D3 مقابل D2 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تستخدم الفولاذات الأدوات الباردة D2 و D3 على نطاق واسع في صناعة السكاكين والقوالب وشفرات القص وأجزاء التحمل حيث تكون مقاومة التآكل أمرًا حاسمًا. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع مرارًا وتكرارًا خيارًا بين فولاذات الأدوات عالية الكروم وعالية الكربون التي تختلف قليلاً عند تحديد المكونات التي يجب أن توازن بين عمر التحمل، واحتفاظ الحافة، وقابلية التصنيع والتكلفة.
الفرق التشغيلي الرئيسي بين الدرجتين هو أن واحدة تحتوي على نسبة أعلى من الكربيدات الصلبة (مدفوعة بزيادة الكربون وعناصر تشكيل الكربيد) على حساب صلابة الكتلة، بينما الأخرى توازن بين مقاومة التآكل العالية مع صلابة واستقرار أبعاد أفضل إلى حد ما. نظرًا لأن كلاهما متاح غالبًا في أشكال منتجات مماثلة (قضبان، ألواح، وقوالب مسبقة التصلب) يتم مقارنتهما عادةً في التصميم لأن تغييرًا صغيرًا في الكيمياء أو المعالجة الحرارية يمكن أن يغير بشكل كبير من عمر الخدمة، ومخاطر الفشل الهش، وتكاليف التصنيع اللاحقة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الشائعة حيث تظهر D2 و D3:
- ASTM / ASME: A681 (فولاذ الأدوات)، مراجع سلسلة A600 لمواصفات فولاذ الأدوات
- EN: تسميات فولاذ الأدوات EN ISO (قد تختلف المعادلات)
- JIS: المعايير الصناعية اليابانية (فئات فولاذ الأدوات)
- GB: المعايير الصينية لفولاذ الأدوات
- التصنيف:
- كلا من D2 و D3 هما فولاذات أدوات عالية الكربون وعالية الكروم (عائلة فولاذ الأدوات، النوع "D" — العمل البارد، عالي الكروم).
- ليست فولاذات أدوات مقاومة للصدأ بالمعنى المقاوم للتآكل، ولا هي فولاذات كربونية هيكلية أو HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
- يوفر الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية المستخدمة في الصناعة. تعتمد القيم الدقيقة على المواصفة أو صانع الحرارة؛ اعتبر النطاقات تمثيلية بدلاً من وصفية.
| عنصر | النطاق النموذجي — D2 (wt%) | النطاق النموذجي — D3 (wt%) |
|---|---|---|
| C | 1.40 – 1.60 | 1.80 – 2.20 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.20 – 0.40 | 0.20 – 0.40 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 11.0 – 13.0 | 11.0 – 14.0 |
| Ni | ≤ 0.30 (عادةً غير ملحوظ) | ≤ 0.30 (عادةً غير ملحوظ) |
| Mo | 0.70 – 1.20 | 0.30 – 1.00 |
| V | 0.10 – 0.60 | 0.30 – 2.00 |
| Nb / Ti / B | أثر إلى 0.05 (إذا كان موجودًا) | أثر إلى 0.05 (إذا كان موجودًا) |
| N | أثر | أثر |
ملاحظات: - تستهدف D2 عادةً توازنًا بين الكروم العالي والموليبدينوم المعتدل مع الفاناديوم المعتدل؛ تشكل مزيجًا من الكربيدات المعقدة (أساسًا M7C3 و M23C6 وأنواع MC). - تحتوي D3 عمومًا على كربون أكثر وغالبًا ما تحتوي على المزيد من الفاناديوم أو غيره من عناصر تشكيل الكربيد بنسب تزيد من الكربيدات الأولية (الكبيرة) ونسبة حجم الكربيدات الصلبة بشكل عام، مما يعزز مقاومة التآكل ولكنه يقلل من صلابة المصفوفة.
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون، Cr، V، Mo: تؤثر على نسبة حجم الكربيد، الصلابة، وقابلية التصلب. المزيد من الكربون والفاناديوم → كربيدات صلبة أكثر استقرارًا → مقاومة تآكل أعلى. - الكروم عند مستوى 11–14% يحسن من قابلية التصلب ويعزز تشكيل الكربيد ولكنه لا يمنح أداءً مقاومًا للصدأ لهذه الدرجات (المصفوفة المستمرة لا تزال عرضة للتآكل دون طلاءات واقية). - الموليبدينوم والفاناديوم يكرران حجم الكربيد وتوزيعه ويحسنان من التصلب الثانوي ومقاومة التخمير.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنى المجهرية النموذجية:
- كلا الدرجتين في الحالة الملدنة تحتوي على مصفوفة فيريتيك (أو باينيت حسب المعالجة) مع انتشار للكربيدات الغنية بالكروم. تميل D3 إلى إظهار نسبة حجم أعلى من الكربيدات الأولية الأكبر بسبب محتوى الكربون و/أو محتوى عناصر تشكيل الكربيد الأعلى.
- سلوك المعالجة الحرارية:
- D2: تصلب بالهواء؛ تستجيب جيدًا للتسخين المسبق، والتأوستنة (عادةً في نطاق 1000–1020 درجة مئوية حسب إرشادات المورد)، والتبريد البطيء لتقليل التشوه، ودورات التخمير لاستهداف الصلابة والصلابة المرغوبة. تظهر D2 استقرارًا أبعاد جيدًا عند التبريد في الهواء الساكن أو الزيت، وتطور تصلبًا ثانويًا من سبائك Mo/V.
- D3: تتطلب تحكمًا دقيقًا في التأوستنة والتخمير لأن نسبة الكربيد الأعلى تقلل من حجم المصفوفة القابلة للطرق. يمكن أن تحقق صلابة أعلى عند التخمير ولكنها أكثر حساسية للتشقق أثناء التبريد/التخمير ويمكن أن تظهر قابلية أكبر للفشل الهش الكارثي إذا كان التخمير غير كافٍ.
- طرق المعالجة:
- التطبيع/التحسينات: كلاهما يستفيد من دورات التطبيع المناسبة لتفكيك الكربيدات كما هي مصبوبة وخلق حجم حبة أوستنيتي أكثر تجانسًا.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية: التحكم في الحبة الدقيقة والتجانس يقلل من خطر الكربيدات الأولية الكبيرة التي تعمل كمواقع لبدء الشقوق، وهو أمر مهم بشكل خاص لـ D3.
4. الخصائص الميكانيكية
- تعتمد القيم بشكل كبير على هدف المعالجة الحرارية (الصلابة) وشكل المنتج. يلخص الجدول أدناه النطاقات النموذجية المستخدمة في الممارسة الإنتاجية.
| خاصية | نموذجي — D2 (معالجة حرارية) | نموذجي — D3 (معالجة حرارية) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~900 – 1,700 | ~1,000 – 1,900 |
| قوة العائد (ميغاباسكال) | ~700 – 1,400 | ~800 – 1,600 |
| التمدد (%) | ~4 – 12 | ~2 – 6 |
| صلابة التأثير (شاربي V، J) | ~10 – 30 (تعتمد على الصلابة) | ~5 – 20 (أقل في المتوسط) |
| الصلابة (HRC) | ~56 – 62 نموذجية؛ يمكن تخفيفها لخفضها | ~58 – 64 نموذجية؛ يمكن أن تصل إلى HRC أعلى |
التفسير: - عادةً ما تحقق D3 صلابة حافة ومقاومة تآكل أعلى بسبب محتوى الكربيد الأعلى ومستوى الكربون العام، ولكن هذا يأتي على حساب القابلية للطرق وصلابة التأثير. - يتم اختيار D2 عادةً حيث يتطلب توازن أقوى بين الصلابة ومقاومة التآكل؛ ستكون أقل عرضة للتشقق أو الفشل الهش في العديد من تطبيقات أدوات العمل البارد.
5. قابلية اللحام
- تكون قابلية اللحام مقيدة بالكربون العالي والسبائك القوية التي تشكل الكربيد في كلا الدرجتين مما يعزز مناطق التأثير الحراري (HAZ) الصلبة والهشة والتشقق إذا لم يتم التحكم في الإجراءات.
- مؤشران شائعان يستخدمان لتقييم قابلية اللحام:
- معادل الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm (معامل قابلية اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- التفسير النوعي:
- كلا من D2 و D3 عادةً ما تعطي قيمًا عالية لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ مقارنة بالفولاذات اللينة؛ الكربون الأعلى و Cr/Mo/V الأعلى يدفعان المؤشرات للأعلى، مما يشير إلى متطلبات أكبر للتسخين المسبق، والتحكم في درجة حرارة التداخل، والمعالجة الحرارية بعد اللحام.
- عادةً ما يكون لـ D3 (الكربون الأعلى وربما المزيد من V) تصنيف قابلية لحام أسوأ من D2 وغالبًا ما يتطلب تسخينًا مسبقًا أكثر عدوانية، وإجراءات لحام ذات مدخل حراري أقل، أو تجنب اللحام عن طريق الربط الميكانيكي أو استخدام مواد بديلة للتجمعات الملحومة.
- إرشادات عملية: يجب أن يتم لحام الإصلاح فقط بواسطة لحامين مؤهلين مع إجراءات محددة (تسخين مسبق محكم، تجنب الصدم المقيد، سبائك تعبئة مناسبة، وتخفيف الضغط/تخمير بعد اللحام).
6. التآكل وحماية السطح
- لا تعتبر D2 ولا D3 فولاذات مقاومة للصدأ رغم محتواها الكبير من الكروم. ستصدأ في البيئات الرطبة أو المائية ما لم تكن محمية.
- استراتيجيات الحماية الشائعة:
- الطلاءات الواقية: الطلاء، الطلاء بالمسحوق، أو الطلاءات المتخصصة ضد التآكل (مثل الكروم الصلب، PVD على الأسطح تحت الحرجة).
- التغليف ممكن لبعض الأشكال ولكنه غير معتاد لمكونات فولاذ الأدوات لأن الطلاء الزنك قد لا يتحمل التآكل الشديد ودورات التخمير عالية الحرارة.
- تساعد التشحيم والبيئات المتحكم فيها في إطالة عمر الخدمة للأدوات.
- مؤشر PREN غير قابل للتطبيق هنا لأن هذه ليست درجات مقاومة للصدأ مصممة لمقاومة التآكل، ولكن للرجوع: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- حسابات PREN النموذجية ذات معنى فقط للفولاذات المقاوم للصدأ الأوستنيتي/الثنائية، وليس لفولاذات أدوات العمل البارد من سلسلة D.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- كلاهما أصعب في التشغيل من الفولاذات منخفضة السبيكة؛ عادةً ما يتم التشغيل في الحالة الملدنة. D3 عادةً ما تكون أكثر تآكلًا على الأدوات بسبب نسبة حجم الكربيد الأعلى وقد تتطلب تغذيات أبطأ، وأدوات أثقل، وتغييرات أكثر تكرارًا للأدوات.
- قابلية التشكيل:
- التشكيل البارد محدود في الحالة المعالجة حراريًا؛ يجب أن يتم التشكيل في الحالة الملدنة. محتوى الكربيد الأعلى في D3 يقلل من القابلية للطرق وقابلية التشكيل مقارنةً بـ D2.
- الطحن والتشطيب:
- تتطلب D3 استراتيجيات طحن أكثر عدوانية ومواد كاشطة عالية الجودة لأن الكربيدات تقلل من عمر الكاشط ويمكن أن تسبب عجلات زجاجية.
- تشطيب السطح:
- يمكن تحقيق التلميع إلى تشطيب ناعم ولكن قد يتطلب خطوات حبيبية متعددة؛ سحب الكربيد هو مصدر قلق إذا تم تطبيق طحن/حرارة غير صحيحة.
8. التطبيقات النموذجية
| D2 — الاستخدامات النموذجية | D3 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| شفرات القطع وشفرات القص | قوالب تفريغ دقيقة عالية التآكل حيث تكون مقاومة التآكل القصوى مطلوبة |
| أدوات التشكيل البارد | لكمات التفريغ الدقيقة حيث يكون احتفاظ الحافة العالي أمرًا حاسمًا |
| قوالب البثق حيث تكون الصلابة مطلوبة | أدوات الطباعة طويلة الأمد حيث يكون التشقق المتقطع مقبولًا لعمر تآكل أطول بشكل عام |
| ألواح التحمل، بكرات التغذية | تطبيقات تتطلب أقصى مقاومة للتآكل وأقل قلق بشأن الصلابة |
مبررات الاختيار: - اختر الدرجة بناءً على ما إذا كانت الخدمة تتطلب مقاومة التآكل (يفضل محتوى كربيد أعلى) أو تحتاج إلى مقاومة للتشقق والكسر تحت الأحمال الصدمية (يفضل الخيار الأكثر صلابة، مع كربون أقل قليلاً/نسبة مصفوفة أعلى). - اعتبر المعالجة اللاحقة: إذا كانت اللحام أو التشكيل أو الانحناء الضيق مطلوبًا، فإن الخيار الأقل غنى بالكربيد يقلل من مخاطر التصنيع.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة:
- عادةً ما تكون D3 أغلى قليلاً لكل كجم من D2 بسبب محتوى السبيكة الأعلى وزيادة صعوبة المعالجة (أصعب في التشغيل والطحن). ومع ذلك، فإن الفرق عادةً ما يكون معتدلاً ويعتمد على السوق.
- التوافر:
- كلاهما فولاذات أدوات ناضجة ومنتجة على نطاق واسع وعادة ما تكون متاحة في أشكال منتجات شائعة (قضبان، مسطحات، قوالب مسبقة التصلب). يمكن أن تختلف أوقات التسليم بناءً على الحجم، والتشطيب، والكيمياء الخاصة.
- إجمالي تكلفة الملكية:
- اعتبر دورة الحياة: قد تكون مكون D3 الأكثر تكلفة والذي يدوم لفترة أطول بكثير بين إعادة الطحن أو الاستبدالات أكثر اقتصادية على الرغم من التكلفة الأولية الأعلى.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | D2 | D3 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | عادلة (تتطلب ضوابط) | أقل (تسخين مسبق أعلى/ضوابط) |
| توازن القوة–الصلابة | صلابة أفضل لصلابة مماثلة | مقاومة تآكل أعلى على حساب الصلابة |
| التكلفة | متوسطة | أعلى قليلاً (تكاليف المعالجة والأدوات) |
التوصيات: - اختر D2 إذا كنت بحاجة إلى حل عملي لمقاومة التآكل العالية مع صلابة أفضل، وتصنيع أسهل، وانخفاض خطر التشقق — وهو أمر نموذجي لأدوات العمل البارد العامة (المقصات، القوالب، السكاكين) حيث تكون مقاومة الصدمات العرضية مطلوبة. - اختر D3 إذا كانت مقاومة التآكل العالية واحتفاظ الحافة هو الهدف الأساسي ويمكن أن يتحمل التصميم أو العملية انخفاض الصلابة وضوابط التصنيع/اللحام الأكثر صرامة — وهو أمر نموذجي لقوالب التفريغ عالية الحجم وطويلة الأمد حيث تكون إعادة الطحن مكلفة والتشقق مقبول كتعويض.
ملاحظة نهائية: تعتمد الأداء الدقيق على الكيمياء الدقيقة، ودورة المعالجة الحرارية، وهندسة المكونات. للتحقق من التطبيقات الحرجة، تحقق من الفولاذات المرشحة مع أوراق بيانات معالجة الحرارة من المورد، ومكونات التجربة، وحيثما كان ذلك مناسبًا، اختبارات التآكل والكسر في ظروف تمثيلية للخدمة.