D2 مقابل D3 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يعتبر D2 و D3 من أعضاء سلسلة D من الفولاذ المستخدم في أدوات العمل الباردة، والتي تُعتبر عادةً لتطبيقات تتطلب مقاومة عالية للتآكل وثبات الأبعاد. غالبًا ما يواجه المهندسون ومحترفو الشراء خيارًا بينهما عند تحديد القوالب، والمطارق، وشفرات القص، ومكونات أخرى عالية التآكل. تشمل العوامل الرئيسية في اتخاذ القرار التوازن بين مقاومة التآكل والصلابة، وتكلفة الإنتاج والتوافر، والعمليات اللاحقة مثل اللحام، والتشغيل، وحماية السطح.
التمييز الفني الرئيسي بين الدرجتين هو توازن الكربون والعناصر المكونة للكربيد الصلب: تم تصميم درجة واحدة لتوفير نسبة أعلى من الكربيدات الصلبة وبالتالي مقاومة أكبر للتآكل على حساب صلابة الكسر والليونة. بسبب هذا التبادل، يتم مقارنة D2 و D3 عادةً عندما يتعين على المهندس الاختيار بين زيادة عمر الخدمة تحت الاتصال الكاشط وتجنب الفشل الهش تحت التأثير أو الصدمة.
1. المعايير والتسميات
- AISI / SAE: D2 (مُعتمد، موحد على نطاق واسع)؛ D3 (يتم الإشارة إليه بشكل أقل شيوعًا، لا يزال في قوائم AISI ولكن أقل انتشارًا).
- ASTM/ASME: يغطي A681 الفولاذ المستخدم في الأدوات بشكل عام (ممارسات التصنيع والمعالجة الحرارية)، ولكن يُنصح بالتشاور مع المورد للحصول على ضوابط التركيب المحددة.
- EN: أقرب المعادلات الأوروبية غالبًا ما تُعطى كـ X37CrMoV5-1 / 1.2379 لفولاذ D2 (تختلف التسمية).
- JIS / GB: المعايير اليابانية والصينية لديها فولاذ أدوات عمل بارد مشابه (على سبيل المثال، SKD11 غالبًا ما يُشار إليه كمعادل لـ D2)؛ تختلف التسميات المحلية ويجب الرجوع إليها.
التصنيف: كلاهما فولاذ أدوات عمل بارد عالي الكربون وعالي الكروم (فولاذ أدوات مصمم لمقاومة التآكل وثبات الأبعاد بدلاً من مقاومة التآكل غير القابل للصدأ أو الخدمة الهيكلية HSLA).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
جدول: نطاقات التركيب التجاري النموذجي (نسبة الوزن %). القيم المعروضة هي دلالية؛ يُنصح بالتشاور مع معيار المواد أو شهادة المصنع للحصول على التركيب الدقيق.
| عنصر | D2 النموذجي (نسبة الوزن %) | D3 النموذجي (نسبة الوزن %) |
|---|---|---|
| C (الكربون) | 1.4 – 1.6 | 1.9 – 2.2 |
| Mn (المنغنيز) | 0.3 – 0.6 | 0.3 – 0.6 |
| Si (السيليكون) | 0.2 – 1.0 | 0.2 – 1.0 |
| P (الفوسفور) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S (الكبريت) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (الكروم) | 11.0 – 13.0 | 11.0 – 13.0 |
| Ni (النيكل) | ≤ 0.3 | ≤ 0.3 |
| Mo (الموليبدينوم) | 0.6 – 1.1 | 0.2 – 0.8 |
| V (الفاناديوم) | 0.1 – 0.5 | 0.4 – 1.2 |
| Nb / Ti / B / N | عادةً ما تكون آثار / غير محددة | عادةً ما تكون آثار / غير محددة |
كيف تؤثر السبائك على الأداء - الكربون: يزيد من إمكانيات الصلابة عبر تشكيل المارتنسيت والكربيد. يزيد الكربون الأعلى في D3 من نسبة الكربيدات الصلبة والصلابة القابلة للتحقيق ولكنه يقلل من صلابة المصفوفة. - الكروم: يعزز الكربيدات الصلبة من الكروم (أنواع معقدة M7C3/M23C6 حسب التركيب)، يزيد من مقاومة التآكل وقابلية التصلب، ويحسن مقاومة التخمير؛ ليس مرتفعًا بما يكفي ليمنح خصائص مقاومة الصدأ. - الفاناديوم والموليبدينوم: يشكلان كربيدات مستقرة (VC، MoC) تعمل على تنقية الكربيدات وتحسين مقاومة التآكل والصلابة؛ عادةً ما يزيد الفاناديوم الأعلى في D3 من عدد الكربيدات الصلبة الدقيقة ولكنه أيضًا يزيد من الكشط للأدوات ويؤدي إلى تآكل أسرع للأدوات القطعية. - السيليكون والمنغنيز: عوامل إزالة الأكسدة الثانوية وضبط القوة؛ لا تهيمن على خصائص التآكل. - الفوسفور والكبريت: تُبقي منخفضة لتجنب الهشاشة والقصور الحراري.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - D2: مصفوفة من المارتنسيت المعالج تحتوي على نسبة كبيرة من الكربيدات الغنية بالكروم (أساسًا M7C3 أو كربيدات Cr–Mo المعقدة) مع بعض كربيدات الفاناديوم. يتم توزيع الكربيدات لتوفير مقاومة للتآكل مع الاحتفاظ بمصفوفة أكثر صلابة نسبيًا. - D3: يزيد محتوى الكربون والفاناديوم الأعلى من نسبة الحجم وغالبًا من الحجم أو عدد الكربيدات الصلبة من الفاناديوم والكروم؛ تكون مصفوفة المارتنسيت المعالجة أقل سمكًا، مما يعطي صلابة أعلى ولكن صلابة كسر أقل.
المعالجة الحرارية والاستجابة: - التطبيع: ينقي حجم حبة الأوستينيت السابقة ويوزع الكربيدات. تستفيد كلتا الدرجتين من دورات تطبيع محكومة لتوحيد الهيكل قبل التصلب. - التبريد: كلاهما يتصلب في الهواء أو يُبرد بالزيت حسب حجم المقطع وإرشادات المورد؛ يُعرف D2 باستقراره الأبعاد الجيد بسبب محتواه العالي من الكروم. يتطلب D3، مع محتوى الكربيد الأعلى، تحكمًا دقيقًا لتجنب التشقق الحراري. - التخمير: التوازن بين الصلابة والصلابة أمر حاسم. تقلل دورات التخمير المتعددة من الأوستينيت المحتفظ به وتستقر الكربيدات. سيقلل تخمير D3 من الصلابة بشكل أكثر حدة لتحقيق مكاسب في الصلابة ولكن لا يمكن أن يصل إلى مستويات الصلابة لـ D2 عند صلابة مماثلة. - يمكن أن تؤثر المعالجة الحرارية الميكانيكية (للمخزون المطروق أو المدلفن) على توزيع الكربيدات والصلابة الثانوية؛ يتحسن التحكم في الحبوب الدقيقة من الصلابة لكلا الدرجتين.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: مقارنة نوعية وبيانية للخصائص الميكانيكية. تعتمد الأرقام الدقيقة بشكل كبير على المعالجة الحرارية، وحجم المقطع، ودرجة حرارة التخمير.
| الخاصية | D2 (نموذجي) | D3 (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | عالية (تسيطر عليها المصفوفة) | عالية جدًا (تسيطر عليها الكربيدات) |
| قوة العائد | عالية | عالية جدًا |
| التمدد (الليونة) | منخفضة إلى معتدلة لفولاذ الأدوات | أقل من D2 |
| صلابة التأثير (مقاومة الكسر) | منخفضة إلى معتدلة (أفضل من D3) | منخفضة (صلابة أقل) |
| صلابة نموذجية بعد التصلب | ~55–62 HRC (تعتمد على التطبيق) | ~60–64 HRC (صلابة أعلى قابلة للتحقيق) |
تفسير - يصل D3 إلى صلابة قصوى أعلى ومقاومة تآكل أفضل بسبب نسبة الكربيد الأعلى الناتجة عن زيادة الكربون (وغالبًا الفاناديوم). يأتي ذلك على حساب الليونة وصلابة التأثير. - D2 هو حل وسط: صلابة قصوى أقل قليلاً ولكن صلابة أفضل وثبات أبعاد، مما يجعله أقل عرضة للفشل الكارثي تحت الصدمة أو عدم المحاذاة.
5. قابلية اللحام
تعتبر قابلية اللحام لفولاذ الأدوات عالي الكربون وعالي الكروم تحديًا.
الصيغ ذات الصلة (تفسير نوعي): - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (تنبؤي لعرضة التشقق أثناء اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير - يظهر كل من D2 و D3 قيمة عالية لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ مدفوعة بشكل كبير بالكربون والكروم؛ عادةً ما يحتوي D3 على مكون كربوني أعلى وبالتالي مؤشر قابلية لحام أسوأ. - الإرشادات العملية: التسخين المسبق، التحكم في درجة حرارة التداخل، مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، والتخمير بعد اللحام أو PWHT عادةً ما تكون مطلوبة. غالبًا ما ينتقل اختيار مواد اللحام إلى مواد أقل قابلية للتصلب أو مواد تحتوي على النيكل لتقليل خطر التشقق. بالنسبة للأدوات الحرجة، يتم تجنب اللحام الإصلاحي بشكل روتيني أو يتم تحت تحكم صارم في الإجراءات؛ قد تكون بدائل التشغيل واللحام المائي مفضلة.
6. التآكل وحماية السطح
- لا يعتبر D2 ولا D3 غير قابل للصدأ بالمعنى العملي: على الرغم من احتوائهما على كميات كبيرة من الكروم، إلا أنهما ليسا سبائك مقاومة للتآكل مصممة للبيئات الرطبة أو المؤكسدة دون حماية.
- استراتيجيات الحماية النموذجية: الطلاء، التزييت، معالجة الفوسفات، النترجة (لصلابة السطح ومقاومة محدودة للأكسدة)، وطلاءات جلفانية محلية حيثما كان ذلك مناسبًا. لاحظ أن النترجة يمكن أن تحسن من عمر مقاومة التآكل للسطح دون تغيير صلابة الكتلة ولكنها محدودة بتوزيعات الكربيد.
- يستخدم PREN (عدد مقاومة التآكل) للدرجات غير القابلة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذه المؤشر غير مناسب لـ D2/D3 لأنها ليست مصممة أو معتمدة كفولاذ غير قابل للصدأ؛ وبالتالي فإن PREN غير قابل للتطبيق على عائلة فولاذ الأدوات في ظروف الخدمة النموذجية.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: D2 صعب على أدوات القطع ولكنه أسهل نسبيًا في التشغيل في الحالة الملدنة (تلدين ناعم)، وتكون قابلية الطحن جيدة في الحالة المتصلبة مقارنة بالفولاذ الغني بالكربيد. D3، مع حجم كربيد أعلى والمزيد من كربيدات الفاناديوم، هو أكثر كشطًا للأدوات؛ يقلل من عمر الأداة في عمليات القطع ويمكن أن يكون أكثر صعوبة في الطحن أو التشطيب.
- قابلية التشكيل والانحناء: يجب عمومًا تشكيل كلا الدرجتين في الحالة الملدنة؛ التشكيل البارد في الحالة المتصلبة أو المتصلبة-المخمرة غير عملي. D3 أكثر عرضة للتشقق أثناء التشكيل بسبب انخفاض الليونة.
- تشطيب السطح: يمكن تحقيق تشطيبات مرآة ولكنها تتطلب عمليات أكثر كشطًا وعناية مع D3 بسبب سحب الكربيد والتآكل التفاضلي أثناء التلميع.
8. التطبيقات النموذجية
| D2 — الاستخدامات النموذجية | D3 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| قوالب التشكيل البارد، أدوات التقطيع والتشذيب، شفرات القص، سكاكين التقطيع، قياسات، قوالب تتطلب توازنًا بين مقاومة التآكل ومقاومة الصدمات | تطبيقات التآكل الشديد حيث تكون مقاومة التآكل القصوى هي الأولوية ويمكن التضحية بالصلابة؛ سكاكين متخصصة للتقطيع أو التآكل، بعض إدخالات التآكل طويلة العمر |
| كتل القوالب حيث تكون ثبات الأبعاد ومقاومة التخمير مهمة | تطبيقات تتطلب أعلى صلابة ممكنة ومقاومة للتآكل حيث تكون الهشاشة مقبولة |
| عمليات التشكيل والقطع طويلة الأمد | أدوات متخصصة حيث تكون عمر الخدمة لكل إعادة طحن أمرًا حاسمًا والتحميل التأثيري ضئيلًا |
مبررات الاختيار - اختر الدرجة التي تتناسب مع وضع الإجهاد: إذا كان من المتوقع حدوث تأثير متكرر، أو صدمة، أو انحناء، ففضل الخيار الأكثر صلابة (D2). إذا كانت الانزلاق الكاشط المستمر أو الميكرو-تآكل ذو التأثير المنخفض هو السائد ويمكن تصميم الجزء لتجنب الصدمة، فقد تمدد الدرجة ذات الصلابة الأعلى (D3) فترات الصيانة.
9. التكلفة والتوافر
- يتم إنتاج D2 على نطاق واسع، ومخزنة في العديد من الأسواق ومتاحة في أشكال منتجات متعددة (لوح، قضيب، مخزون مسبق التصلب، مخزون مسطح مصقول). إن اعتماده الواسع في الأدوات يحافظ على تكلفة الوحدة معتدلة.
- يعتبر D3 أقل شيوعًا وبالتالي غالبًا ما يكون أكثر تكلفة لكل كيلوغرام؛ قد يكون التوافر مقيدًا بالموردين المتخصصين أو المصهرات حسب الطلب. بالإضافة إلى ذلك، تميل تكاليف التشغيل والأدوات لـ D3 إلى أن تكون أعلى بسبب محتوى الكربيد الكاشط وعمر الأداة الأقصر.
- للتخطيط للشراء، يجب أخذ التكلفة الإجمالية لدورة الحياة (بما في ذلك التشغيل، المعالجة الحرارية، عمر الخدمة، ودورات إعادة الطحن) في الاعتبار بدلاً من سعر المواد الخام فقط.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي):
| السمة | D2 | D3 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | صعبة (لكن أفضل من D3) | أكثر صعوبة (خطر أعلى بسبب الكربون الأعلى) |
| توازن القوة والصلابة | صلابة أفضل عند صلابة معينة | صلابة قصوى أعلى ومقاومة للتآكل، صلابة أقل |
| التكلفة والتوافر | متاحة على نطاق واسع، تكلفة معتدلة | أقل شيوعًا، تكلفة مواد ومعالجة أعلى |
التوصيات الختامية - اختر D2 إذا: كنت بحاجة إلى فولاذ أدوات عمل بارد متوازن يقدم مقاومة عالية للتآكل مع صلابة كسر وثبات أبعاد أفضل نسبيًا. الحالات النموذجية: التقطيع طويل الأمد، القوالب العامة، التطبيقات التي ستتعرض لتأثيرات متقطعة أو عدم محاذاة. - اختر D3 إذا: كانت وضعية الفشل الرئيسية هي التآكل الكاشط ويمكنك التصميم لتجنب التأثير أو الصدمة؛ إذا كانت زيادة الصلابة والوقت بين إعادة الطحن هو الهدف الرئيسي وكانت تكاليف المعالجة/التصنيع الأعلى مقبولة.
ملاحظة نهائية: تتطلب كلتا الدرجتين تحديدًا دقيقًا للمعالجة الحرارية، وتأثيرات حجم المقطع، وحماية ما بعد المعالجة. يُنصح دائمًا بالتشاور مع شهادات مصنع المورد، وبيانات التقنية، وللأدوات الحرجة، إجراء تحقق محدد للتطبيق (تجارب نموذجية وتحليل وضعيات الفشل) قبل بدء الإنتاج الكامل.