GCr15 مقابل SUJ2 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

GCr15 و SUJ2 هما نوعان من الفولاذ المستخدم على نطاق واسع في محامل الكروم عالية الكربون، المحددة بموجب معايير وطنية مختلفة. غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات خيارًا بينهما عند تحديد المحامل ذات العناصر المتدحرجة، والأعمدة، أو مكونات التآكل حيث تكون قوة التعب الناتجة عن الاتصال العالية والثبات الأبعاد مطلوبة. تشمل المقايضات النموذجية في الاختيار التكلفة والتوافر المحلي مقابل تتبع المواصفات والاختلافات الطفيفة في النطاقات الكيميائية أو تاريخ المعالجة الذي يمكن أن يؤثر على النظافة، وتحمل إزالة الكربون، والمعالجة الحرارية الموصى بها.

الفرق العملي المركزي هو أن GCr15 و SUJ2 هما فولاذا محامل مكافئان اسميًا في المعايير الصينية واليابانية، على التوالي، لكن تركيباتهما القياسية، والتسامحات المسموح بها، وممارسات الإنتاج/مراقبة الجودة النموذجية تختلف بما يكفي بحيث لا يمكن استبدالهما بشكل صارم دون تحقق. لهذا السبب يقارن المصممون بينهما: حيث يوفران أداءً قابلاً للمقارنة للمحامل ولكن يمكن أن يختلفا في حدود الكبريت/الفوسفور، ونوافذ الكروم والسيليكون، وفي كيفية تحكم الموردين في النظافة الدقيقة والمعالجة الحرارية.

1. المعايير والتسميات

• GCr15: معيار صيني GB/T (عادةً GB/T 18254 لتسميات فولاذ المحامل). مكافئ عمليًا لـ AISI/SAE 52100 في العديد من التطبيقات، لكنه محدد ضمن إطار GB.
• SUJ2: معيار ياباني JIS G4805 (SUJ2 هو التسمية JIS لفولاذ المحامل عالي الكربون والكروم). يعتبر أيضًا نظيرًا لـ AISI/SAE 52100.
• AISI/SAE 52100: غالبًا ما يتم الإشارة إليه في سلاسل الإمداد الدولية باعتباره التسمية الأمريكية لنفس فئة المواد الوظيفية.

تصنيف المواد: كل من GCr15 و SUJ2 هما فولاذا محامل عالي الكربون، مخلوط بالكروم - تقنيًا فولاذا عالي الكربون مخصص لتطبيقات المحامل (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس HSLA، وليس فولاذ أدوات بالمعنى التقليدي).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: نطاقات التركيب القياسية النموذجية (wt%). ملاحظة: النطاقات هي تلك المحددة عادةً في المعايير الوطنية؛ الحدود الدقيقة تختلف حسب المراجعة ومواصفات الشراء. استشر المعيار الحالي أو شهادة المورد للحصول على كيمياء المصنع.

عنصر	GCr15 (نطاق GB النموذجي)	SUJ2 (نطاق JIS النموذجي)
C	0.95 – 1.05	0.95 – 1.03
Mn	0.25 – 0.45	0.25 – 0.45
Si	0.17 – 0.37	0.15 – 0.35
P	≤ 0.035 (أقصى)	≤ 0.035 (أقصى)
S	≤ 0.035 (أقصى)	≤ 0.035 (أقصى)
Cr	1.40 – 1.65	1.30 – 1.60
Ni	≤ 0.30 (أثر)	≤ 0.30 (أثر)
Mo	≤ 0.10 (أثر)	≤ 0.10 (أثر)
V, Nb, Ti, B, N	عادةً ≤ أثر (غير محدد كسبائك)	عادةً ≤ أثر (غير محدد كسبائك)

كيف تؤثر السبائك على الخصائص - الكربون (C): العنصر الرئيسي في القدرة على التصلب وتكوين الكربيدات؛ يسمح الكربون العالي بصلابة عالية عند التصلب ومقاومة التعب الناتج عن الاتصال ولكنه يقلل من قابلية اللحام وقابلية التشكيل البارد. - الكروم (Cr): يعزز القدرة على التصلب ويشكل كربيدات الكروم لمقاومة التآكل وأداء التعب الناتج عن الاتصال الدوار. - المنغنيز والسيليكون (Mn، Si): إزالة الأكسدة والقوة؛ تساهم بشكل معتدل في القدرة على التصلب. - S و P: الشوائب - يمكن أن تحسن المستويات الأعلى من قابلية التشغيل ولكن تقلل من مقاومة التعب والصلابة. تحدد المعايير S و P لفولاذ المحامل لحماية عمر التعب.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة الملدنة: كربيدات لؤلؤية أو كروية في مصفوفة حديدية لتمكين التشغيل/التشكيل. - بعد التبريد والتخمير (معالجة حرارية للمحامل): مارتنسيت مخفف مع كربيدات كروم موزعة؛ يعتمد حجم الكربيد الدقيق، والتوزيع، ومحتوى الأوستينيت المحتفظ به بشكل كبير على معدلات التسخين، وشدة التبريد، ودرجة حرارة التخمير.

طرق المعالجة والتأثيرات: - التطبيع: ينقي حجم حبيبات الأوستينيت السابقة؛ مفيد قبل التبريد النهائي لتحسين الصلابة بشكل طفيف. - التبريد والتخمير: الطريق القياسي لتحقيق صلابة عالية وعمر تعب الناتج عن الاتصال الدوار. العلاجات النموذجية: الأوستينيت في النطاق المناسب للتركيبة (تحكم دقيق لتجنب نمو الحبيبات المفرط) يتبعه تبريد بالزيت أو البوليمر للحصول على بنية مارتنسيتية، ثم تخمير لتحقيق توازن الصلابة/الصلابة المستهدفة. - التصلب بالحث أو التصلب السطحي: للمكونات التي تحتاج إلى سطح صلب ونواة قوية، لكن لاحظ أن GCr15/SUJ2 هما درجات تصلب كاملة من خلال الكيمياء؛ يستخدم التصلب بالحث عادةً لصلابة السطح المحلية. - المعالجات الحرارية الميكانيكية: يمكن تحقيق حبيبات دقيقة وتوزيع كربيد محكم مع الدرفلة الحديثة المتحكم بها والتبريد المسرع؛ قد تؤثر الاختلافات في ممارسات المطاحن بين الموردين على النظافة الدقيقة وشكل الشوائب.

الاختلافات بين GCr15 و SUJ2 في استجابة البنية المجهرية دقيقة وتنشأ أساسًا من اختلافات طفيفة في نافذة التركيب وممارسات المعالجة الحرارية للموردين بدلاً من أنظمة السبائك المختلفة جذريًا.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: الخصائص النموذجية (نطاقات تمثيلية بعد المعالجات الحرارية النموذجية). القيم إرشادية؛ تعتمد الخصائص الفعلية على الكيمياء الدقيقة، والدورة الحرارية، وهندسة الجزء، والتبريد/التخمير.

الخاصية	GCr15 (نموذجي، تم تبريده وتخميره / صلب بالكامل)	SUJ2 (نموذجي، تم تبريده وتخميره / صلب بالكامل)
قوة الشد (ميغاباسكال)	~1200 – 2100	~1200 – 2100
قوة الخضوع (ميغاباسكال)	لا يتم تحديدها دائمًا في الحالة الصلبة؛ عادةً ما تكون عالية وتعتمد على حالة المادة	مماثلة لـ GCr15
التمدد (A%)	~4 – 18 (اعتمادًا على الصلابة والتخمير)	~4 – 18 (اعتمادًا على الصلابة والتخمير)
صلابة التأثير (شاربي)	منخفضة إلى معتدلة عند التصلب؛ تتحسن مع التخمير	قابلة للمقارنة مع GCr15؛ تؤثر معالجة المورد على النتيجة
الصلابة (HRC)	نطاق صلابة المحامل الشائعة 58 – 65 HRC (سطحي/كامل)	نطاق صلابة المحامل الشائعة 58 – 65 HRC

التفسير - القوة والصلابة: تم تصميم كلا الدرجتين للوصول إلى صلابة عالية وقوة تعب الناتج عن الاتصال عند المعالجة الحرارية المناسبة؛ نطاقات الشد/الصلابة الاسمية متشابهة. - الصلابة/المرونة: كلاهما يظهران صلابة منخفضة عند الصلابة العالية؛ ستحسن التخمير إلى HRC أقل من الصلابة على حساب بعض مقاومة التعب الناتج عن الاتصال. - أي اختلافات صغيرة ملحوظة في الخصائص الميكانيكية بين GCr15 و SUJ2 تنشأ عادةً من اختلافات في محتوى الكربون أو الكروم الدقيق، ونظافة الشوائب، وممارسات المعالجة الحرارية للموردين بدلاً من اختلافات كيميائية جذرية في السبائك.

5. قابلية اللحام

تجعل نسبة الكربون العالية ومحتوى السبائك كلا الدرجتين تحديًا في اللحام في الحالة المبرّدة. اعتبارات اللحام الرئيسية: - مستوى الكربون: يزيد الكربون العالي من خطر وجود مارتنسيت صلب وهش في منطقة التأثير الحراري (HAZ) بعد اللحام، مما يزيد من قابلية التشقق البارد. - القدرة على التصلب: يزيد الكروم والمنغنيز من القدرة على التصلب؛ كلما زاد التأثير المشترك، زادت الحاجة إلى التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام.

صيغ صناعية مفيدة للتقييم النوعي: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (ميل التشقق اللحامي): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - سيظهر كل من GCr15 و SUJ2 مستوى مرتفع نسبيًا من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ بسبب محتواهما من الكربون والكروم، مما يشير إلى قابلية لحام محدودة دون ضوابط. - أفضل الممارسات: اللحام في الحالة الملدنة حيثما أمكن، استخدام التسخين المسبق لتجنب التبريد السريع إلى المارتنسيت، تحديد إدخال الحرارة للتحكم في عرض منطقة التأثير الحراري، وتطبيق PWHT (المعالجة الحرارية بعد اللحام) عند الإمكان. بالنسبة للأسطح الحرجة للمحامل، يُفضل الانضمام الميكانيكي أو استبدال التصميم الملحوم بخيارات انضمام أو تشغيل بديلة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا GCr15 ولا SUJ2 مقاومان للصدأ. محتوى الكروم (~1.3–1.6%) غير كافٍ لتوفير سلوك مقاوم للصدأ.
• طرق الحماية القياسية: الطلاء، التزييت، الطلاءات الوقائية من الصدأ، والتغليف للأجزاء التي تتطلب مقاومة للتآكل. لاحظ أن التغليف وبعض الطلاءات يمكن أن تؤثر على التسامحات الأبعاد والمعالجات السطحية؛ قد تكون هناك حاجة للطحن أو التلميع بعد الطلاء للأسطح الحرجة للمحامل.
• PREN غير قابل للتطبيق: صيغة PREN $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ تكون ذات صلة فقط بالفولاذ المقاوم للصدأ وليست ذات معنى لفولاذ المحامل عالي الكربون مثل GCr15 أو SUJ2.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: الأفضل في الظروف الملدنة/الكروية؛ يمكن تشغيل كلاهما بسهولة عند الملدنة. تتطلب الظروف الصلبة الطحن أو التلميع أو التشغيل الكاشط؛ يكون التحويل التقليدي للأسطح الصلبة محدودًا.
• قابلية التشكيل: مرونة منخفضة في الحالة الصلبة؛ يجب أن تتم عمليات التشكيل قبل التصلب النهائي. يمكن تشكيل المخزون الملدن باردًا ولكن يجب مراعاة الارتداد والأبعاد النهائية المطلوبة.
• إنهاء السطح: تتطلب تطبيقات المحامل غالبًا الطحن، والتشطيب الفائق، أو التلميع لتحقيق الخشونة الهندسية المطلوبة - تستجيب كلا الدرجتين بشكل مشابه إذا كانت البنية المجهرية وحجم الشوائب متشابهين.
• قد تؤثر اختلافات الموردين في النظافة وشكل الشوائب على كفاءة التلميع/التشطيب وأداء التشغيل.

8. التطبيقات النموذجية

استخدامات GCr15	استخدامات SUJ2
محامل دوارة (عدة أنواع) مصنعة في الصين والأسواق الإقليمية	محامل دوارة مصنعة في اليابان والأسواق التصديرية وفقًا لمواصفات JIS
حلقات المحامل، كرات، بكرات، أعمدة لأدوات الآلات، والمعدات الصناعية والسيارات	حلقات المحامل، كرات، بكرات، أعمدة دقيقة ومكونات حيث يتطلب الأمر تتبع JIS
مكونات دقيقة تتطلب عمر تعب اتصال عالي حيث يكون التوريد المحلي لـ GCr15 اقتصاديًا	مكونات دقيقة تتطلب شهادة JIS، دورات معالجة حرارية موثقة، أو عندما يحدد العملاء SUJ2 بشكل صريح

مبررات الاختيار - اختر بناءً على المواصفات المطلوبة من العميل أو المشروع الدولي: إذا كانت الرسومات أو مستندات الشراء تشير إلى SUJ2 أو GCr15 بشكل محدد، التزم بالمعيار المحدد. - بالنسبة للتآكل وعمر الاتصال الدوار، كلاهما يؤديان بشكل مشابه إذا كانت الكيمياء والمعالجة الحرارية متكافئة. بالنسبة للمكونات الحرجة أو ذات القيمة العالية، اطلب شهادات المطحنة، وتحليل الشوائب، وسجلات المعالجة الحرارية.

9. التكلفة والتوافر

• التوافر: يتم إنتاج GCr15 على نطاق واسع في الصين ومتاحة بسهولة في الأسواق المحلية والإقليمية. يتم إنتاج SUJ2 تحت رقابة JIS وهو شائع في سلاسل الإمداد اليابانية وبعض سلاسل الإمداد الدولية. AISI/SAE 52100 متاحة عادةً في أمريكا الشمالية وعلى مستوى العالم.
• التكلفة: تعتمد التكلفة النسبية على الإنتاج الإقليمي واقتصاديات الحجم. قد يكون GCr15 أكثر تنافسية من حيث التكلفة في الأسواق التي تتمتع بإنتاج صيني قوي؛ قد يطلب SUJ2 سعرًا أعلى حيث يتطلب الأمر تتبع JIS، أو معالجة حرارية محددة، أو توثيق.
• أشكال المنتجات: كلاهما متاح كأشرطة، حلقات، قوالب مطروقة، وأجزاء نهائية. يمكن أن تختلف أوقات التسليم وكميات الطلب الدنيا حسب المورد والشكل.

10. الملخص والتوصية

جدول: مقارنة سريعة (نوعية)

المعيار	GCr15	SUJ2
قابلية اللحام	ضعيفة (كربون عالي)	ضعيفة (كربون عالي)
القوة - الصلابة (صلب)	قوة عالية، صلابة أقل عند HRC عالية	قابلة للمقارنة مع GCr15
التكلفة (إقليمية نموذجية)	غالبًا أقل في الصين/الأسواق الإقليمية	غالبًا أعلى حيث تتطلب شهادة JIS
التوافر (إقليمي)	ممتاز في الصين	ممتاز في اليابان / سلاسل إمداد JIS

الخاتمة والتوصية العملية - اختر GCr15 إذا كنت تستورد مكونات في الصين أو المناطق المجاورة وكانت التكلفة فعالة أولوية، بشرط أن يقبل المشتري توثيق معيار GB. GCr15 مناسب عندما يتطلب التصميم فولاذ محامل عالي الكربون والكروم وأن يكون التوريد المحلي والسعر ووقت التسليم عوامل مهمة. - اختر SUJ2 إذا كانت المواصفة تتطلب تسمية مادة JIS، أو تتبع المورد بشكل أكثر دقة، أو إذا كان المستخدم النهائي يفرض صراحة SUJ2. قد يكون SUJ2 مفضلًا عندما يتطلب نظام الشراء أو الجودة شهادات JIS، أو عندما يستخدم تاريخ التوريد السابق SUJ2 ويجب تجنب التبادل.

ملاحظة نهائية: بالنسبة لمكونات المحامل الحرجة، حدد دائمًا نطاق الصلابة المطلوب، وإجراءات المعالجة الحرارية، وتشطيب السطح، وحدود إزالة الكربون، والشهادات المطلوبة من المطحنة/المعالجة الحرارية. بينما يعتبر GCr15 و SUJ2 مكافئين وظيفيًا في العديد من تطبيقات المحامل، يجب التحقق من إمكانية التبادل من خلال شهادات التحليل والاختبارات الميكانيكية التمثيلية أو تأهيل المورد.