فولاد 1.2312

فولاد 1.2312(40CrMnMoS8-6) یک فولاد عملیات حرارتی‌پذیر کروم-منگنز-مولیبدن است که به‌عنوان یکی از مهم‌ترین فولادهای پیش‌سخت‌کاری شده برای ساخت قالب‌های پلاستیک، دایکست و اکستروژن پلیمر شناخته می‌شود. این فولاد بر پایه فولاد 1.2311 (P20) توسعه یافته و با افزودن کنترل‌شده گوگرد، ماشین‌کاری بسیار بهتری پیدا کرده است. این آلیاژ معمولاً با سختی 280 تا 325 برینل به‌صورت پیش‌سخت‌شده عرضه می‌شود و به همین دلیل پس از ماشین‌کاری نیازی به عملیات حرارتی مجدد ندارد؛ موضوعی که خطر اعوجاج، ترک و تنش‌های حرارتی را در قالب‌های بزرگ کاهش می‌دهد [1].

اگرچه ماشین‌کاری عالی و کاهش هزینه‌های تولید از مهم‌ترین مزایای 1.2312 محسوب می‌شوند، حضور گوگرد باعث کاهش قابلیت پولیش آینه‌ای، جوش‌پذیری و مقاومت به خوردگی موضعی می‌شود. در کاربردهای سنگین و شرایط سایش یا خوردگی شدید، برای افزایش عملکرد سطحی این فولاد معمولاً از روش‌هایی مانند نیتراسیون، پوشش‌دهی PVD و سخت‌کاری لیزری استفاده می‌شود [2].

مشخصات شیمیایی و مکانیکی این فولاد در استاندارد DIN EN ISO 4957 با نام 1.2312 یا 40CrMnMoS8-6 تعریف شده است. معادل آمریکایی آن AISI P20+S مطابق استاندارد ASTM A681 بوده و در استاندارد فرانسه با نام 40CMD8S شناخته می‌شود. این فولاد به دلیل خواص مناسب و قابلیت ماشین‌کاری بالا، در صنایع قالب‌سازی و تولید انبوه در سراسر جهان کاربرد گسترده‌ای دارد [3].

خواص فولاد 1.2312 (40CrMnMoS8-6) از طریق ترکیب متعادلی از کربن و عناصر آلیاژی کاربیدساز کنترل می‌شود. ویژگی متمایز این فولاد، افزودن گوگرد است که با تغییر ریزساختار، قابلیت ماشین‌کاری و رفتار سایشی آن را بهبود می‌بخشد. عناصر اصلی این آلیاژ شامل کربن، سیلیسیم، منگنز، گوگرد، کروم و مولیبدن هستند که هر یک نقش مشخصی در تعیین خواص نهایی فولاد ایفا می‌کنند.

کربن عامل اصلی تشکیل مارتنزیت سخت پس از کوئنچ بوده و استحکام و سختی نهایی فولاد را تعیین می‌کند. کروم مهم‌ترین عنصر افزایش‌دهنده سختی‌پذیری است و با به تأخیر انداختن تشکیل پرلیت، امکان ایجاد ساختار یکنواخت مارتنزیتی و بینیتی را حتی در مقاطع ضخیم فراهم می‌سازد. همچنین کاربیدهای پایدار کروم مقاومت به سایش و پایداری حرارتی فولاد را افزایش می‌دهند. مولیبدن نیز همراه با کروم، سختی‌پذیری عمقی را بهبود داده و از تردی برگشتی در حین عملیات حرارتی جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، کاربیدهای ریز مولیبدن موجب حفظ استحکام و مقاومت خزشی فولاد در شرایط سیکل‌های حرارتی شدید می‌شوند.

منگنز علاوه بر نقش اکسیژن‌زدایی، با گوگرد ترکیب شده و از تشکیل سولفید آهن در مرزدانه‌ها جلوگیری می‌کند؛ پدیده‌ای که می‌تواند باعث ترک‌های بین‌دانه‌ای در دماهای بالا شود. گوگرد عنصر شاخص و تعیین‌کننده فولاد 1.2312 محسوب می‌شود و تفاوت اصلی این گرید با فولاد پایه 1.2311 به حضور همین عنصر مربوط است. در حین انجماد، گوگرد با منگنز واکنش داده و آخال‌های غیرفلزی سولفید منگنز (MnS) را به‌صورت یکنواخت و کشیده در سراسر زمینه فریتی-پرلیتی یا بینیتی-مارتنزیتی ایجاد می‌کند. این آخال‌ها تأثیر بسیار مهمی بر رفتار ماشین‌کاری فولاد دارند.

در فرآیندهای ماشین‌کاری نظیر فرزکاری، سوراخ‌کاری و تراشکاری، آخال‌های MnS به‌عنوان نقاط تمرکز تنش در ناحیه برش عمل کرده و باعث شکست سریع و ترد براده‌ها می‌شوند. در نتیجه از تشکیل براده‌های بلند و پیوسته که می‌توانند موجب اختلال در عملکرد ابزار شوند، جلوگیری می‌شود. علاوه بر این، سولفیدهای منگنز در دماهای بالای ناحیه تماس ابزار و قطعه‌کار مانند یک روانکار جامد عمل کرده و ضریب اصطکاک و بار حرارتی وارد بر ابزار را کاهش می‌دهند. این سازوکار متالورژیکی موجب افزایش قابل توجه سرعت و بهره‌وری ماشین‌کاری نسبت به فولاد کم‌گوگرد 1.2311 می‌شود [4].

با وجود این مزایا، حضور آخال‌های سولفیدی پیامدهای منفی نیز به همراه دارد. این آخال‌ها باعث کاهش چقرمگی ضربه‌ای، به‌ویژه در جهت عرضی، می‌شوند و در شرایط تنش‌های شدید حرارتی می‌توانند به محل آغاز ترک تبدیل شوند. همچنین وجود سولفیدها محدودیت‌هایی را در عملیات حرارتی، جوشکاری و برخی فرآیندهای اصلاح سطح ایجاد می‌کند، زیرا تحت شوک‌های حرارتی شدید احتمال رشد ترک از نواحی حاوی آخال افزایش می‌یابد. بنابراین، بهبود قابلیت ماشین‌کاری در فولاد 1.2312 با نوعی مصالحه میان سهولت ساخت و برخی خواص مکانیکی و حرارتی همراه است.

• ترکیب شیمیایی فولاد 2312 [3, 5].

فولاد 1.2312 (40CrMnMoS8-6) به‌منظور ایجاد تعادل مناسب میان استحکام، چقرمگی و پایداری ابعادی طراحی شده است. این فولاد معمولاً به‌صورت کوئنچ و دو مرحله تمپر شده از کارخانه تحویل داده می‌شود و دارای ریزساختار یکنواخت مارتنزیتی و بینیتی است؛ بنابراین بدون نیاز به عملیات حرارتی مجدد، مستقیماً در ساخت قالب‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در حالت پیش‌سخت‌شده، سختی فولاد در محدوده 280 تا 325 برینل (29 تا 34 راکول C) قرار دارد. استحکام تسلیم آن حدود 850 مگاپاسکال بوده و استحکام کششی نهایی به حدود 1080 مگاپاسکال می‌رسد. با وجود حضور آخال‌های سولفیدی و سختی نسبتاً بالا، فولاد همچنان شکل‌پذیری مناسبی داشته و ازدیاد طول آن حدود 10 درصد است. چقرمگی ضربه‌ای در دمای محیط حدود 20 ژول است که اگرچه نسبت به فولادهای با خلوص بالا کمتر است، اما برای کاربردهای معمول قالب‌سازی کاملاً کافی محسوب می‌شود. در صورتی که فولاد در حالت آنیل نرم استفاده شود، سختی آن به کمتر از 235 برینل کاهش یافته و استحکام آن نیز افت می‌کند، اما قابلیت تغییر شکل و ماشین‌کاری افزایش می‌یابد.

از نظر خواص فیزیکی، چگالی فولاد حدود 7.85 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. هدایت حرارتی آن در دمای محیط نزدیک به 34 وات بر متر کلوین بوده که امکان انتقال سریع حرارت و کاهش زمان سیکل خنک‌کاری قالب‌های پلاستیک را فراهم می‌کند. همچنین ضریب انبساط حرارتی خطی این فولاد با افزایش دما به‌تدریج افزایش می‌یابد و این ویژگی برای محاسبه دقیق انقباض و تلرانس‌های ابعادی در طراحی قالب‌های دقیق اهمیت زیادی دارد. به‌طور کلی، ترکیب مناسب خواص مکانیکی و حرارتی، فولاد 1.2312 را به یکی از پرکاربردترین فولادهای قالب پلاستیک پیش‌سخت‌کاری شده تبدیل کرده است.

اگرچه فولاد 1.2312 (40CrMnMoS8-6) اغلب به‌صورت پیش‌سخت‌کاری‌شده از کارخانه مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما در برخی کاربردهای ویژه، تعمیرات جوشی گسترده یا نیاز به استحکام بالاتر، انجام عملیات حرارتی مجدد ضروری است. دماهای بحرانی این فولاد شامل شروع آستنیتی شدن در حدود 733 تا 740 درجه سانتی‌گراد، پایان آستنیتی شدن در محدوده 780 تا 820 درجه سانتی‌گراد و شروع تشکیل مارتنزیت در حدود 310 تا 320 درجه سانتی‌گراد است که مبنای طراحی سیکل‌های حرارتی را تشکیل می‌دهند.

برای دستیابی به حداکثر نرمی و بهبود قابلیت ماشین‌کاری، عملیات آنیل نرم انجام می‌شود. در این فرآیند، فولاد تا محدوده 710 تا 740 درجه سانتی‌گراد گرم شده و پس از زمان نگهداری مناسب، با سرعت بسیار آهسته در داخل کوره سرد می‌شود. نتیجه این عملیات تشکیل ساختار فریتی-پرلیتی نرم با سختی حداکثر 230 تا 235 برینل است. همچنین پس از ماشین‌کاری‌های سنگین، به‌منظور حذف تنش‌های پسماند و جلوگیری از اعوجاج، عملیات تنش‌زدایی انجام می‌شود. برای قطعات پیش‌سخت‌شده، این عملیات معمولاً در محدوده 500 تا 550 درجه سانتی‌گراد صورت می‌گیرد و دمای آن باید پایین‌تر از دمای تمپر اولیه باشد تا از کاهش ناخواسته سختی جلوگیری شود. در قطعات آنیل‌شده، دماهای بالاتری برای تنش‌زدایی قابل استفاده هستند.

برای سخت‌کاری کامل، فولاد ابتدا به‌صورت مرحله‌ای پیش‌گرم شده و سپس در محدوده 830 تا 880 درجه سانتی‌گراد آستنیتی می‌شود. پس از یکنواخت شدن ترکیب و حل شدن کاربیدها، قطعه در روغن، حمام نمک گرم یا گاز تحت فشار کوئنچ می‌شود. این سرد شدن سریع مانع نفوذ اتم‌های کربن شده و ساختار مارتنزیتی بسیار سختی ایجاد می‌کند که سختی آن در حالت کوئنچ‌شده به حدود 51 تا 55 راکول C می‌رسد. با این حال، مارتنزیت تازه تشکیل‌شده بسیار ترد و دارای تنش‌های داخلی بالاست؛ بنابراین تمپر کردن باید بلافاصله پس از سرد شدن قطعه انجام شود.

عملیات تمپر با رسوب کاربیدهای پایدار و کاهش تنش‌های داخلی، خواص نهایی فولاد را تنظیم می‌کند. در صنعت، انجام تمپر دو مرحله‌ای به‌عنوان یک الزام متالورژیکی شناخته می‌شود، زیرا آستنیت باقی‌مانده پس از تمپر اول به مارتنزیت تبدیل شده و در سیکل دوم پایدار می‌شود. با افزایش دمای تمپر، سختی و استحکام فولاد به‌تدریج کاهش یافته و چقرمگی آن افزایش می‌یابد. در دماهای پایین تمپر، سختی در حدود 50 راکول C حفظ می‌شود، در حالی که با افزایش دما به حدود 600 درجه سانتی‌گراد، سختی به حدود 36 راکول C کاهش می‌یابد. این قابلیت تنظیم خواص مکانیکی باعث می‌شود فولاد 1.2312 بتواند متناسب با شرایط کاری مختلف، ترکیب مناسبی از استحکام، سختی و چقرمگی را ارائه دهد.

فولاد 1.2312 (40CrMnMoS8-6) به دلیل عرضه در حالت پیش‌سخت‌کاری‌شده، دارای پایداری ابعادی بالا و ریزساختار یکنواختی است، اما سختی ذاتی سطح آن که حدود 32 راکول C است، در بسیاری از کاربردهای سنگین برای مقابله با سایش شدید ناشی از پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف شیشه، فرسایش ناشی از جریان مذاب و حملات شیمیایی در سیکل‌های طولانی تولید کافی نیست. ازاین‌رو، استفاده از فناوری‌های پیشرفته مهندسی سطح برای افزایش سختی، مقاومت سایشی و طول عمر قالب‌ها به یک الزام اساسی در صنایع مدرن تبدیل شده است. با توجه به وجود آخال‌های سولفید منگنز در این فولاد، انتخاب نوع پوشش و نحوه اجرای عملیات سطحی باید با دقت فراوان انجام شود، زیرا این آخال‌ها می‌توانند بر رفتار متالورژیکی، چسبندگی پوشش و مقاومت نهایی ابزار تأثیر بگذارند.

یکی از متداول‌ترین و مؤثرترین روش‌های بهبود خواص سطحی فولاد 1.2312، نیتراسیون و نیتروکربوراسیون است. در این فرآیندها، نیتروژن یا ترکیبی از نیتروژن و کربن در دمای حدود 525 تا 575 درجه سانتی‌گراد به داخل فولاد نفوذ می‌کنند. از آنجا که این محدوده دمایی پایین‌تر از دمای تمپر اصلی بلوک‌های پیش‌سخت‌کاری‌شده است، عملیات بدون ایجاد اعوجاج، تاب‌برداشتن یا افت سختی مغز قطعه انجام می‌شود و حتی قالب‌های نهایی ماشین‌کاری‌شده را نیز می‌توان تحت این فرآیند قرار داد. در طی نیتراسیون، نیتروژن با آهن و عناصر نیتریدساز قوی نظیر کروم و مولیبدن واکنش داده و ساختار پیچیده‌ای را در سطح تشکیل می‌دهد. در خارجی‌ترین بخش، لایه‌ای بسیار سخت و شکننده موسوم به «لایه سفید» شامل فازهای ε-Fe_2-3N و γ’-Fe₄N ایجاد می‌شود. در زیر این لایه، منطقه نفوذی قرار دارد که در آن نیتروژن محلول و نیتریدهای ریز کروم و مولیبدن باعث افزایش استحکام شبکه می‌شوند. در نتیجه، سختی سطح از حدود 300 ویکرز به محدوده 650 تا 1100 ویکرز افزایش یافته و لایه سخت‌شده‌ای با عمق مؤثر حدود 0.3 تا 0.5 میلی‌متر ایجاد می‌شود. سیکل‌های صنعتی نیتراسیون پلاسمایی معمولاً بین 20 تا 60 ساعت زمان نیاز دارند. این افزایش موضعی سختی، مقاومت سایشی، مقاومت در برابر چسبندگی، مقاومت خستگی و پایداری در برابر ترک‌های حرارتی را به‌طور محسوسی بهبود می‌بخشد و تا حدی مقاومت خوردگی سطح را نیز افزایش می‌دهد [6].

برای کاربردهایی که به بیشترین سختی و کمترین ضریب اصطکاک نیاز دارند، از پوشش‌های سرامیکی به روش رسوب فیزیکی بخار (PVD) استفاده می‌شود. در این روش، لایه‌ای بسیار نازک با ضخامت کمتر از چند میکرومتر از پوشش‌هایی نظیر TiAlN، AlCrN و CrN بر سطح فولاد رسوب داده می‌شود. این پوشش‌ها دارای سختی بسیار بالایی در محدوده 2500 تا 3000 ویکرز هستند و علاوه بر پایداری حرارتی عالی، مقاومت شیمیایی بالایی نیز دارند. این لایه‌های سرامیکی به‌صورت مؤثری فولاد زیرین را از تماس مستقیم با جریان‌های پرسرعت مذاب و ذرات ساینده محافظت می‌کنند. از آنجا که فرآیند PVD معمولاً در دمای 200 تا 400 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود، ابعاد دقیق قالب و خواص مغز فولاد بدون تغییر باقی می‌ماند. پژوهش‌های جدید همچنین از پوشش‌های مبتنی بر فاز S یا آستنیت منبسط‌شده استفاده می‌کنند که ضمن دستیابی به سختی بالا، چسبندگی بهتری نسبت به پوشش‌های سنتی ایجاد می‌کنند [7].

در مقابل، پوشش‌دهی شیمیایی بخار (CVD) به‌ندرت برای فولاد 1.2312 پیش‌سخت‌کاری‌شده به کار می‌رود، زیرا دمای بالای این فرآیند که اغلب از 900 درجه سانتی‌گراد فراتر می‌رود، موجب آستنیتی شدن کامل فولاد و از بین رفتن وضعیت پیش‌سخت‌کاری‌شده آن می‌شود. در نتیجه، قطعه باید مجدداً تحت عملیات کوئنچ و تمپر قرار گیرد و همین موضوع خطر اعوجاج و تغییر ابعاد را افزایش می‌دهد. با این حال، برخی فرآیندهای CVD با دمای پایین یا پوشش‌های ویژه نظیر وانادیوم کربونیترید و کاربیدهای کروم در کاربردهای بسیار خاص ضدچسبندگی و سایش شدید مورد استفاده قرار می‌گیرند.

یکی از مهم‌ترین مکانیزم‌های شکست پوشش‌های PVD روی فولاد 1.2312، پدیده معروف «پوسته تخم‌مرغ» یا «شیشه روی برف» است. در این حالت، پوشش سرامیکی بسیار سخت روی زیرلایه‌ای نسبتاً نرم با سختی حدود 32 راکول C قرار دارد. تحت فشارهای زیاد، فولاد زیرین دچار تغییر شکل پلاستیک می‌شود، اما پوشش شکننده توانایی تحمل این تغییر شکل را ندارد و در نتیجه ترک خورده و به‌سرعت از سطح جدا می‌شود. برای جلوگیری از این مشکل، متخصصان پوشش از سیستم‌های دوپلکس استفاده می‌کنند. در این روش ابتدا فولاد تحت نیتراسیون پلاسمایی قرار می‌گیرد تا یک لایه باربر با سختی بالا در زیر سطح ایجاد شود و سپس پوشش PVD اعمال می‌شود. این گرادیان سختی باعث توزیع یکنواخت‌تر تنش‌ها و افزایش قابل توجه ظرفیت تحمل بار و دوام پوشش در شرایط کاری شدید می‌شود.

مهندسی سطح با لیزر یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های اصلاح موضعی سطح فولاد 1.2312 محسوب می‌شود. در این فناوری، لیزرهای دیودی یا فیبری پرتوان، که توان آن‌ها می‌تواند تا حدود 2 کیلووات برسد، انرژی حرارتی را تنها به نواحی بحرانی و مستعد سایش منتقل می‌کنند، بدون آنکه کل قطعه گرم شود. سطح مورد نظر تا بالاتر از دمای Ac₃ گرم شده و به‌طور کامل آستنیتی می‌شود، سپس گرما به سرعت به مغز سرد قطعه منتقل شده و فرآیند خودکوئنچی رخ می‌دهد. این سیکل حرارتی بسیار سریع مانع تشکیل فازهای نرم‌تر شده و ریزساختار را به مارتنزیت لایه‌ای فوق‌ریز با چگالی زیاد مرزدانه‌ها تبدیل می‌کند. در نتیجه، سختی سطح از حدود 300 ویکرز به حدود 600 تا 650 ویکرز افزایش یافته و عمق ناحیه سخت‌شده می‌تواند به حدود یک میلی‌متر برسد. علاوه بر این، تنش‌های فشاری مفیدی در منطقه متأثر از حرارت ایجاد می‌شود که مقاومت به تغییر شکل پلاستیک، ترک‌های حرارتی و سایش شدید را افزایش می‌دهد، در حالی که اعوجاج کلی قطعه تقریباً صفر باقی می‌ماند [8, 9].

در کنار فناوری‌های پیشرفته، روش‌های سنتی مانند سخت‌کاری القایی و شعله‌ای همچنان برای قطعات بزرگ صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این روش‌ها، سطح قطعه به‌سرعت توسط میدان الکترومغناطیسی یا شعله گرم شده و سپس کوئنچ می‌شود و سختی سطحی حدود 50 تا 55 راکول C به دست می‌آید. پس از آن، انجام تمپر موضعی ضروری است تا از ترک‌های ناشی از کوئنچ جلوگیری شود. کربوره کردن نیز از نظر فنی امکان‌پذیر است و می‌تواند لایه‌هایی با سختی 55 تا 59 راکول C ایجاد کند، اما دماهای بالای مورد نیاز، ساختار و خواص مغز فولاد را تغییر داده و خطر اعوجاج را افزایش می‌دهند.

پوشش کروم سخت نیز برای افزایش هم‌زمان مقاومت به خوردگی و سایش به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، طی فرآیند آبکاری الکتروشیمیایی، اتم‌های هیدروژن می‌توانند وارد شبکه فولاد شده و موجب تردی هیدروژنی شوند. به همین دلیل، انجام عملیات حرارتی پس از آبکاری در حدود 180 درجه سانتی‌گراد و به مدت حداقل 4 ساعت یک الزام ایمنی محسوب می‌شود تا هیدروژن محبوس از ساختار خارج شده و از ایجاد ترک‌های تأخیری جلوگیری شود.

اگرچه حضور گوگرد در فولاد 1.2312 قابلیت ماشین‌کاری بسیار عالی ایجاد می‌کند، اما همین ویژگی محدودیت‌های مهمی در پرداخت نهایی سطح به وجود می‌آورد. آخال‌های کشیده سولفید منگنز به‌عنوان نواحی نرم در میان زمینه سخت فولاد عمل می‌کنند. در هنگام پولیش، این آخال‌ها سریع‌تر از زمینه ساییده شده یا کاملاً از جای خود خارج می‌شوند و ساختاری حفره‌دار و دنباله‌دار موسوم به «Comet Tail» ایجاد می‌کنند. در نتیجه، دستیابی به سطوح آینه‌ای بسیار شفاف و با کیفیت اپتیکی عملاً امکان‌پذیر نیست. همچنین در فرآیندهای اچ شیمیایی و ایجاد بافت‌های تزئینی، اختلاف رفتار الکتروشیمیایی میان آخال‌های MnS و زمینه فولادی باعث می‌شود محل این آخال‌ها با سرعت بیشتری خورده شود و الگوهای ناهمگن، لکه‌دار و غیرقابل قبول ایجاد گردد. ازاین‌رو، در کاربردهایی که به پرداخت اپتیکی کامل، لنزهای شفاف، قطعات تزئینی خودرو یا بافت‌های بسیار یکنواخت نیاز است، مهندسان قالب‌سازی معمولاً فولادهای بدون گوگرد مانند 1.2311 یا فولاد نیکل‌دار 1.2738 را انتخاب می‌کنند و در مقابل، بخشی از مزیت فوق‌العاده ماشین‌کاری 1.2312 را فدا می‌کنند تا کیفیت نهایی سطح تضمین شود [10].

این فولاد 1.2312 (40CrMnMoS8-6) در حالت استاندارد، مقاومت سایشی متوسطی داشته و برای قالب‌گیری پلیمرهای بدون پرکننده و کاربردهای عمومی مناسب است. ضریب اصطکاک این فولاد در حالت خام نسبتاً بالا بوده و در تماس خشک با سطوح سخت‌تر، سایش‌های چسبنده و ساینده به‌صورت تدریجی رخ می‌دهد. با این حال، استفاده از روش‌های مهندسی سطح نظیر نیتراسیون، پوشش‌های دوپلکس و سخت‌کاری لیزری، رفتار تریبولوژیکی فولاد را به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهد. تشکیل مارتنزیت فوق‌ریز و ایجاد تنش‌های فشاری پسماند در اثر سخت‌کاری لیزری، ضریب اصطکاک را کاهش داده و مقاومت فولاد را در برابر سایش ناشی از ذرات ساینده‌ای مانند الیاف شیشه، تالک و پرکننده‌های معدنی افزایش می‌دهد. همچنین لایه‌های نیتریده غنی از نیتروژن، ظرفیت تحمل بار سطح را بالا برده و از وقوع سایش چسبنده و تغییر شکل موضعی جلوگیری می‌کنند؛ موضوعی که موجب حفظ دقت خطوط جدایش قالب و افزایش طول عمر ابزار در تولیدات چند میلیون سیکلی می‌شود [11-13].

قطعات ساخته‌شده از فولاد 1.2312 در حین کار به‌طور هم‌زمان تحت بارهای مکانیکی متناوب و سیکل‌های شدید حرارتی قرار می‌گیرند. فشارهای بالای دستگاه‌های تزریق و تغییرات مداوم دمایی ناشی از تماس مذاب‌های داغ و کانال‌های خنک‌کننده، زمینه ایجاد خستگی مکانیکی و خستگی حرارتی را فراهم می‌کنند. آغاز ترک‌های خستگی معمولاً در نواحی تمرکز تنش مانند آثار ماشین‌کاری عمیق یا مرز آخال‌های سولفید منگنز رخ می‌دهد. از سوی دیگر، انبساط و انقباض متوالی لایه سطحی در برابر مغز سرد قالب، موجب ایجاد شبکه‌ای از ترک‌های ریز موسوم به «Heat Checking» یا الگوی لاک‌پشتی می‌شود که کیفیت ظاهری قطعات تولیدی را کاهش می‌دهد. استفاده از روش‌هایی مانند نیتراسیون، پوشش‌های دوپلکس و سخت‌کاری لیزری با ایجاد تنش‌های فشاری پسماند و افزایش سختی سطح، رشد ترک‌های خستگی را به تأخیر انداخته و عمر کاری قالب را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد.

از نظر مقاومت به خوردگی، فولاد 1.2312 به دلیل مقدار نسبتاً کم کروم، فاقد توانایی تشکیل لایه محافظ پایدار بوده و در محیط‌های مرطوب و خورنده مقاومت محدودی دارد. این مشکل هنگام فرآوری پلیمرهای خورنده نظیر PVC یا رزین‌های حاوی هالوژن تشدید می‌شود، زیرا محصولات تجزیه این مواد می‌توانند حملات شیمیایی شدیدی به سطح قالب وارد کنند. علاوه بر این، آخال‌های سولفید منگنز موجود در ساختار فولاد به‌عنوان نقاط آندی فعال عمل کرده و با تشکیل سلول‌های گالوانیکی موضعی، زمینه ایجاد خوردگی حفره‌ای عمیق را فراهم می‌کنند. برای مقابله با این ضعف، استفاده از پوشش‌هایی مانند کروم سخت، نیکل بدون الکترولیت و پوشش‌های سرامیکی PVD ضروری است. همچنین فرآیندهایی مانند ذوب سطحی با لیزر می‌توانند با یکنواخت‌تر کردن توزیع عناصر و تغییر مرزهای آخال‌های سولفیدی، نرخ خوردگی فولاد را به‌طور محسوسی کاهش دهند. از نظر دمای کاری نیز این فولاد تا حدود 300 درجه سانتی‌گراد پایداری مناسبی دارد و می‌تواند افزایش‌های کوتاه‌مدت دما تا حدود 400 درجه سانتی‌گراد را تحمل کند، اما قرارگیری طولانی‌مدت در دماهای بالاتر باعث نرم‌شدن ساختار، کاهش استحکام، بروز خزش و در دماهای بسیار بالا موجب اکسیداسیون شدید و تخریب ابعادی ابزار می‌شود؛ بنابراین برای کاربردهای دمای بالا مانند قالب‌های فورج گرم یا اکستروژن، استفاده از فولادهای گرم‌کار آلیاژی‌تر نظیر H13 یا H21 ترجیح داده می‌شود [12, 14].

مراجع

[1]     R. Schöngrundner, W. Ecker, S. Marsoner, P. Gruber, and R. Ebner, “Development of a simulation aided design strategy for casting die frames,” 2012.

[2]     K. Dalaei, C. Temmel, and B. Karlsson, “An investigation on machinability of low sulphur steel,” 2007.

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

[4]     C. Xie et al., “Effect of bismuth content and heating rate on MnS inclusions in free-cutting steel,” Metals, vol. 14, no. 6, p. 713, 2024.

[5]     C. W. Wegst and M. Wegst, Stahlschlüssel: Key to steel. Verlag Stahlschlüssel Wegst, 2013.

[6]     S. Fryska, M. Wypych, P. Kochmański, and J. Baranowska, “Enhancement of the Wear Properties of Tool Steels Through Gas Nitriding and S-Phase Coatings,” Metals, vol. 16, no. 1, p. 9, 2025.

[7]     B. Dochev et al., “Duplex Surface Modification of 40CrMnMo7 Tool Steel by Chemical-Thermal Treatment and PVD Coating,” Metals, vol. 16, no. 4, p. 377, 2026.

[8]     C. Park, A. Sim, S. Ahn, H. Kang, and E.-J. Chun, “Influence of laser surface engineering of AISI P20-improved mold steel on wear and corrosion behaviors,” Surface and Coatings Technology, vol. 377, p. 124852, 2019.

[9]     F. M. Rodrigues, F. Gonçalves, D. Cavaleiro, E. L. Silva, and A. S. Ramos, “Surface hardening of a mould steel by laser quenching,” Scientific Reports, 2026.

[10]   J. C. G. Milan et al., “Effects of calcium-treatment of a plastic injection mold steel on the tool wear and power consumption in slot milling,” journal of materials research and technology, vol. 13, pp. 1103–1114, 2021.

[11]   P. L. Menezes, S. V. Kailas, and M. R. Lovell, “Friction and transfer layer formation in polymer–steel tribo-system: role of surface texture and roughness parameters,” Wear, vol. 271, no. 9-10, pp. 2213–2221, 2011.

[12]   G. Yan et al., “Wear and corrosion behavior of P20 steel surface modified by gas nitriding with laser surface engineering,” Applied surface science, vol. 530, p. 147306, 2020.

[13]   K. Zhao, G. Yan, J. Li, W. Guo, J. Gu, and C. Li, “The resistance to wear and thermal cracking of laser surface engineered P20 steel,” Coatings, vol. 13, no. 1, p. 97, 2023.

[14]   M. H. Ghoncheh, A. Shahriari, N. Birbilis, and M. Mohammadi, “Process-microstructure-corrosion of additively manufactured steels: a review,” Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, vol. 49, no. 4, pp. 607–717, 2024.