GCr15 مقابل AISI52100 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
GCr15 و AISI 52100 هما نوعان من الفولاذ عالي الكربون والكروم المستخدم على نطاق واسع في تصنيع المحامل، والعناصر الدوارة، والمكونات الدقيقة. غالبًا ما يتعين على المهندسين ومديري المشتريات ومخططي التصنيع الاختيار بينهما عند تحديد المواد الخام للحلقات، والأسطوانات، والمحاور، أو مكونات الأدوات. تشمل المعضلات الشائعة في الاختيار تحقيق توازن بين مقاومة التآكل مقابل المتانة، والامتثال للمعايير والمتطلبات الخاصة بالمنطقة، والتوازن بين التكلفة والتوافر المحلي مقابل التحكم الدقيق في التركيب الكيميائي/معالجة الحرارة.
على المستوى الفني، يكمن الاختلاف الرئيسي بين الاثنين في تسميتهما والإطار الوطني/المواصفات المرتبط بهما: GCr15 هو التسمية الصينية الشائعة (GB) لفولاذ المحامل عالي الكربون والكروم، بينما AISI 52100 هو التسمية الأمريكية/الدولية لتركيب كيميائي وفئة منتج مشابهة جدًا. يتم مقارنتهما بشكل شائع لأن تركيبتهما الكيميائية، وهياكلهما الدقيقة، وتطبيقاتهما تتداخل بشكل قوي؛ ومع ذلك، يمكن أن تكون متطلبات الشراء والامتثال (شهادات المصنع، التسامحات، إجراءات معالجة الحرارة) حاسمة.
1. المعايير والتسميات
المعايير الرئيسية والأسماء المعادلة التي ستواجهها: - AISI/SAE: AISI 52100 / SAE 52100 — شائعة في التجارة الأمريكية والدولية. - GB/T: GCr15 — التسمية الوطنية الصينية لفولاذ المحامل (غالبًا ما تستخدم بالتبادل مع 52100 في سلاسل التوريد الصينية). - EN: 100Cr6 — التسمية الأوروبية المعادلة في التركيب والغرض. - JIS: SUJ2 — المعادل الياباني لفولاذ المحامل. - ASTM/ASME: تشير مواصفات ASTM المختلفة إلى فولاذ المحامل للحلقات/الأسطوانات؛ تختلف مواصفات شكل المنتج.
التصنيف: كل من GCr15 و AISI 52100 هما فولاذان عاليان الكربون والكروم (ليس فولاذ مقاوم للصدأ). يقعان في فئة فولاذ المحامل الكربوني/فولاذات عالية الكربون من الدرجة الأدوات بدلاً من الفولاذ الكربوني الهيكلي، أو الفولاذ المقاوم للصدأ، أو درجات HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| العنصر | GCr15 (النطاق النموذجي) | AISI 52100 (النطاق النموذجي) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 wt% | 0.98 – 1.10 wt% |
| Mn | 0.25 – 0.45 wt% | 0.25 – 0.45 wt% |
| Si | 0.15 – 0.35 wt% | 0.15 – 0.35 wt% |
| P | ≤ 0.035 wt% (الحد الأقصى) | ≤ 0.03 wt% (الحد الأقصى) |
| S | ≤ 0.035 wt% (الحد الأقصى) | ≤ 0.03 wt% (الحد الأقصى) |
| Cr | 1.30 – 1.65 wt% | 1.30 – 1.60 wt% |
| Ni | ≤ 0.25 wt% | ≤ 0.25 wt% |
| Mo | ≤ 0.08 wt% | ≤ 0.08 wt% |
| V | – آثار (≤ ~0.03 wt%) | – آثار (≤ ~0.03 wt%) |
| Nb, Ti, B, N | عادةً ما تكون آثار فقط أو غير محددة | عادةً ما تكون آثار فقط أو غير محددة |
ملاحظات: - تعتمد حدود التركيب الدقيقة على المعيار المحدد أو مواصفات المصنع؛ تعكس النطاقات أعلاه الممارسات التجارية النموذجية. - تركز استراتيجية السبائك على الكربون العالي (~1%) لتحقيق صلابة مارتنسيت وتكوين كربيد، و ~1.3–1.6% Cr لتحسين القابلية للتصلب ومقاومة التآكل مع الاحتفاظ بالقدرة على التشغيل. يتواجد المنغنيز والسيليكون لضبط القابلية للتصلب وإزالة الأكسدة. يتم الحفاظ على الكبريت والفوسفور عند مستويات منخفضة من أجل المتانة وأداء التعب.
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون: المحرك الرئيسي للصلابة القابلة للتحقيق ومقاومة التآكل عبر محتوى المارتنسيت والكربيد؛ يزيد من القابلية للتصلب ولكنه يقلل من قابلية اللحام والليونة. - الكروم: يحسن القابلية للتصلب، ومقاومة التآكل، ويقلل من هشاشة التصلب؛ كما يعزز استقرار الكربيد. - المنغنيز والسيليكون: يدعمان القابلية للتصلب والقوة؛ يمكن أن يؤدي فائض المنغنيز إلى الهشاشة إذا لم يتم التحكم فيه. - العناصر النزرة (V، Mo) عند وجودها بكميات صغيرة تساعد في تكوين كربيد ناعم والتصلب الثانوي ولكنها عادة ما تكون ضئيلة في هذه الدرجات.
3. الهيكل الدقيق واستجابة معالجة الحرارة
الهياكل الدقيقة النموذجية: - الحالة المعالجة/المعالجة اللينة: كربيدات كروية موزعة في مصفوفة حديدية بشكل كبير لتحسين القدرة على التشغيل وقابلية التشكيل. - المعالجة العادية: هيكل بيرليتي/حديدية أدق اعتمادًا على معدل التبريد؛ يستخدم لتحقيق الاستقرار الأبعاد وكخط أساس لمزيد من معالجة الحرارة. - التبريد والتصلب: مارتنسيت مصلب بشكل أساسي مع كربيدات كروم موزعة؛ يتحكم مستوى التصلب في توازن الصلابة والمتانة.
الاستجابة للعمليات الحرارية الرئيسية: - المعالجة اللينة (حرجة للتشغيل): تسخين إلى ما فوق A1 مباشرة (على سبيل المثال، ~680–720 درجة مئوية اعتمادًا على التركيب)، والاحتفاظ بها لتكوين كربيدات كروية، والتبريد البطيء لإنتاج هيكل قابل للتشغيل. - التبريد: تبريد بالزيت أو الهواء بعد الأوستنيتيزنج عند درجات حرارة عادةً في نطاق 760–820 درجة مئوية (تعتمد على حجم القسم والمواصفة) لتشكيل المارتنسيت. يعطي الكربون العالي والكروم المعتدل قابلية تصلب جيدة ولكن تظل حساسية القسم قائمة. - التصلب: التصلب لفترة قصيرة في نطاق 150–300 درجة مئوية ينتج عنه صلابة عالية ومقاومة للتآكل؛ درجات حرارة التصلب الأعلى تقلل من الصلابة وتحسن المتانة. غالبًا ما يتم تصلب التطبيقات المحورية لتحقيق الصلابة المطلوبة (على سبيل المثال، HRC متوسطة إلى عالية). - المعالجة الحرارية الميكانيكية (نادرة للحلقات المحورية النهائية): التشكيل + التبريد المنضبط ينقي حجم الحبيبات ويمكن أن يحسن عمر التعب.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية | المعالجة النموذجية | التبريد والتصلب النموذجي | المقارنة النسبية (GCr15 مقابل AISI 52100) |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | متوسطة — تعتمد على المعالجة؛ أقل من الحالة المصلبة | عالية — تعتمد على مستوى التصلب؛ مصممة لتحمل ضغط الاتصال العالي | كلا الدرجتين متساويتان أساسًا عند إعطائهما نفس معالجة الحرارة؛ الأداء يتحكم فيه معالجة الحرارة |
| قوة العائد | متوسطة (معالجة) | عالية بعد التبريد والتصلب عند درجات حرارة منخفضة | معادلة للعلاجات المعادلة |
| التمدد (الليونة) | أعلى نسبيًا في المعالجة (أفضل قابلية للتشغيل) | تنخفض بشكل كبير مع الصلابة العالية | سلوك معادل؛ يقلل الكربون العالي من الليونة بعد التصلب |
| صلابة التأثير | متوسطة في المعالجة؛ تقل عند الصلابة العالية جدًا | أقل عند الصلابة العالية؛ تتحسن مع ارتفاع التصلب | مماثلة لكليهما؛ الاختلافات الصغيرة تعود إلى التحكم في الشوائب والسبائك الدقيقة |
| الصلابة (النطاقات النموذجية) | المعالجة: ~180–240 HB (تقريبًا ~20 HRC) | مصلب/مصلب: عادةً 55–66 HRC لتطبيقات المحامل (النطاق يعتمد على التصلب) | يمكن معالجة كلاهما إلى نطاقات صلابة متطابقة؛ تعتمد الخاصية النهائية على معالجة الحرارة الدقيقة |
التفسير: - تم ضبط كلا الدرجتين لتحقيق صلابة عالية ومقاومة للتآكل بعد التبريد والتصلب؛ لا يوجد أي منهما أقوى بطبيعته من الآخر في الكيمياء وحدها. عادةً ما تكون الاختلافات في الشد، والعائد، والمتانة، وعمر التعب بين الموردين أو الدفعات مدفوعة بمستويات الشوائب، والتحكم في الشوائب، ونسبة Cr/C الدقيقة، ودورة معالجة الحرارة بدلاً من التسمية الاسمية.
5. قابلية اللحام
الكربون العالي (~1%) مع الكروم المعتدل يجعل كل من GCr15 و AISI 52100 مرشحين ضعيفين للحام التقليدي دون احتياطات صارمة: - يزيد الكربون العالي من خطر تكوين المارتنسيت في منطقة التأثير المرتبطة والشقوق الباردة. - تعني القابلية للتصلب من الكروم والكربون وجود نافذة لحام ضيقة، مما يتطلب تسخينًا مسبقًا ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) لتخفيف الضغوط وتصلب المارتنسيت. تشمل الصيغ المفيدة لمعادلة الكربون لتقييم احتياجات التسخين المسبق/PWHT: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ و $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ التفسير: - كلا الدرجتين تعطيان معادلات كربون مرتفعة نسبيًا؛ لذلك، يتطلب التسخين المسبق لتقليل معدل التبريد وPWHT (التصلب) بشكل عام. بالنسبة للمكونات الحرجة، يتم تجنب اللحام؛ يتم تشكيل المكونات من كتل ويتم تجميعها مع التجميعات الميكانيكية عند الإمكان.
6. التآكل وحماية السطح
- لا GCr15 ولا AISI 52100 مقاومان للصدأ. مقاومة التآكل محدودة والبيئات التطبيقية التي تعرض المكونات للرطوبة أو الملح أو الهجوم الكيميائي تتطلب حماية السطح.
- الحمايات النموذجية: تزييت منضبط، فوسفات، طلاء، طلاء كهربائي، أو جلفنة بالغمر الساخن (تستخدم مكونات المحامل غالبًا أفلام زيتية أو طلاءات متخصصة لتجنب التداخل مع الاتصال الدوار).
- PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على فولاذ المحامل غير المقاوم للصدأ؛ للمرجع: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا المؤشر ينطبق فقط على الدرجات المقاومة للصدأ وبالتالي ليس له معنى بالنسبة لـ 52100/GCr15.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: الأفضل عندما تكون معالجة لينة (كربيدات كروية). في الحالة المعالجة، يكون هذا الفولاذ قابلًا للتشغيل بشكل معقول؛ يجب ضبط عمر أداة القطع والتغذية لمحتوى الكربون العالي ووجود الكربيد. في الحالات المصلبة، يكون التشغيل صعبًا؛ يُفضل الطحن والدوران الصلب.
- قابلية التشكيل: محدودة بسبب محتوى الكربون العالي؛ التشكيل البارد مقيد ويجب أخذ الارتداد في الاعتبار. التشكيل الدقيق يليه تبريد منضبط شائع للحلقات والأسطوانات.
- الطحن والتشطيب: تتطلب الصلابة العالية بعد معالجة الحرارة طحنًا دقيقًا؛ تحدد جودة السطح، والتحكم في الإجهاد المتبقي، والهيكل الدقيق عند السطح الخارجي عمر التعب في التطبيقات الدوارة.
8. التطبيقات النموذجية
| GCr15 (الاستخدامات الشائعة) | AISI 52100 (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| حلقات المحامل، كرات، أسطوانات (سيارات، صناعية) | مكونات المحامل (محامل عميقة، أسطوانية، دقيقة) |
| محاور ومحاور لمعدات دوارة | عناصر تآكل عالية الاتصال في مجموعات التروس والمحامل |
| مكونات دقيقة معالجة باردة حيث يفضل التوريد المحلي | عناصر دوارة عالية الدقة ومسارات المحامل المحددة وفقًا للمعايير الدولية |
| بعض أدوات العمل والقوالب الصغيرة حيث تتطلب صلابة عالية/مقاومة للتآكل | تطبيقات أدوات مماثلة وحيث يتم تحديد تتبع AISI/ASTM |
مبررات الاختيار: - اختر هذه الفولاذات لعمر التعب العالي ومقاومة التآكل تحت أحمال الاتصال الدوارة أو المنزلقة. إذا كانت بيئة التآكل أو متانة التأثير تتطلب متطلبات عالية، فكر في فولاذات بديلة أو علاجات سطحية متخصصة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: تعتمد على المنطقة. يتم إنتاج GCr15 (تسمية GB) بشكل شائع وتخزينه في الصين والأسواق القريبة ويمكن أن يكون أكثر اقتصادية عند التوريد محليًا. AISI 52100 هو التسمية الدولية/AISI وغالبًا ما يتم تخزينه من قبل المصانع والموزعين العالميين؛ تعتمد التكلفة المتساوية على سلسلة التوريد، والشكل (بار، حلقة، كتلة)، والشهادة.
- التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في شكل بار، حلقة، ومسبوكات. تنشأ الاختلافات النموذجية في أوقات التسليم من مخزونات المصانع المحلية، والشهادات اللازمة (تقارير اختبار المصنع، تتبع)، وشكل المنتج. تحديد المعيار المطلوب (GB مقابل AISI مقابل EN) وشكل التوريد مبكرًا في عملية الشراء يقلل من المخاطر.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | GCr15 | AISI 52100 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ضعيفة (تتطلب تسخين مسبق/PWHT) | ضعيفة (تتطلب تسخين مسبق/PWHT) |
| القوة – المتانة (القابلة للتحقيق) | صلابة عالية ومقاومة للتآكل؛ تعتمد المتانة على التصلب | خصائص قابلة للتحقيق مع معالجة حرارة متطابقة |
| التكلفة والتوافر الإقليمي | غالبًا ما تكون أكثر اقتصادية في الصين/آسيا؛ مخزنة على نطاق واسع محليًا | مخزنة على نطاق واسع دوليًا؛ مفضلة عند الحاجة إلى مواصفات AISI/ASTM |
الاستنتاجات والإرشادات العملية: - اختر AISI 52100 إذا كانت متطلبات الشراء أو العقد أو المواصفات الدولية تتطلب تسمية AISI/SAE أو إذا كنت بحاجة إلى شهادة المصنع لتلك المعايير. استخدم هذا عندما تكون التوافق مع المعايير الدولية للمحامل أو التسميات القديمة مطلوبًا. - اختر GCr15 إذا كنت تقوم بالتوريد في الصين أو المناطق التي تعتبر فيها معايير GB هي القاعدة وتحتاج إلى توريد محلي فعال من حيث التكلفة، بشرط أن تلبي التركيبة وشهادات المصنع احتياجات الأداء والتتبع الخاصة بك.
ملاحظة أخيرة: من منظور معدني ومن حيث الخصائص الخدمية، فإن الدرجتين متساويتان أساسًا عند مطابقتها للتركيب الكيميائي الدقيق وتعرضهما لنفس معالجة الحرارة المنضبطة. العوامل الحاسمة للتطبيق الناجح هي التحكم في معالجة الحرارة، وإدارة الشوائب والشوائب، وجودة السطح، والحماية المناسبة ضد التآكل — وليس التسمية وحدها.