فولاد 3505

فولاد 3505 یک فولاد پرکربن کم‌آلیاژ حاوی کروم است که در استاندارد DIN با نام 100Cr6 و در استاندارد AISI با نام 52100 شناخته می‌شود و به‌طور تخصصی برای تولید یاتاقان‌های غلتشی تحت تنش بالا و قطعات دقیق ماشین‌آلات مهندسی شده است. این فولاد به دلیل قابلیت سخت‌کاری عالی، دستیابی به سختی یکنواخت و عمیق، و مقاومت خستگی بسیار بالا تحت بارگذاری سیکلی، به‌عنوان مرجع اصلی متالورژی فولادهای بیرینگ در سطح جهان مطرح است. ویژگی ریزساختاری شاخص آن، توانایی ایجاد توزیع ریز و همگن کاربیدهای پیچیده آهن–کروم در زمینه‌ای مارتنزیتی یا بینیتی پس از عملیات حرارتی مناسب است که منجر به مقاومت سایشی بالا، استحکام فشاری قابل توجه و پایداری ابعادی کنترل‌شده می‌شود؛ خصوصیاتی که برای کاربردهایی نظیر یاتاقان‌های صنایع هوافضا، گیربکس‌های خودرویی و تجهیزات سنگین صنعتی الزامی هستند. با وجود خواص مکانیکی ممتاز، این فولاد به علت درصد بالای کربن، در برابر خوردگی مقاومت ذاتی محدودی داشته و جوش‌پذیری پایینی دارد، ازاین‌رو برای استفاده در محیط‌های خورنده یا شرایط تخریب چندعاملی، اغلب به بهینه‌سازی‌های مهندسی سطح مانند فرایندهای نفوذی ترموشیمیایی یا پوشش‌دهی به روش‌های رسوب فیزیکی بخار نیاز پیدا می‌کند.

استانداردسازی جهانی فولادهای بیرینگ تضمین می‌کند که کیفیت متالورژیکی، میزان آخال‌های غیرفلزی و قابلیت اطمینان مکانیکی در صنایع مختلف بین‌المللی به‌صورت یکنواخت حفظ شود، و گرید 1.3505 به‌طور دقیق در استانداردهای متعددی تعریف و طبقه‌بندی شده است که نشان‌دهنده کاربرد گسترده آن در چارچوب‌های مهندسی جهانی است. مهم‌ترین استانداردهای حاکم بر مشخصات شیمیایی، تولید و کنترل کیفیت این فولاد پرکربن کروم‌دار شامل ISO 683-17 در سطح بین‌المللی، ASTM A295 در ایالات متحده، DIN 17230 در آلمان و JIS G4805 در ژاپن هستند که همگی حدود بسیار سخت‌گیرانه‌ای برای ترکیب شیمیایی، به‌ویژه میزان آخال‌های غیرفلزی و عناصر جزئی، تعیین می‌کنند؛ عواملی که نقش تعیین‌کننده‌ای در بیشینه‌سازی عمر خستگی دارند. معادل‌های بین‌المللی این گرید شامل 100Cr6 در اروپا، 52100 یا L3 در آمریکا، SUJ2 در ژاپن، EN31 در بریتانیا، GCr15 در چین و 100C6 در فرانسه است که همگی بر پایه ترکیب شیمیایی نزدیک به هم اما با تفاوت‌های جزئی در حدود مجاز عناصری مانند گوگرد، فسفر و سیلیسیم تعریف شده‌اند. در چارچوب ISO 683-17، واریانت‌هایی نظیر 803Q با پاکیزگی داخلی بالاتر و خواص ایزوتروپیک بهبود‌یافته برای افزایش استحکام خستگی، و 803D با گوگرد بالاتر جهت بهبود ماشین‌کاری (به بهای کاهش استحکام خستگی عرضی) توسعه یافته‌اند که به مهندسان اجازه می‌دهد متناسب با محدودیت‌های تولید، ماده اولیه را انتخاب کنند بدون آن‌که از محدوده عملکردی تثبیت‌شده گرید 100Cr6 فاصله بگیرند.

• ترکیب شیمیایی فولاد 3505 [1].

ترکیب شیمیایی فولاد 1.3505 اساس توانایی‌های مکانیکی برجسته آن را تشکیل می‌دهد و توازن دقیق میان عناصر آلیاژی، رفتار آن در عملیات حرارتی، ریزساختار نهایی و عملکردش تحت بارهای شدید تریبولوژیکی را تعیین می‌کند؛ به همین دلیل استانداردهایی مانند ISO 683-17 و ASTM A295 حدود مجاز عناصر را با سخت‌گیری بالا کنترل می‌کنند تا پاسخ سخت‌کاری و عمر خستگی به‌صورت تکرارپذیر تضمین شود. کربن عنصر اصلی سخت‌کننده است و این فولاد را در رده هایپریوتکتوئید قرار می‌دهد؛ در مرحله آستنیته‌کردن بخشی از کربن در زمینه آستنیت حل شده و در کوئنچ سریع در شبکه مارتنزیت به دام می‌افتد و با ایجاد اعوجاج شبکه‌ای شدید، سختی بسیار بالا ایجاد می‌کند، در حالی‌که کربن حل‌نشده با آهن و کروم کاربیدهای اولیه و ثانویه تشکیل می‌دهد که به‌صورت کروی در زمینه توزیع شده و نقش کلیدی در مقاومت سایشی و جلوگیری از رشد دانه دارند. کروم به‌طور هم‌زمان سخت‌پذیری را افزایش می‌دهد و کاربیدهای پایدار و سخت‌تری نسبت به سمنتیت ساده آهن ایجاد می‌کند؛ این امر امکان دستیابی به ساختار مارتنزیتی یا بینیتی یکنواخت حتی در مقاطع نسبتاً ضخیم با محیط‌های سردکننده ملایم‌تر را فراهم کرده، اعوجاج و خطر ترک را کاهش می‌دهد و دوام سایشی را افزایش می‌دهد، هرچند میزان آن برای ایجاد خاصیت زنگ‌نزن کافی نیست. منگنز عمدتاً به‌عنوان اکسیژن‌زدا عمل کرده و با تشکیل سولفیدهای منگنز از اثرات مخرب گوگرد می‌کاهد و هم‌زمان از طریق استحکام‌بخشی محلول جامد و کاهش دمای شروع مارتنزیت، بر مقدار آستنیت باقیمانده اثر می‌گذارد. سیلیسیم نیز اکسیژن‌زداست و با حل شدن در فریت موجب افزایش تنش تسلیم می‌شود، هرچند کنترل آن می‌تواند برای بهبود شکل‌دهی سرد تنظیم شود. فسفر و گوگرد عموماً ناخالصی‌های مضر محسوب می‌شوند زیرا با جدایش در مرزدانه‌ها باعث تردی بازپختی و کاهش چقرمگی ضربه‌ای می‌شوند و آخال‌های کشیده سولفیدی می‌توانند به‌عنوان تمرکز تنش، جوانه‌زنی ترک‌های خستگی زیرسطحی را تسهیل کنند؛ ازاین‌رو در گریدهای ممتاز، میزان این عناصر و همچنین اکسیژن به‌شدت محدود می‌شود تا آخال‌های اکسیدی و سولفیدی به حداقل برسد، اگرچه در برخی کاربردهای غیرحساس به خستگی، افزایش کنترل‌شده گوگرد برای بهبود ماشین‌کاری و کاهش سایش ابزار به‌طور هدفمند مورد استفاده قرار می‌گیرد.

خواص مکانیکی و فیزیکی فولاد 1.3505 به‌شدت تابع سابقه ترمومکانیکی و وضعیت نهایی عملیات حرارتی آن است؛ این آلیاژ معمولاً از سوی فولادسازان در حالت آنیل کروی‌شده تحویل داده می‌شود تا ماشین‌کاری و شکل‌دهی سرد با سهولت انجام گیرد و سپس توسط مصرف‌کننده نهایی تحت عملیات کوئنچ و تمپر قرار می‌گیرد تا به پارامترهای عملکردی موردنیاز برای یاتاقان برسد، و این ویژگی‌ها در استانداردهایی نظیر ISO 683-17 به‌صورت دقیق مستندسازی شده‌اند. در وضعیت آنیل کروی‌شده، ریزساختار شامل زمینه فریتی نرم با کاربیدهای کروی و یکنواخت است که سختی را به حداقل و شکل‌پذیری را به حداکثر می‌رساند؛ در این حالت استحکام تسلیم در سطح متوسط، استحکام کششی حدوداً در محدوده فولادهای ساختمانی متوسط، ازدیاد طول بالا و سختی پایین (در مقیاس برینل) مشاهده می‌شود که همگی برای ماشین‌کاری حجیم و جلوگیری از سایش شدید ابزار مطلوب‌اند. پس از شکل‌دهی، قطعات در حالت کوئنچ و تمپر به ریزساختار مارتنزیتی یا بینیتی پایینی تبدیل می‌شوند: ساختار مارتنزیتی بیشینه سختی (در بازه بالای مقیاس راکول C) و استحکام کششی بسیار بالا را فراهم می‌کند اما ازدیاد طول و چقرمگی ضربه‌ای آن محدود است، در حالی‌که ساختار بینیتی با اندکی کاهش سختی نهایی، استحکام تسلیم بالاتر و ازدیاد طول به‌مراتب بیشتر ایجاد می‌کند و در کاربردهای دارای ضربه و شوک شدید مانند یاتاقان‌های ریلی و صنعتی سنگین ترجیح داده می‌شود تا از شکست ترد جلوگیری شود. از نظر خواص فیزیکی، چگالی این فولاد در محدوده معمول فولادهای آلیاژی، مدول یانگ در حدود دویست گیگاپاسکال، مدول برشی نزدیک به هشتاد گیگاپاسکال و ضریب پواسون حدود 0.3 است؛ هدایت حرارتی متوسط، ظرفیت گرمایی ویژه در بازه دمایی کاری معمول و ضریب انبساط حرارتی کنترل‌شده آن برای طراحی مجموعه‌های یاتاقانی با تلرانس‌های دقیق اهمیت حیاتی دارد، زیرا هم بر محاسبات بار دینامیکی و هم بر دفع حرارت از ناحیه تماس اصطکاکی اثر می‌گذارد و از تخریب حرارتی روانکار در سرعت‌های بالا جلوگیری می‌کند.

برای دستیابی به سختی مارتنزیتی در فولاد 1.3505، پس از آنیل کروی‌سازی، قطعه در بازه دمایی 830 تا 870 درجه سانتی‌گراد آستنیته می‌شود و بسته به ضخامت مقطع، به مدت 10 تا 60 دقیقه در این دما نگه‌داری می‌گردد تا فریت کاملاً به آستنیت تبدیل شده و بخشی از کاربیدهای کروی در زمینه حل شوند و آستنیت را از کربن و کروم غنی کنند. کنترل دقیق این بازه دمایی حیاتی است، زیرا افزایش بیش از حد دما موجب انحلال بیش‌ازاندازه کاربیدهای اولیه، کاهش محسوس دمای شروع مارتنزیت (Ms)، افزایش آستنیت باقیمانده نرم و رشد دانه‌های درشت می‌شود که در نهایت پایداری ابعادی و سختی را کاهش می‌دهد. پس از آستنیته‌کردن، کوئنچ سریع—تقریباً همیشه در روغن هم‌زده—انجام می‌شود تا نرخ سردشدن از سرعت بحرانی عبور کرده و از تشکیل پرلیت یا بینیت جلوگیری شود و ساختار به مارتنزیت تتراگونال مرکزپر سخت تبدیل گردد. ساختار کوئنچ‌شده بسیار ترد و مملو از تنش‌های پسماند است، بنابراین تمپر باید حداکثر ظرف 2 ساعت پس از کوئنچ و معمولاً در بازه 160 تا 200 درجه سانتی‌گراد انجام شود؛ در این مرحله کاربیدهای انتقالی (مانند اپسیلون) رسوب کرده، سختی نهایی در محدوده 61 تا 65 راکول C (HRC) تثبیت می‌شود و هم‌زمان چقرمگی شکست افزایش یافته و تنش‌های پسماند خطرناک آزاد می‌گردد، بدون آن‌که مقاومت سایشی به‌طور جدی کاهش یابد.

به‌عنوان جایگزین سخت‌کاری مارتنزیتی، فرایند آستمپرینگ برای تولید ریزساختار بینیتی پایین به‌کار می‌رود؛ در این چرخه، قطعه ابتدا در دمای 850 تا 875 درجه سانتی‌گراد آستنیته شده و سپس به‌سرعت به حمام نمک مذاب با دمای کنترل‌شده 220 تا 250 درجه سانتی‌گراد منتقل می‌شود. نگه‌داری هم‌دما در این حمام به مدت تقریبی 3 تا 7 ساعت انجام می‌گیرد؛ این دما بالاتر از دمای شروع مارتنزیت و پایین‌تر از ناحیه بینی منحنی CCT است، بنابراین آستنیت به‌صورت هم‌دما به فریت سوزنی ظریف به‌همراه ذرات بسیار ریز سمنتیت تبدیل می‌شود. سختی نهایی این ساختار معمولاً در حدود 59 HRC قرار می‌گیرد، اما در مقابل، استحکام تسلیم می‌تواند به حدود 2000 مگاپاسکال برسد و ازدیاد طول تا حدود 7 درصد افزایش یابد؛ همچنین به‌دلیل حذف تقریباً کامل آستنیت باقیمانده، پایداری ابعادی بهبود یافته و این مسیر حرارتی برای قطعاتی که تحت بارهای ضربه‌ای و شوک شدید کار می‌کنند، گزینه‌ای بسیار مناسب محسوب می‌شود.

مهندسی سطح در فولاد 1.3505 مرحله‌ای تعیین‌کننده پس از دستیابی به خواص حجمی است، زیرا سطح قطعه مستقیماً با تنش‌های تماسی هرتزی بسیار بالا، سایش چسبنده، اکسیداسیون و خستگی تماسی غلتشی درگیر است و به دلیل مقاومت خوردگی ذاتی پایین این فولاد، بهینه‌سازی سطحی یک ضرورت صنعتی محسوب می‌شود. در فرایندهای ترموشیمیایی نفوذی مانند بوردهی، در دمای حدود 850 درجه سانتی‌گراد و به مدت تقریباً 1 ساعت، اتم‌های بور در شبکه آهن نفوذ کرده و لایه بین‌فلزی چندفازی شامل Fe₂B و FeB با ساختار سوزنی‌ـ‌دندانه‌ای ایجاد می‌کنند که تا عمق متوسط 31 ± 2.8 میکرومتر رشد می‌کند؛ این لایه با ایجاد تنش‌های پسماند فشاری و درگیری مکانیکی قوی با زیرلایه، مقاومت سایشی را حدود 29 درصد افزایش داده، ضریب اصطکاک خشک را بین 15 تا 30 درصد کاهش می‌دهد و مقاومت به سایش کلی را 8 تا 10 برابر بهبود می‌بخشد، ضمن آن‌که استحکام کششی نهایی پس از کوئنچ و تمپر پسابوردهی می‌تواند تا 1779 مگاپاسکال (افزایش حدود 59 درصد) برسد. نیتراسیون پلاسما در دمای 400 تا 450 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود تا بدون افت سختی مغز قطعه، نیتروژن در شبکه نفوذ کرده و نیتریدهای آلیاژی بسیار سخت مانند CrN و لایه ترکیبی شامل ε-Fe_2-3N و γ′-Fe₄N تشکیل دهد که سختی موضعی و تنش فشاری سطحی را به‌طور چشمگیر افزایش داده و عمر خستگی غلتشی را ارتقا می‌دهد. در پوشش‌های PVD و CVD، لایه‌های سرامیکی بسیار نازک با ضخامت 1 تا 3 میکرومتر نظیر TiN، TiCN و TiAlN با سختی بیش از 3300 ویکرز (HV) رسوب داده می‌شوند؛ پیش‌نیتراسیون یونی با ایجاد ناحیه γ′-Fe₄N چسبندگی را افزایش می‌دهد. پوشش‌های چندلایه مانند ZrN/ZrCN نیز با افزایش تعداد لایه‌ها، سختی را بالا برده و ضریب اصطکاک را کاهش می‌دهند. در حوزه DLC، سختی پوشش W-DLC حدود 12.5 ± 1.6 گیگاپاسکال و مدول آن 160 ± 8.1 گیگاپاسکال است که به مدول زیرلایه (210 گیگاپاسکال) نزدیک بوده و از ترک‌خوردگی جلوگیری می‌کند؛ ضریب اصطکاک DLC معمولی در شرایط خشک 0.137 و برای W-DLC حدود 0.187 است (در مقایسه با فولاد بدون پوشش حدود 0.5) و در محیط خورنده محلول 3.5 درصد NaCl، W-DLC ضریب اصطکاک را تا 0.105 کاهش می‌دهد. اصلاح لیزری با توان حدود 200 وات و سرعت اسکن 300 میلی‌متر بر ثانیه موجب ذوب سطحی و کوئنچ آنی شده، زبری را کاهش و لایه مارتنزیتی سخت موضعی ایجاد می‌کند، در حالی‌که بافت‌دهی مکانیکی می‌تواند ضریب اصطکاک را 45 تا 65 درصد کاهش دهد. در اشباع نانوذرات نیترید بور، عملیات خلأ در 1200 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ساعت سختی سطح را از 321 HV₀.₁ به 766 HV₀.₁ افزایش داده، نیروی اصطکاک را 1.4 برابر کاهش و مقاومت سایشی را 1.6 برابر بهبود می‌دهد؛ پوشش‌های تبدیلی مانند اکسید سیاه، فسفات منگنز و روی و نیز آبکاری‌هایی نظیر Zn، ZnNi و Sn برای حفاظت خوردگی پایه به‌کار می‌روند، و روانکارهای جامد مانند MoS₂ و WS₂ در محیط‌های دمای بالا یا خلأ عمر قطعه را تا یک مرتبه بزرگی افزایش می‌دهند [2].

از دیدگاه خستگی، فولاد 1.3505 عمدتاً در معرض خستگی تماسی غلتشی (RCF) قرار دارد که تنش برشی بیشینه را در زیرسطح ایجاد می‌کند. در آزمون خمش دورانی با فرکانس 50 هرتز، نسبت تنش R = −1 و دمای 20 درجه سانتی‌گراد، منحنی وهلر رفتار «دوگانه» نشان می‌دهد؛ در بازه 1.5 × 10³ تا 4.3 × 10⁴ سیکل شکست از سطح آغاز می‌شود، در حالی‌که در ناحیه فرکانس بسیار بالا با عمر 1.0 × 10⁷ تا 1.0 × 10⁸ سیکل، جوانه‌زنی ترک به‌طور کامل در زیرسطح و در عمق کمتر از 156 میکرومتر رخ می‌دهد. منشأ این ترک‌ها آخال‌های سختی نظیر TiN و Al₂O₃ با اندازه تقریبی 7 تا 17 میکرومتر هستند که به دلیل اختلاف ضریب انبساط و تمرکز تنش، منجر به ایجاد الگوی شکست «چشم‌ماهی» می‌شوند. حضور آستنیت باقیمانده در حدود 6.35 ± 0.95 درصد وزنی اثر مثبت دارد، زیرا در نوک ترک به مارتنزیت تبدیل شده و با جذب انرژی کرنش، سرعت رشد ترک زیرسطحی را به‌طور محسوسی کاهش می‌دهد [3-11].

اگرچه فولاد ۱.۳۵۰۵ (معروف به 100Cr6 / AISI 52100) به‌عنوان یک سوپرآلیاژ دمای بالا طبقه‌بندی نمی‌شود، کاربرد گسترده آن در شفت‌های توربین‌های هوایی، قطعات داغ موتورهای گازی و گیربکس‌های صنعتی با بار و اصطکاک شدید، نیازمند درک دقیق رفتارهای کرنش خزشی و تریبولوژیکی این فولاد در دماهای بالا است. در این فولاد پرکربن، خزش به تغییر شکل پلاستیک وابسته به زمان و فعال‌شده با حرارت گفته می‌شود که در تنش‌هایی بسیار کمتر از حد تسلیم ماکروسکوپی رخ می‌دهد. این پدیده عمدتاً ناشی از لغزش ناپیوستگی‌های کنترل‌شده توسط نفوذ در شبکه بلوری است و نه تسلیم ساختاری وسیع. در دماهای عملیاتی بالا، انرژی حرارتی محیطی باعث صعود ناپیوستگی‌ها از موانع ریزساختاری مانند کربیدهای ترانزیشن می‌شود و به آرامی تنش‌های داخلی را کاهش داده و موجب تغییر شکل دائمی و قابل مشاهده در ابعاد عناصر یاتاقان می‌گردد. رفتار کرنش و تنش جریان تحت بارگذاری گذرا با دقت بالا قابل پیش‌بینی است و معمولاً با معادله سینوس هذلولی Garofalo مدل‌سازی می‌شود که وابستگی نرخ کرنش به تنش اعمالی و انرژی فعال‌سازی حرارتی را به‌طور دقیق نشان می‌دهد و به مهندسان اجازه می‌دهد طول عمر تغییر شکل در دماهای بالا را برآورده کنند.

برای بهبود پایداری در دمای بالا و مقاومت خزشی فولاد 100Cr6، اصلاحات متالورژیکی پیشرفته مانند ریزآلیاژسازی با نیوبیم (Nb) به‌طور فعال بررسی و اعمال می‌شوند. افزودن مقادیر بسیار کم Nb (بین ۰.۰۱۸٪ تا ۰.۰۴٪) اندازه دانه‌های آستنیت قبلی را در طی عملیات حرارتی به‌طور قابل توجهی ریز می‌کند و باعث رسوب کربونیتریدهای نیوبیم بسیار ریز و پایدار [Nb(C,N)] می‌گردد. این نانو رسوبات با مکانیزم Zener drag مرزهای دانه را مهار کرده و لغزش مرز دانه که یکی از مهم‌ترین مکانیزم‌های تخریب خزشی در دمای بالا است را به شدت کاهش می‌دهند. علاوه بر این، در شرایط لغزش خشک دمای بالا (مثلاً از ۵۰ درجه سانتی‌گراد تا محدوده‌های حرارتی که روانکارها از کار می‌افتند)، این ریزآلیاژسازی سختی زیرلایه را افزایش داده و حجم سایش کلی را تا ۳۱.۸٪ کاهش می‌دهد، که باعث بهبود مقاومت تریبولوژیکی و یکپارچگی ساختاری فولاد در دماهای بالا می‌گردد [12, 13].

با وجود محتوای کروم nominal حدود ۱.۵٪، فولاد ۱.۳۵۰۵ کاملاً ضدزنگ نیست و در معرض خوردگی سریع اکسیداتیو و الکتروشیمیایی قرار دارد، به‌ویژه در محیط‌های مرطوب، روغن‌های اسیدی یا محلول‌های غنی از هالیدها. حتی در انبارش طولانی‌مدت، ترکیبات گوگرد موجود در گریس‌های محافظ می‌توانند به H₂S تبدیل شوند و حملات شدید نقطه‌ای (pitting) ایجاد کنند. این آسیب‌پذیری الکتروشیمیایی با استفاده از سنجش امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) و پتانسیودینامیک در محیط‌های شبیه‌سازی‌شده آب شور ۳.۵٪ NaCl به‌طور کامل اندازه‌گیری شده است. فولاد بدون پوشش در این شرایط به‌سرعت به عنوان آند فعال عمل کرده و نرخ خوردگی آن به ۲۶.۶ میکرومتر در سال می‌رسد. برای مقابله با این تخریب شدید، استفاده از پوشش‌های پیشرفته سطحی مانند کربن شبه الماس تنگستن-دار (W-DLC) الزامی است. این پوشش‌ها پتانسیل خوردگی را به حدود −۱۷۲±۴ میلی‌ولت تغییر داده و جریان خوردگی را به ۰.۱۱±۰.۰۲ میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع کاهش می‌دهند، که نرخ خوردگی را به ۴.۷ میکرومتر در سال می‌رساند و مانع نفوذ یون‌های کلراید می‌گردد.

در زمینه مقاومت سایش و خواص تریبولوژیکی، وظیفه اصلی فولاد ۱.۳۵۰۵ تحمل فشارهای تماس چرخشی شدید بدون سایش یا از دست رفتن ابعاد است. در حالت مارتنزیتی سخت‌شده‌ی کامل (۶۱–۶۵ HRC)، توزیع یکنواخت کربیدهای اولیه سخت در ماتریس پرقدرت، مقاومت خوبی در برابر سایش ایجاد می‌کند. در شرایط روانکاری الاستوهیدرودینامیکی ایده‌آل، یک لایه نازک سیال فشار بالا مانع تماس فلز با فلز می‌شود، اما در رژیم‌های روانکاری مرزی، شروع و توقف مکرر یا لغزش خشک دمای بالا، این فیلم سیال فروپاشیده و تماس مستقیم ناهمواری‌ها رخ می‌دهد. تحت شرایط خشک، ضریب اصطکاک فولاد بدون پوشش حدود ۰.۵ است که باعث ایجاد حرارت شدید موضعی و سایش چسبنده می‌گردد. با اعمال پوشش W-DLC، ضریب اصطکاک خشک به ۰.۱۸۷ کاهش یافته و سایش چسبنده کاملاً کنترل می‌شود. حتی در محیط‌های ترکیبی سایش و خوردگی، این پوشش عملکرد برجسته‌ای دارد و ضریب اصطکاک در محلول ۳.۵٪ NaCl به ۰.۱۰۵ می‌رسد، در حالی که فولاد بدون پوشش دچار خوردگی و سایش شدید می‌شود. پوشش‌های سرامیکی TiN یا سایر PVD ها نیز مکانیزم سایش را به یک ساییدگی کنترل‌شده و جزئی تغییر می‌دهند [14].

در نهایت، فولاد ۱.۳۵۰۵ نمونه‌ای ممتاز از مهندسی متالورژیکی با کربن بالا است که در تولید انبوه یاتاقان‌ها، قطعات هوافضا، جعبه‌دنده‌های خودروهای پرتنش و ابزار دقیق صنعتی کاربرد دارد، جایی که قابلیت اطمینان مکانیکی در بارهای چرخشی شدید ضروری است. مزیت اصلی آن توانایی دستیابی به سختی یکنواخت، مقاومت فشاری عالی و طول عمر استثنایی در خستگی تماس چرخشی است. با این حال، محدودیت‌های عملی آن شامل حساسیت بالای خوردگی محیطی، محدودیت‌های جوشکاری ساختاری و آسیب‌پذیری در برابر خستگی زیرسطحی ناشی از ناخالصی‌های غیر فلزی مانند TiN است. استفاده از مهندسی سطح پیشرفته شامل بوریدینگ، نیتریدینگ پلاسما، پوشش‌های W-DLC و بافت‌سازی لیزری، این محدودیت‌ها را رفع کرده و فولاد را به سیستمی مقاوم در برابر سایش، خوردگی و اصطکاک تبدیل می‌کند که برای شدیدترین محیط‌های عملیاتی مناسب است.

مراجع

[1]     Heat-treated steels, alloy steels and free-cutting steels, 2014.

[2]     B. Škorić, D. Kakaš, M. Rakita, N. Bibić, and D. Peruškob, “Structure, hardness and adhesion of thin coatings deposited by PVD, IBAD on nitrided steels,” Vacuum, vol. 76, no. 2-3, pp. 169–172, 2004.

[3]     P. J. Romanowicz and B. Szybiński, “Fatigue life assessment of rolling bearings made from AISI 52100 bearing steel,” Materials, vol. 12, no. 3, p. 371, 2019.

[4]     P. Matteis and R. Sesana, “Bainitic Transformation in 100Cr6 Steel for Bearing Balls: Effect on Fatigue Endurance,” Metals, vol. 15, no. 9, p. 931, 2025.

[5]     J. Jopek et al., “The Influence of Industrial-Scale Pack-Boroding Process Time on Thickness and Phase Composition of Selected Cold-Work Tool Steels,” Manufacturing Technology, vol. 23, no. 5, pp. 630–637, 2023.

[6]     C. Florian, S. V. Kirner, J. Krüger, and J. Bonse, “Surface functionalization by laser-induced periodic surface structures,” Journal of Laser Applications, vol. 32, no. 2, 2020.

[7]     J. Bonse, S. V. Kirner, M. Griepentrog, D. Spaltmann, and J. Krüger, “Femtosecond laser texturing of surfaces for tribological applications,” Materials, vol. 11, no. 5, p. 801, 2018.

[8]     V. Y. Bhalerao and S. S. Lakade, “Comprehensive review on improvement in surface properties of bearing steel,” Materials Today: Proceedings, vol. 55, pp. 441–446, 2022.

[9]     M. W. Azizi, S. Belhadi, M. A. Yallese, A. Lagred, A. Bouziane, and L. Boulanouar, “Study of the machinability of hardened 100Cr6 bearing steel with tin coated ceramic inserts,” 2016, pp. 172–177.

[10]   S. İ. Ayvaz, “Investigation of the effect of boriding on the wear behaviour of AISI 1050 carbon steel,” International Advanced Researches and Engineering Journal, vol. 7, no. 1, pp. 1–7, 2023.

[11]   E. Anusha, A. Kumar, and S. M. Shariff, “A novel method of laser surface hardening treatment inducing different thermal processing condition for Thin-sectioned 100Cr6 steel,” Optics & Laser Technology, vol. 125, p. 106061, 2020.

[12]   Y. Zhu, J. Li, C. Zhang, W. Wang, and H. Wang, “High temperature dry tribological behavior of Nb-microalloyed bearing steel 100Cr6,” Materials, vol. 14, no. 18, p. 5216, 2021.

[13]   S. Spigarelli, M. El Methedi, and M. Cabibbo, “Constitutive analysis of high-temperature workability of a high-nitrogen bearing steel,” Materials Science and Technology, vol. 32, no. 11, pp. 1071–1078, 2016.

[14]   M. Vicen et al., “Improving of 100Cr6 steel corrosion and wear properties in simulated sea water environment by Tungsten-Doped DLC coating,” Materials, vol. 16, no. 12, p. 4334, 2023.