: مقاومت به خوردگی عالی (به خصوص انواع با فسفر بالا)، سختی قابل قبول (که با عملیات حرارتی پس از پوشش‌دهی (Heat Treatment) می‌تواند به 60-70 HRC برسد)، پوشش یکنواخت حتی در هندسه‌های پیچیده و حفره‌های عمیق.
• کاربردها: قالب‌های پلاستیک که با مواد خورنده کار می‌کنند (مانند PVC)، قالب‌های مورد استفاده در محیط‌های مرطوب، اجزای قالب که نیاز به مقاومت به سایش و خوردگی دارند.

۴. مواد دیگر در قالب‌سازی (فراتر از فولاد):

گرچه فولاد به دلیل خواص مکانیکی برتر و هزینه نسبی، ماده غالب در ساخت قالب‌ها است، اما در برخی کاربردهای خاص، مواد دیگری نیز به کار گرفته می‌شوند تا مزایای خاصی را ارائه دهند.

• آلومینیوم (Aluminum):
  • کاربرد: عمدتاً برای قالب‌های نمونه‌سازی (Prototyping) و تولیدات با تیراژ کم (Low Volume Production).
  • مزایا: هدایت حرارتی بالا، ماشین‌کاری بسیار آسان، وزن سبک، هزینه کمتر نسبت به فولاد.
  • معایب: سختی و مقاومت به سایش کمتر، عمر مفید کوتاه‌تر نسبت به فولاد، مستعد سایش و خراش. آلیاژهای آلومینیوم مخصوص قالب‌سازی (مانند سری 7000) سختی و مقاومت بیشتری دارند.
• بریلیوم مس (Beryllium Copper - BeCu):
  • کاربرد: به عنوان درج‌ها (Inserts) یا هسته‌های خنک‌کننده در قالب‌های تزریق پلاستیک.
  • مزایا: هدایت حرارتی بسیار بالا (بسیار بیشتر از فولاد و حتی آلومینیوم)، مقاومت به خوردگی خوب، سختی و استحکام مناسب (پس از عملیات حرارتی). هدایت حرارتی بالای آن به خنک‌کاری سریع‌تر قالب و در نتیجه کاهش زمان سیکل تولید (Cycle Time) و بهبود کیفیت قطعه کمک می‌کند.
  • معایب: هزینه بالا، سمی بودن بریلیوم (نیاز به رعایت نکات ایمنی خاص در حین ماشین‌کاری)، مقاومت به سایش کمتر از فولادهای ابزار.
• کاربید تنگستن (Tungsten Carbide):
  • کاربرد: برای اجزای قالب که تحت سایش شدید و فشارهای بسیار بالا قرار دارند.
  • مزایا: سختی و مقاومت به سایش فوق‌العاده بالا (حتی بالاتر از بسیاری از فولادهای ابزار).
  • معایب: شکنندگی بالا (مقاومت کم به ضربه و خمش)، ماشین‌کاری بسیار دشوار و پرهزینه (معمولاً با سنگ‌زنی الکتریکی یا EDM)، هزینه بالا.
  • نمونه‌ها: اجزای قالب‌های کشش سیم (Wire Drawing Dies)، ماتریس‌ها و پانچ‌های بسیار کوچک و دقیق در کاربردهای خاص.
• سرامیک‌ها (Ceramics):
  • کاربرد: در موارد بسیار خاص برای اجزای قالب که نیاز به مقاومت به حرارت بسیار بالا، سختی و مقاومت به خوردگی استثنایی دارند.
  • مزایا: سختی بسیار بالا، مقاومت به سایش و خوردگی عالی، عایق حرارتی خوب.
  • معایب: شکنندگی شدید، دشواری در ماشین‌کاری و نصب.

۵. خلوص فولاد و عملیات تکمیلی: جزئیات مهم

کیفیت نهایی قالب و عمر مفید آن تنها به گرید فولاد و عملیات حرارتی بستگی ندارد، بلکه جزئیات مهم دیگری نیز وجود دارند که نباید نادیده گرفته شوند.

• خلوص فولاد (Steel Cleanliness):
  • مفهوم: فولادهای ابزار، به ویژه آن‌هایی که برای قالب‌های با کیفیت بالا استفاده می‌شوند، باید دارای خلوص بالایی باشند. خلوص به معنی حداقل وجود ناخالصی‌ها (مانند اکسیدها، سولفیدها، و ذرات سرباره) در ساختار فولاد است. این ناخالصی‌ها اغلب به صورت نقص‌های میکروسکوپی (Inclusions) در ساختار فولاد ظاهر می‌شوند.
  • تأثیر: حضور ناخالصی‌ها می‌تواند باعث کاهش استحکام و چقرمگی شود، عمر خستگی فولاد را کاهش دهد، نقاط ضعف ایجاد کند که منجر به ترک‌خوردگی در حین عملیات حرارتی یا در حین کار قالب شود، و در نهایت کیفیت سطح قطعه و سهولت پولیش‌کاری را تحت تأثیر قرار دهد.
  • روش‌های تصفیه: فولادهای با خلوص بالا معمولاً با استفاده از فرآیندهای ذوب پیشرفته مانند VIM (Vacuum Induction Melting - ذوب القایی در خلاء) که ناخالصی‌های گازی را حذف می‌کند، و ESR (Electro Slag Remelting - ذوب مجدد سرباره الکتریکی) که ناخالصی‌های جامد (مانند سولفیدها) را حذف و ساختار دانه‌بندی را یکنواخت می‌کند، تولید می‌شوند.
• پولیش‌کاری (Polishing):
  • مفهوم: یک فرآیند مکانیکی دقیق برای رسیدن به سطحی صاف، آینه‌ای و بدون خراش در حفره‌های قالب. این فرآیند شامل استفاده از مواد ساینده با دانه‌بندی ریزتر به صورت متوالی است.
  • اهمیت در قالب‌سازی:
    • کیفیت سطح قطعه: برای قالب‌های تزریق پلاستیک، سطح آینه‌ای حفره قالب مستقیماً به سطح نهایی قطعه منتقل می‌شود.
    • خروج قطعه: سطح صاف باعث کاهش اصطکاک بین قطعه و قالب شده و خروج قطعه را آسان‌تر می‌کند.
    • کاهش زمان سیکل: خروج سریع‌تر قطعه، زمان سیکل را کاهش می‌دهد.
    • مقاومت به چسبندگی: سطح صاف، چسبیدن مواد پلاستیکی یا فلزی به قالب را کاهش می‌دهد.
    • افزایش عمر قالب: کاهش اصطکاک و جلوگیری از چسبندگی، تنش‌های وارده بر سطح قالب را کمتر کرده و عمر آن را افزایش می‌دهد.
  • انواع پولیش: پولیش دستی، پولیش با دستگاه (مانند دستگاه‌های ultrasonic یا rotary)، پولیش شیمیایی.
• بافت‌دهی (Texturing / Texturizing):
  • مفهوم: ایجاد الگوهای خاص (مانند دانه‌های چرم، سطوح مات، طرح‌های شنی) روی سطح حفره قالب. این بافت‌ها به قطعه نهایی منتقل می‌شوند.
  • روش‌ها: لیزر مارکینگ (Laser Marking)، سنگ‌زنی الکتریکی (EDM) با الکترودهای مخصوص، حکاکی مکانیکی.
  • کاربرد: برای ایجاد ظاهر دلخواه در قطعات پلاستیکی، بهبود گریپ (Grip) قطعات، یا پنهان کردن عیوب سطحی.
• ماشین‌کاری دقیق (Precision Machining):
  • مفهوم: فرآیندهای ماشین‌کاری با تلرانس‌های بسیار دقیق و پرداخت سطح بالا.
  • اهمیت: اطمینان از انطباق دقیق اجزای قالب (مانند جفت‌گیری ماتریس و پانچ، یا درج‌ها)، و حفظ دقت ابعادی قطعه نهایی.

نتیجه‌گیری

انتخاب مواد در قالب‌سازی، یک علم و هنر توأمان است که نیازمند درک عمیق از خواص مواد، شرایط کاری قالب و الزامات قطعه نهایی است. از انتخاب دقیق گرید فولاد و اجرای صحیح عملیات حرارتی گرفته تا استفاده از پوشش‌های سطحی پیشرفته و توجه به جزئیاتی مانند خلوص فولاد، هر تصمیمی می‌تواند تأثیر چشمگیری بر موفقیت یا شکست یک پروژه قالب‌سازی داشته باشد.

فولادهای ابزار، با تنوع وسیع گریدهای خود، ستون فقرات این صنعت را تشکیل می‌دهند و هر گرید برای پاسخگویی به نیازهای خاصی از فرآیندهای شکل‌دهی طراحی شده است. عملیات حرارتی، نقش حیاتی در آزاد کردن پتانسیل کامل این مواد ایفا می‌کند و پوشش‌های سطحی، لایه‌ای فراتر از محافظت را به قالب‌ها می‌افزایند. درک این ارتباط متقابل بین مواد، فرآیندها و خواص، متخصصان قالب‌سازی را قادر می‌سازد تا ابزارهایی بسازند که نه تنها مقاوم و بادوام باشند، بلکه بتوانند محصولات با کیفیت بالا را با کارایی و بهره‌وری بی‌نظیر تولید کنند. با توجه به پیشرفت‌های مداوم در علم مواد، متالورژی و تکنولوژی‌های پوشش‌دهی، زمینه قالب‌سازی همواره در حال تحول است و فرصت‌های جدیدی برای نوآوری و بهینه‌سازی فراهم می‌آورد.