فولاد 2379 چیست و چه کاربردی دارد؟

فولاد 2379 یک فولاد ابزار عملیات حرارتی پذیر سردکار با مقادیر بالای کربن و کروم است که به دلیل سختی و مقاومت سایشی بالای خود به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. طراحی این فولاد به گونه‌ای است که با عملیات حرارتی مناسب، در مقاطع بزرگ نیز بتواند ساختار مارتنزیتی سخت تشکیل دهد. سختی بالای این فولاد در حالت عملیات حرارتی شده، مقاومت به سایش خراشان فوق‌العاده‌ای برای آن فراهم می‌کند. این فولاد در حالت آنیل قابل ماشین‌کاری است و پس از کوئنچ و تمپر به حداکثر اتسحکام و سختی خود می‌رسد. کاربرد این فولاد در ابزار با عمر بالا مانند قالب‌های شکل‌دهی، پانچ‌ها و تیغه‌های برش که نیاز به سختی بالا، پایداری ابعادی و چقرمگی دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فولاد DIN 1.2379 در استاندارد اروپایی EN ISO 4957 با نام X153CrMoV12 به عنوان یک فولاد ابزار سردکار معرفی شده است. در استانداردهای دیگر نیز با نام‌های AISI D2 و JIS SKD11 شناخته می‌شود. ترکیب شیمیایی این فولاد در ‏جدول شماره 1 آورده شده است. D2 که یک فولاد با کربن بالا و پر آلیاژ است، حجم زیادی کاربید تشکیل می‌دهد که علت اصلی مقاومت سایشی آن است. درصد بالای کربن موجب سختی بالا و قابلیت تشکیل حجم بالای کاربید را برای آن فراهم می‌سازد، در مقابل، چقرمگی محدود آن، احتمال ترک خوردن در صورت عدم اعمال دقیق تمپر را بالا می‌برد. مقدار بالای کروم نیز علاوه بر تشکیل کاربید، مقاومت به خوردگی متوسطی را فراهم می‌کند. D2 به عنوان مقاوم‌ترین فولاد ابزار غیر زنگ‌نزن در برابر خوردگی شناخته می‌شود. با این حال، با توجه به این که اکثر مقدار کروم در کاربیدها استفاده می‌شوند، این فولاد زنگ‌نزن نیست. در فولاد 1.2379، ترکیب بالای کروم و کربن منجر به تشکیل ریزساختار لِدبوریتی (شبکه‌ای از کاربیدها در زمینه مارتنزیتی) می‌شود که مقاومت سایشی بسیار عالی ایجاد می‌کند. حضور مولیبدن و وانادیوم موجب می‌شود این فولاد با وجود کربن زیاد، بخشی از چقرمگی خود را حفظ کرده و در دماهای تمپر به سرعت نرم نشود. بررسی‌ها نشان داده‌اند که نسبت به فولاد ابزار ساده‌تر مانند O1، فولاد D2 به دلیل محتوای بالای Mo، V و Cr شکل‌پذیری و چقرمگی بهتری دارد، هرچند O1 استحکام کششی بالاتری را داراست. همچنین مقدار بالای عناصر آلیاژی درD2 دمای پایان مارتنزیت را پایین می‌آورد و باعث باقی‌ماندن مقداری آستنیت پس از کوئنچ می‌شود، که معمولاً با عملیات سرمایش زیر صفر به مارتنزیت تبدیل می‌گردد. در کل، توازن این عناصر آلیاژی باعث می‌شود فولاد 1.2379 تا حدود 60 HRC سخت شود و حجم بالایی از کاربیدهای سخت داشته باشد، که این موضوع استحکام فشاری و مقاومت سایشی برجسته‌ای ایجاد می‌کند؛ اگرچه این مزایا به قیمت کاهش چقرمگی و دشواری ماشینکاری به دست می‌آید.

ترکیب شیمیایی فولاد 2379

در حالت آنیل، فولاد 1.2379 نسبتاً نرم و چقرمه است تا ماشین‌کاری روی آن امکان‌پذیر باشد؛ سختی آن کمتر از 250 HB است که معادل حدود 800–900 مگاپاسکال مقاومت کششی برآورد می‌شود. اما پس از کوئنچ و تمپر، فولاد به سختی بسیار بالا (تا حدود 60 الی 62 راکول‌سی) و استحکام فشاری نزدیک 2 گیگاپاسکال می‌رسد، هرچند شکل‌پذیری و چقرمگی آن به شدت کاهش می‌یابد و در کشش رفتاری شکننده نشان می‌دهد. مقاومت به ضربه در این حالت پایین بوده و چقرمگی شکست گزارش‌شده تنها در محدوده 15–30 MPa√m است؛ به همین دلیل فولاد D2 برای کاربردهایی که به مقاومت ضربه‌ای بالا نیاز دارند مناسب نیست. در عمل، سختی حدود 58 الی60 راکول‌سی انتخاب متداولی است، چون تعادلی بین مقاومت سایشی عالی و میزان قابل‌قبول چقرمگی ایجاد می‌کند، در حالی‌که رسیدن به حداکثر 62 راکول‌سی باعث افت شدید چقرمگی می‌شود.

چرخه‌ی عملیات حرارتی فولاد 1.2379 شامل چند مرحله کلیدی است. در آنیل، فولاد تا حدود 870 الی 900درجه سلسیوس گرم و سپس به‌صورت بسیار آهسته سرد می‌شود تا ساختار کروی‌شده‌ی کاربیدی ایجاد شود و سختی به حدود 250 برینل برسد، که برای ماشین‌کاری مناسب است. در صورت نیاز، تنش‌‌گیری در حدود 600 درجه سلسیوس انجام می‌شود. در مرحله‌ی سخت‌کاری، پس از پیش‌گرم تا 800–850 درجه‌ سلسیوس، فولاد تا دمای آستنیتی 1000–1030 درجه‌ سلسیوس رسانده می‌شود و پس از نگهداری، در هوا یا گاز خنک می‌گردد و مارتنزیت بسیار سخت (حدود 62 راکول‌سی) شکل می‌گیرد. به دلیل باقی‌ماندن مقداری آستنیت، معمولاً عملیات سرمایش زیر صفر (تا 80- یا 196- درجه‌ سلسیوس) برای تبدیل کامل آن و افزایش پایداری ابعادی انجام می‌شود، هرچند این کار می‌تواند اندکی چقرمگی را کاهش دهد. سپس، فولاد حتماً باید تمپر شود؛ دو یا سه بار تمپر کردن در دماهای مختلف، تعادل سختی و چقرمگی را ایجاد می‌کند. برای کاربردهای صنعتی، اغلب دمای حدود 500–550 درجه‌ سلسیوس انتخاب می‌شود تا سختی 58–60 راکول‌سی به‌دست آید.

فولاد 1.2379 به دلیل حضور عناصری مانند کروم، مولیبدن و وانادیم، قابلیت بالایی برای نیتراسیون دارد. در این فرایند، نیتروژن در دمای 500–580 درجه‌ سلسیوس به سطح نفوذ کرده و ترکیبات نیتریدی سختی مانند CrN و VN را تشکیل می‌دهد. این لایه نیتریدی معمولاً ضخامت 50–200 میکرون دارد و سختی آن می‌تواند به 900–1200 ویکرز برسد. چنین لایه‌ای مقاومت سایشی را به‌طور چشمگیر افزایش داده، تنش‌های فشاری پسماند ایجاد می‌کند و از جوانه‌زنی ترک‌های خستگی جلوگیری می‌نماید. علاوه بر این، سطح نیتریدی یک لایه‌ی پایه‌ی ایده‌آل برای پوشش‌های نازک است. به همین دلیل، امروزه پوشش‌های PVD مثل TiN، TiCN، TiAlN و CrN به‌طور گسترده بر روی 1.2379 اعمال می‌شوند. این پوشش‌ها معمولاً ضخامتی بین 2–5 میکرون داشته و سختی آنها به 2000 ویکرز و بیشتر می‌رسد. ویژگی اصلی آن‌ها کاهش ضریب اصطکاک و محافظت در برابر سایش و خوردگی سطحی است. با این حال، شکنندگی بالا و خطر کنده‌شدن در صورت نبود پشتیبانی سطحی مناسب از معایب PVD است. به همین دلیل، روش Duplex Treatment (ترکیب نیتراسیون وPVD) توسعه یافته است. در این روش، لایه‌ی نیتریدی به‌عنوان بستر سخت و فشرده عمل کرده و پوشش PVD روی آن نشسته و ماندگاری بسیار بالاتری در برابر سایش، خستگی و حتی خوردگی از خود نشان می‌دهد. این ترکیب در ابزارهایی مانند پانچ‌ها و قالب‌های برشی باعث افزایش چشمگیر طول عمر می‌شود.

بُرایدینگ (Boronizing) یکی از سخت‌ترین روش‌های سطحی است که در دماهای بالا (800–1050 °C) انجام می‌شود و لایه‌ای از کاربید و بورید آهن و کروم با سختی 1600–2000 ویکرز ایجاد می‌کند. این لایه ضخامت 50–150 میکرون دارد و مقاومت سایشی را تا 6–7 برابر افزایش می‌دهد. نقطه‌ضعف آن شکنندگی و احتمال ایجاد ترک در لایه FeB است، اما با کنترل فرایند و تشکیل فاز Fe₂B می‌توان تا حدی این مشکل را کاهش داد. از طرفی، روش‌های مکانیکی مثل شات‌پینینگ سطح فولاد را با اعمال ضربات پرسرعت ساچمه‌ها کارسرد می‌کنند و باعث افزایش چگالی نابجایی، ایجاد دانه‌های فوق‌ریز و تنش‌های فشاری پسماند می‌شوند. این تغییرات، سختی سطحی و مقاومت خستگی را افزایش داده و حتی نفوذ نیتروژن در عملیات نیتراسیون بعدی را تسهیل می‌کند. روش‌های پیشرفته‌تر مثل لیزر شاک پینینگ نیز تا 30% مقاومت خستگی فولاد 1.2379 را بهبود داده‌اند. در کل، ترکیب بُرایدینگ برای مقاومت شدید سایشی و شات‌پینینگ برای بهبود خستگی و آماده‌سازی سطحی، کاربردهای مکمل دارند.

روش‌های دیگری نیز برای این فولاد وجود دارد، اگرچه اهمیت کمتری دارند. پوشش‌دهی کروم‌سخت، سطحی براق و ضدخوردگی با سختی حدود 800–1000 ویکرز ایجاد می‌کند، اما خطر ایجاد میکروترک و تردی هیدروژنی دارد. اکسیداسیون سیاه یک لایه‌ی نازک اکسیدی ایجاد می‌کند که ظاهر مات و مقاومت خوردگی ملایم به همراه دارد. پوشش‌های DLC یا WC/C به دلیل سختی بسیار بالا (تا 3000 ویکرز) و ضریب اصطکاک پایین برای کاربردهای خاص استفاده می‌شوند، ولی چسبندگی آن‌ها نیازمند لایه‌های میانی است. پوشش‌های CVD مثل TiC و Al₂O₃ هم اگرچه بسیار سخت هستند، اما به دلیل دمای بالای فرایند به ندرت بر روی D2 به کار می‌روند. در نهایت، پولیش سطحی و لَپینگ نیز برای کاهش زبری و جلوگیری از جوانه‌زنی ترک‌های خستگی بسیار موثرند. به‌طور کلی، اگر مقاومت سایشی و خستگی مدنظر باشد، نیتراسیون و Duplex بهترین گزینه‌اند؛ در محیط‌های بسیار ساینده، بُرایدینگ کارایی بالایی دارد؛ و برای ترکیب خواص اصطکاک پایین و محافظت در برابر خوردگی، پوشش‌های PVD یا DLC پیشنهاد می‌شوند.

فولاد 2379 به دلیل ساختار لِدبوریتی (مارتنزیت به همراه کاربیدهای غنی از کروم و وانادیوم) به طور ذاتی دارای مقاومت سایشی بسیار بالاست. این کاربیدها مانع ایجاد شیارهای سایشی شده و دوام ابزار را در کاربردهای سردکار به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند. سختی بالای به‌دست‌آمده پس از عملیات حرارتی همراه با عملیات تکمیلی مانند عملیات زیرصفر و تمپرینگ مناسب، باعث بهبود توزیع کاربیدها و افزایش مقاومت سایشی می‌شود.

با این حال، خواص خستگی، خزش و خوردگی فولاد 2379 محدودیت‌هایی دارد. این فولاد به دلیل تردی و حساسیت به تمرکز تنش، رفتار خستگی ذاتی ضعیف‌تری نسبت به فولادهای پرچقرمه‌تر دارد؛ اما روش‌هایی چون شات‌پینینگ، لیزر شاک پینینگ و نیتریداسیون با ایجاد تنش‌های فشاری سطحی می‌توانند عمر خستگی را به‌طور محسوسی افزایش دهند. از سوی دیگر، مقاومت خزشی این فولاد پایین است و در دماهای بالاتر از 200 درجه سانتی‌گراد به‌سرعت سختی و استحکام خود را از دست می‌دهد، بنابراین برای سرویس در دماهای بالا مناسب نیست. مقاومت به خوردگی آن نسبت به فولادهای کربنی معمولی بهتر است (به علت کروم حدود 12 درصد)، اما به دلیل حضور کروم در فاز کاربیدی، خاصیت پسیو شدن کامل مثل فولادهای زنگ‌نزن ندارد و در محیط‌های مرطوب یا خورنده زنگ می‌زند. برای رفع این مشکل از روش‌های پوشش‌دهی سطحی مانند نیتریداسیون، آبکاری سخت کروم و پوشش‌های PVD استفاده می‌شود. در مجموع، 1.2379 برای کاربردهای نیازمند مقاومت سایشی عالی بسیار ارزشمند است، اما در برابر بارهای ضربه‌ای شدید، خزش و محیط‌های به‌شدت خورنده محدودیت دارد.

فولاد DIN 1.2379 (AISI D2) یکی از پرکاربردترین فولادهای ابزار سردکار است که به دلیل سختی بالا، مقاومت سایشی فوق‌العاده و پایداری ابعادی در طی عملیات حرارتی، در صنایع گوناگون جایگاه ویژه‌ای دارد. این فولاد در قالب‌های برش و پانچ، ابزارهای شکل‌دهی سرد، تیغه‌های برش صنعتی، قالب‌های مواد ساینده، یاتاقان‌ها و ابزارهای دستی و برشی (مانند چاقوهای صنعتی) به‌طور گسترده به‌کار می‌رود. مزایای اصلی آن شامل مقاومت سایشی بالا، استحکام فشاری مناسب (حدود 2 گیگاپاسکال)، پایداری ابعادی مطلوب به‌دلیل سخت شدن در هوا، مقاومت به تمپر در دماهای میانه، و مقاومت نسبی به خوردگی در مقایسه با فولادهای ابزار معمولی است. همچنین قابلیت بالایی برای پذیرش عملیات سطحی مانند نیتریداسیون و پوشش‌های سخت دارد که می‌تواند عمر کاری آن را چندین برابر کند. در مقابل، محدودیت‌های این فولاد شامل تافنس پایین و خطر لب‌پریدگی یا ترک در بارهای ضربه‌ای، ماشینکاری دشوار (به علت حضور کاربیدهای سخت)، عدم کارایی در دماهای بالاتر از 200–250 درجه‌ سلسیوس، حساسیت به دکربوراسیون در حین عملیات حرارتی، و جوش‌پذیری بسیار ضعیف است. بنابراین، 1.2379 زمانی بهترین عملکرد را دارد که در شرایط بار سایشی شدید، بارهای فشاری بالا و محیط‌های نسبتاً خشک و سرد به کار گرفته شود؛ در چنین مواردی طول عمر و کارایی آن بسیار بالاتر از فولادهای کم‌آلیاژ خواهد بود.