S7 مقابل A2 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

S7 و A2 هما نوعان من الفولاذ المستخدم في الأدوات، ويستخدمان بشكل شائع في أدوات القطع، والقوالب، والمكونات عالية التأثير. يقوم المهندسون والمتخصصون في الشراء بوزن التبادلات بين المتانة، والصلابة، وقابلية التشغيل، وتكلفة دورة الحياة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار مادة لأدوات عرضة للتأثير (مثل: المثاقب، والمطارق) مقابل قوالب وأدوات قص مستقرة من حيث التآكل والأبعاد.

التمييز الأساسي في الممارسة هو أن S7 مصمم لمقاومة الصدمات والتأثير بشكل أفضل، بينما تم تصميم A2 لتحقيق مقاومة تآكل أعلى واستقرار أبعاد من خلال التصلب الهوائي والصلابة الأعلى الممكنة. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذ المستخدم في الأدوات المتعددة الاستخدامات، غالبًا ما يتم مقارنتهما عندما يحتاج التصميم إلى بعض المتانة ودرجة صلابة أو مقاومة تآكل كبيرة.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والتسميات الشائعة:
• AISI/SAE: S7، A2 (تسميات عائلة الفولاذ المستخدم في الأدوات المستخدمة على نطاق واسع في أمريكا الشمالية)
• EN: S7 يتوافق تقريبًا مع EN X210CrW12؟ (ملاحظة: التوافق المباشر يختلف حسب المعالجة الحرارية والمورد)؛ A2 يتوافق مع EN 1.2363 (غالبًا ما يُشار إليه باسم AISI A2).
• JIS/KS/GB: توجد معادلات إقليمية؛ استشر جداول المعايير المحلية للحصول على مراجع دقيقة.
• التصنيف:
• S7: فولاذ أدوات مقاوم للصدمات (فولاذ أدوات سبيكي)
• A2: فولاذ أدوات عمل بارد يتصلب بالهواء (فولاذ أدوات سبيكي)
• لا يعتبر كل من S7 و A2 فولاذًا مقاومًا للصدأ؛ كلاهما فولاذ أدوات سبيكي عالي الكربون بدلاً من فولاذ HSLA أو فولاذ هيكلي.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (تقريبية؛ استشر أوراق بيانات المورد أو المعايير للحصول على حدود دقيقة)

عنصر	S7 (نموذجي، wt%)	A2 (نموذجي، wt%)
C	0.45–0.60	0.95–1.05
Mn	0.20–0.60	0.25–0.60
Si	0.20–1.00	0.20–1.00
P	≤0.03 (أقصى أثر)	≤0.03 (أقصى أثر)
S	≤0.03 (أقصى أثر)	≤0.03 (أقصى أثر)
Cr	1.00–1.60	0.90–1.40
Ni	≤0.30	≤0.30
Mo	0.10–0.40	0.80–1.30
V	0.05–0.20	0.10–0.30
Nb، Ti، B، N	أثر / غير مهم	أثر / غير مهم

ملاحظات: - القيم هي نطاقات نموذجية مسجلة في أوراق بيانات الشركات المصنعة الشائعة؛ تحقق دائمًا من شهادات المصنع. - يحتوي S7 على كربون معتدل وكروم معتدل مع توازن سبيكي مصمم لتوفير متانة عالية وصلابة جيدة عند معدلات التبريد التقليدية. - يحتوي A2 على كربون أعلى بكثير وموبيليوم وفاناديوم إضافيين لتعزيز التصلب الهوائي، وقدرة التصلب الثانوية، ومقاومة تآكل أفضل عند تصلبها وتخميرها.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يزيد الكربون من إمكانات الصلابة والقوة ولكنه يزيد من قابلية التصلب واحتمالية التشقق. - يساهم الكروم في قابلية التصلب ومقاومة التخمير؛ كما أن زيادة الكروم تحسن أيضًا مقاومة الأكسدة عند درجات حرارة التخمير المرتفعة (ليس سلوكًا مقاومًا للصدأ). - يعزز الموليبدينوم قابلية التصلب، والقوة عند درجات الحرارة العالية، والتصلب الثانوي. - ينقي الفاناديوم الحبيبات ويشكل كربيدات صلبة، مما يحسن مقاومة التآكل واستقرار الأبعاد. - يركز توازن S7 على امتصاص الطاقة ومقاومة التشقق؛ بينما يستهدف توازن A2 صلابة أعلى، وتحكمًا في الأبعاد، ومقاومة للتآكل.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة الملدنة، تتكون كلا الدرجتين بشكل رئيسي من الفريت مع كربيدات موزعة؛ يحتوي A2 على كثافة كربيد أعلى بسبب الكربون الأعلى والعناصر الأكثر قوة في تشكيل الكربيد. - بعد التبريد والتخمير: - S7: مارتنسيت مخفف مع أستينيت محتفظ به إذا تم تبريده من درجة حرارة عالية؛ كربيدات أكثر خشونة نسبيًا ومصفوفة سبيكية محسّنة للمتانة. عادةً ما يتم تبريد S7 في الزيت (أو زيت دافئ) وتخميره إلى الصلابة المطلوبة للاحتفاظ بمتانة تأثير عالية. - A2: التصلب الهوائي يؤدي إلى مارتنسيت أكثر تجانسًا وكربيدات أدق؛ التخمير يحفز التصلب الثانوي بسبب كربيدات Mo و V. البنية المجهرية لـ A2 بعد المعالجة الحرارية المناسبة محسّنة لاستقرار الأبعاد ومقاومة التآكل.

أثر طرق المعالجة: - التطبيع/تنقية الحبيبات: كلاهما يستفيد من دورة تطبيع قبل التصلب النهائي لتنقية الحبيبات وإذابة الكربيدات الخشنة. - التبريد والتخمير: - S7: عادةً ما يتم تصلبه في الزيت لتجنب التشقق ولإنتاج توازن بين المتانة والصلابة. تنتج درجات حرارة متعددة عند درجات حرارة معتدلة متانة مستقرة. - A2: يجعل التصلب الهوائي التبريد أقل حدة، مما يقلل من التشوه ومخاطر التشقق؛ التبريد في الهواء أو الهواء الساكن من درجة حرارة الأستينيت يطور مارتنسيت صلب وكربيدات دقيقة. جدول التخمير حاسم لتحقيق الصلابة المطلوبة واستقرار الأبعاد، وغالبًا ما يتضمن علاجات تحت الصفر لتقليل الأستينيت المحتفظ به إذا لزم الأمر. - تؤثر المعالجة الحرارية الميكانيكية على المتانة النهائية وقابلية التصلب؛ غالبًا ما يركز إنتاج S7 على متانة التأثير من خلال التدوير والتحكم في جداول المعالجة الحرارية.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على المعالجة الحرارية. الجدول أدناه يعطي نطاقات تمثيلية للظروف المستخدمة بشكل شائع؛ فسرها كنطاقات تعتمد على العملية بدلاً من قيم ثابتة.

خاصية	S7 (نطاق نموذجي)	A2 (نطاق نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال)	~800–1700 (ملدن → مقوى)	~900–2300 (ملدن → مقوى)
قوة الخضوع (ميغاباسكال)	~600–1400	~700–2000
التمدد (%)	8–18% (يعتمد على الصلابة)	6–15%
متانة التأثير (شاربي J)	عالية: غالبًا ما تكون أكبر بكثير من الدرجات المماثلة عند نفس الصلابة؛ على سبيل المثال، تتفوق تحت الأحمال المفاجئة	متوسطة: أقل من S7 عند صلابة مماثلة بسبب محتوى الكربيد الأعلى
الصلابة (HRC)	نطاق مقوى نموذجي: ~40–58 HRC (تخمير انتقائي للمتانة)	نطاق مقوى نموذجي: ~50–62 HRC (يحقق A2 صلابة أعلى مع تحكم جيد في الأبعاد)

التفسير: - يمكن أن يصل A2 إلى صلابة أعلى ومقاومة تآكل أكبر من S7 للمعالجات الحرارية المماثلة، بسبب الكربون الأعلى وعناصر سبائك الكربيد (Mo، V). - يوفر S7 متانة تأثير أعلى ومقاومة للكسر عند صلابة معينة، مما يجعله مفضلًا للأدوات المعرضة للصدمات المتكررة أو الأحمال الزائدة المحتملة. - تكون اللدونة والتمدد أعلى في S7 عندما يكون كلاهما في ظروف تركز على المتانة؛ يتبادل A2 بعض المتانة واللدونة مقابل الصلابة وعمر التآكل.

5. قابلية اللحام

اعتبارات قابلية اللحام: - كل من S7 و A2 هما فولاذان سبيكيان عالي الكربون؛ تشمل مخاطر اللحام التشقق البارد، والتشقق الناتج عن الهيدروجين، وفقدان المتانة في منطقة التأثير الحراري (HAZ). - العوامل الحرجة: المعادل الكربوني (CE) و Pcm. هناك صيغتين تجريبيتين مستخدمتين بشكل شائع:

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

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

• التفسير النوعي:
• زيادة CE أو $P_{cm}$ تزيد من قابلية التصلب والاتجاه لتشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري، مما يزيد من مخاطر التشقق البارد ويقلل من قابلية اللحام.
• يؤدي محتوى A2 الأعلى من الكربون وMo وV عمومًا إلى CE/Pcm أعلى من S7، لذا فإن A2 عادة ما يكون أكثر تحديًا للحام دون تسخين مسبق، ودرجات حرارة تحكم بين الطبقات، ومعالجة حرارية بعد اللحام.
• يعتبر S7، رغم أنه لا يزال يتطلب الحذر، أسهل نسبيًا في اللحام من A2 بسبب كربونه الأقل وتوازن السبائك المختلف؛ ومع ذلك، غالبًا ما يتطلب التسخين المسبق وإجراءات محكومة لكليهما.
• التوصيات العملية: استخدم التسخين المسبق، ومواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، ودرجات حرارة تحكم بين الطبقات، وحيثما أمكن، طبق تخميرًا بعد اللحام أو تخفيف الضغط. عندما يكون اللحام لا مفر منه، ضع في اعتبارك استخدام حشو متطابق مصمم لفولاذ الأدوات أو طرق انضمام بديلة (لحام، ربط ميكانيكي).

6. التآكل وحماية السطح

• لا يعتبر كل من S7 و A2 مقاومًا للصدأ - كلاهما لهما مقاومة محدودة للتآكل ويجب حمايتهما في البيئات التآكلية.
• استراتيجيات الحماية النموذجية:
• الطلاءات (النيترة، طلاءات PVD/CVD لمقاومة التآكل، أو DLC حيثما ينطبق)
• معالجات السطح: طلاء بالكروم الصلب، كربنة (في حالات محددة)، أو نيترة حسب قيود التطبيق
• طلاءات الحاجز: الطلاء، الطلاء المسحوق، أو الجلفنة للتعرضات الهيكلية (ملاحظة: قد لا تكون الجلفنة مناسبة لأسطح الأدوات).
• رقم مقاومة التآكل (PREN) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ؛ بالنسبة للدرجات المقاومة للصدأ، يتم استخدام مؤشر مثل $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ ولكنه لا ينطبق على S7 أو A2.
• التوصية: للأدوات المعرضة للرطوبة أو الوسائط التآكلية، اجمع بين التشطيب المعدني المناسب (مثل: النيترة) مع التحكم البيئي والصيانة.

7. التصنيع، وقابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• في الحالة الملدنة، كلا الدرجتين قابلتان للتشغيل بشكل معقول؛ A2 في الشكل الملدن أكثر ليونة ولكن لديها محتوى كربيد أعلى يمكن أن يؤثر على تآكل الأدوات.
• عادةً ما يكون S7 أسهل في التشغيل في الحالة الملدنة بسبب قابلية التصلب الأقل وحجم الكربيد الأقل.
• الطحن والتشطيب:
• تتطلب صلابة A2 الأعلى ومحتوى الكربيد طحنًا أكثر عدوانية وقد تزيد من تآكل العجلات؛ غالبًا ما يحتاج التشطيب النهائي إلى عجلات دقيقة ومواد تبريد.
• عادةً ما يطحن S7 بشكل أكثر سهولة ولكنه لا يزال يستفيد من التزيين المناسب ومواد التبريد.
• قابلية التشكيل والانحناء:
• كلاهما لهما قابلية تشكيل محدودة في الحالات المقواة. يجب أن يتم التشكيل البارد في الحالة اللينة/الملدنة؛ يقلل محتوى الكربون الأعلى في A2 وتعداد الكربيد من اللدونة مقارنةً بـ S7.
• نصيحة التصنيع الرئيسية: قم بإجراء التشغيل والتشكيل بالجملة في الحالة الملدنة، ثم قم بإجراء المعالجة الحرارية النهائية، ثم قم بالطحن النهائي للأبعاد النهائية؛ تحكم في التشوه لـ A2 بسبب سلوك التصلب الهوائي.

8. التطبيقات النموذجية

جدول: الاستخدامات الشائعة

A2	S7
قوالب للقص، والقطع، وتطبيقات القص حيث تكون مقاومة التآكل واستقرار الأبعاد حاسمة	أدوات دفع، ومطارق، ومثاقب، ورؤوس مثاقب، وأدوات تأثير حيث تكون مقاومة الصدمات العالية مطلوبة
أدوات العمل البارد، والأدوات، والقوالب التي تتطلب تصلبًا هوائيًا لتقليل التشوه	أدوات العمل الساخن/البارد المعرضة لأحمال تأثير عالية وصدمات متكررة
قوالب التشكيل التي تستفيد من التصلب الثانوي والتحكم الدقيق في الأبعاد	أدوات ومكونات تتعرض لأحمال زائدة عرضية أو دورات تأثير
تطبيقات حيث تحتاج إلى تشطيب سطحي دقيق ومقاومة للتآكل (مع معالجة حرارية مناسبة)	حالات حيث تكون متانة الكسر وامتصاص الطاقة العالية أمرًا بالغ الأهمية

منطق الاختيار: - اختر A2 عندما تكون مقاومة التآكل، واستقرار الأبعاد بعد المعالجة الحرارية، والقدرة على التخمير إلى صلابة عالية هي المتطلبات السائدة. - اختر S7 عندما تكون الصدمات المتكررة، أو الأحمال الساقطة، أو الحاجة إلى مقاومة بدء التشقق وانتشاره تحت الأحمال الصدمية هي السائدة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة:
• A2 عادة ما يكون سعره معتدلًا بين فولاذ الأدوات؛ قد تكون التكلفة أعلى من الفولاذ الكربوني الأساسي بسبب عناصر السبائك (Mo، V).
• S7 قابل للمقارنة في التكلفة مع العديد من فولاذ الأدوات السبيكية؛ تعتمد الأسعار على المصنع، والحجم، والشكل (بار، لوح)، وظروف السوق.
• التوافر:
• كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع من مصانع الصلب الكبرى وموزعي الصلب المتخصصين في شكل بار، وقضيب، ولوح، وكتل أدوات مسبقة التصلب.
• يميل A2 إلى أن يكون مخزونًا بشكل أكثر شيوعًا في كتل أدوات مسبقة التصلب القياسية وكتل أدوات مصقولة بدقة؛ بينما يتوفر S7 بشكل شائع حيث يتم توفير أدوات مقاومة للصدمات.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي)

المعيار	S7	A2
قابلية اللحام	أفضل (نسبيًا) ولكن يتطلب تسخين مسبق/تحكم	أكثر تحديًا؛ CE/Pcm أعلى، يتطلب إجراءً دقيقًا
توازن القوة–المتانة	تركيز قوي على المتانة ومقاومة التأثير	تركيز قوي على الصلابة ومقاومة التآكل؛ استقرار جيد للأبعاد
التكلفة	قابل للمقارنة	قابل للمقارنة

الاستنتاجات: - اختر S7 إذا: - كانت التطبيق يتضمن تأثيرات متكررة، أو تحميل صدمات، أو خطر كبير من الكسر الهش. - كنت بحاجة إلى متانة كسر عالية وامتصاص للطاقة عند صلابة معتدلة. - كانت اللحام أو إمكانية الإصلاح في الميدان مع تسخين مسبق أقل صرامة اعتبارًا (لا يزال يتطلب إجراءات صحيحة).

• اختر A2 إذا:
• كانت مقاومة التآكل، وعمر التآكل، واستقرار الأبعاد بعد المعالجة الحرارية هي المتطلبات الأساسية.
• كانت هناك حاجة إلى صلابة أعلى (للاحتفاظ بالحواف أو تآكل القص) مع التحكم في التشوه من خلال التصلب الهوائي.
• تتطلب التطبيقات تشطيبًا سطحيًا دقيقًا واستجابة تخمير متوقعة.

ملاحظة نهائية: يعتمد الاختيار الأفضل على طيف الأحمال المحددة، وهندسة الجزء، وقدرة المعالجة الحرارية، ونموذج تكلفة دورة الحياة. استشر دائمًا شهادات المصنع وأجرِ اختبارات محددة للتطبيق (تعب، تأثير، تجارب تآكل) وتحقق من جداول المعالجة الحرارية قبل الشراء الكامل للإنتاج.