H11 مقابل H13 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

H11 و H13 هما نوعان من الفولاذ المستخدم في أدوات العمل الساخن بشكل واسع في الصناعات التي تتطلب أدوات تعمل عند درجات حرارة مرتفعة مثل صب القوالب، والبثق، والتشكيل، والطباعة الساخنة. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل روتيني معضلة اختيار بين تنازلات أداء مختلفة قليلاً: المتانة ومقاومة الصدمات الحرارية مقابل الصلابة الساخنة والمقاومة طويلة الأمد للإجهاد الحراري والتآكل. يؤثر الاختيار على عمر الأداة، وفترات الصيانة، ومعلمات المعالجة (التسخين المسبق، التخمير)، والتكلفة الإجمالية للملكية.

التمييز الفني الرئيسي بين H11 و H13 يكمن في توازنها بين قوة درجات الحرارة العالية ومقاومة الدورة الحرارية (الإجهاد الحراري). يميل H13 إلى أن يكون مفضلًا حيث تكون الصلابة الساخنة المستمرة ومقاومة الإجهاد الحراري حاسمة؛ غالبًا ما يتم اختيار H11 حيث تكون المتانة والليونة الكلية المطلوبة أعلى قليلاً وحيث تكون مقاومة التشقق تحت الصدمات الميكانيكية الثقيلة ذات أولوية. تنبع هذه الاختلافات من استراتيجيات السبائك الخاصة بها والتركيبات الدقيقة الناتجة بعد المعالجة الحرارية.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والتسميات الدولية الشائعة:
• AISI/SAE: H11، H13
• DIN/EN: 1.2343 (H11)، 1.2344 (H13) — يتم الإشارة إليها بشكل شائع في الأدبيات الأوروبية
• JIS: SKD5، SKH؟ (تختلف حسب البلد ورسم الخرائط الدقيقة للدرجة)
• GB (الصين): تسميات فولاذ أدوات العمل الساخن المعادلة

• ASTM/ASME: الرجوع إلى مواصفات فولاذ الأدوات وأشكال المنتجات ذات الصلة

• فئة المواد:

• كلا من H11 و H13 هما فولاذ أدوات مخصص لتطبيقات العمل الساخن (فولاذ أدوات العمل الساخن). هما ليسا مقاومين للصدأ أو HSLA. هما سبائكيان، يمكن تقويتهما بالهواء أو الزيت، وهما فولاذ كروم-موليبدينوم-فاناديوم مصممان للاستقرار الحراري.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تختلف النسب الدقيقة حسب المعيار والمنتج، لكن الدرجتين تشتركان في استراتيجية سبيكة مشتركة — كربون معتدل، وكروم كبير، بالإضافة إلى موليبدينوم وفاناديوم لتوفير مقاومة التخمير، وقابلية التصلب، وتقوية الكربيد. لتجنب اقتباس نطاقات رقمية ملكية، يصف الجدول أدناه الحضور/الدور النموذجي لكل عنصر.

كيف تؤثر السبائك على السلوك: - الكربون يحدد بشكل أساسي الصلابة القابلة للتحقيق بعد التبريد والتخمير ويؤثر على قابلية التصلب. يزيد الكربون العالي من الصلابة المحتملة ومقاومة التآكل ولكنه يقلل من المتانة وقابلية اللحام. - يزيد الكروم من قابلية التصلب، وقوة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأكسدة/القشور — وهو أمر مهم للعمل الساخن. - يشكل الموليبدينوم والفاناديوم كربيدات مستقرة تحسن مقاومة التخمير (احتفاظ الصلابة بعد التعرض لدرجات حرارة مرتفعة) وتؤثر على مقاومة الإجهاد الحراري. - تساعد التوزيعات الدقيقة لكربيدات الفاناديوم في إعاقة بدء الشقوق ونموها تحت التحميل الحراري الدوري.

3. التركيب الدقيق واستجابة المعالجة الحرارية

التركيب الدقيق النموذجي: - يتم معالجة كل من H11 و H13 لإنتاج مصفوفة مارتنسيتي مخففة مع كربيدات سبائكية موزعة (كربيدات Cr، Mo، V). ينتج التبريد المارتنسيت؛ يخفف التخمير الضغوط ويسمح للكربيدات بالتساقط والاستقرار.

استجابة المعالجة الحرارية والمسارات: - التطبيع: يستخدم لتحسين هيكل الحبوب وتوحيد الأقسام الثقيلة قبل التبريد. يساعد في إنتاج استجابة صلابة موحدة. - التبريد: وسائل التبريد النموذجية هي الزيت أو الغاز المنضبط؛ تتحكم درجة حرارة الأوستنيتي والتبريد في نسبة المارتنسيت النهائية والأوستنيت المحتفظ به. تتطلب الدرجتان تحكمًا دقيقًا لتجنب التشقق. - التخمير: تنتج دورات تخمير متعددة عند درجات حرارة تتناسب مع درجة حرارة الخدمة التوازن المطلوب من الصلابة والمتانة والاستقرار الحراري. يثبت التخمير المارتنسيت ويسقط كربيدات السبائك (Mo، V، Cr). - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يؤدي التشكيل واللف المنضبط يليه التطبيع إلى تحسين حجم الحبوب وزيادة المتانة؛ تستجيب كلا الفولاذين بشكل إيجابي لمثل هذه المسارات ولكن تتطلب تبريدًا منضبطًا للحفاظ على قابلية التصلب.

ملاحظة مقارنة: - تم تحسين توازن سبائك H13 للاحتفاظ بصلابة أعلى عند درجات حرارة مرتفعة (مقاومة تخمير أفضل)، وتوزيع كربيدها يفضل مقاومة الإجهاد الحراري والتآكل عند درجات حرارة العمل الساخن. - تم تصميم H11 بشكل طفيف أكثر نحو المتانة والليونة الكلية مع الحفاظ على قوة جيدة عند الحرارة؛ قد يتم ضبط تركيبها الدقيق للحصول على متانة كسر أعلى في قوالب التشكيل الساخن ذات التأثير الثقيل.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الدقيقة بشكل كبير على المعالجة الحرارية، وحجم القسم، ودرجة حرارة التخمير. يقدم الجدول أدناه خصائص مقارنة نوعية تحت ظروف العمل الساخن النموذجية بعد التبريد والتخمير.

التفسير: - يقدم H13 عمومًا احتفاظًا أفضل بالصلابة عند درجات حرارة مرتفعة ومقاومة جيدة جدًا للإجهاد الحراري والتآكل الساخن. يميل H11 إلى توفير متانة كسر أفضل قليلاً وليونة، مما يجعله جذابًا حيث تكون الصدمات الميكانيكية وخطر التشقق الكارثي أعلى.

5. قابلية اللحام

تكون قابلية اللحام لفولاذ أدوات العمل الساخن محدودة مقارنة بالفولاذات منخفضة السبيكة — عادة ما يتطلب الأمر تسخينًا مسبقًا، ودرجات حرارة متحكم فيها بين الطبقات، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) لتجنب التشقق واستعادة الخصائص المطلوبة.

العوامل الرئيسية: - يتحكم الكربون وقابلية التصلب الفعالة في القابلية للتشقق البارد. كلا الدرجتين لهما كربون متوسط وسبائك كبيرة؛ يعتبران "قابلين للحام مع الاحتياطات." - تزيد السبيكة الدقيقة (Mo، V، Cr) من قابلية التصلب وتزيد من خطر تشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري؛ وهذا يزيد من خطر التشقق دون تسخين مسبق وPWHT مناسب. - استخدام المعادن المالئة المتطابقة أو المتفوقة وPWHT المناسب شائع في لحام الإصلاح لاستعادة المتانة ومقاومة التخمير.

صيغ تجريبية مفيدة لتقييم قابلية اللحام: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (مؤشر لمعادلة الكربون-المنغنيز وحساسية تشقق 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 النوعي: - تشير القيم الأعلى لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ إلى خطر أكبر لوجود منطقة تأثير حراري مارتنسيتي صلب وقابل للتشقق وبالتالي متطلبات أكثر صرامة للتسخين المسبق وPWHT. عادة ما تتطلب كل من H11 و H13 تسخينًا مسبقًا متوسطًا إلى مرتفعًا وتخميرًا بعد اللحام بسبب محتوى السبائك.

6. التآكل وحماية السطح

• لا يعتبر كل من H11 و H13 فولاذ مقاوم للصدأ؛ مقاومة التآكل محدودة مقارنة بالدرجات المقاومة للصدأ. تشمل الممارسات الشائعة للحماية الطلاء، والطلاءات القائمة على المذيبات، والتغليف (حيثما كان مناسبًا لشكل الجزء)، أو المعالجات السطحية المحلية.
• خيارات هندسة السطح لتعزيز العمر ومقاومة التآكل/التآكل:
• النترجة أو النترجة الفريتية (تتطلب تحكمًا دقيقًا في العملية لفولاذ الأدوات لتجنب التخمير الزائد).
• طلاء بالكروم الصلب أو طلاءات PVD/CVD لأسطح الأدوات (يقلل من الالتصاق والتآكل).
• طلاءات الرش الحراري لمقاومة التآكل أو الأكسدة الشديدة.
• رقم معادل PREN (مقاومة التآكل) ليس ذا صلة بـ H11/H13 غير المقاوم للصدأ في الاختيار العملي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ينطبق هذا المؤشر على السبائك المقاومة للصدأ؛ مستويات الكروم النموذجية في H11/H13 غير كافية لتصنيفها كفولاذات مقاومة للصدأ.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• في الحالة المعالجة/المشغولة مسبقًا، تعمل كلا الدرجتين بشكل معقول باستخدام أدوات كربيد؛ تزداد قابلية التشغيل سوءًا بعد المعالجة الحرارية (الحالة الصلبة).
• H13، مع تركيبها الدقيق المقاوم للتخمير، يمكن أن تكون أكثر خشونة قليلاً على الأدوات بسبب كربيدات الفاناديوم الدقيقة.
• الطحن وEDM:
• تستجيب كلاهما جيدًا لعمليات التشغيل الكهربائية (EDM) للأدوات الصلبة ولكن تتطلب تخميرًا لاحقًا لاستعادة الخصائص بعد مناطق التأثير الحراري لـ EDM.
• قابلية التشكيل:
• التشكيل البارد محدود؛ التشكيل الساخن والتشكيل المنضبط شائعان في معالجة القضبان/التشكيل. قد يفضل H11 حيث تكون الليونة المطلوبة أعلى قليلاً قبل المعالجة الحرارية النهائية.
• إنهاء السطح:
• تقبل كلاهما الطحن التقليدي، والتلميع، والطلاء؛ يجب تحضير الأسطح بعناية لتجنب الضغوط المتبقية التي قد تعزز التشقق الناتج عن الإجهاد الحراري.

8. التطبيقات النموذجية

منطق الاختيار: - اختر H13 عندما تتضمن التطبيق درجات حرارة سطح عالية، ودورات حرارية متكررة، واتصال كاشط — مقاومة التخمير في H13 وبنية الكربيد تحسن العمر تحت الإجهاد الحراري والتآكل. - اختر H11 عندما يكون الخطر الرئيسي هو الصدمة الميكانيكية، والأحمال الثقيلة، أو عندما تكون الليونة/المتانة المطلوبة أعلى قليلاً لتجنب الفشل الهش.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة:
• كلا من H11 و H13 هما فولاذ أدوات العمل الساخن السلع؛ تختلف الأسعار مع أسواق السبائك العالمية. يتم استخدام H13 بشكل أكثر شيوعًا في جميع أنحاء العالم، مما قد يجعله أكثر اقتصادية قليلاً في بعض الأسواق بسبب الحجم ونضج سلسلة التوريد.
• تزيد المتغيرات الخاصة أو القضبان المتميزة من التكلفة لأي من الدرجتين.
• التوافر حسب شكل المنتج:
• كلاهما متاح بسهولة في القضبان، والألواح، والتشكيلات، وقطع الأدوات المعالجة مسبقًا من موزعي الفولاذ الرئيسيين. يميل H13 إلى أن يكون له توافر صناعي أوسع ونظام بيئي أكبر من الموردين ومعرفة اللحام/المعالجة الحرارية.

10. الملخص والتوصية

التوصية: - اختر H13 إذا كانت أدواتك معرضة لدرجات حرارة خدمة عالية، ودورات حرارية متكررة (إجهاد حراري)، أو تتطلب مقاومة تآكل ساخنة متفوقة (مثل صب القوالب، والبثق، والطباعة الساخنة). - اختر H11 إذا كانت تطبيقاتك تعطي الأولوية لمتانة كسر أعلى وليونة لمقاومة الصدمات الميكانيكية والأحمال الثقيلة (مثل قوالب التشكيل الكبيرة المعرضة لضغوط ثقيلة)، وحيث تكون الصلابة عند درجات الحرارة العالية أقل قليلاً مقبولة.

ملاحظة عملية نهائية: بالنسبة للأدوات الحرجة، حدد إجراءات المعالجة الحرارية بوضوح (التسخين المسبق، الأوستنيتي، وسط التبريد، جدول التخمير)، اعتبر تأثيرات سمك القسم، وخطط للصيانة (إعادة التأهيل، إجراءات اللحام) مع معالجك الحراري وموردك. تعتبر التجارب ومراقبة أنماط الفشل في الحياة المبكرة (شقوق الإجهاد الحراري مقابل الكسر الميكانيكي) ضرورية للتحقق من اختيار الدرجة في عمليتك المحددة.