P20 مقابل NAK80 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يعتبر P20 و NAK80 من الفولاذات المستخدمة على نطاق واسع في قوالب وأدوات حقن البلاستيك وصب القوالب. يقوم المهندسون وفرق الشراء ومخططو التصنيع عادةً بوزن المزايا والعيوب بين التكلفة الإجمالية للجزء، وعمر الأداة، وتشطيب السطح، والصيانة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات الاختيار النموذجية: اختيار مادة فعالة من حيث التكلفة للأدوات ذات الحجم الكبير (حيث تهيمن المتانة وقابلية التشغيل) مقابل اختيار فولاذ قالب مقاوم للصدأ للأجزاء اللامعة أو الحساسة للتآكل (حيث تهم جودة السطح والتخميل).

الفرق العملي الرئيسي الذي يدفع العديد من قرارات التصميم هو سلوك السطح: تم تصميم NAK80 لتقديم احتفاظ متفوق بجودة السطح، ومقاومة للتآكل، ومظهر مصقول للأجزاء البلاستيكية اللامعة، بينما P20 هو فولاذ قالب تقليدي مسبق الصلابة تم تحسينه من حيث التكلفة، وقابلية التشغيل، والمتانة العامة. نظرًا لأنهما يشغلان مساحات تطبيق متداخلة (أسس القوالب، التجاويف، إدخالات النواة)، يقوم المصممون بمقارنتهما بانتظام من حيث جمالية الجزء النهائي، وصيانة القالب، وقيود بيئة الإنتاج.

1. المعايير والتسميات

• P20
• التسميات الشائعة: AISI/SAE P20، DIN 1.2312 (معادلات قريبة)، أسماء تجارية مختلفة من الموردين (فولاذ قالب مسبق الصلابة).
• التصنيف: فولاذ أدوات سبيكي، يتم توفيره عادةً في حالة مسبقة الصلابة.
• NAK80
• التسميات الشائعة: الاسم التجاري (NAK80) المستخدم من قبل عدة موردين يابانيين وعالميين؛ يُشار إليه أحيانًا كدرجة فولاذ قالب مقاوم للصدأ مارتنسيتية.
• التصنيف: فولاذ أدوات/قالب مارتنسيتية مقاوم للصدأ (فولاذ قالب مقاوم للصدأ).

تشمل المعايير القابلة للتطبيق للتحقق من شهادات المصنع وأوامر الشراء مواصفات ASTM/ASME لفولاذ القوالب والمعايير الوطنية ذات الصلة (EN، JIS، GB) للأدوات وفولاذ الأدوات المقاوم للصدأ. تأكد دائمًا من التسميات والشهادات الخاصة بالمورد لأن الأسماء التجارية تختلف بين المنتجين.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تقدم الجدول التالي نطاقات التركيب الاسمي التمثيلية التي يتم الاستشهاد بها على نطاق واسع في أوراق بيانات الموردين. هذه القيم تهدف إلى أن تكون نطاقات نموذجية - تحقق دائمًا من شهادات المصنع المحددة للشراء.

العنصر	P20 (نطاق اسمي نموذجي، wt%)	NAK80 (نطاق اسمي نموذجي، wt%)
C	0.25–0.35	0.03–0.12
Mn	0.35–0.60	0.10–0.60
Si	0.20–0.35	0.10–0.80
P	≤0.03	≤0.025
S	≤0.03	≤0.020
Cr	1.30–1.60	11.0–13.5
Ni	0.30–0.60	1.0–4.0
Mo	0.30–0.50	0.30–0.60
V	trace–small	trace
Nb (Cb)	—	trace
Ti	—	trace
B	—	trace
N	—	trace (في المتغيرات المقاومة للصدأ)

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون: المساهم الرئيسي في الصلابة والقوة. يدعم الكربون الأعلى في P20 (بالنسبة للمتغيرات منخفضة الكربون المقاومة للصدأ) صلابة أعلى ومقاومة للتآكل بعد التبريد/التقسية، ولكنه يزيد من خطر تشقق منطقة الحرارة المتأثرة أثناء اللحام. غالبًا ما يتم الحفاظ على مستوى الكربون في NAK80 أقل لتحقيق توازن بين مقاومة التآكل وتجنب الهشاشة المفرطة. - الكروم والنيكل: في NAK80، يوفر ارتفاع محتوى Cr و Ni سلوكًا مقاومًا للصدأ/سلبيًا ويحسن مقاومة التآكل وقابلية التلميع. في P20، يحسن محتوى Cr و Ni المعتدل من الصلابة والقوة ولكنه لا يمنح خصائص مقاومة للصدأ. - الموليبدينوم والفاناديوم: يحسنان من الصلابة، والتصلب الثانوي، ومقاومة الزحف، واستقرار الكربيد - مفيد لكلا الدرجتين لتعزيز مقاومة التآكل. - سبائك دقيقة أخرى (Nb، Ti، B): تصقل حجم الحبيبات وتتحكم في الترسيب؛ في فولاذ الأدوات المقاومة للصدأ، غالبًا ما تكون موجودة بكميات ضئيلة للتحكم في الخصائص.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهيكل (نموذجي): - P20: مارتنسيت مقسى مع كربيدات سبيكية دقيقة (كربيدات Cr/Mo). غالبًا ما يتم توفيره مسبق الصلابة (على سبيل المثال، ~28–32 HRC) في حالة طبيعية ومقسية؛ تم تحسين الميكروهيكل لقابلية التشغيل والمتانة. - NAK80: مصفوفة مارتنسيتية مقاومة للصدأ مع كربيدات غنية بالكروم وطبقة سطح أكسيد كروم سلبية عند تلميعها؛ غالبًا ما يتم إنتاجها في حالة مسبقة الصلابة مناسبة للتلميع ومقاومة التآكل.

استجابة المعالجة الحرارية: - P20: - يمكن توفيره مسبق الصلابة؛ إذا تم تقسيته وتصلبه، فإن دورات التبريد والتقسية تنتج مارتنسيت مقسى. يعمل التنعيم على تصغير حجم الحبيبات. - يتم تطبيق النترجة عادةً لزيادة صلابة السطح ومقاومة التآكل؛ تعتمد سلوك النترجة على العناصر المكونة للنيتريد (مثل V، Cr). - NAK80: - تهدف المعالجة الحرارية إلى تحقيق توازن بين الصلابة وخصائص المقاومة للصدأ. تشمل الطرق النموذجية التلدين في المحلول والتبريد يليه التقسية؛ يتطلب التحكم الدقيق لتجنب التحسس والاحتفاظ بمقاومة التآكل. - يعقد سلوك المقاومة للصدأ المعالجات الحرارية عند درجات حرارة عالية؛ تختلف نوافذ التسخين للتقسية عن الفولاذات السبيكية الكربونية وقد تتطلب فراغًا أو جوًا محكمًا لتجنب إزالة الكربون والأكسدة.

يمكن أن تؤثر المعالجة الحرارية الميكانيكية على حجم الحبيبات وتوزيع الكربيدات؛ بالنسبة لكلا الفولاذين، يؤدي التحكم الأكثر دقة في العملية إلى تحسين قابلية التلميع وزيادة تجانس الصلابة.

4. الخصائص الميكانيكية

تدرج الجدول أدناه نطاقات الخصائص النموذجية للحالات المسبقة الصلابة والحالات المعالجة حراريًا. تحقق من شهادات المورد للحصول على الأرقام الدقيقة.

الخاصية	P20 (نموذجي)	NAK80 (نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال)	800–1100	700–1000
قوة العائد (0.2% انحراف، ميغاباسكال)	600–900	500–850
التمدد (%)	10–18	8–18
صلابة التأثير (شاربي، جول)	متوسطة (تعتمد على التقسية)	متوسطة إلى جيدة (تعتمد على الحالة)
الصلابة (HRC)	28–32 (مسبقة الصلابة)، يمكن أن تعالج حراريًا أعلى	30–36 (متغيرات مقاومة للصدأ مسبقة الصلابة)

التفسير: - القوة: يوفر P20 في الحالات المسبقة الصلابة القابلة للمقارنة عادةً قوة اسمية أعلى قليلاً تعزى إلى الكربون الأعلى ومزيج السبائك؛ ومع ذلك، يمكن أن تضيق المعالجة الحرارية الفروق. - المتانة/المرونة: تتبادل كلا الدرجتين الصلابة من أجل المتانة؛ تميل تركيبات P20 إلى إعطاء الأولوية للمتانة العامة وقابلية التشغيل، بينما يتم موازنة NAK80 من أجل قابلية التلميع ومقاومة التآكل مع متانة كافية. - تتداخل نطاقات الصلابة؛ يجب أن تتماشى الدرجة المختارة مع متطلبات مقاومة التآكل المستهدفة وأهداف التشطيب السطحي النهائي.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني ومحتوى السبائك. يساعد استخدام صيغ المعادل الكربوني في تقييم قابلية تشقق منطقة الحرارة المتأثرة ومتطلبات التسخين المسبق/بعد اللحام.

الصيغ الشائعة: - المعادل الكربوني IIW (دليل نوعي): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - المعادل الكربوني الدولي للتلحيم الكهربائي (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - P20: يزيد الكربون الأعلى ووجود Mo/Cr من أرقام المعادل الكربوني بالنسبة للفولاذات منخفضة الكربون، مما يزيد من القابلية لتصلب منطقة الحرارة المتأثرة والتشقق البارد ما لم يتم استخدام التسخين المسبق والتقسية بعد اللحام بشكل مناسب. غالبًا ما يتطلب P20 إجراءات لحام محكومة أو استخدام معادن تعبئة منخفضة الهيدروجين متوافقة. - NAK80: كفولاذ مارتنسيت مقاوم للصدأ، يتغير سلوك قابلية اللحام لمحتوى Cr و Ni في NAK80؛ يمكن أن تكون الفولاذات المارتنسيتية المقاومة للصدأ عرضة لتشقق منطقة الحرارة المتأثرة ولحام المعدن إذا لم يتم تسخينها مسبقًا وإذا لم يتم التحكم في درجات حرارة التداخل ومعدلات التبريد. يحسن النيكل قابلية اللحام إلى حد ما، ولكن المصفوفة المقاومة للصدأ تتطلب اختيار تعبئة دقيق وغالبًا ما تتطلب معالجة حرارية بعد اللحام لاستعادة المتانة ومقاومة التآكل. - في الممارسة العملية: يمكن لحام كلا الدرجتين، ولكن خطط اللحام (التسخين المسبق، درجة حرارة التداخل، التقسية بعد اللحام) والمعادن التعبئة المؤهلة ضرورية. بالنسبة للأسطح الحساسة تجميلياً، يجب تجنب المناطق الملحومة كما يجب طحنها وإعادة تلميعها.

6. التآكل وحماية السطح

• P20: ليس مقاومًا للصدأ. عادةً ما تكون حماية السطح من التآكل مطلوبة حيث توجد رطوبة أو بيئات تآكل. تشمل الحمايات الشائعة:
• الطلاء، أو الطلاء، أو الطلاءات المحلية (PVD/CVD) على الأسطح النهائية.
• التغليف ليس شائعًا للأدوات؛ بل يتم استخدام النترجة أو الطلاءات السطحية (TiN، CrN) لزيادة مقاومة التآكل وتقليل بدء التآكل.
• NAK80: فولاذ مارتنسيت مقاوم للصدأ يوفر السلبية ومقاومة محسنة للتآكل مقارنةً بـ P20 عند تلميعه وصيانته. لتوصيف مقاوم للصدأ، تُستخدم عادةً مؤشرات التآكل مثل PREN (رقم مقاومة التآكل المكافئ): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• ملاحظة: PREN أقل تطبيقًا بشكل مباشر على فولاذ القوالب المارتنسيتية المقاومة للصدأ مثل NAK80، ولكن الصيغة توضح كيف يرتبط محتوى Cr/Mo/N بمقاومة التآكل. يعتبر محتوى الكروم في NAK80 وتشطيب السطح من المساهمين الرئيسيين في مقاومته المتفوقة للتلطيخ والتآكل أثناء الخدمة.
• النتيجة العملية: بالنسبة للأجزاء البلاستيكية اللامعة والقوالب التي تعمل في بيئات رطبة أو تآكلية، يقلل NAK80 من التلطيخ واحتياجات الصيانة؛ يتطلب P20 استراتيجيات حماية (طلاءات، بيئة محكومة) للحفاظ على جودة السطح.

7. التصنيع، وقابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• P20: قابلية تشغيل جيدة في الحالة المسبقة الصلابة؛ يُستخدم على نطاق واسع لأنه يُشغل بسهولة إلى تسامح ضيق ويعمل بشكل جيد مع تقنيات EDM. تكفي أدوات الكربيد وممارسات التبريد القياسية.
• NAK80: عمومًا قابلية تشغيل جيدة لفولاذ الأدوات المقاومة للصدأ، ولكن ميول العمل الصلب وسلوك السبائك المقاومة للصدأ تتطلب تحسين هندسة الأدوات، وسرعات القطع، والتبريد. يمكن تحقيق تشطيب سطحي ممتاز مع أدوات مناسبة.
• قابلية التشكيل والانحناء: كلاهما فولاذ أدوات - مرونة محدودة مقارنة بالفولاذات اللينة. يتم عادةً تشكيلها قبل الصلابة النهائية/التقسية. تجنب التشكيل الثقيل بعد الصلابة.
• تشطيب السطح والتلميع:
• هذا هو الفارق الرئيسي. يتم تلميع NAK80 إلى تشطيب مرآة بسهولة أكبر ويحتفظ بمظهر لامع عالي بفضل مصفوفته المقاومة للصدأ وتوزيع الكربيد الدقيق. يمكن تلميع P20 إلى تشطيب جيد ولكنه أكثر عرضة للتلطيخ، والأكسدة، ويتطلب طلاءات إضافية أو صيانة للحفاظ على التشطيبات اللامعة العالية.

8. التطبيقات النموذجية

P20 — الاستخدامات النموذجية	NAK80 — الاستخدامات النموذجية
تجاويف وأقواس قوالب حقن عامة للأجزاء ذات المظهر السطحي غير الحرج	تجاويف قوالب حقن لامعة للأجزاء البصرية والطبية والاستهلاكية
أسس قوالب كبيرة ومكونات هيكلية حيث تهيمن التكلفة وقابلية التشغيل	أدوات عرضة للتآكل (بيئات رطبة) أو قوالب تتطلب احتفاظًا طويل الأمد بالتلميع
نماذج وإنتاج منخفض إلى متوسط الحجم حيث تكون المعالجة السريعة وEDM مطلوبة	قوالب متعددة المكونات حيث تكون جودة السطح وجمالية الجزء من الأولويات
أدوات تتطلب نترجة لاحقة أو طلاءات PVD لمقاومة التآكل	قوالب دقيقة حيث تقلل الأداء المقاوم للصدأ من الصيانة والتلطيخ

مبررات الاختيار: - اختر P20 لتحقيق توازن بين التكلفة، والتوافر، وقابلية التشغيل عندما لا يكون مظهر الجزء النهائي حرجًا أو عندما يمكن تطبيق الطلاءات/النترجة. - اختر NAK80 للأجزاء اللامعة، وتقليل التلطيخ، وحيث تكون مقاومة التآكل في الأداة مطلوبة للحفاظ على المظهر وتقليل وقت الصيانة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة:
• P20 عادةً أقل تكلفة لكل كيلوغرام من NAK80 بسبب محتوى السبائك المنخفض وتوافر السلع الواسع. إنه خيار اقتصادي للقوالب الكبيرة وأينما توجد قيود على الميزانية.
• NAK80 يتطلب سعرًا مرتفعًا بسبب محتوى السبائك الأعلى (Cr، Ni) والمعالجة لخصائص مقاومة الصدأ؛ توقع تكاليف مواد أعلى وأحيانًا تكاليف معالجة أعلى للمعالجة الحرارية والتشطيب.
• التوافر:
• P20 متوفر على نطاق واسع في ألواح، وكتل، وقضبان مسبقة الصلابة من العديد من الموردين وهو شائع في ورش القوالب.
• NAK80 يتم إنتاجه على نطاق واسع ولكن قد يكون التوافر في أحجام ألواح كبيرة جدًا أو أبعاد غير قياسية أكثر تقييدًا من P20؛ يمكن أن تكون أوقات التسليم أطول اعتمادًا على متطلبات السماكة والتشطيب.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

السمة	P20	NAK80
قابلية اللحام	جيدة مع الضوابط؛ يتطلب CE الأعلى عناية	تحدي؛ غالبًا ما تكون إجراءات اللحام المقاومة للصدأ وPWHT مطلوبة
توازن القوة–المتانة	قوي ومتين في الحالة المسبقة الصلابة	توازن جيد ولكن محسّن للتلميع ومقاومة التآكل
التكلفة	أقل (أكثر اقتصادية)	أعلى (سبائك مقاومة للصدأ متميزة)

التوصيات: - اختر P20 إذا: - كانت الميزانية وسرعة المعالجة/التحويل عبر EDM من الأولويات. - لا يتطلب الجزء تشطيبًا لامعًا عاليًا أو محميًا/مطليًا. - كانت هناك حاجة إلى أسس قوالب كبيرة أو مكونات تتطلب معالجة ثقيلة. - اختر NAK80 إذا: - كانت جودة السطح العالية، واحتفاظ التلميع، ومقاومة التآكل حاسمة (البصريات، الطبية، الأجزاء الاستهلاكية اللامعة). - كنت ترغب في تقليل صيانة الأدوات للمواد المعرضة للتلطيخ أو بيئات الإنتاج الرطبة. - كانت التكلفة المتميزة مبررة من خلال تقليل إعادة العمل، وزيادة عمر التلميع، أو تحسين الجودة التجميلية للأجزاء المصبوبة.

ملاحظة أخيرة: يجب التحقق من اختيار المواد من خلال مقارنة أوراق بيانات الموردين، وإجراء اختبارات تلميع عينة تحت ظروف العملية المتوقعة، وأخذ إجراءات اللحام/الإصلاح ومعالجات السطح في الاعتبار. عندما يدفع تشطيب السطح أو مقاومة التآكل لقبول الجزء، يُوصى بشدة بتجربة أدوات مع المادة النهائية ونظام التلميع.