H13 مقابل SKD61 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

H13 و SKD61 هما من أكثر أنواع الفولاذ المستخدم في أدوات العمل الساخن شيوعًا، والتي تُستخدم للقوالب، والقوالب، ومكونات الأدوات المعرضة لدرجات حرارة عالية، ودورات حرارية، وارتداء كاشط. يواجه المهندسون، ومديرو المشتريات، ومخططو التصنيع عادةً قرار الاختيار بين هذين النوعين عند تحديد المواد لقوالب التشكيل الساخن، وأدوات صب القوالب، وقوالب البثق، ومعدات القص الساخن. غالبًا ما يتوازن القرار بين القابلية للتصلب، ومقاومة التخمير، وأداء التعب الحراري مقابل التوافر، والتكلفة، وعادات التسمية المحلية.

التمييز الرئيسي هو في الأساس التسمية وأصل المعايير: H13 هو التسمية الشائعة المستخدمة في أمريكا الشمالية وأوروبا وفقًا لمعايير AISI/ASTM، بينما SKD61 هو التسمية وفقًا لمعيار JIS (المعيار الصناعي الياباني). من الناحية المعدنية، فإنهما متساويان وظيفيًا كفولاذ أدوات عمل ساخن يحتوي على الكروم والموليبدينوم والفاناديوم مع كيمياء وخصائص متطابقة تقريبًا، ولكن يمكن أن يتأثر الاختيار من خلال نوافذ التركيب المسموح بها، وممارسات المعالجة الحرارية المحلية، وتوافر سلسلة التوريد.

1. المعايير والتسميات

• AISI/SAE / ASTM: H13 — التسمية الغربية الشائعة لفولاذ أدوات العمل الساخن.
• JIS: SKD61 — التسمية اليابانية المعادلة لـ H13.
• DIN / EN: مدرجة تحت فولاذ أدوات العمل الساخن (أنواع الكروم–الموليبدينوم–الفاناديوم)؛ يُشار إليها عادةً في المواصفات والمعايير الأوروبية لفولاذ الأدوات.
• GB (الصين): متاحة بموجب المعايير الوطنية الصينية لفولاذ أدوات العمل الساخن مع نطاقات كيميائية معادلة.
• ISO: يُشار إليها في تصنيفات فولاذ الأدوات الدولية كفئة Cr-Mo-V لفولاذ أدوات العمل الساخن.

التصنيف: كل من H13 و SKD61 هما فولاذ أدوات (فولاذ أدوات العمل الساخن). هما فولاذ سبائكي مع إضافات مقصودة من Cr و Mo و V لتوفير القابلية للتصلب، ومقاومة التخمير، ومقاومة الارتداء للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

النوعان متساويان أساسًا في مفهوم السبائك: كربون متوسط مع إضافات معتدلة من Cr و Mo و V لتعزيز القابلية للتصلب، ومقاومة التخمير، والتصلب الثانوي. الجدول أدناه يوضح نطاقات التركيب النموذجية الموجودة عادةً في المعايير وبيانات الموردين.

عنصر	H13 النموذجي (wt%)	SKD61 النموذجي (wt%)
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	≤ 0.030	≤ 0.030
S	≤ 0.030	≤ 0.030
Cr	4.75 – 5.50	4.75 – 5.50
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	1.10 – 1.75	1.10 – 1.75
V	0.80 – 1.20	0.80 – 1.20
Nb/Ti/B/N	أثر / عادةً ما يتم التحكم فيه	أثر / عادةً ما يتم التحكم فيه

كيف تؤثر السبائك على الأداء: - الكربون: يتحكم في القابلية للتصلب والصلابة القصوى؛ زيادة C تعزز الصلابة ومقاومة الارتداء ولكن تقلل من المتانة وقابلية اللحام. - الكروم: يزيد من القابلية للتصلب، ومقاومة الارتداء، ومقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة. - الموليبدينوم: يحسن القابلية للتصلب وقوة درجات الحرارة العالية (مقاومة التخمير). - الفاناديوم: ينقي الكربيدات وحجم الحبيبات، مما يحسن مقاومة الارتداء والمتانة. - السيليكون والمنغنيز: عوامل إزالة الأكسدة ومعدلات القوة؛ يمكن أن يشكل المنغنيز الزائد مراحل هشة إذا لم يتم التحكم فيها.

قد تكون هناك إضافات دقيقة وعناصر أثرية (Nb، Ti، B) موجودة في الصهرات الحديثة للتحكم في حجم الحبيبات وتحسين التصلب؛ عادةً ما يتم التحكم فيها بدقة من قبل كل معيار ومطحنة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - كما تم دحرجتها/تطبيعها: مصفوفة مارتنسيتية مقسية مع كربيدات سبائكية متناثرة وأوستينيت محتفظ به حسب المعالجة. - بعد التبريد والتخمير: مارتنسيت مقسى مع كربيدات سبائكية موزعة بشكل موحد (كربيدات Cr و Mo و V). التصلب الثانوي الناتج عن ترسيب الكربيدات أثناء التخمير هو سمة رئيسية لمقاومة التخمير عند درجات الحرارة العالية.

طرق المعالجة الحرارية وتأثيراتها: - التطبيع: ينقي حجم حبيبات الأوستينيت السابق ويقلل من التباين؛ نموذجي للسبائك الكبيرة ولإنتاج هيكل بدء موحد قبل التصلب. - التبريد (زيت أو فراغ): تحويل إلى الأوستينيت (عادةً 1000–1050 °م، حسب حجم المقطع والمعيار)، ثم التبريد لتحقيق التحول إلى المارتنسيت. يستجيب كل من H13 و SKD61 بشكل مشابه؛ تسخين مسبق كافٍ وتبريد متحكم فيه يقلل من التشوه والتصدع. - التخمير: دورات تخمير متعددة (عادةً 2–3) عند درجات حرارة تخمير مرتفعة (مثل 500–600 °م) لتطوير الصلابة والمتانة المطلوبة. كلا النوعين يظهران تصلبًا ثانويًا؛ اختيار درجة حرارة التخمير يوازن بين الصلابة مقابل المتانة ومقاومة التعب الحراري. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: التشكيل الساخن يليه تطبيع متحكم فيه يحسن من متانة الصدمة ويقلل من التباين؛ تحسين الخصائص النهائية.

نظرًا لأن الكيمياء متشابهة جدًا، فإن تطور البنية المجهرية والاستجابة للمعالجة الحرارية قابلة للتبادل بشكل فعال، على الرغم من أن ممارسات المعالجة الحرارية لكل مورد وتأثيرات حجم الحرارة يمكن أن تنتج اختلافات قابلة للقياس في الخصائص النهائية.

4. الخصائص الميكانيكية

تظهر نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية للحالات المبرّدة والمخمرة المستخدمة عادةً في الأدوات (القيم توضيحية؛ حدد معيار المعالجة الحرارية والاختبار الدقيق عند شراء المواد).

الخاصية	H13 النموذجي (مبرد ومخمّر)	SKD61 النموذجي (مبرد ومخمّر)
قوة الشد (Rm)	1100 – 1600 ميغاباسكال	1100 – 1600 ميغاباسكال
قوة الخضوع (Rp0.2)	900 – 1400 ميغاباسكال	900 – 1400 ميغاباسكال
التمدد (A%)	6 – 12%	6 – 12%
متانة الصدمة (شاربي V-notch)	10 – 40 جول (يعتمد على الصلابة/المعالجة الحرارية)	10 – 40 جول (يعتمد على الصلابة/المعالجة الحرارية)
الصلابة (HRC)	40 – 55 HRC (نطاق الإنتاج النموذجي)	40 – 55 HRC (نطاق الإنتاج النموذجي)

أيها أقوى، أو أكثر متانة، أو أكثر قابلية للتشكيل؟ - لا توجد ميزة قوة جوهرية لأي من النوعين؛ كلاهما مصمم لصلابة درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة التخمير. تعتمد القوة النهائية والمتانة بشكل كبير على محتوى الكربون الدقيق، ودرجة حرارة المعالجة الحرارية، ونظام التخمير، وحجم المقطع. - عمومًا، تقل المتانة مع زيادة الصلابة (زيادة درجة حرارة التخمير تقلل من الصلابة ولكن تزيد من المتانة). يتبع كلا النوعين نفس التوازن. - في الممارسة العملية، تكون الاختلافات في المتانة أو القابلية للتشكيل بين H13 و SKD61 عادةً ضمن تباين العملية والحرارة بدلاً من أن تكون متأصلة في تسمية معينة.

5. قابلية اللحام

تكون قابلية لحام فولاذ أدوات العمل الساخن محدودة بمحتوى الكربون والقابلية للتصلب. الاعتبارات الرئيسية: - المعادل الكربوني: زيادة C و Cr و Mo و V ترفع القابلية للتصلب والقدرة على التصدع في منطقة التأثير الحراري (HAZ). - استخدم التسخين المسبق، والتحكم في درجة حرارة التداخل، والتخمير بعد اللحام لتقليل التصدع والتصدع البارد الناتج عن الهيدروجين.

مؤشرات قابلية اللحام الشائعة: - المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - مؤشر Pcm (Boehler): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير (نوعي): - يظهر كل من H13 و SKD61 قيمًا مشابهة لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ بسبب الكيمياء المتطابقة تقريبًا؛ يُعتبر كلاهما معتدلًا إلى صعب اللحام دون إجراء خاص. - الممارسة الموصى بها: تسخين مسبق متحكم فيه (غالبًا 150–300 °م حسب السماكة)، مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، التحكم في درجة حرارة التداخل، التنعيم إذا لزم الأمر، وتخمير تخفيف الإجهاد/بعد اللحام لاستعادة التخمير وتخفيف الضغوط المتبقية. - يُستخدم اللحام عادةً للإصلاحات الطفيفة؛ بالنسبة للأدوات الحرجة، غالبًا ما يكون من الأفضل اللحام فقط على الأقسام التي سيتم إعادة تسخينها ومعالجتها بعد اللحام لاستعادة الخصائص.

6. التآكل وحماية السطح

• H13 و SKD61 ليسا فولاذ مقاوم للصدأ؛ مقاومتهما للتآكل محدودة. يجب أن تأخذ الاختيار في الاعتبار حماية السطح والبيئة.
• استراتيجيات حماية السطح:
• طلاءات واقية (PVD/CVD) لتقليل الارتداء، وليس التآكل فقط.
• التغليف ليس عادةً مناسبًا لأدوات فولاذ الأدوات بسبب مخاوف درجة الحرارة والالتصاق.
• الطلاء، أو الزيت، أو تحويلات من نوع الكرومات لحماية التخزين.
• يمكن أن تعزز النترجة الموضعية أو تصلب السطح مقاومة الارتداء والتآكل حيثما كان ذلك مناسبًا؛ لاحظ أن النترجة تغير الكيمياء السطحية وقد تؤثر على سلوك التعب.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) ينطبق على الدرجات المقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا لا ينطبق على H13/SKD61 لأنها فولاذ أدوات غير مقاومة للصدأ ولا تعتمد على محتوى Cr لتشكيل فيلم تآكل غير نشط بنفس الطريقة التي تفعلها السبائك المقاومة للصدأ.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: في الحالة الملدنة/المخففة، يمكن تشغيل هذه الفولاذات باستخدام أدوات كربيد؛ يجب أن تكون سرعات القطع والتغذية محافظة مقارنةً بالفولاذات منخفضة السبائك. يتطلب H13/SKD61 المعالج صلابة عالية الأداء أو أدوات سيراميك.
• الطحن و EDM: يستجيب كلا النوعين جيدًا لطحن أدوات الغرفة و EDM؛ يُستخدم EDM عادةً لتوليد تجاويف معقدة وتعديلات.
• التشكيل/الانحناء: محدود عند التصلب؛ في الحالة المخففة، يمكن أن تكون عمليات التشكيل الساخن والبارد القياسية ممكنة، ولكن يجب أخذ الارتداد والتصلب في الاعتبار.
• إنهاء السطح: بسبب كربيدات السبائك، يمكن تحقيق تلميع دقيق إلى تشطيبات مرآة ولكن قد يتطلب ذلك مواد كاشطة متخصصة وأوقات دورة أطول.

8. التطبيقات النموذجية

H13 (AISI) — الاستخدامات النموذجية	SKD61 (JIS) — الاستخدامات النموذجية
قوالب صب العمل الساخن (الألمنيوم، الزنك)	قوالب صب العمل الساخن
قوالب التشكيل (التشكيل السقوط، التشكيل المقلوب)	قوالب التشكيل وأدوات البثق الساخن
قوالب البثق للسبائك عالية الحرارة	أدوات البثق وشفرات القص الساخن
قوالب الطباعة الساخنة	قوالب الطباعة الساخنة والتشكيل الساخن
قوالب حقن بلاستيكية للبوليمرات عالية الحرارة (استخدامات مختارة)	قوالب للمواد البلاستيكية الهندسية ومعالجة المركبات

مبررات الاختيار: - اختر هذه الأنواع عندما يجب أن تقاوم الأدوات التشوه البلاستيكي، وتحافظ على الصلابة عند درجات الحرارة المرتفعة، وتقاوم التعب الحراري. عادةً ما يكون الاختيار بين H13 و SKD61 مدفوعًا بالمواصفات الإقليمية أو توافر الموردين بدلاً من اختلافات أداء المواد.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: H13 و SKD61 لهما تكاليف مواد خام قابلة للمقارنة؛ يختلف سعر السوق حسب المنطقة، والمطحنة، وشكل التوريد (قضيب دائري، لوح، كتلة مطروقة، لوح مسبق التصلب). قد يكون SKD61 متوفرًا بشكل أكبر في آسيا؛ قد تكون تسمية H13 أكثر شيوعًا في أمريكا الشمالية وأوروبا.
• التوافر: يتم إنتاج كلا النوعين على نطاق واسع ومتاحة من عدة مطاحن بأشكال تشمل القضبان، والألواح، والمطروقات، والكتل مسبقة التصلب. تعتمد أوقات التسليم على الحجم وحالة المعالجة الحرارية.
• اقتصاديات الحجم: شراء أحجام قضبان قياسية أو ألواح مسبقة التصلب يقلل عادةً من التكلفة مقارنةً بالمطروقات المخصصة أو الكتل المبرّدة والمخمرة بكميات صغيرة.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص — مقارنة نوعية

السمة	H13	SKD61
قابلية اللحام	معتدلة–صعبة (تتطلب إجراء)	معتدلة–صعبة (تتطلب إجراء)
توازن القوة–المتانة	قوة عالية مع مقاومة جيدة للتخمير؛ توازن مع المتانة عند صلابة أعلى	معادلة: قوة عالية ومقاومة للتخمير، توازن مشابه
التكلفة والتوافر	متاحة على نطاق واسع في الأمريكتين/أوروبا؛ اسم مواصفة شائع	متاحة على نطاق واسع في آسيا؛ اسم مواصفة JIS شائع

الاستنتاجات والتوصيات العملية: - اختر H13 إذا كنت تحدد وفقًا لتسمية AISI/ASTM، أو تشتري من الموردين أو المطاحن التي تقتبس المواد كـ H13، أو إذا كانت الأدوات ستُصنع وتُحافظ عليها في المناطق التي تُعتبر فيها H13 المصطلح القياسي. - اختر SKD61 إذا كنت تعمل مع مواصفات قائمة على JIS، أو تشتري من الموردين الآسيويين، أو كانت طلبات الشراء والوثائق الجودة تشير إلى SKD61 كدرجة تعاقدية. - بالنسبة لقرارات الأدوات الحرجة، ركز على: ت tolerances التركيب الدقيقة، وتعليمات المعالجة الحرارية المحددة (جدول الأوستينيت والتخمير)، وأهداف الصلابة والمتانة المطلوبة، ومعايير قبول غير تدميرية أو ميكانيكية واضحة. نظرًا لأن H13 و SKD61 متساويان معدنيًا، تأكد من أن الشراء يركز على حالة المعالجة الحرارية، وقابلية التتبع، وشهادات المطحنة بدلاً من مجرد اسم الدرجة.

إذا كنت بحاجة إلى فقرة نموذجية للمواصفات أو قائمة فحص للمشتريات لضمان أداء معادل عند استبدال الأسماء (H13 ↔ SKD61) عبر الموردين، يمكنني تقديم نموذج مختصر جاهز للاستخدام.