D2 مقابل SKD11 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يعتبر D2 و SKD11 من أكثر الفولاذات المستخدمة في أدوات العمل الباردة والتطبيقات عالية التآكل. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو الإنتاج بانتظام بوزن المزايا والعيوب بين مقاومة التآكل والصلابة والتكلفة وقابلية التصنيع عند الاختيار بينهما. تركز معضلة الاختيار العملية عادةً على أي معيار وسلسلة إمداد هي الأكثر ملاءمة مع ضمان الصلابة المطلوبة والعمر - باختصار، تحقيق التوازن بين مقاومة التآكل واستجابة المعالجة الحرارية مقابل هشاشة الخدمة وصعوبة التصنيع.
الفولاذان متشابهان كيميائيًا ووظيفيًا جدًا: أحدهما محدد في المعايير الأمريكية الشمالية/الأوروبية والآخر في المعايير اليابانية، وغالبًا ما يتم التعامل معهما كمعادلات قريبة في الرسومات والمواصفات. الاختلافات الصغيرة في حدود التركيب، وحدود الشوائب، والمعالجات الحرارية التجارية (وبالتالي الأداء في الخدمة القصوى أو العمليات المحددة) هي الأسباب الرئيسية التي تجعل المقارنة بينهما مستمرة.
1. المعايير والتسميات
- AISI/ASTM: AISI D2 / UNS T30402، يُشار إليه عادةً في أمريكا الشمالية.
- JIS: SKD11 (JIS G4404)، يُشار إليه عادةً في اليابان والعديد من سلاسل الإمداد الآسيوية.
- EN / ISO: EN 1.2379 (يستخدم غالبًا كمعرف أوروبي لهذه العائلة).
- GB: يتم تحديد المعادلات الصينية عادةً تحت أسماء سلسلة Cr (مثل، متغيرات Cr12MoV) في معايير GB.
التصنيف: كل من D2 و SKD11 هما فولاذات أدوات عالية الكربون وعالية الكروم (نوع فولاذ الأدوات، وليس الفولاذ المقاوم للصدأ). يتم سبكهما لمقاومة تآكل عالية وقابلية تصلب عالية، ويستخدمان بشكل أساسي في قوالب العمل الباردة، وأدوات القطع، ومكونات التآكل.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبك
جدول: نطاقات التركيب النموذجية (wt%). القيم هي نطاقات نموذجية مستخدمة تجاريًا؛ استشر شهادة المصنع للحصول على كيمياء الدفعة الدقيقة.
| عنصر | نموذجي - AISI D2 (wt%) | نموذجي - JIS SKD11 (wt%) |
|---|---|---|
| C | 1.40 – 1.60 | 1.40 – 1.60 |
| Mn | 0.30 – 1.00 | 0.10 – 1.00 |
| Si | 0.20 – 0.60 | 0.10 – 0.60 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 11.0 – 13.0 | 11.0 – 13.0 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | 0.70 – 1.20 | 0.20 – 1.00 |
| V | 0.30 – 1.10 | 0.20 – 0.80 |
| Nb/Ti/B | عادةً لا شيء أو أثر | عادةً لا شيء أو أثر |
| N | أثر | أثر |
ملاحظات: - يعتمد كلا الدرجتين على الكربون العالي والكروم العالي لتشكيل مصفوفة مارتنزيتية مع كثافة عالية من الكربيدات الغنية بالكروم (تساهم في مقاومة التآكل). - يتم إضافة الموليبدينوم والفاناديوم لتنقيح نوع الكربيد وتوزيعه، وزيادة قابلية التصلب، وتحسين استجابة التصلب الثانوي. يمكن أن تؤثر الاختلافات الصغيرة في نطاقات Mo و V بين المعايير على شكل الكربيد وسلوك التخمير. - يتم التحكم في الفوسفور والكبريت عند مستويات منخفضة للحفاظ على الصلابة وقابلية التشغيل.
كيف يؤثر السبك على الخصائص: - يزيد الكربون من الصلابة ومقاومة التآكل من خلال تشكيل المارتنزيت والكربيد ولكنه يقلل من قابلية اللحام والصلابة. - ينتج الكروم (المستوى العالي) كربيدات كروم صلبة ويحسن قابلية التصلب؛ عند هذه المستويات، يمنح مقاومة محدودة للتآكل ولكنه لا يجعل الفولاذ مقاومًا للصدأ. - ينتج الفاناديوم والموليبدينوم كربيدات صلبة ومستقرة ويبطئ من تكبير الكربيدات أثناء التخمير، مما يحسن مقاومة التآكل والصلابة الساخنة. - يتواجد السيليكون والمنغنيز بمستويات معتدلة لإزالة الأكسدة وزيادة القوة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية النموذجية (بعد المعالجة الحرارية القياسية): مصفوفة مارتنزيتية تحتوي على شبكة/تشتت من الكربيدات الغنية بالكروم (من النوع M7C3 / M23C6 حسب الكيمياء والمعالجة) بالإضافة إلى كربيدات MC الأكثر صلابة عندما يكون الفاناديوم كبيرًا.
خصائص المعالجة الحرارية: - الحالة المعالجة / اللينة: كربيدات كروية في مصفوفة فيريتيك/بيرليتيك لتسهيل التشغيل (تستخدم عادةً للمعالجة المسبقة). - التصلب: درجات حرارة أستنيتية عالية (غالبًا في النطاق المناسب للفولاذات عالية الكربون وعالية الكروم) تنتج مصفوفة مارتنزيتية عند التبريد. بسبب الكروم العالي والسبك، تتطلب الأجزاء درجات حرارة أستنيتية مرتفعة وتبريدًا محكمًا لتجنب التشقق. - التخمير: تسلسل من دورات التخمير يحقق التوازن المطلوب بين الصلابة والصلابة. يمكن أن يحدث تصلب ثانوي (بسبب ترسيب كربيدات غنية بالموليبدينوم والفاناديوم)؛ يؤثر اختيار درجة حرارة التخمير بشكل عميق على الصلابة النهائية والأوستنيت المحتفظ به. - التطبيع والمعالجة الحرارية الميكانيكية: دور محدود مقارنةً بالتبريد والتخمير لأن الكربيدات الموجودة مسبقًا تحدد سلوك التآكل؛ ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التشكيل/التطبيع المحكم إلى توحيد توزيع الكربيد وتقليل الانفصال.
الاختلافات بين D2 و SKD11: - الاختلافات المجهرية دقيقة وتنشأ بشكل رئيسي من اختلافات صغيرة في الكيمياء وطرق التصنيع. قد يحدد معيار واحد مستوى أعلى قليلاً من الفاناديوم أو الموليبدينوم، مما ينتج كربيدات MC أكثر دقة ومقاومة تآكل محسنة قليلاً بعد المعالجة الحرارية. في معظم التطبيقات، تكون هذه الاختلافات ثانوية مقارنةً بالتحكم في المعالجة الحرارية والمعالجة.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: نطاقات الخصائص النموذجية بعد التبريد والتخمير المناسبين (تمثيلي - يعتمد على العملية).
| الخاصية | AISI D2 (نطاق نموذجي) | JIS SKD11 (نطاق نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | ~1000 – 2000 ميجا باسكال (تعتمد على العملية) | ~1000 – 2000 ميجا باسكال (تعتمد على العملية) |
| قوة الخضوع | لا يتم تحديدها عادةً بشكل منفصل؛ عالية وقريبة من UTS في الحالة المتصلبة | مماثلة |
| التمدد (Ao) | ~3 – 12% (تنخفض مع زيادة الصلابة) | ~3 – 12% |
| صلابة التأثير (شاربي) | منخفضة إلى معتدلة؛ تعتمد بشدة على التخمير | منخفضة إلى معتدلة؛ مماثلة |
| الصلابة (HRC) | عادةً 55 – 62 HRC بعد التصلب والتخمير | عادةً 55 – 62 HRC |
التفسير: - يحقق كلا الفولاذين صلابة عالية وقوة شد عندما يتم معالجتهما حراريًا بشكل صحيح. تكون اللدونة ومقاومة التأثير محدودة عند الصلابة العالية؛ يؤدي التخمير لخفض الصلابة إلى تحسين الصلابة ولكنه يقلل من عمر التآكل. - لا تعتبر أي من الدرجتين "صلبة" مقارنةً بالفولاذات الهيكلية منخفضة السبك - هدف تصميمها هو مقاومة التآكل عند صلابة مرتفعة. يمكن أن تؤدي الاختلافات الصغيرة في الكيمياء إلى تغيير نقطة التوازن المثلى، ولكن ليس السلوك الأساسي.
5. قابلية اللحام
يزيد محتوى الكربون العالي والكروم العالي من قابلية التصلب وحجم الكربيد؛ كلا العاملين يقللان من قابلية اللحام. الاعتبارات الرئيسية: - عادةً ما تكون المعالجة الحرارية السابقة واللاحقة للحام (PWHT) ضرورية لتجنب التشقق البارد ولتخمير المارتنزيت المتكون في منطقة التأثير الحراري. - يمكن أن تؤدي ترسيب الكربيد والانفصال إلى تعقيد خصائص منطقة انصهار اللحام.
تعابير تنبؤية مفيدة: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ تشير قيمة أعلى من $CE_{IIW}$ إلى الحاجة إلى تحكم أكثر صعوبة في التسخين المسبق و PWHT وزيادة القابلية للتشقق.
- المعامل الدولي $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ تشير قيم $P_{cm}$ الأعلى بالمثل إلى إجراءات لحام أكثر صرامة.
إرشادات نوعية: - كل من D2 و SKD11 صعب اللحام في الحالة المتصلبة؛ يتم تجنب اللحام عمومًا باستثناء الإصلاحات باستخدام إجراءات متخصصة (تسخين مسبق محكم، إدخال حرارة منخفض، معادن تعبئة مناسبة، و PWHT). تعتبر اللحام، التثبيت الميكانيكي، أو إنتاج الميزات بواسطة EDM والبناء باستخدام سبائك تعبئة متوافقة بدائل شائعة.
6. التآكل وحماية السطح
- هذه الدرجات ليست فولاذات مقاومة للصدأ على الرغم من محتوى الكروم العالي؛ يتواجد الكروم بشكل أساسي لتشكيل كربيدات صلبة. توقع فقط مقاومة متواضعة للتآكل مقارنةً بالدرجات المقاومة للصدأ.
- استراتيجيات الحماية النموذجية: الطلاءات، الطلاءات البوليمرية، الفوسفات، والطلاء الكهربائي لمقاومة التآكل الجوي - والتغليف حيثما كان ذلك مناسبًا (مع مراعاة هشاشة الطلاء عند الحواف الحادة). بالنسبة للأدوات، تُستخدم المعالجات السطحية مثل النترجة، وطلاءات الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) (TiN، DLC)، أو الطلاء بالكروم الصلب لتمديد العمر وتقليل الاحتكاك/التآكل.
- PREN غير قابل للتطبيق على فولاذ الأدوات غير المقاوم للصدأ، ولكن للمرجع: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا المؤشر له معنى فقط للفولاذات المقاومة للصدأ ذات مقاومة تآكل كبيرة - D2/SKD11 لا يتم تقييمها بهذه الطريقة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- التشغيل: كلاهما سهل نسبيًا في التشغيل في الحالة المعالجة بعد الكروية. في الحالة المتصلبة، يكون من الصعب تشغيلهما وعادةً ما يتم تشغيلهما عن طريق الطحن، EDM، أو أدوات كربيد بقطع ثقيلة ببطء مع إعدادات صلبة.
- التشكيل والانحناء: محدود في الحالة المتصلبة؛ يجب أن يتم التشكيل في الحالة المعالجة. تزداد مخاطر الارتداد والتشقق مع زيادة محتوى الكربون والصلابة.
- إنهاء السطح: الطحن والتلميع هما القياسيان للأدوات النهائية؛ تعتبر المعالجات الكريوجينية وطلاءات PVD شائعة لتمديد عمر الخدمة.
- المعالجة الحرارية وتشقق التبريد: بسبب قابلية التصلب العالية، فإن التحكم في شدة التبريد وهندسة الأجزاء أمر ضروري لتجنب تشققات التبريد والتشوه.
8. التطبيقات النموذجية
| AISI D2 - الاستخدامات النموذجية | JIS SKD11 - الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| شفرات قطع القوالب، سكاكين التقطيع، شفرات القص، قوالب التقطيع والضغط | لكمات التقطيع، قوالب دقيقة، شفرات القص، سكاكين التقطيع |
| ألواح التآكل، قوالب التشكيل، أدوات البثق للمواد غير الحديدية | قوالب العمل الباردة، إدخالات قوالب البلاستيك لبعض التطبيقات (معالجة مسبقة) |
| أدوات الصفائح المعدنية طويلة الأمد، أدوات لف خفيفة | أدوات عالية التآكل حيث يكون الإمداد من مصانع JIS المحددة مريحًا |
مبررات الاختيار: - استخدم هذه الفولاذات حيث تكون مقاومة التآكل العالية عند الصلابة العالية مطلوبة ومتطلبات الصلابة معتدلة. اختر بناءً على وضع التآكل المحدد (لاصق مقابل كاشط)، هندسة الجزء، وطريقة المعالجة. بالنسبة للاحتياجات ذات التأثير الثقيل أو الصلابة العالية، ضع في اعتبارك فولاذات أدوات بديلة (مثل AISI O1 للصلابة المعتدلة أو سلسلة H للعمل الساخن).
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: كلاهما في نطاق التكلفة المتوسطة لفولاذ الأدوات؛ السعر مدفوع بمحتوى السبائك، حجم القضبان/الألواح، وموقع السوق. يمكن أن تؤثر الاختلافات الصغيرة في Mo و V على السعر قليلاً.
- التوافر: D2 متوفر على نطاق واسع في أمريكا الشمالية وأوروبا؛ SKD11 متوفر عادةً في اليابان وآسيا. تعني الشبكات العالمية للمصانع أن كلاهما متاح عادةً في جميع أنحاء العالم، ولكن أحجام المخزون، وعروض الألواح المعالجة مسبقًا، وأشكال القضبان تختلف حسب المنطقة.
- أشكال المنتجات: قضبان دائرية، قضبان مسطحة، ألواح، كتل معالجة مسبقًا، ومخزون دقيق؛ كتل EDM وأوراق معالجة مسبقًا تُعرض عادةً.
10. الملخص والتوصية
جدول: مقارنة سريعة (نوعية).
| الخاصية | AISI D2 | JIS SKD11 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ضعيفة إلى صعبة | ضعيفة إلى صعبة |
| توازن القوة والصلابة | مقاومة تآكل عالية جدًا على حساب الصلابة | مقاومة تآكل عالية جدًا على حساب الصلابة |
| التكلفة / التوافر المحلي | متوفر على نطاق واسع في NA/EU؛ تكلفة معتدلة | متوفر على نطاق واسع في اليابان/آسيا؛ تكلفة معتدلة |
اختر D2 إذا... - كانت سلسلة الإمداد الخاصة بك أو الرسومات تشير إلى المعايير الأمريكية الشمالية/الأوروبية وتحتاج إلى فولاذ أدوات عمل بارد عالي التآكل مع دعم واسع من الموردين في تلك المناطق. - كنت بحاجة إلى ممارسات معالجة حرارية محددة أو شهادات بائع مرتبطة بتسميات ASTM/AISI/EN. - كنت تفضل أهداف Mo/V مختلفة قليلاً تُعرض أحيانًا تحت مواصفات D2 لتحسينات هامشية في التصلب الثانوي.
اختر SKD11 إذا... - كانت قاعدة المشتريات أو التصنيع الخاصة بك تعمل وفقًا لمواصفات JIS وتريد اتساق التخزين المحلي، وأوقات تسليم أقصر، أو مزايا تكلفة من المصانع الآسيوية. - كانت تطبيقات الأدوات هي أدوات العمل الباردة القياسية (التقطيع، قطع القوالب، التقطيع) حيث يتم تخزين SKD11 عادةً ومعالجته حراريًا. - كنت تفضل الحصول على شهادة كيميائية/جودة مفروضة من JIS للتحكم في الموردين.
ملاحظة أخيرة: بالنسبة للأدوات الحرجة والأجزاء عالية القيمة، حدد نطاق الصلابة المطلوب، وأهداف الصلابة بعد المعالجة الحرارية، واطلب شهادات المصنع وسجلات المعالجة الحرارية. عادةً ما تكون الاختلافات الصغيرة في الكيمياء والمعالجة بين D2 و SKD11 أقل أهمية من التحكم المتسق في المعالجة الحرارية، والتحكم في الكربيد، وإنهاء السطح لتحقيق عمر طويل للأدوات.