GCr15 مقابل ZGCr15 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

GCr15 و ZGCr15 هما نوعان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا من الفولاذ الكرومي عالي الكربون المستخدم في المحامل، وغالبًا ما يواجههما المصممون، ومخططو التصنيع، ومديرو المشتريات، وعلماء المعادن. عادةً ما تدور معضلة الاختيار حول أداء التعب والاحتكاك مقابل هندسة المكونات وكفاءة الإنتاج: يتم تحسين أحد الأنواع كفولاذ محامل مطروق/مضغوط مع تحكم دقيق في النظافة والهيكل الدقيق، بينما يتم إنتاج الآخر كنوع مصبوب مخصص للأشكال الأكبر أو المعقدة حيث يوفر الصب مزايا في التكلفة أو التصنيع. يتم مقارنة كلا الدرجتين لأنهما يشتركان اسميًا في نفس كيمياء السبيكة ولكن يختلفان في مسار الإنتاج والهيكل الدقيق الناتج، والأداء الميكانيكي، وقيود المعالجة.

يقيم المهندسون هذه الدرجات عند تحديد المحامل، والأسطوانات، والمحاور، والمساكن، أو مكونات الاحتكاك الكبيرة حيث يجب الموازنة بين التكلفة، والتسليم، وعمر التعب، وقابلية التشغيل.

1. المعايير والتسميات

• تشمل المعايير الرئيسية التي تشير إلى هذه الكيميائيات والتطبيقات: GB (المعيار الوطني الصيني)، JIS (المعايير الصناعية اليابانية)، واتفاقيات الفولاذ المحامل الدولية حيث يُعترف بـ GCr15 على نطاق واسع كالتسمية الصينية التي تتوافق مع الفولاذ المحامل المشابه لـ AISI 52100. لا تستخدم معايير ASTM/ASME و EN تسمية GCr15 بالضبط ولكن تستخدم تسميات فولاذ المحامل المعادلة في تلك الأنظمة.
• تصنيف حسب العائلة:
• GCr15: فولاذ محامل عالي الكربون والكروم (سبيكة مطروقة/أداة تستخدم للمحامل).
• ZGCr15: نوع مصبوب من نفس التركيبة الاسمية للسبيكة مخصص للمكونات المصبوبة (فولاذ كربوني-كرومي مصبوب).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: استراتيجية السبائك النموذجية ووجود العناصر لكل درجة

عنصر	GCr15 (استراتيجية نموذجية)	ZGCr15 (نوع مصبوب - استراتيجية نموذجية)
C	كربون عالي - عنصر التصلب الأساسي لأداء الاحتكاك وقابلية التصلب المارتنسيتية
Mn	موجود بمستويات منخفضة إلى متوسطة للمساعدة في قابلية التصلب وإزالة الأكسدة
Si	منخفض إلى متوسط؛ يعمل كعامل إزالة الأكسدة ويؤثر على السيولة في الأنواع المصبوبة
P	يتم الاحتفاظ به منخفضًا (تحكم في الشوائب) لأداء التعب
S	يتم الاحتفاظ به منخفضًا؛ أحيانًا يكون أعلى قليلاً في الأنواع المصبوبة ولكن يتم التحكم فيه لتجنب الهشاشة
Cr	إضافة سبيكة أساسية (≈1-2%) لزيادة قابلية التصلب، ومقاومة الاحتكاك، ومقاومة التخمير
Ni	لا يضاف عادةً
Mo	لا يضاف عادةً في النسخ القياسية؛ قد يكون موجودًا في الأنواع المعدلة
V	لا يضاف عادةً في الدرجات الأساسية؛ أحيانًا يتم استخدامه كميكرو سبيكة في الأنواع الخاصة
Nb, Ti, B	غير شائع في الدرجات القياسية؛ قد يظهر في صناعة الفولاذ المتخصصة للتحكم في الحبيبات
N	ليس إضافة سبيكة تصميمية؛ يتم التحكم فيه لتجنب النيتريدات التي تؤثر على قابلية التشغيل

ملاحظات: - تركز استراتيجية السبائك لكلتا الدرجتين على الكربون العالي والكروم لتمكين مصفوفة مارتنسيتية قابلة للتصلب مناسبة لتحمل التعب الناتج عن الاتصال بالدحرجة ومقاومة الاحتكاك. - يمكن أن تحتوي النسخة المصبوبة على تعديلات صغيرة مقصودة (مثل زيادة طفيفة في السيليكون لسيولة الصب أو ممارسة إزالة الأكسدة المعدلة)، ولكن فلسفة السبائك الأساسية هي نفسها: كربون عالي + ~1.3-1.6% كروم مع عناصر شائبة منخفضة.

كيف تؤثر السبائك على الأداء: - يزيد الكربون من الصلابة القابلة للتحقيق ومقاومة الاحتكاك ولكنه يقلل من قابلية اللحام ويزيد من قابلية التصلب. - يحسن الكروم من قابلية التصلب، واحتفاظ الصلابة عند التخمير، ومقاومة الاحتكاك ولكنه ليس كافيًا عند المستويات المستخدمة لتوفير مقاومة التآكل. - توازن مستويات المنغنيز والسيليكون المنخفضة بين قابلية التصلب والتحكم في الشوائب. يقلل الفوسفور أو الكبريت الزائد من عمر التعب والصلابة.

3. الهيكل الدقيق واستجابة المعالجة الحرارية

الهيكل الدقيق تحت مسارات المعالجة القياسية: - GCr15 (مطروق/مضغوط/مدلفن): يتم معالجته عادةً لتنقيح وتوحيد الأوستنيت قبل التبريد. بعد المعالجة الحرارية القياسية (تسخين الأوستنيت، تبريد بالزيت/الماء، والتخمير)، الهيكل الدقيق المتوقع هو مارتنسيت مخفف مع توزيع دقيق ومتحكم فيه من الكربيدات (كربيدات الحديد-الكروم). يكسر التشكيل والدرفلة التباين المصبوب ويقلل من الشوائب غير المعدنية الكبيرة، مما يحسن مقاومة التعب. - ZGCr15 (مصبوب): يحتوي الهيكل الدقيق كما هو مصبوب على تباين دندريتي، وكربيدات كما هو مصبوب، واحتمالية أعلى لوجود شوائب غير معدنية أكبر أو مسامية إذا لم يتم التحكم فيها بشكل صحيح. يمكن أن تحول المعالجات الحرارية اللاحقة (التطبيع، التبريد والتخمير، وأحيانًا التلدين لقابلية التشغيل) المصفوفة إلى مارتنسيت مخفف، ولكن قد تبقى بعض العيوب المصبوبة وشبكات الكربيد وتحد من أداء التعب مقارنة بالمادة المطروقة.

آثار المعالجات الحرارية الشائعة: - التطبيع: ينقي الهيكل الدقيق المصبوب ويقلل من التباين - وهو أمر مهم بشكل خاص لـ ZGCr15 المصبوب قبل المعالجات النهائية للتبريد. - التبريد والتخمير: ينتج هيكلًا دقيقًا عالي الصلابة ومقاومًا للتعب في كلا الدرجتين؛ عادةً ما تحقق المواد المطروقة/المضغوطة حجم حبيبات أوستنيت أدق وصلابة أفضل. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة/التشكيل بالإضافة إلى المعالجة الحرارية): في GCr15، يحسن التشوه المتحكم فيه قبل المعالجة الحرارية تدفق الحبيبات، ويغلق الفراغات، ويحقق مقاومة تفوق في التعب الناتج عن الاتصال بالدحرجة مقارنةً بالأنواع المصبوبة.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: مقارنة نوعية لميول الخصائص الميكانيكية (تعتمد على المعالجة الحرارية)

خاصية	GCr15 (مضغوط/مطروق)	ZGCr15 (مصبوب)
قوة الشد	عالية عند التبريد والتخمير؛ قادرة على تحقيق قوة تعب عالية بسبب الهيكل الدقيق النظيف المطروق
قوة الخضوع	عالية بعد المعالجة الحرارية المناسبة؛ متسقة عبر الأقسام
التمدد	متوسطة إلى منخفضة (الفولاذ عالي الكربون) ولكن عمومًا أفضل في المادة المطروقة
صلابة التأثير	أفضل في GCr15 المطروق/المضغوط بسبب قلة عيوب الصب والهيكل الدقيق الأكثر دقة
الصلابة	يمكن أن تصل إلى صلابة عالية (درجات المحامل) في كلاهما؛ الصلابة القابلة للتحقيق مشابهة ولكن الصلابة عند صلابة معينة عادةً ما تكون أفضل في GCr15

تفسير: - عادةً ما تقدم GCr15 صلابة فعالة أعلى وعمر تعب أكثر موثوقية عند صلابة مماثلة لأن التشكيل والدرفلة يقللان من التباين والعيوب وينتجان توزيع كربيد متحكم فيه. - يمكن أن تصل ZGCr15 إلى صلابة مماثلة وقوة محلية عند المعالجة الحرارية المناسبة، ولكن الأجزاء المصبوبة الكبيرة وعيوب الصب تجعل عمر التعب وصلابة التأثير أقل قابلية للتنبؤ؛ تقلل المعالجات الحرارية المناسبة وضوابط الجودة (مثل المعالجة الحرارية بعد الصب، والتوحيد، والتفتيش) الفجوة.

5. قابلية اللحام

اعتبارات قابلية اللحام: - كلا الدرجتين عاليتي الكربون، ومحتوى الكربون العالي يقلل بشكل كبير من قابلية اللحام بسبب قابلية التصلب العالية (خطر تشقق منطقة التأثير، وتكوين المارتنسيت). - تزيد الميكروسبائك ومحتوى الكروم من قابلية التصلب، مما يزيد من خطر التشقق البارد إذا لم يتم استخدام التسخين المسبق والتحكم في إدخال الحرارة.

مؤشرات مفيدة (للتفسير النوعي): - معادل الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (DIF) للحكم العام على قابلية اللحام: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

تفسير: - تظهر كلا الصيغتين أن القيم الأعلى من C وCr وMo وV تزيد من المؤشر وتدل على قابلية لحام أقل. عادةً ما تعطي GCr15 وZGCr15 قيم CE وPcm مرتفعة بسبب محتويات الكربون والكروم. - إرشادات عملية: تجنب اللحام عند الإمكان؛ إذا كان اللحام مطلوبًا، طبق التسخين المسبق، ودرجة حرارة بينية متحكم فيها، وإجراءات منخفضة الهيدروجين، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT). قد يكون من الصعب لحام ZGCr15 بشكل موثوق بسبب المسامية أو الشوائب ما لم تكن جودة الصب عالية وإجراءات اللحام محسّنة.

6. التآكل وحماية السطح

• هذه الدرجات ليست فولاذ مقاوم للصدأ. يوفر الكروم عند ~1-2% قابلية تصلب محسنة وبعض مقاومة الأكسدة عند درجات حرارة مرتفعة، ولكنه لا يوفر مقاومة تآكل كبيرة في البيئات الجوية أو المائية.
• استراتيجيات حماية السطح تشمل:
• طلاءات واقية (طلاء، طلاء مسحوق)
• التغليف (للأجزاء الصغيرة أو حيث يكون الالتصاق مقبولًا)
• طلاء كروم صلب رقيق، أو نيتريدينغ، أو كربنة لأسطح الاحتكاك (أسطح المحامل غالبًا ما تكون مصقولة وأحيانًا مطلية أو معالجة كيميائيًا)
• PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ. للمرجع، يتم حساب PREN كالتالي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ولكن هذا المؤشر ذو معنى فقط للفولاذ المقاوم للصدأ الذي يحتوي على كميات كبيرة من Cr وMo وN.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• GCr15 المعالج حراريًا (شريط مطروق) يعمل بشكل معقول لفولاذ عالي الكربون عندما يتم تقليل صلابته؛ يؤثر حجم الكربيد والتحكم في الشوائب على عمر الأداة.
• ZGCr15 المصبوب قد يكون له قابلية تشغيل متغيرة بسبب الشبكات المحلية من الكربيدات والشوائب؛ تتطلب الأقسام المصبوبة أحيانًا عمليات إنهاء عدوانية.
• قابلية التشكيل:
• كلا الدرجتين لهما قابلية تشكيل باردة محدودة بسبب الكربون العالي. يحدث التشكيل عادةً في حالة معالجة حرارية أو عبر التشكيل الساخن للمواد المطروقة.
• الطحن والإنهاء:
• يتم طحن كلاهما عادةً إلى ت tolerances المحامل بعد المعالجة الحرارية. غالبًا ما ينتج GCr15 المطروق سلامة سطحية متفوقة واستقرار أبعاد متوقع.
• تعتبر معالجة السطح والإنهاء الدقيق روتينية لتطبيقات المحامل؛ قد تتطلب الأجزاء المصبوبة معالجة خشنة إضافية لإزالة عدم انتظامات الصب قبل المعالجة الحرارية النهائية والطحن.

8. التطبيقات النموذجية

GCr15 (مطروق/مضغوط)	ZGCr15 (مصبوب)
محامل (خواتم، أسطوانات، كرات مصنوعة من شريط مطروق/مدلفن)	مكونات احتكاك كبيرة ومساكن حيث يقلل الصب من تكلفة التصنيع (مثل، قوالب تروس كبيرة، مساكن المحامل)
محاور، أعمدة، أسطوانات تتطلب عمر تعب عالي	مكونات ذات هندسة معقدة يصعب تشغيلها من شريط صلب
خواتم محامل دقيقة ومسارات بعد الطحن والمعالجة الحرارية	مكونات مضخات وصمامات حيث تكون مقاومة الاحتكاك مرغوبة ولكن تحميل التعب أقل
أسطوانات دقيقة صغيرة إلى متوسطة، وأقراص، ومحاور	خواتم ذات قطر كبير أو أجزاء بديلة مؤقتة حيث يوفر الصب ميزة زمنية/تكلفة

مبررات الاختيار: - اختر GCr15 المطروق/المضغوط عندما يكون عمر التعب، وسلامة السطح، والخصائص الميكانيكية المتوقعة حرجة (مثل، المحامل الدقيقة، الأحمال الدورية العالية). - اختر ZGCr15 عندما تفضل هندسة الجزء، أو الحجم، أو اقتصاديات الإنتاج الصب وعندما تكون الأحمال الخدمية المقبولة وضوابط الجودة موجودة لإدارة قيود التعب والصلابة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة:
• تكلفة المواد الخام للسبائك متشابهة لأن التركيب الكيميائي قابل للمقارنة. تنشأ الاختلافات في التكلفة من مسار التصنيع: التشكيل/الدرفلة والمعالجة اللاحقة لـ GCr15 مقابل العمل في المصانع واحتمل أقل من المعالجة النهائية لـ ZGCr15.
• بالنسبة للهندسات البسيطة وحجم الإنتاج العالي، غالبًا ما يكون شريط GCr15 المطروق أكثر فعالية من حيث التكلفة بسبب توفر شريط/قضيب مثبت. بالنسبة للأشكال الكبيرة أو المعقدة، يمكن أن يقلل الصب (ZGCr15) من هدر المواد ووقت المعالجة، مما يعوض تكاليف عملية الصب.
• التوافر:
• يتوفر GCr15 على نطاق واسع كأشرطة، وخواتم، وقوالب محامل مسبقة الصنع من العديد من الموردين.
• يتوفر ZGCr15 من المصانع؛ تعتمد أوقات التسليم على حجم الصب، والأدوات، واحتياجات المعالجة بعد الصب. سيتفاوت التوافر أكثر مع سعة المصنع ووزن الصب.

10. الملخص والتوصية

جدول يلخص التبادلات الرئيسية

المعيار	GCr15 (مطروق/مضغوط)	ZGCr15 (مصبوب)
قابلية اللحام	ضعيفة (كربون عالي، تتطلب إجراءات خاصة)	ضعيفة إلى صعبة (تضيف خطر عيوب الصب)
القوة - الصلابة (فعالة)	قوة تعب فعالة عالية وصلابة عند صلابة معينة	قوة محلية جيدة ولكن صلابة فعالة أقل بسبب عيوب الصب
التكلفة (نموذجية)	متوسطة للأشرطة/الخواتم القياسية؛ اقتصادية للأجزاء الصغيرة/المتوسطة	غالبًا ما تكون اقتصادية للأشكال الكبيرة/المعقدة؛ تباين أعلى في أوقات التسليم

استنتاجات: - اختر GCr15 إذا: - كانت المكون يتطلب عمر تعب عالي من الاتصال بالدحرجة، وصلابة متوقعة، وسلامة سطحية (مثل، المحامل الدقيقة، والمحاور، والأسطوانات). - كانت هناك حاجة إلى دقة أبعاد صارمة ونظافة معدنية متفوقة. - كان لديك وصول إلى مخزون قضبان مطروقة وخطوط معالجة/معالجة حرارية فعالة.

• اختر ZGCr15 إذا:
• كانت هندسة أو حجم المكون تجعل التشغيل من القضيب غير فعال أو غير اقتصادي (خواتم كبيرة، مساكن معقدة).
• تحسنت اقتصاديات الإنتاج وأوقات التسليم من خلال الصب، ويمكن أن تتحكم المعالجة الحرارية بعد الصب والتفتيش في العيوب.
• كانت الأحمال الخدمية متوسطة أو تخفف أحكام التصميم من حساسية التعب (مثل، معالجة سطحية موضعية، عوامل أمان محافظة، أو بيئات تحميل دورية منخفضة).

ملاحظة نهائية: التركيب الكيميائي لكلتا الدرجتين مشابه اسميًا، لذا فإن مسار التصنيع والسيطرة الناتجة على الهيكل الدقيق، والنظافة، والمعالجة الحرارية هي العوامل الحاسمة. بالنسبة للمحامل الحرجة أو التطبيقات ذات الدورات العالية، يعتبر GCr15 المطروق/المضغوط عمومًا الخيار الأكثر أمانًا؛ بالنسبة للأجزاء الكبيرة، المعقدة، أو ذات الأحمال المنخفضة إلى المتوسطة حيث يوفر الصب ميزة في التصنيع، يمكن أن يكون ZGCr15 مناسبًا بشرط أن تقلل المعالجة بعد الصب والتفتيش من العيوب المرتبطة بالصب.