S7 مقابل D2 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

المقدمة

S7 و D2 هما نوعان من الفولاذ المستخدم في الأدوات بشكل واسع، وغالبًا ما يقارن المهندسون والمحترفون في الشراء بينهما عند تحديد الأدوات، وأجزاء التآكل، والمكونات المعرضة للصدمات أو التآكل الكاشط. تشمل سياقات القرار النموذجية الاختيار بين المتانة العالية لتحمل الصدمات مقابل الصلابة العالية ومقاومة التآكل للاحتكاك أو الاتصال الانزلاقي، أو موازنة القابلية للتشغيل والتكلفة مقابل الأداء أثناء الخدمة.

الفرق العملي الرئيسي هو أن أحد الدرجات مُحسّنة لمقاومة الصدمات والمتانة بينما الأخرى مُحسّنة للصلابة العالية ومقاومة التآكل. نظرًا لأن كلاهما يُستخدم في تطبيقات أدوات العمل البارد، يجب على المصممين وزن التبادلات في محتوى السبائك، واستجابة المعالجة الحرارية، والقابلية للتشغيل، والقابلية للحام، وتكلفة دورة الحياة عند الاختيار بين S7 و D2.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والتسميات الشائعة التي يتم مواجهتها تجاريًا:
• تسميات AISI/SAE و ASTM القديمة: AISI S7، AISI D2 (تستخدم غالبًا في أمريكا الشمالية).
• EN/الأوروبية: قد تُعطى المعادلات كـ 1.2379 (لـ D2) وأرقام EN مشابهة للفولاذ من نوع S (يجب التحقق من المعادلات الدقيقة حسب المورد).
• JIS/GB: توجد معادلات إقليمية ولكنها تختلف؛ تأكد من شهادات المصنع.
• التصنيف:
• S7 — فولاذ أدوات مقاوم للصدمات (فولاذ أدوات سبيكي مصمم لمقاومة الصدمات والصدمات).
• D2 — فولاذ أدوات صلب عالي الكربون وعالي الكروم (فولاذ أدوات عمل بارد بمقاومة تآكل عالية).
• لا S7 ولا D2 هما من الدرجات المقاومة للصدأ (D2 يحتوي على كميات عالية من الكروم ولكنه لا يعتبر مقاومًا للصدأ بالمعنى المقاوم للتآكل).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تُعطى نطاقات التركيب النموذجية أدناه كنطاقات wt% "نموذجية" تمثل ما يُرى في أوراق البيانات التجارية؛ استشر دائمًا شهادة المصنع/المورد للحصول على قيم دقيقة.

العنصر	S7 النموذجية (wt%)	D2 النموذجية (wt%)
C	0.45–0.55	1.40–1.60
Mn	0.20–0.50	0.30–0.60
Si	0.20–0.45	0.10–1.00
P	≤0.030 (أثر)	≤0.030 (أثر)
S	≤0.030 (أثر)	≤0.030 (أثر)
Cr	0.80–1.50	11.0–13.0
Ni	≤0.30	≤0.40
Mo	0–0.50 (قليل أو غائب)	0.70–1.20
V	قليل (أثر–0.30)	0.60–1.10
Nb (Cb)	عادة لا شيء	عادة لا شيء أو أثر
Ti	عادة لا شيء	عادة لا شيء أو أثر
B	عادة لا شيء	عادة لا شيء
N	أثر	أثر

كيف تؤثر السبائك على الخصائص - الكربون: يسمح محتوى الكربون العالي في D2 بوجود نسبة عالية من الكربيدات الصلبة وصلابة عالية قابلة للتحقيق؛ يوازن الكربون المعتدل في S7 بين الصلابة والليونة من أجل المتانة. - الكروم: يزيد محتوى الكروم الكبير في D2 من قابلية التصلب ويشكل كربيدات غنية بالكروم لمقاومة التآكل؛ يساعد محتوى الكروم المعتدل في S7 على قابلية التصلب واستجابة التخمير دون تشكيل كربيدات زائدة. - الموليبدينوم والفاناديوم: في D2، يثبت Mo و V الكربيدات ويساهمان في مقاومة التخمير عند درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل. قد يستخدم S7 كميات صغيرة من Mo أو V لتقليل الحبيبات وتحسين قابلية التصلب ولكن بمستويات أقل بكثير. - تؤثر العناصر الثانوية (Mn، Si) على إزالة الأكسدة، وقابلية التصلب، وسلوك التخمير.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية (نموذجية بعد المعالجات الحرارية الشائعة) - S7: البنية المجهرية النموذجية بعد التبريد والتخمير المناسب هي مصفوفة مارتنسيتية متخمرة تحتوي على عدد قليل نسبيًا من الكربيدات الدقيقة. تم تصميم S7 للاحتفاظ بمارتنسيت ليفي وقوي وتقليل الكربيدات الصلبة الكبيرة التي تعمل كمبادرين للشقوق. - D2: الهيكل النموذجي هو مارتنسيت متخمّر/مصفوفة تحتوي على عدد كبير من الكربيدات الغنية بالكروم المستقرة (بشكل أساسي كربيدات من نوع M7C3 و M23C6 جنبًا إلى جنب مع كربيدات الفاناديوم والموليبدينوم). توفر هذه الكربيدات مقاومة عالية للتآكل ولكنها تقلل من المتانة.

سلوك المعالجة الحرارية - S7: يستجيب جيدًا لدورات التبريد والتخمير التقليدية. عادة ما يتم تبريده بالزيت من درجة حرارة الأوستنيتيز المناسبة ثم يتم تخميره للوصول إلى الصلابة المستهدفة لتحسين المتانة. يُستخدم التعديل قبل التصلب لتقليل الحبيبات وتوحيد البنية المجهرية للأقسام الكبيرة. - D2: هو فولاذ أدوات يتصلب في الهواء (مُعالج بشكل كبير) — غالبًا ما يتم تسخينه مسبقًا ثم يتم تبريده في خطوة واحدة أو متعددة من درجة حرارة الأوستنيتيز. بسبب محتواه العالي من Cr و C، يطور D2 حجمًا كبيرًا من الكربيدات الصلبة ويحقق صلابة عالية مع تقليل التشوه مقارنةً بدرجات التبريد بالماء/الزيت. قد يُستخدم التخمير المزدوج أو المعالجة تحت الصفر لتقليل الأوستنيت المحتجز وتثبيت الصلابة.

المعالجة الحرارية الميكانيكية - يستفيد S7 من التشكيل والتحكم في التبريد لتحسين حجم الحبيبات وزيادة المتانة عند الصدمات. - يستفيد D2 من المعالجة الحرارية الدقيقة للتحكم في توزيع الكربيدات؛ تحتاج التشوهات الشديدة قبل المعالجة الحرارية إلى خطوات استعادة/إعادة بلورة دقيقة لتجنب الكربيدات الخشنة.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية لفولاذ الأدوات بشكل كبير على المعالجة الحرارية. الجدول أدناه يعطي نطاقات مقارنة نموذجية بدلاً من القيم المطلقة لتعكس هذه الاعتماد.

الخاصية	S7 (نطاق مشروط نموذجي)	D2 (نطاق مشروط نموذجي)
الصلابة (HRC)	~45–56 (حسب التخمير)	~56–64 (صلابة قصوى قابلة للتحقيق أعلى)
قوة الشد (MPa)	متوسطة إلى عالية (معالجة حرارية)	عالية (تعتمد على الصلابة)
قوة العائد (MPa)	متوسطة	أعلى عند صلابة معادلة
التمدد (%)	أعلى (ليونة أفضل)	أقل (أقل ليونة)
متانة الصدمات (J أو ft·lb)	مرتفع نسبيًا (مصمم للصدمات)	منخفض إلى متوسط (متانة منخفضة بسبب الكربيدات)

التفسير - القوة والصلابة: عادة ما يحقق D2 صلابة أعلى وبالتالي مقاومة تآكل أعلى؛ يصل S7 إلى صلابة قصوى أقل ولكنه يوفر توازنًا أفضل بين القوة والليونة. - المتانة والليونة: S7 أكثر متانة وليونة بشكل ملحوظ من D2 تحت صلابة معالجة حرارية قابلة للمقارنة، مما يجعل S7 مفضلًا حيث يكون التحميل الناتج عن الصدمات أو الصدمات هو وضع الفشل الرئيسي. - التآكل مقابل الكسر: يقاوم D2 التآكل الكاشط واللزج بشكل أفضل بكثير بسبب وفرة الكربيدات، ولكنه أكثر عرضة للكسر الهش تحت تأثير الصدمات أو الحمل الزائد.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني، وقابلية التصلب، والقدرة على التصدع أثناء اللحام.

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (استخدام نوعي فقط): - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (معهد اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي - S7: يعطي الكربون المعتدل والسبائك المنخفضة عمومًا معادلاً كربونيًا أقل من D2 في العديد من الحالات، لذا فإن S7 عمومًا أسهل في التسخين المسبق واللحام (مع الإجراءات المناسبة). ومع ذلك، يجب أن تتحكم إجراءات اللحام في درجة حرارة التداخل، والتسخين المسبق، والمعالجة الحرارية بعد اللحام لتجنب التصدع لأن المعدن الأساسي يمكن أن يشكل مارتنسيت صلب في منطقة التأثير الحراري. - D2: ينتج الكربون العالي والكروم العالي معادلاً كربونيًا عاليًا ويميل بشدة إلى تشكيل هياكل مجهرية صلبة وهشة في منطقة التأثير الحراري. يُعتبر D2 صعب اللحام؛ الممارسة الشائعة هي تجنب اللحام عند الإمكان أو استخدام إجراءات متخصصة (تسخين مسبق مكثف، مدخلات حرارة منخفضة، تخمير بعد اللحام) أو استخدام اللحام باللحام أو الانضمام الميكانيكي بدلاً من ذلك.

باختصار، S7 أكثر قابلية للحام من D2 ولكن كلاهما يتطلب إجراءات محكومة؛ غالبًا ما يتطلب D2 استراتيجيات انضمام بديلة للحام.

6. التآكل وحماية السطح

• لا S7 ولا D2 هما فولاذ مقاوم للصدأ. يحتوي D2 على كميات عالية من الكروم (≈12%) مما يمنحه مقاومة محسنة للتآكل الجوي العام مقارنة بالفولاذات منخفضة الكروم، ولكنه لا يزال سيتآكل في البيئات العدوانية.
• طرق الحماية: من أجل عمر الخدمة والمظهر، تتلقى كلا الدرجتين عادةً حماية سطحية مثل الطلاء، أو الطلاء الكهربائي، أو الفوسفات، أو الجلفنة (حسب هندسة الجزء والتسامح المطلوب). بالنسبة للأدوات في البيئات الرطبة أو التآكلية، قد يكون من الأفضل تطبيق طلاءات سطحية (PVD، CVD، نيتريدينغ لحماية التآكل/التآكل) أو استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ، ولكن للمرجع: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ يستخدم هذا المؤشر للسبائك المقاومة للصدأ؛ لا يتنبأ بشكل ذي معنى بأداء التآكل لفولاذ الأدوات D2 أو S7.

7. التصنيع، القابلية للتشغيل، والقابلية للتشكيل

• القابلية للتشغيل:
• S7: أسهل في التشغيل في الحالة الملدنة من D2 بسبب محتوى الكربيد المنخفض. يعمل بشكل جيد قبل التصلب؛ يتطلب التشغيل أو الطحن بعد التصلب للحصول على التسامحات النهائية.
• D2: القابلية للتشغيل في الحالة الملدنة متوسطة ولكن أسوأ من العديد من الفولاذات منخفضة السبائك بسبب الكروم العالي وعناصر تشكيل الكربيد؛ في الحالة المتصلبة، يكون D2 صعب التشغيل وعادة ما يجب طحنه بدلاً من قطعه.
• القابلية للتشكيل والانحناء:
• يمكن العمل بكلا الدرجتين عند الملدنة، ولكن التشكيل البارد بعد التصلب غير ممكن لأي منهما. تعطي ليونة S7 الأعلى في الحالة المتخمرة هامشًا أفضل ضد التصدع أثناء عمليات التشكيل.
• التشطيب:
• عادة ما يتطلب D2 الطحن للحصول على الهندسة النهائية وقد يتطلب المزيد من تزيين العجلات بشكل متكرر بسبب الكربيدات الصلبة.
• S7 أقل تآكلًا على الأدوات وينتهي بشكل أكثر سهولة.

8. التطبيقات النموذجية

S7 – الاستخدامات النموذجية	D2 – الاستخدامات النموذجية
أدوات التأثير: المطارق، والمثاقب، ورؤوس المطرقة، وأدوات الحفر، والمثاقب المعرضة لتحميل الصدمات	قوالب العمل البارد: قوالب التقطيع والثقب، وشفرات القص، وسكاكين الشق
أدوات تتطلب متانة عالية: مثاقب الصخور، وأدوات التشكيل البارد، وأدوات التثبيت	أدوات حرجة للتآكل: قوالب لقطع المواد الكاشطة، وعمليات التشكيل حيث يهيمن التآكل
مكونات يمكن إعادة تشكيلها أو إصلاحها باللحام أو اللحام بشكل أكثر سهولة	أدوات وقواطع طويلة الأمد حيث تمتد الصلابة العالية ومقاومة التآكل العمر على الرغم من الهشاشة
أدوات عامة تحتاج إلى مقاومة جيدة للصدمات وتآكل معقول	أدوات دقيقة وتطبيقات القص تتطلب احتفاظًا مستمرًا بالحافة

مبررات الاختيار - اختر S7 عندما تتعرض الأجزاء لصدمات متكررة، أو تأثير، أو انحناء، أو تحتاج إلى متانة وإمكانية إصلاح أثناء الخدمة. - اختر D2 عندما تهيمن مقاومة التآكل السطحي والحافة على وضع الفشل ويمكن تحمل الصلابة العالية (وإذا كانت الأجزاء ستُطحن بدلاً من أن تُلحم).

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادة ما يكون D2 أكثر تكلفة من S7 على أساس الوزن بسبب السبائك الأعلى (Cr، Mo، V) والمعالجة الأكثر تطلبًا؛ ومع ذلك، قد تفضل تكلفة دورة الحياة D2 عندما يقلل تمديد عمر الأداة من التوقف وتكرار الاستبدال.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحة على نطاق واسع من موردي فولاذ الأدوات في القضبان، والألواح، والمواد المسطحة المعالجة مسبقًا. D2 شائع في الشرائط والأقراص المعالجة مسبقًا للأدوات، بينما يتم تخزين S7 عادةً في القضبان والأحجام الدائرية للمكونات المقاومة للصدمات.
• أشكال المنتجات: بالنسبة للأجزاء المعقدة أو الكبيرة، يمكن أن تؤثر أوقات التسليم وشكل المواد الخام (التشكيل مقابل القضبان) بشكل كبير على التكلفة.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص

الخاصية	S7	D2
قابلية اللحام	أفضل (متوسطة؛ لا تزال تتطلب التحكم)	ضعيفة (CE عالية؛ صعبة اللحام)
توازن القوة–المتانة	متانة عالية، مقاومة جيدة للصدمات	صلابة ومقاومة تآكل أعلى، متانة أقل
التكلفة	متوسطة	أعلى (محتوى سبيكي أعلى)

الاستنتاج والتوصيات - اختر S7 إذا: - كان وضع الفشل الرئيسي لديك هو التأثير، أو الصدمة، أو الكسر الهش وتحتاج إلى درجة تتحمل عدم المحاذاة، أو الأحمال الصدمية، أو الحمل الزائد العرضي. - تقدر إمكانية الإصلاح (اللحام/اللحام) وسهولة التعامل بعد المعالجة الحرارية. - تحتاج إلى توازن بين القوة والليونة للأحداث عالية الإجهاد المتقطعة.

• اختر D2 إذا:
• كانت حاجتك الرئيسية هي التآكل، أو التآكل الانزلاقي، أو الاحتفاظ بالحافة في أدوات العمل البارد وكانت أطول عمر للأداة تحت ظروف التآكل هي الأولوية القصوى.
• كنت مستعدًا لتحديد الطحن أو الإصلاحات غير الملحومة ويمكنك التحكم في التصنيع لتجنب اللحامات أو تقليل مدخلات الحرارة.
• كانت تكلفة دورة الحياة تفضل تكلفة المواد والمعالجة الأولية الأعلى مقابل عمر خدمة ممتد.

ملاحظة نهائية: الاختيار الأمثل يعتمد على السياق. حدد نوع التحميل المتوقع (صدمة مقابل تآكل)، واستراتيجية الصيانة/الإصلاح المسموح بها، ونهج التسامح البعدي (التشغيل مقابل الطحن)، والتعرض البيئي لضمان توافق الفولاذ المختار وطريقته في المعالجة الحرارية مع المتطلبات الوظيفية. تأكد دائمًا من الخصائص الكيميائية والميكانيكية مع شهادات المصنع أو معايير المواد قبل التحديد النهائي.