GCr15 مقابل SUJ2 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
GCr15 و SUJ2 هما نوعان من الفولاذ المستخدم على نطاق واسع في المحامل المصنوعة من الكروم عالي الكربون، المحددين على التوالي في المعايير الوطنية الصينية واليابانية. غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع معضلة اختيار بينهما عند تحديد العناصر الدوارة والمحاور الدقيقة والمكونات المقاومة للتآكل - موازنة التكلفة وراحة سلسلة التوريد واستجابة المعالجة الحرارية والعمليات اللاحقة مثل التشغيل والطحن والتشطيب.
على المستوى المعدني، فإن هذه الدرجات متكافئة وظيفيًا: كلاهما فولاذ محامل عالي الكربون (قريب من 1.0% كربون)، ومخلوط بالكروم تم تطويره للحصول على صلابة عالية ومقاومة للتعب واستقرار أبعاد بعد التبريد والتقسية. لذلك، فإن الاختلافات العملية التي تؤثر على الاختيار ليست اختلافات كبيرة في التركيب ولكنها تتعلق بالتسامحات القياسية وأشكال المنتجات المتاحة وأنظمة جودة الموردين والممارسات المحلية الشائعة في المعالجة الحرارية.
1. المعايير والتسميات
- GCr15: تسمية معيار وطني صيني لفولاذ المحامل يعادل الفولاذات الدولية الشائعة (غالبًا ما يقارن بـ AISI 52100). يتم تصنيفه كفولاذ محامل عالي الكربون مضاف إليه الكروم.
- SUJ2: تسمية معيار صناعي ياباني (JIS) لفولاذ محامل يحتوي على 1% كربون (يعادل عائلة AISI 52100/5210). يتم تصنيفه أيضًا كفولاذ محامل عالي الكربون مضاف إليه الكروم.
- المعايير ذات الصلة / العالمية والمراجع المتقاطعة التي يتم الرجوع إليها بشكل شائع:
- AISI/ASTM: AISI 52100 (مرجع متقاطع مستخدم بشكل شائع)
- EN: 100Cr6 (فولاذ محامل أوروبي مشابه في الكيمياء والاستخدام)
- GB: معايير GB/T الصينية لفولاذ المحامل (GCr15)
- JIS: SUJ2 وفقًا لـ JIS G4805 (فولاذ المحامل)
- تصنيف المواد: كلاهما فولاذ محامل عالي الكربون (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس فولاذ HSLA مضاف إليه عناصر دقيقة، وليس فولاذ أدوات بمعنى أدوات القطع).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
- الجدول التالي يلخص النطاقات التركيبية النموذجية المحددة بواسطة المعايير الوطنية. القيم المعطاة هي نطاقات قياسية نموذجية؛ يجب التحقق من تقارير اختبار المصنع المعتمدة من الموردين للحصول على التركيب الدقيق للدفعة.
| عنصر | GCr15 النموذجي (wt%) | SUJ2 النموذجي (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 | 0.95 – 1.05 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.25 – 0.45 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.025 – 0.035 (حد أقصى) | ≤ 0.035 (حد أقصى) |
| S | ≤ 0.025 – 0.035 (حد أقصى) | ≤ 0.035 (حد أقصى) |
| Cr | 1.30 – 1.65 | 1.30 – 1.65 |
| Ni | لم يضاف عمدًا / ≤ 0.25 (أثر) | لم يضاف عمدًا / ≤ 0.25 (أثر) |
| Mo | لم يضاف عمدًا / أثر | لم يضاف عمدًا / أثر |
| V, Nb, Ti, B, N | لم يتم تحديده / أثر فقط | لم يتم تحديده / أثر فقط |
شرح استراتيجية السبائك: - الكربون (C ~1%): يوفر قابلية عالية للتصلب وتكوين المارتنسيت؛ المصدر الرئيسي لصلابة المحامل ومقاومة التآكل بعد التبريد / التقسية. - الكروم (Cr ~1.3–1.65%): يزيد من قابلية التصلب، ويساهم في التصلب الثانوي ومقاومة التآكل، ويقوم بتنقيح الكربيدات (أداء أفضل في مقاومة التعب عند الاتصال الدوار). - السيليكون والمنغنيز: عوامل إزالة الأكسدة ومساهمات طفيفة في القوة / قابلية التصلب. - الفوسفور والكبريت المنخفض: يقلل من الشوائب التي تقلل من عمر التعب وسلامة السطح. - تم تصميم الدرجات لتكون منخفضة عمدًا في محتوى السبيكة بخلاف الكروم؛ تم تصميمها للحصول على الخصائص المطلوبة للمحامل من خلال معالجة حرارية دقيقة بدلاً من السبيكة الثقيلة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية واستجابات المعالجة: - في الحالة الملدنة: كربيد بيرليتي أو كربيد كروي في مصفوفة حديدية (اعتمادًا على وصفة التلدين). تحسين الكروية يسهل التشغيل للمعالجة المسبقة. - بعد التصلب (تسخين الأوستينيت والتبريد): مصفوفة مارتنسيتية بشكل أساسي مع كربيدات كروم متناثرة. ينتج الكربون العالي والكروم المعتدل بنية مجهرية مارتنسيتية مع كربيدات دقيقة مناسبة لمقاومة التعب عند الاتصال الدوار. - التقسية: تقلل من الهشاشة، وتحسن من المتانة، وتثبت الأوستينيت المحتفظ به. يتم التحكم في الصلابة النهائية والمتانة بواسطة درجة حرارة ومدة التقسية.
آثار طرق المعالجة الشائعة: - التطبيع: ينقي حجم الحبيبات، ويكون مفيدًا كمعالجة مسبقة قبل المعالجة الحرارية النهائية للسبائك الكبيرة. - التبريد والتقسية: الطريق الرئيسي لمكونات المحامل. يتم تسخين الأوستينيت عادة في النطاق المناسب لفولاذات 1.0% كربون – 1.6% كروم (يحدد المصنع والمعيار درجات الحرارة الدقيقة)، وغالبًا ما يستخدم التبريد بالزيت أو الملح لتجنب التشوه المفرط. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يحسن التشكيل الدقيق والدرفلة من شكل الشوائب والاتجاهية، مما يعزز من عمر التعب؛ ومع ذلك، لا يتغير التركيب الكيميائي بشكل كبير لهذه الدرجات.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على حالة المعالجة الحرارية. الجدول أدناه يعطي نطاقات الخصائص التمثيلية للحالات الملدنة والمقسية / المقسية؛ استخدم بيانات المعالجة الحرارية المعتمدة من الموردين للتصميم.
| الحالة | قوة الشد (تقريبًا) | قوة الخضوع (تقريبًا) | التمدد (تقريبًا) | صلابة التأثير (نوعية) | الصلابة |
|---|---|---|---|---|---|
| ملدن / كروي | 700 – 900 ميجا باسكال | 500 – 700 ميجا باسكال | 8 – 15% | متوسطة | ~180 – 240 HB (تقريبًا 15–25 HRC) |
| مبرد ومقسى (تشطيب المحامل، صلابة عالية) | 1400 – 2100 ميجا باسكال (تختلف حسب التقسية) | حساس للنتوءات؛ مرتفع | 1 – 8% | أقل من الملدن؛ يتم التحكم فيه بواسطة التقسية | 58 – 66 HRC (نموذجي للعناصر الدوارة) |
التفسير: - القوة: في الحالة المقسية والمقسية، تطور كلا الدرجتين قوة شد عالية جدًا بسبب المصفوفة المارتنسيتية؛ القوة هي في الأساس وظيفة من الكربون ومعلمات التقسية بدلاً من الاختلافات الصغيرة بين الدرجتين. - المتانة والليونة: تتوازن مع الصلابة - زيادة درجة حرارة التقسية تزيد من المتانة والليونة ولكن تقلل من الصلابة ومقاومة التآكل. تستهدف تطبيقات المحامل توازنًا: صلابة عالية للتآكل ومقاومة التعب عند الاتصال الدوار ومتانة كافية متبقية. - بين GCr15 و SUJ2: لا توجد ميزة نظامية جوهرية في القوة أو المتانة - الاختلافات مدفوعة بمواصفات المعالجة الحرارية الدقيقة ونظام الجودة.
5. قابلية اللحام
يمنح محتوى الكربون العالي (~1.0%) بالإضافة إلى محتوى الكروم هذه الفولاذات قابلية لحام منخفضة مقارنة بالفولاذات منخفضة الكربون. الاعتبارات ذات الصلة: - يزيد الكربون العالي والكروم المعتدل من قابلية التصلب والميول لتكوين المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري (HAZ)، مما يزيد من خطر التشقق البارد. - عادة ما يتطلب استخدام التسخين المسبق، ودرجة حرارة التحكم بين الطبقات، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) للتجمعات الملحومة لتجنب البنى المجهرية الهشة في منطقة التأثير الحراري. - الصيغ المستخدمة عادة لتقييم قابلية اللحام نوعيًا: - المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - المعادل الأكثر تحفظًا Pcm لتقييم قابلية التشقق البارد: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - التفسير: تنتج كلا الدرجتين معادلات كربونية مرتفعة نسبيًا (مدفوعة بمحتوى الكربون والكروم القريب من 1%)، لذا يتم تصنيفها على أنها "صعبة اللحام" دون إجراءات خاصة. بالنسبة لمعظم تطبيقات المحامل، يتم تجنب اللحام؛ ويفضل التشغيل والتجميع الميكانيكي.
6. التآكل وحماية السطح
- هذه ليست فولاذات مقاومة للصدأ. يوفر الكروم بمعدل ~1.3–1.65% تحسينًا طفيفًا فقط في مقاومة التآكل مقارنة بالفولاذات الكربونية العادية ولكنه لا يمنح السلبية.
- استراتيجيات الحماية القياسية لبيئات الخدمة:
- الطلاءات: الغلفنة بالغمس الساخن (حيث يسمح الشكل)، الطلاء الكهربائي، أو الطلاءات التحويلية.
- الدهانات والطلاءات البوليمرية للتعرض الجوي.
- التشحيم وتزييت أسطح المحامل للحد من تآكل الاتصال.
- PREN (عدد مقاومة التآكل) هو مؤشر فولاذ مقاوم للصدأ ولا ينطبق على GCr15 أو SUJ2 لأن محتوى الكروم فيهما أقل بكثير من مستويات الفولاذ المقاوم للصدأ. للمرجع، PREN هو: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لكنه ليس ذا معنى بالنسبة لهذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: في الحالة الملدنة / الكروية، تعمل كلا الدرجتين بشكل معقول. عند التصلب، يكون من الصعب تشغيلها وعادة ما يتم طحنها أو إنهاؤها بدلاً من أن يتم تدويرها أو طحنها.
- الطحن والتشطيب: الطحن الدقيق والتلميع هما المعيار للأبعاد النهائية والتشطيب السطحي في مكونات المحامل. تتطلب الحالات المقسية عجلات طحن كربيد ومواد تبريد مناسبة.
- قابلية التشكيل: ليونة منخفضة في الحالة المقسية؛ يجب أن يتم التشكيل في الحالة الملدنة.
- تشوه المعالجة الحرارية: يؤدي الكربون العالي والتبريد إلى مخاطر تشوه كبيرة؛ يتم استخدام تثبيت دقيق، واختيار التبريد (زيت، بوليمر)، ودورات التقسية لتقليل التغيرات البعدية.
- معالجات السطح: يتم استخدام التصلب بالحث أحيانًا للتصلب المحلي للمحاور مع ترك محامل المحاور في الحالة المرغوبة.
8. التطبيقات النموذجية
| GCr15 (الاستخدامات الشائعة) | SUJ2 (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| محامل العناصر الدوارة: كرات، أسطوانات | محامل العناصر الدوارة: كرات، أسطوانات |
| محاور دقيقة ومحاور دوارة | محاور دقيقة ومحاور دوارة |
| حلقات المحامل والأقفاص | حلقات المحامل والأقفاص |
| مكونات التآكل مثل الكامات، الدبابيس، وقوالب الأدوات (حيث تتطلب صلابة عالية) | مكونات التآكل مثل الكامات، الدبابيس، وأجزاء الأدوات |
| قطع غيار السيارات: مكونات النقل، التوجيه | قطع غيار السيارات والصناعية وفقًا لمواصفات JIS |
مبررات الاختيار: - يتم اختيار كلا الدرجتين حيث تكون الصلابة العالية ومقاومة التآكل وعمر التعب عند الاتصال الدوار أمرًا حاسمًا. عادة ما يتم دفع الاختيار بينهما بواسطة المعيار المطلوب (GB مقابل JIS)، تأهيل المورد، وتوافر المخزون المحلي بدلاً من التفوق المعدني.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: كلا الدرجتين هما فولاذات محامل تجارية وعادة ما تكون معتدلة في التكلفة. عادة ما تكون الفروق السعرية مدفوعة بالتوريد المحلي، واللوجستيات، وتكاليف الشهادات بدلاً من تركيب المواد الخام.
- التوافر:
- يتوفر GCr15 عادة في الصين والعديد من الأسواق الآسيوية؛ SUJ2 شائع في اليابان والأسواق التي تستورد المواد المحددة وفقًا لمعايير JIS. غالبًا ما توفر الموزعين الدوليين معادلات (AISI 52100، EN 100Cr6) تلبي متطلبات العملاء.
- أشكال المنتجات: قضبان، حلقات، قطع مطروقة، أسلاك، وعناصر دوارة منتهية. تختلف أوقات التسليم والتسامحات المتاحة حسب المنتج.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي)
| السمة | GCr15 | SUJ2 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ضعيفة - تتطلب تسخين مسبق / PWHT | ضعيفة - تتطلب تسخين مسبق / PWHT |
| القوة - المتانة (بعد HT) | قوة عالية، متانة مصممة عبر التقسية | قوة عالية، متانة مصممة عبر التقسية |
| التكلفة والتوافر | عادة تكلفة أقل / وقت تسليم أقصر في الصين؛ متاحة على نطاق واسع | متاحة على نطاق واسع في سلاسل إمداد JIS؛ قد تكون مفضلة حيث يتطلب الأمر مواصفات JIS |
التوصيات: - اختر GCr15 إذا: كانت سلسلة التوريد وضمان الجودة لديك منظمة حول المعايير الصينية، كنت بحاجة إلى مصادر فعالة من حيث التكلفة في المناطق التي يتوفر فيها GCr15 بشكل شائع، أو كانت رسوماتك / شهاداتك تحدد مواد GB/T. - اختر SUJ2 إذا: كانت مشترياتك أو عملائك يتطلبون تسميات المواد JIS، كنت تعمل ضمن سلسلة إمداد موجهة نحو المعايير اليابانية، أو كانت الوثائق الحالية للتأهيل / الشهادات تحدد SUJ2.
ملاحظة عملية نهائية: GCr15 و SUJ2 متكافئان معدنيًا لمعظم تطبيقات المحامل. العوامل الحاسمة للأداء هي الجدول الزمني المفصل للمعالجة الحرارية، والتحكم في الشوائب وشكل الكربيدات، والطحن الدقيق / التشطيب، والحماية السطحية المناسبة والتشحيم. تحقق دائمًا من شهادات المصنع، وخرائط الصلابة، ووثائق التحكم في العمليات للدفعة التي تشتريها بدلاً من الاعتماد فقط على اسم الدرجة الاسمي.