العوامل المؤثرة على صلابة فولاذ الأداة D2

فولاذ الأدوات D2 هو فولاذ عالي الكربون والكروم، يُصلب بالهواء. تتأثر صلابته بتركيبه الكيميائي، ومعايير المعالجة الحرارية، والتفاعلات الدقيقة.

فيما يلي العوامل التفصيلية التي تؤثر على صلابة فولاذ الأداة D2.

عناصر السبائك في التركيب

يتكون الفولاذ D2 من:¹

الكربون (C)	الكروم (Cr)	الموليبدينوم (Mo)	الفاناديوم (V)	المنجنيز (Mn)	السيليكون (Si)	الفوسفور (P)	الكبريت (S)
1.40 – 1.60	11.00 – 13.00	0.70 – 1.20	0.50 – 1.10	0.10 – 0.60	0.10 – 0.60	≤ 0.030	≤ 0.030

1. الكربون (C). يُعدّ محتوى الكربون العنصر الأساسي المؤثر على أقصى صلابة للمارتنسيت. عندما يكون محتوى الكربون في فولاذ D2 حوالي 1.5%، فإنه يحقق درجة عالية من الصلابة. 
2. الكروم (Cr). يُحسّن الكروم بشكل ملحوظ مقاومة فولاذ D2 للتآكل من خلال تكوين كمية كبيرة من كربيدات سبائك M7C3 عالية الصلابة. كما أن محتواه العالي من الكروم يمنح فولاذ D2 مقاومة للبقع.
3. الموليبدينوم (Mo) والفاناديوم (V). هذان العنصران عنصران صلبان في السبائك، يُعززان مقاومة التآكل ويُمكّنان فولاذ D2 من الخضوع للتصلب الثانوي أثناء عملية التطبيع. كما يُعطيان فولاذ D2 قابلية تصلب عالية، مما يُتيح التبريد بالهواء، مما يُوفر له ثباتًا أبعاديًا ممتازًا. يُمكن للفاناديوم تشكيل كربيدات شديدة الصلابة من نوع MC، مثل VC، بصلابة تصل إلى 2520 HK.
4. المنغنيز (Mn) والسيليكون (Si). مع أن تأثير هذه العناصر على الصلابة القصوى ليس كبيراً كتأثير عناصر الكربون أو الكربيد، إلا أنها تُسهم في قابلية التصلب.

معلمات المعالجة الحرارية

تؤثر المعالجة الحرارية المناسبة لفولاذ الأدوات D2 بشكل حاسم على صلابته. فهي تُضبط صلابته عن طريق تغيير بنيته الدقيقة. لمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع، يُرجى مراجعة ‘كيفية المعالجة الحرارية الصحيحة لفولاذ D2.‘

درجة الحرارة والوقت الأوستنيتي

يؤدي تسخين الفولاذ D2 إلى درجة حرارة الأوستنيت 980-1010 درجة مئوية / 1800-1850 درجة فهرنهايت إلى إذابة كمية كبيرة من الكربيدات، مما يثري الأوستينيت مع عناصر السبائك مثل الكربون والكروم والموليبدينوم. يُعدّ هذا الأوستينيت المُخصّب أساسيًا لتحقيق صلابة مارتنسيتية عالية عند الإخماد. يختلف نطاق درجة الحرارة الأمثل لتحقيق أقصى صلابة باختلاف كل فولاذ من النوع D.

تؤدي درجات حرارة الأوستينيت المرتفعة إلى زيادة ذوبان كربيد السبائك وزيادة إثراء الأوستينيت بالكربون والعناصر المكونة للكربيد. هذا يمكن أن يزيد من كمية الأوستينيت المحتجز في البنية المجهرية المُخمَّدة. الأوستينيت المحتجز هو طور أكثر ليونة، ويمكن أن تؤدي الكميات الزائدة إلى انخفاض صلابة المُخمَّدة وعدم استقرار الأبعاد بمرور الوقت. ومع ذلك، يمكن أن يكون مفيدًا للصلابة إذا تم التحكم فيه بشكل صحيح.

وسط التبريد ومعدل التبريد

يمكن للتبريد أن يحوّل الأوستينيت داخل فولاذ D2 إلى مارتنسيت، وهو مادة صلبة. فولاذ D2 هو فولاذ مُصلّب بالهواء، ويمكن تلطيفه بعد تبريده إلى 65 درجة مئوية (150 درجة فهرنهايت) في الهواء. يمكن تبريد القطع الأكبر من فولاذ D2 بالتساوي باستخدام مروحة.

درجة الحرارة والوقت للتلطيف

تعتبر عملية التلطيف من عمليات المعالجة الحرارية الهامة بعد التصلب والتي تعمل على ضبط الصلابة وتخفيف الضغوط الداخلية وزيادة صلابة الفولاذ المستخدم في الأدوات D2 بشكل كبير. 

يمكن لفولاذ D2 تحقيق صلابة تبلغ حوالي 62 HRC عند عملية تطبيع واحدة عند درجة حرارة 205 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت). ومع ذلك، فإن استخدام درجة حرارة أعلى للتطبيع المزدوج، مثل 515 درجة مئوية/960 درجة فهرنهايت لعملية التطبيع الأولى و480 درجة مئوية/900 درجة فهرنهايت لعملية التطبيع الثانية، عادةً ما يؤدي إلى صلابة أقل تبلغ 58 HRC. ومع ذلك، تُحسّن هذه العملية بنية الحبيبات، وتُطيل مقاومة التآكل، وتُطيل عمر الخدمة.

العلاقة بين درجة حرارة التبريد وصلابة الفولاذ D2²

درجة حرارة التلطيف	روكويل سي
كما تم إخماده	64
300 درجة فهرنهايت / 150 درجة مئوية	61
400 درجة فهرنهايت / 205 درجة مئوية	60
500 درجة فهرنهايت / 260 درجة مئوية	58
600 درجة فهرنهايت / 150 درجة مئوية	58
700 درجة فهرنهايت / 370 درجة مئوية	58
800 درجة فهرنهايت / 425 درجة مئوية	57
900 درجة فهرنهايت / 480 درجة مئوية	58
960 درجة فهرنهايت / 515 درجة مئوية	58/60
1000 درجة فهرنهايت / 540 درجة مئوية	56
1100 درجة فهرنهايت / 595 درجة مئوية	48

خصائص وتجهيز قطعة العمل الفولاذية D2

بالإضافة إلى الخصائص الجوهرية والمعالجة الحرارية لمادة D2، فإن حالتها الأولية وأبعادها وشكلها الهندسي ومعالجة سطحها تؤثر أيضًا على صلابتها.

1. يتم عادةً تصنيع D2 في حالة التلدين (صلابة التلدين القصوى حوالي 220 HB) لتسهيل المعالجة قبل التصلب النهائي.
2. تؤثر أبعاد وبنية أجزاء D2 على معدل التبريد أثناء الإطفاء، مما يؤثر بدوره على اتساق الصلابة.
3. قد تُسبب عمليات التصنيع، مثل الطحن أو التشغيل بالتفريغ الكهربائي (EDM)، عيوبًا سطحية أو تُغير صلابتها. كما قد تحدث إعادة الأوستنيت والتبريد على سطح الأدوات المطحونة، مما يؤدي إلى صلابة عالية وهشاشة. 
4. يمكن للنيتريد أن يزيد بشكل ملحوظ من صلابة سطح الفولاذ D2 (مثلاً، من 750 إلى 1200 فولت عالي) دون إضافة طبقة سميكة. وتُعدّ هذه المعالجة مفيدة بشكل خاص لمقاومة التآكل، وتُطبّق في درجات حرارة تتطلب مقاومة جيدة للتخمير.

ملخص

تنبع صلابة فولاذ الأدوات D2 العالية من المارتنسيت عالي الصلابة الناتج عن محتواه العالي من الكربون. ويمكن التحكم الدقيق في درجة حرارة الأوستنيت لفولاذ D2، بالإضافة إلى عمليات المعالجة الحرارية المتعددة، لضبط صلابته ومقاومته للتآكل ومتانته.

1. روبرتس، جي، وكراوس، جي، وكينيدي، ر. (1998). فولاذ الأدوات: الطبعة الخامسة (ص 203). ASM الدولية. ↩︎
2. برايسون، وي (2010). المعالجة الحرارية واختيار وتطبيق فولاذ الأدوات (الطبعة الثانية ص1149). منشورات هانسر. ↩︎