فولاد SPK چیست

فولاد SPK چیست؟ نگاهی کلی به ترکیب و تاریخچه

فولاد SPK (معادل آلمانی DIN 1.2080 و AISI D3) یکی از قدیمی‌ترین فولادهای ابزارِ سردکار پرکربن/پرکروم است که نخستین بار در دههٔ ۱۹۳۰ برای افزایش عمر تیغه‌های پانچ معرفی شد. نسبت کربن به کروم بالا باعث تشکیل حجم چشمگیری از کاربیدهای سخت (Cr7C3 و Cr23C6) می‌شود؛ همین کاربیدها عامل مقاومت سایشی استثنائی هستند، اما به دلیل توزیع نسبتاً درشت، چقرمگی فولاد را نسبت به آلیاژهای مدرن پایین می‌آورند. افزایش تقاضا برای برش ورق‌های فولادی با استحکام بالاتر در دهه‌های اخیر، SPK را به انتخاب رایج در کارگاه‌های قالب‌سازی ایران بدل کرده است.

مشخصه کلیدی	دامنه/مقدار معمول	اهمیت عملی
کربن (C)	حدود ۲٫۱۰ ٪ وزنی	منبع اصلی سختی و تشکیل کاربیدهای مقاوم به سایش
کروم (Cr)	۱۱٫۵ – ۱۳ ٪ وزنی	افزایش مقاومت به سایش و سختی‌پذیری، اما کاهش چقرمگی
سیلیسیم و منگنز	≤ ۱ ٪ هرکدام	بهبود ورق‌پذیری و ثبات کیفی در ذوب‌های تجاری
سختی آنیل‌شده	۲۲۰ – ۲۴۰ HB	ماشین‌کاری اولیه، سوراخ‌کاری و سوهان‌کاری پیش از سختکاری
سختی پس از کوئنچ/تمپر	۵۸ – ۶۲ HRC	طول عمر بالا در قالب‌های برش سرد، ولی شکنندگی بیشتر
دمای فورج	۹۰۰ – ۱۰۵۰ °‎C	توزیع کاربیدی یکنواخت و کاهش ترک حین فورج کاری
پیش‌گرم مرحله اول	۴۰۰ – ۵۰۰ °‎C	رفع گرادیان حرارتی حین کوئنچ
پیش‌گرم مرحله دوم	۸۰۰ – ۸۵۰ °‎C	پایدارسازی مارتنزیت و کاهش شوک حرارتی
استاندارد معادل	DIN X210Cr12 (1.2080)AISI D3JIS SKD1	سهولت تأمین جهانی و مقایسه با فولادهای جایگزین
کاربرد شاخص	تیغه گیوتین، سنبه‌ـ‌ماتریس پانچ، غلتک نورد سرد، چاقوی خردکن صنعتی	مقاومت سایشی بسیار بالا و ثبات هندسی در دمای محیط

ترکیب شیمیایی و استانداردهای معادل

ترکیب اسمی این فولاد طبق استاندارد DIN به شرح زیر است: کربن ≈ ۲٫۱۰ ٪، کروم ۱۱٫۵ – ۱۳ ٪، سیلیسیم ≤ ۱ ٪، منگنز ≤ ۱ ٪، مقادیر جزئی وانادیم و مولیبدن برای ریزدانه‌سازی و پایداری کاربیدی. در ادبیات تجاری ممکن است با نام‌های K100 (بهلر اتریش) یا SPK-R/ NL (نسخه‌های ریزدانه یا حاوی تنگستن) نیز عرضه شود. معادل‌های اصلی:

DIN	AISI/ASTM	JIS	ISO	نام تجاری متداول
1.2080 (X210Cr12)	D3	SKD1	CW12M	K100 (Böhler)، SPK-R

ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی کلیدی

• سختی نهایی ۵۸ – ۶۲ HRC: نتیجه‌ی مارتنزیت اشباع از کربن و کاربیدهای کرومی بسیار سخت است.
• مقاومت به سایش بالا: حجم کاربیدی (تا ۳۰ ٪ حجمی) موجب نرخ سایشی < ۰٫۳ mm³/1000 cycles در آزمون پین‑روی‑دیسک می‌شود.
• چقرمگی پایین: انرژی شارپی زیر ۱۰ J در ۲۰ °‎C، بنابراین ضربه یا بار شوکی ناگهانی می‌تواند ترک ترد ایجاد کند.
• پایداری ابعادی مناسب: نرخ انقباض حرارتی پس از تمپر در محدودهٔ ۰٫۰۸ ٪، کمتر از فولادهای O1 و 105WCr6 است.
• رسانایی حرارتی پایین (~ 20 W/m·K) عاملی است برای تمرکز حرارتی حین سنگ‌زنی؛ باید جریان خنک‌کاری کاملاً پیوسته باشد.

فرایندهای عملیات حرارتی (آنیل، پیش‌گرم، کوئنچ و تمپر)

1. آنیل همگن‌سازی: ۸۵۰ – ۸۸۰ °‎C به‌مدت حداقل ۴ h؛ سپس خنک‌کاری بسیار آهسته (۱۰ °‎C/h) تا ۶۰۰ °‎C و در نهایت هوا‌خنک. هدف، کروی‌شدن کاربیدها و رساندن سختی به ۲۲۰ HB برای ماشین‌کاری است.
2. پیش‌گرم دوبل: ابتدا ۴۰۰ – ۵۰۰ °‎C برای تسهیل توزیع یکنواخت دما، سپس ۸۰۰ – ۸۵۰ °‎C پیش از Austenitizing؛ این مرحله بحرانی‌ترین توصیه برای جلوگیری از شوک حرارتی و ترک حین کوئنچ است.
3. آستنیتی‌کردن: ۹۷۰ – ۱۰۲۰ °‎C بسته به ابعاد قطعه. دمای بالاتر = سختی بیشتر ولی خطر ترک بالاتر.
4. کوئنچ: روغن بادمای ۸۰ – ۱۲۰ °‎C یا هوا‌فشار بالا برای مقاطع کوچک؛ خلأ/گاز بی‌اثر برای کاهش اعوجاج قطعات دقیق.
5. تمپر دو یا سه‌مرحله‌ای: ۱۵۰ – ۲۰۰ °‎C هربار، ۱ h به ازای هر ۲۰ mm ضخامت. تمپر زیر ۲۳۰ °‎C برای حفظ کاربیدهای کرومی پایدار و جلوگیری از افت سختی ضروری است.
6. نیتریدینگ پس‌از‌تمپر: امکان‌پذیر است، اما عمق لایه به دلیل اشباع کروم محدود به ۰٫۱۵ mm خواهد بود.

مزایا و معایب در مقایسه با فولادهای D2‏، O1 و 1.2379

معیار	SPK (1.2080)	D2 (1.2379)	O1 (1.2510)	نتیجه‌گیری
مقاومت سایشی	بسیار بالا	بالا	متوسط	برای قالب‌های با ضربات تا حد متوسط، SPK مقرون‌به‌صرفه‌تر است.
چقرمگی	پایین	متوسط	بالا	اگر ضربه شوکی محتمل است، D2 یا O1 مطمئن‌تر است.
ثبات ابعادی	خوب	عالی	خوب	در دقت ۵۰ µm‌، تفاوت محسوس نیست.
سهولت ماشین‌کاری	دشوار	دشوار	آسان	چنانچه ماشین‌کاری گسترده لازم است، O1 هزینه ابزار را می‌کاهد.
قیمت و موجودی ایران	متوسط	بالاتر	پایین	اختلاف ~۱۵ ٪ بین SPK و D2 در بازار تهران (بهار ۱۴۰۴).

کاربردهای رایج در صنعت قالب‌سازی و برش سرد

• تیغه‌های گیوتین سرد: لبه بُرش ورق فولادی تا ضخامت ۱۲ mm با حدود دو میلیون سیکل عمر.
• سنبه و ماتریس پانچ: مخصوصاً برای پانچ سوراخ‌های ریز (< ϕ ۵ mm) در ورق استنلس ۳۰۴.
• قالب‌های کشش و خم: در مراحل اولیه کشش عمیق قطعات کوچک (در کشش‌های چندمرحله‌ای بهتر است مرحله نهایی از D2 باشد).
• غلتک‌های نورد سرد: بخش راهنما (Guide) که تماس لغزشی مستمر دارد.
• چاقوی خردکن و بازیافت پلاستیک/پارچه: بازده سایش تا دو برابر فولاد CR12MoV گزارش شده است.

نکات ماشین‌کاری و سنگ‌زنی فولاد SPK

1. انتخاب ابزار: کاربید سمانته با پوشش TiAlN یا ابزار سرامیکی SiAlON برای خشن‌تراشی. زاویه براده منفی برای کنترل لب‑پریدگی.
2. سرعت براده‌برداری: ۴۰ – ۶۰ m/min در آنیل؛ ۱۰ – ۱۵ m/min در سختی بالا. خنک‌کاری سیال پرفشار الزامی است.
3. سنگ‌زنی: چرخ CBN یا الماس رزین‌‑باند با سرعت محیطی ۳۰ m/s. خوراک عرضی ≤ ۰٫۰۵ mm‌/‌pass. استفاده از خنک‌کننده روغن/استر کم ویسکوزیته برای کنترل حرارت.
4. پروسه ایرادگیر: پرداخت نهایی پولیش آینه‌ای تا Ra = ۰٫۰۲ µm برای کاهش اصطکاک روی تیغه.

راهنمای انتخاب ابعاد و گرید مناسب با توجه به نوع قالب

نوع قالب/ابزار	تنش کاری	گرید پیشنهادی	ضخامت یا قطر مطلوب	دلیل فنی
برش خطی گیوتین	تنش یکنواخت، سایش بالا	SPK-K100 یا SPK-R	t ≥ ۲۰ mm	توزیع یکنواخت کاربید و طول عمر لبه
پانچ سوراخ‌کاری پیوسته	شوک متوسط، بار ضربه‌ای	1.2379 (D2)	d ≤ ۴۰ mm	چقرمگی بالاتر برای جلوگیری از کَندن لبه
غلتک نورد پروفیل سرد	فشار سطحی بالا، تماس لغزشی	SPK با نیترید سطحی	OD ≥ ۱۲۰ mm	لایه نیترید سخت‎‑سایش، هسته نسبتاً چقرمه
قالب کشش/خم ترکیبی	تنش ترکیبی	1.2080 به‌شرط تمپر سه‌مرحله‌ای	t ≥ ۱۵ mm	پایداری ابعاد در چند ضربه متوالی

مشکلات رایج (ترک‌های حرارتی، افت چقرمگی) و راهکارهای پیشگیری

• ترک حرارتی حین کوئنچ: پیش‌گرم دوبل، انتخاب روغن کوئنچ گرم‌شده (۸۰ °‎C)، و به حداقل رساندن حرکت قطعه در حمام روغن.
• شکنندگی تمپر (Temper Embrittlement): تمپر بالای ۳۰۰ °‎C ممنوع؛ استفاده از سیکل دو مرتبه‌ای ۱۸۰ °‎C.
• سایش سریع لبه: پرداخت ناکافی یا تیزکردن بیش از حد می‌تواند زوایای لبه را ناپایدار کند؛ توصیه به پَس‑سنگ‌زنی ظریف.
• آلودگی کروم در جوشکاری تعمیراتی: به‌علت ۱۳ ٪ Cr، جوشکاری TIG بدون پیش‌گرم نتیجه ترک می‌دهد؛ اگر الزام باشد، پیش‌گرم ۳۵۰ °‎C و فیلر با تطابق C/Cr/Si الزامی است. اکیداً برای قطعات بحرانی پیشنهاد نمی‌شود.
• افت چقرمگی مقاطع ضخیم: خنک‌کاری بیش از حد آهسته پس از آنیل ممکن است کاربیدها را درشت کند؛ انجام نرمالایز (۸۰۰ °‎C) قبل از آستنیتایز مفید است.

راهنمای خرید و تشخیص اصالت SPK در بازار ایران

1. منبع تأمین: واردکنندگان معتبر (بندری/آلمان/اطریش) معمولاً گواهی EN 10204‑3.1 ارائه می‌کنند.
2. بررسی مارکینگ: روی لبه شاخه یا تختال باید حک K100 یا X210Cr12 و Heat No. باشد؛ عدم وجود مارکینگ نشانه احتمال بازیافتی بودن.
3. تست سختی در محل: سختی ۲۲۰ HB در حالت آنیل. اگر بالاتر باشد، قطعه قبلاً سختکاری شده و ماشین‌کاری دشوار می‌شود.
4. آنالیز همراهی (PMI): دستگاه اسپارک OES می‌تواند حضور کروم ۱۲ ٪ را طی ۳۰ ثانیه تأیید کند. اختلاف ±۰٫۵ ٪ پذیرفتنی است.
5. ابعاد موجود در انبار تهران: ورق ۵ × ۶۰۰ × ۲۰۰۰ mm تا بلوک ۲۰۰ × ۴۰۰ × ۲۰۰۰ mm. میلگرد ϕ ۵۰ – ϕ ۳۰۰ mm.
6. قیمت بهار ۱۴۰۴: ورق ۲۰ mm ساخت چین ~ ۲۷۰,۰۰۰ تومان/کیلو؛ معادل آلمانی ۱۰ – ۱۵ ٪ گران‌تر. تغییرات هفتگی به نوسان نرخ ارز وابسته است.
7. مقایسه با D2: D2 وارداتی در همان ابعاد ~ ۳۱۰,۰۰۰ تومان/کیلو؛ اگر چقرمگی لازم نیست، SPK انتخاب اقتصادی‌تری است.
8. دستور تست شکستگی لبه: نمونه کوچک ۱۰ mm با اره و ضربه سبک چکش؛ اگر سطح شکست حاوی پولک‌های کاربیدی بسیار درشت باشد، احتمال تقلبی‌بودن (افزودن قراضه پرگوگرد) مطرح است.

جمع‌بندی

فولاد SPK یا 1.2080 همچنان یکی از ارکان اصلی در قالب‌سازی سرد ایران است. مقاومت سایشی بی‌رقیب، هزینه نسبتاً معقول و دسترسی گسترده مزایای انکارناپذیرند. در مقابل، شکنندگی ذاتی و نیاز به عملیات حرارتی دقیق، دقت و حوصله بیشتری می‌طلبد. اگر بار ضربه‌ای یا تغییرتنش شدید پیش‌بینی می‌شود، استفاده از D2 یا حتی فولادهای پودری CPM می‌تواند توجیه اقتصادی داشته باشد.

سؤالات متداول

1. تفاوت اصلی SPK با D2 چیست؟
   SPK کروم مشابه D2 ولی وانادیم و مولیبدن کمتری دارد؛ در نتیجه مقاومت سایشی نزدیک، چقرمگی کمتر و قیمت پایین‌تری دارد.
2. حداکثر سختی قابل دستیابی بعد از عملیات حرارتی چقدر است؟
   در مقاطع نازک تا ۶۲ HRC؛ در ابعاد بالای ۱۰۰ mm معمولاً ۵۹ – ۶۰ HRC.
3. آیا می‌توان قطعات ترک‌خورده SPK را جوش داد؟
   تنها با پیش‌گرم ۳۵۰ °‎C، فیلر منطبق و PWHT محدود؛ برای قطعات حیاتی اکیداً توصیه نمی‌شود.
4. چه کاربردهایی برای کار گرم مناسب نیست؟
   هر موقعیتی که دمای قطعه از ۲۰۰ °‎C تجاوز کند (قالب فورج گرم، تیغه برش داغ) به دلیل افت سریع سختی.
5. چگونه از ترک‌های حرارتی حین کوئنچ جلوگیری کنیم؟
   پیش‌گرم دوبل، استفاده از روغن کوئنچ گرم و اجتناب از توقف طولانی قطعه در هوای آزاد بین کوره و حمام.
6. چه سنگ‌زنی یا ابزار برشی برای ماشین‌کاری SPK پیشنهاد می‌شود؟
   چرخ CBN با باند رزینی و ابزار کاربیدی پوشش‌دار TiAlN در سرعت براده کم.
7. آیا امکان نیتریدینگ بعد از تمپر وجود دارد؟
   بله، لایه سفید حدود ۱۰ µm و عمق سختی ۰٫۱۵ mm حاصل می‌شود؛ بیشتر عمق کاربردی در تیغه‌های گیوتین کافی است.
8. گواهی‌های کنترل کیفی ضروری در خرید چیست؟
   EN 10204‑3.1 (ترکیب شیمیایی، سختی)، گواهی اولتراسونیک ISO 30902 برای ابعاد > ۸۰ mm.
9. موجودی و محدوده ابعادی رایج در بازار ایران چقدر است؟
   ورق ۵ تا ۲۰۰ mm، میلگرد ϕ ۵۰ تا ϕ ۳۰۰ mm؛ سفارش ویژه ابعاد بزرگ‌تر امکان‌پذیر است.
10. راه‌های تشخیص فولاد اصل از نمونه کم‌کیفیت یا بازیافتی چیست؟
    کنترل مارکینگ، تست سختی موضعی، و آنالیز اسپارک سریع کروم (باید بالاتر از ۱۱ ٪ باشد).