فولاد CK67 چیست و چه کاربردی دارد؟

CK67 یک فولاد فنر پر کربن کم آلیاژ است که معمولا در شرایط آنیل شده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فولاد که در استانداردهای اروپایی EN و آلمانی DIN با نام‌های C67S و 1.1231 شناخته می‌شود، به دلیل ترکیب شیمیایی متعادل و درصد کربن بالا، قابلیت رسیدن به استحکام، سختی و مقاومت سایشی بسیار بالا را دارد. این فولاد به طور گسترده در ساخت انواع فنر‌ها، قطعات لاستیک، تیغه‌ها، ابزارهای دستی و قطعاتی که به خاصیت ارتجاعی بالا و مقاومت سایش نیاز دارند، به کار می‌رود.

ترکیب شیمیایی این فولاد مطابق استاندارد DIN 17222 یا EN 10132-4 در ‏جدول 1 آورده شده است. در استانداردهای جدید، مقدار ناخالصی‌های فسفر و گوگرد 025/0 در نظر گرفته می‌شود. همچنین مقادیر محدودی از عناصر کروم و نیکل (%40/0 ≥) و مولیبدن (%10/0 ≥) نیز ممکن به این فولاد افزوده شود تا منجر به بهبود چقرمگی، مقاومت به خستگی، دانه‌بندی و خواص سطحی پس از عملیات حرارتی شوند. با این حال این فولاد همچنان فولاد غیرآلیاژی محسوب می‌شود.

ترکیب شیمیایی فولاد CK67

خواص مکانیکی فولاد CK67 در شرایط آنیل شده در ‏جدول 2 آورده شده است. همچنین استحکام این فولاد در شرایط کارسرد شده و کوئنچ – تمپر نیز مطابق استاندارد EN 10132-4 در ‏جدول 2 ذکر شده است.

خواص مکانیکی فولاد CK67

چرخه عملیات حرارتی متداول برای این فولاد شامل یک مرحله آنیل در دمای حدود 660 الی 700 درجه سلسیوس به مدت 1 ساعت بر اینچ است تا دانه‌ها نرم و ریز شوند. عملیات نرماله کردن در دمای 800 الی 830 درجه سلسیوس به منظور یکنواخت‌سازی ساختار میکروسکوپی به مدت 30 الی 60 دقیقه بر اینچ انجام می‌گردد. عملیات سخت‌کاری این فولاد نیز در دمای حدود 830 الی 850 درجه سلسیوس به مدت 20 الی 40 دقیقه و سپس کوئنچ در روغن انجام می‌شود. عملیات تمپر نیز در دمای 460 الی 500 درجه سلسیوس به مدت 1 الی 3 ساعت جهت رسیدن به تعادل مناسب میان چقرمگی و سختی انجام می‌شود. زمان‌های کمتر از 1 ساعت برای حذف تنش‌های داخلی و دست‌یابی به خصوصیات مطلوب کافی است، اما برای رسیدن به سطح مشخص از سختی 2 الی 3 ساعت توصیه می‌شود. همچنین سختی حداکثری برای این فولاد با تمپر در دمای پایین (150 الی 250 درجه سلسیوس) به مدت 1 الی 2 ساعت و سپس تمپر در دمای بالا حاصل می‌شود.

ویژگی برجسته CK67، توانایی بالا در سختکاری و تمپر است که آن را برای تولید قطعاتی با سختی سطحی زیاد و مقاومت خستگی بالا ایده‌آل می‌کند. با این حال، به دلیل محتوای بالای کربن، این فولاد جوش‌پذیری محدودی دارد و در برابر خوردگی مقاوم نیست، بنابراین در بسیاری از کاربردها نیازمند عملیات سطحی یا پوشش‌دهی است.

اگرچه CK67 فاقد عناصر آلیاژی نیتریدساز قوی است، اما نیتریداسیون گازی یا پلاسمایی در دمای پایین (۵۰۰ تا ۵۵۰ درجه سلسیویس) می‌تواند لایه‌های ترکیبی نازک (حدود ۵ تا ۲۰ میکرون) و مناطق نفوذ (حدود 2/0 میلی‌متر) از نیتریدهای ε‑Fe_2-3N و γ′‑Fe₄N ایجاد کند. این لایه‌ها مقاومت سطحی در برابر سایش و بهبود عملکرد خستگی را بدون تغییر خواص مغزی فولاد فراهم می‌کنند. مطالعات روی فولادهای مشابه مانند CK45 یا 4140 نشان داده‌اند که حد خستگی پس از نیتریداسیون به همراه شات‌پینینگ یا بدون آن، حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد افزایش می‌یابد.

فرآیند QPQ برای فولاد پرکربن CK67 مزیت‌های چشمگیری نسبت به سایر روش‌های سختکاری سطحی دارد، زیرا ضمن ایجاد یک لایه نیتروکربوره سخت و مقاوم به سایش، یک فیلم اکسید محافظ نیز روی سطح تشکیل می‌دهد که مقاومت به خوردگی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. در این فرآیند، ابتدا فولاد در دمای حدود ۵۸۰ درجه سلسیوس در حمام نمک نیتروکربورایزینگ می‌شود تا ترکیبات سخت نیتریدی و کربونیتریدی در سطح تشکیل گردد، سپس با یک مرحله پولیش مکانیکی لایه‌های ترد سطحی حذف و سطح یکنواخت می‌شود و در نهایت با اکسیداسیون در حدود ۳۸۰ درجه سلسیوس، یک لایه نازک اکسید پایدار ایجاد می‌شود که علاوه بر خاصیت ضدزنگ، اصطکاک و سایش را کاهش می‌دهد. نتیجه این عملیات، سختی سطحی بالا تا حدود ۵۸۰–۶۰۰ ویکرز، افزایش چشمگیر مقاومت سایشی و بهبود عمر خستگی به دلیل تنش‌های پسماند فشاری است، در حالی که چقرمگی و الاستیسیته هسته فولاد C67 حفظ می‌شود. به همین دلیل QPQ برای قطعاتی مانند فنرها، تیغه‌های برش، قطعات هیدرولیکی و ابزارهای مقاوم به سایش ایده‌آل است و نسبت به نیتریداسیون ساده، دوام خوردگی بسیار بیشتری را در محیط‌های مرطوب و خورنده فراهم می‌کند.

تکنیک‌های دیگر مانند سختکاری لیزری، کربونیتریداسیون یا پوشش‌های اسپری حرارتی برای CK67 کمتر استفاده می‌شوند. سختکاری لیزری یا پرتوی الکترونی نواحی کم‌عمق (کمتر از ۱ میلی‌متر) را با حداقل اعوجاج سخت می‌کند که برای کاربردهای سایش موضعی مناسب است اما برای بهبود خستگی به اندازه کافی مؤثر نیست. کربونیتریداسیون نیز امکان‌پذیر است، اما نفوذ آهسته و خطر آستنیت باقی‌مانده یا تغییر ابعادی آن را برای فنرهای CK67 کم‌کاربرد می‌کند. پوشش‌های اسپری حرارتی مانند WC–Co یا Al₂O₃ می‌توانند مقاومت سایشی ایجاد کنند اما اغلب تنش‌های پسماند بالا یا تغییرات هندسی ایجاد می‌کنند، بنابراین برای کاربردهای CK67 به ندرت استفاده می‌شوند.

CK67 در حالت کوئنچ و تمپر دارای کشش فنری عالی و استحکام خستگی چرخه‌ای بالا است، اما عملکرد آن به یکنواختی عملیات حرارتی و کیفیت سطح بسیار حساس است. قطعات CK67 که دارای جوش یا آخال‌های درشت بوده باشند (مانند فنرها یا قطعات نگهدارنده تسمه ریخته‌گری مداوم) به دلیل تردی یا نقاط شروع ترک دچار شکست زودرس شده‌اند.

هم نیتریداسیون و هم فرآیند QPQ عملکرد خستگی را از طریق القای تنش‌های پسماند فشاری سطحی و تأخیر در شروع ترک بهبود می‌دهند. نیتریداسیون گازی با مدت زمان طولانی (مثل ۹۶ ساعت) می‌تواند حد خستگی را حدود تا 50% افزایش دهد و محل شروع ترک را از سطح به نواحی زیرسطحی منتقل کند.

مقاومت به سایش نیز با نیتریداسیون به شدت افزایش می‌یابد: سطوح عملیات شده کاهش قابل توجهی در میزان سایش، کاهش اصطکاک و افزایش طول عمر تحت تماس لغزشی نشان می‌دهند، رفتار خوردگی نیز توسط نیتریداسیون و پوشش‌های QPQ بهبود می‌یابد؛ نیتریداسیون پتانسیل خوردگی را به سمت نجیب‌تر تغییر می‌دهد و CK67 پوشش‌داده‌شده با QPQ در برابر محیط اسپری نمک به مراتب دوام بیشتری نسبت به حالت خام دارد.

همانطور که پیشتر گفته شد، در کاربردهای معمول، CK67 به‌خاطر سختی بالا پس از عملیات حرارتی (قابلیت رسیدن به 55 الی 60 راکول‌سی)، چقرمگی مناسب و قابلیت ارتجاعی بالا، در ساخت فنرها، تیغه‌ها، کلید، اجزای تراکتور و کاربردهای دندانه‌دار مانند اره‌ها و اتصال‌دهنده‌ها استفاده می‌شود. این ترکیب خواص باعث می‌شود که فولاد در شرایط خستگی بالا عملکرد بسیار خوبی داشته باشد و کوچک‌ترین افت استحکام ناشی از بارهای سیکلی را تحمل کند. با این حال، CK67 معایب خود را نیز دارد؛ دارا بودن محتوای کربن بالا باعث دشواری در جوشکاری و خطر تردی هیدروژنی می‌شود. همچنین، مقاومت خوردگی بسیار محدود دارد و نیاز به پوشش‌دهی یا عملیات سطحی دارد. علاوه بر این، محدود بودن قابلیت سخت شدن این فولاد به سطح، CK67 را برای قطعات با بار مکانیکی بالا یا شرایط خوردگی شدید، غیرمناسب می‌سازد.

به‌طور خلاصه، فولاد CK67/1.1231 گزینه‌ای اقتصادی و کاربردی برای قطعات فنری و سایشی با نیاز به خاصیت الاستیکی بالا است، به‌ویژه در شرایطی که جوشکاری و مقاومت خوردگی چندان مورد توجه نیست؛ اما برای محیط‌های خورنده یا بارگذاری سیکلی بالا، باید همراه با عملیات سطحی مانند QPQ یا پوشش‌های محافظ استفاده شود.