مقالات, مقالات استنلس استیل
تفاوت استیل 420 و 420J2 چیست؟
آذر
در دنیای فولادهای زنگنزن، خانوادهی سری ۴۲۰ از پرکاربردترین انواع فولادهای مارتنزیتی (Martensitic Stainless Steel) هستند. این آلیاژها بهخاطر قابلیت سختکاری بالا، مقاومت مناسب در برابر خوردگی و کیفیت عالی در پرداخت سطحی، در طیف گستردهای از صنایع از تولید تیغههای صنعتی و ابزار جراحی گرفته تا قطعات تزئینی و لوازم خانگی استفاده میشوند. در ادامه قصد داریم با فولادهای سری 420 بیشتر آشنا شویم و آنها را از نظر خواص شیمیایی، فیزیکی، مکانیکی و کاربردی بررسی کنیم.
آشنایی با خانواده فولادهای سری ۴۲۰
فولادهای زنگنزن سری ۴۲۰ دارای ترکیبی از کروم (Cr) به میزان ۱۲ تا ۱۴ درصد و کربن (C) در محدودهی 0.15 تا 0.4 درصد هستند. گریدهای 420J1 و 420J2 دو زیر مجموعه از خانواده سری 420 هستند که تنها در میزان کربن با یکدیگر متفاوت میباشند. همین تفاوت در میزان کربن سبب شده است تا سختی و استحکام آنها متفاوت شود.
ترکیب شیمیایی که شامل کربن و کروم است، باعث میشود که فولاد پس از عملیات حرارتی، سختی بالایی پیدا کند و در عین حال خاصیت ضد زنگ بودن خود را حفظ کند. به طور خلاصه میتوان گفت استیلهای 420J1 و 420J2 نسخههایی از استیل 420 هستنند که درصد کربن در آنها بازه محدودتری دارد. همین عامل سبب شده است تا کاربردهای آنها نیز تخصصیتر شود.
تفاوت کلی بین فولاد زنگنزن 420 و 420J2
در جدول زیر تفاوت کلی، اعم از ترکیب شیمیایی و خواص استنلس استیل 420 و 420J1 و 420J2 را مشاهده می کنید. اگرچه هر سه نوع این فولادها در خانواده ۴۲۰ قرار میگیرند، اما تفاوت در ترکیب شیمیاییشان باعث تغییر در رفتار مکانیکی و کاربردشان میشود.
| ویژگی | استیل 420 | استیل 420J1 | استیل 420J2 |
| مقدار کربن (C) | حداقل 0.15% | 0.16-0.25% | 0.26-0.4% |
| مقدار کروم (Cr) | 12–14% | 12–14% | 12–14% |
| سختی پس از کوئنچ | 48–52 HRC | 45–48 HRC | 50–53 HRC |
| قابلیت ماشینکاری | خوب | بالا | متوسط |
| استحکام کششی | 700–900 MPa | 650 MPa | 900 MPa |
| کاربرد اصلی | تیغه، تجهیرات قالب | تجهیزات خانگی | تیغهها و چاقوها |
در این مقاله قصد داریم تنها راجع به دو گرید 420 و 420J2 صحبت کنیم . چرا که گرید J1 تا حدودی خواصی مشابه به 420 دارد. تفاوت اصلی بین 420 و 420J2 در درصد کربن و عملیات حرارتی آنهاست؛ مقدار کربن بالاتر در J2 منجر به سختی و مقاومت سایشی بیشتر میشود، اما کمی از مقاومت خوردگی آن کم میکند. هرچند باید توجه داشت که میزان کربن استیل 420J2 و 420 در مواردی همپوشانی دارند. اما حداقل میزان کربن 420J2 از حداقل کربن 420 بیشتر است.
مقایسه ساختاری و متالورژیکی استیل 420 و 420J2
در ساختار متالورژیکی، افزایش کربن باعث تشکیل فاز مارتنزیت سخت و کاهش درصد فاز فریتی نرمتر میشود. این عامل سبب میشود تا سختی آلیاژ پس از انجام عملیات حرارتی افزایش یابد.
بنابراین:
- استیل 420: به دلیل مقدار کمتر کربن نسبت به J2، سختی و استحکام نیز کمتر است. مطالعات نشان میدهد سختی Rockwell پس از کوئنچ در روغن برای 420J2 حدود ۵۲ HRC و برای 420 با حداقل کربن مجاز حدود ۴۷ HRC است.
- استیل 420J2: این گرید سختتر و در برابر سایش مقاومتر است و به همین دلیل نیز اغلب برای ساخت تیغه و چاقوهای بادوامتر از این آلیاژ استفاده میشود.
مقایسه خواص مکانیکی و فیزیکی استیل 420 و 420J2
| ویژگی فیزیکی | 420 | 420J1 | 420J2 |
| چگالی | 7.75 g/cm³ | 7.75 g/cm³ | 7.75 g/cm³ |
| استحکام کششی | 750 MPa | 650 MPa | 800 MPa |
| نقطه ذوب | 1450°C | 1450°C | 1450°C |
| ضریب انبساط حرارتی | 10.0 µm/m°C | 10.0 µm/m°C | 10.0 µm/m°C |
| مقاومت الکتریکی | 0.55 µΩ·m | 0.55 µΩ·m | 0.55 µΩ·m |
نکته فنی: فولاد 420J1 بهدلیل کربن کمتر، نسبت به 420J2 ساختار نرمتر و شکلپذیرتری دارد و در سرویسهای دمای معمولی (دمای محیط تا حدود 150°C) ثبات ابعادی خوبی نشان میدهد. با این حال این فولاد برای دماهای متوسط و بالا مناسب نیست؛ زیرا در محدوده 200–300 درجه سانتیگراد تمپر میشود و سختی و استحکام آن کاهش مییابد. گریدهای سری 420، مقاومت محدودی در برابر ترک حرارتی دارند و برای کاربردهای حرارتبالا یا شوک حرارتی توصیه نمیشوند.
رفتار مکانیکی و حرارتی استیل 420 و 420J2
یکی از تفاوتهای گریدهای 420 و 420J2 تفاوت رفتار مکانیکی و حرارتی آنهاست.
- استیل 420J2: به دلیل درصد بالاتر کربن، پس از عملیات حرارتی ساختار کاملاً مارتنزیتی و سخت پیدا میکند. از این رو مناسب برای تیغهها و ابزارهای صنعتی با سایش بالا است.
- استیل 420: در تولیداتی که کربن کمتری دارند، بخشی از ساختار آن فریتی باقی میماند و در نتیجه نرمتر و شکلپذیرتر است.
در فرایند ماشینکاری نیز نرخ سایش ابزار در کار با 420J2 بیشتر از 420 است.
مقاومت استیل 420 و 420J2 در برابر خوردگی
هر دو گرید 420 و 420J2 در محیطهای مرطوب عملکردی قابلقبول دارند، ولی در محیطهای نمکی یا اسیدی شدید هر دو آلیاژ دچار خوردگی میشوند. تفاوت مقاومت به خوردگی این دو آلیاژ بسیار اندک است چرا که میزان کروم آنها کاملا یکسان است و تفاوت آنها نهایتا در حدود 0.2% در میزان کربن است.
قابلیت پرداخت سطحی استیل 420 و 420J2
استیلهای 420 و 420J2 به دلیل ساختار یکنواخت، در فرآیندهای پرداخت (Polishing) عملکرد خوبی دارند. در چاقوهای تزئینی و قطعات دکوراتیو از 420J2 استفاده میشود که با پرداخت سطحی میتوان به سطحی کاملا صیقلی دست یافت.
در مقابل، 420 بیشتر برای ابزارهای صنعتی و قالبها مناسب است. چرا که در ساخت قالبهای صنعتی، چقرگی و قابلیت جذب انرژی بدون شکست، اهمیت بسیار زیادی دارد. استیل 420 را میتوان با فرآیند نیتروژندهی سطحی، به میزان بالایی از سختی رساند. برای قالبهای تزریق پلاستیک، این سختی بالا میتواند سبب سایش هرچه کمتر در قالب شود.
استیل 420J2 برای کاربردهایی که نیاز به دوام و سختی مکانیکی دارند، مناسبتر است. گرید 420 برای کاربردهایی که نیاز به زیبایی سطح، مقاومت رطوبتی و تولید انبوه اقتصادیتر دارند گزینهی هوشمندانهتری است.
کاربردهای استیل 420 و 420J2
- استیل 420: تیغههای صنعتی، قالب تزریق پلاستیک، ابزارهای جراحی و سایشپذیر.
- استیل 420J2: چاقوهای عمومی، ابزارهای باغبانی، تیغهها و تیغهای جراحی.
بیش از ۴۵٪ از فولادهای مارتنزیتی سبک در بازار جهانی از نوع 420J2 هستند. چرا که برخی از تولیدات آلیاژهای 420 در بازه کربن 420J2 نیز قرار میگیرد.
سخن آخر
420J2 سختتر، بادوامتر، و مناسب برای ابزارها و تیغههای صنعتی و 420 تعادلی بین این دو است؛ با کاربردهای دقیقتر در قالبسازی و استفاده در ساخت ابزارآلات صنعتی. بهطور خلاصه، تفاوت اصلی در درصد کربن و نحوه عملیات حرارتی این دو آلیاژ است. اما همین تفاوت کوچک، رفتار مکانیکی و دوام سطح را بهطور قابلتوجهی تغییر میدهد.
