كيفية المعالجة الحرارية الصحيحة لفولاذ D2

فولاذ الأدوات D2 هو فولاذ عالي الكربون وعالي الكروم، متصلب بالهواء، يتميز بخصائص استثنائية مقاومة التآكل، استقرار أبعادي ممتاز أثناء الإطفاء، ومقاومة عالية للتليين.

على الرغم من صعوبة تشغيله وإمكانية لحامه نظرًا لمحتواه العالي من السبائك، إلا أن هذا النوع من الفولاذ لا يزال يُستخدم على نطاق واسع في القوالب طويلة العمر، وقوالب التثقيب، وقوالب التشكيل البارد. تُعد المعالجة الحرارية بالغة الأهمية لفولاذ D2، إذ تُحوّل بنيته المجهرية لتحقيق الصلابة العالية ومقاومة التآكل والمتانة المطلوبة. وبالمثل، يُعدّ استكشاف أعطال فولاذ الأدوات D2 وإصلاحها أمرًا بالغ الأهمية أيضًا. في حال عدم إجراء المعالجة الحرارية بشكل صحيح، سيفشل فولاذ D2 في تحقيق الصلابة ومقاومة التآكل اللازمتين، مما يجعله غير مناسب للتطبيقات الصعبة. على سبيل المثال، غالبًا ما يحتفظ فولاذ D2 بكمية كبيرة من الأوستينيت بعد التبريد الأولي، مما قد يؤدي إلى هشاشة وعدم استقرار الأبعاد. لذلك، يُعدّ التطبيع المزدوج أو الثلاثي ضروريًا لتحويل هذا الأوستينيت المحتفظ به إلى بنية مارتنسيتية مستقرة وأكثر صلابة، ولتخفيف الضغوط الداخلية، مما يؤدي إلى إطالة عمر الأداة وضمان الأداء الأمثل. كما تُعد دورات التسخين المسبق بالغة الأهمية لمنع الصدمات الحرارية وتقليل التشوهات.

تقدم هذه المقالة وصفةً شاملةً للمعالجة الحرارية الناجحة لفولاذ الأدوات D2، بما في ذلك أفضل الممارسات لكل خطوة، وإجراءات مراقبة الجودة، وتقنيات فعّالة لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها في المشاكل الشائعة، مثل التشوه والتشقق ومشاكل الصلابة أو البنية الدقيقة. بفهم هذه الإرشادات والالتزام بها، يمكنك إطالة عمر الأداة بشكل ملحوظ وتحسين أدائها.

تتضمن المعالجة الحرارية لفولاذ D2 عادةً ثلاث خطوات أساسية: التسخين (الأوستنيتة)، والتبريد السريع (التبريد)، وإعادة التسخين إلى درجة حرارة أقل (التطبيع). في كل مرحلة، يُعدّ التحكم الدقيق في الوقت ودرجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق النتيجة المرجوة. خصائص الفولاذ D2 والبنية الدقيقة.

خطوات المعالجة الحرارية النوعية لفولاذ الأدوات D2

1. التحضير و التسخين المسبق

يجب إزالة الشحوم من الفولاذ D2 قبل المعالجة الحرارية لمنع تغير اللون الناتج عن الزيوت الموجودة على سطح الفولاذ.¹ إن وضع فولاذ D2 في جو محايد مُتحكم به، أو في فراغ، أو في فرن ملح محايد، ولفّه بورق فولاذ مقاوم للصدأ، يمنع إزالة الكربون أثناء المعالجة الحرارية. يُعد هذا التحضير مهمًا بشكل خاص لقطع فولاذ D2 الصغيرة.

بعد تطبيق حماية السطح، يجب إجراء تسخين مسبق (غير مُقَسّى) على فولاذ D2 قبل المعالجة الحرارية الرسمية، خاصةً عند إزالة كمية كبيرة من المادة (أكثر من 30-50% من الكتلة الأولية). يهدف التسخين المسبق إلى تقليل خطر التشوه والتشقق أثناء المعالجة الحرارية اللاحقة.

خطوات التسخين المسبق هي كما يلي: سخّن فولاذ D2 ببطء وبشكل متساوٍ إلى 1200-1250 درجة فهرنهايت (649-677 درجة مئوية). انقعه في هذه الدرجة لمدة ساعة إلى ساعتين لكل بوصة (25.4 مم) من السُمك. ثم برّده ببطء إلى درجة حرارة الغرفة في الفرن.

يُفضّل البدء بتسخين فولاذ D2 من فرن بارد، إذ يسمح ذلك بعملية تسخين أبطأ وأكثر انتظامًا. إذا سُخّن الفرن مسبقًا إلى درجة حرارة التسخين المسبق، فننصح بوضع مادة D2 فوقه لتسخينها مسبقًا، مما يُجنّب الانكماش البارد ويُقلّل الصدمة الحرارية، مما يُقلّل من التشقق.

2. الأوستنيت (التصلب)

هذه هي الخطوة الثانية في عملية المعالجة الحرارية. تُحوّل عملية الأوستنيت بنية الفريت-البيرلايت إلى أوستنيت، وتُذيب جزءًا كبيرًا من الكربيدات. يعتمد فولاذ D2 على إذابة كربيدات سبائك معقدة مختلفة أثناء عملية الأوستنيت لتطوير خصائصه.

تتراوح درجة حرارة هذه الخطوة بين 980 و1025 درجة مئوية (1796-1877 درجة فهرنهايت)، ويتراوح وقت النقع عادةً بين 45 و60 دقيقة لكل بوصة (1.8 و2.4 دقيقة/مم). بالنسبة للقطع التي يقل سمكها عن بوصة واحدة (25.4 مم)، يُنصح بمدة نقع لا تقل عن 45-60 دقيقة. قد يؤدي الإفراط في النقع أو التسخين الزائد إلى تدمير البنية الجزيئية والتسبب في هشاشة القطع، بينما يؤدي نقص النقع إلى انخفاض صلابتها.

3. إخماد

بعد النقع، يُبرَّد الفولاذ بسرعة إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة التحول، مما يُنتج بنية مارتنسيتية صلبة. أما الإخماد فهو الخطوة الثالثة.

D2 هو فولاذ أدوات يُصلب بالهواء، ويُعدّ التبريد بالهواء الطريقة المُفضّلة لإخماد هذا النوع من الفولاذ. يُقلّل التبريد بالهواء التشوه والتغيرات في الأبعاد بشكل كبير. مع ذلك، بالنسبة للمقاطع العرضية الكبيرة جدًا، قد لا يُحقّق التبريد بالهواء وحده الصلابة الكاملة؛ في هذه الحالات، يُمكن اللجوء إلى التبريد بالزيت أو حمامات الملح المُحرّكة لضمان التحويل الأمثل.

في حال اختيار التبريد الهوائي، أخرج قطعة العمل D2 من الفرن واتركها تبرد طبيعيًا حتى تصل درجة حرارتها إلى حوالي 66 درجة مئوية (150 درجة فهرنهايت). من الضروري إبقاء القطعة مغلقة داخل غلافها المعدني حتى تختفي الحرارة الحمراء المرئية تمامًا لمنع ملامستها للهواء الجوي.

إذا كان التقويم مطلوبًا، فيجب إجراؤه عند درجة حرارة أعلى من 400 درجة فهرنهايت (205 درجة مئوية).

4. العلاج بالتبريد العميق (اختياري ولكن موصى به)

تعتبر عملية التلطيف خطوة مهمة في المعالجة الحرارية بعد عملية الإخماد، وتهدف إلى تقليل الهشاشة، وتحويل الأوستينيت المحتفظ به، وتشكيل الكربيدات في المارتنسيت، وبالتالي تحسين خصائص الفولاذ D2.

تتراوح درجات حرارة التطبيع النموذجية لـ D2 بين 515 درجة مئوية (960 درجة فهرنهايت) للتطبيع الأول و480 درجة مئوية (900 درجة فهرنهايت) للتطبيع الثاني. في حال استخدام تطبيعات متعددة، يجب إجراء كل تطبيع لاحق عند درجة حرارة أقل قليلاً (مثلاً، أقل بمقدار 14 درجة مئوية أو 25 درجة فهرنهايت) من التطبيع السابق للحفاظ على مستوى الصلابة الأصلي. تتطلب كل دورة تطبيع وقت نقع لمدة ساعتين لكل بوصة (25 مم) من المقطع العرضي. من الضروري لا لتلطيف الأجزاء. اترك القطعة تبرد دائمًا إلى درجة حرارة الغرفة بين دورات التخفيف لتقليل الأوستينيت المتراكم.

5. التقسية

التطبيع (أو السحب) هو معالجة حرارية تُطبق على الفولاذ المُصلد لتعزيز صلابته ومرونته، وتخفيف الضغوط الداخلية، وتحقيق الخواص الميكانيكية المطلوبة. يُحوّل هذا التطبيع المارتنسيت المُخمّد إلى مارتنسيت مُخمّد. المارتنسيت المُخمّد صلبٌ جدًا ولكنه هشّ أيضًا، وبدون التطبيع، يكون عُرضةً للتشقق. كما يُحسّن التطبيع بنية الحبيبات.

يجب أن يتم إجراء عملية التلطيف فورًا بعد التبريد، بمجرد أن تصل الأجزاء إلى درجة حرارة 125-150 درجة فهرنهايت (52-65 درجة مئوية).

نوصي بالتسخين المزدوج لـ D2، أو حتى بالتسخين الثلاثي، لتحسين مقاومة التآكل وتخفيف الضغط. درجة حرارة التسخين الأولى هي 960 درجة فهرنهايت (515 درجة مئوية)، مع مدة نقع ساعتين لكل بوصة (25 مم) من المقطع العرضي. يجب الانتظار حتى تنخفض درجة الحرارة إلى درجة حرارة الغرفة بعد التسخين الأول. التسخين الثانوي عند 900 درجة فهرنهايت (480 درجة مئوية)، مع مدة نقع ساعتين لكل بوصة (25 مم) من المقطع العرضي.

على الرغم من أن عملية التبريد الفردي عند 400 درجة فهرنهايت (205 درجة مئوية) يمكن أن تحقق 62 HRC، فإننا نوصي بالتبريد المزدوج عند 900 درجة فهرنهايت لتحسين مقاومة التآكل والقضاء على الإجهاد.

بالنسبة لمواد الفولاذ D2 المُصلَّبة، بعد الطحن أو اللحام أو التشغيل بالتفريغ الكهربائي (EDM) بشكل مكثف، نوصي أيضًا بالتسخين لتخفيف الإجهاد. يُجرى ذلك عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة التسخين السابقة بمقدار 14-28 درجة مئوية (25-50 درجة فهرنهايت). ²

استكشاف الأخطاء وإصلاحها في مشاكل المعالجة الحرارية الشائعة لـ D2

1. صلابة أو قوة منخفضة

قد يكون هذا بسبب درجة حرارة الأوستنيت غير الكافية أو وقت الاحتفاظ غير الكافي ("التسخين غير الكافي")، مما يؤدي إلى تحول مارتنسيتي غير مكتمل.

يوصى بضبط درجة حرارة الأوستينيت وضمان وقت الاحتفاظ الكافي، أو تنفيذ دورات تلطيف متعددة، والنظر في المعالجة بالتبريد العميق لمعالجة مشاكل الأوستينيت المتبقية.

2. التشويه والانحناء

تُعدّ الإجهادات المتبقية الناتجة عن عمليات التشغيل الآلي أو التشكيل على فولاذ D2 السبب الرئيسي. ومع ذلك، من المحتمل أيضًا أن يكون عدم انتظام تسخين قطعة العمل D2 أثناء المعالجة الحرارية قد ساهم في المشكلة.

يتضمن الحل تطبيق معالجة تخفيف الإجهاد بعد التشغيل الخشن وقبل التصلب، مع ضمان تسخين موحد لمكونات D2 أثناء المعالجة الحرارية. يمكن تقييم التسخين الموحد بملاحظة تطابق لون جدار الفرن مع لون قطعة العمل. عندما يظهر جدار الفرن وقطعة العمل لونًا موحدًا، فهذا يدل على تسخين مكون D2 بشكل موحد.

3. إخماد التشقق

قد يؤدي التبريد السريع جدًا أو غير المتساوي إلى تشققات، لذا يجب التحكم في معدل التبريد. كما أن تخفيف الضغط قبل التبريد بالهواء يُقلل من خطر التشققات.

4. ارتفاع درجة الحرارة والحرق

قد تؤدي درجة حرارة الأوستنيت المفرطة أو النقع لفترات أطول من الموصى بها إلى ارتفاع درجة حرارة الفولاذ، بل وحتى احتراقه. هذا يُدمر أو يحرق البنية الجزيئية، مما يُسبب هشاشة وخشونة الحبيبات.

الالتزام الصارم بدرجة حرارة الأوستنيت الموصى بها ووقت الاحتفاظ.

5. إزالة الكربون والأكسدة

قد يؤدي تسخين الفولاذ إلى درجات حرارة عالية، دون التحكم المناسب في الغلاف الجوي، إلى الأكسدة (الترسبات) وإزالة الكربون (فقدان الكربون من السطح). يُقلل إزالة الكربون من صلابة السطح ومقاومته للتآكل.

يمكن تجنب هذه المشاكل أو الحد منها باستخدام أفران حمام الملح أو أفران الأجواء المُتحكم بها. كما يُمكن تغليف قطع العمل D2 بورق من الفولاذ المقاوم للصدأ لتقليل احتمالية إزالة الكربون.

6. الأوستينيت المحتفظ به بشكل زائد

يمكن أن تؤدي درجات حرارة الأوستنيت العالية، ومعدلات التبريد السريعة، وعناصر السبائك المحددة إلى كميات كبيرة من الأوستنيت المحتجز بعد الإخماد. هذا قد يؤدي إلى عدم استقرار أبعادي، حيث يمكن أن يتحول الأوستنيت المحتجز تلقائيًا إلى مارتنسيت غير مُقسّى أثناء الاستخدام.

يمكن لمعالجات التطبيع المتعددة تحويل الأوستينيت المحتجز وتلطيف المارتنسيت المتشكل حديثًا. كما يُعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة بين دورات التطبيع أمرًا بالغ الأهمية لتقليل الأوستينيت المحتجز.

ملخص

باختصار، ما سبق هو مخطط معالجة حرارية قياسي لفولاذ D2. يجب مراعاة عدة تفاصيل في هذه العملية، بما في ذلك التسخين غير المتساوي، الذي قد يؤدي إلى تشوه أو تشقق. قد يؤدي التسخين الزائد أو النقع الزائد أثناء عملية الأوستنيت إلى نمو مفرط للحبيبات، مما يجعل الفولاذ هشًا. للحصول على نتائج المعالجة الحرارية لفولاذ D2، صلابة الفولاذ D2 القياس وحده لا يكفي لتأكيد ملاءمة المعالجة الحرارية. مؤشرات الأداء الأخرى، مثل القوة والمتانة ومقاومة التآكل والخصائص الدقيقة، تعكس الجودة بشكل أفضل.

1. ASM الدولية. (1991). دليل ASM، المجلد 4: المعالجة الحرارية. ASM الدولية. ↩︎
2. ليد، ر.م. (2007). استكشاف أخطاء تصنيع الأدوات والقوالب وإصلاحها. جمعية مهندسي التصنيع (SME). ↩︎