टूल स्टील सिर्फ एक कच्चा माल नहीं है; यह एक महत्वपूर्ण चर है जो विनिर्माण डाउनटाइम, चक्र गति और अंतिम भाग की गुणवत्ता को निर्धारित करता है। जब उत्पादन लाइनें टूटे हुए पंच या धुले हुए डाई के कारण बंद हो जाती हैं, तो देरी की लागत की तुलना में स्टील की लागत अप्रासंगिक हो जाती है। हम परिभाषित करते हैं कार्बन और मिश्र धातु स्टील्स के एक परिवार के रूप में टूल स्टील विशिष्ट कठोरता, घर्षण प्रतिरोध और ऊंचे तापमान पर भी अत्याधुनिक धार रखने की क्षमता के लिए जाना जाता है। ये सामग्रियां आधुनिक मशीनिंग, स्टैम्पिंग और फोर्जिंग की रीढ़ हैं।
हालाँकि, केवल डेटाशीट पढ़ना शायद ही कभी पर्याप्त होता है। एक लाभदायक निर्णय लेने के लिए, इंजीनियरों को टूल स्टील के गुणों को 'लौह त्रिभुज' के संतुलन के रूप में समझना चाहिए: कठोरता, क्रूरता और पहनने के प्रतिरोध। आप तीनों को एक साथ अधिकतम नहीं कर सकते. यह मार्गदर्शिका सामान्य परिभाषाओं से आगे बढ़ती है। हम आपको स्वामित्व की कुल लागत (टीसीओ) और आवेदन की सख्ती के आधार पर विशिष्ट ग्रेड चयन-ए2, डी2 और एस7 जैसे उद्योग मानकों की तुलना के बारे में बताएंगे।
संरचना ड्राइव फ़ंक्शन: कार्बन (0.5%-1.5%) बेसलाइन कठोरता प्रदान करता है, जबकि कार्बाइड फॉर्मर्स (क्रोमियम, वैनेडियम, टंगस्टन) पहनने के प्रतिरोध और 'लाल कठोरता' को निर्देशित करते हैं।
मुख्य व्यापार-बंद: पहनने के प्रतिरोध में वृद्धि आमतौर पर क्रूरता (प्रभाव प्रतिरोध) को कम करती है। गलत संतुलन का चयन करने से भयावह उपकरण विफलता (क्रैकिंग) या समय से पहले सुस्ती हो जाती है।
हीट ट्रीटमेंट महत्वपूर्ण है: शमन की विधि (जल, तेल, वायु) स्टील की आयामी स्थिरता निर्धारित करती है। एयर-हार्डनिंग ग्रेड (ए-सीरीज़) जटिल डाई के लिए सर्वोत्तम स्थिरता प्रदान करते हैं।
टीसीओ कारक: मशीनिंग समय और ताप-उपचार स्थिरता की तुलना में सामग्री की लागत अक्सर नगण्य होती है। O1 जैसे 'सस्ते' ग्रेड लंबी अवधि में अधिक महंगे हो सकते हैं यदि वे सख्त होने के दौरान विकृत हो जाते हैं।
त्वरित चयन तर्क: झटके के लिए S7, अधिकतम घर्षण प्रतिरोध के लिए D2, सामान्य संतुलन के लिए A2 और उच्च ताप अनुप्रयोगों के लिए H13 का उपयोग करें।
यह अनुमान लगाने के लिए कि कोई उपकरण दुकान के फर्श पर कैसा प्रदर्शन करेगा, आपको पहले इसकी रसायन शास्त्र को देखना होगा। किसी भी ग्रेड का प्रदर्शन जादू नहीं है; यह ताप उपचार के दौरान विशिष्ट मिश्र धातु तत्वों की परस्पर क्रिया का प्रत्यक्ष परिणाम है। इन बिल्डिंग ब्लॉक्स को समझने से आप विफलताओं का प्रभावी ढंग से निवारण कर सकते हैं।
सभी उपकरण स्टील्स में कार्बन प्राथमिक सख्त तत्व है। कार्बन सामग्री और सामग्री की संभावित कठोरता के बीच सीधा संबंध है। आमतौर पर, इन स्टील्स को 58-64 एचआरसी की कठोरता सीमा प्राप्त करने के लिए ताप-उपचार किया जाता है। अंगूठे का नियम सरल है: उच्च कार्बन सामग्री तेज, अधिक टिकाऊ काटने वाले किनारों की अनुमति देती है। हालाँकि, इसकी एक कीमत चुकानी पड़ती है। जैसे-जैसे कार्बन बढ़ता है, मैट्रिक्स अधिक भंगुर हो जाता है, जिससे उपकरण की बिना टूटे झटके को अवशोषित करने की क्षमता कम हो जाती है।
जबकि कार्बन आधारभूत कठोरता प्रदान करता है, मिश्र धातु तत्व स्टील के व्यक्तित्व को निर्धारित करते हैं। वे कठोर कार्बाइड बनाते हैं जो घिसाव का प्रतिरोध करते हैं और स्टील को अत्यधिक वातावरण में काम करने की अनुमति देते हैं।
क्रोमियम (सीआर): यह कठोरता और सख्त होने की गहराई के लिए महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, डी-सीरीज़ स्टील्स में 10-13% क्रोमियम होता है। यह उच्च सांद्रता एक 'अर्ध-स्टेनलेस' ढाल के रूप में कार्य करती है, हालांकि यह वास्तव में जंग-रोधी नहीं है क्योंकि अधिकांश क्रोमियम कार्बाइड में बंधा होता है।
वैनेडियम (V): वैनेडियम एक अनाज शोधक है। यह एक महीन दाने वाली संरचना बनाता है जो बढ़त बनाए रखने और कठोरता दोनों में सुधार करता है। उच्च गति वाले अनुप्रयोगों में यह आवश्यक है जहां तनाव के तहत किनारा बरकरार रहना चाहिए।
टंगस्टन (डब्ल्यू) और मोलिब्डेनम (एमओ): ये तत्व 'लाल कठोरता' प्रदान करते हैं। यह गुण स्टील की 400°C (750°F) से अधिक तापमान पर नरमी का विरोध करने की क्षमता है। इन तत्वों के बिना, ऑपरेशन के दौरान घर्षण गर्मी उपकरण के किनारे को नष्ट कर देगी।
मैंगनीज (एमएन): जल-सख्त ग्रेड में, तीव्र शमन के दौरान दरार के जोखिम को कम करने के लिए मैंगनीज को कम रखा जाता है। इसके विपरीत, तेल-सख्त ग्रेड में, शमन प्रक्रिया में सहायता के लिए मैंगनीज बढ़ाया जाता है, जिससे धीमी, सुरक्षित ठंडक मिलती है।
निर्माण की विधि उपकरण के थकाने वाले जीवन को प्रभावित करती है। मानक इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस (ईएएफ) विधियां आम हैं, लेकिन उच्च जोखिम वाले अनुप्रयोगों के लिए, सफाई मायने रखती है। इलेक्ट्रो-स्लैग रीमेल्टिंग (ईएसआर) या पाउडर मेटलर्जी (पीएम) जैसी प्रक्रियाएं कण एकरूपता सुनिश्चित करती हैं। उच्च-चक्र वाले सांचों में, एक समान संरचना थकान दरारों की शुरुआत को रोकती है, जिससे उपकरण का जीवनकाल काफी बढ़ जाता है।
अमेरिकन आयरन एंड स्टील इंस्टीट्यूट (एआईएसआई) टूल स्टील्स को अक्षर-निर्दिष्ट श्रृंखला में वर्गीकृत करता है। प्रत्येक श्रृंखला एक विशिष्ट विनिर्माण वातावरण या विफलता मोड को संबोधित करती है।
डब्ल्यू-सीरीज़ सबसे पुराने और सरल प्रकार के टूल स्टील का प्रतिनिधित्व करती है। वे सरल, कम लागत वाली टूलींग, कोल्ड हेडिंग और कटलरी के लिए सबसे उपयुक्त हैं। जबकि कच्चा माल सस्ता है, डब्ल्यू-सीरीज़ स्टील्स में पानी बुझाने के दौरान विकृत होने या टूटने का उच्च जोखिम होता है। इसके अलावा, यदि ऑपरेटिंग तापमान 150 डिग्री सेल्सियस से ऊपर बढ़ जाता है तो वे तेजी से कठोरता खो देते हैं। विकृति के जोखिम के कारण जटिल, महंगी डाई के लिए इनका उपयोग शायद ही कभी किया जाता है।
ओ-सीरीज़ सामान्य प्रयोजन टूलींग और शॉर्ट-रन डाइज़ के लिए पसंदीदा है। इसका प्राथमिक लाभ इसकी मशीनेबिलिटी में निहित है। उच्च-मिश्र धातु ग्रेड की तुलना में इसे काटना और ड्रिल करना आसान है। तेल का शमन भी पानी की तुलना में अधिक 'क्षमाशील' होता है, जिससे शमन के टूटने की संभावना कम हो जाती है। हालाँकि, इसमें अभी भी सटीक सहनशीलता कार्य के लिए आवश्यक आयामी स्थिरता का अभाव है।
सटीक स्टैम्पिंग, ब्लैंकिंग डाइज़ और लंबे समय तक उत्पादन के लिए, एयर-हार्डनिंग स्टील्स उद्योग मानक हैं।
A2 टूल स्टील: यह आयामी स्थिरता के लिए बेंचमार्क है। यह शांत हवा में बुझाता है, आंतरिक तनाव और विकृति को कम करता है। यह जटिल डाइज़ के लिए उपयुक्त है।
डी-सीरीज़ (डी2, डी3, डी6): जब अधिकतम घर्षण प्रतिरोध की आवश्यकता होती है, जैसे कि फाइबरग्लास-प्रबलित प्लास्टिक का प्रसंस्करण, तो निर्माता उच्च-कार्बन, उच्च-क्रोम ग्रेड जैसे की ओर रुख करते हैं एआईएसआई डी6 या डी2। ये ग्रेड असाधारण घिसावट जीवन प्रदान करते हैं लेकिन इन्हें मशीन में चलाना कठिन होता है।
वायवीय छेनी, कतरनी ब्लेड और पंच जैसे उपकरण बड़े पैमाने पर प्रभाव बल का अनुभव करते हैं। एस-सीरीज़ स्टील्स, विशेष रूप से एस7, इस वातावरण के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। अधिकतम कठोरता को प्राथमिकता देने के लिए उनमें कम कार्बन सामग्री (आमतौर पर लगभग 0.5%) होती है। यह संरचना उपकरण को भारी प्रभाव के तहत टूटने से बचाने की अनुमति देती है, भले ही यह कुछ पहनने के प्रतिरोध का त्याग कर दे।
डाई कास्टिंग, एक्सट्रूज़न और हॉट फोर्जिंग जैसी प्रक्रियाएं टूलींग को अत्यधिक थर्मल चक्रों में उजागर करती हैं। सतह का तापमान 400°C-540°C से अधिक होने पर भी H-श्रृंखला स्टील्स अपनी यांत्रिक अखंडता बनाए रखते हैं। वे 'हीट चेकिंग' (थर्मल विस्तार और संकुचन के कारण होने वाली सतह की दरार) का विरोध करते हैं।
ड्रिल, एंड मिल और नल जैसे काटने के उपकरण उच्च आरपीएम पर काम करते हैं, जिससे तीव्र घर्षण गर्मी पैदा होती है। हाई-स्पीड स्टील्स, जैसे एम2 टूल स्टील , इन ऊंचे तापमानों पर तेज धार बनाए रखने के लिए तैयार किया गया है। इस लाल कठोरता को प्राप्त करने के लिए उनमें अक्सर टंगस्टन या मोलिब्डेनम का उच्च स्तर होता है।
सही सामग्री चुनने के लिए एक संरचित निर्णय ढांचे की आवश्यकता होती है। आपको सामग्री के अंतर्निहित व्यापार-बंद के विरुद्ध अपने आवेदन की विशिष्ट मांगों का मूल्यांकन करना चाहिए।
कठोरता और कठोरता के बीच विपरीत संबंध है। आम तौर पर आपके पास दोनों का अधिकतम स्तर नहीं हो सकता।
निर्णय तर्क:
यदि आपका वर्तमान उपकरण टूटने या टूटने से विफल हो जाता है, तो सामग्री बहुत भंगुर है। आपको और अधिक कठोरता की आवश्यकता है. अपने चयन को D2 से A2, या A2 से S7 पर ले जाएँ।
यदि आपका उपकरण खराब होने या आयाम खोने के कारण विफल हो जाता है, तो आपको अधिक घर्षण प्रतिरोध की आवश्यकता है। S7 से A2, या A2 से आगे बढ़ें डी3/डी2.
गर्मी उपचार के दौरान विरूपण एक सटीक-मशीनीकृत भाग को बर्बाद कर सकता है। शमन माध्यम यहाँ मुख्य चर है। पानी का शमन तीव्र तापीय झटका पैदा करता है, जिससे विरूपण का खतरा अधिक होता है। तेल बेहतर है, लेकिन वायु शमन (ए और डी श्रृंखला) सबसे कम विरूपण प्रदान करता है। कठोर सहनशीलता वाले जटिल डाई के लिए, वायु-सख्त करने वाले ग्रेड यह सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं कि सख्त होने के बाद भाग विशिष्टता के भीतर बना रहे।
निर्माण लागत अक्सर सामग्री लागत को कम कर देती है। हम सादे कार्बन स्टील को 100% के रूप में संदर्भित करते हुए निर्माण की सापेक्ष आसानी प्रदान करते हैं। O1 को मशीन से बनाना अपेक्षाकृत आसान है, जो उपकरण बनाने की प्रक्रिया के दौरान श्रम और उपकरण घिसाव से बचाता है। इसके विपरीत, D2 को पीसना और मशीन बनाना कठिन है। इससे अग्रिम उपकरण निर्माण लागत बढ़ जाती है, जिसे लंबे समय तक उत्पादन द्वारा उचित ठहराया जाना चाहिए।
कभी-कभी आधार धातु के गुण पर्याप्त नहीं होते हैं। आपको इस बात पर विचार करना चाहिए कि क्या स्टील सतह के उपचार के लिए उपयुक्त है। नाइट्राइडिंग, पीवीडी (भौतिक वाष्प जमाव), या ब्लैक ऑक्साइड कोटिंग्स सतह की कठोरता को बढ़ा सकती हैं। हालाँकि, बेस स्टील को बिना टूटे ('अंडे के छिलके' प्रभाव) कठोर कोटिंग का समर्थन करने में सक्षम होना चाहिए।
व्यावहारिक चयन में सहायता के लिए, हम सबसे सामान्य ग्रेडों की सीधे तुलना कर सकते हैं।
| तुलना कारक | O1 (ऑयल हार्डनिंग) | A2 (एयर हार्डनिंग) | D2 (हाई कार्बन/क्रोम) |
|---|---|---|---|
| प्राथमिक शक्ति | मशीन की | संतुलित प्रदर्शन | घर्षण प्रतिरोध |
| विरूपण जोखिम | मध्यम | कम | बहुत कम |
| प्रतिरोध पहन | मध्यम | उच्च | बहुत ऊँचा |
| बेरहमी | मध्यम | मध्यम | कम |
O1 एकबारगी प्रोटोटाइप या रखरखाव टूलींग के लिए बेहतर विकल्प है जहां मशीनिंग में आसानी प्राथमिकता है और हीट ट्रीटमेंट सुविधाएं सीमित हैं। उत्पादन टूलींग के लिए A2 आवश्यक है। यदि सख्त होने के बाद आकार की स्थिरता पर समझौता नहीं किया जा सकता है, तो उपकरण को सहनशीलता से बाहर होने से बचाने के लिए आपको O1 के बजाय A2 का उपयोग करना चाहिए।
A2 अपनी 5% क्रोम सामग्री के साथ कठोरता और पहनने के प्रतिरोध का एक सुरक्षित संतुलन प्रदान करता है। यह सामान्य मुद्रांकन के लिए उत्कृष्ट है. डी2, 12% क्रोम और उच्च कार्बन के साथ, अत्यधिक घिसाव प्रतिरोध के लिए कठोरता का त्याग करता है।
सावधानी: उच्च स्तर पर पॉलिश करने पर D2 पर 'संतरे के छिलके' का प्रभाव पड़ने का खतरा होता है। यह विशिष्ट पी-ग्रेड या ए2 की तुलना में मिरर-फिनिश मोल्ड के लिए कम आदर्श है।
S7 बेजोड़ प्रभाव शक्ति प्रदान करता है। यह लगभग किसी भी अन्य ग्रेड की तुलना में बेहतर ढंग से टूटने से बचाता है, लेकिन उच्च ताप के संपर्क में आने पर नरम हो जाएगा। H13 अच्छी कठोरता और उत्कृष्ट ताप प्रतिरोध प्रदान करता है। इसका उपयोग अक्सर प्लास्टिक के साँचे में किया जाता है, जिसके लिए उच्च सतह फिनिश की आवश्यकता होती है, जैसे कि लेंस-गुणवत्ता वाले हिस्से।
पारंपरिक कास्ट सिल्लियां अक्सर कार्बाइड क्लंपिंग से पीड़ित होती हैं। आधुनिक पाउडर धातुकर्म (पीएम) स्टील्स (सीपीएम ग्रेड की तरह) एक समाधान प्रदान करते हैं। वे एक समान कार्बाइड वितरण प्रदान करते हैं। यह उन स्टील्स के लिए अनुमति देता है जिनमें उच्च पहनने के प्रतिरोध और उचित कठोरता दोनों होते हैं , जो मानक डी 2 में पाए जाने वाले पारंपरिक ट्रेड-ऑफ को तोड़ते हैं।
प्रति पाउंड सबसे सस्ता स्टील खरीदने पर अक्सर उत्पादित प्रति हिस्से की लागत सबसे अधिक होती है। स्मार्ट खरीद जीवनचक्र लागत को देखती है।
स्टील की कीमत अक्सर कुल उपकरण लागत का 10% से कम होती है। अधिकांश लागत मशीनिंग, पीसने और ताप उपचार में निहित है। यदि आप W1 जैसा सस्ता स्टील चुनते हैं और यह गर्मी उपचार के दौरान टूट जाता है, तो आप मशीनिंग निवेश का 100% नष्ट कर देते हैं। यह सुनिश्चित करने के लिए कि मशीनिंग के घंटे बर्बाद न हों, A2 जैसे अधिक स्थिर, थोड़े अधिक महंगे ग्रेड का उपयोग करना आर्थिक रूप से सुरक्षित है।
उत्पादन की मात्रा पर विचार करें. प्रोटोटाइपिंग या कम वॉल्यूम के लिए, एल्यूमीनियम टूलींग पर्याप्त है। हालाँकि, 100,000 चक्र से अधिक की उच्च-मात्रा वाली दौड़ के लिए, P20 या H13 स्टील टूलींग की आवश्यकता होती है। अग्रिम लागत अधिक है, लेकिन प्रति यूनिट लागत काफी कम हो जाती है क्योंकि उपकरण को बार-बार प्रतिस्थापन या मरम्मत की आवश्यकता नहीं होती है।
अंततः, उपकरणों को मरम्मत की आवश्यकता होती है।
वेल्डेबिलिटी: निचले मिश्र धातु स्टील्स की मरम्मत और वेल्ड करना आम तौर पर आसान होता है। डी2 जैसे उच्च-मिश्र धातु ग्रेड के लिए सख्त प्री-हीटिंग और पोस्ट-हीटिंग प्रोटोकॉल की आवश्यकता होती है। यदि इन्हें नजरअंदाज किया गया तो वेल्ड जोन तुरंत टूट जाएगा।
पैनापन: O1 आसानी से ''महीन,'' उस्तरा-नुकीली धार लेता है। डी2, अपने बड़े क्रोमियम कार्बाइड के कारण, तेज करने के दौरान सूक्ष्म-चिपकने का खतरा होता है। इससे नाजुक भागों की कट गुणवत्ता प्रभावित हो सकती है।
का चयन टूल स्टील के गुण गणितीय रूप से 'सर्वोत्तम' स्टील खोजने के बारे में नहीं हैं। यह उस स्टील को खोजने के बारे में है जो आपके विशिष्ट विफलता मोड में सबसे अंत में विफल होता है - चाहे वह अपघर्षक टूट-फूट हो, भयावह टूट-फूट हो, या गर्मी की जाँच हो।
अंतिम सिफ़ारिश:
सामान्य कोल्ड वर्क अनुप्रयोगों के लिए A2 से प्रारंभ करें। यह स्थिरता और टूट-फूट के लिए सुरक्षित मध्य मार्ग है।
डी2 में केवल तभी अपग्रेड करें जब अपघर्षक घिसाव सिद्ध विफलता मोड हो और कठोरता एक माध्यमिक चिंता का विषय हो।
यदि प्रभाव या झटका आपके वर्तमान टूलींग में टूट-फूट का कारण बन रहा है तो S7 पर स्विच करें।
O1 का उपयोग केवल गैर-महत्वपूर्ण, कम-विरूपण-जोखिम वाले टूलींग, कम रन, या प्रोटोटाइप के लिए करें जहां मशीनेबिलिटी सर्वोपरि है।
ए: मुख्य अंतर संक्षारण प्रतिरोध और क्रोमियम सामग्री में है। जंग को रोकने के लिए स्टेनलेस स्टील में आमतौर पर कम से कम 10.5% क्रोमियम होता है। जबकि कुछ टूल स्टील्स (जैसे डी2) में उच्च क्रोमियम (11-13%) होता है, वे 'अर्ध-स्टेनलेस' होते हैं। टूल स्टील में क्रोमियम पहनने के प्रतिरोध के लिए कठोर कार्बाइड बनाने के लिए कार्बन के साथ जुड़ता है, जिससे जंग से बचाने के लिए कम मुक्त क्रोमियम बचता है। यदि रखरखाव न किया जाए तो टूल स्टील में जंग लग जाएगा।
उत्तर: हाँ, लेकिन यह कठिन है। इसे टूटने से बचाने के लिए विशिष्ट प्री-हीटिंग और पोस्ट-हीटिंग प्रोटोकॉल की आवश्यकता होती है। क्योंकि टूल स्टील तेजी से कठोर हो जाता है, वेल्डिंग से निकलने वाली गर्मी एक भंगुर क्षेत्र (हीट प्रभावित क्षेत्र) बना सकती है जो ठंडा होने पर टूट जाता है। आपको फिलर रॉड को बेस मेटल से मिलाना होगा और शीतलन दर को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करना होगा।
उत्तर: आपको एनीलिंग प्रक्रिया अवश्य पूरी करनी होगी। इसमें स्टील को धीरे-धीरे उसके महत्वपूर्ण तापमान (आमतौर पर लगभग 100°F ऊपर) तक गर्म करना शामिल है। फिर आप स्टील को इस तापमान पर प्रति इंच मोटाई के हिसाब से एक घंटे के लिए भिगो दें। अंत में, आपको इसे भट्टी में बहुत धीरे-धीरे ठंडा करना होगा ताकि सूक्ष्म संरचना को नरम अवस्था में आराम मिल सके।
उ: O1 या जल-सख्त ग्रेड जैसे महीन दाने वाले स्टील अक्सर सबसे तेज धार वाले होते हैं। डी2 जैसे उच्च-मिश्र धातु स्टील्स में बड़े क्रोमियम कार्बाइड होते हैं। जबकि ये कार्बाइड पहनने के प्रतिरोध प्रदान करते हैं, वे किनारे की सुंदरता को सीमित कर सकते हैं, 'कंक्रीट में चट्टानों' की तरह काम करते हैं जो दर्पण खत्म होने पर माइक्रो-चिपिंग का कारण बनते हैं। पीएम ग्रेड एक अच्छा समझौता प्रदान करते हैं।
उत्तर: हां, टूल स्टील अपनी एनील्ड (मुलायम) और कठोर दोनों अवस्थाओं में चुंबकीय है। ऐसा इसलिए है क्योंकि इसकी संरचना फेरिटिक या मार्टेंसिटिक है। यह गुण पीसने के संचालन के लिए उपयोगी है, क्योंकि निर्माण के दौरान वर्कपीस को चुंबकीय चक पर सुरक्षित रूप से रखा जा सकता है।