فولاد 2606

فولاد ۲۶۰۶ یک فولاد ابزار گرم‌کار عملیات حرارتی‌پذیر است که برای کار در شرایط صنعتی بسیار سخت طراحی شده و باید به‌طور هم‌زمان در برابر شوک‌های حرارتی متناوب، تنش‌های مکانیکی بالا، سایش اصطحکاکی و اکسیداسیون مقاوم باشد. این فولاد از نوع آلیاژی کروم-مولیبدن-تنگستن بوده (معادل AISI H12) و به‌گونه‌ای مهندسی شده که تعادل مطلوبی بین چقرمگی ضربه‌ای، استحکام در دمای بالا و مقاومت به خستگی حرارتی ایجاد کند.

در مقایسه با فولادهای رایج‌تری مانند H13 با وانادیوم بالا، در فولاد ۲۶۰۶ مقدار تنگستن بیشتر و وانادیوم در حد متوسط نگه داشته شده است؛ این موضوع از تشکیل کاربیدهای درشت اولیه که می‌توانند محل شروع ترک باشند جلوگیری می‌کند. به همین دلیل، این فولاد در کاربردهای سنگین مانند قالب‌های فورج گرم، سنبه‌های اکستروژن و قالب‌های دایکست عملکردی قابل اعتماد دارد. دستیابی به حداکثر کارایی آن نیازمند عملیات حرارتی دقیق است و با استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته اصلاح سطح و پوشش‌دهی می‌توان عمر کاری آن را به‌طور قابل توجهی افزایش داد.

فولاد ۲۶۰۶ در سیستم‌های استاندارد مختلف بین‌المللی طبقه‌بندی شده و به دلیل کاربرد گسترده در صنعت، تحت استانداردهای متعددی شناخته می‌شود. این فولاد که در گذشته تحت استاندارد DIN 17350 تعریف می‌شد، امروزه در استاندارد اروپایی DIN EN ISO 4957 با نام X37CrMoW5-1 شناخته می‌شود و در دسته فولادهای ابزار گرم‌کار برای فرآیندهای شکل‌دهی غیر برشی با دمای کاری بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد. در آمریکا با استاندارد ASTM A681 و نام AISI H12 (کد UNS T20812)، در ژاپن با استاندارد JIS G4404 و نام SKD62، و در انگلستان تحت استاندارد BS 4659 با نام BH12 شناخته می‌شود [1].

اگرچه در این استانداردها تلرانس‌های جزئی در ترکیب شیمیایی وجود دارد، اما همگی از نظر عملکردی معادل یکدیگر هستند؛ به‌عنوان مثال در چین با استاندارد GB/T 1299 با نام 4Cr5MoWVSi معرفی می‌شود که از نظر ترکیب به گرید اروپایی بسیار نزدیک است. این فولاد معمولاً در حالت آنیل نرم متالورژیکی عرضه می‌شود تا امکان ماشین‌کاری قبل از سختکاری نهایی فراهم باشد. محصولات آن شامل میلگردهای نورد گرم، قطعات فورج‌شده، بلوک‌های مربعی و صفحات تخت است که معمولاً تحت تست التراسونیک قرار می‌گیرند تا از سلامت داخلی آن‌ها قبل از استفاده اطمینان حاصل شود.

• ترکیب شیمیایی فولاد 2606 [1].

ترکیب شیمیایی فولاد ۲۶۰۶ به‌صورت مهندسی‌شده طراحی شده تا رفتار مکانیکی و حرارتی مطلوبی ایجاد کند. حضور هم‌زمان عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن، تنگستن و وانادیوم در یک زمینه با کربن متوسط، منجر به تشکیل ریزساختاری پایدار با درصد بالایی از کاربیدهای آلیاژی ثانویه می‌شود. کربن که در بازه حدود 30/0 تا 40/0 درصد کنترل می‌شود، نقش اصلی در تعیین سختی زمینه مارتنزیتی و میزان کاربیدها دارد؛ به‌طوری که سختی اولیه پس از کوئنچ به حدود ۵۴ تا ۶۰ راکول C می‌رسد، در حالی که همچنان چقرمگی کافی برای تحمل ضربه حفظ می‌شود. در حین آستنیتی‌کردن، بخشی از کربن در محلول جامد حل شده و قابلیت سخت‌شوندگی را افزایش می‌دهد و بخش دیگر در تعادل ترمودینامیکی با عناصر کاربیدساز باقی می‌ماند.

سیلیسیم به‌عنوان یک عنصر اکسیژن‌زدا و استحکام‌دهنده محلول جامد عمل کرده و در فرآیند تمپرینگ، تبدیل کاربیدهای موقت به سمنتیت را به تأخیر می‌اندازد؛ این موضوع باعث انتقال پدیده سخت‌شوندگی ثانویه به دماهای بالاتر و بهبود پایداری حرارتی می‌شود. همچنین سیلیسیم مقاومت به اکسیداسیون در دمای بالا را از طریق تشکیل لایه‌های محافظ سیلیکاتی افزایش می‌دهد. منگنز نیز علاوه بر کمک به اکسیژن‌زدایی، با ترکیب با گوگرد و تشکیل MnS از ایجاد فازهای مضر جلوگیری کرده و کارپذیری در فورج گرم را بهبود می‌بخشد. از نظر تحولات فازی، منگنز نرخ سرمایش بحرانی را کاهش داده و با پایین آوردن دمای شروع مارتنزیت، امکان سختکاری یکنواخت در مقاطع ضخیم را فراهم می‌کند. کروم نیز با تشکیل کاربیدهای غنی از کروم، هم سخت‌شوندگی عمقی و هم مقاومت سایشی در دمای بالا را تضمین کرده و در حین تمپرینگ از طریق رسوب کاربیدهای ریز، موجب سخت‌شوندگی ثانویه می‌شود.

مولیبدن و تنگستن نقش کلیدی در پایداری حرارتی این فولاد دارند؛ مولیبدن با تشکیل کاربیدهای پایدار، از تردی تمپر جلوگیری کرده و خاصیت «سختی سرخ» (حفظ سختی در دماهای بالا) را تقویت می‌کند. تنگستن که عنصر متمایزکننده این فولاد نسبت به گریدهایی مانند H13 است، با تشکیل کاربیدهای بسیار سخت و پایدار و به دلیل نفوذپذیری پایین در زمینه آهن، از رشد کاربیدها در دماهای بالا جلوگیری کرده و مقاومت به نرم‌شدگی و تغییر شکل را افزایش می‌دهد. وانادیوم در مقدار محدود (حدود 15/0 تا 50/0 درصد) نگه داشته می‌شود تا ضمن ایجاد کاربیدهای بسیار سخت، از تشکیل کاربیدهای درشت و ایجاد ترک جلوگیری کرده و چقرمگی ضربه‌ای حفظ شود. در نهایت، عناصر ناخالصی مانند فسفر و گوگرد به‌شدت کنترل می‌شوند؛ فسفر می‌تواند موجب تردی مرزدانه‌ای شود و گوگرد نیز در صورت کنترل‌نشدن باعث ایجاد فازهای ترد می‌شود، بنابراین محدود نگه‌داشتن آن‌ها برای حفظ خواص مکانیکی و یکنواختی ساختار ضروری است.

خواص مکانیکی فولاد ۲۶۰۶ به‌شدت به تاریخچه عملیات حرارتی و ریزساختار حاصل از آن وابسته است. در حالت آنیل نرم، این فولاد دارای زمینه فریتی به‌همراه کاربیدهای کروی‌شده (اسفروئیدی) است که باعث بهبود ماشین‌کاری می‌شود؛ در این وضعیت سختی در حدود ۲۲۰ تا ۲۳۵ برینل (HB) قرار دارد، استحکام کششی حدود ۶۹۰ تا ۷۸۰ مگاپاسکال و استحکام تسلیم حدود ۳۳۰ تا ۴۲۰ مگاپاسکال است و ازدیاد طول نسبتاً بالا در حدود ۲۰ تا ۲۵٪ مشاهده می‌شود. پس از کوئنچ و تمپر (Q+T)، ریزساختار به مارتنزیت لایه‌ای تمپرشده به‌همراه توزیع متراکم کاربیدهای ثانویه تبدیل می‌شود که باعث افزایش چشمگیر خواص مکانیکی می‌گردد؛ به‌طوری که سختی به بازه ۴۴ تا ۶۰ راکول C (HRC)، استحکام کششی به حدود ۱۵۰۰ تا ۱۹۰۰ مگاپاسکال و استحکام تسلیم به ۱۲۰۰ تا ۱۵۷۰ مگاپاسکال می‌رسد، در حالی که ازدیاد طول به حدود ۱۰ تا ۱۵٪ کاهش پیدا می‌کند. مدول الاستیسیته در هر دو حالت تقریباً ۲۰۷ تا ۲۱۰ گیگاپاسکال است و ضریب پواسون در محدوده 27/0 تا 30/0 باقی می‌ماند، اما چقرمگی ضربه‌ای در حالت Q+T به‌طور قابل توجهی بهبود یافته و معمولاً در تست شارپی در دماهای بالا در محدوده ۱۵ تا ۳۵ ژول قرار می‌گیرد [2].

در کاربردهای گرم‌کار، رفتار این خواص در دماهای بالا اهمیت حیاتی دارد، زیرا با افزایش دما، استحکام و مدول الاستیسیته به‌صورت غیرخطی کاهش می‌یابند. به‌عنوان مثال، مدول الاستیسیته از حدود ۲۱۰ گیگاپاسکال در دمای ۲۰ درجه سلسیوس به حدود ۱۹۵ گیگاپاسکال در ۲۰۰ درجه سلسیوس، ۱۸۵ گیگاپاسکال در ۴۰۰ درجه سلسیوس، ۱۷۶ گیگاپاسکال در ۵۰۰ درجه سلسیوس و نهایتاً به حدود ۱۶۶ گیگاپاسکال در ۶۰۰ درجه سلسیوس کاهش می‌یابد. این کاهش ناشی از افزایش تحرک نابجایی‌ها (dislocation climb) و درشت‌شدن کاربیدها در دماهای بالا است که منجر به افت استحکام تسلیم و کششی نیز می‌شود.

از طرف دیگر، خواص حرارتی نیز به‌صورت هم‌زمان تغییر کرده و در طراحی ابزار نقش تعیین‌کننده‌ای دارند. هدایت حرارتی از حدود 18.9 تا 24.2 W/m·K در دمای محیط (20 درجه سلسیوس) به حدود 25 در 200 درجه سلسیوس، مقدار 25.6 در 400 درجه سلسیوس، مقدار 28.3 در 500 درجه سلسیوس و در نهایت به 29.3 W/m·K در 600 درجه سلسیوس افزایش می‌یابد که نشان‌دهنده بهبود انتقال حرارت در دماهای بالا است. در مقابل، ضریب انبساط حرارتی نیز با افزایش دما روند افزایشی داشته و باعث تشدید تغییرات حجمی می‌شود. این افزایش انبساط حرارتی در کنار کاهش مدول الاستیسیته، منجر به ایجاد تنش‌های حرارتی پیچیده در سیکل‌های کاری شده و باید در طراحی قالب‌های فورج، اکستروژن و دایکست به‌دقت مورد توجه قرار گیرد.

سیکل عملیات حرارتی فولاد ۲۶۰۶ (DIN 1.2606) یک فرآیند چندمرحله‌ای و دقیق است که هدف آن دستیابی به ریزساختاری یکنواخت، حداقل‌کردن تنش‌های حرارتی و جلوگیری از اعوجاج و ترک است. اولین مرحله، آنیل نرم (Soft Annealing) است که برای بهبود ماشین‌کاری و حذف تنش‌های باقی‌مانده انجام می‌شود. در این مرحله، قطعه با نرخ حداکثر ۱۰۰ درجه سلسیوس بر ساعت تا دمای ۸۲۰ تا ۸۴۰ درجه سلسیوسگرم شده و به‌مدت ۴ تا ۶ ساعت در این دما نگه داشته می‌شود تا آستنیتی شدن کامل و کروی‌شدن کاربیدها رخ دهد. سپس سرد کردن به‌صورت کاملاً کنترل‌شده در داخل کوره با نرخ ۱۰ تا ۲۰ درجه سلسیوس بر ساعت تا دمای ۵۴۰ درجه سلسیوس انجام شده و بعد از آن در هوا تا دمای محیط سرد می‌شود. نتیجه این سیکل، سختی حدود ۲۲۰ تا ۲۳۵ HB و ریزساختار فریت + کاربیدهای کروی ریز است که برای ماشین‌کاری ایده‌آل است. پس از ماشین‌کاری‌های سنگین یا EDM، یک مرحله تنش‌زدایی (Stress Relieving) در دمای حدود ۶۵۰ درجه سلسیوس به‌مدت ۱ تا ۲ ساعت انجام می‌شود تا تنش‌های پسماند بدون ایجاد تغییر فازی آزاد شوند.

مرحله اصلی، سختکاری (Hardening) شامل آستنیتی‌کردن و کوئنچ است که به دلیل حساسیت این فولاد به شوک حرارتی، به‌صورت پیش‌گرم دو مرحله‌ای انجام می‌شود. در پیش‌گرم اول، قطعه تا ۵۴۰ تا ۶۵۰ درجه سلسیوس گرم شده و به‌مدت ۳۰ دقیقه به ازای هر ۲۵ میلی‌متر ضخامت نگه داشته می‌شود؛ سپس در پیش‌گرم دوم به ۸۴۵ تا ۸۷۰ درجه سلسیوس رسیده و مجدداً همان زمان نگهداری اعمال می‌شود. پس از آن، دما به سرعت به محدوده آستنیتی‌کردن نهایی یعنی ۱۰۰۰ تا ۱۰۵۰ درجه سلسیوس افزایش یافته و به‌مدت ۲۰ تا ۳۰ دقیقه برای هر ۲۵ میلی‌متر ضخامت نگه داشته می‌شود. در این دما، بخشی از کاربیدهای آلیاژی (کروم، مولیبدن، تنگستن) حل شده و زمینه آستنیت را غنی می‌کنند، در حالی که بخشی از کاربیدهای ریز برای کنترل رشد دانه باقی می‌مانند. کوئنچ می‌تواند در هوا، گاز نیتروژن تحت فشار (در کوره خلأ)، حمام نمک ۵۰۰ تا ۵۵۰ درجه سلسیوس یا روغن انجام شود؛ اما به‌دلیل سخت‌شوندگی عمقی بالا، کوئنچ در هوا یا گاز ترجیح داده می‌شود تا اعوجاج و ترک کاهش یابد. ریزساختار حاصل شامل مارتنزیت تمپرنشده به‌همراه مقداری آستنیت باقیمانده است و سختی اولیه به حدود ۵۴ تا ۶۰ HRC می‌رسد.

آخرین و بسیار حیاتی‌ترین مرحله، تمپرینگ (Tempering) است که باید بلافاصله پس از کوئنچ و در دمای قطعه حدود ۵۰ تا ۱۰۰ درجه سلسیوس آغاز شود تا از ترک‌های کوئنچی جلوگیری شود. برای این فولاد حداقل دو بار تمپر (Double Tempering) الزامی است و در بسیاری از کاربردها سه بار تمپر برای افزایش چقرمگی انجام می‌شود. دمای تمپر در بازه ۵۲۰ تا ۷۰۰ درجه سلسیوس انتخاب شده و هر سیکل حداقل ۲ ساعت زمان می‌برد. در تمپر اول، تنش‌های داخلی آزاد شده، کاربیدهای ثانویه (مانند W₂C، Mo₂C و Cr₇C₃) رسوب می‌کنند و پدیده سخت‌شوندگی ثانویه رخ می‌دهد؛ همچنین آستنیت باقیمانده ناپایدار شده و در حین سرد شدن به مارتنزیت تازه تبدیل می‌شود. تمپر دوم برای تمپر کردن این مارتنزیت جدید و حذف تنش‌های ناشی از آن ضروری است. از نظر تغییرات دمایی، در حالت کوئنچ‌شده سختی ۵۴–۶۰ HRC است؛ در ۵۰۰ درجه سلسیوس پیک سخت‌شوندگی ثانویه (حدود ۵۳ HRC) رخ می‌دهد؛ در ۶۰۰ درجه سلسیوس سختی به حدود ۵۱ HRC کاهش می‌یابد و در ۷۰۰ درجه سلسیوس  به حدود ۴۸ HRC می‌رسد، در حالی که در دماهای بالاتر ساختار بیش‌ازحد تمپر شده و سختی تا حدود ۴۱ HRC افت می‌کند. این کنترل دقیق دما و سیکل تمپر، کلید دستیابی به تعادل بین سختی، چقرمگی و مقاومت حرارتی در کاربردهای سنگین گرم‌کار است.

در میان روش‌های مهندسی سطح برای فولاد ۲۶۰۶، نیتراسیون پلاسما (به‌ویژه DCPN و CCPN) از مهم‌ترین و پرکاربردترین فرآیندهاست. در روش DCPN، قطعه به‌عنوان کاتد در اتمسفر کم‌فشار N₂–H₂ و تحت ولتاژ حدود ۴۰۰ تا ۷۰۰ ولت قرار می‌گیرد؛ تخلیه درخشی (glow discharge) باعث یونیزه شدن گاز شده و یون‌های نیتروژن با انرژی بالا به سطح برخورد می‌کنند. این برخورد علاوه بر گرم‌کردن سطح، موجب اسپاترینگ اتم‌های آهن و واکنش آن‌ها با نیتروژن فعال می‌شود و در نهایت یک لایه ترکیبی موسوم به «لایه سفید» شامل فازهای ε-Fe_2₋3(N,C) و γ′-Fe₄N تشکیل می‌گردد. در زیر آن نیز ناحیه نفوذی حاوی نیتروژن محلول و نیتریدهای ریز آلیاژی شکل می‌گیرد. سختی سطحی به حدود ۱۰۰۰ تا ۱۱۰۰ HV می‌رسد، اما تمرکز میدان الکتریکی در لبه‌ها می‌تواند باعث overheating و ایجاد CrN در مرزدانه‌ها شود که کروم آزاد را کاهش داده و مقاومت به خوردگی را تضعیف می‌کند. در مقابل، روش CCPN با استفاده از یک قفس کاتدی، تخلیه را از قطعه جدا کرده و در دماهای پایین‌تر ۴۰۰–۴۵۰ درجه سلسیوس لایه‌ای یکنواخت با سختی حدود  1010 HV ایجاد می‌کند، بدون اثر لبه و با حفظ کروم در محلول جامد؛ بنابراین برای قالب‌های پیچیده و دارای کانال خنک‌کاری ایده‌آل است [3, 4].

در کنار آن، نیتراسیون گازی و نیتروکربوراسیون (Tufftride و QPQ) از روش‌های صنعتی مهم هستند. نیتراسیون گازی در دمای ۴۸۰ تا ۵۳۰ درجه سلسیوس با تجزیه آمونیاک انجام شده و نیتروژن اتمی در فولاد نفوذ می‌کند؛ کنترل «پتانسیل نیتراسیون» تعیین‌کننده ضخامت لایه ترکیبی و عمق نفوذ (10/0 تا 30/0 میلی‌متر) است و سختی سطح به ۹۰۰–۱۱۰۰ HV می‌رسد، هرچند زمان فرآیند طولانی (تا ۴۰ ساعت) است. در مقابل، فرآیند Tufftride در حمام نمک سیانات/کربنات مذاب در دمای ۵۸۰ درجه سلسیوس طی ۱–۲ ساعت لایه‌ای ۱۰–۲۰ میکرون از کربونیترید ε ایجاد می‌کند که ضریب اصطکاک پایینی دارد. نسخه پیشرفته‌تر آن یعنی QPQ با یک مرحله اکسیداسیون در ۳۷۰–۴۲۰ درجه سلسیوس لایه‌ای از مگنتیت (Fe₃O₄) ایجاد می‌کند که علاوه بر سایش، مقاومت بسیار بالایی به خوردگی و چسبندگی فلز مذاب (soldering) در دایکست ایجاد می‌کند.

در حوزه پوشش‌های نازک پیشرفته، PVD و PACVD اهمیت ویژه‌ای دارند. در فرآیند PVD، پوشش‌هایی مانند TiN، AlTiN و CrN در خلأ و دمای ۴۵۰–۵۰۰ درجه سلسیوس روی زیرلایه سخت‌شده رسوب داده می‌شوند؛ این پوشش‌ها با ضخامت ۲ تا ۵ میکرون و سختی ۲۰۰۰ تا ۳۵۰۰ HV، یک سد فیزیکی در برابر سایش و اکسیداسیون ایجاد می‌کنند و به‌دلیل دمای پایین، ساختار تمپرشده فولاد تغییر نمی‌کند. در مقابل، PACVD با فعال‌سازی پلاسما و واکنش شیمیایی گازهایی مانند TiCl₄، CH₄ و N₂، پوشش‌هایی مثل TiCN تولید می‌کند که دارای سختی نانویی 25–30 GPa هستند. مزیت کلیدی PACVD، پوشش‌دهی یکنواخت سطوح پیچیده و امکان تنظیم نسبت C/N برای کنترل اصطکاک و سختی است. برای جلوگیری از شکست ترد پوشش (eggshell effect)، معمولاً یک لایه میانی TiN ایجاد می‌شود تا گرادیان تنش و سختی به‌صورت تدریجی منتقل گردد [5].

از روش‌های نفوذی پیشرفته، TRD (Thermoreactive Deposition/Diffusion) و بوردهی بسیار مهم هستند. در TRD، در دمای ۹۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سلسیوس و در حمام بوراکس حاوی عناصر واسطه (Cr، V، Nb)، کربن از زیرلایه به سطح نفوذ کرده و کاربیدهایی مانند Cr₇C₃ یا VC با سختی ۱۴۰۰ تا ۲۰۰۰ HV تشکیل می‌دهد که به‌صورت متالورژیکی به زمینه متصل‌اند. این فرآیند می‌تواند با آستنیتی‌کردن ترکیب شده و سپس مستقیماً کوئنچ شود. بوردهی (Boronizing) نیز در دمای ۸۵۰ تا ۱۰۵۰ درجه سلسیوس انجام شده و لایه‌های FeB و Fe₂B با سختی بسیار بالا تا  2900 HV ایجاد می‌کند؛ در فولاد ۲۶۰۶ حضور عناصر آلیاژی باعث کاهش مورفولوژی سوزنی ترد و افزایش پایداری می‌شود. برای بهبود چقرمگی، بوروآلومینایزینگ یک ساختار چندلایه تا ضخامت ۵۶۰ میکرون ایجاد می‌کند که شامل فازهای بوریدی، آلومینیدی و مارتنزیتی است و مقاومت به اکسیداسیون دمای بالا را نیز افزایش می‌دهد. همچنین پیش‌کربوره‌کردن قبل از بوردهی می‌تواند از تشکیل لایه‌های میانی ترد جلوگیری کند [6-10].

سایر روش‌ها اگرچه اهمیت کمتری نسبت به موارد بالا دارند، اما در کاربردهای خاص استفاده می‌شوند: نیتراسیون لیزری (عمق ۱۵–۵۰ μm، سختی >800 HV، اعوجاج کم)، Laser Cladding برای ترمیم و تقویت موضعی با آلیاژهای کبالت/نیکل، Duplex Treatments (TRD + نیتراسیون برای ایجاد گرادیان سختی و ذرات نانومتری)، و آبکاری کروم سخت با ضخامت ۱۰–۵۰ μm که امروزه به‌دلیل مسائل زیست‌محیطی و خطر تردی هیدروژنی محدود شده است. مجموعه این روش‌ها به مهندس اجازه می‌دهد بسته به نوع سایش، دما و تنش، ترکیب بهینه‌ای از سختی سطح، چقرمگی زیرلایه و مقاومت به خوردگی را برای ابزارهای گرم‌کار طراحی کند [11, 12].

عملکرد دمای بالای فولاد ۲۶۰۶ به‌طور مستقیم به توانایی آن در مقاومت در برابر خستگی حرارتی (Thermal Fatigue) یا همان پدیده heat checking وابسته است. در فرآیندهای گرم‌کار، سطح ابزار به‌طور متناوب با فلزات داغ تا حدود ۱۲۰۰ درجه سلسیوس تماس پیدا کرده و سپس با آب یا روانکار به‌سرعت سرد می‌شود؛ این سیکل باعث ایجاد تنش‌های فشاری در حین گرم شدن و تنش‌های کششی در حین سرد شدن می‌شود. تکرار این سیکل‌ها در نهایت منجر به ایجاد شبکه‌ای از ریزترک‌ها روی سطح می‌گردد. فولاد ۲۶۰۶ به‌دلیل داشتن هدایت حرارتی نسبتاً بالا می‌تواند گرما را سریع‌تر دفع کرده و دمای پیک سطح را کاهش دهد، در نتیجه گرادیان حرارتی بین سطح و مغز کمتر می‌شود. همچنین ضریب انبساط حرارتی پایین باعث کاهش تغییر حجم در سیکل‌های حرارتی شده و مستقیماً تنش‌های حرارتی را محدود می‌کند. علاوه بر این، ترکیب آلیاژی با وانادیوم کمتر و تنگستن بیشتر، از تشکیل کاربیدهای درشت اولیه جلوگیری کرده و در نتیجه نقاط شروع ترک کاهش می‌یابد، که این موضوع مقاومت به خستگی حرارتی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

در دماهای بالا (تا حدود ۶۰۰ درجه سلسیوس)، رفتار خزش و افت استحکام اهمیت حیاتی پیدا می‌کند. در این شرایط، تحت تنش‌های مکانیکی مداوم، تغییر شکل پلاستیک تدریجی در زمینه مارتنزیتی رخ می‌دهد که با نرم‌شدن تدریجی همراه است. فولاد ۲۶۰۶ به‌واسطه حضور متعادل مولیبدن و تنگستن مقاومت بالایی در برابر این پدیده دارد؛ این عناصر با تشکیل کاربیدهای پایدار M₂C و M₆C و به‌دلیل سرعت نفوذ پایین در شبکه آهن، مانع از درشت‌شدن سریع کاربیدها در دماهای بالا می‌شوند. در نتیجه، توزیع ریز و یکنواخت کاربیدهای ثانویه حفظ شده و چگالی موانع حرکت نابجایی‌ها بالا باقی می‌ماند. این ویژگی باعث حفظ استحکام، پایداری ابعادی و مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک در فرآیندهایی مانند فورج و اکستروژن تحت فشار بالا می‌شود.

از نظر خوردگی الکتروشیمیایی و اکسیداسیون دمای بالا، فولاد ۲۶۰۶ با داشتن حدود 75/4  تا 60/5 درصد کروم عملکردی بهتر از فولادهای کربنی ساده دارد، اما به‌دلیل کمتر بودن کروم نسبت به فولادهای زنگ‌نزن، قادر به تشکیل لایه پسیو کامل نیست. بنابراین در محیط‌های مرطوب یا خورنده مستعد زنگ‌زدگی بوده و در دماهای بالا نیز اکسیداسیون و تشکیل پوسته (scale) رخ می‌دهد. در اینجا مهندسی سطح نقش کلیدی دارد؛ به‌عنوان مثال، نیتراسیون پلاسما به‌ویژه CCPN با ایجاد یک لایه نیتریدی متراکم، مانع نفوذ الکترولیت شده و مقاومت خوردگی را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. همچنین فرآیند QPQ با تشکیل لایه مگنتیت (Fe₃O₄) یک سد پایدار در برابر خوردگی محیطی و اکسیداسیون دمای بالا ایجاد می‌کند که برای قالب‌های دایکست بسیار ارزشمند است [13].

در نهایت، مقاومت به سایش و رفتار تریبولوژیکی این فولاد عامل تعیین‌کننده در کاربردهای صنعتی است. در فرآیندهای گرم‌کار، تماس مداوم با فلز مذاب یا نیمه‌مذاب باعث سایش چسبنده (adhesive wear)، سایش ساینده (abrasive wear) و پدیده galling یا چسبیدن فلز به سطح ابزار می‌شود. فولاد ۲۶۰۶ به‌دلیل حضور کاربیدهای سخت کروم، مولیبدن، تنگستن و وانادیوم، مقاومت بالایی در برابر خراش و میکروپلاوینگ دارد. علاوه بر این، در شرایط اصطکاک خشک، این کاربیدها به تشکیل یک لایه اکسیدی تریبولوژیکی پایدار کمک می‌کنند که مانند روانکار جامد عمل کرده و انتقال ماده را کاهش می‌دهد. در صورت استفاده از پوشش‌های پیشرفته مانند PVD (AlTiN، TiCN) یا لایه‌های کاربیدی حاصل از TRD، سختی سطح به بیش از ۲۰۰۰ HV می‌رسد و ضریب اصطکاک کاهش می‌یابد؛ در نتیجه نرخ سایش چندین مرتبه بزرگی کاهش یافته و از چسبندگی فلزات مذابی مانند آلومینیوم و روی به سطح قالب جلوگیری می‌شود [13].

فولاد ۲۶۰۶ (DIN 1.2606) به‌عنوان یک فولاد ابزار گرم‌کار پیشرفته، به‌طور گسترده در کاربردهای صنعتی با تنش بالا استفاده می‌شود؛ از جمله لاینرها و قالب‌های اکستروژن، قالب‌های فورج گرم، تیغه‌های برش داغ، پانچ‌های تحت بار بالا و قالب‌های دایکست آلومینیوم، روی و منیزیم. مزیت اصلی این آلیاژ در طراحی متالورژیکی متعادل آن است که ترکیبی از چقرمگی ضربه‌ای بالا، مقاومت عالی به تمپر و سخت‌شوندگی عمقی (air-hardening) را فراهم می‌کند. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که در حین عملیات حرارتی، تغییرات ابعادی حداقل بوده و در سرویس‌های همراه با خنک‌کاری آبی، مقاومت بسیار خوبی در برابر شوک حرارتی و ترک‌های ماکروسکوپی ایجاد شود. همچنین، مقدار کمتر وانادیوم نسبت به فولادهایی مانند H13 باعث افزایش چقرمگی شکست در کاربردهای سنگین فورج شده، در حالی که حضور تنگستن موجب بهبود سختی سرخ (حفظ سختی در دماهای بالا) و مقاومت به نرم‌شدن حرارتی می‌شود.

با این حال، این فولاد محدودیت‌هایی نیز دارد که در طراحی مهندسی باید در نظر گرفته شوند. به‌دلیل اینکه مقدار کروم آن کمتر از حد لازم برای رفتار زنگ‌نزن است، در برابر خوردگی اتمسفری و اکسیداسیون دمای بالا حساس است و در صورت عدم استفاده از پوشش‌های محافظ (مانند نیتراسیون، PVD یا QPQ) دچار زنگ‌زدگی و پوسته‌شدن سطحی می‌شود. همچنین در حین عملیات حرارتی در دماهای بالا، این فولاد مستعد دکربوریزاسیون (کاهش کربن سطحی) است که می‌تواند سختی و مقاومت سایشی سطح را کاهش دهد؛ بنابراین استفاده از کوره‌های خلأ یا اتمسفر محافظ (مانند گاز خنثی) ضروری است.

نکته مهم دیگر این است که اگرچه کاهش مقدار وانادیوم باعث بهبود چقرمگی شده، اما به‌طور نسبی مقاومت به سایش ساینده پایه آن کمتر از فولادهای وانادیوم‌بالا مانند H13 است. به همین دلیل، در محیط‌های بسیار سایشی یا در تماس با فلزات مذاب، استفاده از مهندسی سطح پیشرفته (مانند نیتراسیون پلاسما، پوشش‌های PVD یا فرآیند QPQ) برای افزایش سختی سطح به بالای ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ HV و کاهش ضریب اصطکاک کاملاً ضروری است. در مجموع، فولاد ۲۶۰۶ زمانی بهترین عملکرد را ارائه می‌دهد که طراحی متالورژیکی آن با انتخاب صحیح سیکل عملیات حرارتی و پوشش سطحی مناسب تکمیل شود.

مراجع

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

[2]     Z. Pan, Y. Feng, and S. Y. Liang, “Material microstructure affected machining: a review,” Manufacturing Review, vol. 4, p. 5, 2017.

[3]     M. Łępicka and M. Grądzka-Dahlka, “Direct current and pulsed direct current plasma nitriding of ferrous materials a critical review,” acta mechanica et automatica, vol. 10, no. 2, pp. 150–158, 2016.

[4]     A. F. Soares do Monte e Silva et al., “Effect of Conventional and Cathodic Cage Plasma Nitriding on the Mechanical and Corrosion Behavior of AISI 420 Martensitic Stainless Steel,” ACS Omega, 2026.

[5]     S. M. M. Shafiei, M. Divandari, and S. M. A. Boutorabi, “Evaluation of modulus of elasticity, nano-hardness and stiffness of TiCN coating deposited by PACVD,” Technium, vol. 2, no. 4, pp. 33–38, 2020.

[6]     C.-Y. Wei and F.-S. Chen, “Characterization on multi-layer fabricated by TRD and plasma nitriding,” Materials chemistry and physics, vol. 90, no. 1, pp. 178–184, 2005.

[7]     P. Jurči and M. Hudáková, “Diffusion boronizing of H11 hot work tool steel,” Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 20, no. 7, pp. 1180–1187, 2011.

[8]     A. A. Amaya Avila, O. E. Piamba Tulcan, and J. J. Olaya Florez, “Vanadium carbide coatings produced on gray cast iron using the thermo-reactive deposition/diffusion technique,” Ingeniería mecánica, tecnología y desarrollo, vol. 5, no. 3, pp. 333–338, 2015.

[9]     U. Mishigdorzhiyn, Y. Chen, N. Ulakhanov, and H. Liang, “Microstructure and wear behavior of tungsten hot-work steel after boriding and boroaluminizing,” Lubricants, vol. 8, no. 3, p. 26, 2020.

[10]   J. Strauss, N. Sacks, and D. Hagedorn-Hansen, “Influence of Deposition Orientation on the Microstructure and Mechanical Properties of H12 Tool Steel/316L Stainless Steel Functionally Graded Materials Fabricated by Wire Directed Energy Deposition,” Metals and Materials International, vol. 31, no. 12, pp. 3544–3559, 2025.

[11]   W.-S. Shin et al., “Effect of laser heat-treatment and laser nitriding on the microstructural evolutions and wear behaviors of AISI P21 mold steel,” Metals, vol. 10, no. 11, p. 1487, 2020.

[12]   T. L. Ngake and K. V. Mjali, “Impact of Diffusion Coating and Laser Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Steel,” European Journal of Materials Science and Engineering, vol. 9, no. 4, pp. 245–268, 2024.

[13]   N. A. Shapagina and V. V. Dushik, “Coatings based on refractory materials for corrosion and wear applications,” Materials, vol. 17, no. 23, p. 5936, 2024.