فولاد 6563 که برای عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر مهندسی شده است، یک فولاد کربن متوسط و کم آلیاژ است که شامل نیکل، کروم و مولیبدن به عنوان عناصر اصلی آلیاژی است. این فولاد که به 41NiCrMo7-3-2 نیز مشهور است، یک فولاد مارتنزیتی استحکام بالا با چقرمگی عالی است. در حالت عملیات حرارتی شده ترکیبی فوقالعاده از استحکام، مقاومت به خستگی و چقرمگی شکست فراهم میکند که آن را برای قطعاتی که تحت تنشهای بالا قرار دارند مناسب میسازد. این فولاد به طور گسترده در شفتها، چرخدندهها، پیچهای استحکام بالا و قطعات هوافضا مورد استفاده قرار میگیرد؛ جایی که نیاز به تعادل میان استحکام و چقرمگی فراتر از توان فولادهای ساده کربنی است.
فولاد 6563 با فولاد AISI 4340 در استاندارد آمریکایی معادل است. دیگر معادلهای آن عبارتند از: ASTM L43 در استاندارد A320، BS 970 EN24 (817M40 BS 970:1991) و DIN 40CrNiMo6 که همگی ترکیب شیمیایی نزدیک به آن دارند. در استانداردهای ژاپنی و فرانسوی نیز فولادهای JIS SNCM439 و AFNOR 40NCD7 معادل فولاد 6563 در نظر گرفته میشوند. تمام این فولادها ترکیب شیمیایی مشخصی از نیکل-کروم-مولیبدن و سختی ارائه میکنند. ترکیب شیمیایی آن در جدول 1 آورده شده است. کربن سختیپذیری و استحکام پایه را فراهم میکند، نیکل تافنس و مقاومت در برابر شکست ترد را در دماهای پایین بهبود میدهد، کروم و مولیبدن با تشکیل کاربید موجب افزایش سختی سطحی، مقاومت به سایش و پایداری در دمای بالا میشوند، و منگنز و سیلیسیوم نقشهای کمکی در بهبود سختیپذیری و مقاومت تسلیم دارند. کنترل دقیق فسفر و گوگرد نیز برای حفظ تافنس و مقاومت خستگی حیاتی است. در مجموع، همافزایی این عناصر باعث ایجاد سختیپذیری عمیق، تافنس بالا و مقاومت سایشی مطلوب میشود و این فولاد را از فولادهای سادهتر مانند 4140 متمایز میسازد.
ترکیب شیمیایی فولاد 6563
| عنصر | کربن | منگنز | نیکل | کروم | مولیبدن | سیلیسیوم | فسفر | گوگرد |
| 1.6563 | 44/0 – 38/0 | 90/0 – 60/0 | 2 – 65/1 | 90/0 – 70/0 | 30/0 – 15/0 | 30/0 ≥ | 025/0 ≥ | 025/0 ≥ |
خواص مکانیکی فولاد 6563 در جدول 2 آورده شده است. فولاد EN 1.6563 در حالت آنیل سختی و استحکام متوسط اما شکلپذیری و تافنس بالایی دارد، در حالیکه پس از کوئنچ و تمپر استحکام و سختی آن تقریباً دو برابر شده و همچنان چقرمگی مناسب آن حفظ میشود. این تغییرات بیانگر قابلیت بالای این فولاد برای ترکیب استحکام بالا با مقاومت به خستگی و چقرمگی کافی در شرایط سرویس سنگین است.
خواص مکانیکی فولاد 6563
| حالت عملیات حرارتی | استحکام تسلیم (MPa) | استحکام کششی (MPa) | ازدیاد طول (%) | سختی | انرژی ضربه (J) |
| آنیل | 590 – 470 | 750 – 700 | 21 – 20 | HB 250 – 217 | 80 ≤ |
| کوئنچ-تمپر | 950 – 750 | 1300 – 900 | 18 – 15 | HRC 45 – 28 | 60 – 30 |
فولاد EN 1.6563 طبق استانداردهایی مانند EN 10083 و EN 10269 بهعنوان فولاد کوئنچ و تمپر طبقهبندی میشود و در دو حالت نرم برای عملیات حرارتی توسط مصرفکننده یا بهصورت آماده عملیاتشده عرضه میگردد. این فولاد به دلیل سختیپذیری بالا بهراحتی کوئنچ شده و حتی در مقاطع ضخیم به ساختار مارتنزیتی کامل میرسد. پس از کوئنچ، با تمپر در محدوده 550–650 درجه سلسیوس میتوان تعادل مناسبی بین استحکام (حدود 900–1000 مگاپاسکال) و چقرمگی ایجاد کرد، در حالیکه تمپر در دماهای پایینتر استحکام را تا بیش از 1300 مگاپاسکال افزایش میدهد اما با کاهش چقرمگی همراه است. برای آمادهسازی یا شکلدهی، عملیات آنیل کامل یا کرویسازی با سختی بیش از 250 برینل و یا نرماله جهت ریزتر شدن دانهها بهکار میرود. بهدلیل حضور مولیبدن، این فولاد در برابر تردی برگشتی مقاوم است، با این حال توصیه میشود از تمپر در محدوده 300–400 درجه سلسیوس اجتناب شود. با این که جوشکاری عمدتاً در حالت آنیل توصیه میشود، عملیات تنشزدایی پس از ماشینکاری یا جوشکاری مورد استفاده قرار میگیرد. در نهایت چرخه استاندارد این فولاد شامل آنیل یا نرماله (اختیاری)، آستنیتهکردن، کوئنچ در روغن و سپس تمپر مناسب است که شرایط +QT را طبق استانداردهای EN و ASTM فراهم میسازد.
عملیات سطحی برای فولاد EN 1.6563 اهمیت ویژهای دارد زیرا این فولاد علاوه بر استحکام بالای مغزی، برای کاربردهایی مانند دنده، شفت و میللنگ نیازمند سطحی با سختی و مقاومت سایشی بیشتر است. نیتریدینگ بهعنوان یکی از مهمترین روشها در دماهای زیر آستنیت انجام میشود و بدون ایجاد اعوجاج، لایهای نازک اما بسیار سخت (حدود 56–63 HRC) همراه با تنشهای پسماند فشاری ایجاد میکند. این لایه مقاومت سایشی و خوردگی را افزایش میدهد و بهطور چشمگیری حد استحکام خستگی را بالا میبرد، در حالی که مغز فولاد همچنان چقرمه و مقاوم به ضربه باقی میماند.
کربورایزینگ با نفوذ کربن در دماهای بالا موجب ایجاد لایهای با کربن بیشتر (8/0% به بالا) و سختی سطحی 58–62 HRC میشود. این روش عمق سختی زیادی (حتی چند میلیمتر) ایجاد کرده و برای قطعاتی مانند چرخدندههای بزرگ با بارگذاری تماسی شدید کاربرد دارد. کربونیتریدینگ نیز با افزودن همزمان نیتروژن و کربن در دمای پایینتر، لایهای کمعمقتر اما با سختی بیشتر ایجاد میکند. در فولادهایی مانند
41NiCrMo7-3-2، به دلیل کربن پایه نسبتاً بالا، این فرایندها کمتر رایج هستند اما در صورت نیاز به عمق سختی زیاد، انتخاب مناسبی محسوب میشوند.
سختکاری القایی و شعلهای با حرارتدهی موضعی سطح و سپس کوئنچ سریع، لایهای مارتنزیتی با سختی حدود 50–55 HRC و عمق چند میلیمتر ایجاد میکنند، در حالی که مغز فولاد چقرمه باقی میماند. این روشها برای دندهها، ریلها و شفتها بسیار کاربردی هستند. در کنار آن، روشهای مکانیکی مانند شاتپینینگ با القای تنش فشاری سطحی میتوانند مقاومت به خستگی را 15–25% افزایش دهند. روشهای نوینتری مانند لیزر یا پرتو الکترونی نیز امکان سختکاری بسیار دقیق و کنترلشده را فراهم میکنند.
پوششهای لایهنشانی فیزیکی (PVD) مانند TiN، CrN،DLC و پوششهای چندجزئی (TiAlN، AlCrN) سختی بسیار بالا (بیش از 3000 HV) و اصطکاک پایین ایجاد میکنند و بهویژه در ترکیب با نیتریدینگ (روش دوپلکس) عمر سایشی قطعات را بهطور چشمگیری افزایش میدهند. فرایندهای شیمیایی (CVD) یا نفوذی مانند کرومایزینگ و بوریدینگ نیز با ایجاد لایههای کاربیدی یا بوریدی، سطحی فوقالعاده سخت و مقاوم در برابر سایش و اکسیداسیون میسازند، هرچند به دماهای بالا نیاز دارند. در جمعبندی میتوان گفت که عملیات سطحی مکمل عملیات حرارتی حجمی در این فولاد است؛ نیتریدینگ برای کاربردهای خستگی و دقت بالا، کربوره برای سایش تماسی عمیق، القایی برای سختکاری موضعی و پوششهای PVD/CVD برای شرایط شدید سایشی و اصطکاکی بهترین گزینهها محسوب میشوند.
فولاد EN 1.6563 بهدلیل ریزساختار مارتنزیت تتمپر شده و حضور نیکل، استحکام خستگی بسیار بالایی دارد و در قطعات حساس مانند ارابه فرود هواپیما به کار میرود. در حالت Q&T میتواند حد خستگی حدود 550–600 مگاپاسکال داشته باشد و با عملیات سطحی مانند نیتریدینگ یا شاتپینینگ این مقدار بهطور چشمگیری افزایش مییابد، زیرا سختی سطح و تنشهای فشاری مانع شروع و رشد ترک میشوند. مقاومت خزش این فولاد متوسط است؛ تا حدود 300–350 درجه سلسیوس استحکام خود را حفظ میکند، اما در دماهای بالاتر از 400 درجه سلسیوس ریزساختار آن تضعیف شده و برای سرویس طولانیمدت مناسب نیست. از نظر خوردگی، مشابه فولادهای کمآلیاژ معمولی است و بدون پوشش در محیطهای مرطوب یا کلریدی دچار زنگزدگی میشود. همچنین در استحکامهای بسیار بالا مستعد ترکخوردگی تنشی ناشی از خوردگی (SCC) است، به همین دلیل معمولاً با پوششهایی مانند فسفاته، کادمیوم یا Zn-Ni محافظت میشود.
مقاومت سایشی این فولاد بهشدت وابسته به سختی است؛ در حالت آنیل مقاومت پایینی دارد اما پس از Q&T و رسیدن به سختی حدود 50 HRC میتواند در برابر شرایط سخت عملکرد خوبی نشان دهد. با عملیات کربوره یا نیتریدینگ، سطحی بسیار سخت (58–63 راکولسی یا بالاتر) ایجاد میشود که عمر سایشی را چند برابر افزایش میدهد. پوششهای نوین PVD و CVD مانند TiN، CrN یا DLC نیز سختی سطح را تا چند هزار ویکرز بالا برده و اصطکاک را کاهش میدهند و در ترکیب با لایههای نفوذی (دوپلکس) بهترین عملکرد را دارند. در مجموع، این فولاد با داشتن مغز چقرمه و سطح سخت، در صورت اعمال عملیات سطحی مناسب، همزمان در برابر خستگی، سایش و شرایط خورنده عملکرد بسیار خوبی دارد و همین ویژگیها دلیل اصلی کاربرد گسترده آن در قطعات سنگین و حساس است.
فولاد EN 1.6563 (41NiCrMo7-3-2) نمونهای شاخص از فولادهای آلیاژی Ni-Cr-Mo است که سه ویژگی کلیدی یعنی استحکام کششی بالا، چقرمگی مناسب و سختیپذیری عمیق را همزمان فراهم میکند. این فولاد به کمک عملیات کوئنچ و تمپر میتواند در بازهای وسیع از استحکام (900 تا 1500 مگاپاسکال) تنظیم شود و در عین حال شکلپذیری و مقاومت ضربهای خود را حفظ کند. به همین دلیل در قطعات حساس و پرتنش مانند ارابه فرود هواپیما، شفتهای توربین و موتور، پیچهای مقاوم، میللنگها و چرخدندهها بهطور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد. حضور نیکل برتری آشکاری نسبت به فولادهای سادهتر مانند 4140 ایجاد کرده و امکان کارکرد مطمئن در دماهای پایین و حتی شرایط برودتی تا 100- درجه سلسیوس را فراهم میکند.
مزایای اصلی این فولاد شامل سختیپذیری عالی، پاسخ قوی به عملیات حرارتی، و سازگاری با طیف وسیعی از عملیات سطحی است که آن را برای کاربردهای مختلف بسیار انعطافپذیر میسازد. با این حال، محدودیتهایی مانند مقاومت پایین در برابر خوردگی، حساسیت به تردی هیدروژنی و ترکخوردگی تنشی در استحکامهای بالا، و دشواری در جوشکاری در حالت سختکاریشده وجود دارد. در مجموع، EN 1.6563 با ترکیب استحکام حجمی بالا و قابلیت ایجاد سطحی بسیار سخت از طریق عملیات حرارتی و پوششدهی، بهعنوان یک فولاد پرکاربرد در صنایع هوافضا، خودرو، نیروگاهی و دفاعی شناخته میشود و در صورت رعایت ملاحظات حفاظتی، عملکردی مطمئن و پایدار در شرایط کاری سخت ارائه میدهد.