فولاد 2436 چیست و چه کاربردی دارد؟

فولاد 2436 یک فولاد ابزار سردکار عملیات حرارتی پذیر با مقادیر بالای کربن و کروم و مقدار اندک تنگستن است. این فولاد لدبوریتی طراحی شده است تا در کاربردهایی که نیاز به مقاومت سایشی بسیار بالا، سختی سطحی بالا و استحکام فشاری بسیار بالا مورد نیاز است، استفاده شود؛ در حالی که پایداری ابعادی در حین سخت‌کاری داشته باشد. این فولاد، مانند اکثر فولادهای ابزاری چقرمگی متوسطی دارد و در برابر شوک یا نیروی ضربه‌ای ضعیف است. 2436 به طور کلی در کاربردهای ابزارها (قالب ها و ابزار برش)، که نیاز به سختی بالا دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فولاد 2436 در استاندارد ISO و DIN با نام X210CrW12 و شماره 1.2436 نام‌گذاری شده است. در استانداردهای دیگر با نام‌های AISI D6 و JIS SKD2 شناخته می‌شود. در استاندارد چینی نیز فولاد Cr12W ترکیب شیمیایی معادل با این فولاد را دارد. ترکیب شیمیایی فولاد 2436 مطابق استاندارد EN ISO 4957 در ‏جدول 1 آورده شده است. مقدار بالای کربن در این فولاد تشکیل حجم بالای کاربید (به طور خاص کاربید کروم) را ممکن می‌سازد که منجر به افزایش مقاومت سایشی و سختی پس از کوئنچ (64 راکول‌سی) می‌شود. همچنین درصد بالای کربن عامل اصلی استحکام فشاری بالای این فولاد است. فولاد D6 با %12 کروم در درسته‌ی فولاد‌های ابزار (نیمه-زنگ‌نزن) قرار می‌گیرد. حضور کروم باعث افزایش سختی‌پذیری و تشکیل کاربید می‌شود. با توجه به این که بخش زیادی از کروم صرف تشکیل کاربید می‌شود، زمینه‌ی این فولاد مقاومت به خوردگی متوسطی دارد. افزودن % 7/0 تنگستن، این فولاد را نسبت به فولاد مشابه D2 متمایز می‌سازد. تنگستن با تشکیل کاربیدهای غنی از تنگستن، به این فولاد مقاومت به تمپر بالا می‌دهد و می‌تواند سختی خود را در دمای بالا حفظ کند. ترکیب این موارد منجر به سختی‌بالا و پایداری حرارتی در فولاد D6 می‌شود.

ترکیب شیمیایی فولاد 2436

فولاد 2436 در شرایط آنیل شده سختی 225 الی 250 برینل دارد که مناسب ماشین‌کاری است. سختی این فولاد پس از کوئنچ (بدون تمپر) در حدود 64 الی 66 راکول‌سی است و سختی پس از تمپر آن وابستگی زیادی به دمای تمپر دارد. تمپر در دماهای بین 100 تا 400 درجه سلسیوس منجر به دستیابی به سختی 58 الی 62 راکول‌سی شده و تمپر در دمای بالاتر از 500 درجه افت سختی تا کمتر از 50 راکول‌سی را به همراه دارد. برای رسیدن به حداکثر سختی، معمولاً از تمپر دوبل در دمای پایین (حدود 150 تا 200 درجه سلسیوس) استفاده می‌شود که نتیجه آن دستیابی به سختی حدود 60 تا 62 راکول سی همراه با مقدار کمی آستنیت باقی‌مانده است. در مقابل، تمپر در دمای حدود 500 درجه سلسیوس می‌تواند تنش‌های بیشتری را آزاد کرده و ریزساختار را پایدارتر سازد، هرچند این کار با اندکی کاهش سختی به حدود 55 تا 58 راکول سی همراه است. فولاد 2436 در حالت سخت‌شده مقاومت فشاری بسیار بالایی دارد؛ به‌طوری‌که در سختی 46 HRC حدود 1320 مگاپاسکال و در سختی 60 HRC بیش از 2000 مگاپاسکال مقاومت نشان می‌دهد. در مقابل، چقرمگی آن تنها متوسط بوده و به دلیل حجم زیاد کاربیدها در برابر ضربه یا تمرکز تنش مستعد لب‌پر شدن یا ترک‌خوردگی است، بنابراین بیشتر برای شرایطی مناسب است که سایش عامل اصلی تخریب باشد. این فولاد در عین حال پایداری ابعادی عالی در عملیات حرارتی دارد و به دلیل سخت‌شدن در هوا با اعوجاج کم، برای ساخت ابزارهای دقیق بسیار ارزشمند است.

عملیات حرارتی معمول فولاد 2436 به این شکل انجام می‌شود که ابتدا فولاد در حالت آنیل آماده‌سازی می‌گردد و در صورت نیاز پیش‌گرم انجام می‌شود. سپس در دمای حدود 970 درجه سلسیوس به مدت 15 تا 30 دقیقه آستنیتی شده و پس از آن در هوا یا روغن تا دمای محیط کوئنچ می‌شود. در ادامه، تمپر نخست در دمای 180 درجه سلسیوس به مدت دو ساعت انجام می‌شود و پس از خنک شدن، تمپر دوم نیز در همان شرایط تکرار می‌گردد که در نهایت سختی حدود 62 راکول سی حاصل می‌شود. در مواردی که به ابزاری با سختی کمتر اما چقرمگی بالاتر نیاز است، تمپر دوبار در دمای 500 درجه سلسیوس انجام می‌گیرد که سختی نهایی را به حدود 57 راکول سی کاهش می‌دهد. نتیجه این عملیات، فولادی با مقاومت سایشی بسیار زیاد و چقرمگی کافی برای کاربردهای کار سرد خواهد بود. همچنین تمام عملیات حرارتی باید با سرد شدن تدریجی تا دمای محیط همراه باشد تا از ایجاد تنش‌های جدید جلوگیری شود. در صورت انجام صحیح سخت‌کاری و تمپر، فولاد 2436 ترکیبی از سختی بالا، پایداری ابعادی و قابلیت نگهداری لبه را ارائه می‌دهد که آن را برای ابزارهای دقیق و طول‌عمر بالا بسیار مناسب می‌سازد.

مهندسی سطح در فولاد 2436 (D6) نقش کلیدی در افزایش عمر کاری ابزار دارد، زیرا این فولاد ذاتاً سخت و مقاوم به سایش است اما می‌توان با عملیات‌های سطحی خاص، عملکرد آن را در برابر سایش، خستگی و حتی خوردگی بیشتر ارتقا داد. روش‌های اصلی شامل نیتریداسیون و نیتروکربوراسیون، پوشش‌های PVD، لایه‌های نفوذی مانند بورایدینگ و TRD و نیز سخت‌کاری‌های سطحی پیشرفته مانند لیزر هستند.

نیتریداسیون و نیتروکربوراسیون از رایج‌ترین فرایندها برای این فولاد به شمار می‌روند. در این روش‌ها نیتروژن (و گاهی کربن) در دمای حدود 500 تا 580 درجه سلسیوس وارد سطح فولاد می‌شود و لایه‌ای بسیار سخت ایجاد می‌کند. سختی سطحی معمولاً به 700 تا 900 ویکرز می‌رسد که بالاتر از سختی زمینه است، و عمق لایه حدود 1/0 تا 3/0 میلی‌متر است. نیتریداسیون پلاسما یا گازی موجب بهبود چشمگیر مقاومت سایشی و افزایش عمر خستگی می‌شود، بدون آنکه سختی هسته تغییر کند. همچنین فرآیند QPQ به عنوان نوعی نیتروکربوراسیون نمکی علاوه بر سختی، مقاومت خوردگی را نیز بهبود می‌دهد.

پوشش‌های سخت PVD مانند TiN، TiCN، TiAlN و DLC نیز اهمیت زیادی دارند. این پوشش‌ها با سختی بسیار بالا (2000 تا 3000 ویکرز) سطح فولاد را در برابر سایش و چسبندگی محافظت می‌کنند. TiN متداول‌ترین پوشش است که علاوه بر افزایش عمر ابزار، ظاهر طلایی رنگی دارد. TiAlN برای دماهای بالاتر مفید است زیرا لایه‌ای از آلومینا محافظ تشکیل می‌دهد. پوشش TiCN اصطکاک کمتری دارد و برای عملیات سرد مناسب است. DLC نیز در کاربردهایی با نیاز به اصطکاک بسیار پایین مثل تیغه‌ها و قالب‌های لغزشی کاربرد دارد. این پوشش‌ها معمولاً ضخامت کمی دارند (۲ تا ۵ میکرون) و ابعاد قطعه را تغییر نمی‌دهند اما تأثیر قابل توجهی در کاهش نرخ سایش و افزایش عمر ابزار دارند.

فرایندهای نفوذی مانند بورایدینگ و TRD لایه‌هایی با سختی بسیار بالا ایجاد می‌کنند. در بورایدینگ، لایه‌های بورید آهن (FeB و Fe₂B) تشکیل می‌شود که سختی 1500 تا 2000 ویکرز دارند، اما تردی بالایی نیز دارند. در TRD، لایه‌های کاربیدهایی مانند واندیوم کاربید تشکیل می‌شوند که سختی آن‌ها بیش از 2500 ویکرز است و مقاومت سایشی و ضدچسبندگی بسیار عالی ایجاد می‌کنند. اگرچه این فرایندها هزینه‌بر و دما بالا هستند و شکنندگی سطح را افزایش می‌دهند، اما برای ابزارهای تحت سایش بسیار شدید، مانند قالب‌های پانچ ورق‌های مقاوم، می‌توانند عمر ابزار را چندین برابر کنند.

سخت‌کاری سطحی لیزری یک روش پیشرفته‌تر است که با استفاده از پرتو لیزر سطح فولاد را سریعاً تا دمای آستنیتی حرارت داده و سپس با سرد شدن سریع ساختار مارتنزیتی سخت ایجاد می‌شود. این لایه معمولاً 1 تا 2 میلی‌متر عمق دارد و سختی حدود 800 ویکرز حاصل می‌کند. این روش بدون حرارت دادن کل قطعه انجام می‌شود، بنابراین اعوجاج بسیار کمی ایجاد می‌گردد و برای قطعات بزرگ یا تعمیرات بسیار مفید است.

روش‌های دیگر شامل شات‌پینینگ برای افزایش مقاومت خستگی از طریق ایجاد تنش‌های فشاری سطحی، آبکاری کروم سخت یا نیکل برای بهبود مقاومت به خوردگی و جلوگیری از چسبندگی، و اکسیداسیون سطحی (مانندQPQ) برای ایجاد لایه نازک اکسیدی و افزایش مقاومت به خوردگی هستند.

در مجموع، نیتریداسیون و پوشش‌های PVD مهم‌ترین و پرکاربردترین روش‌های تقویت سطحی فولاد 2436 هستند که بیشترین تأثیر را در افزایش مقاومت سایشی و عمر ابزار دارند. فرایندهای بورایدینگ و TRD سخت‌ترین لایه‌ها را ایجاد می‌کنند و برای شرایط بسیار شدید مناسب‌اند، در حالی که روش‌هایی مانند سخت‌کاری لیزری، شات‌پینینگ و آبکاری کاربردهای خاص‌تر و تکمیلی دارند. انتخاب روش به شرایط کاری ابزار بستگی دارد، اما در هر حال این عملیات‌های سطحی نقش اساسی در ارتقای کارایی فولاد 2436 ایفا می‌کنند.

مقاومت سایشی مهم‌ترین ویژگی فولاد 2436 است. در حالت سخت‌شده (حدود 60 HRC) و به دلیل وجود کاربیدهای کروم و تنگستن، این فولاد در برابر سایش خراشان و چسبان عملکرد بسیار خوبی دارد و حتی نسبت به فولاد D2 در برخی موارد مقاوم‌تر است. نقطه ضعف آن ایجاد ترک‌های ریز در فشارهای شدید به دلیل ساختار پرکاربید است، اما در قالب‌های برش و شکل‌دهی سرد طول عمر بالایی دارد. عملیات‌های سطحی مانند نیتریداسیون، پوشش‌های PVD یا سرمایش عمیق می‌توانند مقاومت سایشی آن را بیشتر کنند. مقاومت به خوردگی در این فولاد متوسط است. با وجود 12 درصد کروم، بخش زیادی از آن در کاربیدها محبوس است و لایه پسیو کرومی شکل نمی‌گیرد. بنابراین فولاد بدون محافظ در محیط‌های مرطوب زنگ می‌زند، هرچند از فولادهای پرکربن ساده کمی بهتر است. روش‌هایی مثل نیتریداسیون، QPQ یا آبکاری کروم و نیکل می‌توانند مقاومت به خوردگی را تقویت کنند.

خستگی در فولاد 2436 به دلیل سختی بالا و وجود کاربیدها محدود است. این فولاد در حالت صیقلی می‌تواند تنش‌های چرخه‌ای متوسط را تحمل کند اما در حضور تمرکز تنش یا لبه‌های تیز زود ترک می‌خورد. روش‌هایی مانند شات‌پینینگ، نیتریداسیون و پوشش TiN می‌توانند عمر خستگی را تا چند ده درصد افزایش دهند. با این حال، برای بارهای چرخه‌ای شدید فولادهای پرچقرمه‌تر انتخاب بهتری هستند. رفتار خزشی و دمای بالا آن نیز بسیار ضعیف است. این فولاد برای کار سرد طراحی شده و در دماهای بالاتر از 200 درجه سانتی‌گراد به سرعت سختی خود را از دست می‌دهد. در 500 تا 600 درجه سختی به حدود 40 HRC یا کمتر کاهش می‌یابد. بنابراین استفاده از آن در قالب‌های گرم‌کار توصیه نمی‌شود و در چنین مواردی باید از فولادهای مقاوم به حرارت مانند H13 استفاده کرد.

فولاد 2436 (D6) عمدتاً در کاربردهایی استفاده می‌شود که مقاومت سایشی و حفظ لبه برش اهمیت بالایی دارد. این فولاد برای ابزارهایی مانند قالب‌های برش و پانچ، تیغه‌های برش ورق و فویل، ابزارهای کشش و اکستروژن سرد، قالب‌های شکل‌دهی پودر، تیغه‌های ماشین و چوب‌بری، و حتی قالب‌های تزریق پلاستیک‌های ساینده به‌کار می‌رود. توانایی سخت‌کاری با اعوجاج کم آن را برای ابزارهای دقیق مانند گیج‌ها یا رول‌ها نیز مناسب می‌سازد. در این حوزه‌ها، 2436 نسبت به بسیاری از فولادهای ابزار دیگر طول عمر بیشتری دارد و به دلیل سختی بالا (حدود 60 راکول‌سی )، پایداری ابعادی و مقاومت در برابر تمپر در دماهای متوسط، گزینه‌ای ایده‌آل برای تولید انبوه و دقیق محسوب می‌شود.

با این حال، محدودیت اصلی آن شکنندگی و چقرمگی پایین است. به همین دلیل برای بارهای ضربه‌ای یا شوک مکانیکی شدید مناسب نیست و در چنین شرایطی احتمال لب‌پر شدن یا شکست وجود دارد. علاوه بر این، ماشین‌کاری و سنگ‌زنی آن به دلیل حجم زیاد کاربیدها دشوار است، جوش‌پذیری ضعیفی دارد، در دماهای بالا سریعاً سختی خود را از دست می‌دهد و مقاومت به خوردگی آن متوسط است؛ بنابراین نیاز به پوشش یا نگهداری محافظتی دارد. در مجموع، 2436 انتخابی ممتاز برای کاربردهای سایش‌محور و دمای اتاق است، اما باید طراحی ابزار و شرایط کار به گونه‌ای انتخاب شوند که محدودیت‌های شکنندگی و خوردگی فولاد به حداقل برسند.