فولاد 7131 چیست و چه کاربردی دارد؟

فولاد 7131 که بیشتر با نامگذاری در استاندارد DIN به 16MnCr5 مشهور است، یک فولاد سمانته است. این فولاد کم کربن با قابلیت کربوره شدن، دارای مقادیری از منگنز و کروم است. عموما سطح این فولاد مورد عملیات کربورایزینگ قرار گرفته و به %8/0 کربن رسیده و سپس کوئنچ می‌شود. این فرایند یک فولاد سخت، مقاوم به سایش با سطح مارتنزیتی به همراه مغز کم کربن و چقرمه حاصل می‌کند. ترکیب این خواص فولاد 7131 را یک گزینه‌ی عالی برای کاربردهای تحت بار مکانیکی شدید تبدیل می‌کند. این فولاد به طور گسترده برای ساخت چرخ‌دنده‌ها، شفت‌ها، میل‌بادامک‌ها، پیچ‌ها، پین‌ها و سایر قطعات انتقال قدرت در خودرو و ماشین‌آلات صنعتی استفاده می‌شود.

فولاد 1.7131 معادل‌های متعددی در استانداردهای مختلف دارد. در سیستم آمریکایی AISI SAE 5115 ترکیب شیمیایی دقیقا مشابه با این فولاد را دارد. در سیستم اروپایی نیز ISO 16MnCr5 نامیده می‌شود. فولادهای معادل دیگر آن با ترکیب شیمیایی نزدیک عبارتند از 20MnCr5 یا DIN 1.7147 با استحکام هسته بالاتر، BS 527M17 و 590M17 در استاندارد بریتانیایی، UNI 16MnCr5 در استاندارد ایتالیایی و AFNOR 16 MC 5 در استاندارد فرانسوی. ترکیب شیمیایی 16MnCr5 مطابق استاندارد EN 10084 / DIN EN ISO 683-3 در ‏جدول 1 آورده شده است. ترکیب شیمیایی فولاد 7131 (16MnCr5) به گونه‌ای طراحی شده که هم چقرمگی هسته و هم سختی سطحی پس از عملیات سمانته‌کردن تأمین شود. این فولاد با داشتن کربن پایین، هسته‌ای نرم و چقرمه فراهم می‌کند، در حالی که طی فرآیند کربورایزینگ درصد کربن سطح به حدود 8/0% افزایش یافته و پس از کوئنچ به مارتنزیت بسیار سخت تبدیل می‌شود. منگنز علاوه بر افزایش سختی‌پذیری و استحکام، نرخ نفوذ کربن در سمانته‌کردن را بالا برده و دقت و کاهش اعوجاج را بهبود می‌بخشد. کروم نیز سختی‌پذیری، مقاومت سایشی و پایداری در برابر برگشت سختی را تقویت می‌کند، هرچند برای ایجاد خاصیت زنگ‌نزن کافی نیست. سیلیسیم به عنوان اکسیژن‌زدا به کار می‌رود و اندکی استحکام را افزایش می‌دهد، در حالی‌که گوگرد در مقادیر کنترل‌شده تنها در گرید16MnCrS5 اضافه می‌شود تا قابلیت ماشین‌کاری بهتر شود، هرچند به قیمت کاهش کمی از چقرمگی و جوش‌پذیری منجر می‌شود. فسفر نیز بسیار محدود نگه داشته می‌شود تا از شکنندگی جلوگیری گردد. به طور کلی این ترکیب متعادل Mn-Cr-کم‌کربن، فولاد 7131 را برای عملیات سمانته‌کردن ایده‌آل ساخته و امکان دستیابی به سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش همراه با هسته‌ای چقرمه و مقاوم در برابر ضربه را فراهم می‌کند.

ترکیب شیمیایی فولاد 7131

در حالت آنیل، فولاد 7131 دارای استحکام پایین (حدود 550 MPa کششی، 420 MPa تسلیم) و سختی حدود 200 برینل است و به دلیل انعطاف‌پذیری بالا (20–22% ازدیاد طول) برای ماشین‌کاری مناسب است. اما پس از عملیات حرارتی، خواص به‌طور چشمگیری تغییر می‌کند؛ در صورت کوئنچ و تمپر در مقاطع نازک استحکام کششی به حدود 1000 MPa و سختی به 32 راکول‌سی می‌رسد، هرچند سختی‌پذیری محدود این فولاد باعث می‌شود مقاطع ضخیم‌تر به‌طور کامل سخت نشوند. بهترین نتایج از طریق کربورایزینگ و کوئنچ به‌دست می‌آید، جایی‌که سطح به سختی بسیار بالای 58–62 راکول‌سی (معادل حدود 600 ویکرز) رسیده و مقاومت سایشی عالی ایجاد می‌کند، در حالی‌که مغز با استحکام حدود 800–1000 MPa چقرمه باقی می‌ماند. بنابراین این فولاد در حالت نهایی دارای پوسته‌ای سخت و مقاوم در برابر سایش و هسته‌ای چقرمه و مقاوم در برابر ضربه است که آن را برای قطعاتی چون چرخ‌دنده و محور ایده‌آل می‌سازد.

سیکل عملیات حرارتی فولاد 7131 (16MnCr5) معمولاً شامل آنیل اولیه برای نرم‌سازی و ماشین‌کاری، سپس سمانته‌کردن و کوئنچ است. در این فرآیند قطعه ابتدا در دمای 670–710 درجه سلسیوس آنیل می‌شود تا ساختار فریتی–پرلیتی نرم (سختی حدود 200 برینل) به‌دست آید. سپس در دمای 880–950 درجه سلسیوس در محیط غنی از کربن کربوره می‌شود تا سطح غنی از کربن ایجاد گردد و بعد از آن مستقیماً یا پس از آستنیتیزه مجدد در حدود 860 درجه سلسیوس در روغن کوئنچ می‌گردد تا لایه سطحی مارتنزیتی بسیار سخت و مغزی چقرمه حاصل شود. در ادامه، عملیات تمپرینگ در دمای پایین (150 الی 200 درجه سلسیوس) برای کاهش تنش‌های داخلی و تثبیت سختی سطح (حدود 58–60 راکول‌سی) انجام می‌شود. در موارد خاص، نرماله‌کردن، تنش‌زدایی یا حتی عملیات برودتی نیز پیش یا پس از این چرخه به‌کار می‌رود، اما توالی اصلی همان آنیل، کربوره کردن، کوئنچ و تمپر دما پایین است که ترکیب بهینه‌ی سطح سخت و هسته چقرمه را تضمین می‌کند.

سطح‌سخت‌کاری و پوشش‌دهی بخش کلیدی در بهره‌برداری از فولاد 7131 است، زیرا این فولاد ذاتاً کربن کمی دارد و تنها از طریق فرآیندهای سطحی می‌تواند به سختی و مقاومت سایشی بالا برسد. مهم‌ترین و رایج‌ترین روش، کربورایزینگ است که طی آن کربن در دمای بالا به سطح نفوذ کرده و پس از کوئنچ و تمپر، سطحی بسیار سخت (حدود 60 راکول‌سی) در کنار مغزی نرم و چقرمه ایجاد می‌کند. این ترکیب همان چیزی است که این فولاد را برای ساخت قطعاتی مانند چرخ‌دنده، شافت و بادامک ایده‌آل می‌سازد. فرآیندهای مشابهی مانند کربونیتریدینگ نیز به‌کار می‌روند که علاوه بر کربن، نیتروژن را به سطح وارد کرده و سختی و مقاومت سایشی بیشتری در لایه نازک‌تر ایجاد می‌کنند.

روش دیگر، نیتریدینگ است که در دمای پایین‌تر (500–600 °C) بدون نیاز به کوئنچ انجام می‌شود و لایه‌ای نازک اما بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش به‌وجود می‌آورد. این روش به دلیل تغییر ابعادی ناچیز، برای قطعاتی که دقت نهایی بالایی نیاز دارند مناسب است. نیتروکربورایزینگ نیز در دمای حدود 570 درجه سلسیوس انجام شده و ضمن افزایش سختی، مقاومت به خوردگی و ظاهر سطحی بهتری فراهم می‌آورد. این روش به‌ویژه برای قطعاتی مانند میله‌های پیستون یا شفت‌های هیدرولیک که نیاز به مقاومت سایشی و زنگ‌نزن هم‌زمان دارند، رایج است.

در کنار این روش‌های ترموشیمیایی، فرآیندهای دیگری نیز وجود دارند. سخت‌کاری القایی و شعله‌ای به صورت موضعی سطح را سخت می‌کنند، اگرچه به‌دلیل کربن پایین در 16MnCr5 تنها پس از سمانته‌کردن بازدهی بالایی دارند. بورایدینگ نیز با نفوذ بور سختی بسیار بالایی (حدود 1500 ویکرز) ایجاد می‌کند و مقاومت سایشی فوق‌العاده‌ای به قطعه می‌دهد، هرچند به دلیل تردی و رشد ابعادی کاربرد محدودتری دارد. علاوه بر این، پوشش‌ها و عملیات سطحی مانند فسفاته‌کاری، اکسید سیاه، آبکاری کروم سخت و پوشش‌های PVD/DLC می‌توانند خواصی نظیر مقاومت به خوردگی یا کاهش اصطکاک را فراهم کنند. همچنین عملیات مکانیکی مانند شات‌پینینگ برای ایجاد تنش فشاری و افزایش عمر خستگی، و پرداخت‌های نهایی مانند سنگ‌زنی و سوپرفینیشینگ برای بهبود عملکرد تماس، بسیار متداول هستند.

در مجموع، طیف گسترده‌ای از روش‌های سخت‌کاری سطحی و پوشش‌دهی برای فولاد 7131 در دسترس است. انتخاب روش به نوع کاربرد بستگی دارد: کربورایزینگ برای سختی عمقی، نیتریدینگ برای دقت بالا و اعوجاج کم، نیتروکربورایزینگ برای مقاومت هم‌زمان به سایش و خوردگی، و بورایدینگ برای مقاومت سایشی بسیار بالا. در بسیاری از موارد، ترکیب چند روش (مثلاً کربورایزینگ + شات‌پینینگ + پوشش اکسیدی) بهترین کارایی را به همراه دارد. به همین دلیل، مهندسی سطح اساس استفاده موفق از این فولاد است و بخش مهمی از ارزش افزوده آن در کاربردهای صنعتی را تشکیل می‌دهد.

فولاد 7131 (16MnCr5) در برابر خستگی عملکرد بسیار مطلوبی دارد، به‌ویژه زمانی که سطح آن توسط روش‌هایی مانند کربورایزینگ، نیتریدینگ یا نیتروکربورایزینگ سخت‌کاری شود. سختی بالای لایه سطحی همراه با تنش‌های پسماند فشاری ناشی از تبدیل مارتنزیتی یا نفوذ نیتروژن، مانع از آغاز ترک‌های خستگی و رشد آنها می‌شود و در نتیجه عمر خستگی قطعاتی مانند چرخ‌دنده‌ها، شافت‌ها و پین‌ها به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. افزون بر این، عملیات شات‌پینینگ اغلب به‌عنوان یک مرحله تکمیلی پس از سخت‌کاری برای ایجاد تنش‌های فشاری اضافی به کار می‌رود و مقاومت خستگی را بیشتر می‌کند. در مقابل، مقاومت به خزش در این فولاد ضعیف است، زیرا 16MnCr5 برای سرویس در دماهای بالا طراحی نشده و فاقد عناصر آلیاژی پایدارکننده کاربید مانند Mo یا V است. در نتیجه، در دماهای بالاتر از حدود 200 درجه سلسیوس، ساختار مارتنزیتی برگشته به ‌سرعت نرم می‌شود و فولاد استحکام خود را از دست می‌دهد، بنابراین این فولاد به‌هیچ‌وجه برای سرویس‌های طولانی‌مدت در دماهای بالا مناسب نیست و در چنین شرایطی باید از فولادهای کروم-مولیبدن یا نیکل-کروم-مولیبدن استفاده کرد.

از نظر خوردگی، فولاد 7131 عملاً همانند یک فولاد کم‌آلیاژ رفتار می‌کند و به‌راحتی زنگ می‌زند، زیرا میزان کروم آن بسیار کمتر از حد لازم برای ایجاد لایه پسیو (حداقل 5/10% در فولادهای زنگ‌نزن) است. بنابراین، این فولاد در تماس با رطوبت و اکسیژن بدون محافظت دچار خوردگی می‌شود و در عمل باید توسط روغن‌کاری، فسفاته‌کردن، اکسیداسیون سیاه، یا پوشش‌هایی مانند کروم سخت یا پوشش‌های PVD/DLC محافظت شود. فرایندهای نیتروکربورایزینگ (مانند QPQ) می‌توانند مقاومت به خوردگی را تا حدی افزایش دهند، اما هرگز در حد فولادهای زنگ‌نزن نخواهد بود. در مقابل، سایش نقطه قوت اصلی این فولاد است؛ در حالت آنیل مقاومت سایشی پایینی دارد، اما پس از کربورایزینگ یا نیتریدینگ، سطح به سختی بالای 58–62 راکول‌سی می‌رسد و مقاومت بسیار بالایی در برابر سایش چسبنده و خراشان پیدا می‌کند. حضور کروم اندک نیز با تشکیل کاربیدهای سخت تا حدی به بهبود مقاومت سایشی کمک می‌کند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که لایه‌های نیتریدی یا بوریدی ایجادشده روی 16MnCr5 حتی مقاومت سایشی بسیار بالاتری نسبت به حالت کوئنچ و تمپر یا نیترید ساده فراهم می‌کنند. در نتیجه، سایش‌پذیری پایین و مقاومت سطحی عالی دلیل اصلی انتخاب این فولاد برای قطعاتی مانند چرخ‌دنده، میل‌بادامک، پین و سایر اجزای انتقال قدرت است.

فولاد 7131 (16MnCr5) یکی از پرکاربردترین فولادهای سمانته در صنایع خودروسازی و ماشین‌سازی است که پس از عملیات سخت‌کاری سطحی ترکیبی از سطح بسیار سخت و مغز چقرمه و مقاوم ایجاد می‌کند. این ویژگی‌ها آن را برای ساخت قطعاتی مانند چرخ‌دنده‌ها، میل‌بادامک‌ها، شافت‌ها، پین‌ها، بوش‌ها و قطعات انتقال قدرت ایده‌آل می‌سازد. از مهم‌ترین مزایای این فولاد می‌توان به مقاومت سایشی و خستگی بسیار خوب پس از سمانته‌کردن، چقرمگی مناسب هسته، قابلیت ماشین‌کاری عالی در حالت آنیل، شکل‌پذیری و آهنگری مناسب و همچنین قابلیت استفاده از روش‌های متنوع مهندسی سطح (کربورایزینگ، نیتریدینگ، نیتروکربورایزینگ و غیره) اشاره کرد. علاوه بر این، استانداردسازی وسیع (EN ISO 683-3، DIN 17210) و در دسترس بودن جهانی، استفاده از آن را اقتصادی و قابل اطمینان کرده است.

با این حال، محدودیت‌هایی نیز وجود دارد: خواص عالی فولاد تنها پس از عملیات حرارتی مناسب حاصل می‌شوند و این امر هزینه و زمان تولید را افزایش می‌دهد. در طی سمانته‌کردن و کوئنچ نیز تغییر ابعادی و اعوجاج محتمل است که نیاز به سنگ‌زنی نهایی دارد. همچنین به دلیل سختی‌پذیری محدود، برای مقاطع ضخیم مناسب نیست و برای سرویس‌های با دمای بالا یا محیط‌های خورنده نیز انتخاب مناسبی به شمار نمی‌آید. جوش‌پذیری آن نیز محدود به حالت آنیل بوده و در شرایط کاری حساس معمولاً از جوش اجتناب می‌شود. در مجموع، 7131 با وجود این محدودیت‌ها همچنان یکی از مهم‌ترین فولادهای آلیاژی در کاربردهای صنعتی است، زیرا ترکیب منحصر‌به‌فرد سطح سخت و هسته چقرمه را در اختیار می‌گذارد. هنگامی که در محدوده‌های طراحی مناسب (قطعات کوچک تا متوسط، دمای کاری پایین تا متوسط، و همراه با پوشش‌های محافظ در صورت نیاز) به کار گرفته شود، این فولاد طول عمر بالا، مقاومت به سایش عالی و قابلیت اطمینان مکانیکی چشمگیر را برای قطعات انتقال قدرت و ماشین‌آلات فراهم می‌سازد.