H13 مقابل H11 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
H13 و H11 هما من أكثر الفولاذات المستخدمة في أدوات العمل الساخن في الصناعة. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بموازنة H11 و H13 عند تحديد القوالب وأدوات التشكيل الساخن وأدوات البثق أو معدات حقن البلاستيك التي يجب أن تقاوم درجات الحرارة العالية والصدمات الحرارية الدورية والتآكل. عادةً ما تدور معضلة الاختيار حول الموازنة بين قوة درجات الحرارة المرتفعة والصلابة الساخنة مقابل متانة الكسر ومقاومة الصدمات/التشقق تحت الصدمات الميكانيكية الشديدة.
التمييز العملي الرئيسي بين هذه الدرجات يكمن في توازنها بين قوة درجات الحرارة العالية والمتانة: يتم تحديد H13 عادةً حيث تكون الصلابة الساخنة ومقاومة التخمير ومقاومة التعب الحراري هي الأهم (مثل: الصب بالقالب، البثق)، بينما يتم اختيار H11 غالبًا حيث تكون المتانة الكلية المحسنة تحت الصدمات والأحمال العالية المتقطعة أكثر أهمية. كلاهما من فولاذ أدوات العمل الساخن مع كيمياء أساسية مشابهة، ولكن الاختلافات المتواضعة في الموليبدينوم والمعالجة تؤدي إلى سلوك ميكانيكي مختلف في الخدمة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والتسميات الشائعة:
- ASTM/ASME: A681 (يحدد فولاذ أدوات AISI/UNS بما في ذلك سلسلة H)
- EN: EN X40CrMoV5-1 (معادل H13) وأرقام EN مشابهة لمتغيرات H11
- JIS: SKD61 (معادل تقريبي لـ H13) ومتغيرات SKD5/SKD9 التي تقارن أحيانًا بـ H11
- GB (الصين): غالبًا ما تستخدم تسميات قابلة للمقارنة (مثل: تسميات H13/H11 المباشرة شائعة)
- التصنيف:
- كلا من H13 و H11 مصنفة كفولاذ أدوات العمل الساخن (فولاذ أدوات مضاف). ليست فولاذ مقاوم للصدأ أو HSLA؛ إنها فولاذ أدوات مضاف للكربون مخصص للأدوات ذات درجات الحرارة المرتفعة.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
نطاقات التركيب النموذجية (وزن%) لـ H13 و H11 المحددة تجاريًا (نطاقات تمثيلية من أوراق البيانات والمعايير الشائعة؛ القيم الدقيقة تعتمد على المعيار والمورد):
| عنصر | H13 (وزن% نموذجي) | H11 (وزن% نموذجي) |
|---|---|---|
| C | 0.32 – 0.45 | 0.32 – 0.45 |
| Mn | 0.20 – 0.50 | 0.20 – 0.50 |
| Si | 0.80 – 1.20 | 0.80 – 1.20 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 4.75 – 5.50 | 4.75 – 5.50 |
| Ni | ≤ 0.30 (أثر) | ≤ 0.30 (أثر) |
| Mo | 1.10 – 1.75 | 0.80 – 1.20 |
| V | 0.80 – 1.20 | 0.60 – 1.20 |
| Nb (Cb) | أثر | أثر |
| Ti | أثر | أثر |
| B | أثر | أثر |
| N | أثر | أثر |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون والكروم يحددان بشكل أساسي القدرة على التصلب، وسعة التصلب المارتنسيتية، واستجابة التخمير. - يزيد الموليبدينوم من القدرة على التصلب، ومقاومة التخمير (صلابة حمراء)، ويساهم في قوة درجات الحرارة المرتفعة - وهو سبب رئيسي يجعل H13 (موليبدينوم أعلى) يظهر صلابة ساخنة ومقاومة للتعب الحراري أفضل. - يعزز الفاناديوم من تقوية الترسيب (VC)، ويساهم في التصلب الثانوي ومقاومة التآكل. - يحسن السيليكون القوة ومقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية. - تتحكم مستويات منخفضة من المنغنيز والفوسفور والكبريت وعناصر الميكروسبائك الأثرية في المتانة والنظافة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة المعالجة أو العادية، تقدم كلا الدرجتين مصفوفة مارتنسيتية/فيريتية مع كربيدات سبائكية دقيقة (كربيدات تحتوي على الكروم والفاناديوم). تتأثر توزيع الكربيد ونسبة الحجم بـ C و Mo و V. - بعد التبريد من درجة حرارة أوستنيتيزنج مرتفعة بما فيه الكفاية (عادةً 1000–1050 درجة مئوية لهذه الدرجات) والتخمير اللاحق، تكون البنية المجهرية مارتنسيتية مخففة مع كربيدات سبائكية وأوستنيت محتفظ به إذا تم تخميره بشكل زائد أو تم تبريده ببطء.
كيف تؤثر العمليات الحرارية الشائعة عليها: - المعالجة العادية: تنقي هيكل الحبوب؛ يتم تنفيذها قبل التصلب النهائي لتوحيد البنية المجهرية وإزالة التوزيع غير المتجانس. - التبريد والتخمير: كلاهما يستجيب بشكل جيد لدورات التبريد والتخمير التقليدية. يزيد الموليبدينوم الأعلى في H13 من القدرة على التصلب ويرفع مقاومة التخمير (الصلابة المحتفظ بها عند درجات حرارة تخمير أعلى). يميل H11 مع موليبدينوم أقل قليلاً إلى الوصول إلى صلابة قابلة للمقارنة ولكن يمكن أن يظهر متانة محتفظ بها أكبر قليلاً بعد التخمير المحسن. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يحسن التشكيل واللف المتحكم فيه قبل المعالجة العادية المتانة عن طريق تفتيت الكربيدات الخشنة وتنقيح حجم حبوب الأوستنيت السابقة. يتم استخدام ذلك بشكل متكرر للسبائك الكبيرة أو الأدوات الثقيلة لتعظيم مقاومة الكسر.
التأثير على الأداء: - تدعم البنية المجهرية لـ H13 مع المزيد من الموليبدينوم صلابة حمراء أعلى ومقاومة للتليين عند درجات حرارة الخدمة المرتفعة. - يمكن ضبط البنية المجهرية لـ H11 (من خلال التخمير والمعالجة الحرارية الميكانيكية) لتعظيم المتانة الكلية ومقاومة انتشار الشقوق.
4. الخصائص الميكانيكية
نطاقات الخصائص النموذجية بعد التبريد والتخمير (القيم تختلف حسب مستوى التخمير والمورد؛ النطاقات المذكورة تمثيلية لظروف HT الشائعة):
| الخاصية | H13 (نطاق نموذجي) | H11 (نطاق نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | 1,000 – 1,900 | 900 – 1,700 |
| قوة الخضوع (ميغاباسكال) | 800 – 1,500 | 700 – 1,300 |
| التمدد (%) | 6 – 12 | 6 – 14 |
| متانة الصدمات (شاربي V-notch، J) | 15 – 45 | 20 – 60 |
| الصلابة (HRC، بعد التبريد والتخمير) | 40 – 54 | 40 – 52 |
التفسير: - القوة: يمكن لكلا الدرجتين تحقيق قوى عالية مماثلة بعد المعالجة الحرارية المناسبة، ولكن يتم اختيار H13 عادةً عندما تكون القوة المحتفظ بها عند درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة. - المتانة: يظهر H11 عادةً متانة كلية أعلى قليلاً ومقاومة للصدمات في ظروف صلابة قابلة للمقارنة. يتم تضخيم الفرق عندما يتم تصميم الأدوات لتحمل الأحمال الشديدة أو الصدمات الميكانيكية المتكررة. - القابلية للتمدد: قابلة للمقارنة؛ يمكن أن يظهر H11 ميزة متواضعة في التمدد عند الكسر اعتمادًا على التخمير والمعالجة.
5. قابلية اللحام
تحدد قابلية اللحام من خلال المعادل الكربوني ومساهمات السبائك في القدرة على التصلب والقدرة على التشقق البارد.
الصيغ التجريبية المفيدة: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (أكثر حساسية لميول التشقق): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - كلا من H13 و H11 لديهما كربون معتدل وسبائك كبيرة (Cr، Mo، V) ترفع القدرة على التصلب؛ لذلك يعتبر كلاهما صعب اللحام بشكل معتدل في الحالة غير المعالجة. عادةً ما يتطلب الأمر تسخينًا مسبقًا، والتحكم في درجة حرارة التداخل، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) لتجنب التشقق. - يميل الموليبدينوم الأعلى في H13 وغالبًا ما يكون CE أعلى قليلاً إلى جعله أكثر عرضة للتصلب والتشقق في منطقة التأثير الحراري (HAZ)، لذا يجب أن تكون ممارسات اللحام أكثر تحفظًا (تسخين مسبق أعلى، تبريد متحكم فيه، PWHT). - H11، مع محتوى موليبدينوم أقل قليلاً، أسهل قليلاً في اللحام ولكنه لا يزال يتطلب احتياطات قياسية لفولاذ الأدوات (تسخين مسبق، إدخال حرارة منخفض، PWHT) واستخدام المعادن المالئة المتطابقة أو المتخصصة.
6. التآكل وحماية السطح
- لا H13 ولا H11 مقاومان للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل في البيئات الرطبة أو التآكلية. تشمل طرق الحماية النموذجية:
- الطلاء أو الطلاءات البوليمرية
- التمرير الكيميائي (فعالية محدودة على هذه الفولاذات السبائكية)
- التغليف المحلي غير شائع للأدوات لأن الطلاءات قد تؤثر على الت tolerances والأداء.
- الهندسة السطحية (النترجة، طلاءات PVD، طلاءات سيراميكية أو DLC) تستخدم عادة لتحسين مقاومة التآكل والتآكل السطحي.
- PREN (عدد مقاومة التآكل) له معنى فقط للفولاذات المقاومة للصدأ؛ على سبيل المثال: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لا ينطبق هذا المؤشر على H11/H13 لأنها فولاذ أدوات غير مقاومة للصدأ.
7. التصنيع، القابلية للمعالجة، والقابلية للتشكيل
- القابلية للمعالجة:
- في الحالة المعالجة، يمكن معالجة كلا الدرجتين باستخدام أدوات فولاذية عالية السرعة أو كربيد قياسية. يمكن أن يكون H13، مع موليبدينوم أعلى قليلاً وكربيدات ثانوية أكثر، أكثر تآكلًا قليلاً للأدوات وقد يقلل من عمر الأداة مقارنةً بـ H11 في ظروف مماثلة.
- عند التصلب، يكون كلاهما صعب المعالجة؛ تعتبر EDM، الطحن، والمعالجة الكاشطة طرق إنهاء نموذجية.
- القابلية للتشكيل:
- التشكيل الساخن (التزوير) هو ممارسة قياسية للقوالب الكبيرة. يستجيب كلاهما بشكل جيد للعمل الساخن عندما يتم استخدام درجات الحرارة ومعدلات الإجهاد المناسبة.
- التشكيل البارد محدود بسبب محتوى الكربون وخطر التشقق.
- الإنهاء:
- كلاهما يقبل علاجات تصلب السطح (النترجة، التصلب بالحث للمناطق الانتقائية) وطلاءات PVD/CVD. تجعل مقاومة التخمير الأفضل في H13 منصة أفضل قليلاً للطلاءات المستخدمة عند درجات حرارة مرتفعة.
8. التطبيقات النموذجية
| H13 – الاستخدامات النموذجية | H11 – الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| قوالب التزوير الساخن (تشكيل بالضغط، تزوير القوالب) حيث تكون التعب الحراري والصلابة الساخنة حاسمة | قوالب التزوير الثقيلة وأدوات حيث تكون المتانة الكلية ومقاومة الصدمات الميكانيكية هي الأولوية |
| أدوات الصب بالقالب وإدخالات النواة (تعب حراري عالي، صلابة حمراء) | قوالب سميكة كبيرة للتزوير حيث يكون خطر التشقق وانتشار الشقوق مرتفعًا |
| قوالب البثق وشفرات القص المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة | بطانات وأدوات لعمليات عرضة للصدمات؛ التطبيقات التي تهم فيها قابلية إصلاح الأدوات والمتانة |
| قوالب العمل الساخن للبلاستيك والمطاط تحت دورات حرارية عالية | التطبيقات التي تتطلب مقاومة أكبر للفشل الهش الكارثي |
مبررات الاختيار: - اختر H13 عندما تكون التعرض المتكرر لدرجات الحرارة المرتفعة، والتعب الحراري، ومقاومة التليين (مقاومة التخمير) هي المخاوف الرئيسية. - اختر H11 عندما تشمل الخدمة تأثيرات ميكانيكية ثقيلة، مقاطع عرضية كبيرة عرضة للإجهادات الداخلية، أو حيث تكون المتانة الكلية هي الأولوية.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: يتم إنتاج H13 وتخزينه على نطاق واسع عالميًا؛ يمكن أن يجعل محتواه الأعلى من الموليبدينوم تكلفته أعلى قليلاً من H11 على أساس كل كيلوغرام، ولكن التسعير يعتمد على المورد والسوق. قد تكون H11 أقل تكلفة قليلاً حيث تفضل المخزونات والإمدادات المحلية.
- التوافر حسب شكل المنتج:
- الأشرطة، الكتل، الألواح، التزوير، والألواح المعالجة مسبقًا متاحة عادةً لكلا الدرجتين. قد يكون H13 هو أكثر درجات العمل الساخن المخزنة شيوعًا في جميع أنحاء العالم، لذا فإن أوقات التسليم وتنوع الأشكال غالبًا ما تكون أفضل لـ H13.
- بالنسبة للتزويرات الكبيرة المخصصة، تعتمد أوقات تسليم الإمدادات أكثر على معالجة الحرارة ومنازل التزوير من درجة المادة الأساسية.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | H13 | H11 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام (نسبية) | متوسطة–صعبة (تتطلب تسخينًا مسبقًا، PWHT) | متوسطة (أسهل قليلاً من H13، ولكن لا تزال تتطلب الحذر) |
| القوة – الصلابة الساخنة | عالية (صلابة حمراء أفضل، مقاومة للتخمير) | جيدة (قوة درجات حرارة مرتفعة أقل قليلاً) |
| المتانة – مقاومة للصدمات/التشقق | جيدة | أفضل (عادةً ما تكون المتانة الكلية أعلى) |
| التكلفة | متوسطة–أعلى (بسبب محتوى الموليبدينوم) | متوسطة–أقل (غالبًا ما تكون أقل قليلاً) |
التوصيات: - اختر H13 إذا: - كانت أدواتك تعمل عند درجات حرارة مرتفعة لدورات ممتدة وتحتاج إلى صلابة حمراء جيدة ومقاومة للتليين الحراري (مثل: الصب بالقالب، البثق، القص الساخن). - كانت التعب الحراري ومقاومة التليين تحت التسخين الدوري هي أوضاع الفشل الرئيسية. - اختر H11 إذا: - كانت الأداة أو القالب تتعرض لصدمات ميكانيكية ثقيلة، أو تأثير، أو حيث تكون منع الفشل الهش والتشقق هي الشاغل الرئيسي (قوالب التزوير الكبيرة، أدوات عرضة للصدمات). - كنت تعطي الأولوية لمتانة الكسر وسهولة الإصلاح على أقصى احتفاظ بالصلابة عند درجات الحرارة العالية.
ملاحظة نهائية: يعتمد الأداء العملي لأي من الدرجتين بشكل كبير على جودة الإمدادات، والنظافة، والمعالجة الحرارية الميكانيكية السابقة، وجدول المعالجة الحرارية الدقيقة. بالنسبة للأدوات الحرجة، حدد المتانة المطلوبة، ونطاق الصلابة المقبول، وأي ممارسة معالجة حرارية بعد اللحام في مستندات الشراء واستشر موردي الفولاذ للحصول على شهادات المصنع والدورات الحرارية الموصى بها المخصصة للتطبيق.