فولاد 7218 یک فولاد عملیاتحرارتیپذیر کم آلیاژ است که به دلیل حضور عناصر آلیاژی کروم و مولیبدن، به آن فولاد کرومولی نیز گفته میشود. این فولاد ترکیبی از استحکام بالا، چقرمگی، مقاومت به خستگی و جوشپذیری مناسب را ارائه میدهد. این فولاد عکسالعمل بهتری به عملیاتحرارتی نسبت به فولادهای ساده کربنی نشان میدهد و بازه گستردهای از خواص مکانیکی را شامل میشود. این فولاد در صنایع هوافضا، خودروسازی و کاربردهای عمومی مهندسی که نیاز به نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت سایشی است، مورد استفاده قرار میگیرد.
فولاد 7218 در استاندارد اروپایی فولادهای کوئنچ و تمپر EN 10083-3 با نام 25CrMo4 و شماره 1.7218 نامگذاری شده است. فولاد معادل آن در استاندارد آمریکایی ASTM A29 (مقاطع میلهای فولاد آلیاژی)، AISI 4130 است. در استانداردهای بینالمللی دیگر نیز فولادهای 25CD4 (Fr)، 708M25 (UK)، SCM430 (JIS,Jp) و 30CrMo (Cn) معادل آن در نظر گرفته میشود. ترکیب شیمیایی این فولاد در جدول 1 آورده شده است. ترکیب شیمیایی فولاد 7218 بر پایه کربن، کروم و مولیبدن تنظیم شده تا تعادل مناسبی میان استحکام، چقرمگی و قابلیت جوشکاری ایجاد کند. کربن امکان تشکیل ساختار مارتنزیتی سختشونده در عملیات کوئنچ را فراهم میسازد، در حالیکه مقدار پایین آن همچنان چقرمگی و جوشپذیری را حفظ میکند. حضور کروم سختی و استحکام کششی را افزایش داده و عمق سختشوندگی را بهبود میدهد و علاوه بر آن مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی ملایمی در دماهای بالا ایجاد میکند. مولیبدن نهتنها سختشوندگی و استحکام در دمای بالا را تقویت میکند بلکه مقاومت به خزش را بهبود داده و از شکنندگی تمپر جلوگیری مینماید.
ترکیب شیمیایی فولاد 7218
| عنصر | کربن | منگنز | کروم | مولیبدن | سیلیسیوم | فسفر | گوگرد |
| 1.7218 | 33/0 – 22/0 | 90/0 – 40/0 | 10/1 – 80/0 | 25/0 – 15/0 | 35/0 – 15/0 | 025/0 ≥ | 035/0 ≥ |
در حالت آنیل، فولاد 1.7218 استحکام نسبتاً پایینی دارد اما چقرمگی و قابلیت ماشینکاری بالایی از خود نشان میدهد و برای عملیات شکلدهی مناسب است. با نرمالایز کردن، استحکام کمی افزایش مییابد و ریزساختار یکنواختتر میشود. در شرایط کوئنچ و تمپر، فولاد به مقادیر بالاتری از استحکام و سختی میرسد و همچنان چقرمگی قابل قبولی حفظ میکند؛ هرچند با افزایش ابعاد مقطع، کاهش استحکام در هسته مشاهده میشود. در صورت سختکاری کامل، بیشترین سطح سختی و استحکام حاصل میشود ولی چقرمگی به شدت کاهش مییابد، در حالیکه مارتنزیت کوئنچنشده اگرچه بسیار سخت است، به دلیل تردی بالا در عمل کاربردی ندارد. به همین دلیل در طراحی صنعتی معمولاً شرایط تمپر میانی انتخاب میشود تا میان استحکام، سختی و چقرمگی تعادل برقرار گردد. مقایسهای از خواص مکانیکی فولاد 7218 در شرایط مختلف عملیات حرارتی در جدول 2 آورده شده است.
خواص مکانیکی فولاد 7218 در شرایط مختلف عملیات حرارتی
| شرایط عملیات حرارتی | استحکام کششی (MPa) | استحکام تسلیم (MPa) | ازدیاد طول (%) | سختی |
| آنیل | 560 – 600 | 360 – 460 | 20 – 28 | 200 – 220 برینل |
| نرمالایز | 650 – 670 | 450 – 500 | 18 – 22 | 220 -240 برینل |
| کوئنچ و تمپر مقاطع ≤16 میلیمتر | 900 – 1100 | 700 | 12 – 16 | 30 -36 راکولسی |
| سخت شده کامل (تمپر سبک) | 1000 – 1080 | 930 | 8 – 12 | 45 – 50 راکولسی |
چرخههای عملیات حرارتی فولاد 1.7218 در استانداردها و هندبوکها بهطور دقیق مشخص شدهاند و هرکدام اهداف خاصی را دنبال میکنند. در فرآیند آنیل کامل، فولاد تا حدود 840–850 درجه سلسیوس حرارت داده میشود و سپس با خنککاری آهسته تا حدود 480 درجه و در نهایت خنککاری در هوا، به ساختار پرلیتی-فریتی نسبتاً درشت با سختی پایین دست مییابد که ماشینکاری و شکلدهی را آسان میکند، در حالی که آنیل کروی نیز برای دستیابی به حداکثر نرمی و قابلیت ماشینکاری استفاده میشود. نرمالایز در محدوده 870–900 درجه سلسیوس و خنککاری در هوا برای ریزدانهکردن و یکنواختی ریزساختار بهکار میرود و معمولاً پس از آهنگری یا جوشکاری انجام میشود تا فولاد برای سختکاری نهایی آماده گردد. کوئنچ و تمپر اصلیترین عملیات حرارتی این فولاد برای کاربردهای با استحکام بالا محسوب میشود؛ در این روش فولاد پس از آستنیتی کردن در حدود 860–875 درجه سانتیگراد در روغن کوئنچ شده و سپس در محدوده 400–600 درجه سانتیگراد تمپر میشود تا ترکیب مطلوبی از استحکام و چقرمگی حاصل گردد. دماهای تمپر پایین سختی و استحکام بیشتری ایجاد میکنند، در حالی که دماهای بالاتر استحکام را کاهش داده ولی چقرمگی را افزایش میدهند و انتخاب دما بر اساس منحنیهای استاندارد تمپر صورت میگیرد. همه این شرایط در استانداردهایی مانند EN ISO 683-2 و همچنین دستورالعملهایی چون ASTM A829 و AMS 6370/6371 برای فولادهای 4130 ذکر شدهاند و در صنعت معمولاً فولاد 25CrMo4 هم در حالت آنیل (+A) و هم در حالت کوئنچ و تمپر شده (+QT) عرضه میشود. علاوه بر این، دمای مناسب برای آهنگری این فولاد بین 950 تا 1200 درجه سانتیگراد است و عملیات نورد گرم نیز تا حدود 815 درجه امکانپذیر بوده و پس از آن خنککاری آهسته و گاهی نرمالایز یا آنیل برای رفع تنشهای پسماند و آمادهسازی جهت ماشینکاری توصیه میشود.
یکی از مهمترین مزایای فولاد 7218 (AISI 4130) این است که میتوان آن را با استفاده از روشهای مختلف سختکاری سطحی یا پوششدهی تقویت کرد تا مقاومت به سایش، خستگی و خوردگی به طور چشمگیری افزایش یابد، در حالیکه تافنس و انعطافپذیری هسته حفظ میشود. در میان روشهای نفوذی، کربوره کردن جایگاه ویژهای دارد. در این فرآیند، قطعه در محیطی غنی از کربن در دمایی حدود 900 درجه سلسیوس حرارت داده میشود و اتمهای کربن به سطح فولاد نفوذ میکنند. سپس با عملیات کوئنچ، لایهای مارتنزیتی با سختی بسیار بالا (حدود 60–65 HRC) تشکیل میشود، در حالیکه هسته همچنان با سختی کمتر و انعطافپذیری بالاتر باقی میماند. نتیجه یک پوسته سخت و مقاوم به سایش در کنار مغزی چقرمه است که برای قطعاتی مانند دندهها، شفتها، یاتاقانها و پینهای تحت بار سایشی ایدهآل است. عمق لایه کربوره معمولاً بین 5/0تا 2 میلیمتر است و بسته به روش (گازی، پکی، یا خلأ) و زمان فرآیند تغییر میکند. علاوه بر این، کربنیتریدینگ که شامل نفوذ همزمان کربن و نیتروژن است نیز به کار میرود و اگرچه لایهای نازکتر ایجاد میکند، اما سختی سطحی بالاتری به دست میدهد و برای قطعات کوچکتر و حساس به اعوجاج بسیار مفید است.
در کنار آن، نیتریدینگ یکی از مؤثرترین روشها برای فولاد 7218 محسوب میشود، زیرا وجود کروم و مولیبدن شرایط ایدهآلی برای تشکیل نیتریدهای پایدار فراهم میکند. در این فرآیند، قطعه در دمای 500 تا 540 درجه سلسیوس در اتمسفر آمونیاک یا پلاسمای نیتریدینگ قرار میگیرد و اتمهای نیتروژن به سطح فولاد نفوذ میکنند. مزیت اصلی نیتریدینگ این است که نیازی به کوئنچ ندارد و در نتیجه اعوجاج و ترکخوردگی به حداقل میرسد. سطح نیترید شده معمولاً عمقی در حدود 2/0 تا 6/0 میلیمتر دارد و سختی آن بین 52 تا 58 HRC متغیر است. این لایه نازک، مقاومت سایشی بسیار بالایی ایجاد کرده و با ایجاد تنشهای فشاری پسماند در سطح، مقاومت به خستگی را به طور محسوسی افزایش میدهد. با این حال، به دلیل نیاز به زمان طولانی (گاهی 10 تا 40 ساعت بسته به عمق مورد نظر) و عمق محدود لایه، نیتریدینگ بیشتر برای قطعاتی که به ترکیبی از سایش سطحی کم و مقاومت خستگی بالا نیاز دارند، مانند چرخدندهها و میللنگها مناسب است. علاوه بر نیتریدینگ گازی، روشهای جدیدتری مانند نیتریدینگ پلاسما (یونی) نیز به کار میروند که کنترل بهتری بر ترکیب و ضخامت لایه ایجاد میکنند و لایه سفید ترد سطحی را کاهش میدهند.
روشهای حرارتی موضعی مانند سختکاری القایی و شعلهای نیز برای25CrMo4 بسیار کارآمد هستند. در این تکنیکها، سطح قطعه به صورت سریع (توسط میدان القایی یا شعله سوختی) تا دمای آستنیتی شدن (حدود 800 تا 900 درجه سلسیوس) گرم میشود و سپس بلافاصله کوئنچ میگردد. در نتیجه، یک لایه مارتنزیتی سخت در سطح ایجاد میشود، در حالیکه هسته با ساختار فریتی-پرلیتی نسبتاً نرم و چقرمه باقی میماند. سختی این لایه معمولاً در محدوده 50 تا 55 HRC قرار دارد و عمق آن با کنترل توان و فرکانس میتواند بین 1 تا 4 میلیمتر تغییر کند. مزیت بزرگ این روشها سرعت بالا و اعوجاج کم است، هرچند لازم است لایه سختشده در دمای پایین (حدود 160 درجه سانتیگراد) تمپر شود تا تنشهای پسماند کاهش یابد. در همین راستا، تکنولوژیهای نوینی مانند سختکاری سطحی لیزری نیز بر روی فولاد 4130 آزمایش شده و نتایج نشان دادهاند که سختی سطحی تا حدود 670 ویکرز (معادل حدود 60 HRC) در عمقهای 1/0 تا 3/0 میلیمتر قابل دستیابی است.
از سوی دیگر، پوششدهی فلزی و شیمیایی نیز برای افزایش کارایی این فولاد متداول است. کروم سخت که با آبکاری الکتریکی اعمال میشود، سطحی با سختی بسیار بالا (65–70 HRC) ایجاد کرده و مقاومت به سایش و خوردگی را بهبود میبخشد و به همین دلیل در قطعاتی مانند میلههای پیستون هیدرولیک یا غلاف سلاح گرم استفاده میشود. نیکل لایهای یکنواخت با سختی متوسط و مقاومت خوردگی بالا ایجاد میکند که در تجهیزات نفت و گاز پرکاربرد است. پوششهای روی و کادمیم برای حفاظت در برابر خوردگی اتمسفری مناسب هستند، اگرچه نیاز به عملیات پخت پس از آبکاری برای جلوگیری از تردی هیدروژنی دارند. همچنین روشهایی مانند فسفاتهکاری (پارکرایزینگ) و اکسید سیاه نیز برای افزایش مقاومت به خوردگی ملایم و بهبود روانکاری سطح به کار میروند. در نهایت، روشهای مکانیکی مانند شاتپینینگ برای افزایش طول عمر خستگی با ایجاد تنش فشاری سطحی، و روشهای پیشرفته مانند پوششهای PVD/CVD (TiN)، DLC و غیره) برای کاهش اصطکاک و افزایش سختی سطح، دامنه وسیعی از گزینهها را در اختیار مهندسان قرار میدهند.
فولاد 1.7218 به دلیل ترکیب مناسب استحکام و چقرمگی، مقاومت خستگی بسیار خوبی دارد و در صنایع هوافضا و خودروسازی برای قطعاتی که تحت بارهای چرخهای قرار میگیرند، مانند رولکیجها و سازههای هوایی، پرکاربرد است. عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر موجب میشود این فولاد استحکام خستگی بالاتری نسبت به شرایط نرمالایز داشته باشد و در صورت سختکاری کامل این مقدار افزایش بیشتری پیدا میکند. سطح قطعه نقش مهمی در این رفتار دارد؛ روشهایی مانند شاتپینینگ یا نیتریدینگ با ایجاد تنشهای فشاری پسماند، عمر خستگی را به طور محسوسی افزایش میدهند. از نظر خزش و مقاومت در دماهای بالا، حضور کروم و مولیبدن موجب پایداری کاربیدها و افزایش دوام حرارتی میشود و این فولاد میتواند تا حدود 400 درجه سلسیوس استحکام مناسبی داشته باشد، هرچند برای دماهای بالاتر از 500 درجه سلسیوس مستعد افت شدید استحکام و حتی گرافیتی شدن بوده و بنابراین برای سرویسهای طولانیمدت در آن محدوده مناسب نیست.
مقاومت به خوردگی فولاد 7218 محدود است؛ اگرچه وجود حدود 1 درصد کروم کمی عملکرد آن را نسبت به فولادهای کربنی ساده بهبود میدهد، اما بدون پوشش محافظ بهسرعت دچار خوردگی میشود. به همین دلیل در کاربردهایی مانند لولههای هواپیما از رنگ یا پوشش اپوکسی استفاده میشود و در صنعت نفت و گاز معمولاً آبکاری کادمیم یا فسفاته برای حفاظت در برابر خوردگی به کار میرود. از سوی دیگر، مقاومت سایشی این فولاد به سختی آن وابسته است؛ در شرایط آنیل یا نرمالایز متوسط است، ولی پس از کوئنچ و تمپر بهطور چشمگیری بهبود مییابد و برای اجزای در معرض سایش مانند چرخدندهها و شفتها مناسب میشود. همچنین عملیات سطحی مانند القایی، کربوره یا نیتریدینگ با ایجاد لایههای مارتنزیتی یا نیتریدی سخت، مقاومت در برابر سایش لغزشی و چسبنده را بهطور محسوسی افزایش میدهند. در شرایط بسیار سخت، پوششهایی مانند کروم سخت نیز اعمال میشوند که سختی سطحی بسیار بالاتر از فولاد سختکاریشده دارند و دوام قطعه را در محیطهای ساینده یا خورنده تضمین میکنند. بنابراین، فولاد 1.7218 با عملیات حرارتی و سطحی مناسب میتواند از سطح مقاومت متوسط تا عملکرد بسیار بالا در برابر سایش و خستگی تغییر یابد و به نیازهای متنوع طراحی پاسخ دهد.
فولاد 1.7218 (AISI 4130) به دلیل خواص متعادل خود یک ماده مهندسی چندمنظوره است که در صنایع مختلف از جمله هوافضا (لولههای بدنه، پایه موتور، چرخهای فرود و اتصالات پرقدرت)، خودرو و موتوراسپرت (رولکیج، شاسی، قطعات تعلیق و فرمان)، نفت و گاز (ابزار حفاری، تجهیزات سرچاهی و مخازن تحت فشار) و همچنین در ساخت شفتها، دندهها، سیلندرهای هیدرولیک و حتی فریم دوچرخهها کاربرد گستردهای دارد. محبوبیت آن ناشی از مزایایی چون استحکام کششی بالا نسبت به وزن، چقرمگی و مقاومت خستگی عالی، قابلیت جوشکاری مناسب، ماشینکاری و شکلپذیری مطلوب، و همچنین قابلیت متنوع در عملیات حرارتی و سطحی مانند نیتریدینگ و کربوره است که امکان استفاده آن را در شرایط کاری گوناگون فراهم میکند.
با وجود این، این فولاد محدودیتهایی نیز دارد؛ مقاومت به خوردگی آن ضعیف است و نیاز به پوششهای محافظ دارد، در مقاطع ضخیم به دلیل محدودیت سختشوندگی هسته بهطور کامل سخت نمیشود، و استحکام آن در مقایسه با آلیاژهای پیشرفتهتر مانند 4340 یا مارجینگ استیلها کمتر است. همچنین برای سرویس طولانیمدت در دماهای بالاتر از 400 – 450 درجه سلسیوس مناسب نیست و هنگام جوشکاری یا آبکاری باید مراقبت ویژهای بهعمل آید تا از تردی و ترکخوردگی جلوگیری شود. در مجموع، ترکیب مطلوب استحکام، تافنس و قابلیت پردازش سبب شده است که فولاد 7218 همچنان یکی از انتخابهای اصلی در طراحی و ساخت قطعات مهندسی حساس باشد، به شرطی که محدودیتهای آن بهدرستی مدیریت گردد.