فولاد بلبرینگ و رولبرینگ 1.2375

فولاد 2375 یک فولاد ابزار سرد کار کم‌آلیاژ و پرکربن است که با نام 83CrMoV9 در استاندارد DIN شناخته می‌شود و به‌عنوان گزینه‌ای مهندسی‌شده برای کاربردهای صنعتی تحت تنش بالا توسعه یافته است. این فولاد از نظر متالورژیکی بین فولادهای ساده کربنی و فولادهای ابزار پرآلیاژ کروم‌بالا قرار می‌گیرد و با ترکیبی متعادل از کربن، کروم، مولیبدن و وانادیوم، هم سختی بالا و هم پایداری ابعادی مناسبی را فراهم می‌کند. کربن بالا عامل اصلی سختی و قابلیت سختکاری است، در حالی‌که عناصر آلیاژی باعث ایجاد سختی ثانویه، ریزدانه شدن ساختار و افزایش مقاومت به نرم‌شدن حرارتی می‌شوند.

در صنعت، انتخاب فولاد 1.2375 معمولاً زمانی انجام می‌شود که ابزار باید بارهای فشاری شدید را تحمل کند و در برابر سایش و افت سختی مقاوم باشد. این فولاد در شرایط مختلف عملیات حرارتی و مهندسی سطح عملکرد پایدار از خود نشان می‌دهد و به دلیل مقاومت سایشی مطلوب و استحکام فشاری بالا، در ساخت ابزارهای مقاوم به سایش، قطعات دایکست و تجهیزات پرس فلزات سنگین کاربرد گسترده دارد.

شناسایی و طبقه‌بندی فولاد 1.2375 در استانداردهای مختلف جهانی برای یکنواختی در خرید، تولید و عملیات حرارتی اهمیت اساسی دارد. در سیستم آلمانی DIN این فولاد با نام 83CrMoV9 شناخته می‌شود که عدد «83» نشان‌دهنده حدود 0.83 درصد کربن (در عمل گاهی تا حدود 0.88 درصد) است و حروف بعدی عناصر آلیاژی اصلی را مشخص می‌کنند. شماره متریال 1.2375 شناسه عددی رسمی این فولاد در اتحادیه اروپا است و در استاندارد EN ISO 4957 نیز به رسمیت شناخته می‌شود. در صنعت متالورژی اسلوونی، به‌ویژه توسط شرکت‌هایی مانند SIJ Ravne، این فولاد با نام‌های تجاری SIHARD 2375 یا OHV5 عرضه می‌شود که همگی معادل مشخصات 1.2375 هستند [1].

یافتن معادل دقیق در سیستم‌های آمریکایی (AISI) یا ژاپنی (JIS) ساده نیست، زیرا 1.2375 در جایگاهی بین فولادهای سری L و سری A قرار می‌گیرد. اگرچه گاهی شباهت‌هایی با AISI L2 یا A2 اصلاح‌شده ذکر می‌شود، اما نسبت ویژه کروم به مولیبدن در 1.2375 آن را متمایز می‌کند و موجب سختی‌پذیری عمقی بالا و مقاومت بهتر به بازپخت در مقاطع ضخیم می‌شود. بنابراین در پروژه‌های مهندسی باید حتماً از شناسه 83CrMoV9 یا 1.2375 برای اشاره دقیق به این فولاد ابزارکار سرد استفاده شود. حضور این فولاد در پروژه‌های صنعتی پیشرفته نیز نشان‌دهنده قابلیت اطمینان آن در تجهیزات پیچیده مانند مارپیچ‌ها و سیلندرهای فرآوری پلیمر است، جایی که توزیع یکنواخت کاربیدها و اندازه‌ی دانه کنترل‌شده طبق استاندارد ISO 4957 اهمیت حیاتی دارد [1].

• ترکیب شیمیایی فولاد 2375 [1-3].

رفتار مکانیکی و حرارتی فولاد 1.2375 مستقیماً از ترکیب متالورژیکی آن ناشی می‌شود؛ جایی که کربن به‌عنوان عامل اصلی سختی عمل می‌کند و در کنار آن کروم، مولیبدن و وانادیوم ساختار را پایدار و مقاوم می‌سازند. این طراحی ترکیبی باعث می‌شود فولاد پس از کوئنچ ساختار مارتنزیتی گسترده‌ای ایجاد کند و در عین حال زمینه‌ای ریزدانه و چقرمه داشته باشد تا در برابر ضربه دچار شکست ترد نشود. مقدار عناصر به‌گونه‌ای انتخاب شده که فولاد بتواند به سختی بسیار بالا برسد اما مانند فولادهای پرکاربیدِ پرکروم دچار کاهش چقرمگی نشود.

از دیدگاه ترمودینامیکی، کربن پایه‌ی سختی‌پذیری است و در حین عملیات حرارتی در آستنیت حل شده و پس از سردکردن به مارتنزیت تبدیل می‌شود. کروم سختی‌پذیری عمقی را افزایش داده و تشکیل کاربیدهای مقاوم به سایش را ممکن می‌کند، بنابراین قطعات ضخیم نیز به‌طور یکنواخت سخت می‌شوند و سطح در برابر سایش ساینده مقاوم می‌گردد. همچنین این عنصر پاسخ فولاد به نیتراسیون را بهبود می‌دهد. مولیبدن ساختار تمپر شده را پایدار می‌کند، از تردی برگشتی جلوگیری کرده و در دماهای بالا حرکت نابجایی‌ها را محدود می‌سازد؛ در نتیجه فولاد در بارگذاری‌های حرارتی سیکلی عملکرد قابل اطمینانی دارد.

وانادیوم نقش ریزدانه‌کننده دارد و با تشکیل کاربیدهای بسیار پایدار مرزدانه‌های آستنیت را مهار می‌کند، بنابراین پس از کوئنچ ساختار مارتنزیتی ریز و یکنواختی ایجاد می‌شود که هم سختی بالا و هم چقرمگی شکست مناسب را فراهم می‌کند. علاوه بر این، رسوبات ریز وانادیومی در حین تمپر شدن باعث سختی ثانویه می‌شوند و پایداری خواص مکانیکی را در طول کار طولانی‌مدت تضمین می‌کنند [4].

عملکرد فولاد 1.2375 در طراحی ابزارها بر اساس خواص مکانیکی آن در سه وضعیت اصلی بررسی می‌شود: آنیل نرم (تحویلی)، کوئنچ شده، و کوئنچ و تمپر شده (Q+T). این مقادیر مبنای محاسبه ظرفیت تحمل بار، ضریب ایمنی و طول عمر ابزار هستند.

در دمای محیط، خواص فیزیکی این فولاد مشابه سایر فولادهای ابزار آلیاژی است و صلبیت بالایی ایجاد می‌کند. مدول الاستیسیته حدود 210 گیگاپاسکال است که به معنای مقاومت زیاد در برابر تغییر شکل الاستیک و حفظ دقت ابعادی تحت فشار می‌باشد. چگالی آن نیز حدود 7.83 گرم بر سانتی‌متر مکعب است که نشان‌دهنده ساختار فولادی متراکم و نبود عناصر بسیار سنگین مانند تنگستن است. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند قالب‌ها و ابزارهای ساخته‌شده از این فولاد در هنگام اعمال نیرو تغییر شکل ناخواسته کمی داشته باشند.

برای انجام ماشینکاری اولیه، فولاد 1.2375 به‌صورت آنیل نرم تحویل داده می‌شود. در این فرآیند، ساختار شامل کاربیدهای کروی‌شده در زمینه فریتی است که باعث کاهش سختی و بهبود ماشینکاری می‌شود. سختی در این حالت حداکثر حدود 239 برینل است؛ بنابراین عملیات فرزکاری، سوراخکاری و تراشکاری با ابزارهای کاربیدی معمولی بدون سایش شدید ابزار قابل انجام است. این مرحله قبل از عملیات حرارتی نهایی انجام می‌شود تا شکل‌دهی قطعه اقتصادی و دقیق باشد.

در حالت کوئنچ و تمپر (Q+T)، خواص نهایی فولاد 1.2375 به شدت به دمای تمپر وابسته است و با تغییر این دما می‌توان تعادل میان سختی، چقرمگی و مقاومت به شوک حرارتی را تنظیم کرد. در دماهای تمپر پایین، فولاد بیشترین سختی و مقاومت سایشی را دارد و برای قالب‌ها و ابزارهای برشی که بیشترین تماس با سایش را دارند، ایده‌آل است. با افزایش دمای تمپر، سختی کاهش یافته اما چقرمگی و مقاومت به ترک و شوک حرارتی افزایش می‌یابد، که این شرایط برای ابزارهایی با بارگذاری‌های ضربه‌ای یا حرارتی مناسب است. تحقیقات نشان داده‌اند که پس از کوئنچ در دمای حدود 820 تا 860 درجه و تمپر در محدوده میانی، فولاد 1.2375 به تعادل مطلوبی از استحکام و شکل‌پذیری می‌رسد و می‌تواند در محیط‌هایی با بارهای متناوب عملکرد مناسبی داشته باشد. انرژی ضربه فولاد در این حالت معمولاً بین 30 تا 40 ژول است و بسته به جهت دانه‌بندی و کیفیت کوئنچ متغیر است، اما به اندازه کافی برای جلوگیری از شکست ناگهانی ابزار در شرایط صنعتی مقاوم است. این ویژگی امکان می‌دهد مهندس با انتخاب مناسب دمای تمپر، رفتار فولاد را از «بسیار سخت و مقاوم به سایش» تا «چقرمه و مقاوم به ضربه» تغییر دهد، که آن را برای قالب‌ها و ابزارهای سنگین بسیار کاربردی می‌سازد [5].

عملیات حرارتی فولاد 1.2375 یک فرآیند چندمرحله‌ای ترمودینامیکی است که باید با دقت مدیریت شود تا تنش‌های داخلی به حداقل برسد و پتانسیل کامل ماده به دست آید. هر مرحله، از آهنگری اولیه تا تمپر نهایی، نیازمند توجه به منحنی‌های زمان–دما–تغییر فاز (TTT) است تا ساختار یکنواخت و خواص مطلوب حاصل شود.

آهنگری و شکل‌دهی گرم: آهنگری فولاد در دمای بین 1150 تا 850 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. توقف عملیات شکل‌دهی در دمای 850 درجه ضروری است تا از رسوب کاربیدهای پیش-اوتکتوئیدی در مرزدانه‌ها جلوگیری شود، زیرا این کار موجب شکنندگی فولاد می‌شود. پس از آهنگری، خنک‌سازی آرام در کوره یا محیط‌های عایق مانند ماسه الزامی است تا خطر ترک‌های ناشی از سردشدن سریع که به دلیل سختی‌پذیری بالا ایجاد می‌شوند کاهش یابد.

آنیل نرم و رفع تنش: آنیل نرم با حرارت‌دهی فولاد به دمای 710–750 درجه و سپس خنک‌سازی کنترل‌شده انجام می‌شود تا ساختار کاملاً کروی‌شده شکل گیرد. رفع تنش به‌صورت جداگانه و معمولاً در دمای 650 درجه برای 1 تا 2 ساعت انجام می‌شود تا تنش‌های باقی‌مانده ناشی از ماشینکاری‌های سنگین کاهش یابد، بدون اینکه ساختار ماشین‌پذیر فریتی–کاربیدی تغییر کند.

سخت‌کاری (آستنیته کردن و کوئنچ): مرحله سخت‌کاری مهم‌ترین بخش عملیات حرارتی 1.2375 است. فولاد ابتدا تا دمای 650 درجه پیش‌گرم می‌شود تا دمای داخلی یکنواخت گردد، سپس به محدوده آستنیته کردن 820–860 درجه منتقل می‌شود. زمان نگهداری در این دما به ضخامت قطعه بستگی دارد و اجازه می‌دهد کروم و مولیبدن به‌طور کامل در ماتریس آستنیت حل شوند. کوئنچ در روغن یا آب گرم انجام می‌شود تا سرعت خنک‌سازی کافی باشد و از تشکیل پرلیت جلوگیری شود. تحقیقات نشان می‌دهد که دمای پایین‌تر آستنیته کردن، مقاومت به ضربه را افزایش می‌دهد و دمای بالاتر، حل کاربیدها را بهبود می‌بخشد و مقاومت به سایش را افزایش می‌دهد [6, 7].

عملیات سرمایشی عمیق و تمپر: برای کاهش آستنیت باقی‌مانده، که پس از کوئنچ روغنی می‌تواند تا حدود 15 درصد باشد، از فرآیندهای سرمایشی عمیق استفاده می‌شود. سرمایش عمیق فولاد تا دمای -196 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود تا آستنیت باقی‌مانده به مارتنزیت تبدیل شود، که سختی و پایداری ابعادی را افزایش می‌دهد. پس از کوئنچ یا سرمایش عمیق، تمپر برای کاهش تنش‌های مارتنزیتی شکننده ضروری است. فولاد 1.2375 نیاز به حداقل دو مرحله تمپر دارد: مرحله اول برای تمپر مارتنزیت اولیه و تبدیل آستنیت باقی‌مانده، و مرحله دوم برای تمپر مارتنزیت تازه تشکیل‌شده. این چرخه‌ها تضمین می‌کنند که فولاد ترکیبی از سختی بالا، مقاومت به سایش و چقرمگی مطلوب را در خود داشته باشد [8-10].

فولاد 1.2375 به‌عنوان یک فولاد ابزار پرکربن، طول عمر و عملکرد خود را عمدتاً از طریق کیفیت و یکپارچگی سطح به دست می‌آورد. به همین دلیل، استفاده از روش‌های مهندسی سطح و پوشش‌های پیشرفته برای افزایش مقاومت به سایش، چقرمگی سطحی و کاهش اصطکاک ضروری است. این روش‌ها شامل طیف وسیعی از تکنیک‌های شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی هستند که به‌طور صنعتی برای بهبود عملکرد ابزارهای پرس، قالب‌ها و قطعات دایکست به کار می‌روند.

یکی از رایج‌ترین روش‌ها نیتریدینگ است که نیتروژن را در سطح فولاد نفوذ می‌دهد و دمای آن معمولاً پایین‌تر از دمای تمپر نهایی است تا خواص هسته تغییر نکند. در گاز نیتریدینگ، آمونیاک در کوره تجزیه شده و نیتروژن با عناصر آلیاژی مانند کروم و وانادیوم واکنش می‌دهد و رسوبات سخت تشکیل می‌دهد که سختی سطح را به میزان 900–1100 HV می‌رساند و عمق مؤثر آن تا نیم میلی‌متر است. پلاسما نیتریدینگ با استفاده از تخلیه الکتریکی در خلاء، کنترل بسیار دقیقی روی لایه سطحی ایجاد می‌کند و امکان حذف لایه سفید شکننده را فراهم می‌آورد، که برای ابزارهای با تلرانس دقیق ضروری است. همچنین فرآیند نیتروکربورایزینگ با نفوذ همزمان نیتروژن و کربن، لایه‌ای فوق‌العاده سخت ایجاد می‌کند که مقاومت بالایی در برابر سایش چسبنده و گالینگ در قالب‌های پرس سرد دارد [11].

در کنار روش‌های نفوذی، فناوری‌های پوشش‌دهی مانند PVD (Physical Vapor Deposition) و CVD (Chemical Vapor Deposition) به‌طور گسترده برای 1.2375 استفاده می‌شوند. PVD با استفاده از تبخیر کاتدی یا اسپاترینگ، لایه‌های سرامیکی مانند TiN، AlTiN و CrN را روی سطح ایجاد می‌کند که ضخامت آنها معمولاً 2 تا 5 میکرومتر است و سختی بسیار بالای 2500 HV و ضریب اصطکاک پایین دارند. اغلب از ترکیب نیتریدینگ و PVD به‌عنوان Duplex Treatment استفاده می‌شود تا لایه سخت PVD روی یک بستر مقاوم ایجاد شده توسط نیتریدینگ قرار گیرد و از شکست لایه جلوگیری شود. در روش CVD، واکنش شیمیایی گازها مانند TiCl₄ و CH₄ روی سطح، لایه ضخیم TiC ایجاد می‌کند، اما دمای بالای فرآیند نیازمند کوئنچ و تمپر مجدد ابزار است تا دقت ابعادی حفظ شود. نسخه‌های دمای متوسط
CVD (MT-CVD) با پیش‌ماده‌های متفاوت در دماهای پایین‌تر، خطر تغییر شکل را کاهش می‌دهند [12].

روش‌های مکانیکی نیز نقش مهمی در مهندسی سطح دارند. Shot Peening کنترل‌شده با شلیک گلوله‌های فولادی یا سرامیکی به سطح، تنش‌های فشاری باقی‌مانده ایجاد می‌کند که مانع از شروع ترک سطحی شده و عمر خستگی قطعات را افزایش می‌دهد. Laser Shock Peening (LSP) با استفاده از پالس‌های لیزر پرانرژی، تنش‌های فشاری را تا عمق 1–2 میلی‌متر القا می‌کند که برای مناطق پرتنش قالب‌های دایکست ایده‌آل است.

برای قطعات بزرگ یا نیازمند پوشش‌های ضخیم، Thermal Spraying استفاده می‌شود. در HVOF، ذرات نیمه مذاب کاربید تنگستن یا کروم با سرعت فوق صوت به سطح فولاد برخورد کرده و لایه‌ای متراکم و مقاوم ایجاد می‌کنند. Plasma Spray نیز با ایجاد پلاسما، ذرات سرامیکی را ذوب و روی سطح می‌نشاند و از ابزار در برابر دمای بالای آلیاژهای سبک محافظت می‌کند [13].

علاوه بر این روش‌ها، تکنیک‌های خاص و نیش مانند Sulfonitriding برای کاهش چسبندگی قطعات، Boriding  برای مقاومت شیمیایی و سایش شدید، Electroless Nickel Plating و Hard Chrome Plating برای کاهش اصطکاک و محافظت سطحی، Laser Cladding برای اتصال متالورژیکی لایه‌های محافظ و Superfinishing شیمیایی–مکانیکی برای ایجاد سطح بسیار صیقلی و کاهش اصطکاک به کار می‌روند. سایر روش‌های آماده‌سازی سطح مانند Vapor Degreasing و Alodine Treatment نیز برای اطمینان از تمیزی و چسبندگی مناسب پوشش‌ها به کار گرفته می‌شوند [14, 15].

این تنوع روش‌های مهندسی سطح نشان می‌دهد که فولاد 1.2375 با ترکیب پوشش‌های شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی می‌تواند برای طیف گسترده‌ای از ابزارها و قالب‌های صنعتی با نیازهای سختی، چقرمگی و دقت ابعادی بالا مناسب باشد و طول عمر خدماتی قابل توجهی داشته باشد.

فولاد 1.2375 عمدتاً برای مقاومت در برابر سایش طراحی شده است و طول عمر ابزارها به کیفیت سطح آن وابسته است. وجود کاربیدهای M₇C₃ و VC به‌عنوان جزایر سخت، مقاومت فولاد را در برابر سایش ساینده افزایش می‌دهد و مانع از فرسایش ناشی از ذرات ساینده می‌شود. سایش چسبنده، که به دلیل ایجاد جوش‌های میکروسکوپی بین ابزار و قطعه کار رخ می‌دهد، با استفاده از فرآیندهایی مانند نیتریدینگ و پوشش‌های PVD کاهش می‌یابد. تحقیقات ISI نشان می‌دهد که نیتریدینگ می‌تواند کاهش وزن ناشی از سایش چسبنده را بیش از 45٪ نسبت به حالت کوئنچ و تمپر شده بدون پوشش کاهش دهد و بنابراین مقاومت سطحی فولاد در شرایط عملیاتی طولانی به‌طور قابل توجهی بهبود می‌یابد [16].

مقاومت فولاد 1.2375 در برابر خستگی و خزش نیز اهمیت ویژه‌ای دارد. خستگی عامل اصلی شکست ابزارها تحت بارهای چرخه‌ای است، زیرا ترک‌ها اغلب از سطح آغاز می‌شوند. القای تنش‌های باقیمانده فشاری از طریق شات پینینگ و نیتریدینگ مانع گسترش ترک‌ها می‌شود، و سرمایش عمیق آستنیت باقی‌مانده را به مارتنزیت تبدیل کرده و ساختار یکنواخت‌تری ایجاد می‌کند که حد خستگی فولاد را افزایش می‌دهد. در کاربردهایی مانند قالب‌های دایکست و اکستروژن، قطعات فولاد ممکن است در دماهای بالا قرار گیرند، اما حضور مولیبدن و وانادیوم با جلوگیری از حرکت نابجایی‌ها و تشکیل رسوبات سختی ثانویه، مقاومت به خزش را افزایش داده و هندسه ابزار را در طول تولید حفظ می‌کنند.

با وجود مقاومت مکانیکی بالا، خوردگی نقطه ضعف استراتژیک 1.2375 است، زیرا کروم نسبتاً کم فولاد، آن را در محیط‌های کلریدی مستعد خوردگی می‌کند. این مشکل با استفاده از پوشش‌ها و فرآیندهای مهندسی سطح مانند نیتریدینگ و PVD قابل کنترل است؛ لایه‌های ترکیبی نیترید شده و پوشش CrN حفاظت مؤثری در برابر خوردگی آبی فراهم می‌کنند و سرمایش عمیق توزیع کاربیدها را یکنواخت می‌کند تا از ایجاد سلول‌های گالوانیک موضعی جلوگیری شود.

فولاد 1.2375 به‌عنوان یک فولاد ابزار سردکار با سختی سطحی بسیار بالا و هسته مقاوم به ضربه، در تولید ابزارهای مقاوم به سایش، قالب‌های دایکست فلزات سبک و ابزارهای پرس سنگین در صنایع خودرو و هوافضا کاربرد دارد. مزیت اصلی آن پاسخ فوق‌العاده به مهندسی سطح و توانایی تحمل سختی‌های بیش از 2500 HV همراه با چقرمگی هسته است، اما برای کاربرد در محیط‌های خورنده نیازمند پوشش محافظ یا سیستم‌های پوششی گران‌قیمت است و محتوای بالای کربن آن مستلزم کنترل دقیق چرخه‌های پیش‌گرم و رفع تنش برای جلوگیری از تغییر شکل در کوئنچ است.