فولاد 1.2515

فولاد 1.2515 که در استاندارد DIN با نام 100WV4 شناخته می‌شود، یک فولاد ابزار سردکار آلیاژی پرکربن است که در استاندارد مرجع EN ISO 4957 طبقه‌بندی شده و در خانواده فولادهای تنگستن‌دار کم‌آلیاژ قرار می‌گیرد. این گرید از نظر جایگاه متالورژیکی، میان فولادهای کربنی ساده آب‌سخت‌شو (مانند 1.2002) و فولادهای پرکاربید پرکروم گران‌قیمت (مانند 1.2379) واقع شده است. هدف از طراحی سیستم آلیاژی W-V-Cr در این گرید، دستیابی به چگالی بالایی از کاربیدهای سخت برای مقاومت در برابر سایش خراشان (Abrasive Wear)، همراه با پایداری لبه برشی (Edge Retention) و ثبات ابعادی قابل قبول در فرآیند کوئنچ است. توسعه این گرید عمدتاً در ابزارسازی اروپا برای رفع نیاز به فولادی اقتصادی با مقاومت سایشی بالاتر از فولادهای O1 و قابلیت ماشین‌کاری بهتر از گریدهای پرکروم صورت گرفته است.

فولاد 1.2515 به‌صورت آنیل نرم عرضه شده و پس از اجرای چرخه مهندسی‌شده عملیات حرارتی شامل کوئنچ در روغن و تمپر در دمای پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. ریزساختار این فولاد پس از سخت‌کاری از یک ماتریس مارتنزیتی پرکربن تشکیل شده که در آن کاربیدهای ثانویه تنگستن‌دار به‌صورت یکنواخت پراکنده‌اند. ویژگی کلیدی این گرید، باقی‌ماندن بخش قابل توجهی از کاربیدهای تنگستن به‌صورت حل‌نشده در آستنیت است؛ این کاربیدها دو نقش همزمان ایفا می‌کنند: محدود کردن رشد دانه‌های آستنیت در حین آستنیته‌سازی و تامین مقاومت سایشی در حین کار. در چنین کاربردهایی، مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک لبه کافی نیست و ماده باید دارای ثبات ابعادی (Dimensional Stability) فوق‌العاده‌ای باشد تا دقت ابزار در حین سرویس‌دهی مختل نشود.

در صنعت جهانی فولاد، شناخت تطابق گریدها در استانداردهای مختلف اهمیت اساسی دارد. فولاد 1.2515 اگرچه شماره متریال مشخصی در سیستم DIN آلمان است، اما در واقع عضو خانواده‌ای از فولادهای ابزارسردکارحاوی تنگستن محسوب می‌شود که تحت استاندارد مرجع EN ISO 4957:2018 طبقه‌بندی شده است [1]. استاندارد قدیمی DIN 17350 که این گرید زیر آن شناخته می‌شد، در بسیاری از نقشه‌ها و مستندات صنعتی هنوز مورد ارجاع است. در سیستم آمریکایی AISI، نزدیک‌ترین معادل عملکردی این گرید، فولاد F2 است که در آن نیز تنگستن و وانادیوم نقش اصلی را ایفا می‌کنند، هرچند تطابق شیمیایی کامل نیست. در منابع صنعتی اروپایی نیز 105WCr6 به‌عنوان گریدی با رفتار مشابه ذکر می‌شود. بررسی این معادل‌ها نشان می‌دهد که اجماع جهانی بر سر کارایی سیستم تنگستن-وانادیوم-کروم برای کاربردهای سایشی سردکاروجود دارد [2].

جدول 1: ترکیب شیمیایی فولاد 2515

ترکیب شیمیایی فولاد 1.2515 با دقت بالایی کنترل می‌شود تا تعادل میان سخت‌پذیری، مقاومت سایشی و چقرمگی برقرار بماند. کربن با مقدار 0.95 تا 1.05 درصد، پایه اصلی سختی ماتریس مارتنزیتی را پس از کوئنچ تامین می‌کند و پتانسیل لازم برای تشکیل شبکه کاربیدی غنی را فراهم می‌سازد. تنگستن با تشکیل کاربیدهای سنگین نوع M6C و WC که سختی ذاتی بسیار بالایی دارند، مکانیزم اصلی مقاومت سایشی خراشان را فراهم می‌کند؛ این کاربیدها از حل شدن کامل در آستنیت در دماهای آستنیته‌سازی متداول جلوگیری کرده و به‌صورت ذرات سخت ریز در ماتریس باقی می‌مانند [2, 3]. وانادیوم با تشکیل کاربیدهای بسیار ظریف نوع MC (VC)، دو نقش همزمان ایفا می‌کند: مهار رشد دانه‌های آستنیت در حین آستنیته‌سازی که به ریزدانگی ساختار نهایی و افزایش چقرمگی منجر می‌شود، و ایجاد رسوبات پایدار در حین تمپر که از نرم‌شدن ماتریس جلوگیری می‌کند. کروم با افزایش عمق سخت‌پذیری، امکان رسیدن به سختی یکنواخت را در مقاطع مختلف فراهم کرده و پایداری حرارتی ساختار کاربیدی را بهبود می‌بخشد.

ریزساختار فولاد 1.2515 در حالت آنیل نرم (شرایط تحویل) شامل کاربیدهای کروی‌شده پراکنده در زمینه فریتی است که سختی را به زیر 230 برینل کاهش داده و ماشین‌کاری با ابزارهای کاربیدی متداول را ممکن می‌کند. پس از عملیات حرارتی کامل، ریزساختار از سه فاز اصلی تشکیل می‌شود: ماتریس مارتنزیتی تمپرشده که استحکام پایه و سختی کاری را تامین می‌کند؛ کاربیدهای آلیاژی حل‌نشده شامل کاربیدهای غنی از تنگستن (M6C) و در مقادیر کمتر کاربیدهای وانادیوم‌دار (MC) که به‌صورت ذرات ریز در ماتریس پراکنده‌اند و عامل اصلی مقاومت به سایش محسوب می‌شوند؛ و آستنیت باقیمانده (Retained Austenite) که مقدار آن با کنترل دقیق دما و زمان آستنیته‌سازی باید در حد پایین نگه داشته شود تا از ناپایداری ابعادی در سرویس جلوگیری گردد. تفاوت اساسی این فولاد با گرید مشابه 1.2510 در نسبت تنگستن به منگنز است؛ در 1.2515 تنگستن نقش غالب دارد که کاربیدهای سنگین‌تر و با سختی میکروسکوپی بالاتر تولید می‌کند [3].

جدول 2: خواص مکانیکی فولاد 2515 [1, 3, 4].

خواص مکانیکی فولاد 1.2515 مستقیماً به چرخه عملیات حرارتی و به‌ویژه دمای تمپر وابسته است. در حالت کوئنچ و تمپر پایین (150 تا 200 درجه سانتی‌گراد)، فولاد به سختی کاری پایدار در محدوده 61 تا 64 HRC دست می‌یابد که بالاترین مقاومت سایشی را تامین می‌کند. با افزایش دمای تمپر به 250 درجه، سختی اندکی کاهش می‌یابد اما چقرمگی بهبود پیدا می‌کند. مدول الاستیسیته این فولاد حدود 210 گیگاپاسکال و چگالی آن 7.85 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. پدیده سخت‌شوندگی ثانویه (Secondary Hardening) در این فولاد برخلاف فولادهای Mo-V-دار ضعیف است، بنابراین منحنی سختی-دمای تمپر کاملاً نزولی بوده و انتخاب دمای تمپر بالاتر به معنای پذیرش افت سختی است. آستنیت باقیمانده پس از کوئنچ معمولاً بین 5 تا 15 درصد حجمی است و در صورت نیاز به حداکثر ثبات ابعادی، انجام سرمادهی عمیق (Deep Cryogenic Treatment) پس از کوئنچ توصیه می‌شود [3, 4].

عملیات حرارتی فولاد 1.2515 مستلزم کنترل دقیق متغیرهای ترمودینامیکی در هر مرحله است. در مرحله آستنیته‌سازی، فولاد به دمای 780 تا 820 درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود تا بخشی از کاربیدهای آلیاژی در آستنیت حل شده و کروم و تنگستن را برای بهبود سخت‌پذیری آزاد کنند، اما کاربیدهای تنگستن سنگین‌تر (M6C) عمدتاً به‌صورت حل‌نشده باقی می‌مانند. زمان نگهداری بسته به ضخامت مقطع 15 تا 30 دقیقه توصیه می‌شود. دماهای بالاتر از 830 درجه سانتی‌گراد باعث رشد دانه آستنیت و کاهش چقرمگی نهایی می‌شود. محیط کوئنچ روغن است تا از ترک‌های حرارتی در مقاطع با تغییر سطح مقطع جلوگیری شود؛ برای قطعات بسیار کوچک، کوئنچ در حمام نمک مذاب نیز قابل استفاده است که اعوجاج را به حداقل می‌رساند. سختی پس از کوئنچ معمولاً به 63 تا 65 HRC می‌رسد و تمپر باید بلافاصله در دمای 150 تا 250 درجه سانتی‌گراد برای حداقل یک ساعت انجام شود تا خطر ترک تاخیری حذف گردد [4, 5].

مهندسی سطح نقش تکمیلی مهمی در بهینه‌سازی عملکرد قطعات فولاد 1.2515 دارد، به‌ویژه در کاربردهایی که با تماس لغزشی، سایش چسبنده یا محیط‌های خورنده سر و کار دارند. نیتراسیون پلاسمایی می‌تواند لایه‌ای با سختی 800 تا 950 HV ایجاد کند که مقاومت به سایش و خستگی سطحی را به‌طور همزمان بهبود می‌دهد. دمای فرآیند نیتراسیون باید زیر دمای تمپر نگه داشته شود تا از نرم‌شدن هسته جلوگیری شود؛ این محدودیت، نیتراسیون گازی در دمای 480 تا 520 درجه را برای فولادهایی که در 180 درجه تمپر شده‌اند توصیه‌پذیر نمی‌کند و باید از نیتراسیون پلاسمایی در دماهای پایین‌تر استفاده کرد [6]. پوشش‌های TiN و TiAlN با روش PVD برای کاهش ضریب اصطکاک و جلوگیری از سایش چسبنده در تماس با مواد فلزی به‌کار می‌روند [7]. سرمادهی عمیق (دمای 77 کلوین، 24 ساعت) نیز به‌عنوان عملیاتی مکمل پس از کوئنچ، با تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت، پایداری ابعادی و مقاومت سایشی را بهبود می‌بخشد؛ مطالعات نشان می‌دهد این فرآیند می‌تواند عمر سایشی ابزارهای فولاد سردکار را تا 30 درصد افزایش دهد [8].

از نظر رفتار تریبولوژیکی، مقاومت فولاد 1.2515 در برابر سایش خراشان به‌طور مستقیم از کسر حجمی و سختی کاربیدهای حل‌نشده ناشی می‌شود. در آزمون‌های سایش pin-on-disc، این فولاد نسبت به گریدهای مشابه بدون تنگستن (مانند 1.2067) نرخ سایش پایین‌تری نشان می‌دهد، در حالی که در مقایسه با فولادهای پرکاربید پرکروم (مانند 1.2379) مقاومت سایشی کمتر اما چقرمگی بهتری دارد [3]. مقاومت به خستگی خمشی این فولاد در حالت کوئنچ و تمپر حدود 800 تا 1000 مگاپاسکال است. از نظر مقاومت به خوردگی، فولاد 1.2515 به‌عنوان یک فولاد کم‌آلیاژ، در محیط‌های مرطوب به‌طور ذاتی مستعد خوردگی یکنواخت است و مقدار کروم آن برای ایجاد لایه پسیو پایدار کافی نیست؛ بنابراین حفاظت در حین انبارداری و استفاده از پوشش‌های محافظ ضروری است [5].

فولاد 1.2515 (100WV4) یک راهکار مهندسی متعادل برای کاربردهایی است که ترکیب سختی بالا، مقاومت سایشی خراشان و قابلیت ماشین‌کاری مطلوب در آن‌ها اهمیت دارد. مزایای اصلی این گرید شامل هزینه مناسب در مقایسه با فولادهای پرکروم، ثبات ابعادی خوب در کوئنچ روغنی، پاسخ مناسب به پوشش‌های سطحی PVD، و مقاومت سایشی قابل اطمینان در برابر مواد ساینده خشک است. کاربردهای غالب این فولاد شامل تیغه‌های برش چوب و ابزارهای نجاری سنگین، ابزارهای اندازه‌گیری دقیق (Gauges)، قالب‌های سنبه‌زنی و پانچ‌های سبک، و غلتک‌های کوچک و قطعات راهنما در خطوط نورد سرد است. با این حال، محدودیت‌هایی مانند چقرمگی متوسط در مقایسه با فولادهای Cr-Mo-V، مقاومت ذاتی پایین در برابر خوردگی آبی و نبود سخت‌شوندگی ثانویه چشمگیر باید در طراحی فرآیند تولید قطعه مدنظر قرار گیرد. انعطاف‌پذیری این فولاد در پذیرش پوشش‌های سطحی پیشرفته و عملیات سرمادهی عمیق، تضمین‌کننده تداوم استفاده از آن در نسل بعدی ابزارهای صنعتی خواهد بود.

رفتار فازی و سینتیک تحولات حرارتی فولاد 1.2515 بر اساس نمودارهای CCT و TTT مشخص شده است. دمای شروع آستنیت‌سازی (Ac1) در این فولاد حدود 740 تا 760 درجه سانتی‌گراد و دمای پایان آستنیت‌سازی (Ac3) حدود 800 تا 820 درجه سانتی‌گراد است. دمای شروع تشکیل مارتنزیت (Ms) در حدود 200 تا 220 درجه سانتی‌گراد قرار دارد که نسبتاً پایین‌تر از فولادهای کربنی ساده است؛ این امر به دلیل حل شدن بخشی از کروم و منگنز در آستنیت و پایین آوردن نقطه Ms است. پنجره آستنیته‌سازی این فولاد (780 تا 820 درجه) نسبتاً محدود است و از این نظر کنترل دما در کوره اهمیت بالایی دارد؛ آستنیته‌سازی زیر 780 درجه منجر به حل نشدن کافی کاربیدها و کاهش سختی‌پذیری می‌شود، در حالی که دمای بالاتر از 830 درجه رشد بیش از حد دانه‌های آستنیت را به دنبال دارد. مطالعات نشان می‌دهند که زمان نگهداری بهینه برای مقاطع تا 25 میلی‌متر، حدود 20 دقیقه پس از رسیدن کل مقطع به دمای هدف است و برای هر 25 میلی‌متر اضافی، 10 دقیقه به زمان نگهداری افزوده می‌شود [4, 9].

مقایسه تفصیلی فولاد 1.2515 با گریدهای رقیب در گروه فولادهای ابزارسرد کار، تصویر روشنی از موقعیت استراتژیک این فولاد در صنعت ابزارسازی ارائه می‌دهد. در مقایسه با فولاد 1.2842 (90MnCrV8) که گریدی پرمنگنز و فاقد تنگستن است، فولاد 1.2515 مقاومت سایشی خراشان بالاتری دارد زیرا کاربیدهای M6C غنی از تنگستن سختی ذاتی بیشتری نسبت به کاربیدهای منگنزدار دارند؛ با این حال 1.2842 در مقاطع بزرگ‌تر ثبات ابعادی بهتری در کوئنچ نشان می‌دهد. در مقایسه با فولاد 1.2067 (102Cr6) که رایج‌ترین فولاد یاتاقانی-ابزاری است، گرید 1.2515 به دلیل حضور تنگستن مقاومت سایشی بالاتری دارد اما هزینه بیشتری نیز دارد. در مقایسه با گرید 1.2379 (X153CrMoV12) که پرکاربیدترین فولاد سردکار متداول است، فولاد 1.2515 چقرمگی بهتر و ماشین‌کاری آسان‌تری دارد اما مقاومت سایشی کمتری ارائه می‌کند. این تحلیل مقایسه‌ای نشان می‌دهد که 1.2515 برای کاربردهایی که به ترکیب متعادل مقاومت سایشی، چقرمگی و قابلیت تولید نیاز دارند، انتخاب بهینه‌تری نسبت به هر کدام از این گریدها به تنهایی است [3, 5, 9].

جوشکاری فولاد 1.2515 به دلیل مقدار کربن معادل بالا (CE حدود 1.1 تا 1.3) نیازمند احتیاط و رعایت پروتکل‌های دقیق است. پیش‌گرم در دمای 200 تا 350 درجه سانتی‌گراد قبل از جوشکاری الزامی است تا از تشکیل مارتنزیت ترد در منطقه متاثر از حرارت (HAZ) جلوگیری شود. برای تعمیر ابزارهای فرسوده، از الکترود یا سیم جوش آلیاژی با ترکیب مشابه یا کمی کمتر از گرید پایه استفاده می‌شود. پس از جوشکاری، عملیات تنش‌زدایی در دمای 530 تا 560 درجه سانتی‌گراد (زیر دمای تمپر اصلی) ضروری است تا تنش‌های پسماند ناشی از انقباض جوش کاهش یابد. جوشکاری لیزری به دلیل ناحیه HAZ بسیار محدودتر و ورودی حرارتی پایین‌تر، در سال‌های اخیر به‌عنوان روشی مناسب برای تعمیر قطعات دقیق از این فولاد مطرح شده است؛ این روش امکان بازسازی لبه‌های فرسوده را بدون نیاز به عملیات حرارتی مجدد کامل فراهم می‌کند [9, 10].

ماشین‌کاری فولاد 1.2515 در حالت آنیل نرم با ابزارهای کاربید تنگستن امکان‌پذیر است، اما به دلیل حضور کاربیدهای سخت در ریزساختار، سایش ابزار نسبت به فولادهای ابزار ساده بیشتر است. سرعت برشی توصیه‌شده در عملیات تراشکاری معمولاً 80 تا 120 متر بر دقیقه با خنک‌کاری مناسب است. در عملیات سنگ‌زنی پس از سخت‌کاری، کنترل دقیق دمای سطح ضروری است تا از بروز پدیده سوختن سطحی (Grinding Burn) که باعث ایجاد مارتنزیت تمپر نشده در سطح می‌شود، جلوگیری گردد. چرخ سنگ‌های از نوع CBN (نیترید بور مکعبی) برای سنگ‌زنی این فولاد در مقاطع پیچیده توصیه می‌شوند زیرا دمای کمتری ایجاد کرده و دقت ابعادی بهتری به دست می‌دهند. پرداخت نهایی (Lapping و Polishing) با دقت به زیر Ra 0.1 میکرومتر برای ابزارهای اندازه‌گیری از این فولاد قابل دستیابی است [5, 10].

کنترل کیفیت قطعات ساخته‌شده از فولاد 1.2515 شامل مجموعه‌ای از آزمون‌های غیرمخرب و مخرب است. سختی‌سنجی راکول C بر سطح نمونه‌های نماینده، اولین و اساسی‌ترین آزمون پس از عملیات حرارتی است که باید توزیع یکنواختی در محدوده هدف نشان دهد. بررسی ریزساختار با میکروسکوپ نوری پس از اچ با محلول Nital (2 تا 4 درصد اسید نیتریک در اتانول) توزیع کاربیدها، اندازه دانه و عدم وجود فازهای نامطلوب مانند مارتنزیت تمپر نشده را تایید می‌کند. آزمون‌های فراصوتی (UT) برای تشخیص ترک‌های داخلی در مقاطع ضخیم‌تر کاربرد دارند. اندازه‌گیری ثبات ابعادی پس از سخت‌کاری و مقایسه آن با ابعاد قبل از عملیات حرارتی، به‌ویژه برای ابزارهای اندازه‌گیری دقیق از اهمیت بالایی برخوردار است. در برخی کاربردهای حساس، اندازه‌گیری میزان آستنیت باقیمانده با روش پراش اشعه X (XRD) برای تضمین ثبات ابعادی بلندمدت انجام می‌شود؛ مقدار قابل قبول آستنیت باقیمانده برای اکثر کاربردها زیر 5 درصد حجمی است [4, 8, 10].

جدول 3: مقایسه فولاد 2515 با گریدهای رقیب اصلی [3, 5, 9].

انبارداری و آماده‌سازی فولاد 1.2515 پیش از فرآیند تولید نیازمند رعایت نکاتی است که بر کیفیت نهایی قطعه تاثیر مستقیم دارد. این فولاد در حالت آنیل شده (شرایط تحویل) باید در محیط خشک و دور از رطوبت نگهداری شود زیرا لایه اکسیدی محافظ نازکی که روی سطح فولادهای مقاوم به خوردگی وجود دارد، در این گرید غایب است. قبل از عملیات حرارتی، قطعات باید از گریس، روغن ماشین‌کاری و هرگونه آلودگی سطحی پاکسازی کامل شوند تا از کربن‌دهی یا کربن‌زدایی موضعی سطح در کوره جلوگیری گردد. استفاده از اتمسفر محافظ (گاز نیتروژن یا آرگون) در کوره عملیات حرارتی، یا بسته‌بندی قطعات در ورق فولادی ضدزنگ، از اکسیداسیون و کربن‌زدایی سطحی جلوگیری می‌کند. این موضوع به‌ویژه برای ابزارهای دقیق که پس از عملیات حرارتی تنها عملیات سنگ‌زنی سبکی انجام می‌شود، اهمیت حیاتی دارد [5].

مراجع

[1] Tool steels (ISO 4957:2018), BS EN ISO 4957:2018, British Standards Institution, London, 2018.

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

[3] L. Tóth, B. Verő, G. Varga, and J. Dobránszky, “Comparison of the properties of cold work tool steels,” Archives of Metallurgy and Materials, vol. 69, no. 1, 2024.

[4] L. Tóth, “Effect of heat treatment on the properties of tool steel,” ACTA MATERIALIA TRANSYLVANICA, vol. 6, no. 2, pp. 87-92, 2023.

[5] ASM Handbook, Volume 4: Heat Treating. Materials Park, OH: ASM International, 2013.

[6] M. Steinbacher and S. Hoja, “Optimization of pre-heat treatment for nitriding,” Materials, vol. 14, no. 24, p. 7766, 2021.

[7] S. Yaqoob, J. A. Ghani, N. Jouini, and A. Z. Juri, “Performance evaluation of PVD and CVD multilayer-coated tools in machining high-strength steel,” Coatings, vol. 14, no. 7, p. 865, 2024.

[8] M. A. Essam et al., “Effect of deep cryogenic treatment on wear behavior of cold work tool steel,” Metals, vol. 13, no. 4, p. 712, 2023.

[9] G. Roberts, G. Krauss, and R. Kennedy, Tool Steels, 5th ed. Materials Park, OH: ASM International, 1998.

[10] D. Bombač, M. Fazarinc, G. Kugler, and P. Fajfar, “Study of carbide dissolution and austenite grain growth during annealing of ledeburitic tool steels,” Journal of Mining and Metallurgy, vol. 47, no. 2, pp. 219-227, 2011.