SUJ2 مقابل SUJ3 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

SUJ2 و SUJ3 هما فولاذان عالي الكربون ومحتويان على الكروم مصممان وفقًا لمعايير JIS، وغالبًا ما يُعتبران مناسبين لمكونات الاتصال الدائري، والأعمدة، وأجزاء أخرى تتطلب مقاومة عالية للتآكل. غالبًا ما يوازن المهندسون والمهنيون في الشراء بين أقصى صلابة ومقاومة للتآكل مقابل المتانة، وقابلية التشغيل، وقابلية اللحام عند الاختيار بين هذين النوعين. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار المواد لمحامل السرعة العالية، والأعمدة المعرضة للتحميل الدوري، أو المكونات التي تؤثر فيها عمليات المعالجة اللاحقة والانضمام على التكلفة ووقت التسليم.

التمييز العملي الرئيسي بين النوعين هو اختلاف طفيف في التركيب الكيميائي الذي يؤثر على الصلابة القابلة للتحقيق وقابلية التصلب بعد المعالجة الحرارية. هذا التحول الطفيف في التركيب يترجم إلى استجابات مختلفة للمعالجة الحرارية، وبالتالي، توازنات مختلفة من القوة، ومقاومة التآكل، والمتانة—ومن هنا يأتي المقارنة المباشرة المتكررة في التصميم والتصنيع.

1. المعايير والتسميات

• JIS: SUJ2 و SUJ3 (سلسلة JIS G4805 لفولاذ المحامل)
• معادلات دولية شائعة أو قريبة:
• SUJ2: غالبًا ما يُقارن بـ AISI/SAE 52100 / EN 100Cr6 / DIN 1.3505
• SUJ3: يُصنف عمومًا جنبًا إلى جنب مع فولاذ المحامل عالي الكربون والكروم ولكن مع كيمياء اسمية مختلفة قليلاً عن SUJ2
• التصنيف: كلاهما فولاذ محامل عالي الكربون ومحتوي على الكروم (فولاذ أدوات/محامل كربوني-كرومي)، ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تلخص الجدول التالي الحضور النموذجي والمستويات النسبية للعناصر السبائكية الشائعة لـ SUJ2 و SUJ3. يتم وصف القيم نوعيًا (عالية / متوسطة / منخفضة / أثر / لا شيء) لتجنب الإيحاء بنطاقات عددية دقيقة حيث قد تختلف الحدود المحددة من دفعة إلى أخرى أو وفقًا للمعايير.

كيف تؤثر السبائك على الأداء: - الكربون والكروم هما المحركان الرئيسيان لسلوك فولاذ المحامل: يوفر الكربون الصلابة المارتنسيتية ومقاومة التآكل؛ يزيد الكروم من قابلية التصلب ويحسن مقاومة التآكل ومقاومة التخمير. - تعمل مستويات منخفضة من Mn/Si بشكل أساسي كمزيلات للأكسدة ولها تأثير معتدل على قابلية التصلب. - يتم التحكم في مستويات الشوائب (P، S) للحفاظ على عمر التعب؛ يتم أحيانًا التحكم في S لتحقيق توازن بين قابلية التشغيل مقابل التعب.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة المعالجة، يتم تزويد كلا النوعين بكربيدات كروية في مصفوفة حديدية لتسهيل التشغيل. - بعد التبريد والتخمير، تكون البنية المجهرية المستهدفة لكليهما هي المارتنسيت المتخمّر مع كربيدات الكروم الموزعة. تعتمد نسبة وتوزيع الكربيدات والأوستينيت المحتفظ به على محتوى الكربون وشدة التبريد.

آثار المعالجة الحرارية والاختلافات: - التطبيع/التكرير: يزيد من المتانة ويصقل حجم حبيبات الأوستينيت السابقة؛ يستجيب كلا النوعين بتشكيل حبيبات أوستينيتية دقيقة قبل التبريد. - التبريد والتخمير: تمكّن ميول SUJ2 المدمجة من الكربون والكروم الأعلى قليلاً من تحقيق صلابة أعلى بعد التبريد ومقاومة تآكل لنفس التبريد، ولكنها تزيد أيضًا من خطر التشقق الناتج عن التبريد والأوستينيت المحتفظ به إذا لم يتم تخميره بشكل صحيح. عادةً ما يحقق SUJ3، مع قابلية تصلب فعالة أقل قليلاً في العديد من المواصفات، صلابة قصوى أقل ولكن متانة محسّنة قليلاً وحساسية أقل للتشقق الناتج عن التبريد تحت دورات مشابهة. - التخمير: يستجيب كلاهما بشكل متوقع—تؤدي درجة حرارة التخمير الأعلى إلى خفض الصلابة وزيادة المتانة. يجب اختيار معلمات التخمير بناءً على التوازن المطلوب بين الصلابة ومقاومة الصدمات. - المعالجات الحرارية الميكانيكية: لا تُطبق عادةً على هذه الفولاذات المحامل بنفس الطريقة التي تُطبق بها على فولاذ HSLA، ولكن يمكن أن تضبط التبريد المنضبط بعد العمل الساخن قابلية التصلب والإجهاد المتبقي.

4. الخصائص الميكانيكية

فيما يلي جدول مقارنة نوعية للسلوك الميكانيكي النموذجي بعد المعالجات الحرارية التمثيلية للمحامل. تعتمد القيم المطلقة على أهداف المعالجة الحرارية المحددة (مثل 60 HRC مقابل 58 HRC مقابل ظروف التخمير).

التفسير: - عندما يدفع المصممون نحو أعلى صلابة ومقاومة للتآكل، تدعم كيمياء SUJ2 هذا الهدف بشكل أكثر سهولة. عندما تتطلب الخدمة متانة أعلى أو مقاومة محسّنة للتعب الناتج عن الاتصال تحت صدمات متكررة، يمكن أن تكون استجابة SUJ3 الأكثر اعتدالًا مفيدة.

5. قابلية اللحام

تعتبر قابلية اللحام لفولاذ المحامل عالي الكربون والمحتوي على الكروم عمومًا ضعيفة مقارنة بالفولاذات منخفضة الكربون؛ يزداد خطر التشقق الناتج عن الهيدروجين والمناطق المتأثرة بالحرارة الصلبة والهشة مع زيادة الكربون وقابلية التصلب.

الصيغ التنبؤية المفيدة: - المعادل الكربوني (IIW) غالبًا ما يُستخدم لتقييم احتياجات التسخين المسبق والإجراءات: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - معلمة أكثر تفصيلاً للفولاذات الحديثة: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير: - تشير القيم الأعلى لـ $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ إلى انخفاض قابلية اللحام وزيادة الحاجة إلى التسخين المسبق، ودرجات حرارة التحكم بين الطبقات، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). - نظرًا لأن SUJ2 يميل إلى أن يكون له مساهمة كربونية وكرومية أعلى، فإنه عمومًا ينتج معادل كربوني أعلى من SUJ3 وبالتالي قابلية لحام أقل. في الممارسة العملية، يتم تجنب لحام كلا النوعين ما لم يكن ضروريًا؛ إذا كان اللحام مطلوبًا، استخدم مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، وتسخين مسبق منضبط، وتخمير بعد اللحام لتقليل خطر التشقق.

6. التآكل وحماية السطح

• لا SUJ2 ولا SUJ3 مقاومان للصدأ؛ مستويات الكروم ليست عالية بما يكفي لإنتاج فيلم مقاوم للصدأ.
• الحمايات الشائعة: التزييت، طلاء الفوسفات، الطلاء الكهربائي، الطلاء، أو الغلفنة بالغمر الساخن (مع مراعاة الأبعاد والاعتبارات المعدنية). بالنسبة للعناصر الدوارة، تُستخدم أفلام حماية رقيقة (مثل أكسيد أسود أو مواد تشحيم متخصصة) عادةً لحماية المخزون قبل التجميع.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الأنواع غير المقاومة للصدأ؛ للمرجع: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• استخدم حماية من التآكل مناسبة للبيئة: تتطلب المحامل المغلقة مع مواد التشحيم حماية مختلفة عن الأعمدة المكشوفة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: في الحالة المعالجة (الكروية)، يكون كلا النوعين سهل التشغيل نسبيًا. إذا تم تشغيل الأجزاء في الحالة المتصلبة، فإن صلابة SUJ2 الأعلى ستقلل من عمر الأداة وتزيد من أوقات الدورة مقارنةً بـ SUJ3.
• الطحن والتشطيب: غالبًا ما تتطلب صلابة SUJ2 الأعلى عمليات طحن أكثر عدوانية أو مواد كاشطة أدق؛ يجب التحكم في سلامة السطح وتوليد الحرارة لتجنب التخمير أو تحفيز الإجهاد المتبقي.
• التشكيل/الانحناء: يقتصر التشكيل البارد لكلا النوعين بسبب الكربون العالي؛ يتم عادةً تشكيلهما في حالة أنعم، معالجة. يتم تجنب السحب العميق أو التشكيل الشديد عمومًا.
• التحكم في تشوه المعالجة الحرارية: يمكن أن يتشوه كلا النوعين أثناء التبريد والتخمير؛ قد يكون SUJ2 أكثر حساسية لشدة التبريد بسبب قابلية التصلب الأعلى.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر SUJ2 عندما تكون مقاومة التآكل القصوى وسعة ضغط الاتصال العالية هي الأولوية وعندما يمكن أن تستوعب مسار التصنيع/التجميع ضوابط صارمة للمعالجة الحرارية والتعامل. - اختر SUJ3 عندما يؤدي تقليل طفيف في الصلابة إلى تحسين المتانة، وتقليل خطر التشقق الناتج عن التبريد، أو عندما تفضل قيود التشغيل/اللحام قابلية تصلب أقل قليلاً.

9. التكلفة والتوافر

• SUJ2 محدد على نطاق واسع ومتوافر في أشكال مخزون فولاذ المحامل (قضبان، حلقات، صفائح، كرات/بكرات جاهزة) من العديد من الموردين؛ تميل اقتصادات الحجم إلى الحفاظ على تكاليف الوحدة تنافسية.
• SUJ3 متاح أيضًا ولكن قد يكون أقل شيوعًا حسب المنطقة وتركيز المورد؛ يمكن أن تختلف أوقات التسليم حسب شكل المنتج.
• التكلفة النسبية: متقاربة بالنسبة لقضبان السلع الأساسية؛ غالبًا ما تكون الاختلافات في التكلفة مدفوعة أكثر بشكل المنتج، ومتطلبات المعالجة الحرارية، والتشطيب من قبل علاوة درجة المطحنة.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

التوصيات: - اختر SUJ2 إذا كنت بحاجة إلى مقاومة تآكل قصوى في الاتصال الدائري وصلابة عالية قابلة للتحقيق للمحامل، أو البكرات، أو الحلقات، ويمكنك التحكم في إجراءات المعالجة الحرارية، والتعامل، والانضمام لتقليل خطر التشقق والإجهاد المتبقي. - اختر SUJ3 إذا كانت تطبيقاتك تستفيد من توازن محسّن بشكل معتدل بين المتانة وقابلية التشغيل، أو حساسية أقل للتشقق الناتج عن التبريد، أو إذا كانت اعتبارات التصنيع/اللحام اللاحقة تعارض أعلى صلابة ممكنة.

ملاحظة ختامية: يجب أن يستند الاختيار النهائي إلى الأهداف المحددة للأداء (الصلابة، عمر التعب، المتانة)، وتدفق التصنيع (قابلية التشغيل، الانضمام، قدرات المعالجة الحرارية)، وبيئة الخدمة (التشحيم، التعرض للتآكل). تحقق من اختيار المادة من خلال تجارب معالجة حرارية نموذجية، وحيثما أمكن، اختبارات التعب أو تآكل الاتصال التي تمثل الخدمة المقصودة.