S7 مقابل A2 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
S7 و A2 هما نوعان من الفولاذ المستخدم في الأدوات، ويستخدمان بشكل شائع في التطبيقات المتعلقة بالأدوات والقوالب والصدمات. غالبًا ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين هذه الفولاذات عند مراعاة المتانة ومقاومة التآكل والقدرة على التصلب والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار درجة لمكونات يجب أن تقاوم الصدمات المتكررة (تفضل المتانة) مقابل أجزاء يجب أن تحتفظ بحواف حادة ومقاومة للتآكل (تفضل الصلابة).
التمييز الرئيسي بين S7 و A2 يكمن في استراتيجيات السبائك والتوازن الناتج بين المتانة مقابل القدرة على التصلب / مقاومة التآكل: يركز S7 على مقاومة الصدمات والليونة، بينما يركز A2 على القدرة على التصلب في الهواء ومقاومة التآكل على حساب بعض المتانة. نظرًا لأن كلاهما يمكن معالجته حراريًا لتحقيق مجموعة من الخصائص، غالبًا ما يتم مقارنتهما لأشكال الأدوات المماثلة حيث يحدد التوازن بين القوة / التآكل ومقاومة الصدمات العمر الافتراضي الناجح.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والتسميات الشائعة:
- AISI/SAE (الكلاسيكية): A2، S7
- ASTM/ASME: ASTM A681 (مواصفات فولاذ الأدوات غالبًا ما تشير إلى هذه التسميات AISI)؛ تحكم معايير ASTM الأخرى طرق المعالجة والاختبار.
- EN: التسميات الأوروبية المعادلة لفولاذ الأدوات تحت سلسلة EN 36xx/6xxx في بعض الأنظمة؛ يتطلب التوافق المباشر جداول مرجعية متقاطعة.
-
JIS/GB: توفر المعايير اليابانية والصينية معادلات محلية؛ تحقق من جداول المرجع المحلية للحصول على التركيب الكيميائي والتسامحات الدقيقة.
-
تصنيف الفولاذ:
- A2: فولاذ أدوات متوسط السبيكة يتصلب في الهواء (مجموعة فولاذ الأدوات - غالبًا ما يسمى "سلسلة A").
- S7: فولاذ أدوات مقاوم للصدمات (مجموعة فولاذ الأدوات - "سلسلة S").
- لا يعتبر كل من A2 و S7 مقاومًا للصدأ أو HSLA؛ كلاهما فولاذ كربوني / سبيكي.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | S7 (نطاقات نموذجية، wt%) | A2 (نطاقات نموذجية، wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.45 – 0.55 | 0.90 – 1.05 |
| Mn | 0.20 – 0.50 | 0.20 – 0.50 |
| Si | 0.20 – 1.00 | 0.20 – 1.00 |
| P | ≤ 0.03 (أقصى) | ≤ 0.03 (أقصى) |
| S | ≤ 0.03 (أقصى) | ≤ 0.03 (أقصى) |
| Cr | 1.30 – 2.00 | 3.75 – 4.75 |
| Ni | — (عادة منخفض) | — (عادة منخفض) |
| Mo | 0.80 – 1.50 | 0.90 – 1.30 |
| V | 0.10 – 0.30 | 0.15 – 0.40 |
| Nb (Cb) | أثر، ليس نموذجي | أثر، ليس نموذجي |
| Ti | أثر، ليس نموذجي | أثر، ليس نموذجي |
| B | أثر، ليس نموذجي | أثر، ليس نموذجي |
| N | أثر | أثر |
ملاحظات: - نطاقات التركيب أعلاه هي نطاقات نموذجية تستخدم في فولاذ الأدوات التجاري؛ تعتمد الحدود الدقيقة على المورد والمعيار. تحقق دائمًا من شهادات المصنع. - يحتوي A2 على كربون أعلى وكروم أعلى بكثير من S7. يعزز الكربون والكروم الأعلى في A2 القدرة على التصلب ومقاومة التآكل من خلال نسبة أعلى من المارتنسيت والكربيدات المستقرة. يستخدم S7 كربونًا أقل وسبائك معتدلة لتعظيم المتانة وتقليل الكسر الهش تحت الصدمات. - يساهم الموليبدينوم في كلا الدرجتين في القدرة على التصلب ومقاومة التخمير؛ يعمل الفاناديوم على تحسين الكربيدات وحجم الحبيبات مما يحسن مقاومة التآكل والمتانة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنى المجهرية النموذجية:
- A2 المعالج بالتبريد والتخمير: مصفوفة مارتنسيتية مع كربيدات سبيكية (غنية بالكروم، وكربيدات تحتوي على موليبدينوم وفاناديوم)؛ توزيع كربيد دقيق نسبيًا إذا تم تلدينه ومعالجته حراريًا بشكل صحيح.
-
S7 المعالج بالتبريد والتخمير: مارتنسيت معالج مع عدد أقل من الكربيدات الخشنة ومصفوفة أكثر ليونة محتفظ بها؛ تم تحسين البنية المجهرية لامتصاص الطاقة.
-
طرق المعالجة الحرارية وتأثيراتها:
- عادةً ما يتم تصلب A2 عن طريق الأوستنيتة متبوعة بالتبريد في الهواء (التصلب في الهواء)، ثم يتم تخميره لتحقيق الصلابة المطلوبة. يقلل التصلب في الهواء من التشوه ويعزز التصلب المتجانس لأحجام المقاطع المعتدلة. يدعم الكربون / الكروم الأعلى في A2 صلابة نهائية أعلى ومقاومة للتآكل بعد التبريد والتخمير.
- عادةً ما يتم تبريد S7 في الزيت أو الهواء / الزيت اعتمادًا على حجم المقطع، ثم يتم تخميره لتحقيق المتانة المطلوبة. غالبًا ما توصي الشركات المصنعة بدورات تخمير لتحقيق توازن بين المتانة والقوة المحتفظ بها. تم صياغة S7 للاحتفاظ بمزيد من المتانة بعد التبريد والتخمير.
- التطبيع: تستفيد كلا الدرجتين من دورات التطبيع أو التلدين قبل التشغيل لتوحيد البنية المجهرية وتقليل الضغوط الداخلية. تحسن المعالجة الحرارية الميكانيكية والتشكيل المنضبط من أداء S7 في الصدمات من خلال تحسين حجم الحبيبات.
- استجابة التخمير:
- يميل A2 إلى الاحتفاظ بصلابة أعلى عند درجات حرارة تخمير مرتفعة مقارنةً بـ S7 بسبب استقرار الكربيد الأقوى من الكروم والموليبدينوم.
- يحقق S7 طاقة تأثير أعلى عند مستويات صلابة مكافئة بسبب محتوى الكربون الأقل والسبائك المحسنة للمتانة.
4. الخصائص الميكانيكية
| خاصية | S7 (نموذجي، معالج حراريًا) | A2 (نموذجي، معالج حراريًا) |
|---|---|---|
| قوة الشد (تقريبًا) | 900 – 1,500 ميجا باسكال (تعتمد على التخمير) | 1,200 – 1,900 ميجا باسكال (تعتمد على التخمير) |
| قوة الخضوع (تقريبًا) | 700 – 1,200 ميجا باسكال | 1,000 – 1,600 ميجا باسكال |
| التمدد (%) | 6 – 15% (أعلى عند التخمير من أجل المتانة) | 4 – 12% (أقل عند الصلابة العالية) |
| متانة الصدمات (شاربي) | عالية — غالبًا ما تكون أعلى بكثير من A2 عند صلابة مماثلة | متوسطة — أقل من S7 عندما يكون كلاهما عند صلابة مماثلة |
| الصلابة (HRC بعد T&T) | عادةً 40 – 55 HRC قابلة للتحقيق | عادةً 50 – 62 HRC قابلة للتحقيق |
ملاحظات: - الخصائص تعتمد بشكل كبير على المعالجة الحرارية: يقلل التخمير الأعلى من الصلابة ويزيد من المتانة. القيم أعلاه هي نطاقات تقريبية موجودة في الصناعة ويجب التحقق منها مع بيانات المورد لدورات المعالجة الحرارية المحددة. - أيهما أقوى / أكثر متانة / ليونة: يمكن أن يصل A2 إلى صلابة أعلى وقوة شد (احتفاظ أفضل بالحواف ومقاومة للتآكل). يوفر S7 متانة تأثير أفضل وليونة عند مستويات قوة مماثلة، مما يجعله أقل عرضة للفشل الكارثي تحت الحمل الصدمي.
5. قابلية اللحام
- محركات قابلية اللحام: تحدد المعادلة الكربونية والسبائك الميل إلى التشقق والحاجة إلى التسخين المسبق / المعالجة الحرارية بعد اللحام.
- معادلات قابلية اللحام الشائعة:
- استخدم المعادلة الكربونية IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- و Pcm الأكثر شمولاً: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- التفسير:
- يزيد محتوى الكربون والسبائك الأعلى في A2 من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ بالنسبة لـ S7، مما يشير إلى زيادة القابلية لتكوين المارتنسيت والتشقق بسبب الهيدروجين / التصلب عند اللحام. لذلك، يتطلب A2 عادةً تسخينًا مسبقًا أكثر دقة، والتحكم في درجة حرارة التداخل، وتخميرًا بعد اللحام؛ قد تحتاج السماكات المحدودة إلى مواد تعبئة متطابقة و PWHT.
- غالبًا ما يظهر S7، مع كربون أقل وكروم أقل، قابلية لحام أفضل من A2 ولكنه لا يزال يتطلب احتياطات قياسية لفولاذ الأدوات (تنظيف المعدن الأساسي، التحكم في إدخال الحرارة، التسخين المسبق، وتخمير تخفيف الضغط بعد اللحام). كلاهما ليسا صديقين للحام مثل الفولاذات منخفضة السبيكة.
6. مقاومة التآكل وحماية السطح
- لا يعتبر كل من S7 و A2 مقاومًا للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل العام والتآكل النقطي في البيئات العدوانية.
- التدابير الوقائية النموذجية:
- الطلاء، والتشحيم، وطلاءات الفوسفات، والتغليف (حيثما كان مناسبًا) تستخدم عادةً لحماية الأجزاء. قد لا يكون التغليف مناسبًا للأدوات النهائية حيث تكون التسامحات البعدية أو الحواف الحادة حرجة.
- للمناطق التي تتطلب مقاومة للتآكل، اختر فولاذ أدوات مقاوم للصدأ أو سبائك مقاومة للصدأ بدلاً من A2 أو S7.
- PREN (رقم مقاومة التآكل النقطي) لا ينطبق على فولاذ الأدوات غير المقاوم للصدأ، ولكن للتوضيح: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- بالنسبة لـ A2 و S7، لا يعتبر PREN مؤشرًا ذا معنى لأنه لم يتم تصميمهما لتكوين أفلام سلبية واقية كما تفعل الفولاذات المقاومة للصدأ.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- عادةً ما يكون S7 (مُعالج بالتلدين / التطبيع) أسهل في التشغيل من A2 بسبب الكربون الأقل والقدرة الأقل على التصلب. عندما يتم تصلب كلاهما، يصبح من الصعب تشغيلهما؛ يجب أن يتم التشغيل في الحالة الملدنة.
- يميل A2، بسبب محتوى الكربيد الأعلى وإمكانية الصلابة الأعلى، إلى إضعاف الحواف الحادة بشكل أسرع وقد يتطلب أدوات أكثر صلابة.
- قابلية التشكيل والانحناء:
- لا يتم تحسين أي من الدرجتين للتشكيل البارد الكبير؛ عادةً ما يتم تشكيل كلاهما أو تشغيلهما إلى الشكل النهائي. تعني القدرة الأعلى على التصلب في A2 أنه أقل تحملًا للتشكيل بعد المعالجة الحرارية.
- التشطيب:
- يعتبر الطحن و EDM من طرق التشطيب الشائعة. يستجيب A2 جيدًا للطحن لإنتاج حواف حادة بسبب مقاومته للتآكل؛ يمكن طحن S7 إلى تسامحات ضيقة ولكن يجب توخي الحذر لتجنب تقليل المتانة بسبب ارتفاع درجة الحرارة.
8. التطبيقات النموذجية
| A2 (فولاذ أدوات يتصلب في الهواء) | S7 (فولاذ أدوات مقاوم للصدمات) |
|---|---|
| قوالب للقص والتشكيل حيث تكون مقاومة التآكل واحتفاظ الحواف حرجة | أدوات صدمية مثل المطارق، قوالب التشكيل البارد، المثاقب المعرضة للصدمات |
| أدوات العمل الباردة التي تتطلب استقرارًا أبعادياً (مثل بعض القوالب، والمثاقب) | مكونات المطرقة والسائق، المثاقب الثقيلة، الكتل |
| سكاكين وأدوات قطع حيث تكون مقاومة التآكل واحتفاظ الحواف ذات أولوية | أدوات ومكونات في التشكيل، والضغط، والبيئات ذات التأثير العالي |
| أدوات دقيقة حيث يقلل التصلب في الهواء من التشوه | أدوات ذات مقاطع كبيرة حيث يهيمن الحمل الصدمي ويجب تجنب الكسر الكارثي |
مبررات الاختيار: - اختر A2 للتطبيقات التي تتطلب احتفاظًا عاليًا بالحواف، ومقاومة للتآكل، واستقرارًا أبعادياً بعد التبريد بسبب قدرته على التصلب في الهواء. - اختر S7 عندما يكون الصدمة المتكررة أو التأثير هو نمط الفشل السائد وتكون المتانة / الليونة هي الأهم.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة:
- عادةً ما تكون تكلفة A2 أعلى بشكل معتدل من الفولاذات منخفضة السبيكة الأساسية بسبب محتوى الكربون والكروم الأعلى وتوازن سبائكها؛ مقارنةً بـ S7، قد تكون تكلفة A2 مماثلة أو أعلى قليلاً بسبب محتوى السبيكة الأعلى والطلب الشائع على فولاذ الأدوات الذي يتصلب في الهواء.
- قد تكون تكلفة S7 مماثلة أو أقل قليلاً اعتمادًا على المورد والسوق؛ قد تؤثر القضبان الخاصة أو المقاطع الكبيرة على التسعير.
- التوافر:
- يتوفر كل من A2 و S7 على نطاق واسع في أشكال منتجات فولاذ الأدوات التجارية (قضيب دائري، قضيب مسطح، لوح، كتل). يتم تخزين A2 بشكل شائع بسبب استخدامه الواسع؛ S7 شائع أيضًا ولكن تحقق من التوافر للمقاطع الكبيرة أو الظروف الخاصة.
10. الملخص والتوصية
| السمة | S7 | A2 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (CE أقل، ولكن لا يزال يتطلب الحذر) | أقل (CE أعلى، يتطلب تسخينًا مسبقًا صارمًا / PWHT) |
| توازن القوة – المتانة | متانة عالية، قوة معتدلة | صلابة وقوة أعلى، متانة معتدلة |
| التكلفة | معتدلة (متاحة بشكل شائع) | معتدلة – أعلى (مخزنة على نطاق واسع) |
التوصية: - اختر S7 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ أدوات يقاوم الصدمات، ويمتص الصدمات دون كسر هش كارثي، ويوفر متانة جيدة لتطبيقات مثل المثاقب الصدمية، والمطارق، والقوالب ذات المقاطع الكبيرة حيث تكون مقاومة الصدمات ذات أولوية. - اختر A2 إذا كنت بحاجة إلى احتفاظ ممتاز بالحواف، ومقاومة للتآكل، واستقرار أبعاد بعد التبريد (التصلب في الهواء)، مثل قوالب القص الدقيقة، وأدوات القطع، والأدوات حيث تتحكم الصلابة ومقاومة التآكل في عمر الخدمة.
ملاحظة نهائية: تتطلب كلتا الدرجتين اختيارًا دقيقًا لدورات المعالجة الحرارية لتحقيق التوازن المطلوب بين الصلابة والمتانة. بالنسبة للمكونات الحرجة، تحقق من شهادات المواد من المورد، واطلب سجلات معالجة حرارية قابلة للتتبع، وأجرِ تجارب محددة للتطبيق (اختبارات الصلابة، والتأثير، والتحقق من البنية المجهرية) قبل الشراء على نطاق واسع.