فولاد 2355 یک فولاد ابزار آلیاژی مقاوم به ضربه از خانواده فولادهای کروم–مولیبدن–وانادیوم با کربن متوسط است که با نام 50CrMoV13-15 نیز شناخته میشود و در سیستم استاندارد اروپایی با شماره ماده 1.2355 و در چهارچوب استاندارد EN ISO 4957 طبقهبندی میشود. این فولاد در زمره فولادهای ابزار هواسختشونده با چقرمگی بسیار بالا قرار میگیرد و برای کار در شرایطی طراحی شده است که قطعه تحت بارهای ضربهای ناگهانی، تنشهای فشاری سنگین و چرخههای بارگذاری دینامیکی شدید قرار دارد. در چشمانداز صنعتی مدرن که نیازمند ابزارها و قطعاتی با توان جذب انرژی ضربه، پایداری ابعادی بالا و مقاومت در برابر شکست ترد است، فولاد 2355 جایگاه ویژهای بهعنوان یک فولاد ابزار تخصصی شوکمقاوم دارد. برخلاف فولادهای ابزار پرکربن و پرکروم مانند گرید 1.2379 که با سختی و مقاومت سایشی بسیار بالا اما چقرمگی محدود شناخته میشوند، فولاد 2355 بر پایه یک فلسفه متالورژیکی متفاوت توسعه یافته است؛ فلسفهای که اولویت را به چقرمگی و مقاومت ضربهای میدهد. تمایز اصلی این آلیاژ در کربن کنترلشده و ماتریس مارتنزیت تمپرشده کمکاربید آن است که توانایی جذب انرژی و توقف رشد ترک را در همان نقطهای فراهم میکند که فولادهای سختتر دچار شکست ترد میشوند.
نیاز صنعتی به این گرید مستقیماً از مکانیسم شکست ابزارهای تحت ضربه ناشی میشود؛ جایی که عامل اصلی از کارافتادگی قطعه نه سایش تدریجی، بلکه لبپریدگی و ترکخوردگی ناگهانی تحت بار کوبهای است. به همین دلیل فولاد 2355 در ساخت قطعاتی به کار میرود که باید بارهای متناوب و شوکهای مکانیکی شدید را بدون شکست تحمل کنند، از جمله سنبه و پانچ در صنعت قالبسازی، تیغههای برش و قیچی در خطوط پرس، قلمها و ابزارهای ضربهای در صنایع سنگین، قالبهای شکلدهی سرد و قالبهای ضرب سکه در صنعت فلزکاری، و همچنین قالبهای تزریق پلاستیک که تحت فشارهای بسته شدن بالا کار میکنند. در این کاربردها رفتار هواسختشوندگی فولاد یک مزیت اساسی ایجاد میکند، زیرا اعوجاج ناشی از عملیات حرارتی را به کمترین مقدار میرساند و امکان ساخت ابزارهای بزرگ و دقیق با تغییر ابعادی ناچیز را فراهم میکند.
با وجود این مزایا، فولاد 2355 یک محدودیت ذاتی دارد که طراحی کاربردی آن را شکل میدهد؛ مقاومت سایشی این فولاد در مقایسه با گریدهای ابزار سرد پرکروم متوسط است و مقاومت آن به خوردگی الکتروشیمیایی در حالت خام محدود است. این محدودیت پیامد مستقیم همان طراحی آلیاژی کمکاربید است که چقرمگی بالا را تضمین میکند؛ به بیان دیگر، چقرمگی و مقاومت سایشی در این آلیاژ دو سر یک طیفاند. در نتیجه بهرهبرداری بهینه از این فولاد در گرو ترکیب ماتریس چقرمه آن با فناوریهای مهندسی سطح است که لایهای سخت و مقاوم به سایش روی مغز جذبکننده ضربه ایجاد میکنند. این رویکرد دولایهای — مغز چقرمه و سطح سخت — اساس استفاده مهندسیشده از فولاد 2355 در کاربردهای پیشرفته است.
کنترل دقیق ترکیب شیمیایی و شرایط تحویل فولاد 2355 برای تضمین پاسخ قابل پیشبینی به عملیات حرارتی اهمیت زیادی دارد. استاندارد مرجع این فولاد در اروپا EN ISO 4957 است که چهارچوب فولادهای ابزار را تعریف میکند و در آن این گرید با نام 50CrMoV13-15 و شماره ماده 1.2355 شناخته میشود. این فولاد معمولاً در حالت آنیل نرم تحویل میشود؛ حالتی که در آن ساختار شامل کاربیدهای کروی در زمینه فریتی است، سختی آن کمتر از 248 HB باقی میماند و ماشینکاری بسیار مطلوبی دارد. این شرط تحویل به سازنده اجازه میدهد ابزار را در حالت نرم به شکل نهایی نزدیک کند و سپس عملیات سختکاری را روی قطعه ماشینکاریشده اعمال کند.
از نظر معادلیابی بینالمللی، نزدیکترین گرید به فولاد 2355 در سیستم آمریکایی، فولاد ابزار شوکمقاوم AISI S7 از استاندارد ASTM A681 است که ترکیب شیمیایی و رفتار عملیات حرارتی بسیار مشابهی دارد؛ با این حال این تناظر تقریبی است، زیرا دامنه مجاز برخی عناصر مانند سیلیسیم و منگنز در دو استاندارد اندکی متفاوت تعریف میشود و از اینرو نباید این دو را کاملاً یکسان فرض کرد. در مقابل، در استانداردهای ژاپنی JIS و روسی GOST و فرانسوی AFNOR معادل رسمی و دقیقی برای این گرید با همین ترکیب گزارش نشده است؛ از همینرو در این مقاله صرفاً به تناظر تأییدشده با S7 اشاره میشود و از انتساب معادلهای فاقد مرجع خودداری شده است.
تمایز فولاد 2355 از فولادهای سمانتاسیون نیز اهمیت مفهومی دارد. در فولادهای کربورایز، ساختار سطحسخت و مغزنرم از طریق نفوذ کربن و سختکاری موضعی به دست میآید، در حالی که فولاد 2355 یک فولاد سرتاسرسختشونده است که چقرمگی مغز آن از طریق عملیات کوئنچ و تمپر و سختی سطح آن از طریق مهندسی سطح ثانویه تأمین میشود. این تفاوت بنیادی باعث میشود رفتار طراحی، انتخاب ضخامت و توالی عملیات در این دو خانواده کاملاً متفاوت باشد.
سختیپذیری بالای فولاد 2355 یکی از مهمترین ویژگیهای کاربردی آن است؛ به این معنا که این فولاد حتی در مقاطع نسبتاً ضخیم نیز میتواند تا عمق قابل توجهی به مارتنزیت تبدیل شود. این رفتار، که مستقیماً از حضور کروم و مولیبدن ناشی میشود، امکان ساخت ابزارهای بزرگ با سختی نسبتاً یکنواخت در سطح و مغز را فراهم میکند و یکی از دلایل اصلی ترجیح این گرید برای قالبهای سنگین و قطعات با ضخامت بالا است. در کنار این، شرط تحویل آنیل نرم تضمین میکند که قطعه پیش از سختکاری در نرمترین حالت ممکن قرار داشته باشد و تنشهای باقیمانده از فرایندهای پیشین به حداقل برسد؛ در نتیجه پاسخ قطعه به عملیات سختکاری قابل پیشبینیتر میشود.
در عمل، فولاد 2355 در اشکال مختلف میلگرد، تسمه، بلوک و قطعات فورجشده عرضه میشود و شرط تحویل معمول آن آنیل نرم همراه با ماشینکاری خشن یا پوستهگیریشده است. هنگام انتخاب معادل برای این فولاد باید دقت شود که تطابق صرفاً بر اساس نام تجاری کافی نیست؛ معیار درست، انطباق ترکیب شیمیایی و رفتار عملیات حرارتی است. بنابراین در مستندات فنی این گرید، ذکر همزمان شماره ماده 1.2355، نام 50CrMoV13-15 و تناظر تقریبی با S7 رویهای متداول است که از ابهام در سفارشگذاری جلوگیری میکند.
در طبقهبندی استاندارد EN ISO 4957، فولادهای ابزار بر اساس کاربرد به گروههای سردکار، گرم کار و فولادهای قالب پلاستیک تقسیم میشوند و گرید 50CrMoV13-15 به دلیل ترکیب کروم و مولیبدن نسبتاً بالا در کنار کربن متوسط، در مرز میان فولادهای مقاوم به ضربه و فولادهای گرم کار سبک جای میگیرد. این جایگاه مرزی توضیح میدهد که چرا این گرید هم در ابزارهای ضربهای سردکار و هم در برخی قالبهای گرم کار با دمای کاری محدود به کار میرود. شناخت دقیق این طبقهبندی برای انتخاب درست سیکل عملیات حرارتی و تعیین انتظارات عملکردی اهمیت دارد و از انتخاب نادرست گرید برای کاربردی که با ماهیت آن سازگار نیست جلوگیری میکند.
کیفیت متالورژیکی فولاد 2355 تا حد زیادی به فرایند فولادسازی و تمیزی آخالی آن وابسته است. کاهش آخالهای غیرفلزی و کنترل دقیق گوگرد و فسفر، توزیع یکنواخت کاربیدها و چقرمگی بالاتر را تضمین میکند؛ از همینرو در کاربردهای حساس، گریدهای تولیدشده با پالایش ثانویه یا ذوب مجدد سربارهای ترجیح داده میشوند. این آخالها در صورت تجمع میتوانند به نقاط شروع ترک خستگی تبدیل شوند، در حالی که ساختار تمیز و همگن، عمر خستگی ابزار را بهطور چشمگیری افزایش میدهد و پاسخ یکنواختتری به عملیات حرارتی و سطحی ارائه میدهد.
خواص ممتاز فولاد 2355 مستقیماً از ترکیب شیمیایی متعادل آن ناشی میشود؛ ترکیبی که برای کنترل تحولات فازی، تضمین تشکیل مارتنزیت پس از کوئنچ و ایجاد رسوبات ریز کاربیدی در حین تمپر طراحی شده است. محدوده مجاز عناصر اصلی این آلیاژ در جدول 1 ارائه شده است.
جدول 1 ترکیب شیمیایی فولاد 2355 [1، 2].
| عنصر | کربن C)) | سیلیسیم Si)) | منگنزMn)) | کروم (Cr) | مولیبدن Mo)) | وانادیوم V)) | فسفر P)) | گوگرد (S) | آهن (Fe) |
| محدوده وزنی | 0.55 – 0.45 | 0.80 – 0.20 | 0.90 – 0.50 | 3.50 – 3.00 | 1.70 – 1.30 | 0.35 – 0.15 | حداکثر 0.030 | حداکثر 0.020 | بالانس |
کربن با مقدار کنترلشده حدود نیم درصد، استحکام زمینه و قابلیت تشکیل مارتنزیت را تأمین میکند و در عین حال پایین نگه داشتن آن از تشکیل کاربیدهای درشت و تردی بیش از حد جلوگیری میکند؛ از همینرو این فولاد چقرمگی بسیار بالاتری نسبت به فولادهای ابزار پرکربن نشان میدهد. کروم با مقدار حدود سه و یکچهارم درصد، نقش اساسی در افزایش سختیپذیری حجمی دارد و همین عنصر است که رفتار هواسختشوندگی فولاد را ممکن میکند؛ یعنی تشکیل مارتنزیت حتی با سرعت سرد شدن نسبتاً پایین در هوا. علاوه بر این، کروم در فرایندهای مهندسی سطح مانند نیتراسیون، نیتریدهای پایدار ایجاد میکند که عامل اصلی سختی بسیار بالای سطحی هستند.
مولیبدن با مقدار حدود یک و نیم درصد، سه اثر کلیدی ایجاد میکند؛ نخست با کند کردن نرمشوندگی در حین تمپر، حفظ سختی مفید را در دماهای تمپر بالاتر ممکن میکند، دوم از تردی برگشتی تمپر جلوگیری میکند، و سوم پایداری حرارتی فولاد را تا محدوده کاری حدود 540 درجه سانتیگراد افزایش میدهد؛ همین رفتار، فولاد 2355 را برای ابزارهای گرم کار سبک نیز مناسب میکند. وانادیوم مهمترین عنصر ریزآلیاژی این فولاد برای کنترل ریزساختار است؛ این عنصر با تشکیل کاربیدهای بسیار پایدار، از رشد بیش از حد دانههای آستنیت در حین آستنیته کردن جلوگیری میکند و ساختاری دانهریز ایجاد میکند که همزمان استحکام و چقرمگی ضربهای را افزایش میدهد.
در کنار این عناصر اصلی، منگنز و سیلیسیم به تقویت محلولی زمینه و بهبود فرایند اکسیژنزدایی در حین ذوب کمک میکنند، در حالی که فسفر و گوگرد بهعنوان ناخالصی بهشدت محدود میشوند تا از کاهش چقرمگی جلوگیری شود. حاصل این طراحی آلیاژی دقیق، فولادی است که پس از عملیات حرارتی، همافزایی مطلوبی میان سختی، چقرمگی و پایداری ابعادی ارائه میدهد و پنجره عملکردی گستردهای برای تنظیم خواص از طریق دمای تمپر فراهم میکند.
یکی از مکانیسمهای کلیدی این آلیاژ، پدیده سختشوندگی ثانویه است؛ در دماهای تمپر بالاتر، کاربیدهای ریز مولیبدن و وانادیوم رسوب میکنند و بخشی از افت سختی ناشی از تمپر را جبران میکنند. این رفتار موجب میشود فولاد حتی پس از تمپر در دماهای نسبتاً بالا، سختی مفید خود را تا حد زیادی حفظ کند و در برابر نرمشدن در سرویسهای حرارتی مقاوم بماند. بنابراین توزیع و اندازه این کاربیدها — که خود تابع دقیق دما و زمان تمپر است — نقش تعیینکنندهای در خواص نهایی ایفا میکند و کنترل سیکل تمپر را به یکی از حساسترین مراحل تولید تبدیل میکند.
سقف سختی قابل دستیابی در این فولاد مستقیماً با مقدار کربن حلشده در آستنیت تعیین میشود؛ بخشی از کربن همواره در کاربیدهای پایدار وانادیوم و کروم باقی میماند و در شبکه حل نمیشود. این موضوع توضیح میدهد که چرا سختی خامکوئنچ بهرغم کربن اسمی حدود نیم درصد، از محدودهای مشخص فراتر نمیرود. در مقابل، همین کاربیدهای حلنشده با مهار مرزدانهها، ساختاری دانهریز و چقرمه ایجاد میکنند که ارزش آن در کاربردهای ضربهای بیش از چند واحد سختی اضافه است.
دمای شروع تشکیل مارتنزیت در این فولاد تحت تأثیر عناصر آلیاژی و دمای آستنیته قرار دارد؛ افزایش بیش از حد دمای آستنیته با حلکردن کاربیدها و بالا بردن کربن و آلیاژ محلول، این دما را پایین میآورد و مقدار آستنیت باقیمانده پس از کوئنچ را افزایش میدهد. آستنیت باقیمانده اگر کنترل نشود، میتواند در سرویس به مارتنزیت تمپرنشده تبدیل شود و تغییر ابعاد و تردی موضعی ایجاد کند؛ از اینرو کنترل دمای آستنیته و در صورت لزوم سرمایش زیر صفر، برای پایداری ابعادی بلندمدت ضروری است.
ریزساختار نهایی فولاد 2355 شامل توزیعی از کاربیدهای آلیاژی در زمینه مارتنزیتی است که نوع و اندازه آنها رفتار فولاد را تعیین میکند. کاربیدهای غنی از کروم به سختیپذیری و مقاومت سایشی کمک میکنند، در حالی که کاربیدهای بسیار پایدار وانادیوم با ابعاد ریز، نقش اصلی را در مهار رشد دانه آستنیت و حفظ چقرمگی ایفا میکنند. تعادل میان این دو خانواده کاربید همان چیزی است که به این گرید امکان میدهد سختی قابل قبول و چقرمگی بالا را همزمان داشته باشد؛ تعادلی که با دما و زمان عملیات حرارتی بهدقت تنظیم میشود.
اثر جرم حرارتی یا اندازه مقطع یکی از عوامل مهمی است که خواص نهایی این فولاد را در قطعات بزرگ تعیین میکند. در مقاطع ضخیم، سرعت سرد شدن مغز کمتر از سطح است و همین موضوع میتواند به اختلاف اندک سختی میان سطح و مرکز منجر شود. اگرچه سختیپذیری بالای این فولاد این اختلاف را به حداقل میرساند، در طراحی قطعات سنگین باید محل نمونهبرداری برای آزمون سختی و موقعیت بحرانی بارگذاری با دقت انتخاب شود تا خواص گزارششده نماینده واقعی عملکرد قطعه باشد.
خواص مکانیکی فولاد 2355 بهشدت به تاریخچه عملیات حرارتی و ضخامت قطعه وابسته است. در حالت آنیل نرم که شرط متداول تحویل است، سختی این فولاد کمتر از 248 HB باقی میماند و ماشینکاری مطلوبی دارد. پس از آستنیته و کوئنچ و پیش از تمپر، سختی فولاد در حالت خامکوئنچشده به حدود 58 تا 62 HRC میرسد؛ اما این حالت به دلیل تنشهای داخلی بالا و تردی شدید برای استفاده عملی مناسب نیست و باید بلافاصله تمپر شود.
پس از تمپر، فولاد به یک پنجره عملکردی گسترده دست مییابد که در آن سختی کاری معمولاً در محدوده 54 تا 58 HRC تنظیم میشود؛ نقطه بهینه بسیاری از ابزارهای ضربهای در بازه 54 تا 56 HRC قرار میگیرد که بهترین توازن میان مقاومت سایشی و مقاومت ضربهای را ایجاد میکند. انتخاب سختی نهایی مستقیماً به مکانیسم غالب از کارافتادگی قطعه بستگی دارد؛ سختی پایینتر چقرمگی و مقاومت ضربهای بیشتری میدهد و سختی بالاتر مقاومت سایشی را افزایش میدهد اما خطر شکست ترد را بالا میبرد. به همین دلیل تعیین سختی هدف باید بر اساس نوع بارگذاری واقعی ابزار انجام شود.
ویژگی شاخص این فولاد در حوزه مکانیکی، استحکام فشاری و چقرمگی ضربهای بسیار بالای آن است که آن را برای قطعات تحت بار کوبهای ممتاز میکند. در مقابل، رفتار هواسختشوندگی موجب میشود اعوجاج ناشی از کوئنچ بهطور چشمگیری کمتر از فولادهای روغنکوئنچ یا آبکوئنچ باشد؛ این پایداری ابعادی یک مزیت تولیدی مهم برای ابزارهای بزرگ و دقیق ایجاد میکند. در کنار این باید در نظر داشت که سرعت سرد شدن تابع ضخامت قطعه است و در مقاطع بسیار سنگین، رسیدن به سختی کامل تنها با سرد کردن در هوا تضمین نمیشود و کوئنچ روغن لازم میشود.
رفتار ماشینکاری فولاد 2355 در حالت آنیل نرم مطلوب است و همین ویژگی، تولید ابزارهای پیچیده را پیش از سختکاری تسهیل میکند؛ با این حال پس از سختکاری، ماشینکاری و بهویژه سنگزنی این فولاد نیازمند دقت بالایی است. هدایت حرارتی پایین و سختی بالای ساختار سختشده باعث میشود حرارت موضعی در حین سنگزنی بهراحتی تخلیه نشود؛ در نتیجه استفاده از چرخهای سنگ مناسب، سرعتهای پایینتر و عمق برش کم برای پرهیز از ترکهای سطحی و تغییر ریزساختار ضروری است. از اینرو توالی متداول تولید این ابزارها شامل ماشینکاری خشن در حالت آنیل، سپس عملیات حرارتی و در نهایت پرداخت دقیق نهایی است.
چقرمگی شکست بالا یکی از وجوه متمایزکننده فولاد 2355 است؛ ساختار مارتنزیت کمکربن با چگالی پایین کاربیدهای درشت، مسیرهای کمتری برای شروع و گسترش ترک فراهم میکند. در فولادهای پرکربن و پرکاربید، همین کاربیدهای درشت به نقاط تمرکز تنش و منشأ ترک تبدیل میشوند، در حالی که در این گرید، زمینه چقرمه انرژی ضربه را جذب و جبهه ترک را متوقف میکند. این رفتار توضیح میدهد که چرا ابزارهایی که در آنها شکست ناگهانی خطرناکتر از سایش است، از این فولاد ساخته میشوند.
برای پرهیز از دکربورهشدن و اکسیداسیون سطحی در حین عملیات حرارتی، استفاده از کوره خلأ یا اتمسفر محافظ توصیه میشود؛ این روشها سطحی تمیز و عاری از لایه دکربوره ایجاد میکنند که برای حفظ استحکام لبه ابزار حیاتی است. در کوره خلأ، کوئنچ با گاز فشار بالا انجام میشود که اعوجاج کمتری نسبت به محیطهای مایع ایجاد میکند و کیفیت سطح را حفظ میکند. این مزیت بهویژه در ابزارهای دقیق که پس از عملیات حرارتی به حداقل پرداخت نیاز دارند ارزشمند است.
ماشینکاری این فولاد در حالت سختشده با ابزارهای کاربیدی پوششدار یا نیترید بور مکعبی انجام میشود و توالی درست ماشینکاری خشن در حالت نرم، سپس سختکاری و در پایان پرداخت نهایی، کنترل دقت ابعادی را تسهیل میکند. در ساخت حفرههای پیچیده و گوشههای تیز، ماشینکاری تخلیه الکتریکی روشی مؤثر است، اما لایه بازریخته نازکی که در سطح ایجاد میشود باید پس از فرایند برداشته شود تا از ترک ناشی از تنش حرارتی جلوگیری شود. کنترل این جزئیات در ابزارهای قالبسازی که سطح نهایی نقشی کلیدی دارد، اهمیت ویژهای پیدا میکند.
از نظر خواص فیزیکی، چگالی فولاد 2355 حدود 7.8 گرم بر سانتیمتر مکعب است و مدول الاستیسیته آن مانند سایر فولادهای آلیاژی در محدوده حدود 210 گیگاپاسکال قرار میگیرد؛ این مقادیر در محاسبات سفتی و تغییر شکل ابزار اهمیت دارند.
یک خصوصیت فیزیکی مهم این فولاد، هدایت حرارتی نسبتاً پایین آن است که پیامد مستقیم محتوای آلیاژی بالای آن است. این ویژگی در دو زمینه اهمیت عملی دارد؛ نخست در عملیات سنگزنی قطعات سختشده که حرارت موضعی بهراحتی تخلیه نمیشود و در صورت کنترل نشدن میتواند به ترک سطحی و لایه بازپخت منجر شود، و دوم در طراحی قطعاتی که تحت گرادیان حرارتی کار میکنند و باید تنشهای حرارتی ناشی از هدایت پایین در محاسبات لحاظ شود. بنابراین کنترل پارامترهای ماشینکاری و سنگزنی در این فولاد اهمیت ویژهای دارد.
رفتار انبساط حرارتی این فولاد نیز در طراحی ابزارهایی که تحت تغییرات دمایی کار میکنند اهمیت دارد؛ هماهنگی میان ضریب انبساط زیرلایه فولادی و لایهها یا پوششهای سطحی، عاملی کلیدی در جلوگیری از ترک و جدایش در چرخههای حرارتی است. از همینرو در طراحی سیستمهای دولایه و پوششدار، تطابق خواص حرارتی سطح و مغز به اندازه خواص مکانیکی آنها اهمیت دارد و باید در انتخاب توالی و دمای عملیات سطحی لحاظ شود.
هدایت حرارتی پایین در کنار ضریب انبساط متوسط، به این معناست که در سرویسهای با گرمایش و سرمایش متناوب، گرادیانهای حرارتی قابل توجهی در مقطع قطعه شکل میگیرد. این گرادیانها تنشهای حرارتی چرخهای ایجاد میکنند که در بلندمدت میتوانند به خستگی حرارتی و ترکهای ریز سطحی منجر شوند. در نتیجه در طراحی قطعاتی که چنین شرایطی را تجربه میکنند، انتخاب سختی کاری پایینتر و پرداخت سطحی بهتر برای کاهش حساسیت به ترک توصیه میشود.
چرخه عملیات حرارتی فولاد 2355 بهصورت مرحلهای و کاملاً کنترلشده طراحی میشود تا ریزساختار مغز قطعه برای کاربرد نهایی آماده شود و همزمان سختی، چقرمگی و پایداری ابعادی تضمین گردد. عملیات آنیل نرم در صورت نیاز به بازیابی ماشینکاریپذیری انجام میشود و باید در اتمسفر کنترلشده، کوره خلأ یا حمام نمک خنثی صورت پذیرد تا از دکربوره شدن سطح جلوگیری شود؛ زیرا کاهش کربن سطحی بهطور مستقیم استحکام لبه ابزار را تضعیف میکند.
در مسیر سختکاری، قطعه ابتدا برای کاهش شوک حرارتی و کنترل اعوجاج در محدوده حدود 650 تا 705 درجه سانتیگراد پیشگرم میشود و سپس در محدوده آستنیته حدود 925 تا 955 درجه سانتیگراد حرارت داده میشود تا ساختار کاملاً آستنیتی شود و عناصر آلیاژی در شبکه حل شوند، در حالی که بخشی از کاربیدهای پایدار وانادیوم باقی میمانند و اندازه دانه را کنترل میکنند. کنترل دقیق دمای آستنیته اهمیت زیادی دارد؛ دمای بیش از حد بالا موجب حل شدن کاربیدها، رشد دانه و افت چقرمگی پس از کوئنچ میشود.
کوئنچ این فولاد به دلیل سختیپذیری بالا معمولاً در هوای ساکن یا هوای دمیده انجام میشود و همین رفتار هواسختشوندگی، اعوجاج را به کمترین مقدار میرساند؛ با این حال در مقاطع سنگینتر، برای تضمین تشکیل کامل مارتنزیت در مغز قطعه، کوئنچ روغن به کار میرود. بلافاصله پس از کوئنچ، قطعه باید تمپر شود تا تنشهای داخلی آزاد و ساختار شکننده خامکوئنچ به مارتنزیت تمپرشده چقرمه تبدیل شود.
تمپر در محدوده حدود 200 تا 540 درجه سانتیگراد و غالباً بهصورت دو مرحلهای انجام میشود تا تثبیت ساختار کاملتر و آزادسازی تنش مؤثرتر باشد. دمای تمپر پایینتر سختی بیشتری حفظ میکند و دمای بالاتر چقرمگی و پایداری حرارتی بیشتری ایجاد میکند؛ در این میان، حضور مولیبدن با کند کردن نرمشوندگی تمپر، حفظ سختی مفید را در دماهای بالاتر ممکن میکند و همین رفتار، پنجره تنظیم خواص را گسترده میکند. توازن نهایی میان سختی و چقرمگی از طریق همین انتخاب دمای تمپر بهدست میآید.
در کاربردهایی که پایداری ابعادی بسیار بالا ضروری است، عملیات سرمایش زیر صفر پس از کوئنچ و پیش از تمپر میتواند آستنیت باقیمانده را به مارتنزیت تبدیل کند و از تغییر ابعاد در سرویس جلوگیری کند؛ این عملیات بهویژه در ابزارهای دقیق اهمیت دارد. همچنین انجام تمپر بهصورت دو مرحلهای یک رویه استاندارد برای این فولاد است، زیرا تمپر مرحله اول، آستنیت باقیمانده را به مارتنزیت تازه تبدیل میکند و تمپر مرحله دوم، این مارتنزیت تازه و شکننده را تمپر و پایدار میکند. حاصل این توالی، ساختاری یکنواخت و پایدار با تنش داخلی کنترلشده است که هم چقرمگی و هم دقت ابعادی ابزار را تضمین میکند.
یکی از مراحل مهم در تولید ابزارهای دقیق از فولاد 2355، تنشزدایی پس از ماشینکاری خشن و پیش از سختکاری نهایی است؛ این عملیات که در دمایی پایینتر از دمای آنیل انجام میشود، تنشهای ناشی از ماشینکاری را آزاد میکند و از اعوجاج قطعه در حین کوئنچ جلوگیری میکند. از اینرو در قطعات با تلرانس بالا، گنجاندن این مرحله در توالی عملیات میتواند تفاوت چشمگیری در دقت ابعادی نهایی ایجاد کند. کنترل دقیق نرخ گرمایش و سرمایش در این مرحله نیز برای پرهیز از ایجاد تنشهای جدید اهمیت دارد.
در مقاطع ضخیم، پیشگرم دو مرحلهای روشی متداول برای کاهش تنشهای حرارتی است؛ قطعه ابتدا در دمای پایینتر یکنواخت میشود و سپس به دمای آستنیته نزدیک میشود تا اختلاف دما میان سطح و مغز و در نتیجه خطر ترک کاهش یابد. این رویکرد بهویژه در ابزارهای بزرگ با هندسه نامتقارن اهمیت دارد، جایی که گرمایش ناگهانی میتواند اعوجاج یا ترک ایجاد کند. کنترل نرخ گرمایش در این مرحله به اندازه دمای نهایی آستنیته در کیفیت محصول مؤثر است.
انتخاب شدت کوئنچ یک مصالحه میان دستیابی به سختی کامل و کنترل اعوجاج و ترک است؛ سرمایش بسیار سریع تنش پسماند و خطر ترک را بالا میبرد، در حالی که سرمایش بسیار کند ممکن است از تشکیل کامل مارتنزیت در مغز جلوگیری کند. در قطعات حساس، کوئنچ مرحلهای یا توقف کنترلشده در دمای میانی برای یکنواختکردن دما پیش از تکمیل تحول مارتنزیتی به کار میرود. این فنون اعوجاج را کاهش میدهند بیآنکه سختی نهایی بهطور محسوس افت کند.
پاسخ تمپر این فولاد بهگونهای است که با افزایش دمای تمپر، سختی بهتدریج کاهش مییابد، اما به دلیل رسوب کاربیدهای ثانویه این کاهش در بازهای از دما کند یا متوقف میشود. در کاربردهایی که پایداری ابعادی و آزادسازی کامل تنش حیاتی است، تمپر سهمرحلهای نیز اجرا میشود تا هر مارتنزیت تازهای که از تجزیه آستنیت باقیمانده حاصل میشود نیز تمپر گردد. این رویه ساختاری کاملاً پایدار با کمترین تنش داخلی ایجاد میکند که برای ابزارهای دقیق ایدهآل است.
تغییر ابعادی اندکی که در حین سختکاری رخ میدهد ایجاب میکند که در ابزارهای دقیق، مقداری اضافهتراش برای پرداخت نهایی پس از عملیات حرارتی در نظر گرفته شود. این پرداخت باید با کنترل دقیق حرارت انجام شود تا تنش حرارتی و تغییر ساختار سطحی ایجاد نشود. در کنار این، آزادسازی تنش پیش از پرداخت نهایی به حفظ تلرانس در طول عمر ابزار کمک میکند، زیرا تنشهای باقیمانده میتوانند پس از مدتی به تغییر ابعاد جزئی منجر شوند.
پایداری ابعادی بلندمدت ابزار به کامل بودن تحول مارتنزیتی و آزادسازی مناسب تنش بستگی دارد. اگر آستنیت باقیمانده بهطور کامل کنترل نشود، میتواند در طول زمان یا در اثر چرخههای حرارتی به مارتنزیت تبدیل شود و تغییر ابعاد جزئی ایجاد کند. در ابزارهای اندازهگیری و قالبهای با تلرانس بسیار باریک، عملیات تثبیت ابعادی شامل سرمایش زیر صفر و تمپر چندمرحلهای برای حذف این پدیده انجام میشود تا دقت در کل عمر کاری حفظ گردد.
فولاد 2355 یک فولاد ابزار با ماتریس پایدار است و ویژگی شاخص آن، پاسخپذیری مطلوب به عملیات مهندسی سطح پیشرفته است. از آنجا که مقاومت سایشی ذاتی این فولاد متوسط است، اعمال یک لایه سطحی سخت روی مغز چقرمه، عملکرد آن را در برابر سایش و اصطکاک بهطور چشمگیری ارتقا میدهد. رایجترین روش، نیتراسیون است که در دمای پایینتر از خط تحول فازی انجام میشود؛ به همین دلیل ساختار مغز قطعه و ابعاد آن تقریباً بدون تغییر باقی میماند. در این فرایند نیتروژن به سطح نفوذ میکند و با تشکیل نیتریدهای ریز کروم، مولیبدن و وانادیوم، لایهای بسیار سخت همراه با تنشهای پسماند فشاری ایجاد میکند که مقاومت به خستگی را افزایش میدهد [7].
نیتراسیون پلاسمایی یا یونی نسخه پیشرفتهتر این فرایند است که در خلأ و تحت میدان الکتریکی انجام میشود و نفوذ یکنواختتری حتی در هندسههای پیچیده ایجاد میکند؛ مزیت اصلی این روش، کنترل دقیق ترکیب لایه و امکان حذف لایه سفید ترد در صورت نیاز است. در کنار روشهای نفوذی، پوششدهی فیزیکی بخار یا PVD نیز برای ایجاد لایههای نازک سرامیکی مانند نیترید تیتانیوم، نیترید کروم، نیترید تیتانیومآلومینیوم و کربن شبهالماسی به کار میرود که ضریب اصطکاک پایین و مقاومت سایشی بالایی فراهم میکنند.
نیتراسیون را میتوان در محیطهای مختلفی اجرا کرد که هر یک مزایای خود را دارند؛ نیتراسیون گازی در اتمسفر آمونیاک تجزیهشده کنترل خوبی بر پتانسیل نیتروژن فراهم میکند، حمام نمک سرعت نفوذ بالا و یکنواختی حرارتی دارد، و بستر سیال انتقال حرارت سریع و یکنواخت ارائه میدهد. انتخاب روش به اندازه و هندسه قطعه، ضخامت لایه مورد نظر و ملاحظات زیستمحیطی بستگی دارد. در همه این روشها، حضور کروم و وانادیوم در فولاد 2355 تشکیل نیتریدهای ریز و سختیبخش را تضمین میکند.
برای دستیابی به عملکرد حداکثری، در صنایع پیشرفته از تیمارهای دوبلکس استفاده میشود که نیتراسیون را با پوششدهی PVD ترکیب میکند؛ در این روش ابتدا لایه نفوذی سخت بهعنوان زیرلایه تقویتشده ایجاد میشود تا از ترک و جدا شدن پوشش سخت در اثر تغییر شکل پلاستیک زیرلایه نرم — پدیدهای موسوم به اثر پوسته تخممرغی — جلوگیری شود، و سپس پوشش سرامیکی روی آن اعمال میشود؛ این ساختار گرادیانی چسبندگی پوشش و ظرفیت تحمل بار را افزایش میدهد.
علاوه بر روشهای نفوذی و پوششی، سختکاری سطحی القایی و لیزری نیز برای ایجاد لایههای مارتنزیتی عمیق و موضعی به کار میرود که تحت تنش فشاری پسماند قرار میگیرند و مقاومت خمشی و خستگی را افزایش میدهند [8]. در نهایت، عملیات مکانیکی مانند شاتپینینگ با ایجاد تغییر شکل پلاستیک کنترلشده در سطح، تنشهای فشاری عمیق القا میکند که از رشد ترکهای خستگی و سایش فرتینگ جلوگیری میکند [9]. در این میان هدایت حرارتی پایین این فولاد در روشهای حرارتمحور سطحی نیازمند کنترل دقیق پارامترها برای پرهیز از ترک حرارتی است.
در شرایطی که مقاومت سایشی بسیار بالا در دماهای متوسط مورد نیاز است، بوردهی بهعنوان یک عملیات دمای بالا به کار میرود که با تشکیل لایههای بینفلزی بسیار سخت، سختی سطح را بهمراتب بالاتر از نیتراسیون میرساند؛ با این حال این لایهها در شرایط ضربهای و دماهای بالا مستعد ترک و پوستهشدن هستند و از اینرو کاربرد آنها به شرایط سایش کنترلشده محدود میشود. انتخاب روش مهندسی سطح مناسب در نهایت به تعادل میان نوع سایش، بار ضربهای و دمای کاری بستگی دارد؛ برای بارهای ضربهای، روشهای نفوذی مانند نیتراسیون که زیرلایه چقرمه را حفظ میکنند ترجیح داده میشوند، در حالی که برای سایش خالص، لایههای سختتر و پوششهای سرامیکی مناسبترند.
در فرایند نیتراسیون، ساختار سطحی حاصل معمولاً از دو بخش تشکیل میشود؛ یک لایه ترکیبی نازک در سطح بیرونی و یک ناحیه نفوذی عمیقتر در زیر آن. لایه ترکیبی سختی بسیار بالا و مقاومت سایشی و خوردگی خوبی ایجاد میکند، اما در صورت ضخیم و ترد شدن میتواند تحت بار ضربهای دچار ترک شود؛ بنابراین در کاربردهای دینامیکی، اغلب کنترل ضخامت این لایه یا حذف آن از طریق نیتراسیون پلاسمایی ترجیح داده میشود تا تنها ناحیه نفوذی چقرمه و مقاوم به خستگی باقی بماند. این تنظیمپذیری ساختار سطح، یکی از دلایل انعطاف بالای فولاد 2355 در طراحی قطعات گوناگون است.
در میان روشهای پوششدهی، تفاوت دمای فرایند اهمیت زیادی دارد؛ پوششدهی بخار فیزیکی در دمای نسبتاً پایین انجام میشود و ساختار زمینه را دستنخورده نگه میدارد، در حالی که پوششدهی بخار شیمیایی در دمای بالا اجرا میشود و معمولاً به عملیات حرارتی مجدد پس از پوشش نیاز دارد تا سختی مغز بازیابی شود. به همین دلیل برای ابزارهایی که پایداری ابعادی و سختی مغز اولویت دارد، پوششهای دمای پایین ترجیح داده میشوند. پوششهای کربن شبهالماسی نیز با ضریب اصطکاک بسیار پایین، در کاهش سایش چسبنده و گالینگ نقشی مؤثر دارند.
علاوه بر روشهای نفوذی و پوششی نازک، روشهایی مانند آبکاری کروم سخت و پاشش حرارتی نیز برای ایجاد لایههای مقاوم به سایش روی این فولاد به کار میروند. این روشها لایههای ضخیمتری ایجاد میکنند و در بازسازی ابعاد قطعات فرسوده کاربرد دارند، اما چسبندگی و رفتار آنها تحت بار ضربهای به آمادهسازی دقیق سطح و کنترل تنش پسماند وابسته است. انتخاب میان این گزینهها و روشهای نفوذی به ماهیت بارگذاری و الزامات ابعادی قطعه بستگی دارد.
مهندسی تنش پسماند یکی از مؤثرترین ابزارها برای افزایش عمر خستگی قطعات این فولاد است. روشهایی مانند نیتراسیون، سختکاری القایی و شاتپینینگ لایهای از تنش فشاری در سطح ایجاد میکنند که در برابر تنش کششی ناشی از بارگذاری خارجی مقاومت میکند و آغاز ترک خستگی را به تأخیر میاندازد. عمق و بزرگی این تنش فشاری باید متناسب با عمق ناحیه بحرانی تنش طراحی شود؛ در غیر این صورت ترک میتواند از زیر لایه فشاری و در عمق قطعه آغاز شود. از اینرو هماهنگی میان عمق سختکاری و توزیع تنش سرویس اهمیت تعیینکننده دارد.
در میان فولادهای ابزار سردکار، انتخاب میان گریدها بر اساس تعادل میان سختیپذیری، اعوجاج و چقرمگی انجام میشود؛ گریدهای روغنسختشونده اعوجاج بیشتری دارند، گریدهای هواسختشونده پایداری ابعادی بهتری ارائه میدهند و گریدهای پرکروم مقاومت سایشی بالاتری دارند اما چقرمگی کمتری نشان میدهند. فولاد 2355 در این طیف، جایگاه گرید هواسختشونده با چقرمگی بسیار بالا را اشغال میکند و زمانی انتخاب میشود که تحمل ضربه و پایداری ابعادی بر مقاومت سایشی خام اولویت داشته باشد.
در کاربردهای قالب پلاستیک، قابلیت پرداخت و صیقلپذیری سطح اهمیت زیادی دارد، زیرا کیفیت سطح قالب مستقیماً بر کیفیت سطح محصول نهایی اثر میگذارد. تمیزی متالورژیکی و توزیع یکنواخت کاربیدها در فولاد 2355 امکان دستیابی به پرداخت مطلوب را فراهم میکند، در حالی که آخالها و کاربیدهای درشت میتوانند به حفرههای ریز در سطح صیقلی منجر شوند. در کنار این، اعمال پوششهای سخت بر سطح پرداختشده، مقاومت به سایش و عمر قالب را در تولید انبوه افزایش میدهد.
رفتار عملیاتی فولاد 2355 در شرایط سرویس واقعی، بازتاب مستقیم طراحی آلیاژی و عملیات حرارتی آن است. مهمترین مزیت عملکردی این فولاد، مقاومت ضربهای استثنایی آن است که از ساختار مارتنزیت تمپرشده کمکاربید ناشی میشود؛ این ساختار توانایی جذب انرژی و توقف رشد ترک را در همان نقطهای دارد که فولادهای سختتر دچار شکست ترد میشوند. به همین دلیل این فولاد گزینهای کلیدی برای ابزارهایی است که شکست کوبهای، عامل غالب از کارافتادگی آنها است.
مقاومت خستگی این فولاد بهشدت تحت تأثیر مهندسی سطح قرار میگیرد؛ تنشهای پسماند فشاری ناشی از نیتراسیون، سختکاری القایی یا شاتپینینگ، آغاز و رشد ترک خستگی را به تأخیر میاندازند. در کنار این، پایداری ابعادی ناشی از هواسختشوندگی موجب میشود ابزارهای ساختهشده از این فولاد در طول عمر کاری خود تلرانسهای دقیق را حفظ کنند. در مقابل، مقاومت سایشی این فولاد در حالت خام در مقایسه با گریدهای ابزار سرد پرکروم متوسط است و دستیابی به عملکرد سایشی بالا در گرو اعمال مهندسی سطح است.
از منظر مکانیسم سایش، فولاد 2355 در حالت خام بیشتر مستعد سایش چسبنده و خراشان است و دستیابی به مقاومت سایشی بالا در گرو سختکردن سطح است؛ پس از مهندسی سطح، رفتار سایشی آن بهطور چشمگیری بهبود مییابد و در برابر سایش چسبنده، خراشان و فرتینگ مقاوم میشود. این تفاوت آشکار میان حالت خام و حالت سطحمهندسیشده، بار دیگر اهمیت طراحی دولایه این فولاد را برجسته میکند؛ یعنی همان ترکیب مغز چقرمه و سطح سخت که اساس عملکرد آن را تشکیل میدهد.
در قالبهای شکلدهی، سایش چسبنده و گالینگ یکی از مکانیسمهای اصلی از کارافتادگی است که با انتقال مادّه میان قطعهکار و سطح قالب رخ میدهد. کاهش زبری سطح، اعمال پوششهای با اصطکاک پایین و روانکاری مناسب، این پدیده را بهطور چشمگیری کاهش میدهد. بنابراین در طراحی قالبهای فولاد 2355 برای شکلدهی سرد، ترکیب سختی سطح کافی با پرداخت مطلوب و سامانه روانکاری، عامل تعیینکننده عمر ابزار است.
از نظر مقاومت به خوردگی، فولاد 2355 یک فولاد ضدزنگ نیست و در حالت خام نسبت به اکسیداسیون و خوردگی حساس است؛ با این حال نیتراسیون و بهویژه اکسیداسیون پس از نیتراسیون میتواند یک لایه سطحی پایدار ایجاد کند که مقاومت در برابر زنگزدگی را تا حدی افزایش میدهد. حداکثر دمای کاری مفید این فولاد حدود 540 درجه سانتیگراد است و فراتر از آن، افت سختی ناشی از تمپر بیش از حد رخ میدهد؛ این محدودیتها بههمراه جوشپذیری پایین، عواملی هستند که باید در انتخاب این گرید برای کاربرد خاص مدنظر قرار گیرند.
در مقایسه با گریدهای رقیب، فولاد 2355 چقرمگی و مقاومت ضربهای بهمراتب بالاتری نسبت به فولادهای ابزار سرد پرکروم مانند 1.2379 ارائه میدهد، اما مقاومت سایشی کمتری دارد؛ در مقابل فولادهای گرم کار که برای دماهای بسیار بالا و سیکلهای حرارتی شدید طراحی شدهاند، فولاد 2355 بیشتر در محدوده بارهای ضربهای و دماهای متوسط متمرکز است. در نتیجه انتخاب میان این گریدها بر اساس مکانیسم غالب از کارافتادگی — ضربه در برابر سایش در برابر خستگی حرارتی — انجام میشود؛ فولاد 2355 زمانی بهترین گزینه است که شکست ضربهای و لبپریدگی ناگهانی، تهدید اصلی قطعه باشد و در عین حال نیاز به پایداری ابعادی بالا وجود داشته باشد.
در قطعاتی که تحت بارهای تماسی تکراری کار میکنند، ترکیب سطح سخت و مغز چقرمه فولاد 2355 رفتار خستگی تماسی مطلوبی فراهم میکند؛ سطح سخت در برابر فشارهای تماسی موضعی مقاومت میکند و مغز چقرمه از گسترش ترک به عمق قطعه جلوگیری میکند. این تقسیم وظیفه میان سطح و مغز — که هسته اصلی فلسفه طراحی این فولاد است — موجب میشود قطعه همزمان در برابر سایش سطحی و شکست حجمی مقاوم بماند و عمر کاری بالایی در شرایط بارگذاری پیچیده ارائه دهد.
جوشپذیری فولاد 2355 به دلیل کربن و آلیاژ نسبتاً بالا محدود است و جوشکاری بدون تدبیر میتواند به ترک ناحیه متأثر از حرارت منجر شود. در مواردی که تعمیر یا روکشکاری ضروری است، پیشگرم کنترلشده، استفاده از مواد پرکننده مناسب و عملیات تنشزدایی پس از جوش برای کاهش خطر ترک لازم است. در عمل صنعتی، طراحی بهگونهای انجام میشود که نیاز به جوشکاری به حداقل برسد و ترجیح بر ساخت یکپارچه است.
کنترل کیفیت نهایی قطعات فولاد 2355 شامل بررسی دکربورهشدن سطح، مقدار آستنیت باقیمانده، یکنواختی سختی و نبود ترکهای ناشی از کوئنچ است. دکربورهشدن لبهها را تضعیف میکند، آستنیت باقیمانده کنترلنشده پایداری ابعادی را به خطر میاندازد و ترکهای ریز کوئنچ میتوانند به منشأ شکست زودرس تبدیل شوند. آزمونهای فراصوتی و متالوگرافی برای اطمینان از سلامت داخلی و ساختار مطلوب پیش از تحویل ابزار به کار میروند.
فولاد 2355 برای محیطهایی با بارگذاری ضربهای و دینامیکی و دمای کاری تا حدود 540 درجه سانتیگراد مناسبترین عملکرد را دارد. فراتر از این دما، یا در شرایطی که مقاومت سایشی بسیار بالا یا مقاومت به خوردگی شرط اصلی است، گریدهای تخصصیتر گرم کار، فولادهای ابزار پرکروم یا فولادهای زنگنزن انتخاب بهتری هستند. شناخت دقیق این مرزها به طراح کمک میکند از این گرید در پنجره عملکردی واقعی آن استفاده کند و از بهکارگیری آن در شرایط ناسازگار بپرهیزد.
کنترل انطباق این فولاد با الزامات استاندارد شامل آزمون ترکیب شیمیایی، اندازهگیری سختی در حالت تحویل و در صورت نیاز ارزیابی ریزساختار است. نقشهبرداری سختی در نقاط مختلف مقطع، یکنواختی پاسخ به عملیات حرارتی را تأیید میکند و انحراف از محدوده مجاز را آشکار میسازد. ارائه گواهی مواد همراه با مشخصات ذوب و نتایج آزمون، در کاربردهای صنعتی حساس یک الزام متداول است که ردیابیپذیری و اطمینان از کیفیت را تضمین میکند.
دامنه کاربرد فولاد 2355 مستقیماً از پروفایل خواص آن — چقرمگی بالا، پایداری ابعادی و قابلیت ارتقای سطح — تعیین میشود. مهمترین کاربردهای صنعتی این فولاد شامل سنبه و پانچها در صنعت قالبسازی، تیغههای برش و قیچی در صنعت پرس، قالبهای بلانکینگ و شکلدهی سرد، قالبهای ضرب و سکهزنی، مندرلها و قالبهای فرمدهی، قالبهای تریم، قلمها و ابزارهای ضربهای در صنایع سنگین، و قالبهای تزریق پلاستیک است؛ یعنی هر جا که ترکیب مقاومت ضربهای بالا و پایداری ابعادی، شرط اصلی بقای ابزار باشد.
در صنعت قالبسازی، کاربرد فولاد 2355 در سنبهها، پانچها و قالبهای برش از توانایی آن در تحمل بارهای کوبهای تکراری بدون لبپریدگی ناشی میشود. لبه برش این ابزارها در هر ضربه تحت تنش فشاری و برشی شدید قرار میگیرد و گریدی که چقرمگی کافی نداشته باشد بهسرعت دچار ترک میشود. ترکیب مغز چقرمه و سطح سختشده در این فولاد، عمر ابزار را در چنین شرایطی بهطور چشمگیری افزایش میدهد و آن را به انتخابی متداول برای ابزارهای ضربهای تبدیل کرده است.
در ماشینسازی سنگین و صنایع وابسته، این فولاد در ساخت قطعاتی مانند پینها، محورهای کوچک تحت ضربه و اجزای انتقال نیرو که در معرض بارهای ناگهانی هستند به کار میرود. در این کاربردها شکست ترد یک حالت خرابی پرهزینه و گاه خطرناک است و به همین سبب گریدی که انرژی ضربه را جذب کند ارجح است. قالبهای تزریق پلاستیک نیز که تحت فشار بسته شدن بالا و سیکلهای حرارتی ملایم کار میکنند، از پایداری ابعادی و قابلیت پرداخت سطحی این فولاد بهره میبرند.
فولاد 2355 با ترکیب دقیق کروم، مولیبدن و وانادیوم و رفتار هواسختشوندگی خود، عملکردی استثنایی در برابر بارگذاریهای ضربهای شدید و چرخههای دینامیکی ارائه میدهد و با تکیه بر چقرمگی بالای مغز و قابلیت پذیرش لایههای سطحی سخت، توازنی کمنظیر میان مقاومت به ضربه و مقاومت به سایش ایجاد میکند. این فولاد راهحل متالورژیکی مطلوبی برای طراحانی است که چقرمگی و پایداری ابعادی را بر مقاومت سایشی خام ترجیح میدهند و با ترکیب آن با فناوریهای مهندسی سطح، به بهترین توازن عملکردی دست مییابند؛ هرچند محدودیتهایی مانند مقاومت سایشی متوسط در حالت خام، نبود مقاومت ذاتی به خوردگی و جوشپذیری پایین نیز باید در طراحی کاربردی لحاظ شوند.
مراجع
[1] Tool steels — 50CrMoV13-15 (1.2355), EN ISO 4957, International Organization for Standardization.
[2] C. W. Wegst, Stahlschlüssel = Key to Steel, 16th ed. Marbach: Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH, 1992.
[3] G. A. Roberts, G. Krauss, and R. Kennedy, Tool Steels, 5th ed. Materials Park, OH: ASM International, 1998.
[4] ASM Handbook, Volume 4: Heat Treating. Materials Park, OH: ASM International, 1991.
[5] Standard Specification for Tool Steels Alloy, ASTM A681, ASTM International.
[6] J. E. Bringas, Ed., Handbook of Comparative World Steel Standards, 3rd ed. (ASTM DS67B). West Conshohocken, PA: ASTM International, 2004.
[7] S. M. Y. Soleimani, A. R. Mashreghi, S. S. Ghasemi, and M. Moshrefifar, “The effect of plasma nitriding on the fatigue behavior of DIN 1.2210 cold work tool steel,” Materials & Design, vol. 35, pp. 87–92, 2012.
[8] M. Kulka, D. Panfil, J. Michalski, and P. Wach, “The effects of laser surface modification on the microstructure and properties of gas-nitrided 42CrMo4 steel,” Optics & Laser Technology, vol. 82, pp. 203–219, 2016.
[9] S. M. Hassani-Gangaraj, A. Moridi, M. Guagliano, A. Ghidini, and M. Boniardi, “The effect of nitriding, severe shot peening and their combination on the fatigue behavior and micro-structure of a low-alloy steel,” International Journal of Fatigue, vol. 62, pp. 67–76, 2014.