H13 مقابل SKD61 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

H13 (التعيين حسب AISI/ASTM) و SKD61 (التعيين حسب JIS) هما من أكثر درجات فولاذ أدوات العمل الساخن المُحددة شيوعًا على مستوى العالم. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا الاختيار بينهما عند تحديد المواصفات للقوالب والخبّطات وأدوات التشكيل الساخن — وتشمل الاعتبارات عادة مقاومة الحرارة، عمر التآكل، قابلية اللحام، والتوافق مع سلسلة التوريد. غالبًا ما يختزل قرار الاختيار إلى ما إذا كان ينبغي إعطاء الأولوية لمواءمة المواصفات والمعايير (التي تؤثر على شهادات التفتيش والتفاوتات البُعدية ومعايير القبول) مقابل كيمياء المادة وممارسات المعالجة الحرارية التي تتحكم في الأداء أثناء الاستخدام.

كلا الدرجتين متشابهتان كيميائيًا ومعدنيًا جدًا؛ الاختلاف العملي الأساسي يكمن في المعايير، التفاوتات المسموح بها، ومتطلبات حالة التسليم. وبما أنهما يتخذان نفس استراتيجية السبائك (فولاذ أدوات عمل ساخن Cr–Mo–V)، غالبًا ما يكونان قابلين للتبادل في الوظيفة، لكن ليس دائمًا قابلين للتبادل من حيث الوثائق في العقود المنظمة أو حيث يتطلب الأمر التتبُّع وشهادات مطابقة لمعيار معين.

1. المعايير والتسميات

• H13: التسميات والمعايير الشائعة تشمل AISI H13، SAE J431 (تاريخي)، ASTM A681 (قضبان فولاذ أدوات)، ومعايير AMS (لمواد الطيران)، والعديد من المعادلات EN/ISO (يُشار إليها غالبًا كـ X40CrMoV5-1 / 1.2344 حسب المواصفة الدقيقة وحالة التسليم).
• SKD61: معيار JIS G4404 (SKD61) هو التعيين الصناعي الياباني. وغالبًا ما تقارن المواد المكافئة بها وفق درجات فولاذ الأدوات AISI H13 أو DIN/EN، ولكن التفاصيل قد تختلف حسب المصنع والمواصفة.
• التصنيف: كلا الدرجتين H13 و SKD61 هما فولاذ أدوات عمل ساخن (فولاذ سبائكي/أدوات)، وليسا فولاذًا مقاومًا للصدأ، ولا فولاذًا عالي القوة منخفض السبيكة (HSLA).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

العنصر	النطاق النموذجي H13 (wt%)	النطاق النموذجي SKD61 (wt%)
C	0.32–0.45	0.32–0.45
Mn	0.20–0.60	0.20–0.50
Si	0.80–1.20	0.70–1.20
P	≤0.03 (آثار)	≤0.03 (آثار)
S	≤0.03 (آثار)	≤0.03 (آثار)
Cr	4.75–5.50	4.75–5.50
Ni	≤0.30	≤0.30
Mo	1.10–1.75	1.10–1.50
V	0.80–1.20	0.80–1.20
Nb, Ti, B, N	≤آثار	≤آثار

ملاحظات: - النطاقات تمثل الحدود التجارية النموذجية؛ قد يختلف التركيب الدقيق حسب المعيار والمصنع. يستخدم كل من SKD61 و H13 نفس استراتيجية السبائك: كربون متوسط لزيادة الصلادة ومقاومة التآكل، نسبة كروم كبيرة لمقاومة التلدين والأكسدة، الموليبدينوم والفاناديوم للتلدين الثانوي، القوة عند درجات الحرارة المرتفعة، وتشتت الكربيدات لمقاومة التآكل. - الاختلافات الطفيفة بين المعايير تظهر غالبًا في حدود الشوائب، العناصر النزرة، ونوافذ التركيب المسموح بها أكثر منها في النهج الأساسي للسبائكة.

تأثير السبائكة على الخواص: - الكربون يتحكم في الصلادة ومقاومة التآكل الممكن تحقيقها لكنه يزيد قابلية التلدين وخطر التشقق. - الكروم يوفر قابلية التلدين، القوة عند درجة حرارة مرتفعة، ومقاومة الأكسدة. - الموليبدينوم يحسن مقاومة التلدين والتلدين الثانوي. - الفاناديوم يشكّل كربيدات مستقرة تعزز مقاومة التآكل وتنقي حبيبات المعدن مما يحسن المتانة. - السيليكون والمنغنيز مزيلان للأكسجين ويساهمان في القوة؛ لكن زيادات المنغنيز تقلل من المتانة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة المعالجة حراريًا بالتمهيد أو التماثل: مارتنسيت معتدل أو هياكل بينيتية/لآلئ حسب نوع التبريد؛ تحتوي البنى المعالجة حراريًا الناعمة على كربيدات موزعة ضمن الفريت/اللآلئ لتحسين قابلية التشغيل. - بعد دورات التصلب والتقسية الاعتيادية: مصفوفة مارتنسيت معتدلة مع كربيدات كروم/موليبدينوم/فاناديوم موزعة تزوّد الخامة بقوة عالية وصلادة حرارية مرتفعة. ينتج التلدين الثانوي من Mo و V صلادة متزايدة بعد التلدين عند درجات حرارة مرتفعة النموذجية لفولاذ الأدوات الساخنة. - تطور SKD61 و H13 نفس المكونات المجهرية بشكل جوهري تحت دورات المعالجة الحرارية المتكافئة.

طرق المعالجة الحرارية وتأثيراتها: - التماثل: ينقي حجم حبيبات الأوستنيت السابقة ويُ homogenizes البنية; يُنصح به قبل التشغيل الخشن للأقسام الكبيرة. - التصلب (تسخين للأوستنيت والتبريد): يتم التسخين عادة في النطاق 1000–1050 °C (تعتمد درجة الحرارة الدقيقة على المواصفة)، يتبع ذلك تبريد زيت أو هواء حسب حجم القطعة والمتانة المطلوبة. ينتج عن ذلك مارتنسيت وأوستنيت متبقٍ. - التلدين: تستخدم دورات تلدين متعددة (غالبًا 2–3) لتقليل الإجهادات المتبقية وتطوير الصلادة المطلوبة مع تعزيز التلدين الثانوي (بسبب كربيدات Mo و V). درجات حرارة التلدين الأعلى تخفض الصلادة لكنها تحسن المتانة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (للشغلات والخبّطات الكبيرة): درجات حرارة تزوير محكومة وعمليات تمهيد تحت حرارية تقلل التجانس وتعزز الكربيدات، مما يحسن المتانة وعمر التعب.

4. الخواص الميكانيكية

الخاصية	H13 نموذجي (مُقسى ومُلدن)	SKD61 نموذجي (مُقسى ومُلدن)
مقاومة الشد	~1000–1800 MPa (حسب التلدين)	~1000–1800 MPa (نطاق مشابه)
مقاومة الخضوع	~800–1500 MPa	~800–1500 MPa
الاستطالة (A%)	~5–12%	~5–12%
متانة الصدمة (Charpy V)	~15–45 J (حسب الصلادة والتلدين)	~15–45 J (مقارنة)
الصلادة (HRC)	~40–52 HRC (نطاق تشغيلي نموذجي)	~40–52 HRC

تفسير: - تظهر كلتا الدرجتين ملفات قوة ومتانة متشابهة لأنهما تشتركان في نفس العناصر السبيكية الأساسية. يتم التحكم بالتوازن بين القوة والمتانة بشكل رئيسي عبر محتوى الكربون وممارسة التلدين أكثر من التعيين H13 مقابل SKD61. - تعزز المتانة بمعالجة التماثل والتلدين بعناية، بالإضافة إلى تقليل سمك القطعة، وممارسة المعالجة الحرارية المناسبة. - الفرق العملي نادرًا ما يكون في الخواص الميكانيكية الجوهرية، بل في شروط التسليم المضمونة وتعليمات المعالجة الحرارية ومعايير القبول حسب المعيار المختار.

5. قابلية اللحام

الاعتبارات المتعلقة باللحام لكلا الدرجتين: - تُستخدم مؤشرات التكافؤ الكربوني وتركيبية التكافؤ لتقييم خطر حدوث تشقق بارد ومتطلبات التسخين المسبق/اللاحق. تشمل الصيغ التجريبية الشائعة:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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: يمتلك كل من H13 و SKD61 كربون معتدلًا وسبائكات مهمة (Cr, Mo, V) التي ترفع من CE و$P_{cm}$. وهذا يعني:
• عادة ما يكون التسخين المسبق ودرجة حرارة مرور اللحام المُتحكم بها ضروريين لتجنب التشقق البارد الناجم عن الهيدروجين.
• قد يكون من الضروري معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) أو التلدين لاستعادة المتانة وتقليل الإجهادات المتبقية في الأجزاء الهامة للخدمة.
• يجب اختيار مواد الحشو اللحامي لتتوافق مع التركيب الكيميائي وتأخذ في الاعتبار الكربيدات وميل التلدين الثانوي.
• إرشادات عملية: اللحام ممكن بالإجراءات المناسبة (مواد لحام منخفضة الهيدروجين، تسخين مسبق، تبريد بطيء)، لكن عمليات إصلاح لحام أدوات العمل الساخن التي تحت ضغط عالي تتطلب مراقبة معدنية ودورات تلدين لاحقة.

6. مقاومة التآكل والحماية السطحية

• كلا المادتين H13 و SKD61 هما فولاذ أدوات غير مقاوم للصدأ؛ لا توفر مقاومة تآكل ملحوظة مقارنة بدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ. تتحمل الأكسدة والتقشر عند درجات حرارة مرتفعة أفضل من الفولاذ الكربوني البسيط بفضل محتوى الكروم، لكنها ليست مقاومة للتآكل في البيئات الرطبة أو الكيميائية العدوانية.
• استراتيجيات الحماية السطحية الشائعة:
• طلاءات حماية (PVD/CVD) لتحسين مقاومة التآكل والتآكل الطفيف.
• نترينج السطح أو كربونتريينج لزيادة صلادة السطح وتحسين مقاومة التعب والتآكل (يجب مراعاة الإجهادات المتبقية والتشوه).
• الدهانات، الطلاءات الإيبوكسية، أو التغطية بالزنك للتطبيقات غير المرتفعة الحرارة (لا يُنصح بالتغطية بالزنك لسطوح القوالب العالية الحرارة).
• صيغة PREN لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ غير قابلة للتطبيق على H13/SKD61، ولكن لمزيد من الإلمام الصيغة هي:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

يستخدم PREN فقط لتقييم مقاومة التشكل أو الترقق في الفولاذ المقاوم للصدأ؛ وهو غير صالح لفولاذ أدوات العمل الساخن.

7. التصنيع، قابلية التشغيل وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: في الحالة المعالجة بالتمهيد (annealed) كلا الفولاذين يعملان بشكل معقول؛ زيادة الصلادة ومحتوى الكربيدات تزيد من تآكل الأدوات في الحالة المعالجة بالصلابة (hardened). العناصر المكونة للكربيدات (V، Mo) تزيد من التآكل، مما يقلل من عمر الأداة في عمليات الطحن/الثقب عالية الدقة ما لم يتم استخدام أدوات كربيدية.
• قابلية التشكيل: التشكيل البارد محدود على المواد المعالجة بالصلابة. يمكن تشكيل الجلدات المعالجة بالتمهيد الناعمة؛ التشكيل الساخن/القولبة تليها معالجة حرارية مضبوطة شائعة لإنتاج كتل وقوالب كبيرة.
• الطحن وEDM (تخريش الإلكترون) هي عمليات إنهاء قياسية للأدوات المعالجة بالصلابة؛ يستخدم EDM عادةً لتشكيل تجاويف معقدة وأعمال الإصلاح.
• العلاجات السطحية مثل النتردة يمكن أن تقلل من قابلية التشغيل وتتطلب تعديل عمليات الإنهاء.

8. التطبيقات النموذجية

الاستخدامات النموذجية لـ H13 (AISI)	الاستخدامات النموذجية لـ SKD61 (JIS)
قوالب الصب بالقوالب الساخنة	قوالب الصب بالقوالب الساخنة
قوالب والتكاوي الساخنة وقطع التبديل	قوالب البثق الساخنة والمكابس
شفرة القص الساخن والمكابس	قوالب التشكيل وأدوات الصب بالقوالب
لباب قوالب الحقن البلاستيكي (دورات حرارية عالية)	أدوات التشكيل في درجات حرارة عالية
أدوات مقاومة للحرارة للألمنيوم والنحاس الأصفر	مكونات المكابس والقوالب للتشكيل الساخن

مبررات الاختيار: - كلا الدرجتين يتم اختيارهما لتطبيقات العمل الساخن حيث تكون مقاومة التعب الحراري، التليين الحراري، والتآكل الاحتكاكي هي المتطلبات الأساسية. - اختر بناءً على نوع الحمولة، تكرار الدورة، درجة الحرارة التشغيلية، والعمر السطحي المطلوب؛ الأداء الميتالورجي متقارب، لذا غالبًا ما تكون الاعتبارات اللوجستية والعقدية (المواصفات، الشهادات) هي المحدد في الاختيار.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: عمومًا متقاربة لكل كيلوجرام لأن التركيب الكيميائي والمعالجة متعادلة. العوامل السوقية الإقليمية قد تجعل SKD61 أكثر اقتصادية في آسيا، في حين أن H13 (المحددة وفق ASTM/AMS) قد تكون مفضلة ومتوفرة بسهولة أكبر في أمريكا الشمالية وأوروبا.
• أشكال المنتج والتوفر: كلا الدرجتين متوفرتان على نطاق واسع في هيئة قضبان، ألواح، قطاعات، وكتل مسبقة المعالجة بالصلابة. توفر أشكال محددة من المنتجات (كتل مصبوبة كبيرة، ألواح مطحونة بدقة) يعتمد على قدرات المصلحة الإقليمية والمخزون.
• مواعيد التسليم: تحديد معيار معين (JIS مقابل ASTM/AMS) يمكن أن يؤثر على مواعيد التسليم وأوراق الفحص؛ للمكونات الحرجة، تأكد من شهادات اختبارات المصنع والمسموح بها من الانحرافات مسبقًا.

10. الملخص والتوصيات

السمة	H13	SKD61
قابلية اللحام	متوسطة؛ يتطلب تسخين مسبق ومعالجة حرارة بعد اللحام	متوسطة؛ نفس احتياطات اللحام
توازن القوة-المتانة	قوة عالية مع متانة جيدة بعد المعالجة الحرارية المناسبة	توازن معادل تحت المعالجة الحرارية المعادلة
التكلفة والتوفر	متوفر عالميًا على نطاق واسع؛ مفضل في سياقات ASTM/AMS	متوفر على نطاق واسع، غالبًا أكثر اقتصادياً في آسيا؛ معتمد وفق JIS

التوصيات: - اختر H13 إذا كانت سلسلة التوريد لديك أو العقود أو متطلبات الشهادات تتطلب مواصفات AISI/ASTM/AMS، أو إذا تم تهيئة عمليات المشتريات والفحص حول هذه المعايير. هذا الخيار عملي لمشتريات أمريكا الشمالية وأوروبا حيث تفضل الأوراق والمعايير H13/ASTM. - اختر SKD61 إذا كان شراءك مركّزًا إقليميًا في اليابان أو آسيا، وكانت وثائق العقد تشير إلى معايير JIS، أو كنت تحتاج إلى التوافق مع وثائق اختبار المصنع المعتمدة وفق JIS. SKD61 يمكن أن تقدم مزايا في التكلفة أو مواعيد التسليم في هذه الأسواق. - من الناحية الوظيفية، اختر أي من الدرجتين عندما تكون الاحتياجات الأساسية هي الصلادة الساخنة، مقاومة التعب الحراري، ومقاومة التآكل — لكن دائمًا ضع تعليمات المعالجة الحرارية، نطاقات الصلادة المقبولة، ومتطلبات الفحص/الشهادات لضمان أن المنتج النهائي يلبي المقصد الهندسي.

ملاحظة نهائية: من ناحية الأداء الميتالورجي، H13 وSKD61 سبائك مكافئة فعليًا. العامل الحاسم للعديد من المستخدمين الصناعيين هو الامتثال للمعايير والوثائق المرتبطة بسلسلة التوريد، وليس فرق جوهري في سلوك الخدمة. عند تحديد الأدوات، قم بتضمين معلمات المعالجة الحرارية الصريحة، نطاقات الصلادة المقبولة، وإجراءات اللحام الإصلاحي لضمان أداء متوقع بغض النظر عما إذا كان المادة معنونة H13 أو SKD61.