صلب EN31 (52100): الخصائص والتطبيقات الرئيسية

الفولاذ EN31، المعروف أيضًا باسم فولاذ المحامل أو 52100، هو فولاذ سبائكي عالي الكربون يتم تصنيفه أساسًا كفولاذ سبائكي متوسط الكربون. يتميز هذا الفولاذ بصلابته الممتازة ومقاومته للتآكل وقدرته على تحمل الأحمال العالية، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لتصنيع العناصر الدوارة في المحامل، مثل الكرات والأسطوانات. العناصر الأساسية في السبائك في EN31 تشمل الكروم، الذي يعزز من القدرة على المعالجة والصدأ، والكربون، الذي يساهم في صلابته وقوته.

نظرة شاملة

يتميز فولاذ EN31 بمحتواه العالي من الكربون (بنسبة حوالي 0.95% إلى 1.05%) والكروم (حوالي 1.30% إلى 1.60%)، مما يمنحه خصائص ميكانيكية كبيرة. يتكون هيكله المجهري عادةً من مصفوفة دقيقة من اللؤلؤة مع سمنتية متناثرة، الناتجة عن عمليات المعالجة الحرارية المناسبة.

أهم خصائص EN31 تشمل:

• صلابة عالية: يمكن أن تصل مستويات الصلابة القابلة للتحقيق إلى 60 HRC بعد معالجة حرارية مناسبة.
• مقاومة ممتازة للتآكل: توفر صلابته وهيكله المجهري مقاومة فائقة للتآكل، مما يجعله مثاليًا للاستخدامات ذات الحمل العالي.
• متانة جيدة: بالرغم من صلابته، يحتفظ EN31 بمتانة معقولة، وهو أمر أساسي للتطبيقات الديناميكية.

المزايا (الإيجابيات):
- مقاومة استثنائية للإجهاد والتآكل.
- مناسبة للاستخدامات ذات الضغط العالي، خصوصًا في الاتصال الدوار.
- سهولة المعالجة في الحالة المعالجة.

القيود (السلبيات):
- مقاومة محدودة للتآكل مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ.
- تتطلب معالجة حرارية دقيقة لتحقيق الخصائص المرغوبة.
- يمكن أن تكون هشة إذا تمت معالجتها بشكل غير صحيح.

تاريخيًا، تم استخدام EN31 على نطاق واسع في صناعات السيارات والطيران لمكونات مثل التروس والمحاور والمحامل، مما يثبت مكانته كمادة حيوية في التطبيقات الهندسية.

أسماء بديلة، معايير، ونظائر

المنظمة القياسية	التسمية / الدرجة	البلد / المنطقة الأصلية	ملاحظات / ملاحظات
UNS	G52100	الولايات المتحدة الأمريكية	الأقرب إلى EN31
AISI/SAE	52100	الولايات المتحدة الأمريكية	يستخدم عادةً في تطبيقات المحامل
ASTM	A295	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة للفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكربون
EN	EN31	أوروبا	تسمية معيارية في أوروبا
DIN	100Cr6	ألمانيا	خصائص مشابهة، اختلافات تركيبية طفيفة
JIS	SUJ2	اليابان	درجة قابلة للمقارنة مع تغييرات طفيفة في الخصائص

يمكن أن تؤثر الاختلافات بين هذه الدرجات المعادلة على الاختيار بناءً على متطلبات التطبيق المحددة. على سبيل المثال، في حين أن G52100 و EN31 غالبًا ما يكونان قابليان للتبادل، قد تقدم G52100 قابلية معالجة أفضل قليلاً بسبب محتوى الكربون المحدد.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

العنصر (الرمز والاسم)	نسبة التركيب (%)
C (كربون)	0.95 - 1.05
Cr (كروم)	1.30 - 1.60
Mn (منغنيز)	0.30 - 0.50
Si (سيليكون)	0.15 - 0.40
P (فوسفور)	≤ 0.025
S (كبريت)	≤ 0.025

الدور الأساسي للكربون في EN31 هو تعزيز الصلابة والقوة، في حين يحسن الكروم من القابلية للمعالجة ومقاومة التآكل. يساهم المنغنيز في المتانة ويساعد في إزالة الأكسدة أثناء تصنيع الفولاذ، بينما يعزز السيليكون القوة والمرونة.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة / الحرارة	درجة حرارة الاختبار	القيمة / النطاق النموذجي (مترية)	القيمة / النطاق النموذجي (إمبريالية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مبرد & معالج	درجة حرارة الغرفة	1000 - 1200 ميجا باسكال	145 - 174 كيلو باسكال	ASTM E8
قوة العائد (0.2% تحويل)	مبرد & معالج	درجة حرارة الغرفة	850 - 1000 ميجا باسكال	123 - 145 كيلو باسكال	ASTM E8
التمدد	مبرد & معالج	درجة حرارة الغرفة	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
الصلابة (HRC)	مبرد & معالج	درجة حرارة الغرفة	58 - 62 HRC	58 - 62 HRC	ASTM E18
قوة الصدم (شاربي)	مبرد & معالج	-20°C (-4°F)	20 - 30 جول	15 - 22 قدم-رطل	ASTM E23

يجعل الجمع بين قوة الشد وقوة العائد العالية EN31 مناسبًا للتطبيقات التي تشمل الأحمال الديناميكية، مثل المحامل والتروس، حيث تعتبر المقاومة للتشوه أمرًا حاسمًا.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة / درجة الحرارة	القيمة (مترية)	القيمة (إمبريالية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.85 جرام / سم³	0.284 رطل / بوصة³
نقطة الانصهار	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
موصلية حرارية	درجة حرارة الغرفة	45 واط / م·ك	31.2 BTU·بوصة / ساعة·قدم²·°F
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	460 جول / كجم·ك	0.11 BTU/ رطل·°F
مقاومة كهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.0006 أوم·م	0.000006 أوم·بوصة

تساهم كثافة EN31 في وزنه وقوته، بينما تعتبر الموصلية الحرارية مهمة للتطبيقات التي تشمل تفريغ الحرارة. تشير السعة الحرارية النوعية إلى مقدار الطاقة المطلوبة لرفع درجة الحرارة، وهو أمر حاسم في العمليات التي تشمل الدورة الحرارية.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تقييم المقاومة	ملاحظات
الماء	0 - 100	20 - 100 / 68 - 212	جيد	خطر الصدأ
الأحماض	0 - 10	20 - 100 / 68 - 212	ضعيف	عرضة للتآكل
الكلوريدات	0 - 5	20 - 100 / 68 - 212	ضعيف	خطر تشققات الانضغاط التآكلية
القلويات	0 - 10	20 - 100 / 68 - 212	جيد	مقاومة متوسطة

يعرض فولاذ EN31 مقاومة محدودة للتآكل، خاصة في البيئات الحمضية والكلوريدية، مما يجعله أقل ملائمة للتطبيقات المعرضة لظروف قاسية دون coatings واقية. مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ، مثل AISI 304 أو AISI 316، فإن عرضة EN31 للتآكل أعلى بكثير، مما يتطلب اتخاذ تدابير وقائية في البيئات المسببة للتآكل.

مقاومة الحرارة

الخاصية / الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة	200	392	عند تجاوز هذا، قد تتدهور الخصائص
أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة	300	572	تعرّض قصير المدى فقط
درجة حرارة التشبع	600	1112	خطر الأكسدة عند درجات حرارة أعلى

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ EN31 بصلابته وقوته حتى حد معين، لكن التعرض المطول يمكن أن يؤدي إلى الأكسدة وفقدان الخصائص الميكانيكية. يمكن أن تحسن المعالجة الحرارية المناسبة من أدائه في التطبيقات ذات الحرارة العالية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	الفولاذ الملء الموصى به (تصنيف AWS)	الغاز/الفلوب الواقي النموذجي	ملاحظات
MIG	ER70S-6	أرجون + CO2	يوصى بالتسخين المسبق
TIG	ER70S-2	أرجون	يحتاج إلى التحكم الدقيق
عصا	E7018	غير متاح	يوصى بالمعالجة الحرارية بعد اللحام

لا يُوصى عادةً باستخدام EN31 للحام بسبب محتواه العالي من الكربون، مما يمكن أن يؤدي إلى التشققات. يعتبر التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام أمران أساسيان لتخفيف هذه المخاطر.

سهولة التشغيل

بارامتر التشغيل	EN31	AISI 1212	ملاحظات / نصائح
مؤشر سهولة التشغيل النسبي	60%	100%	EN31 أكثر تحديًا في التشغيل بسبب صلابته.
سرعة القطع النموذجية (الدوران)	30-50 م / دقيقة	60-80 م / دقيقة	استخدم أدوات كربيد للحصول على أفضل النتائج.

يتطلب تشغيل EN31 الاعتبار الدقيق للأدوات وسرعات القطع بسبب صلابته. أوصى باستخدام أدوات كربيد لتحقيق أفضل النتائج.

قابلية التشكيل

يظهر EN31 قابلية تشكيل محدودة بسبب محتواه العالي من الكربون، مما يجعله أقل ملاءمة للعمليات التي تتطلب تشوهًا كبيرًا. يمكن تشكيلها في البرد ولكن يجب التعامل معها بحذر لتجنب التشقق. يمكن إجراء التشكيل في الحرارة عند درجات حرارة مرتفعة لتحسين اللدونة.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	زمن الإشباع النموذجي	طريقة التبريد	الهدف الأساسي / النتيجة المتوقعة
تسخين	600 - 700 / 1112 - 1292	1 - 2 ساعة	هواء	تقليل الصلابة، تحسين قابلية المعالجة
تصلب	800 - 850 / 1472 - 1562	30 دقيقة	زيت أو ماء	زيادة الصلابة والقوة
تخمير	150 - 200 / 302 - 392	ساعة واحدة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين المتانة

تؤثر عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير على الهيكل المجهرى لـ EN31، محولةً إياه من حالة أكثر ليونة ولدونة إلى حالة صلبة مقاومة للتآكل. تعتبر التخمير المناسب أمرًا حاسمًا لتوازن الصلابة والمتانة.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة / القطاع	مثال على تطبيق محدد	خصائص الفولاذ الرئيسية المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (بإيجاز)
السيارات	محامل كروية	صلابة عالية، مقاومة للتآكل	ضرورية للتحمل
الطيران	محاور التروس	قوة شد عالية، مقاومة للتعب	حرجة للسلامة
التصنيع	مكونات الأدوات	متانة، سهولة التشغيل	مطلوبة للدقة
النفط والغاز	مكونات الصمامات	مقاومة التآكل، القوة	أساسية في البيئات القاسية

تشمل التطبيقات الأخرى:

• الآلات الصناعية: تستخدم في المكونات التي تتطلب مقاومة عالية للتآكل.
• الروبوتات: للأجزاء التي تتحمل إجهادًا عاليًا وتتطلب دقة.
• الأجهزة الطبية: في التطبيقات التي تكون فيها القوة والموثوقية أمرًا بالغ الأهمية.

يتم اختيار EN31 لهذه التطبيقات أساسًا بسبب خصائصه الميكانيكية الممتازة، التي تضمن الموثوقية والأداء في الظروف الصعبة.

اعتبارات مهمة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية

الميزة / الخصية	EN31	AISI 4140	AISI 440C	ملاحظات موجزة حول الإيجابيات / السلبيات أو التوازن
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	صلابة عالية	صلابة معتدلة	صلابة عالية	يقدم EN31 مقاومة تآكل فائقة ولكن متانة أقل من 4140.
الجوانب الرئيسية لمقاومة التآكل	جيدة	جيدة	ممتازة	EN31 أقل مقاومة للتآكل من 440C، وهو أمر حاسم في بعض البيئات.
قابلية اللحام	ضعيفة	جيدة	جيدة	يتطلب EN31 ممارسات لحام دقيقة مقارنةً بـ 4140.
سهولة التشغيل	متوسطة	جيدة	ضعيفة	يكون EN31 أكثر صعوبة في التشغيل من 4140، ما يتطلب أدوات متخصصة.
قابلية التشكيل	محدودة	جيدة	محدودة	يعد EN31 أقل قابلية للتشكيل من 4140، مما يمكن أن يكون مفيدًا في بعض التطبيقات.
التكلفة التقريبية النسبية	متوسطة	متوسطة	أعلى	قد تؤثر اعتبارات التكلفة على الاختيار بناءً على ميزانيات المشاريع.
التوافر النموذجي	شائع	شائع	أقل شيوعًا	يتوفر EN31 على نطاق واسع، بينما قد يكون من الصعب الحصول على 440C.

عند اختيار EN31، تشمل الاعتبارات متطلبات التطبيق المحددة، الفعالية من حيث التكلفة، والتوافر. تعتبر صلابته العالية ومقاومته للتآكل مثالية للتطبيقات التي تكون فيها المتانة أمرًا بالغ الأهمية، بينما يجب معالجة قيود مقاومته للتآكل وقابلية اللحام من خلال التصميم المناسب وخيارات المعالجة.

في الختام، يُعتبر فولاذ EN31 مادة متعددة الاستخدامات وقوية تلعب دورًا حيويًا في مجموعة متنوعة من التطبيقات الهندسية، لا سيما حيث يعد الأداء العالي والموثوقية أمرًا أساسيًا. يتيح فهم خصائصه وقيوده للمهندسين اتخاذ قرارات مستنيرة لتحقيق نتائج تطبيق مثلى.