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.
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.
خواص مکانیکی فولاد SPK
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.
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.