S136 مقابل 420 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تعتبر S136 و420 من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي، وغالبًا ما يتم النظر إليهما كخيارات للمكونات التي تتطلب الصلابة، وقابلية التلميع، وبعض مقاومة التآكل. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً قرار الاختيار بين الفولاذ المقاوم للصدأ المخصص للقوالب (S136) والفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي العام (420) عند الموازنة بين مقاومة التآكل، وتشطيب السطح، والتكلفة، وقابلية التصنيع.
يكمن الاختلاف العملي الرئيسي بين الاثنين في نية السبائك والمعالجة: تم صياغة S136 ومعالجته لتحقيق تشطيب سطحي عالي، ومحتوى منخفض من الشوائب، ومقاومة محسنة للتآكل لتطبيقات القوالب، بينما 420 هو فولاذ مارتنسيتي من عائلة أوسع يستخدم حيث تكون خصائص الفولاذ المقاوم للصدأ القابلة للتصلب مقبولة بتكلفة أقل. تدعم هذه التشابهات في العائلة (الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي) ولكن الاختلافات في التحكم في التركيب والمعالجة المقارنة الشائعة.
1. المعايير والتسميات
- S136
- ليس رقمًا دوليًا موحدًا من ASTM/ISO؛ إنه تسمية فولاذ قوالب تجارية تستخدمها موردي فولاذ الأدوات الأوروبيين والدوليين (غالبًا ما يتم إدراجها في كتالوجات فولاذ القوالب).
- مصنف كفولاذ أدوات/قوالب مقاوم للصدأ (مارتنسيتي، عائلة فولاذ الأدوات).
- غالبًا ما يتم توفيره كلوح مسبق التصلب، أو كتل، أو مكونات قوالب مصقولة ويتم الإشارة إليه في معايير موردي فولاذ الأدوات (تسميات ملكية).
- 420
- موحد في العديد من المواصفات كـ AISI/SAE 420 وفي معايير منتجات ASTM (على سبيل المثال، ASTM A276 لفولاذ القضبان/الأسلاك).
- يظهر أيضًا تحت EN وJIS كدرجات فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي مع كيمياء مشابهة.
- مصنف كفولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي (قابل للتصلب).
ملخص التصنيف: - S136: فولاذ أدوات مقاوم للصدأ (مارتنسيتي)، درجة أدوات/قوالب، تسمية تجارية. - 420: فولاذ مقاوم للصدأ، مارتنسيتي، درجة موحدة AISI/ASTM.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | 420 النموذجية (وصف AISI/ASTM النموذجي) | النموذجية S136 (توصيف فولاذ القوالب التجاري) |
|---|---|---|
| C | 0.15–0.40% (قابلية التصلب، القوة) | محتوى C متحكم فيه نسبيًا (محسن للصلابة/التلميع) — خاص بالمورد |
| Mn | ≤ ~1% (إزالة الأكسدة والقوة) | منغنيز منخفض (مقلل للنظافة ومقاومة التآكل) |
| Si | ≤ ~1% (إزالة الأكسدة) | سيليكون منخفض (متحكم فيه لتحسين قابلية التلميع وجودة السطح) |
| P | ≤ ~0.04% (شوائب) | فوسفور منخفض جدًا (متحكم فيه لمقاومة التآكل وقابلية التلميع) |
| S | ≤ ~0.03–0.04% (شوائب) | كبريت منخفض جدًا (قد تشمل بدائل محسنة للمعالجة الميكانيكية استخدام سبائك دقيقة بدلاً من ذلك) |
| Cr | ~12–14% (سلوك مقاوم للصدأ، قابلية التصلب) | كروم مشابه (يوفر مقاومة للتآكل)؛ التركيب متحكم فيه بدقة |
| Ni | عادةً منخفض أو معدوم (مارتنسيتي) | عادةً ما يكون ضئيلًا أو غائبًا (يحافظ على الاستجابة المارتنسيتي)؛ قد تشمل بعض المتغيرات التجارية كميات ضئيلة من النيكل |
| Mo | عادةً ما يكون غائبًا في 420 | قد تشمل بعض متغيرات S136 إضافات صغيرة من الموليبدينوم أو يتم إنتاجها مع تحكم أكثر صرامة في الشوائب لتحسين مقاومة التآكل المحلية |
| V | أثر إلى منخفض (ليس عنصر سبائك أساسي في 420 القياسي) | قد يكون موجودًا بكميات صغيرة في متغيرات فولاذ الأدوات لتحسين الكربيدات/الحبيبات |
| Nb/Ti/B | عادةً غير موجود (باستثناء الأثر) | قد يستخدم بكميات دقيقة من قبل الموردين للتحكم في الحبيبات والشوائب في سبائك S136 المتخصصة |
| N | منخفض (فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي) | منخفض؛ يتم التحكم فيه لتجنب الدلتا-فيريت/النترات التي تؤثر على قابلية التلميع |
ملاحظات: - يتم إنتاج S136 وتحديده مع تحكم أكثر صرامة في الشوائب (P، S) والشوائب غير المعدنية؛ تركز استراتيجيتها في السبائك على توزيع دقيق ومتجانس من الكربيدات وانخفاض الفصل لتحسين قابلية التلميع ومقاومة التآكل المتسقة عبر السطح. - يستخدم 420 توازن سبائك أبسط لتوفير قابلية التصلب الاقتصادية ومقاومة التآكل؛ نطاق واسع من محتويات الكربون في عائلة 420 ينتج درجات فرعية مختلفة (على سبيل المثال، 420A، 420B، 420C تختلف تاريخيًا حسب C).
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنى المجهرية النموذجية:
- كلا الدرجتين هما فولاذان مقاومان للصدأ مارتنسيتي بعد التبريد المناسب. تتكون البنية المجهرية بشكل أساسي من المارتنسيت مع كميات وأشكال متغيرة من كربيدات الكروم.
- S136: يتم إنتاجه ومعالجته حراريًا ليعطي مارتنسيت دقيق ومتجانس مع مستوى منخفض من الكربيدات الأولية الكبيرة وتوزيع متحكم فيه للكربيدات الثانوية. قد تستخدم موردي مسحوق المعادن أو ممارسات الصهر المكررة لتقليل الفصل، مما يؤدي إلى تحسين تشطيب السطح بعد التلميع.
-
420: مطروق أو مصهور تقليديًا؛ مصفوفة مارتنسيت مع كربيدات الكروم بتوزيع أكثر خشونة مقارنة بالفولاذات القوالب المتحكم فيها بشكل كبير. يعتمد عدد الكربيدات بشكل كبير على محتوى الكربون والتاريخ الحراري.
-
استجابة المعالجة الحرارية:
- تستجيب كلا الدرجتين للتسخين، والتبريد، والتخمير. الصلابة، والقوة، والصلابة تعتمد بشكل كبير على محتوى الكربون، ودرجة حرارة التسخين، ووسيلة التبريد، ونظام التخمير.
- غالبًا ما يتم توفير S136 في حالة مسبقة التصلب ومشغولة السطح؛ يقبل المعالجات تحت الصفر أو المعالجات الحرارية المبردة ونظم التخمير المحسنة للاحتفاظ بمقاومة التآكل وتقليل التشوه للأدوات.
-
يتم معالجة 420 حراريًا إلى نطاق واسع من الصلابة لتطبيقات مختلفة: متغيرات منخفضة الكربون للمعالجة وصلابة معتدلة؛ متغيرات عالية الكربون لصلابة أعلى بعد التبريد والتخمير.
-
التطبيع / المعالجة الحرارية الميكانيكية:
- يستفيد S136 من التطبيع المتحكم فيه والمعالجة المحتملة تحت الصفر لتقليل الأوستينيت المحتفظ به وتحسين الكربيدات.
- يمكن أن يتم تطبيع/تسخين 420 لتحسين قابلية المعالجة قبل التصلب النهائي.
4. الخصائص الميكانيكية
| خاصية | S136 (السلوك النموذجي) | 420 (السلوك النموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | عالية عند المعالجة الحرارية بالكامل (مصممة لصلابة عالية وقوة ضغط في القوالب) | متوسطة إلى عالية حسب محتوى الكربون والمعالجة الحرارية |
| قوة العائد | عالية في الحالة المتصلبة | متوسطة إلى عالية |
| التمدد (%) | أقل في الحالة المتصلبة (هشة عند صلابة عالية جدًا) | قابلية تمدد مشابهة أو أعلى قليلاً عند نفس الصلابة إذا كانت متغيرات منخفضة الكربون |
| صلابة التأثير | متوسطة إلى منخفضة عند صلابة عالية؛ المتغيرات المحسنة والتخمير تحسن الصلابة | متغيرة؛ تميل 420 منخفضة الكربون إلى أن تكون أكثر صلابة من المتغيرات عالية الكربون وعالية الصلابة |
| الصلابة (HRC) | مصممة لصلابة سطحية عالية ومقاومة للتآكل (يتم توفيرها عادةً في حالة متصلبة ومخمرة للأدوات) | نطاق صلابة واسع؛ يمكن أن تكون صلبة بشكل كبير حسب الكربون |
تفسير: - عادةً ما تحقق S136 صلابة سطحية عالية وسلامة سطحية مع كربيدات متحكم فيها بعناية، مما يحسن مقاومة التآكل وقابلية التلميع ولكن يمكن أن يقلل من صلابة الكتلة إذا تم دفعها إلى صلابة قصوى. - تتنوع خصائص 420 أكثر مع درجة الكربون. تكون 420 منخفضة الكربون أكثر مرونة وصلابة عند صلابة معتدلة؛ تقترب 420 عالية الكربون من S136 في الصلابة ولكن قد تظهر كربيدات أكبر وتشطيب سطح أقل قابلية للتنبؤ.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام على محتوى الكربون، وقابلية التصلب (Cr والسبائك)، ومحتوى الشوائب/السبائك الدقيقة. هناك مؤشرين تجريبيين شائعين مفيدان للتفسير النوعي:
-
معهد اللحام الدولي لمكافئ الكربون: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
معامل من نوع Dearden وO’Neill ($P_{cm}$): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - يزيد الكربون العالي والكروم العالي من قابلية التصلب وخطر التشقق في منطقة التأثير الحراري (HAZ). ستكون S136، لأنها مصممة لصلابة عالية وغالبًا ما تحتوي على كربون فعال أعلى وعدد كربيدات دقيق، أكثر تحديًا في اللحام مقارنةً بمتغيرات 420 منخفضة الكربون. - تتنوع قابلية اللحام في 420 عبر الدرجات الفرعية: تكون 420 منخفضة الكربون أكثر قابلية للحام نسبيًا؛ تتطلب 420 عالية الكربون وS136 تسخينًا مسبقًا، ودرجة حرارة تحكم بين الطبقات، ومعالجة حرارية بعد اللحام لتجنب تشقق HAZ وتكوين مارتنسيت مفرط. - بالإضافة إلى ذلك، تعني استراتيجية S136 الصارمة للنظافة ومنخفضة الشوائب أن اللحام يمكن أن يغير محليًا حالة السطح، مما قد يؤدي إلى تدهور مقاومة التآكل بالقرب من اللحامات ما لم يتم اللحام ومعالجته بعد ذلك بعناية.
6. مقاومة التآكل وحماية السطح
- بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي، تأتي مقاومة التآكل العامة بشكل أساسي من محتوى الكروم وحالة السطح. لا تقدم S136 ولا 420 مقاومة للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أو الثنائي عند تعرضها لبيئات غنية بالكلوريد.
- يستخدم PREN (رقم مقاومة التآكل) عادةً لتقييم مقاومة التآكل في الدرجات المقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- تطبيق PREN:
- بالنسبة لكل من S136 و420، تكون قيم PREN متواضعة لأن محتويات Mo وN منخفضة؛ غالبًا ما تؤدي السطح الأنظف لـ S136 وكيمياء متحكم فيها إلى أداء أفضل في مقاومة التآكل المحلية مقارنةً بـ 420 العامة بعد التلميع وفي وسائط أقل عدوانية.
- بدائل غير مقاومة للصدأ / حماية:
- عندما تكون هناك حاجة إلى حماية أكبر من التآكل لأي من الدرجتين، يجب النظر في معالجة السطح: النيكل غير الكهربائي، الطلاء بالكروم الصلب (مع مراعاة القيود البيئية/التنظيمية)، النترجة (للتآكل، فائدة محدودة من التآكل)، التمرير، أو الطلاءات الحاجزة (الدهانات، الطلاءات البوليمرية).
- للحصول على مقاومة بيئية تتجاوز ما توفره هذه المارتنسيتي، يجب النظر في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، أو الثنائي، أو سبائك النيكل.
7. التصنيع، قابلية المعالجة، وقابلية التشكيل
- قابلية المعالجة:
- تكون متغيرات 420 منخفضة الكربون أسهل في المعالجة في الحالة الملدنة. يمكن أن تكون S136، بسبب الكربون العالي وطبيعتها القابلة للتصلب والصلابة العالية المحتملة كما يتم توفيرها، أكثر صعوبة في المعالجة؛ يتم توفير العديد من ألواح S136 مسبقة التصلب وقد تتطلب معالجة كهربائية أو طحن بدلاً من المعالجة التقليدية.
- قابلية التشكيل:
- تكون كلا السبيكتين محدودة في قابلية التشكيل البارد عند التصلب. في الحالة الملدنة، يمكن تشكيل 420 بشكل معقول؛ تعتمد قابلية تشكيل S136 على درجة حرارة المورد ولكنها تستهدف بشكل أساسي تصنيع القوالب بدلاً من تشكيل الصفائح.
- تشطيب السطح:
- تم تحسين S136 للتلميع وتشطيبات سطحية عالية اللمعان، مع الانتباه إلى محتوى منخفض من الشوائب وتشتت دقيق للكربيدات.
- يمكن تلميع 420 ولكن غالبًا ما ينتج عنه تشطيب مرآة أقل اتساقًا مقارنةً بـ S136 ما لم يتم معالجته بشكل خاص.
8. التطبيقات النموذجية
| S136 (فولاذ مقاوم للصدأ من درجة القوالب) | 420 (فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي) |
|---|---|
| قوالب حقن بلاستيكية عالية الجودة مع تجاويف مصقولة بالمرآة | أدوات المائدة، الأدوات الجراحية (بعض المتغيرات)، الأعمدة، مكونات الصمامات |
| قوالب تتطلب تلميع مستمر ومقاومة معتدلة للتآكل | المثبتات، مكونات المضخات، الأجزاء الهيكلية حيث تكون مقاومة الصدأ والصلابة مطلوبة |
| إدخالات الصب، أدوات العمل الباردة حيث يكون تشطيب السطح ومقاومة التآكل حاسمة | مكونات صلبة عامة حيث تؤثر التكلفة والتوافر على الاختيار |
مبررات الاختيار: - اختر S136 حيث يكون تشطيب السطح، والاحتفاظ بالتلميع، ومقاومة التآكل المتسقة في تجاويف القوالب أمرًا بالغ الأهمية. - اختر 420 لأجزاء فولاذية مقاومة للصدأ ذات تكلفة فعالة حيث تكون قابلية التلميع الممتازة أقل أهمية.
9. التكلفة والتوافر
- 420: متوفر على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في القضبان، والأسلاك، والألواح، والصفائح؛ عمومًا بتكلفة أقل بسبب المعادن الموحدة وقاعدة الإمداد الواسعة.
- S136: فولاذ قوالب متخصص متوفر من موردي فولاذ الأدوات والموزعين؛ عادةً ما تكون التكلفة أعلى لكل كجم وأحيانًا أوقات تسليم أطول للأبعاد الكبيرة أو التشطيبات السطحية المحددة. غالبًا ما يتم تقديم S136 في صيغ مسبقة التصلب ومسبقة التلميع مما يضيف قيمة لتطبيقات الأدوات.
10. الملخص والتوصية
| السمة | S136 | 420 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | متوسطة إلى صعبة (تتطلب ضوابط) | متغيرة — أسهل للمتغيرات منخفضة الكربون |
| القوة–الصلابة (كما تم توفيرها) | صلابة عالية وقوة؛ تعتمد الصلابة على التخمير | متغيرة؛ تقدم الدرجات منخفضة الكربون صلابة أفضل عند قوة معتدلة |
| التكلفة | أعلى (معالجة متخصصة، متحكم فيها) | أقل (موحد، متاح على نطاق واسع) |
الاستنتاجات والتوصيات: - اختر S136 إذا: - كانت تطبيقاتك تتطلب تلميع بجودة المرآة، وسلامة سطحية متسقة، ومقاومة محسنة للتآكل المحلية للأدوات أو القوالب. - كنت تقبل تكلفة المواد الأعلى وعمليات التصنيع الأكثر تقييدًا (EDM، طحن، لحام متخصص/معالجة بعد اللحام). - اختر 420 إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ قابل للتصلب بتكلفة فعالة للمكونات العامة حيث لا تكون قابلية التلميع الممتازة ومقاومة التآكل من الدرجة الأولى مطلوبة. - كنت بحاجة إلى توافر واسع في العديد من أشكال المنتجات وسهولة المعالجة التقليدية (للمتغيرات منخفضة الكربون).
ملاحظة أخيرة: يجب اختيار كلا الدرجتين مع الانتباه إلى الدرجة الفرعية المحددة، ومعالجة المورد (مثل، مسبقة التصلب مقابل الملدنة)، وجدول المعالجة الحرارية المقصود. بالنسبة للأدوات الحرجة أو المكونات ذات التشطيب السطحي العالي، استشر مورد الفولاذ للحصول على وصفات المعالجة الحرارية، وحالة التسليم، وتوصيات اللحام/الإصلاح المصممة خصيصًا للمتغيرات السبائكية المختارة.