فولاذ الأدوات D2 | 1.2379 | SKD11

3. المعالجة الحرارية للفولاذ D2

كما يصف ويليام إي. برايسون في كتابه المعالجة الحرارية واختيار وتطبيق فولاذ الأدوات، ال المعالجة الحرارية غالبًا ما يُقارن فولاذ الأدوات D2 بالطهي، حيث يُعدّ التحكم الدقيق في الوقت ودرجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لتجنب نقص الطهي (مما يؤدي إلى نقص الصلابة) أو الإفراط في الطهي (مما يؤدي إلى تدمير البنية الجزيئية والتسبب في الهشاشة). توضح الخطوات التالية العملية.

3.1 تحضير المواد والتسخين المسبق

قبل المعالجة الحرارية، يجب أن يتم تنظيف المادة جيدًا منزوع الشحوم ويفضل ملفوفة بورق من الفولاذ المقاوم للصدأ لحماية سطحه. نظرًا لارتفاع نسبة الكروم وانخفاض موصليته الحرارية، يجب تسخينه تدريجيًا وبشكل متساوٍ إلى درجة الحرارة المستهدفة لتقليل خطر التشقق أثناء التسخين. درجة الحرارة المستهدفة هي 1200 درجة فهرنهايت (650 درجة مئوية)، ووقت التسخين هو من 10 إلى 15 دقيقة.

الغرض من عملية التسخين المسبق بأكملها هو ضمان توزيع الحرارة بشكل موحد في جميع أنحاء المادة، مما يسمح بإطلاق الضغوط الداخلية قبل أن تصبح المادة ناعمة للغاية وتزداد مرونتها، وبالتالي منع التشوه.

3.2 الأوستنيت (التصلب)

هذه هي الخطوة الثانية في المعالجة الحرارية، حيث يتغير هيكل المادة من فيريت بيرلايت إلى أوستينيت، وتُذاب فيها كربيدات سبائك معقدة متنوعة. درجة حرارة التسخين لهذه الخطوة هي 1850 درجة فهرنهايت (1010 درجة مئوية)، مع وقت نقع يبلغ ساعة واحدة لكل بوصة واحدة (25 ملم) من المقطع العرضييضمن وقت النقع هذا حدوث عملية الأوستنيتية بشكل موحد. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن قد يكون لوقت النقع الطويل للغاية، حتى لو كان بضع دقائق فقط، تأثير سلبي على الفولاذ.

3.3 إخماد

فولاذ الأدوات D2 هو فولاذ متصلب بالهواء، وتكمن ميزته في تقليل التشوه والتغيرات الأبعادية أثناء تشكيل مارتنسيتتتضمن العملية الخطوات التالية: بعد النقع، يتم تبريد المادة بسرعة إلى ما يقرب من 150 درجة فهرنهايت (65 درجة مئوية). أثناء هذه العملية، عندما تصل درجة الحرارة إلى 1050 درجة فهرنهايت (565 درجة مئوية) وقبل أن تتحول المادة إلى بنية صلبة في 400 درجة فهرنهايت (205 درجة مئوية)يمكن إزالة قطعة العمل من العبوة المعدنية ووضعها على رف التبريد. يجب توخي الحذر لتجنب وضع المادة مباشرة على سطح طاولة بارد، لأن هذا قد يُسبب تقلبات موضعية في درجات الحرارة ويؤدي إلى تشوه. من منظور البنية المجهرية، تُحوّل هذه العملية البنية الداخلية للفولاذ إلى مارتنسيت ذي حبيبات دقيقة، مما يُضفي مقاومة ممتازة للتآكل على D2.

بعد الإطفاء المناسب، لا تزال المادة تحتوي على نسبة معينة من "الأوستينيت المتبقي"، مع محتوى المارتنسيت الأمثل الذي يتراوح من 95% إلى 96%.

3.4 التقسية

يُحسّن التصلب صلابة الفولاذ، ويُقلل الإجهاد الداخلي، ويُوفر تصلبًا ثانويًا. يجب إجراء التصلب فورًا عند انخفاض درجة حرارة المادة إلى 125 درجة فهرنهايت إلى 150 درجة فهرنهايت (52 درجة مئوية إلى 65 درجة مئوية).

إذا كان D2 هو فقط خفف مرة واحدة، درجة حرارة التلطيف هي 400 درجة فهرنهايت (205 درجة مئوية) لتحقيق صلابة روكويل 62HRC.

نوصي باستخدام عملية التهدئة الثانوية لـ D2، والتي يمكن أن تحسن من مقاومة التآكل بواسطة 20-30%.

في عملية التلطيف الثانوي، درجة حرارة التلطيف الأولى هي 960 درجة فهرنهايت (515 درجة مئوية) لمدة ساعتين لكل بوصة (25 مم) من المقطع العرضيقبل عملية التطبيع الثانية، أي خلال الفترة الفاصلة بين عمليتي التطبيع الأولى والثانية، يجب ترك المادة لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة قبل عملية التطبيع الثانية. قد تستغرق هذه الفترة عدة ساعات، وقد تستغرق أيضًا عدة أيام، لكن النقطة الأساسية هي أن عملية التطبيع الثانية يجب أن... لا تبدأ عند 150 درجة فهرنهايت (65 درجة مئوية)، وهي درجة حرارة مختلفة تمامًا عن عملية التبريد الفردية المذكورة سابقًا. درجة حرارة التهدئة الثانية هي 900 درجة فهرنهايت (480 درجة مئوية) لمدة ساعتين لكل بوصة من المقطع العرضي. يحقق التصلب الثاني صلابة روكويل بمقدار 58 حقوق الإنسان.

في حين أن D2 لديه صلابة ثانوية ضعيفة، يمكن استخدام التلطيف عند درجات حرارة أعلى (على سبيل المثال، ~550 درجة مئوية/1020 درجة فهرنهايت) لتحقيق صلابة 60 ساعة من عصر النهضة، وبالتالي تحسين الاستقرار أثناء النترتة أو طرق أخرى لتقوية الأسطح. ومع ذلك، قد يؤدي هذا إلى زيادة الأوستينيت المحتفظ به ونمو الحبيبات، مما قد يقلل من المتانة ويسبب عدم استقرار في البنية الدقيقة.

3.5  المعالجة بالتبريد العميق/تحت الصفر (اختياري)

صُممت هذه العملية لإزالة أو تقليل الأوستينيت المتبقي، وتعزيز ثبات أبعاد المادة. وبما أن فولاذ الأدوات D2 يحتفظ بكمية كبيرة من الأوستينيت (تصل إلى 20%) بعد المعالجة الحرارية القياسية، فقد يؤدي ذلك إلى عدم ثبات أبعاد المادة، حيث يتحول الأوستينيت المتبقي تلقائيًا إلى مارتنسيت غير مُقسّى بمرور الوقت في درجة حرارة الغرفة.

تتضمن العملية الخطوات التالية: بعد علاج تخفيف التوتر (حوالي 150 درجة مئوية)، يتم تبريد المادة إلى درجة حرارة منخفضة للغاية (تقريبًا -300 درجة فهرنهايت/-184 درجة مئوية)، قريبة من درجة حرارة Mf النهائية أو أقل منها. لا تزال هناك حاجة إلى المعالجة الحرارية اللاحقة لمنع الهشاشة الناتجة عن المارتنسيت الطازج المتشكل حديثًا.

تؤدي هذه العملية إلى إنشاء بنية جزيئية أكثر إحكاما داخل المادة (مما يقلل الاحتكاك والحرارة والتآكل)، ويقلل من الإجهاد المتبقي، ويعزز قوة الشد والصلابة والاستقرار الأبعادي، مما يحسن بشكل كبير من أداء المادة.

[المراجع: Reardon, AC (Ed.). (2011). علم المعادن لغير المتخصصين (الطبعة الثانية، ص ٢٣١). ASM الدولية.

3.6 المشاكل المحتملة

1. يمكن أن يُسبب الأوستينيت المتبقي عدم استقرار أبعاد المواد، خاصةً عند درجات حرارة الأوستينيت العالية. تُستخدم عمليات الإخماد المُتحكم بها، وأوقات التثبيت الدقيقة، والمعالجة الحرارية المزدوجة والثلاثية لإدارة هذه العملية.
2. عوامل مثل التسخين والتبريد غير المنتظم، وتحولات الطور (وخاصةً تكوّن المارتنسيت)، والإجهاد المتبقي أثناء المعالجة الحرارية، قد تُسبب تشوّهًا وتشققًا في المواد. لذلك، من المهم ضمان التسخين البطيء والمنتظم، واستخدام وسائط إخماد مناسبة، ومعالجة لتخفيف الإجهاد.
3. فولاذ D2 عرضة لإزالة الكربون. نوصي بتسخين مواد D2 في جو محايد مُتحكم به، أو في فراغ، أو في فرن ملح محايد لمنع إزالة الكربون.