فولاد 1.2365

فولاد 1.2365 یک فولاد ابزار عملیات حرارتی‌پذیر از خانواده فولادهای کارگرم است که برای کار در شرایط بسیار سختِ حرارتی و سایشی—مثل فورج سنگین فلزات، دایکست تحت فشار بالا، و اکستروژن گرم—طراحی شده است. در این فرایندها، ابزارها هم‌زمان با مجموعه‌ای از پدیده‌های مخرب روبه‌رو هستند: شوک‌های حرارتی پی‌درپی (گرم و سرد شدن سریع سطح ابزار)، ضربه و بارگذاری‌های مکانیکی، سایش ساینده و چسبنده ناشی از تماس با فلز داغ، و همچنین خزش در دماهای بالا که به مرور باعث افت شکل و کاهش دقت ابعادی می‌شود. با حرکت صنعت به سمت زمان سیکل کوتاه‌تر و تلرانس‌های دقیق‌تر، انتظار از فولاد ابزار فقط «سختی بالا» نیست؛ بلکه ترکیبی از پایداری ریزساختار در دمای بالا، مقاومت به ترک‌های حرارتی، چقرمگی کافی برای جلوگیری از لب‌پریدگی/شکست، و دوام سایشی مناسب لازم است. در چنین چشم‌اندازی، 1.2365 که در سطح بین‌المللی با نام AISI H10 و با شناسه آلیاژی 32CrMoV12-28 شناخته می‌شود، یک جایگاه مهندسی مهم و مشخص را پوشش می‌دهد.

در حالی که فولاد پرکاربرد AISI H13 (DIN 1.2344) به‌عنوان «اسب کاری» فولادهای گرم کار شناخته می‌شود، در برخی کاربردها—به‌خصوص جاهایی که چقرمگی بسیار بالا همراه با رسانایی حرارتی بهتر و رفتار پایدارتر در برابر شوک حرارتی موردنیاز است—می‌تواند محدودیت‌هایی داشته باشد. فولاد H10 یا 1.2365 دقیقاً برای پاسخ به همین نیازهای خاص توسعه یافت. منطق متالورژیکی این توسعه، اصلاح توازن کروم–مولیبدن است: با کاهش کروم به حدود ۳٪ و افزایش مولیبدن تا نزدیک ۳٪، آلیاژی حاصل می‌شود که از یک طرف چقرمگی و مقاومت به ضربه/ترک‌زایی را تقویت می‌کند و از طرف دیگر، در دمای بالا استحکام گرم و مقاومت به نرم‌شدن (tempering resistance) را بهبود می‌دهد؛ بنابراین این فولاد می‌تواند نوعی پل میان ویژگی‌های فولادهای مقاوم به گرمای پایه تنگستن و فولادهای پایه کروم ایجاد کند. به همین دلیل، 1.2365 در قالب یک گزینه هدفمند برای کاربردهایی مطرح می‌شود که در آن‌ها شکست ابزار اغلب از مسیر ترک‌های حرارتی، لب‌پریدگی، یا تغییر شکل تدریجی در دمای بالا رخ می‌دهد.

با توجه به ماهیت جهانی زنجیره تأمین فولادهای ابزار، شناخت دقیق معادل‌ها و سیستم‌های نام‌گذاری بین‌المللی برای جلوگیری از عدم تطابق متریال و تضمین یکنواختی عملکرد ابزار، امری ضروری است. فولاد 1.2365 شماره متریال (Werkstoffnummer) مورد استفاده در صنایع اروپایی بوده و مطابق با استاندارد DIN EN ISO 4957 در رده فولادهای ابزار گرم کار طبقه‌بندی می‌شود. نام شیمیایی 32CrMoV12-28 اطلاعات مستقیمی از ترکیب شیمیایی این فولاد ارائه می‌دهد؛ به‌گونه‌ای که مقدار کربن آن در حدود 0.32 درصد وزنی بوده و عناصر آلیاژی اصلی شامل کروم، مولیبدن و وانادیوم هستند که نقش تعیین‌کننده‌ای در استحکام گرم، پایداری ریزساختار و مقاومت به نرم‌شدن در دماهای بالا ایفا می‌کنند [1, 2].

در سیستم نام‌گذاری آمریکای شمالی که توسط AISI و استاندارد ASTM A681 تعریف شده است، این فولاد با نام H10 شناخته می‌شود. پیشوند H بیانگر فولاد ابزار گرم کار بوده و نشان‌دهنده قابلیت حفظ سختی و استحکام در دماهای بالا یا همان Red Hardness است. شناسه متناظر این فولاد در سیستم UNS برابر با T20810 می‌باشد. اگرچه AISI H10 و DIN 1.2365 به‌طور کلی به‌عنوان معادل مستقیم در نظر گرفته می‌شوند، اختلاف‌های جزئی در محدوده مجاز عناصر ناخالصی نظیر گوگرد، فسفر و سیلیسیم میان استانداردهای DIN و ASTM وجود دارد که می‌تواند اثرات ظریفی بر ویژگی‌هایی مانند ماشین‌کاری‌پذیری، پولیش‌پذیری و یکنواختی سطح ابزار داشته باشد. گستردگی پذیرش این فولاد در استانداردهای ملی مختلف—از جمله JIS SKD7 در ژاپن، BH10 در بریتانیا، AFNOR 32CDV12-28 در فرانسه، UNI 30CrMoV12-27 KU در ایتالیا و GOST 3KH3M3F در روسیه—نشان‌دهنده اهمیت صنعتی و تطبیق‌پذیری بالای این گرید در کاربردهای ابزارسازی گرم کار در سطح بین‌المللی است.

• ترکیب شیمیایی فولاد 2365 [1, 2].

عملکرد مهندسی فولاد DIN 1.2365 مستقیماً از معماری شیمیایی و منطق متالورژیکی طراحی آن ناشی می‌شود. برخلاف فولادهای گرم کار با کروم بالاتر مانند H11 و H13 که بخش عمده‌ای از مقاومت سایشی و سختی‌پذیری خود را مدیون کاربیدهای کرومی هستند، فولاد H10 بر یک هم‌افزایی هدفمند میان مولیبدن و وانادیوم تکیه دارد تا پایداری در دماهای بالا را تأمین کند. کاهش نسبی کروم و تقویت نقش مولیبدن، یک انتخاب تصادفی نیست، بلکه تصمیمی آگاهانه برای بهبود رسانایی حرارتی و مقاومت به خزش است؛ خواصی که ریشه در مکانیزم‌های انتقال الکترون و فونون در شبکه بلوری دارند و در حضور مولیبدن در محلول جامد، کمتر دچار افت می‌شوند. نتیجه این طراحی، فولادی است که توانایی دفع سریع‌تر حرارت از سطح ابزار را داشته و در عین حال، در برابر تغییر شکل تدریجی تحت بار ثابت و دمای بالا پایداری بیشتری نشان می‌دهد.

کربن در این فولاد نقش پایه‌ای در شکل‌گیری سختی ماتریس مارتنزیتی ایفا می‌کند، اما مقدار آن عمداً در محدوده‌ای میانی نگه داشته شده است تا تعادل مناسبی میان سختی و چقرمگی برقرار شود. این رویکرد باعث می‌شود فولاد پس از عملیات کوئنچ و تمپر، به سختی لازم برای مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک برسد، بدون آن‌که به تردی شدید فولادهای ابزار پرکربن دچار شود. کربن همچنین با عناصر کاربیدساز مانند کروم، مولیبدن و وانادیوم ترکیب شده و رسوباتی را شکل می‌دهد که نقش کلیدی در مقاومت سایشی و سخت‌شوندگی ثانویه دارند. کروم در 1.2365 عمدتاً وظیفه‌ی افزایش سختی‌پذیری حجمی را بر عهده دارد و تضمین می‌کند که حتی در مقاطع ضخیم قالب و سنبه، ریزساختار به‌طور یکنواخت مارتنزیتی شود. با این حال، سطح کروم به‌گونه‌ای کنترل شده که اثر منفی آن بر رسانایی حرارتی به حداقل برسد. این توازن باعث می‌شود گرادیان‌های حرارتی و تنش‌های ناشی از آن کاهش یابد و خطر ترک‌های حرارتی در سرویس‌های سیکلی کمتر شود؛ مزیتی که در بسیاری از کاربردهای گرم کار، عامل اصلی افزایش عمر ابزار محسوب می‌شود.

مولیبدن، عنصر شاخص این گرید، نقش محوری در پایداری خواص در دماهای بالا ایفا می‌کند. حضور آن هم از طریق استحکام‌دهی محلول جامد و هم از طریق تشکیل کاربیدهای بسیار ریز در حین تمپر، موجب افزایش مقاومت به نرم‌شدن و حفظ سختی در شرایط کاری گرم می‌شود؛ پدیده‌ای که از آن با عنوان سختی گرم یا Red Hardness یاد می‌شود. افزون بر این، مولیبدن با ایجاد اعوجاج در شبکه بلوری، حرکت نابجایی‌ها را محدود کرده و به‌طور مؤثری مقاومت به خزش و تغییر شکل تدریجی تحت بار طولانی‌مدت را بهبود می‌بخشد؛ موضوعی که برای قالب‌ها و ماندریل‌های تحت تنش مداوم اهمیت حیاتی دارد. وانادیوم نیز با تشکیل کاربیدهای بسیار پایدار و سخت، نقش دوگانه‌ای ایفا می‌کند. از یک سو، این کاربیدها با مهار رشد دانه‌ها در حین آستنیته‌کردن، موجب ریزدانگی ریزساختار می‌شوند که مستقیماً به افزایش چقرمگی ضربه‌ای منجر می‌گردد. از سوی دیگر، سختی بالای این رسوبات، سهم قابل توجهی در مقاومت به سایش ساینده دارد و عملکرد فولاد را در تماس مداوم با فلز داغ بهبود می‌دهد [3, 4].

در نهایت، کنترل عناصر ناخالص مانند گوگرد و فسفر در فولاد 1.2365 از اهمیت بالایی برخوردار است. اگرچه برخی از این عناصر می‌توانند ماشین‌کاری را تسهیل کنند، اما حضور آن‌ها به‌صورت آخال‌های غیر فلزی، نقاط تمرکز تنش ایجاد کرده و چقرمگی عرضی و پولیش‌پذیری را به‌شدت کاهش می‌دهد. به همین دلیل، در تولیدهای باکیفیت و مخصوص کاربردهای گرم کار پیشرفته—به‌ویژه در فولادهای ذوب مجدد شده—سطح این ناخالصی‌ها به حداقل ممکن رسانده می‌شود تا خطر شروع ترک تحت بارهای حرارتی سیکلی به‌طور مؤثر مهار گردد.

کارایی مهندسی فولاد DIN 1.2365 (AISI H10) نه بر اساس مقادیر ثابت، بلکه به‌عنوان تابعی از دما و شرایط کاری تعریف می‌شود؛ موضوعی که آن را از بسیاری فولادهای ابزار متمایز می‌سازد. از آنجا که این فولاد عمدتاً در بازه دمایی ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد به‌کار گرفته می‌شود، ارزیابی خواص فیزیکی و مکانیکی آن در دمای سرویس، برای طراحی ایمن و پایدار ابزار امری حیاتی است.

از نظر خواص فیزیکی، چگالی فولاد 1.2365 در دمای محیط در حدود 7.80 تا 7.85 g/cm³ است که با افزایش دما و انبساط حرارتی شبکه بلوری، به حدود 7.65 g/cm³ در 600 درجه کاهش می‌یابد. این کاهش هرچند جزئی به نظر می‌رسد، اما در محاسبات جرم قالب‌های بزرگ و شبیه‌سازی انتقال حرارت و نفوذ حرارتی (thermal diffusivity) اهمیت عملی دارد. مدول الاستیسیته (مدول یانگ) که شاخص سختی و میزان تغییر شکل الاستیک است، در دمای محیط حدود 210 GPa بوده و با افزایش دما کاهش می‌یابد؛ به‌طوری که در حدود 176 GPa در 500 درجه و نزدیک به 165 GPa در 600 درجه می‌رسد. این افت مدول به معنای آن است که قالب یا سنبه در دمای کاری، تحت همان بار مکانیکی، خمش و تغییر شکل بیشتری نسبت به دمای اتاق خواهد داشت و این مسئله باید در تلرانس‌های طراحی و دقت ابعادی قطعه نهایی لحاظ شود.

یکی از مهم‌ترین مزیت‌های فیزیکی فولاد H10، رسانایی حرارتی بالا است. مقدار رسانایی حرارتی آن در دمای محیط در حدود 32 تا 36 W/(m·K) گزارش می‌شود و حتی در دماهای بالا نیز افت محدودی دارد؛ به‌طوری که در حدود 33 W/(m·K) در 350 درجه و نزدیک به 31 W/(m·K) در 700 درجه باقی می‌ماند. این در حالی است که فولاد پرکاربرد H13 معمولاً رسانایی حرارتی حدود 24 تا 25 W/(m·K) دارد. به بیان دیگر، H10 حدود 30 تا 40 درصد انتقال حرارت مؤثرتر ارائه می‌دهد. در فرایندهایی مانند دایکست آلومینیوم، این ویژگی باعث انجماد سریع‌تر مذاب، کاهش زمان سیکل تولید و پایین‌تر ماندن دمای سطح قالب می‌شود که مستقیماً به کاهش خستگی حرارتی و افزایش عمر ابزار منجر می‌گردد. از منظر فیزیک جامدات، این رفتار به کاهش پراکندگی حامل‌های حرارتی (الکترون‌ها و فونون‌ها) نسبت داده می‌شود، زیرا سطح کروم پایین‌تر نسبت به فولادهای ۵% کروم، مانع کمتری در مسیر انتقال حرارت ایجاد می‌کند.

ضریب انبساط حرارتی (CTE) فولاد 1.2365 در بازه 20 تا 100 درجه سلسیوس در حدود 11.6  تا 11.9×10⁻⁶ K⁻¹ و در بازه گسترده‌تر 20 تا 600 درجه در حدود 13.5 تا 13.8×10⁻⁶ K⁻¹ است. این مقادیر برای فولادهای فریتی-مارتنزیتی معمولی تلقی می‌شوند و نشان می‌دهند که اگر سطح داغ قالب توسط هسته خنک‌تر مقید شود، تنش‌های حرارتی قابل‌توجهی ایجاد خواهد شد. بنابراین، مدیریت دمای قالب و کنترل سیکل‌های گرم و سرد شدن برای جلوگیری از ترک‌های حرارتی ضروری است.

از نظر خواص مکانیکی، رفتار فولاد به‌شدت به وضعیت عملیات حرارتی وابسته است. در حالت آنیل شده (+A)، ریزساختار شامل کاربیدهای کروی‌شده در زمینه فریتی نرم است. در این شرایط، سختی حداکثر حدود 229 HB و استحکام کششی در حدود 750 MPa گزارش می‌شود. ماشین‌کاری‌پذیری این حالت نسبتاً بالا بوده؛ ویژگی‌ای که امکان ماشین‌کاری اقتصادی حفره‌ها و اشکال پیچیده قالب را پیش از سخت‌کاری فراهم می‌کند.

خواص واقعی سرویس زمانی حاصل می‌شود که فولاد تحت کوئنچ و تمپر (Q&T) قرار گیرد. سختی کاری معمول این فولاد بسته به کاربرد، در بازه 40 تا 52 HRC انتخاب می‌شود؛ به‌گونه‌ای که سختی‌های بالاتر برای مقاومت سایشی و سختی‌های پایین‌تر برای افزایش چقرمگی به کار می‌روند. داده‌های کششی در دمای بالا برای فولادی با سختی حدود 45 HRC نشان می‌دهد که در دمای محیط، استحکام کششی حدود 1679 MPa و تنش تسلیم حدود 1451 MPa است. حتی در دماهای نزدیک به 538°C، تنش تسلیم هنوز در حدود 1048 MPa باقی می‌ماند که مقدار بسیار قابل توجهی است و تضمین می‌کند قالب یا سنبه تحت فشارهای شدید فورج یا نیروی قفل دستگاه‌های دایکست، دچار تغییر شکل پلاستیک دائمی نشود. با عبور از حدود 600°C، افت استحکام شتاب می‌گیرد که عمدتاً ناشی از درشت‌شدن کاربیدها و بازیابی زمینه مارتنزیتی است.

از منظر چقرمگی ضربه‌ای، فولاد H10 رفتار مطلوبی از خود نشان می‌دهد، به‌ویژه زمانی که به‌صورت ESR (ذوب مجدد الکتروسرباره‌ای) تولید شده باشد. نبود کاربیدهای اولیه درشت—در مقایسه با فولادهای ابزار سردکار پرکربن—باعث می‌شود ترک‌ها به‌سختی رشد کنند. مقادیر شارپی V-notch در دمای محیط، برای نمونه‌هایی با سختی حدود 44 تا 46 HRC، معمولاً در بازه 20 تا 30 ژول قرار دارد و این مقدار در دماهای کاری بالاتر به‌طور محسوسی افزایش می‌یابد. این ترکیب از استحکام بالا در دمای زیاد، رسانایی حرارتی مناسب و چقرمگی کافی، فولاد 1.2365 را به گزینه‌ای مهندسی‌شده برای ابزارهای کارگرم با بارگذاری حرارتی و مکانیکی شدید تبدیل می‌کند [5].

عملیات حرارتی فولاد DIN 1.2365 (AISI H10) یک فرایند دقیق و مرحله‌به‌مرحله است که ریزساختار نهایی و عملکرد ابزار را تعیین می‌کند. این فرایند شامل چهار مرحله اصلی آنیل نرم، تنش‌زدایی، سخت‌کاری (آستنیته‌کردن و کوئنچ) و تمپر است و هدف آن دستیابی به ریزساختار مارتنزیت تمپرشده با کاربیدهای ریز و پایدار همراه با حداقل تنش پسماند می‌باشد.

در مرحله آنیل نرم (Soft Annealing)، فولاد به‌صورت یکنواخت تا 740 تا 780 درجه سلسیوس گرم می‌شود و پس از هم‌دما شدن کامل مقطع، به مدت 2 تا 4 ساعت در این دما نگه داشته می‌شود. سپس خنک‌کاری بسیار آهسته در داخل کوره با نرخ حدود 10 تا 20 درجه سلسیوس در ساعت تا حدود 600 درجه سلسیوس انجام شده و در ادامه قطعه در هوا تا دمای محیط سرد می‌شود. نتیجه این سیکل، تشکیل ریزساختاری با کاربیدهای کروی‌شده در زمینه فریتی و سختی کمتر از 229 HB است که برای ماشین‌کاری ایده‌آل بوده و ریسک ترک در مراحل بعدی را کاهش می‌دهد.

پس از ماشین‌کاری، مرحله تنش‌زدایی (Stress Relieving) برای حذف تنش‌های پسماند ضروری است. در این مرحله، قطعه تا 600 تا 650 درجه سلسیوس گرم شده و به مدت 1 تا 2 ساعت—ترجیحاً در اتمسفر خنثی—در این دما نگه داشته می‌شود. سپس خنک‌کاری آرام در کوره تا حدود 500 درجه سلسیوس انجام شده و بعد از آن قطعه در هوا سرد می‌شود. این مرحله نقش کلیدی در جلوگیری از اعوجاج ابعادی در حین سخت‌کاری دارد.

مرحله سخت‌کاری (Hardening) شامل پیش‌گرم، آستنیته‌کردن و کوئنچ است. پیش‌گرم چندمرحله‌ای برای فولاد 1.2365 الزامی بوده و معمولاً در سه پله انجام می‌شود: ابتدا حدود 400 درجه سلسیوس، سپس 650 درجه سلسیوس و در نهایت 850 درجه سلسیوس. پس از یکنواخت شدن دما، آستنیته‌کردن در بازه 1010 تا 1050 درجه سلسیوس انجام می‌شود که مقدار مرجع رایج آن 1030 درجه سلسیوس است. زمان نگهداری معمولاً 15 تا 30 دقیقه پس از رسیدن مغز قطعه به دمای آستنیته می‌باشد. کوئنچ می‌تواند در روغن (با سختی نهایی حدود 54 تا 56 HRC)، گاز تحت فشار در کوره خلأ یا به‌صورت مارتَمپرینگ در حمام نمک در دمای حدود 500 تا 550 درجه سلسیوس انجام شود. پس از کوئنچ، ریزساختار شامل مارتنزیت تمپرنشده به‌همراه مقداری آستنیت باقیمانده است.

مرحله نهایی تمپر (Tempering) باید بلافاصله پس از سرد شدن قطعه تا حدود 50 تا 70 درجه سلسیوس آغاز شود. حداقل دو سیکل تمپر الزامی است و برای قالب‌های بزرگ، انجام تمپر سوم توصیه می‌شود. بازه دمایی تمپر برای فولاد H10 معمولاً 500 تا 650 درجه سلسیوس است. این فولاد یک پدیده سخت‌شوندگی ثانویه در حدود 500 تا 550 درجه سلسیوس نشان می‌دهد که ناشی از رسوب کاربیدهای مولیبدن و وانادیوم است. با این حال، برای پایداری ریزساختاری در سرویس، تمپر در دماهای بالاتر از پیک ثانویه، یعنی حدود 550 تا 600 درجه سلسیوس توصیه می‌شود. به‌عنوان مثال، پس از کوئنچ از 1030 درجه سلسیوس، سختی اولیه حدود 54 HRC بوده و با تمپر در 600 درجه سلسیوس به حدود 48 HRC می‌رسد؛ محدوده‌ای که برای بسیاری از قالب‌های فورج صنعتی ایده‌آل است [6].

اگرچه فولاد DIN 1.2365 (AISI H10) در حالت حجمی، استحکام سازه‌ای، چقرمگی و پایداری حرارتی لازم را فراهم می‌کند، اما در کاربردهای واقعی گرم کار، سطح ابزار مستقیماً در معرض شدیدترین پدیده‌های تریبولوژیکی قرار دارد؛ از جمله سایش ساینده، سایش چسبنده (Soldering)، فرسایش و خستگی حرارتی. از این‌رو، استفاده از روش‌های مهندسی سطح نه یک انتخاب جانبی، بلکه بخشی جدایی‌ناپذیر از طراحی ابزارهای H10 محسوب می‌شود.

نیتراسیون (گازی و پلاسما) رایج‌ترین عملیات ترموشیمیایی برای فولادهای ابزار گرم کار است، زیرا در دماهایی حدود ۴۸۰ تا ۵۸۰ درجه سلسیوس انجام می‌شود که معمولاً پایین‌تر از دمای نهایی تمپر فولاد H10 است و بنابراین پایداری ابعادی ابزار حفظ می‌شود. در این فرایند، اتم‌های نیتروژن در شبکه فریتی نفوذ کرده و به‌دلیل حضور عناصر نیتریدساز قوی مانند کروم، مولیبدن و وانادیوم، به‌صورت نیتریدهای آلیاژی بسیار ریز رسوب می‌کنند. لایه نیتراسیون‌شده به‌طور کلاسیک از دو ناحیه تشکیل می‌شود: لایه ترکیبی یا سفید در سطح خارجی با ضخامت معمولاً ۰ تا ۱۰ میکرون که شامل فازهای ε-Fe_2-3N و γ′-Fe₄N بوده و بسیار سخت اما ترد است، و ناحیه نفوذی با عمق تقریبی ۱۰۰ تا ۳۰۰ میکرون که نیتروژن به‌صورت محلول جامد یا رسوبات بسیار ریز حضور دارد. این ناحیه نفوذی تنش‌های فشاری پسماند ایجاد می‌کند که نقش کلیدی در افزایش عمر خستگی حرارتی دارد [7, 8].

پس از نیتراسیون، سختی سطح فولاد H10 به حدود ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ HV (معادل تقریباً ۷۰ HRC) می‌رسد که عملاً سایش چسبنده را حذف کرده و سایش ساینده را به‌شدت کاهش می‌دهد. با این حال، در کاربردهای ضربه‌ای شدید مانند فورج، وجود لایه سفید ضخیم می‌تواند مضر باشد و معمولاً کنترل آن به کمتر از ۵ میکرون یا حتی حذف کامل آن توصیه می‌شود. در این میان، نیتراسیون پلاسما (یونی) که معمولاً در دمای حدود ۵۲۰ درجه سلسیوس انجام می‌شود، به‌دلیل امکان کنترل دقیق پتانسیل نیتروژن، تشکیل لایه سفید ترد را به حداقل رسانده و نسبت به نیتراسیون گازی، مقاومت خستگی و یکنواختی ریزساختار بهتری در فولاد H10 ایجاد می‌کند. به همین دلیل، برای قالب‌های دایکست آلومینیوم از H10، یک لایه نیتراسیون نازک و چقرمه با حداقل لایه سفید، بهترین تعادل بین مقاومت به Soldering و جلوگیری از ترک‌های حرارتی محسوب می‌شود [9].

روش مهم بعدی، پوشش‌دهی به روش رسوب فیزیکی بخار (PVD) است که در آن لایه‌های سرامیکی نازک با ضخامت حدود ۲ تا ۵ میکرون روی سطح ابزار نشانده می‌شوند. فرایند PVD معمولاً در دمای ۴۰۰ تا ۵۰۰ درجه سلسیوس انجام می‌شود و از آنجا که فولاد H10 اغلب در دماهای بالاتر از ۵۵۰ درجه سلسیوس تمپر شده است، این عملیات باعث نرم‌شدن زیرلایه نمی‌شود. پوشش‌هایی مانند TiAlN / AlTiN و CrN برای H10 متداول هستند. پوشش‌های TiAlN به‌ویژه برای کاربردهای دمای بالا مناسب‌اند، زیرا در حین کار، یک لایه نازک آلومینا روی سطح آن‌ها تشکیل می‌شود که مقاومت اکسیداسیون را تا حدود ۸۰۰ درجه سلسیوس افزایش می‌دهد. پوشش CrN نیز به‌دلیل ضریب اصطکاک کمتر و چقرمگی بالاتر، در دایکست آلومینیوم بسیار مؤثر است و از چسبیدن مذاب آلومینیوم به سطح فولاد جلوگیری می‌کند [10, 11].

برای رفع مشکل معروف اثر پوسته تخم‌مرغی (Egg-shell effect)—یعنی شکست یک پوشش بسیار سخت روی زیرلایه نسبتاً نرم—در فولاد H10 اغلب از عملیات دوگانه (Duplex Treatment) استفاده می‌شود. در این روش، ابتدا نیتراسیون پلاسما انجام شده و یک لایه نفوذی با سختی حدود ۶۰ تا ۷۰ HRC و عمق ۱۰۰ تا ۲۰۰ میکرون ایجاد می‌شود، سپس پوشش PVD با سختی حدود ۳۰۰۰ HV روی آن نشانده می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که این ترکیب، ظرفیت تحمل بار و مقاومت به سایش چسبنده را نسبت به PVD تنها، به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد [12].

روش بوردهی (Boriding) یکی از شدیدترین عملیات‌های نفوذی سطحی است که در دماهای بالا، معمولاً ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سلسیوس انجام می‌شود. در این فرایند، اتم‌های بور در فولاد نفوذ کرده و فازهای FeB و FeB را تشکیل می‌دهند. فاز FeB با سختی بسیار بالا (حدود ۲۰۰۰ HV) اما بسیار ترد است، در حالی که Fe₂B سختی کمتری (حدود ۱۶۰۰ HV) و چقرمگی بالاتری دارد. برای فولاد H10، تشکیل یک لایه تک‌فازی Fe₂B با ضخامت حدود ۵۰ تا ۷۰ میکرون مطلوب است. به‌دلیل حضور عناصر آلیاژی مانند مولیبدن و کروم، سینتیک نفوذ بور در H10 کندتر از فولادهای ساده است و دستیابی به چنین لایه‌ای ممکن است ۴ تا ۸ ساعت در حدود ۹۰۰ درجه سلسیوس زمان ببرد. بوردهی بالاترین مقاومت سایشی را در میان روش‌های مهندسی سطح ایجاد می‌کند و سطح فولاد را تقریباً در برابر حمله و Soldering آلومینیوم مذاب نفوذناپذیر می‌سازد؛ با این حال، به‌دلیل دمای بالای فرایند (بالاتر از دمای آستنیته‌کردن)، نیاز به کوئنچ مجدد وجود دارد که خطر اعوجاج را افزایش می‌دهد. از این رو، این روش بیشتر برای قطعات ساده‌ای مانند پین‌ها یا نازل‌ها به‌کار می‌رود [13, 14].

در نهایت، روش‌هایی مانند کروم سخت و آلومینایزینگ غوطه‌وری گرم نیز سابقه استفاده برای فولاد H10 دارند. کروم سخت با سختی حدود ۹۰۰ HV سطحی کم‌اصطکاک و مقاوم به خوردگی ایجاد می‌کند، اما به‌دلیل مشکلات زیست‌محیطی (کروم شش‌ظرفیتی) و خطر تردی هیدروژنی، امروزه کاربرد آن محدود شده است. علاوه بر این، تحت سیکل‌های حرارتی، شبکه ترک‌های موسوم به mud-flat cracking در لایه کروم ایجاد می‌شود که می‌تواند به زیرلایه H10 نفوذ کرده و خستگی را تسریع کند. آلومینایزینگ غوطه‌وری گرم نیز با ایجاد یک لایه بین‌فلزی Fe–Al، مقاومت بسیار خوبی در برابر آلومینیوم مذاب فراهم می‌کند، اما این لایه ترد بوده و برای قالب‌های پیچیده انعطاف‌پذیری کمتری نسبت به نیتراسیون یا پوشش‌های PVD دارد.

دوام عملیاتی ابزارهای ساخته‌شده از فولاد DIN 1.2365 (AISI H10) معمولاً توسط سه مکانیزم اصلی خرابی کنترل می‌شود: خستگی حرارتی، خزش (تغییر شکل پلاستیک در دمای بالا) و فرسایش/سایش شیمیایی. در میان این موارد، خستگی حرارتی مهم‌ترین عامل شکست در کاربردهایی مانند دایکست است. این پدیده به‌صورت شبکه‌ای از ترک‌های ریز سطحی ظاهر می‌شود که ناشی از سیکل‌های مکرر گرم و سرد شدن است؛ به‌طوری که هنگام تماس فلز مذاب با سطح قالب، سطح تمایل به انبساط دارد اما توسط مغز خنک‌تر مقید می‌شود و تنش فشاری ایجاد می‌گردد. اگر این تنش از حد تسلیم در دمای کاری فراتر رود، سطح دچار تغییر شکل پلاستیک می‌شود و در مرحله سرد شدن، تنش‌های کششی معکوس ایجاد شده و ترک‌ها رشد می‌کنند. فولاد H10 به دلیل رسانایی حرارتی بالاتر نسبت به H13، گرما را سریع‌تر از سطح دفع کرده و دمای اوج سطح را کاهش می‌دهد؛ در نتیجه دامنه کرنش حرارتی کمتر شده و مطالعات مقایسه‌ای نشان می‌دهد که شروع ترک‌زایی در H10 تقریباً به دو برابر تعداد سیکل‌ها نسبت به DIN 1.2344 نیاز دارد [15].

در ابزارهایی مانند ماندریل‌های اکستروژن و قالب‌های فورج که تحت بارهای مکانیکی پیوسته در دماهای بالا کار می‌کنند، خزش و تغییر شکل پلاستیک تدریجی عامل اصلی پایان عمر ابزار است. این مکانیزم عمدتاً از طریق صعود نابجایی‌ها و لغزش مرزدانه‌ها رخ می‌دهد و به از دست رفتن تلرانس‌های ابعادی منجر می‌شود. ترکیب شیمیایی غنی از مولیبدن در فولاد 1.2365 باعث تشکیل کاربیدهای پایدار در دمای بالا می‌شود که حرکت نابجایی‌ها را مهار کرده و مقاومت به خزش را افزایش می‌دهد. در حدود 600 درجه سلسیوس، این فولاد می‌تواند استحکام گسیختگی خزشی در بازه 100 تا 150 مگاپاسکال برای عمر حدود 1000 ساعت حفظ کند که نسبت به فولاد H13 مقدار بالاتری است. همین ویژگی باعث می‌شود H10 در کمپین‌های طولانی اکستروژن یا فورج، پایداری ابعادی بهتری داشته باشد و دیرتر دچار کشیدگی یا کمانش شود.

در دایکست آلومینیوم، خوردگی و Soldering نیز نقش مهمی در کاهش عمر ابزار دارند. در این حالت، آلومینیوم مذاب با آهن موجود در فولاد واکنش داده و فازهای بین‌فلزی ترد تشکیل می‌دهد که به چسبیدن مذاب و فرسایش سطح منجر می‌شود. اگرچه شیمی پایه H10 با حدود 3 درصد کروم تا حدی مقاومت ایجاد می‌کند، اما این فولاد ضدزنگ نیست و اتکای اصلی برای مقابله با Soldering، استفاده از اکسیدهای پایدار سطحی و عملیات‌های مهندسی سطح مانند نیتراسیون و پوشش‌های PVD است که به‌عنوان سد نفوذی عمل می‌کنند. با این حال، به دلیل حفظ سختی در دمای بالا، فولاد 1.2365 نسبت به فولادهای نرم‌تر، کمتر دچار فرسایش شستگی (Washout) می‌شود. در مجموع، شناخت دقیق این مکانیزم‌های خرابی و تطبیق عملیات حرارتی و مهندسی سطح با آن‌ها، امکان پیش‌بینی عمر ابزار و بهینه‌سازی فرایند را فراهم کرده و دلیل برتری H10 در کاربردهای گرم کار سنگین را به‌خوبی توضیح می‌دهد.

مراجع

[1]     Tool steels (ISO 4957:2018), BS EN ISO 4957:2018, B. S. Institution, London, United Kingdom, 2018.

[2]     C. W. Wegst, Stahlschlüssel = Key to Steel, 16 ed. Marbach: Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH, 1992.

[3]     M. W. Wu, L. C. Tsao, G. J. Shu, and B. H. Lin, “The effects of alloying elements and microstructure on the impact toughness of powder metal steels,” Materials Science and Engineering: A, vol. 538, pp. 135–144, 2012.

[4]     L. B. Peral, I. Fernández-Pariente, C. Colombo, C. Rodríguez, and J. Belzunce, “The positive role of nanometric molybdenum–vanadium carbides in mitigating hydrogen embrittlement in structural steels,” Materials, vol. 14, no. 23, p. 7269, 2021.

[5]     A. Noorian, S. Kheirandish, and H. Saghafian, “Evaluation of the mechanical properties of niobium modified cast AISI H13 hot work tool steel,” Iranian Journal of Materials Science and Engineering, vol. 7, no. 2, pp. 22–29, 2010.

[6]     D. Taştemur and S. Gündüz, “The effect of heat treatment on dynamic strain aging behaviour of AISI H10 hot work tool steel,” Materials Research, vol. 21, no. 1, p. e20170564, 2017.

[7]     M. Tercelj, A. Smolej, T. Vecko-Pirtovsek, and R. Turk, “The microstructures and wear resistance of gas-nitrided and ionically nitrided AISI H10 dies with narrow gaps designed for the hot extrusion of aluminium,” JSME International Journal Series C Mechanical Systems, Machine Elements and Manufacturing, vol. 49, no. 1, pp. 121–127, 2006.

[8]     M. Tercelj, A. Smolej, T. Vecko-Pirtovsek, and R. Turk, “Varieties of gas and ionic nitrided microstructures in narrow gaps of AISI H10 dies for Al hot extrusion and their wear resistance (Ultra-precision machining),” 2005: The Japan Society of Mechanical Engineers, pp. 1057–1062.

[9]     S. Karimzadeh, F. Mahboubi, and G. Daviran, “Plasma Nitriding Behavior of DIN 1.2344 Hot Work Tool Steel,” Iranian Journal of Materials Science & Engineering, vol. 17, no. 4, 2020.

[10]   I. Kladarić, I. Samardžić, and S. Jakovljević, “The adhesiveness of the PVD coatings on heat treated structural steels,” Tehnički vjesnik, vol. 28, no. 2, pp. 410–415, 2021.

[11]   D. Isler, Y. Birol, and M. Urgen, “PVD coated hot work tool steels for tooling applications in semi-solid processing of steels,” ed: Springer, 2010.

[12]   J. C. A. Batista, A. Matthews, and C. Godoy, “Micro-abrasive wear of PVD duplex and single-layered coatings,” Surface and Coatings Technology, vol. 142, pp. 1137–1143, 2001.

[13]   N. Makuch, M. Kulka, M. Keddam, and A. Piasecki, “Growth kinetics, microstructure evolution, and some mechanical properties of boride layers produced on X165CrV12 tool steel,” Materials, vol. 16, no. 1, p. 26, 2022.

[14]   R. Kara, F. Çolak, and Y. Kayali, “Investigation of wear and adhesion behaviors of borided steels,” Transactions of the Indian Institute of Metals, vol. 69, no. 6, pp. 1169–1177, 2016.

[15]   M. Pellizzari, A. Molinari, D. Cescato, A. Ghidini, and S. Cantini, “Thermal fatigue properties of hot-work tool steels,” International Journal of Microstructure and Materials Properties, vol. 3, no. 2-3, pp. 363–372, 2008.