فولاد 1.5920

فولاد 1.5920 که با نام استاندارد 18CrNi8 نیز شناخته می‌شود، یکی از مهم‌ترین فولادهای سمانتاسیون آلیاژی در صنایع ماشین‌سازی، خودروسازی و مهندسی دقیق است. این فولاد به گونه‌ای طراحی شده که سطحی بسیار سخت و مقاوم به سایش را در کنار مغزی چقرمه و انعطاف‌پذیر فراهم کند. این ترکیب دوگانه از خواص، آن را برای قطعاتی چون دنده‌ها، محورهای انتقال قدرت، شافت‌ها و اجزای گیربکس ایده‌آل می‌سازد؛ جایی که دوام سطح باید با مقاومت داخلی در برابر شکست و ضربه متعادل شود. اصل طراحی این فولاد بر پایه‌ی استفاده از فولاد کم‌کربن است تا چقرمگی ذاتی حفظ گردد، و سپس کربن‌دهی سطحی برای ایجاد یک لایه‌ی سخت مارتنزیتی اعمال می‌شود. به این ترتیب، پس از عملیات کوئنچ، سطح سختی بالایی به‌دست می‌آورد، در حالی‌که مغز همچنان نرم و محکم باقی می‌ماند.

شماره ماده‌ی این فولاد طبق سیستم آلمانی برابر با 1.5920 و نام استاندارد آن 18CrNi8 است. در گذشته این گرید تحت استاندارد DIN 17210 تعریف می‌شد و امروزه در چارچوب استاندارد جهانی EN ISO 683-3 به‌عنوان فولاد قابل عملیات حرارتی و مخصوص سمانتاسیون معرفی می‌شود. این استانداردهای جدید با هدف هماهنگ‌سازی بین‌المللی، محدوده‌های دقیق‌تری برای ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی ارائه می‌کنند. این فولاد در فرانسه با کد 18CN8، در لهستان 18H2N2، و در اسپانیا با نام‌های F-150.E یا A-150.E شناخته می‌شود. ترکیب شیمیایی آن نیز در ‏جدول 1 آورده شده است .

• ترکیب شیمیایی فولاد 5920.

فولاد 1.5920 یک فولاد کم‌کربن آلیاژی است که به دلیل ترکیب متعادل عناصر آلیاژی خود، میان سختی، استحکام و چقرمگی توازن مناسبی برقرار می‌کند. حضور کروم در ترکیب این فولاد نقش تعیین‌کننده‌ای در افزایش سختی‌پذیری دارد؛ این عنصر با کند کردن تبدیل آستنیت به فریت و پرلیت، تشکیل مارتنزیت را حتی در سرعت‌های خنک‌کاری کمتر ممکن می‌سازد و در فرآیند کربن‌دهی با ایجاد کاربیدهای سخت و پایدار، مقاومت سایشی سطح را به‌طور چشمگیری بالا می‌برد. نیکل نیز با بهبود چقرمگی، استحکام و کاهش شکنندگی، رفتار مکانیکی مطلوبی را در هر دو بخش سطح و مغز فولاد فراهم می‌کند و با پایین آوردن دماهای بحرانی، کنترل دقیق‌تر عملیات حرارتی را ممکن می‌سازد. عناصر منگنز و سیلیسیم علاوه بر عملکرد اکسیژن‌زدایی در مرحله فولادسازی، تا حدودی سختی‌پذیری را افزایش می‌دهند، هرچند تمایل آن‌ها به اکسیداسیون می‌تواند در کربن‌دهی معمولی منجر به تشکیل لایه‌های اکسیدی ناخواسته شود؛ مشکلی که با به‌کارگیری فرایند کربن‌دهی خلأ قابل رفع است. میزان پایین کربن پایه در این فولاد به حفظ چقرمگی مغز کمک کرده و سختی بالا تنها پس از سمانتاسیون و نفوذ کربن به سطح حاصل می‌شود. در عین حال، نبود مولیبدن در ترکیب آن موجب کاهش مقاومت در دمای بالا و سختی‌پذیری نسبت به فولادهای مشابهی مانند 18CrNiMo7-6 می‌شود، ازاین‌رو استفاده از این فولاد بیشتر برای قطعاتی توصیه می‌شود که تحت بارهای مکانیکی متوسط و در دماهای کاری زیر ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار دارند [1].

خواص مکانیکی فولاد 1.5920 به‌طور قابل‌توجهی به وضعیت متالورژیکی و عملیات حرارتی اعمال‌شده بر آن بستگی دارد. در حالت آنیل‌شده، ساختار فولاد نرم و یکنواخت بوده و سختی نسبتاً پایین آن، ماشین‌کاری آسان و دقیق را ممکن می‌سازد. این وضعیت معمولاً به‌عنوان مرحله‌ی آماده‌سازی پیش از عملیات حرارتی نهایی به کار می‌رود. پس از انجام فرآیند سمانتاسیون، کوئنچ و تمپر، تغییرات چشمگیری در ریزساختار و در نتیجه در خواص مکانیکی فولاد ایجاد می‌شود. سطح قطعه پس از کربن‌دهی دارای سختی بسیار بالا در حدود ۵۹ تا ۶۵ HRC است که مقاومت عالی در برابر سایش و خستگی سطحی ایجاد می‌کند، در حالی‌که مغز فولاد به دلیل میزان پایین کربن، چقرمگی و استحکام مناسبی حفظ می‌کند. استحکام کششی مغز در این حالت حدود ۱۲۳۰ تا ۱۴۷۰ مگاپاسکال و استحکام تسلیم آن نزدیک به ۷۸۵ تا ۸۳۵ مگاپاسکال است، در حالی که ازدیاد طول حدود ۷ درصد و چقرمگی ضربه‌ای حداقل ۴۱ ژول باقی می‌ماند. این ترکیب از سختی سطحی بالا و انعطاف‌پذیری هسته، تعادلی ایده‌آل میان مقاومت در برابر سایش و جذب انرژی در اثر بارهای دینامیکی و شوک ایجاد می‌کند و باعث می‌شود فولاد 1.5920 انتخابی مناسب برای قطعاتی مانند چرخ‌دنده‌ها، محورهای انتقال نیرو و قطعات باربر باشد [2, 3].

پس از عملیات سمانتاسیون، سطح فولاد عمدتاً از مارتنزیت ریزدانه و کاربیدهای پراکنده‌ی کروم تشکیل می‌شود. در مغز، ساختار شامل فریت و پرلیت ریزدانه است که توازن مناسبی میان استحکام و انعطاف‌پذیری ایجاد می‌کند. در طی فرآیند کوئنچ، وجود نیکل موجب تأخیر در تشکیل مارتنزیت شده و احتمال ترک‌خوردگی حرارتی را کاهش می‌دهد. کنترل دقیق دمای تمپر نیز حیاتی است، زیرا تمپر بیش از حد می‌تواند سختی سطح را کاهش داده و تمپر ناکافی خطر شکنندگی را بالا ببرد [3, 4].

عملیات حرارتی فولاد 1.5920 فرآیندی چندمرحله‌ای و دقیق است که با هدف تبدیل یک قطعه خام نرم و قابل ماشین‌کاری به بخشی با عملکرد بالا و خواص مکانیکی بهینه انجام می‌شود. این توالی از عملیات‌ها شامل مراحل آماده‌سازی، کربن‌دهی، سخت‌کاری و تمپر کردن است که هرکدام تأثیر ویژه‌ای بر ریزساختار و ویژگی‌های نهایی فولاد دارند. در ابتدا، عملیات‌های آنیل نرم، نرماله‌سازی و تنش‌زدایی برای حذف تنش‌های داخلی، پالایش دانه‌ها و بهبود یکنواختی ساختاری انجام می‌شوند. در مرحله‌ی آنیل نرم، فولاد تا حدود ۶۵۰ تا ۷۰۰ درجه سلسیوس حرارت داده شده و سپس به‌صورت بسیار آهسته خنک می‌شود تا ساختاری نرم و کروی‌شده با سختی پایین به‌دست آید که برای ماشین‌کاری مناسب است. نرماله‌سازی در دمای بالاتر، یعنی حدود ۸۵۰ تا ۹۰۰ درجه سلسیوس، برای یکنواخت‌سازی اندازه دانه‌ها و افزایش پایداری ساختاری پیش از عملیات اصلی انجام می‌شود. مرحله‌ی بعدی کربن‌دهی است که در دماهای حدود ۸۸۰ تا ۹۸۰ درجه سلسیوس در یک اتمسفر غنی از کربن صورت می‌گیرد. در این فرآیند، اتم‌های کربن از سطح به درون فولاد نفوذ کرده و لایه‌ای با غلظت کربن بالا تشکیل می‌دهند که اساس ایجاد سختی سطحی در مراحل بعدی است. انتخاب دمای مناسب در این مرحله اهمیت زیادی دارد، زیرا افزایش بیش از حد دما هرچند سرعت نفوذ کربن را بالا می‌برد، اما می‌تواند باعث رشد دانه‌ها، کاهش چقرمگی و افزایش اعوجاج شود. پس از اتمام کربن‌دهی، فولاد وارد مرحله‌ی سخت‌کاری می‌شود که معمولاً شامل دو مرحله‌ی کوئنچ متوالی است. در کوئنچ اول، فولاد تا حدود ۸۴۰ تا ۸۷۰ درجه سلسیوس گرم شده و سپس در محیطی مانند روغن یا حمام نمک سریعاً سرد می‌شود تا ساختاری سخت و مقاوم در مغز فولاد ایجاد شود. در کوئنچ دوم، قطعه مجدداً تا حدود ۸۰۰ تا ۸۳۰ درجه سلسیوس حرارت داده می‌شود تا لایه‌ی سطحی کربن‌دار آستنیته شده و پس از کوئنچ، مارتنزیت ریزدانه و بسیار سخت تشکیل دهد. انتخاب محیط کوئنچ در این مرحله حیاتی است تا ضمن تضمین تشکیل مارتنزیت، از ترک و اعوجاج جلوگیری شود. در پایان، فولاد تحت عملیات تمپر با دمای پایین، معمولاً بین ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس، قرار می‌گیرد تا تنش‌های داخلی ناشی از کوئنچ کاهش یابد و کاربیدهای ریز در ساختار مارتنزیتی رسوب کنند. این فرآیند چقرمگی و پایداری ابعادی قطعه را بهبود می‌بخشد و خطر ترک‌خوردگی را در حین کار کاهش می‌دهد. حاصل این توالی دقیق، فولادی با لایه‌ای سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش و مغزی چقرمه و مستحکم است که برای قطعاتی مانند چرخ‌دنده‌ها، میل‌محورها و اجزای انتقال نیرو ایده‌آل محسوب می‌شود [5].

مهندسی سطح در فولاد 1.5920 نقش کلیدی در افزایش عملکرد و دوام قطعات دارد. این فولاد معمولاً پس از عملیات سمانتاسیون و سخت‌کاری دارای سطحی سخت و مغزی چقرمه است، اما برای کاربرد در شرایط کاری شدید، نیاز به عملیات تکمیلی دارد. فرآیندهایی مانند کربن‌دهی خلأ (LPC) نسبت به روش‌های سنتی، ساختار سطحی تمیزتر و بدون اکسید ایجاد کرده و مقاومت خستگی را به‌طور محسوسی افزایش می‌دهند. همچنین روش‌های نفوذی دیگر مانند نیتراسیون و کربونیتراسیون، با افزودن نیتروژن به سطح، سختی تا ۹۰۰ HV و مقاومت عالی در برابر سایش و خوردگی ایجاد می‌کنند که از لایه‌های سمانتاسیون‌شده معمولی نیز برتر است [3, 6, 7].

در کنار فرآیندهای نفوذی، سخت‌کاری‌های انتخابی مانند القایی و شعله‌ای امکان سخت کردن موضعی را بدون تغییر ابعادی زیاد فراهم می‌کنند. این روش‌ها با اعمال گرمای سریع و کنترل‌شده تنها به نواحی مورد نظر – مانند دندانه چرخ‌دنده‌ها – موجب تشکیل لایه مارتنزیتی سطحی می‌شوند. نتیجه آن افزایش مقاومت سایشی در نواحی بحرانی همراه با حفظ چقرمگی مغز است. همچنین فناوری‌های پوشش‌دهی پیشرفته مانند رسوب‌دهی فیزیکی بخار (PVD) و پاشش حرارتی، امکان ایجاد سطوح با سختی بسیار بالا و اصطکاک پایین را فراهم می‌کنند. پوشش‌هایی مانند TiN، CrN، AlCrN و DLC به طور خاص برای کاهش سایش و افزایش طول عمر در اجزای با بار زیاد مانند چرخ‌دنده‌ها و یاتاقان‌ها به‌کار می‌روند .

در نهایت، عملیات‌های مکانیکی مانند ساچمه‌زنی و نورد سطحی اولتراسونیک (USRP) بدون افزودن ماده، با ایجاد تنش‌های فشاری پسماند و پالایش دانه‌های سطحی، مقاومت خستگی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند. به‌ویژه، فرآیند USRP قادر است میدان‌های فشاری عمیق و دانه‌های نانوبلوری ایجاد کند که استحکام خستگی را تا بیش از دو برابر افزایش می‌دهد. ترکیب این روش‌ها—از نفوذی و پوششی تا مکانیکی—یک راهبرد جامع مهندسی سطح برای فولاد 1.5920 فراهم می‌کند که ضمن حفظ چقرمگی مغز، سطحی فوق‌العاده سخت، مقاوم به سایش و پایدار در برابر خوردگی به وجود می‌آورد.

کارایی فولاد 1.5920 در شرایط کاری سخت به میزان مقاومت آن در برابر خستگی، سایش، خوردگی و خزش بستگی دارد. فرآیند سمانتاسیون نقش کلیدی در افزایش مقاومت به خستگی این فولاد دارد، زیرا علاوه بر ایجاد لایه‌ای سخت و مقاوم در برابر شروع ترک‌ها، موجب شکل‌گیری تنش‌های پسماند فشاری در سطح می‌شود که از گسترش ترک‌های خستگی جلوگیری می‌کند. این ویژگی می‌تواند حد خستگی فولاد را بیش از دو برابر افزایش دهد و دوام آن را در بارگذاری‌های تکراری بالا ببرد. البته کیفیت عملیات حرارتی و حذف عیوب سطحی مانند آخال‌ها یا لایه‌های اکسیدی برای حفظ این مقاومت حیاتی است، زیرا وجود آن‌ها به‌عنوان نقاط تمرکز تنش، عملکرد خستگی را به شدت کاهش می‌دهد [4, 8-10].

از نظر سایش و خوردگی، سطح سخت مارتنزیتی فولاد 1.5920 با سختی 59 تا 65 HRC، مقاومت بالایی در برابر گالینگ و سایش خراشی دارد و با پوشش‌هایی مانند کاربید تنگستن (HVOF) یا DLC می‌توان این مقاومت را چندین برابر افزایش داد. با این حال، مقاومت به خوردگی این فولاد به دلیل مقدار پایین کروم ذاتی آن محدود است و در محیط‌های مرطوب یا کلریدی به سرعت دچار زنگ‌زدگی می‌شود، بنابراین استفاده از روانکارها یا پوشش‌های محافظ مانند نیکل یا CrN ضروری است. از نظر حرارتی نیز، فولاد 1.5920 برای دماهای بالا مناسب نیست، زیرا در دماهای نزدیک به تمپر (حدود 200°C) ریزساختار مارتنزیتی آن دچار تخریب می‌شود و خواص مکانیکی خود را از دست می‌دهد. در نتیجه، این فولاد عمدتاً برای قطعات با تنش بالا در دمای محیط، مانند چرخ‌دنده‌ها و محورهای انتقال قدرت، به‌کار می‌رود [11].

فولاد آلیاژی 1.5920 (18CrNi8) به‌دلیل ترکیب متعادل از سختی سطح بالا و چقرمگی مغزی، یکی از پرکاربردترین فولادهای سمانتاسیون در صنایع مکانیکی و خودروسازی به شمار می‌رود. این فولاد در ساخت قطعاتی نظیر چرخ‌دنده‌ها، محورهای انتقال نیرو، میل‌لنگ‌ها، پین‌ها و اجزای گیربکس‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، جایی که مقاومت به سایش، عمر خستگی طولانی و دقت ابعادی پس از عملیات حرارتی اهمیت حیاتی دارند. از مزایای آن می‌توان به ماشین‌کاری آسان در حالت آنیل، قابلیت دستیابی به سختی سطحی بسیار بالا پس از کربن‌دهی و استحکام مطلوب در برابر بارهای دینامیکی اشاره کرد. با این حال، محدودیت‌هایی مانند حساسیت به اعوجاج در قطعات بزرگ، کاهش مقاومت در دماهای بالا و نیاز به کنترل دقیق پارامترهای حرارتی نیز وجود دارد. در مجموع، فولاد 1.5920 با ساختار دوگانه‌ی سطح مارتنزیتی و مغز فریتی، تعادلی کم‌نظیر بین دوام، سختی و چقرمگی ایجاد کرده و همچنان یکی از انتخاب‌های اصلی در طراحی قطعات تحت بار و سایش در سیستم‌های انتقال قدرت به شمار می‌رود.

مراجع

[1]     T. Xia, Y. Ma, Y. Zhang, J. Li, and H. Xu, “Effect of Mo and Cr on the microstructure and properties of low-alloy wear-resistant steels,” Materials, vol. 17, no. 10, p. 2408, 2024.

[2]     P. Mandal, A. Al Mamun, L. Da Silva, H. Lalvani, M. Perez, and L. Muir, “Impact of various heat treatments on the microstructure evolution and mechanical properties of hot forged 18CrNiMo7-6 steel,” 2017, vol. 84130: ASM International, pp. 33-38.

[3]     Y. Yuan et al., “Effect of the Carburizing Process on the Microstructure and Properties of 18CrNiMo7-6 Steel,” in Advances in Machinery, Materials Science and Engineering Application X: IOS Press, 2024, pp. 328-333.

[4]     S. Yang et al., “Very high cycle fatigue properties of 18CrNiMo7-6 carburized steel with gradient hardness distribution,” Coatings, vol. 11, no. 12, p. 1482, 2021.

[5]     SIJ Group, “SIQUAL 5920, 18CrNi8: Technical Datasheet,” 2021. Accessed: October 6, 2025. [Online]. Available: https://steelselector.sij.si/mobile/steels/ECN200.html

[6]     R. Yang, G. L. Wu, X. Zhang, W. T. Fu, and X. Huang, “Gradient microstructure and microhardness in a nitrided 18CrNiMo7-6 gear steel,” 2017, vol. 219: IOP Publishing, 1 ed., p. 012047.

[7]     P. Kochmański et al., “Influence of chemical composition on structure and mechanical properties of vacuum-carburized low-alloy steels,” Materials, vol. 17, no. 2, p. 515, 2024.

[8]     M.-z. Han, H.-x. Zhang, Z.-f. Yan, K.-w. Li, and W.-x. Wang, “Improving fatigue properties of 18CrNiMo7-6 steel by surface strengthening,” Materials Letters, vol. 328, p. 133200, 2022.

[9]     Y. Zhang, S. Wang, G. Xu, G. Wang, and M. Zhao, “Effect of microstructure on fatigue-crack propagation of 18CrNiMo7-6 high-strength steel,” International Journal of Fatigue, vol. 163, p. 107027, 2022.

[10]   Y. Zhang et al., “Creep behavior and life assessment of a novel heat-resistant austenite steel and its weldment,” Acta Metallurgica Sinica (English Letters), vol. 32, no. 5, p. 638, 2019.

[11]   G. Wang et al., “Surface integrity and corrosion resistance of 18CrNiMo7-6 gear steel subjected to combined carburized treatment and wet shot peening,” Surface and Coatings Technology, vol. 484, p. 130862, 2024.