فولاد 1.2567

فولاد 1.2567 یک فولاد ابزار آلیاژی گرم کار از خانواده فولادهای کروم–تنگستن–وانادیوم (Cr–W–V) است که مقاومت بالا به نرم‌شدن بازپخت و پایداری حرارتی را ارائه می‌کند و در صنایع شکل‌دهی گرم فلزات جایگاه ویژه‌ای دارد؛ جایی که چالش اصلی، یعنی فرسایش ترک حرارتی، مستقیماً به رفتار کاربیدی و هدایت حرارتی ماتریس وابسته است. این فولاد با محتوای تنگستن کنترل‌شده در حدود 4 تا 4.5 درصد، در مقایسه با گرید رقیب و بسیار متداول‌تر 1.2581 (X30WCrV9-3، معادل AISI H21) که تنگستن آن به حدود 9 درصد می‌رسد، مسیر متالورژیکی متفاوتی را دنبال می‌کند. کاهش عمدی تنگستن، چگالی کاربیدهای درشت تنگستنی را کم می‌کند و هدایت حرارتی ماتریس را به‌طور چشمگیری بالا می‌برد. به همین دلیل گرادیان حرارتی از سطح تا مغز سریع‌تر تخلیه می‌شود و حساسیت قطعه به شوک حرارتی کاهش می‌یابد. در مقابل، گرید پرتنگستن سختی گرم و مقاومت سایشی بالاتری در دمای سرخ‌شدگی ایجاد می‌کند، اما به‌دلیل هدایت حرارتی پایین و چقرمگی کمتر، در سیکل‌های گرمایش و سرمایش سریع مستعد ترک‌خوردگی است. این تمایز ساختاری باعث می‌شود فولاد 1.2567 برای ابزارهایی که توازن میان سختی گرم و پایداری حرارتی برایشان تعیین‌کننده است، انتخاب دقیق‌تری محسوب شود [1].

نیاز صنعتی به این فولاد از شرایطی ناشی می‌شود که ابزار باید همزمان فشارهای تماسی هرتزی بالا، بارگذاری سیکلی و گرادیان‌های حرارتی شدید را تحمل کند بدون آنکه سختی کاری خود را از دست بدهد. در صنعت ریخته‌گری تحت فشار (die casting) آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم، قالب‌ها در هر سیکل با مذاب داغ و سپس خنک‌کاری سریع روبه‌رو می‌شوند و پایداری حرارتی این فولاد عمر قالب را تعیین می‌کند. در صنعت اکستروژن گرم فلزات غیرآهنی، بوش‌ها و آستر‌های پرس و قالب‌های اکستروژن از این گرید ساخته می‌شوند، زیرا باید جریان فلز گداخته را با کمترین افت سختی هدایت کنند. در کنار این، سنبه‌ها و قالب‌های پرس‌های مکانیکی و هیدرولیک، فک‌های نورد رزوه، تیغه‌های برش گرم مقاطع بزرگ و سنبه‌های شکل‌دهی سر پیچ و پرچ نیز از کاربردهای شاخص آن در صنعت ابزارسازی و آهنگری داغ هستند. به همین دلیل، 1.2567 به‌عنوان یک فولاد چندکاره در حوزه ابزارهای گرم کار با بارگذاری ضربه‌ای متوسط تا سنگین شناخته می‌شود.

با وجود این عملکرد حجمی مطلوب، خواص سطحی فولاد 1.2567 همواره پاسخگوی الزامات تریبولوژیکی سرویس‌های مدرن نیست و همین موضوع محدودیت ذاتی آن را آشکار می‌کند. سختی هسته پس از کوئنچ و تمپر در محدوده‌ای است که برای جذب ضربه بهینه شده، اما در برابر سایش چسبنده، گالینگ و خوردگی در محیط‌های مرطوب یا کلریدی آسیب‌پذیری نشان می‌دهد. این فولاد به‌عنوان یک فولاد کم‌آلیاژ کرومی، کروم کافی برای تشکیل لایه پسیو پایدار ندارد؛ از این‌رو سطح آن در شرایط عملیاتی سخت به یک مانع فیزیکی و مهندسی‌شده نیاز دارد. به همین دلیل، فرآیندهای مهندسی سطح نظیر نیتراسیون، بوردهی و پوشش‌های فیزیکی بخار (PVD) به بخش جدایی‌ناپذیر طراحی قطعات این فولاد تبدیل می‌شوند و امکان ایجاد یک سیستم گرادیانی هسته–سطح بهینه را فراهم می‌کنند. بنابراین عملکرد نهایی این گرید بیش از آنکه به ترکیب پایه وابسته باشد، به همافزایی میان عملیات حرارتی حجمی و اصلاح سطح بستگی دارد.

شناسایی دقیق فولاد 1.2567 پیش‌شرط تضمین کیفیت و یکنواختی در زنجیره تأمین ابزار است و این گرید بر پایه مجموعه‌ای از الزامات شیمیایی و مکانیکی تعریف می‌شود. در نظام استاندارد اروپا، مرجع اصلی این فولاد استاندارد EN ISO 4957 برای فولادهای ابزار است که مشخصه شیمیایی آن را با نام X30WCrV5-3 و شماره ماده 1.2567 معرفی می‌کند. نام‌گذاری قدیمی‌تر آلمانی این گرید به‌صورت 30WCrV17-2 نیز هنوز در منابع فنی و کاتالوگ‌ها دیده می‌شود و به همان ترکیب اشاره دارد. در سیستم آمریکایی AISI، معادل رسمی و دقیقی برای این فولاد در سری H وجود ندارد. برخی منابع آن را با گرید H7 نزدیک می‌دانند، اما این انطباق تقریبی است و نباید با گرید پرتنگستن H21 اشتباه گرفته شود [1]. بنابراین در پروژه‌های بین‌المللی ارجاع به شماره ماده 1.2567 یا مشخصه X30WCrV5-3 دقیق‌ترین روش برای جلوگیری از خطای انتخاب محسوب می‌شود.

در سیستم‌های آسیایی و روسی نیز این فولاد با کدهای مشخصی معادل‌سازی می‌شود که شناخت آن‌ها برای تأمین جهانی اهمیت دارد. در استاندارد ژاپن JIS، گرید SKD4 نزدیک‌ترین معادل فولاد 1.2567 محسوب می‌شود که با محتوای تنگستن در محدوده مشابه، در ابزارهای پرس و نورد شرق آسیا کاربرد گسترده دارد. در فرانسه، استاندارد AFNOR این فولاد را با نام Z32WCV5 یا X32WCrV5 می‌شناسد که انطباق فازی نزدیکی با گرید مبنا دارد و تمایل کمتری به تردی تمپر نشان می‌دهد. در روسیه، گرید 4Ch2W5MF با نماد سیریلیک 4Х2В5МФ طبق استاندارد GOST معادل ساختاری دقیقی ارائه می‌کند که سختی‌پذیری عمقی بهینه‌ای در مقاطع متوسط دارد. در لهستان نیز این گرید با نام تجاری WWS1 طبق استاندارد PN-H-85021 عرضه می‌شود که با افزایش جزئی کروم، پایداری بهتری در دماهای بالا ایجاد می‌کند [2، 3].

مهم‌ترین تمایز مهندسی که طراحان باید به آن توجه کنند، تفاوت میان فولاد 1.2567 و گرید بسیار نزدیک اما پرتنگستن 1.2581 (X30WCrV9-3، معادل AISI H21) است. گرید 1.2581 با تنگستن نزدیک به 9 درصد، سختی گرم و مقاومت سایشی بالاتری در دماهای سرخ‌شدگی ایجاد می‌کند، اما هدایت حرارتی پایین و چقرمگی ضربه‌ای کمتر آن را در برابر شوک حرارتی مداوم مستعد ترک می‌سازد. در مقابل، فولاد 1.2567 با تنگستن حدود 4 تا 4.5 درصد و کروم در حدود 2.2 تا 2.5 درصد، هدایت حرارتی بالاتری دارد و مقاومت در برابر خستگی حرارتی را بدون افت شدید سختی کاری تضمین می‌کند. به همین سبب، جایگزینی غیرکارشناسانه این دو گرید به‌جای یکدیگر در قالب‌های بزرگ با سیکل‌های خنک‌کاری سریع، می‌تواند به ترک حرارتی زودرس یا شکست ابزار منجر شود. این تمایز ظریف نشان می‌دهد که شباهت نام‌گذاری هرگز نباید مبنای معادل‌سازی صنعتی قرار گیرد [1، 3].

جدول 1 ترکیب شیمیایی فولاد 2567 (برحسب درصد وزنی) [1، 2].

خواص مکانیکی و حرارتی فولاد 1.2567 به‌طور مستقیم از ترمودینامیک فازها و کسر حجمی کاربیدهای رسوب‌یافته در ماتریس مارتنزیتی ناشی می‌شود. کربن با حضور در محدوده 0.25 تا 0.35 درصد، استحکام زمینه و قابلیت تشکیل مارتنزیت را تأمین می‌کند، در حالی که مقدار کنترل‌شده آن از تردی بیش از حد و افت چقرمگی جلوگیری می‌کند؛ به همین دلیل توازن سختی و جذب ضربه در دماهای کاری حفظ می‌شود. تنگستن مهم‌ترین عنصر آلیاژی این فولاد با محتوای 4 تا 4.5 درصد است که با تشکیل کاربیدهای پایدار M6C و M2C، مقاومت به نرم‌شدن بازپخت و سختی گرم را ایجاد می‌کند، در حالی که این کاربیدها در دماهای بالا دیر درشت می‌شوند و پنجره عملکردی فولاد را گسترش می‌دهند. در کنار این، بخشی از کاربیدهای تنگستن در حین آستنیته کردن حل‌نشده باقی می‌مانند و با مهار رشد دانه آستنیت، ریزدانگی ساختار و چقرمگی آن را تضمین می‌کنند. به همین سبب، تنگستن نقش دوگانه تقویت سختی گرم و کنترل ریزساختار را همزمان ایفا می‌کند [4].

کروم با حضور در محدوده 2.2 تا 2.5 درصد، سختی‌پذیری عمقی فولاد را افزایش می‌دهد و با جابه‌جایی منحنی‌های دگرگونی به سمت زمان‌های طولانی‌تر، امکان سخت‌شدن یکنواخت در مقاطع ضخیم را فراهم می‌کند. این عنصر در حین آستنیته کردن بخشی از کاربیدهای خود را در ماتریس حل می‌کند و زمینه را با عناصر آلیاژی غنی می‌سازد. به همین دلیل پاسخ فولاد به سخت‌کاری و نیتراسیون بهبود می‌یابد. وانادیوم با محتوای 0.5 تا 0.7 درصد، ریزدانه‌کننده اصلی ساختار است و با تشکیل کاربیدهای بسیار پایدار VC، مرزدانه‌های آستنیت را مهار می‌کند و از رشد بیش از حد دانه‌ها جلوگیری می‌کند. این کاربیدها در حین تمپر به‌صورت رسوبات نانومتری منسجم جوانه می‌زنند و پدیده سخت‌گردانی ثانویه را فعال می‌کنند که اوج آن در دماهای میانی تمپر دیده می‌شود. در نتیجه، همافزایی کروم و وانادیوم هم سختی‌پذیری حجمی و هم پایداری ریزساختار را به‌طور همزمان ارتقا می‌دهد [4، 5].

عناصر فرعی این فولاد نیز نقش‌های متالورژیکی مشخصی در کنترل کیفیت و رفتار فرآوری دارند. منگنز با محتوای 0.2 تا 0.4 درصد، سختی‌پذیری را تقویت می‌کند و با ترکیب با گوگرد باقی‌مانده، از تشکیل سولفید آهن مخرب در دماهای آهنگری جلوگیری می‌کند. سیلیسیم در محدوده 0.15 تا 0.30 درصد به‌عنوان عنصر اکسیژن‌زدا عمل می‌کند و با سخت‌کاری محلولی، استحکام زمینه فریتی را افزایش می‌دهد. فسفر و گوگرد به‌عنوان ناخالصی به سطوح بسیار پایین کمتر از 0.035 درصد محدود می‌شوند تا از تردی مرزدانه‌ای و ترک‌های انجمادی در حین گرم کار جلوگیری شود. به همین دلیل، کنترل دقیق این عناصر فرعی برای دستیابی به پاسخ پیش‌بینی‌پذیر در عملیات حرارتی و مهندسی سطح حیاتی محسوب می‌شود [3].

خواص مکانیکی فولاد 1.2567 به‌شدت به حالت عملیات حرارتی و اندازه مقطع قطعه وابسته است و در سه وضعیت اصلی آنیل نرم، کوئنچ‌شده و کوئنچ و تمپر بررسی می‌شود. در حالت تحویل آنیل نرم (+A)، ساختار فولاد شامل کاربیدهای کروی‌شده در زمینه فریتی است که سختی را به کمتر از 241 برینل (HB) کاهش می‌دهد. این حالت نرم برای انجام ماشین‌کاری دقیق پیش از سخت‌کاری ضروری است، زیرا امکان فرزکاری، سوراخ‌کاری و تراش‌کاری با ابزار کاربیدی معمولی را بدون سایش شدید فراهم می‌کند. کاربیدهای کروی توزیع‌شده در این ساختار، تمرکز تنش را کاهش می‌دهند و خطر ترک در مراحل بعدی فرآوری را کم می‌کنند. به همین دلیل، شکل‌دهی اقتصادی و دقیق قطعه پیش از فعال‌سازی پتانسیل کامل فولاد در همین مرحله انجام می‌شود [3].

پس از کوئنچ و تمپر (+QT)، فولاد 1.2567 به بالاترین ظرفیت مکانیکی خود دست می‌یابد و رفتار تمپر آن پدیده سخت‌گردانی ثانویه را آشکار می‌کند. با افزایش دمای تمپر از 300 تا حدود 500 درجه سانتی‌گراد، سختی نه‌تنها کاهش نمی‌یابد بلکه به‌دلیل رسوب نانوکاربیدهای وانادیوم و کروم افزایش می‌یابد و از حدود 51.5 راکول C (HRC) به اوج تقریبی 52.6 واحد می‌رسد. فراتر از این دما، در محدوده 550 درجه سختی به حدود 51.3 و در 600 درجه به نزدیک 49 واحد کاهش می‌یابد که نشان‌دهنده آغاز درشت‌شدن کاربیدها و اورتمپرینگ ماتریس است. سختی کاری حداقل تضمین‌شده این فولاد در حالت تمپرشده در حدود 46 HRC است که توازن مناسبی میان مقاومت سایشی و چقرمگی ضربه‌ای ایجاد می‌کند. به همین سبب، انتخاب دمای تمپر، ابزار اصلی مهندس برای تنظیم رفتار فولاد از حالت سخت و سایش‌مقاوم تا حالت چقرمه و ضربه‌پذیر محسوب می‌شود [3، 6].

اثر ضخامت یا اثر جرم، عامل تعیین‌کننده دیگری در خواص نهایی این فولاد است که از وابستگی نرخ سرمایش به ابعاد قطعه ناشی می‌شود. در مقاطع نازک، نرخ خنک‌سازی کافی برای تبدیل کامل آستنیت به مارتنزیت در سراسر مقطع فراهم می‌شود و سختی یکنواختی حاصل می‌گردد. در مقابل، در مقاطع ضخیم، سرعت سرمایش داخلی کندتر باعث می‌شود تبدیل کامل به مارتنزیت در مغز قطعه رخ ندهد و سختی و استحکام در هسته اندکی کاهش یابد. حضور کروم و تنگستن با افزایش سختی‌پذیری، این افت را محدود می‌کند و امکان سخت‌شدن نسبتاً یکنواخت در مقاطع متوسط را فراهم می‌سازد. به همین دلیل، برای ابزارهای بزرگ، پیش‌گرم کنترل‌شده تا حدود 200 درجه سانتی‌گراد پیش از شروع کار و انتخاب صحیح محیط کوئنچ برای تضمین یکپارچگی ساختار سخت‌شده ضروری است [3].

طراحی ابزار برای شرایط گرم کار نیازمند شناخت دقیق پارامترهای ترموفیزیکی و الاستیک فولاد است تا تنش‌های حرارتی و تغییر شکل ناخواسته کنترل شود. فولاد 1.2567 مدول الاستیسیته‌ای در حدود 210 گیگاپاسکال در دمای محیط دارد که صلبیت بالا و حفظ دقت ابعادی تحت فشار را تضمین می‌کند. چگالی این آلیاژ نزدیک به 7.8 گرم بر سانتی‌متر مکعب است که نشان‌دهنده ساختار فولادی متراکم و نبود مقادیر بالای عناصر بسیار سنگین مانند تنگستن گریدهای پرآلیاژ است. ضریب انبساط حرارتی متوسط آن در بازه دمایی 20 تا 300 درجه سانتی‌گراد برابر با حدود 12.2 میکرومتر بر متر کلوین است که پایداری ابعادی مناسبی را برای قالب‌های تحت نوسان دمایی فراهم می‌کند. این پارامترها در محاسبه تلرانس‌های عملکردی و تنش‌های حرارتی ابزار نقش مستقیم دارند [3، 6].

برجسته‌ترین مزیت فیزیکی این گرید، هدایت حرارتی بالای آن در حدود 38 وات بر متر کلوین است که از محتوای تنگستن کنترل‌شده ناشی می‌شود. این هدایت حرارتی بالا با انتقال سریع گرما از پوسته به مغز و سیستم خنک‌کننده، از تمرکز حرارت و تشکیل ترک‌های فرسایش حرارتی پیشگیری می‌کند. به همین دلیل عمر قالب در سیکل‌های حرارتی متناوب افزایش می‌یابد. در مقابلِ گریدهای پرتنگستن مانند 1.2581 که هدایت حرارتی پایین‌تری دارند، این ویژگی یک مزیت رقابتی روشن در کاربردهای با خنک‌کاری سریع ایجاد می‌کند. حداکثر دمای سرویس پیوسته این فولاد با حفظ سختی کاری در محدوده‌ای تا حدود 550 تا 600 درجه سانتی‌گراد ارزیابی می‌شود و فراتر از آن، نرخ نرم‌شدگی و درشت‌شدن کاربیدها به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. بنابراین پنجره دمایی کاری این گرید با توازن میان سختی گرم و پایداری حرارتی تعریف می‌شود [3].

چرخه عملیات حرارتی فولاد 1.2567 یک فرآیند چندمرحله‌ای ترمودینامیکی است که هر مرحله آن با دما، زمان و نرخ سرمایش مشخص باید کنترل شود تا پتانسیل کامل فازهای سخت‌کننده فعال گردد. آهنگری و شکل‌دهی گرم این فولاد در محدوده دمایی حدود 900 تا 1050 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود و توقف عملیات در دمای پایین‌تر از این بازه از رسوب کاربیدهای پیش-اوتکتوئیدی در مرزدانه‌ها جلوگیری می‌کند. پس از آهنگری، خنک‌سازی آرام در کوره یا محیط عایق الزامی است تا خطر ترک‌های ناشی از سرمایش سریع که به‌دلیل سختی‌پذیری بالا ایجاد می‌شوند کاهش یابد. آنیل نرم برای کاهش سختی و تسهیل ماشین‌کاری در دمای 740 تا 780 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود و سپس فولاد به‌آرامی در کوره تا حدود 550 درجه و پس از آن در هوا سرد می‌شود تا کاربیدها کروی شوند. این ساختار کروی‌شده سختی را به کمتر از 241 برینل می‌رساند و ماشین‌کاری دقیق را ممکن می‌کند [3، 4].

مرحله سخت‌کاری مهم‌ترین بخش عملیات حرارتی این فولاد است و در آن قطعه ابتدا برای یکنواخت‌شدن دمای داخلی پیش‌گرم می‌شود و سپس به محدوده آستنیته کردن منتقل می‌گردد. دمای آستنیته کردن این گرید در بازه 1010 تا 1050 درجه سانتی‌گراد با مقدار بهینه‌ای نزدیک به 1030 درجه است که در آن کروم و بخشی از کاربیدهای تنگستن و وانادیوم در ماتریس حل می‌شوند و زمینه را برای سخت‌گردانی ثانویه آماده می‌کنند. زمان نگهداری در این دما به ضخامت قطعه بستگی دارد و باید به‌اندازه‌ای باشد که انحلال کنترل‌شده کاربیدها بدون درشت‌شدن دانه آستنیت انجام شود. کوئنچ معمولاً در روغن انجام می‌شود تا نرخ سرمایش کافی برای تشکیل مارتنزیت فراهم گردد و همزمان تنش‌های حرارتی و خطر ترک کنترل شود. ساختار حاصل، مارتنزیت پرتنش و سخت همراه با آستنیت باقی‌مانده است که در مرحله بعد باید پایدار شود [3].

تمپر کردن پس از کوئنچ برای تبدیل مارتنزیت شکننده به مارتنزیت تمپرشده پایدار و فعال‌سازی سخت‌گردانی ثانویه ضروری است و در بازه دمایی 500 تا 600 درجه سانتی‌گراد با سرمایش در هوا انجام می‌شود. در این محدوده، رسوب نانوکاربیدهای منسجم وانادیوم و کروم تنش‌های شبکه را تخلیه می‌کند و همزمان سختی را در اوج پنجره ثانویه نزدیک به 52.6 HRC نگه می‌دارد. تمپر در دماهای میانی همچنین آستنیت باقی‌مانده را به مارتنزیت ثانویه تبدیل می‌کند و پایداری ابعادی قطعه را افزایش می‌دهد؛ به همین دلیل اغلب دو مرحله تمپر برای تثبیت کامل ساختار توصیه می‌شود. انتخاب دمای تمپر مستقیماً تعادل میان سختی، چقرمگی و مقاومت به شوک حرارتی را تعیین می‌کند و باید متناسب با شرایط بارگذاری ابزار انتخاب شود. فراتر از 600 درجه، درشت‌شدن کاربیدها و اورتمپرینگ ماتریس سختی را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد و خواص کاری از دست می‌رود [3، 4].

رفع تنش و تثبیت ابعادی مرحله تکمیلی این چرخه است که از اعوجاج قطعه در فرآوری‌های بعدی جلوگیری می‌کند. رفع تنش پس از ماشین‌کاری سنگین و پیش از سخت‌کاری نهایی معمولاً در دمای 600 تا 700 درجه سانتی‌گراد با سرمایش آهسته انجام می‌شود تا تنش‌های باقی‌مانده ناشی از براده‌برداری بدون تغییر ساختار ماشین‌پذیر کاهش یابد. این مرحله برای قطعات با هندسه پیچیده یا تلرانس دقیق اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا تنش‌های آزادنشده می‌توانند در حین کوئنچ به اعوجاج یا ترک منجر شوند. کنترل دقیق نرخ گرمایش و سرمایش در تمام مراحل، یکنواختی ریزساختار و پیش‌بینی‌پذیری خواص نهایی را تضمین می‌کند. در نتیجه، ترکیب دقیق این مراحل حرارتی، فولاد 1.2567 را برای ابزارهای گرم کار با عملکرد بالا و تحت بارهای پیچیده آماده می‌کند [1].

اگرچه فولاد 1.2567 در حجم خواص مکانیکی مطلوبی ارائه می‌کند، ارتقای دوام تریبولوژیکی ابزار همواره مستلزم به‌کارگیری روش‌های مهندسی سطح است و پایداری حرارتی بالای این آلیاژ امکان اعمال فرآیندهای دماپایین سطحی را فراهم می‌کند. نیتراسیون گازی یا پلاسمایی رایج‌ترین روش برای این گرید است که در دمای حدود 500 تا 550 درجه سانتی‌گراد و پایین‌تر از دمای تمپر انجام می‌شود. به همین دلیل ساختار مغز قطعه بدون تغییر باقی می‌ماند و اعوجاج ابعادی به حداقل می‌رسد. در این فرآیند، نیتروژن اتمی فعال به سطح نفوذ می‌کند و با عناصر نیتریدزای کروم و وانادیوم رسوبات بسیار ریز و سخت تشکیل می‌دهد که در این گرید به‌دلیل محتوای کروم متوسط، سختی سطح را تا محدوده‌ای نزدیک به 750 تا 900 ویکرز (HV) می‌رساند. لایه نفوذی حاصل تنش‌های فشاری پسماند شدیدی ایجاد می‌کند که مقاومت به خستگی و گالینگ اتصالات را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. نیتراسیون پلاسمایی با کنترل دقیق ضخامت لایه سفید و امکان حذف آن، پروفیل سختی یکنواخت‌تری حتی در هندسه‌های پیچیده ایجاد می‌کند [7].

بوردهی روش دیگری برای ایجاد سطوح فوق‌سخت در شرایط سایش شدید است که در دماهای بالاتر، معمولاً در بازه 900 تا 950 درجه سانتی‌گراد، انجام می‌شود و لایه‌های بین‌فلزی FeB و Fe2B را تشکیل می‌دهد. این لایه‌ها سختی سطح را تا محدوده 1400 تا 1600 ویکرز افزایش می‌دهند و مقاومت سایشی بی‌نظیری در برابر ذرات ساینده ایجاد می‌کنند. حضور وانادیوم در ترکیب این فولاد مورفولوژی لایه بوریدی را اصلاح می‌کند و مرز یکنواخت‌تری با تنش‌پذیری کمتر نسبت به فولادهای ساده کربنی ایجاد می‌کند. با این حال، دمای بالای فرآیند بوردهی از دمای تمپر این فولاد فراتر می‌رود؛ به همین دلیل این عملیات معمولاً با یک چرخه عملیات حرارتی تکمیلی برای بازیابی خواص هسته همراه می‌شود. تردی ذاتی لایه بوریدی نیز ایجاب می‌کند که زیرلایه با چقرمگی کافی پشتیبان آن باشد تا از ترک و پوسته‌شدن جلوگیری شود [9، 10، 11، 12].

پوشش‌های فیزیکی بخار (PVD) برای کاربردهایی که اصطکاک پایین، دقت ابعادی و سختی بسیار بالا بدون تغییرات حرارتی شدید نیاز دارند، گزینه مطلوبی هستند. این فرآیند در دماهای نسبتاً پایین انجام می‌شود و فیلم‌های سرامیکی مانند TiN، CrN یا AlTiN به ضخامت 2 تا 5 میکرومتر روی سطح ایجاد می‌کند که سختی آن‌ها می‌تواند به حدود 2500 ویکرز برسد و ضریب اصطکاک سطح را به‌طور چشمگیری کاهش دهد. در بسیاری از کاربردهای سنگین، ترکیب نیتراسیون و PVD به‌صورت تیمار دوبلکس (duplex) به‌کار می‌رود تا لایه سخت پوشش روی یک زیرلایه نفوذی تقویت‌شده قرار گیرد و از پدیده شکست پوسته تخم‌مرغی جلوگیری شود. این ساختار گرادیانی چسبندگی پوشش و ظرفیت تحمل بار را افزایش می‌دهد و عمر کاری ابزار را در شرایط سایش خشک و فرسایش شدید بهبود می‌بخشد. به همین دلیل، انتخاب پوشش متناسب با مکانیزم سایش غالب، نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد نهایی دارد [8، 15].

سخت‌کاری انتخابی با انرژی موضعی مانند روش‌های القایی و لیزری، امکان سخت‌کردن نواحی مشخص را بدون تغییر ترکیب شیمیایی فراهم می‌کند و برای قطعاتی با نواحی بحرانی معین کاربرد دارد. در سخت‌کاری القایی، جریان‌های گردابی سطح را به‌سرعت تا بالای دمای آستنیته گرم می‌کنند و کوئنچ سریع، لایه مارتنزیتی سختی تحت تنش فشاری پسماند ایجاد می‌کند که مقاومت خمشی و خستگی را افزایش می‌دهد. سخت‌کاری لیزری همین اصل را با دقت موضعی بسیار بالا و اعوجاج حداقلی اجرا می‌کند و ساختار مارتنزیتی بسیار ریزی ایجاد می‌کند که مقاومت به خستگی تماسی را بهبود می‌بخشد. این روش‌ها می‌توانند با نیتراسیون ترکیب شوند تا هم عمق باربری و هم مقاومت سطحی به‌طور همزمان افزایش یابد. در نتیجه، تنوع روش‌های مهندسی سطح به طراح اجازه می‌دهد پروفیل سختی را دقیقاً متناسب با شرایط بارگذاری هر قطعه تنظیم کند [4، 6].

عملکرد فولاد 1.2567 در سرویس واقعی به‌طور مستقیم تحت تأثیر رفتار آن در برابر خستگی و سایش است که دو مکانیزم اصلی تخریب ابزارهای گرم کار محسوب می‌شوند. شکست خستگی در این فولاد عمدتاً از سطح آغاز می‌شود و کیفیت سطح نقش تعیین‌کننده‌ای در عمر قطعه دارد؛ به همین دلیل القای تنش‌های فشاری پسماند از طریق نیتراسیون و شات‌پینینگ می‌تواند عمر خستگی را به‌طور چشمگیری افزایش دهد. لایه نیتراسیون با ایجاد تنش فشاری سطحی، از بازشدن و رشد ترک‌های ریز جلوگیری می‌کند و حد خستگی را بالا می‌برد. از نظر سایش، کاربیدهای پایدار تنگستن و وانادیوم به‌عنوان جزایر سخت، مقاومت در برابر سایش ساینده را فراهم می‌کنند، در حالی که سایش چسبنده با پوشش‌های PVD و نیتراسیون به‌طور مؤثر کاهش می‌یابد. به همین سبب، عمر تریبولوژیکی ابزار بیش از هر چیز به ترکیب درست عملیات حرارتی و اصلاح سطح وابسته است [13].

مقاومت به خوردگی نقطه ضعف استراتژیک این فولاد است، زیرا کروم نسبتاً کم آن برای تشکیل لایه پسیو پایدار کافی نیست و سطح در محیط‌های مرطوب یا کلریدی مستعد زنگ‌زدگی و حفره‌دار شدن است. در شرایط عملیاتی با رطوبت یا تماس با محیط خورنده، خوردگی نقطه‌ای می‌تواند به‌عنوان نقطه تمرکز تنش عمل کند و شروع ترک خستگی را تسریع کند. به همین دلیل، در بسیاری از کاربردها پوشش‌های محافظ یا فرآیندهای سطحی مانند نیتروکربوره‌سازی با چرخه QPQ و پوشش‌های PVD به‌عنوان مانع فیزیکی ضروری هستند. لایه ترکیبی نیتریدشده همراه با اکسیداسیون پس از نیتراسیون، سطح را به اکسید پایدار Fe3O4 تبدیل می‌کند و مقاومت در برابر زنگ‌زدگی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. در نتیجه، بدون حفاظت سطحی مناسب، استفاده از این فولاد در محیط‌های خورنده با ریسک بالا همراه است.

در دماهای بالای عملیاتی، فولاد 1.2567 باید پایداری ابعادی و مقاومت نسبی در برابر خزش را حفظ کند، هرچند این فولاد به‌طور خاص برای مقاومت در برابر خزش طولانی‌مدت طراحی نشده است. حضور کاربیدهای پایدار تنگستن و وانادیوم با مهار حرکت نابجایی‌ها و تثبیت مرزدانه‌ها، مقاومت خزشی را تا محدوده دمای کاری تأمین می‌کند، اما فراتر از پنجره عملکردی، اورتمپرینگ ماتریس و درشت‌شدن کاربیدها این مقاومت را کاهش می‌دهد. خستگی حرارتی یا پدیده فرسایش ترک حرارتی مهم‌ترین مکانیزم تخریب در قالب‌های ریخته‌گری و آهنگری است که از سیکل‌های مکرر گرمایش و سرمایش ناشی می‌شود. هدایت حرارتی بالای این گرید با تخلیه سریع گرادیان حرارتی، نرخ جوانه‌زنی و رشد این ترک‌ها را کاهش می‌دهد و در همین نقطه برتری آن نسبت به گریدهای پرتنگستن آشکار می‌شود. به همین دلیل، در کاربردهای با شوک حرارتی شدید، توازن میان سختی گرم و هدایت حرارتی معیار اصلی انتخاب این فولاد محسوب می‌شود [14].

فولاد 1.2567 به‌دلیل توازن میان چقرمگی ضربه‌ای، پایداری حرارتی و پاسخ مطلوب به مهندسی سطح، در طیف گسترده‌ای از صنایع سنگین و ابزارسازی کاربرد دارد. در صنعت ریخته‌گری تحت فشار آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم، این فولاد برای قالب‌ها و اینسرت‌هایی به‌کار می‌رود که در هر سیکل با مذاب داغ و خنک‌کاری سریع روبه‌رو می‌شوند و باید در برابر فرسایش ترک حرارتی پایدار بمانند. در صنعت اکستروژن گرم فلزات غیرآهنی، آستر‌ها و بوش‌های پرس، قالب‌های اکستروژن لوله و پیش‌شکل‌های آلیاژهای مس از این گرید ساخته می‌شوند، زیرا باید جریان فلز گداخته را با کمترین افت سختی هدایت کنند. در صنعت آهنگری داغ و ابزارسازی، سنبه‌ها، تیغه‌های برش گرم مقاطع بزرگ، فک‌های نورد رزوه و سنبه‌های شکل‌دهی سر پیچ و پرچ از کاربردهای شاخص آن هستند. این تنوع کاربرد نشان می‌دهد که 1.2567 یک فولاد ابزار گرم کار چندکاره برای بارگذاری ضربه‌ای متوسط تا سنگین در شرایط حرارتی سیکلی محسوب می‌شود.

مزیت اصلی فولاد 1.2567 ترکیب هدایت حرارتی بالا، مقاومت به نرم‌شدن بازپخت و سخت‌گردانی ثانویه پایدار است که آن را در سیکل‌های حرارتی سریع نسبت به گریدهای پرتنگستن متمایز می‌کند و پاسخ‌پذیری بالای آن به مهندسی سطح، دامنه کاربردش را گسترش می‌دهد. در کنار این مزایا، محدودیت‌های مشخصی نیز در طراحی باید مدنظر قرار گیرند. سختی گرم و مقاومت سایشی این فولاد در دماهای بسیار بالا به اندازه گریدهای پرتنگستن نیست، مقاومت ذاتی آن به خوردگی پایین است و جوش‌پذیری آن به‌دلیل ترکیب آلیاژی نسبتاً محدود است و به پیش‌گرم و عملیات حرارتی پس از جوش نیاز دارد. علاوه بر این، فراتر رفتن از پنجره دمایی کاری به نرم‌شدگی سریع و افت مقاومت خزشی منجر می‌شود و کنترل دقیق دما را الزامی می‌کند. در جمع‌بندی، فولاد 1.2567 راه‌حل متالورژیکی ایدئال برای طراحانی است که پایداری حرارتی و مقاومت به شوک حرارتی را بر سختی گرم بیشینه ترجیح می‌دهند و با ترکیب آن با فناوری‌های مهندسی سطح، به بهترین توازن عملکردی دست می‌یابند.

مراجع

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

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

[3] Hot-work tool steel X30WCrV5-3 (1.2567 / WWS1) according to PN-H-85021 and ISO 4957, technical datasheet, Virgamet, 2026.

[4] K.-E. Thelning, Steel and its Heat Treatment, 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013.

[5] M. Wang et al., “Effect of Cr, Mo, and V elements on the microstructure and thermal fatigue properties of the chromium hot-work steels processed by selective laser melting,” Metals, vol. 12, no. 5, p. 735, 2022.

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

[7] R. Hubicki, M. Richert, and M. Wiewióra, “An experimental study of temperature effect on properties of nitride layers on X37CrMoV51 tool steel used in extrusion aluminium industry,” Materials, vol. 13, no. 10, p. 2311, 2020.

[8] A. F. Rousseau et al., “Microstructural and tribological characterisation of a nitriding/TiAlN PVD coating duplex treatment applied to M2 high speed steel tools,” Surface and Coatings Technology, vol. 272, pp. 403–408, 2015.

[9] A. Günen, “Properties and corrosion resistance of borided AISI H11 tool steel,” Journal of Engineering Materials and Technology, vol. 142, no. 1, p. 011010, 2020.

[10] K. O. Gunduz, Y. Gencer, M. Tarakci, and A. Calik, “The effect of vanadium on the boronizing properties of pure iron,” Surface and Coatings Technology, vol. 221, pp. 104–110, 2013.

[11] A. Motallebzadeh, E. Dilektasli, M. Baydogan, E. Atar, and H. Cimenoglu, “Evaluation of the effect of boride layer structure on the high temperature wear behavior of borided steels,” Wear, vol. 328–329, pp. 110–114, 2015.

[12] S. Sen, “The characterization of vanadium boride coatings on AISI 8620 steel,” Surface and Coatings Technology, vol. 190, no. 1, pp. 1–6, 2005.

[13] M. A. Terres, L. Ammari, and A. Chérif, “Study of the effect of gas nitriding time on microstructure and wear resistance of 42CrMo4 steel,” Materials Sciences and Applications, vol. 8, no. 6, p. 493, 2017.

[14] M. I. Mehta, B. P. Kashyap, R. K. P. Singh, R. Kadam, and S. Bapat, “Estimation of creep failure life of rotor grade steel by using time–temperature parametric methods,” Transactions of the Indian Institute of Metals, vol. 69, no. 2, pp. 591–595, 2016.

[15] I. Kladarić, S. Golubić, D. Ćorić, and A. Milinović, “The influence of applying PVD coatings on adhesion wear resistance of quenching and tempering steels,” Metals, vol. 16, no. 2, 2026.