خواص مکانیکی فولاد SPK

فولاد SPK که با نام‌های 1.2080 و فولاد D3 و k100 نیز شناخته می‌شود، در دسته فولادهای ابزار سردکار قرار می‌گیرد. ترکیب شیمیایی این فولاد، شامل کربن (حدود ۲.۱٪) و کروم (حدود ۱۲٪) است. این ترکیب شیمیایی، بستر لازم برای دستیابی به خواص مکانیکی فولاد SPK را فراهم می‌کند. این فولاد، برای ساخت ابزارهای برشی و قالب‌ها، مانند سنبه‌ها، تیغه‌های برش، قالب‌های کشش عمیق و ابزارهای فرم‌دهی فلزات، مناسب است. 

خواص مکانیکی فولاد SPK، به ما می‌گویند که یک ماده چگونه در برابر نیروهای خارجی مانند کشش، فشار، ضربه و سایش رفتار می‌کند. در مورد فولاد SPK، این خواص به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که عملکردی خوبی را در سخت‌ترین شرایط صنعتی ارائه دهند. در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها می‌پردازیم. با میهن فولاد همراه باشید.

۱. سختی (Hardness)

سختی، اولین و شاید مهم‌ترین ویژگی در خواص مکانیکی فولاد SPK باشد که آن را از سایر فولادها متفاوت می‌کند. این فولاد پس از عملیات حرارتی، می‌تواند به سختی‌هایی در محدوده ۶۰ تا ۶۲ راکول سی (HRC) دست پیدا کند. اما دلیل این سختی فوق‌العاده، وجود درصد خوبی از کربن و کروم در ترکیب شیمیایی آن است که باعث تشکیل کاربیدهای سخت و پایدار کروم در ریزساختار فولاد می‌شود. این کاربیدها در زمینه فولاد (که پس از عملیات حرارتی به ساختار مارتنزیت تبدیل می‌شود) پراکنده شده و مانند سنگریزه‌هایی سخت عمل می‌کنند. 

این ساختار، مقاومت فولاد را در برابر نفوذ، تغییر شکل پلاستیک و فرورفتگی به شدت افزایش می‌دهد. برای درک بهتر این موضوع، به یک دیوار بتنی فکر کنید که با سنگدانه‌های سخت پر شده است؛ این سنگدانه‌ها مقاومت کلی دیوار را در برابر فشار و ضربه بالا می‌برند.

۲. مقاومت به سایش (Wear Resistance)

مقاومت به سایش، اصلی‌ترین دلیل محبوبیت و کاربرد گسترده فولاد SPK در صنعت ابزارسازی است. این مقاومت فوق‌العاده، نتیجه مستقیم سختی بالای فولاد و وجود همان کاربیدهای کروم است. این ذرات سخت، از سطح فولاد در برابر سایش‌های ناشی از تماس با مواد دیگر، مانند برش یا کشیدن فلزات، محافظت می‌کنند. 

۳. چقرمگی (Toughness)

چقرمگی به معنای توانایی یک ماده در جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست ترد (ناگهانی) است. معمولا در فولادها، سختی و چقرمگی رابطه‌ای معکوس دارند؛ یعنی با افزایش سختی، چقرمگی کاهش می‌یابد. فولاد SPK نیز به‌خاطر سختی بسیار بالا، در مقایسه با برخی فولادهای ابزار دیگر، چقرمگی کمتری دارد. با این حال، با کنترل دقیق عملیات تمپرینگ، می‌توان تعادلی بین سختی و چقرمگی ایجاد کرد. 

با افزایش دمای تمپرینگ، سختی کمی کاهش می‌یابد، اما چقرمگی و مقاومت در برابر ضربه افزایش پیدا می‌کند. این انعطاف‌پذیری، اجازه می‌دهد تا خواص مکانیکی فولاد SPK را بر اساس نیازهای خاص هر کاربرد تنظیم کرد. برای مثال، یک قالب کشش به سختی بالا نیاز دارد، در حالی که یک سنبه پانچ ممکن است به چقرمگی بیشتری برای مقاومت در برابر ضربه ناگهانی احتیاج داشته باشد.

۴. پایداری ابعادی (Dimensional Stability)

در تولید قالب‌های دقیق و ابزارهای حساس، حفظ ابعاد دقیق پس از عملیات حرارتی یک چالش بزرگ است. پایداری ابعادی بالا یکی از نقاط قوت خواص مکانیکی فولاد SPK است که آن را به گزینه‌ای مناسب برای این کاربردها تبدیل می‌کند. ریزساختار این فولاد به گونه‌ای است که پس از سخت‌کاری و تمپرینگ، تغییرات ابعادی و اعوجاج آن به حداقل می‌رسد. در واقع، به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد تا قطعاتی با تلرانس‌های بسیار بسته تولید کنند، بدون اینکه نگران تغییر شکل یا ترک‌خوردگی باشند. این خاصیت به‌خصوص در ساخت قالب‌های برش دقیق، که هر میلی‌متر اهمیت دارد، بسیار مهم است.

۵. استحکام فشاری (Compressive Strength)

در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مانند پرس‌کاری یا فرم‌دهی فلزات، ابزار تحت بارهای فشاری بسیار سنگین قرار می‌گیرد. فولاد SPK به‌خاطر سختی و مقاومت بالای خود، از استحکام فشاری فوق‌العاده‌ای برخوردار است. می‌تواند بدون تغییر شکل دائمی یا خرد شدن، فشارهای زیادی را تحمل کند و عملکردی پایدار و طولانی‌مدت داشته باشد. 

مقایسه خواص مکانیکی فولاد SPK با سایر فولادهای ابزار سردکار

• فولاد SPK (D3 / 1.2080) در مقابل فولاد D2 (1.2379): این دو فولاد بیشتر با هم مقایسه می‌شوند. فولاد D2 به‌خاطر داشتن عناصر آلیاژی مانند مولیبدن و وانادیوم و درصد کربن کمتر، از چقرمگی و سختی‌پذیری بهتری نسبت به خواص مکانیکی فولاد SPK برخوردار است. این تفاوت باعث می‌شود که D2 در کاربردهایی که علاوه‌بر سختی و مقاومت به سایش، نیاز به مقاومت در برابر ضربه و شوک دارند، گزینه مناسب‌تری باشد. در حالی که SPK اصلی، به‌خاطر درصد کربن بالاتر، سختی و مقاومت به سایش بیشتری دارد اما شکننده‌تر است.
• فولاد SPK (D3) در مقابل فولاد A2: فولاد A2 دارای درصد کربن و کروم کمتری نسبت به خواص مکانیکی فولاد SPK است. به همین دلیل، سختی و مقاومت به سایش آن نیز کمتر است. با این حال، A2 به‌خاطر سختی‌پذیری خوب و پایداری ابعادی مناسب، برای کاربردهای عمومی که نیاز به سختی بالا و مقاومت به سایش فوق‌العاده ندارند، یک گزینه اقتصادی‌تر محسوب می‌شود.
• فولاد SPK (D3) در مقابل فولاد (1.2510) O1: فولاد O1 یک فولاد ابزار سخت‌شونده در روغن است که مقاومت به سایش و سختی کمتری نسبت به SPK دارد. O1 به‌خاطر سختی‌پذیری بالا و مقاومت به سایش مناسب، برای ابزارهای برش و فرم‌دهی فلزات با ضخامت کم استفاده می‌شود، اما در کاربردهای پرفشار و با مواد سخت، خواص مکانیکی فولاد SPK عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهد.

تاثیر عملیات حرارتی در خواص مکانیکی فولاد SPK

بسیاری از خواص مکانیکی فولاد SPK، وابسته به عملیات حرارتی دقیق و اصولی است. این فرآیند شامل سه مرحله اصلی است که هر کدام نقشی زیادی در تعیین خواص فولاد دارند:

• سخت‌کاری (Hardening): در این مرحله، فولاد تا دمای آستنیته (حدود ۹۴۰-۹۸۰ درجه سانتی‌گراد) گرم شده و سپس به سرعت سرد (کوئنچ) می‌شود تا ساختار آن به مارتنزیت تبدیل شود. این فرآیند، سختی اولیه را به شدت بالا می‌برد.
• بازپخت (Tempering): پس از سخت‌کاری، فولاد بسیار شکننده است. با گرم کردن مجدد آن تا دمای پایین‌تر (حدود ۲۰۰ تا ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد) و سپس سرد کردن آهسته، تنش‌های داخلی کاهش یافته و چقرمگی فولاد افزایش می‌یابد.
• زیرسرد کردن (Sub-zero Treatment): برای رسیدن به حداکثر سختی و پایداری ابعادی، برخی از فولادهای SPK به صورت تخصصی تحت فرآیند زیرسرد کردن (مانند سرمایش تا دمای ۷۵- درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرند تا مارتنزیت باقیمانده به طور کامل تبدیل شود و خواص مکانیکی فولاد SPK بهینه گردد.

آیا سختی بالای SPK به معنای شکننده بودن آن است؟

بله، در دنیای متالورژی، سختی و چقرمگی رابطه‌ای معکوس دارند. فولاد SPK نیز به‌خاطر سختی بسیار بالا، در حالت پس از سخت‌کاری بسیار شکننده است. با این حال، با کنترل دقیق عملیات تمپرینگ می‌توان این شکنندگی را تا حد زیادی کاهش داد و به یک تعادل مناسب بین سختی و چقرمگی دست یافت. فرآیند تمپرینگ، با کاهش تنش‌های داخلی و تبدیل بخشی از ریزساختار، باعث افزایش مقاومت در برابر ضربه و جلوگیری از شکست ناگهانی می‌شود.

مقاومت به سایش SPK در مقایسه با فولادهای کربنی معمولی چقدر بیشتر است؟

مقاومت به سایش در خواص مکانیکی فولاد SPK، به‌خاطر وجود مقادیر بالای کاربیدهای سخت کروم، به طور قابل توجهی (چندین برابر) بیشتر از فولادهای کربنی معمولی مانند فولاد ۱۰۴۵ است. این کاربیدها در ریزساختار فولاد، مانند یک لایه محافظ عمل کرده و از سطح آن در برابر سایش‌های ناشی از اصطکاک با مواد دیگر محافظت می‌کنند. این تفاوت، دلیل اصلی انتخاب فولاد SPK برای ساخت ابزارهای برشی و فرم‌دهی است که در معرض سایش شدید قرار دارند.

آیا خواص مکانیکی SPK در دماهای بالا حفظ می‌شود؟

فولاد SPK در دسته فولادهای ابزار سردکار طبقه‌بندی می‌شود و برای عملکرد در دماهای اتاق یا دماهای نسبتا پایین طراحی شده است. خواص مکانیکی فولاد SPK مانند سختی و استحکام در دماهای بالا به سرعت کاهش می‌یابد. برای کاربردهایی که در دماهای بالا (معمولاً بالای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) کار می‌کنند، باید از فولادهای ابزار گرم‌کار مانند H13 یا H21 استفاده شود که مقاومت بهتری در برابر حرارت دارند.

آیا امکان بهبود خواص مکانیکی SPK از طریق فرآیندهای پس از عملیات حرارتی مانند نیتراسیون وجود دارد؟

بله، فرآیندهای پس از عملیات حرارتی مانند نیتراسیون (قرار دادن فولاد در محیط نیتروژن در دمای بالا) می‌تواند به طور قابل توجهی خواص مکانیکی فولاد SPK را بهبود بخشد. این فرآیند یک لایه سخت و مقاوم در برابر سایش روی سطح فولاد ایجاد می‌کند، در حالی که هسته فولاد چقرمگی خود را حفظ می‌کند. این مسئله به‌خصوص برای افزایش عمر ابزارهایی که تحت سایش شدید قرار دارند، بسیار مناسب است.

سوالات متداول 

1. چگونه می‌توان سختی مورد نیاز را برای یک کاربرد خاص (مثلا ۶۰ HRC) با عملیات حرارتی به دست آورد؟
   برای دستیابی به یک سختی مشخص، به خصوص سختی‌های بالا مانند ۶۰ HRC، باید دمای دقیق تمپرینگ را به دقت کنترل کرد. پس از سخت‌کاری اولیه، فولاد معمولا به حداکثر سختی خود می‌رسد. سپس با قرار دادن آن در یک کوره با دمای مشخص (مثلا بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) و نگه داشتن آن به مدت معین، سختی فولاد به تدریج کاهش می‌یابد. تولیدکنندگان و متالورژیست‌ها از جداول و منحنی‌های استاندارد برای هر نوع فولاد استفاده می‌کنند تا دمای مناسب تمپرینگ برای رسیدن به سختی مطلوب را بیابند.

2. تفاوت اصلی خواص مکانیکی فولاد SPK و D2 چیست؟ و کدام یک برای ابزارهای پرکاربرد مناسب‌تر است؟
   تفاوت اصلی این دو فولاد در ترکیب شیمیایی و در نتیجه در چقرمگی و مقاومت به ضربه است. فولاد D2 به‌خاطر داشتن عناصر آلیاژی اضافی، چقرمگی بالاتری دارد و در برابر شکست ترد مقاوم‌تر است. انتخاب بین این دو به کاربرد بستگی دارد. برای ابزارهایی که نیاز به حداکثر سختی و مقاومت به سایش دارند (مانند قالب‌های برش نازک)، SPK ممکن است کافی باشد. اما برای ابزارهایی که تحت بارهای ضربه‌ای قرار می‌گیرند (مانند سنبه‌های پانچ)، D2 به‌خاطر چقرمگی بالاتر، گزینه مناسب‌تری است.

3. چرا SPK به عنوان یک فولاد پایداری ابعادی بالا شناخته می‌شود؟
   پایداری ابعادی در خواص مکانیکی فولاد SPK به‌خاطر وجود مقادیر بالای کروم و فرآیندهای عملیات حرارتی دقیق آن است. کروم باعث کاهش اعوجاج و تغییرات حجمی در حین سخت‌کاری می‌شود. همچنین، با انجام فرآیند زیرسرد کردن پس از سخت‌کاری، فاز مارتنزیت باقیمانده به طور کامل تبدیل می‌شود که این امر به ثبات ابعادی قطعه کمک زیادی می‌کند. این ویژگی برای ساخت قالب‌های دقیق که تلرانس‌های بسیار بسته دارند، مهم است. 

4. چگونه می‌توان از ایجاد ترک در فرآیند سخت‌کاری فولاد SPK جلوگیری کرد؟
   ایجاد ترک در فولادهای پرکربن مانند SPK یک چالش رایج است. برای جلوگیری از این مشکل، باید چند نکته کلیدی را رعایت کرد که شامل، پیش‌گرمایش مناسب (Pre-heating) قبل از سخت‌کاری برای کاهش تنش‌های حرارتی، استفاده از نرخ سرمایش کنترل‌شده در فرآیند کوئنچینگ (به جای سرد کردن بسیار سریع)، و انجام عملیات بازپخت بلافاصله پس از سخت‌کاری برای رفع تنش‌های داخلی است. همچنین، طراحی مناسب ابزار برای جلوگیری از تجمع تنش در گوشه‌ها و لبه‌های تیز نیز بسیار مهم است.