GCr15 مقابل GCr18 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

GCr15 و GCr18 هما فولاذان عاليان الكربون مرتبطان ارتباطًا وثيقًا، يُستخدمان على نطاق واسع في المحامل وأجزاء التآكل والمكونات الدقيقة. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات عادةً بوزن المزايا والعيوب بين الصلابة القابلة للتحقيق، وقدرة التصلب العميق، ومقاومة التآكل، والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية: تحديد سباق المحامل حيث تكون مدة الحياة تحت التعب وصلابة السطح هي الأهم، اختيار عمود أو بكرة تتطلب تصلبًا أعمق، أو تحسين تكلفة الشراء مقابل عمر الخدمة.

التمييز المعدني الرئيسي بين هذين الصنفين هو زيادة مستوى الكروم في GCr18 مقارنةً بـ GCr15. إن تركيز الكروم الأعلى هذا يحول توازن السبائك نحو زيادة القدرة على التصلب وتكوين الكربيدات، مما يؤثر بدوره على استجابة المعالجة الحرارية، وسلوك التآكل، واعتبارات التصنيع. نظرًا لأن كلاهما فولاذان عاليان الكربون يحتويان على الكروم ومخصصان لتطبيقات مماثلة، غالبًا ما يتم مقارنتهما مباشرة في خيارات التصميم والتصنيع.

1. المعايير والتسميات

• المراجع الدولية الشائعة والمعادلات:
• GB (الصين): GCr15، GCr18 (درجات وطنية صينية تستخدم في المحامل وأجزاء التآكل).
• EN / ISO: 100Cr6 (EN) يتم تعادله عادةً مع GCr15/AISI 52100 في الممارسة العملية.
• JIS: SUJ2 يتم مقارنته عادةً مع GCr15.

• ASTM/ASME: لا يوجد تسمية ASTM عالمية واحدة لهذه الدرجات المحددة من GB، ولكن AISI 52100 هو النظير الشائع في الولايات المتحدة لـ GCr15.

• التصنيف:

• كلا من GCr15 و GCr18 هما فولاذان عاليان الكربون وغير مقاومين للصدأ (فولاذات سبائكية عالية الكربون تركز على مقاومة التآكل والتعب). ليست درجات مقاومة للصدأ، ولا هي فولاذات هيكلية منخفضة السبائك HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: التركيب النموذجي (نسبة مئوية، تقريبية؛ استشر المعيار المحدد أو شهادة المصنع للحدود الدقيقة)

عنصر	GCr15 (نموذجي)	GCr18 (نموذجي)
C	0.95–1.05	0.95–1.05
Mn	0.25–0.45	0.25–0.45
Si	0.17–0.37	0.17–0.37
P	≤0.025 (أقصى)	≤0.025 (أقصى)
S	≤0.025 (أقصى)	≤0.025 (أقصى)
Cr	1.40–1.65 (تقريبًا)	1.70–2.00 (تقريبًا؛ أعلى من GCr15)
Ni	≤0.30 (أثر)	≤0.30 (أثر)
Mo	≤0.10 (عادة غائب)	≤0.10 (عادة غائب)
V، Nb، Ti، B، N	شائبة أثر أو محكومة	شائبة أثر أو محكومة

ملاحظات: - القيم أعلاه هي نطاقات نموذجية تشير إلى الاستخدام في الممارسة الصناعية؛ تحقق دائمًا من شهادات اختبار المصنع أو المواصفات GB/T ذات الصلة. - التغيير الرئيسي في التركيب هو الزيادة المتعمدة في الكروم في GCr18 مقارنةً بـ GCr15؛ تبقى العناصر الأخرى قابلة للمقارنة وعادةً ما تكون منخفضة.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يوفر الكربون الأساس للقدرة على التصلب والصلابة المارتنسيتية القابلة للتحقيق؛ كلا الصنفين عاليان الكربون لدعم الصلابة العالية ومقاومة التآكل. - يزيد الكروم من القدرة على التصلب، والكربيدات (كربيدات الكروم)، ومقاومة التخمير. يحسن الكروم الأعلى من التصلب العميق ومقاومة التآكل، ويزيد من استقرار التخمير. - يعمل المنغنيز والسيليكون كعوامل إزالة الأكسدة ومساهمين معتدلين في القدرة على التصلب؛ ستؤثر العناصر السبائكية الأثرية أو الميكروسبائك (V، Nb) على تشتت الكربيدات الدقيقة إذا كانت موجودة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية واستجابات المعالجة الحرارية: - الحالة المعالجة / المتكورة: يتم تسليم كلا الصنفين عادةً أو معالجتهما إلى بنية كروية من البيرلايت أو كروية من الفريت + كربيد لتحسين قابلية التشغيل وقابلية التشكيل قبل المعالجة الحرارية النهائية. - الحالة المعالجة والمخمرة: تنتج المعالجة الحرارية مارتنسيت مخمر إلى الصلابة المطلوبة مع تشتت من الكربيدات الغنية بالكروم. تتأثر مورفولوجيا الكربيد ونسبة الحجم بمستوى الكروم؛ يميل GCr18 إلى تشكيل نسبة أعلى قليلاً من الكربيدات المستقرة وقد يظهر كربيدات كروم أكثر دقة أو عددًا أكبر عند المعالجات الحرارية المقارنة. - التطبيع: يستعيد بنية مجهرية دقيقة من البيرلايت/المخمرة قبل التشغيل النهائي أو التصلب؛ التأثير مشابه لكلا الصنفين. - تأثير الكروم الأعلى في GCr18: - زيادة القدرة على التصلب: يحقق GCr18 هياكل مارتنسيتية أعمق لنفس شدة التبريد أو يسمح بتبريد أقل شدة للوصول إلى صلابة مستهدفة، مما يحسن التوحيد في الأقسام الأكبر. - استقرار الكربيد/الحجم: يميل المزيد من الكروم إلى استقرار الكربيدات ويمكن أن يقلل من التليين عند درجة حرارة تخمير معينة، مما يحسن مقاومة التآكل ولكن يمكن أن يقلل من المتانة إذا زاد حجم الكربيد/استمراريته.

يمكن أن تستفيد المعالجة الحرارية الميكانيكية التي تنقي حجم حبيبات الأوستينيت السابقة وتشتت الكربيدات كلا الصنفين؛ يمنح الكروم الأعلى في GCr18 هامشًا أكبر للتصلب العميق في الأقسام الأكثر سمكًا.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: السلوك الميكانيكي المقارن (نوعي، يعتمد على المعالجة الحرارية وحجم القسم)

خاصية	GCr15	GCr18
قوة الشد (المعالجة)	عالية؛ نطاق فولاذ المحامل النموذجي	مماثلة أو أعلى قليلاً (بسبب زيادة القدرة على التصلب)
قوة العائد	عالية (تعتمد على المعالجة الحرارية)	مماثلة أو أعلى قليلاً في الأقسام الأكثر عمقًا
التمدد (المرونة)	منخفض إلى معتدل بعد التصلب	مماثلة أو منخفضة قليلاً إذا زادت نسبة الكربيد
صلابة التأثير	بشكل عام أفضل في الظروف المقارنة (أكثر تسامحًا قليلاً)	أقل قليلاً عند الصلابة المعادلة إذا زادت نسبة الكربيد
الصلابة (المعالجة/المخمرة)	يمكن أن تصل إلى صلابة المحامل النموذجية (عالية جدًا)	صلابة ذروة قابلة للمقارنة؛ أسهل لتحقيقها عبر السماكة

التفسير: - تم تصميم كلا الصنفين لتحقيق صلابة عالية ومقاومة للتعب. يحسن محتوى الكروم الأعلى في GCr18 من التصلب العميق واستقرار التخمير، مما يمكّن من تحقيق قوة شد مماثلة أو أعلى قليلاً للمكونات الأكثر سمكًا أو تحت أنظمة تبريد أكثر اعتدالًا. ومع ذلك، يمكن أن يقلل زيادة محتوى الكربيد من متانة الشقوق والمرونة قليلاً، لذا يجب على المصممين تحقيق توازن بين الصلابة والمتانة بناءً على التطبيق.

5. قابلية اللحام

اعتبارات قابلية اللحام: - يحد محتوى الكربون العالي في كلا الصنفين من قابلية اللحام؛ يتطلب عادةً تسخينًا مسبقًا، ودرجة حرارة تحكم بين الطبقات، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) لتجنب التشقق البارد والمارتنسيت الهش في المناطق المتأثرة بالحرارة. - تزيد القدرة على التصلب (من الكروم الأعلى) في GCr18 من خطر تشكيل بنى مجهرية هشة وصعبة في منطقة التأثير الحراري بعد اللحام، مما يتطلب إجراءات لحام أكثر تحفظًا من GCr15 في بعض الحالات.

صيغ معادلة الكربون المفيدة (تفسير نوعي — لا تحل محل تأهيل الإجراءات): - معادلة الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm الدولي لتقييم 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: - كلا الصنفين ينتجان قيمًا عالية من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ مقارنةً بالفولاذ الهيكلي منخفض الكربون؛ يزيد الكروم الأعلى في GCr18 من هذه المؤشرات بشكل معتدل، مما يشير إلى ميل أعلى قليلاً لتصلب منطقة التأثير الحراري والتشقق إذا تم اللحام دون ضوابط. - التوصية العملية: تقليل اللحام على الأسطح الحرجة للمحامل؛ إذا كان اللحام لا مفر منه، استخدم تسخينًا مسبقًا مؤهلاً، ومواد استهلاكية بمطابقة التركيب، وهندسة شق ضيقة، وPWHT لتخمير منطقة التأثير الحراري.

6. التآكل وحماية السطح

• لا GCr15 ولا GCr18 مقاومان للصدأ؛ مقاومة التآكل محدودة وتعتمد إلى حد كبير على تشطيب السطح، والزيوت، والضوابط البيئية.
• الأساليب الوقائية القياسية: تزييت بالزيت أو الشحم للمحامل، فوسفاتة لمقاومة التآكل قبل الطلاء، جلفنة بالغمس الساخن أو الطلاء للمكونات الهيكلية/التآكل حيثما كان ذلك مناسبًا.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) هو مؤشر فولاذ مقاوم للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا المؤشر غير قابل للتطبيق على GCr15/GCr18 لأنها ليست سبائك مقاومة للصدأ (غير كافية من الكروم وعمليًا لا توجد مو/ن لتوفير تشكيل فيلم غير نشط).

ملاحظة عملية: يمنح الكروم الأعلى قليلاً في GCr18 مقاومة تآكل أفضل قليلاً من الناحية الكيميائية البحتة، لكن الفرق صغير وغير ذي صلة للبيئات التي تتطلب مقاومة حقيقية للتآكل — مثل هذه التطبيقات تحتاج إلى فولاذ مقاوم للصدأ أو طلاءات سطحية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• كلا الصنفين صعبان في التشغيل في الحالة المعالجة؛ يتم عادةً إجراء التشغيل في الحالة المعالجة أو المتكورة لحماية عمر الأدوات ودقة الأبعاد.
• قد يقدم GCr18 تآكلًا أعلى قليلاً على أدوات القطع بسبب زيادة محتوى الكربيد؛ يجب اختيار مادة الأداة وظروف القطع وفقًا لذلك (أدوات كربيد، سائل تبريد، تغذية/سرعة مناسبة).
• قابلية التشكيل:
• يقلل محتوى الكربون العالي من المرونة في الحالة المعالجة؛ التشكيل البارد محدود وعادةً ما يتطلب التسخين أولاً.
• لعمليات الانحناء والتشكيل، يكون التسخين الكامل أو التسخين المتكوري هو المعيار لتجنب التشقق.
• تشطيب السطح:
• عمليات الطحن والتشطيب لأسطح المحامل هي المعيار؛ قد يزيد الكروم الأعلى من تآكل العجلات ولكنه يدعم أيضًا مقاومة تآكل أفضل للجزء النهائي.

8. التطبيقات النموذجية

GCr15 (الاستخدامات النموذجية)	GCr18 (الاستخدامات النموذجية)
محامل كروية ودائرية دقيقة (سباقات، كرات)	محامل وبكرات حيث تحتاج إلى تصلب أعمق أو مقاومة تآكل محسنة قليلاً
أعمدة ومحاور لأدوات الآلات	بكرات ذات مقاطع أثقل، أعمدة وحلقات تآكل تتطلب تصلبًا عميقًا
حلقات تآكل، محامل، كامات (حيث تتطلب صلابة سطح عالية)	مكونات تعمل تحت ضغوط تماس أعلى أو مقاطع عرضية أكبر
مكونات دقيقة معالجة تتطلب عمر تعب عالي	تطبيقات تستفيد من مقاومة تخمير محسنة أو زيادة طفيفة في محتوى الكربيد

مبررات الاختيار: - اختر GCr15 عندما تكون أداء فولاذ المحامل القياسي، والتوافر الواسع، وطرق المعالجة المثبتة هي الاعتبارات الرئيسية. - اختر GCr18 عندما تجعل سمك القسم أو الهندسة التصلب العميق صعبًا لـ GCr15 أو عندما يكون تحسين معتدل في مقاومة التخمير/أداء التآكل مرغوبًا ويكون التنازل الطفيف في المتانة مقبولًا.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما يكون GCr18 أغلى قليلاً من GCr15 بسبب محتوى الكروم الأعلى والطلب الأكثر تخصصًا. يختلف فرق السعر مع أسعار سوق العناصر السبائكية وممارسات الموردين.
• التوافر: GCr15 شائع للغاية ومتوفر على نطاق واسع في أشكال القضبان، والحلقات، ومنتجات المحامل النهائية. GCr18 متاح ولكن أقل انتشارًا — قد يتم تخزينه من قبل الموردين المتخصصين أو إنتاجه حسب الطلب للمكونات الأكثر ثقلًا أو عالية الأداء.
• أشكال المنتجات: كلا الصنفين متاحان كقضبان مدرفلة على الساخن ومجذوبة على البارد، وحلقات، وقوالب مطروقة؛ أجزاء المحامل النهائية هي سلسلة إمداد ناضجة لـ GCr15.

10. الملخص والتوصية

جدول: ملخص سريع

السمة	GCr15	GCr18
قابلية اللحام	صعبة (كربون عالي)؛ أفضل من GCr18 في نفس الظروف	أسوأ قليلاً بسبب زيادة القدرة على التصلب
توازن القوة–المتانة	توازن جيد للعديد من تطبيقات المحامل	قوة أعلى قليلاً/تصلب عميق بتكلفة متانة أقل قليلاً
التكلفة	أقل / متاحة على نطاق واسع	أعلى / أقل شيوعًا

التوصيات: - اختر GCr15 إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ محامل مثبت مع طرق معالجة ناضجة وتوافر واسع للموردين. - كان المكون رقيقًا نسبيًا أو يمكن تبريده بشكل قوي بحيث لا يكون التصلب العميق مقيدًا. - كانت التكلفة والإمداد القياسي هما القيود الرئيسية.

• اختر GCr18 إذا:
• جعل حجم القسم، أو التصميم، أو قيود التبريد التصلب العميق مرغوبًا لضمان خصائص متسقة عبر السماكة.
• تستفيد التطبيق من مقاومة تخمير محسنة أو زيادة طفيفة في مقاومة التآكل ويقبل التصميم تقليلًا طفيفًا في متانة الشقوق.
• تقبل زيادة طفيفة في التكلفة ووقت تسليم أطول محتمل للإمداد المتخصص.

ملاحظة نهائية: تتطلب كلا الصنفين تحديدًا دقيقًا للمعالجة الحرارية، وتشطيب السطح، وأنظمة التزييت لتحقيق أداء التعب والتآكل. بالنسبة للمحامل الحرجة أو المكونات الدوارة عالية الموثوقية، اعمل مع موردي المواد ومتخصصي المعالجة الحرارية لإنتاج وتأهيل الحالة الدقيقة (ملف الصلابة، البنية المجهرية، الضغوط المتبقية) المطلوبة من قبل التطبيق.