آلیاژ 2080 یک فولاد عملیات حرارتیپذیر است که در دسته فولادهای ابزار سردکار دستهبندی میشود. این فولاد مطابق استاندارد DIN 1.2080 و EN ISO 4957 گرید X210Cr12 طراحی شده است. گریدهای معادل این فولاد در استانداردهای بینالمللی شامل AISI D3 و JIS SKD1 میشود. 2080 که یک فولاد با درصد کربن و کروم بالاست، به طورگسترده در صنایع ساخت و تولید کاربرد دارد. این فولاد به دلیل سختی بسیار بالا، مقاومت به سایش عالی و پایداری ابعادی در طی عملیات حرارتی شناخته شده است و به طور خاص برای ابزارهایی طراحی شده که در دماهای نزدیک به دمای اتاق کار میکنند. به عنوان یک فولاد ابزار سردکار، 2080 در فرایندهای برش، پرس، پانچ و شکلدهی که نیاز به مقاومت سایشی و سختی بالا دارند، عملکرد بسیار خوبی دارد. ترکیب شیمیایی و ساختار میکروسکوپی این فولاد امکان تحمل تنشهای مکانیکی شدید را فراهم میکند و در عین حال دوام و کارایی بالایی ارائه میدهد.
ترکیب شیمیایی این فولاد مطابق استاندارد EN ISO 4957 در جدول 1 آورده شده است. مقدار بالای کربن در این فولاد یک نقش مهم را در عملیات حرارتی با تشکیل فراوان کاربیدها فراهم میکند. این کاربیدها به طور قابل توجهی سختی و مقاومت به سایش فولاد را پس از عملیات کوئنچ تمپر افزایش میدهند. عدم انجام صحیح عملیات تمپر میتواند منجر به تردی این فولاد گردد. حضور کروم در این فولاد قابلیت سختیپذیری را افزایش میدهد و امکان تشکیل عمیق و یکنواخت مارتنزیت در کوئنچ میشود. علاوه بر این، تشکیل کاربیدهای کروم، مقاومت سایشی عالی و سختی بالا در دماهای بالای تمپر را تضمین میکند. مقدار متوسط منگنز نیز موجب افزایش سختی بدون کاهش زیاد قابلیت ماشینکاری میشود. این سه عنصر زمینه دستیابی به سختی بالا همراه با تعادل مناسب میان سختی، تردی و پایداری ابعادی در طی چرخههای متفاوت عملیات حرارتی را فراهم میکنند.
ترکیب شیمیایی فولاد 2080
| عنصر | کربن | سیلیسیوم | منگنز | کروم | فسفر | گوگرد |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.2080 | 20/2 – 90/1 | 60/0 – 10/0 | 60/0 – 20/0 | 0/13 – 0/11 | 030/0 ≥ | 030/0 ≥ |
خواص مکانیکی فولاد 2080 در شرایط آنیل و تمپر شده در 0 آورده شده است.
خواص مکانیکی فولاد 2080
| خواص | استحکام تسلیم (MPa) | استحکام نهایی (MPa) | ازدیاد طول | سختی |
|---|---|---|---|---|
| آنیل (+A) | 480 | 770 | % 15 | (HB) 248 |
| سخت و تمپر شده | 1550 | 2050 | 10% | (HRC) 66 – 64 |
در عملیات حرارتی آنیل که با گرم کردن فولاد تا دمای 840 الی 880 درجه سلسیوس و سپس سرد کردن آهسته حاصل میشود، با کروی شدن کاربیدها سختی حدود 250 برینل حاصل میگردد. عملیات تنشگیری نیز برای این فولاد در دمای حدود 650 درجه سلسیوس به مدت 1 ساعت جهت از بین رفتن تنشهای حاصل از ماشینکاری انجام میگردد. جهت افزایش سختی فولاد 2080، پس از گرم کردن آن تا دمای 970 درجهی سلسیوس، در حمام روغن کوئنچ انجام میشود. این عملیات موجب افزایش سختی تا 64 الی 66 راکول سی میگردد. عملیات تمپر فولاد 2080 در دمای بین 100 الی 500 درجهی سلسیوس منجر به ایجاد تعادل میان سختی و چقرمگی میگردد و استحکام نهایی به دمای تمپر بستگی دارد که مقادیر آن در جدول 3 آورده شده است.
سختی حاصل از تمپر در دما های متفاوت
| دمای تمپر (C°) | سختی (HRC) |
|---|---|
| 100 | 64 |
| 200 | 62 |
| 300 | 60 |
| 400 | 57 |
| 500 | 53 |
| ≥ 600 | 42 |
پیش از انجام هرگونه عملیات سطحی مانند نیتراسیون یا اعمال پوشش، صیقلکاری یا سنگزنی دقیق برای فولاد 2080 جهت از بین بردن عیوب سطحی و کاهش تمرکز تنش ضروری است. پارامترهای سنگزنی تاثیر قابل توجهی بر تنش پسماند دارند؛ سنگزنی مرسوم تنش پسماند کششی ایجاد میکند، در حالی که سنگزنی با سرعت بالا میتواند تنش پسماند فشاری مطلوب در سطح ایجاد کند. در کاربردهایی مانند قالبها و پانچها، پس از سنگزنی و تمیزکاری، اغلب پوششهای الکتروپلیت مانند کروم سخت یا نیکل جهت افزایش مقاومت به سایش و خورگی استفاده میشوند. این پوششها به صورت لایهای نازک و چسبنده از سطح در برابر سایش و محیطهای خورنده محافظت کرده و طول عمر قطعه را افزایش میدهند.
نیتریداسیون پلاسما یا گازی یکی از عملیاتهای سطحی موثر برای فولاد 2080 محسوب میشود. این روش شامل نفوذ اتمهای نیتروژن به سطح فولاد در دمایی بین 480 الی 580 درجه سلسیوس است. در فولاد 2080، به دلیل وجود مقادیر زیاد کروم، تشکیل نیتریدهای کروم سخت در سطح میتواند باعث افزایش سختی تا بیش از 1000 ویکرز شود. نیتریداسیون موجب افزایش مقاومت به سایش، بهبود مقاومت به خستگی و کاهش ضریب اصطکاک میشود. همچنین با توجه به پایینتر بودن دمای نیتریداسیون نسبت دمای تمپر، نیازی به انجام عملیات حرارتی پس از آن نیست. از مزایای دیگر این روش میتوان به حفظ ساختار مغز قطعه و اعوجاج ابعادی حداقل آن اشاره کرد.
عملیات سختکاری عمیق (Deep Cryogenic Treatment- DCT) مکملی برای فرایندهای سختکاری معمولی مانند کوئنچ وتمپر است. در این روش، فولاد پس از کوئنچ شدن، تا دمای نزدیک صفر یا حدود 196- درجه سلسیوس (دمای نیتروژن مایع) سرد میشود و برای چند ساعت در آن دما نگه داشته میشود. در فولاد 2080، این فرایند باعث تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت و رسوب یکواختتر کاربیدهای ریز میگردد. ایجاد این ساختار سبب افزایش قابل توجه سختی، مقاومت به سایش، استحکام، مقاومت به خستگی و بهبود پایداری ابعادی میشود. عموما این عملیات قبل یا بعد از تمپرینگ جهت بهینهسازی خواص مکانیکی انجام مورد استفاده قرار میگیرد.
پوششهای تبدیلی دسته دیگری از عملیاتهای سطحی قابل استفاده برای فولاد 2080 هستند. این پوششها مانند فسفاته یا اکسیداسیون شیمیایی، لایههای نازک و محافظ ایجاد میکنند و از طریق واکنش شیمیایی سطح فولاد با محلولهایی مثل فسفات روی یا منگنز تشکیل میشوند. در فولادهای پرآلیاژ مانند 2080 ایجاد پوشش فسفاته دشوارتر است و نیاز به آمادگی دقیق سطح (تمیزکاری مکانیکی و شیمیایی) دارد. با انجام دقیق این فرایند میتوان به نتایج قابل قبولی رسید و مزایای آن شامل بهبود چسبندگی رنگ، روانکار و سایر پوششها میشود. همچنین این پوششها میتوانند سبب افزایش مقاومت به خوردگی و کاهش اصطکاک شوند.
همانطور که پیشتر گفته شد، فولاد ابزار 2080 به دلیل مقاومت سایشی بسیار بالا، قابلیت سخت شدن عمقی و پایداری ابعادی، انتخابی ممتاز برای کاربردهای شکلدهی سرد محسوب میشود. از جمله موارد استفاده رایج این فولاد میتوان به سنبه و ماتریسهای برش، ابزارهای پانچ، قالبهای کشش و اکستروژن، قالبهای لمینیت و گیجهای دندهای با تلرانسهای دقیق اشاره کرد؛ جایی که حداقل اعوجاج پس از عملیات حرارتی اهمیت دارد. این خواص برجسته از محتوای بالای کربن (حدود %2) و کروم (۱۲%) ناشی میشوند که منجر به تشکیل شبکهای متراکم از کاربیدهای غنی از کروم با استحکام فشاری بسیار بالا و مقاومت سایشی فوقالعاده میگردد. همچنین، این فولاد به دلیل کروم موجود، در مقایسه با فولادهای کمآلیاژ، مقاومت نسبتاً خوبی در برابر خوردگی دارد. از سوی دیگر، این فولاد معایبی نیز دارد: تافنس و انعطافپذیری پایین در حالت سختشده آن را در برابر بارهای ضربهای مستعد ترکخوردگی یا شکست میکند، ماشینکاری آن دشوار بوده و باید عمدتاً در حالت آنیلشده ماشینکاری شود. همچنین برای کاربردهای دمای بالا مناسب نیست، زیرا در دماهای بالای ۲۰۰–۳۰۰ درجه سانتیگراد سختی خود را از دست میدهد و مقاومت خزشی ضعیفی دارد. در مجموع، فولاد 1.2080 انتخابی عالی برای ابزارهایی است که نیاز به مقاومت سایشی شدید و دقت ابعادی بالا دارند، اما استفاده از آن باید با در نظر گرفتن محدودیتهایی نظیر تافنس پایین، دشواری ماشینکاری و عملکرد ضعیف در دمای بالا انجام شود.
