سختی فولاد CK45

احتمالا نام فولاد CK45 (که در بازار با نام فولاد 1.1191هم شناخته می‌شود) را زیاد شنیده‌اید. این فولاد، در ساخت شفت‌ها، محورها و قطعات ماشینی کاربرد دارد. سختی فولاد CK45، در واقع، توانایی آن در مقاومت در برابر خط و خش، سایش و فرورفتگی است. به‌صورت کلی، سختی فولاد (پس از آبدهی) حدودا بین 55 تا 62 راکول C (HRC است. این عدد، تعیین می‌کند که آیا قطعه زیر بار فشار خم می‌شود یا می‌شکند، یا سال‌ها بدون مشکل کار می‌کند. 

سختی اولیه CK45 یا 1.1191

حتما برایتان سوال پیش آمده که سختی فولاد CK45 وقتی تازه از کارخانه می‌آید، چقدر است؟ به این حالت، سختی اولیه CK45 یا سختی در حالت تأمین شده می‌گویند. این سختی، نقطه شروع کار بوده و نشان می‌دهد که فولاد چقدر برای ماشین‌کاری (مثل برش یا سوراخ‌کاری) نرم است.

فولاد CK45 به‌خاطر داشتن حدود ۰.۴۵٪ کربن، در حالت اولیه (قبل از هرگونه عملیات سخت‌کاری)، ساختاری نسبتا نرم دارد. این نرمی، یک مزیت بزرگ است، چون باعث می‌شود ماشین‌کاری آن آسان باشد و ابزارهای برش شما کُند نشوند.

سختی فولاد CK45 در حالت اولیه معمولا در محدوده‌ای قرار می‌گیرد که با استاندارد برینل (HB) اندازه‌گیری می‌شود:

در این حالت، فولاد برای شکل‌دهی و پردازش آماده است، اما هنوز برای تحمل تنش‌های سنگین یک شفت یا چرخ‌دنده، به‌اندازه کافی قوی و سخت نیست. در این مرحله، عملیات حرارتی انجام می‌شود.

سختی فولاد CK45 چند راکول است؟

وقتی از سختی فولاد CK45 صحبت می‌کنیم، بیشتر منظورمان سختی است که پس از انجام عملیات سخت‌کاری (Heat Treatment) به دست می‌آید. هدف از این عملیات، تبدیل فولاد از حالت نرم و ماشینی به حالت سخت و مقاوم در برابر سایش است. واحد رایج برای بیان این سختی، راکول (HRC) است.

سقف سختی فولاد 1.1191 یا ck45

پس از مرحله آبدهی (Quenching)، که فولاد به‌سرعت خنک می‌شود، سختی آن به اوج خود می‌رسد. این حالت بالاترین مقاومت را دارد اما بسیار شکننده است.

سختی فولاد CK45، حداکثری پس از آبدهی: 

• راکول: 55 تا 62
• برینل (HB): تقریباً 550 تا 700

سختی تنظیم‌شده برای کار صنعتی

اما در عمل، ما قطعه‌ای با این شکنندگی نمی‌خواهیم. برای همین، مرحله‌ای به نام بازپخت انجام می‌شود. در این مرحله، فولاد را دوباره در دمای پایین‌تر گرم می‌کنیم تا کمی از سختی فولاد CK45 کم شده و در عوض، چقرمگی (Toughness) یا مقاومت در برابر ضربه و شکستگی‌اش بیشتر شود.

در کاربردهای صنعتی، مهندسان برای رسیدن به بهترین تعادل بین سختی و چقرمگی، سختی فولاد CK45 را روی این محدوده تنظیم می‌کنند:

سختی متداول (پس از بازپخت): بین ۲۵ تا ۴۵ راکول C (HRC

بنابراین، اگر شفت شما نیاز به مقاومت به سایش بیشتری دارد، سختی فولاد 1.1191 را بالاتر (مثلاً ۴۰ HRC) تنظیم می‌کنیم و اگر به مقاومت در برابر ضربه بیشتری نیاز دارید، سختی را کمی پایین‌تر (مثلاً ۳۰ HRC) انتخاب می‌کنیم.

تاثیر ترکیبات شیمیایی بر سختی ورق 1.1191

شاید تعجب کنید، اما سختی فولاد CK45 از همان لحظه‌ای که مواد اولیه در کوره ذوب می‌شوند، تعیین می‌شود. دو عنصر شیمیایی اصلی کربن و منگنز، سختی را نشان می‌دهند. به عبارتی، کربن می‌گوید که فولاد چقدر می‌تواند سخت شود و منگنز می‌گوید چقدر می‌توان این سختی را به داخل قطعه نفوذ داد. کنترل دقیق این دو عنصر در ترکیب شیمیایی فولاد، باعث می‌شود که عملیات حرارتی، نتیجه دلخواه را داشته باشد.

تاثیر عملیات حرارتی در سختی فولاد CK45

عملیات حرارتی، سه مرحله اصلی دارد که سختی فولاد CK45 و دوام قطعه را تعیین می‌کند:

۱. پخت اولیه (Austenitizing)

در مرحله اول، فولاد را تا دمایی بالا (حدود 820∘C تا 860∘C) گرم می‌کنیم.این کار باعث می‌شود تمام کربن‌های موجود در ساختار فولاد، در آهن حل شوند و ساختار جدیدی به نام آستنیت شکل بگیرد. آستنیت، تنها ساختاری است که آماده است تا در مرحله بعد، به ساختار فوق‌العاده سخت تبدیل شود.

۲. آبدهی (Quenching)

در این مرحله، فولاد داغ را به‌سرعت در یک محیط خنک (معمولا آب یا روغن) فرو می‌بریم. هدف، خنک کردن آن با سرعت بسیار بالاست. این شوک حرارتی باعث می‌شود که کربن حل‌شده در آستنیت، فرصت جدا شدن و تبدیل شدن به فازهای نرم را نداشته باشد و در عوض، ساختار سخت و سوزنی شکل مارتنزیت شکل بگیرد. این همان چیزی است که سختی فولاد CK45 را به اوج می‌رساند (بالای ۵۵ HRC).

۳. بازپخت (Tempering)

قطعه آبدیده و شکننده را دوباره تا دمایی پایین‌تر (مثلاً 300∘C تا 500∘C) گرم می‌کنیم و سپس در هوا رها می‌کنیم تا خنک شود. مارتنزیت اگرچه سخت است، اما بسیار شکننده است. بازپخت، تنش‌های داخلی را آزاد کرده و کمی از سختی را فدا می‌کند تا فولاد، مقاومت لازم برای تحمل ضربه و جلوگیری از ترک خوردن را پیدا کند. تنظیم دقیق دما در این مرحله، دقیقا همان کاری است که سختی فولاد CK45 (مثلاً ۳۵ HRC) را برای کاربرد مورد نظر تعیین می‌کند.

مقایسه استحکام و سختی CK45 با فولاد CK60 و MO40

• تفاوت سختی فولاد CK45 با CK60: فولاد CK60 چون کربن بیشتری دارد، می‌تواند سخت‌تر شود (مقاومت به سایش بیشتر). اما CK45 کربن کمتری دارد، بنابراین جوشکاری و ماشین‌کاری آن ساده‌تراست و احتمال ترک خوردنش کمتر است.
• فرق سختی CK45 با فولاد MO40: فولاد MO40 یک فولاد آلیاژی است (عناصر گران‌تری مثل کروم و مولیبدن دارد). این عناصر به MO40 اجازه می‌دهند که در زمان آبدهی، سختی را به عمق خیلی بیشتری نفوذ دهد. اگر شما یک شفت خیلی ضخیم دارید، MO40 بهتر است، اما اگر قطعه شما متوسط است، CK45 با قیمت پایین‌تر کارتان را راه می‌اندازد.

روش‌های افزایش عمر و دوام CK45

فولاد CK45 ذاتا بادوام است، اما در بسیاری از موارد می‌توان با تکنیک‌های پیشرفته، طول عمر و مقاومت آن را در برابر سایش را با سخت کردن فقط لایه بیرونی قطعه، چندین برابر کرد.

۱. سخت‌کاری فقط سطح (Case Hardening)

در این روش، فقط سطح قطعه را فوق‌العاده سخت می‌کنیم و مغز آن را نرم و چقرمه نگه می‌داریم تا قطعه هم در برابر سایش مقاوم باشد و هم در برابر ضربه نشکند.

• کربن‌دهی (Carburizing): قطعه CK45 را در محیطی با کربن زیاد قرار می‌دهیم و گرم می‌کنیم. کربن به آرامی به سطح نفوذ کرده و سطح را غنی از کربن می‌کند. با این کار، وقتی قطعه را آب می‌دهیم، فقط لایه سطحی آن به شدت سخت می‌شود (مثل CK۶۰)، در حالی که هسته نرم‌تر باقی می‌ماند.
• نیتریده‌کردن (Nitriding): در این فرآیند، از گاز نیتروژن برای سخت کردن سطح استفاده می‌کنیم. نیتروژن با عناصر موجود در فولاد ترکیب شده و یک لایه بسیار نازک و بسیار سخت روی سطح ایجاد می‌کند. این روش مقاومت به سایش و خوردگی را به شدت افزایش می‌دهد.

۲. گرم کردن موضعی با القاء

سخت‌کاری القایی (Induction Hardening): این روش یک تکنولوژی پیشرفته و سریع است. ما از یک میدان مغناطیسی (مثل روش کار اجاق‌های القایی) برای گرم کردن بسیار سریع و موضعی سطح یک شفت یا دندانه استفاده می‌کنیم و بلافاصله آن را با آب خنک می‌کنیم. مزیت این روش، سرعت بالا، کنترل دقیق عمق سخت‌کاری و کمترین تغییر شکل در قطعه است.

علاوه‌بر تمامی نکات گفته شده تا به اینجا، شما می‌توانید برای استعلام قیمت فولاد آلیاژی یا مشاوره تخصصی با کارشناسان میهن فولاد نیز تماس بگیرید.

سوالات متداول

1. آیا فولاد CK45 در حالت اولیه (خام) به اندازه کافی محکم است؟
   خیر، فولاد CK45 در حالت اولیه (خام یا آنیل‌شده) فقط برای ماشین‌کاری آسان و شکل‌دهی مناسب است و سختی نسبتا پایینی (حدود ۱۶۰ تا ۲۱۰ برینل) دارد. برای استفاده در قطعاتی که قرار است تحت فشار و سایش قرار گیرند، مانند شفت‌ها یا چرخ‌دنده‌ها، باید حتما تحت عملیات حرارتی سخت‌کاری کامل (آبدهی و بازپخت) قرار گیرد. بدون این فرآیند، استحکام و مقاومت به سایش آن برای کاربردهای سنگین صنعتی کافی نخواهد بود و قطعه خیلی زود فرسوده می‌شود.
2. دمای بازپخت چطور سختی فولاد CK45 را تغییر می‌دهد؟
   دمای بازپخت یک ابزار کنترلی بسیار مهم است که رابطه معکوسی با سختی دارد. اگر دمای بازپخت را بالاتر ببرید (مثلاً از 200∘C به 500∘C)، این گرما باعث می‌شود که ساختار فولاد کمی شل شود و سختی فولاد CK45 کاهش پیدا کند. در عوض، قطعه شما چقرمه‌ترشده و مقاومت بیشتری در برابر ضربه و شکستگی پیدا می‌کند. به بیان ساده‌تر، مهندسان با تنظیم این دما، بین مقاومت به سایش (سختی بالا) و مقاومت به شکست (چقرمگی بالا) تعادل برقرار می‌کنند تا قطعه بهترین عملکرد را داشته باشد.
3. تفاوت بین سختی و عمق سخت‌کاری در فولاد 1.1191 چیست؟
   سختی (Hardness) عددی است که مقاومت سطح فولاد را نشان می‌دهد (مثلا ۴۰ HRC). اما عمق سخت‌کاری (Hardenability) نشان می‌دهد که این سختی چقدر به داخل قطعه نفوذ کرده است. CK45 یک فولاد با عمق سخت‌کاری متوسط است. این یعنی اگر یک شفت خیلی قطور را آبدهی کنید، احتمال دارد که سطح آن سخت شود اما مرکز آن به دلیل خنک نشدن کافی، نرم باقی بماند. به همین دلیل، برای قطعات خیلی ضخیم، گاهی لازم است از فولادهای آلیاژی با قابلیت سخت‌کاری بالاتر (مثل MO۴۰) استفاده شود تا تمام مقطع به سختی فولاد CK45 مورد نیاز برسد.
4. آیا می‌توانم بدون آبدهی کل قطعه، سطح فولاد 1.1191 را خیلی سخت کنم؟
   بله، این دقیقا همان چیزی است که فرآیندهای سخت‌کاری سطحی برای آن طراحی شده‌اند. با روش‌هایی مانند سخت‌کاری القایی یا نیتریده‌کردن، ما فقط یک لایه نازک روی سطح قطعه را فوق‌العاده سخت می‌کنیم و هسته قطعه را در حالت نرم و چقرمه نگه می‌داریم. این کار باعث می‌شود قطعه در برابر سایش مقاوم باشد و در عین حال، انعطاف‌پذیری لازم را برای تحمل بارهای ضربه‌ای یا شوک‌های مکانیکی داشته باشد و نشکند. این روشی بسیار رایج برای ساخت چرخ‌دنده‌ها و شفت‌هایی است که نیاز به دوام بالا دارند.