فولاذ الأدوات 2Cr13: نظرة عامة شاملة

فولاذ الأدوات 2Cr13 مادة متعددة الاستخدامات تُستخدم على نطاق واسع في تصنيع القوالب البلاستيكية، وخاصةً تلك التي تتطلب توازنًا بين القوة والمتانة ومقاومة التآكل. وباعتباره فولاذًا مارتنسيتيًا مقاومًا للصدأ منخفض الكربون، يُستخدم عادةً بعد الإخماد والتطبيع. تُحسّن هذه المعالجة الحرارية خصائصه الميكانيكية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الصعبة.

من أهم مزايا فولاذ 2Cr13 سهولة تشغيله، مما يسمح بمعالجته وتشكيله بكفاءة. بعد المعالجة الحرارية، يتميز بمقاومة ممتازة للتآكل، مما يضمن طول عمره حتى في البيئات القاسية. كما يجمع بين القوة والمتانة، مما يجعله موثوقًا به في مختلف الأحمال.

في حين أن مقاومته للتآكل والحرارة أقل بقليل من مقاومة فولاذ 1Cr13، إلا أن فولاذ 2Cr13 يحافظ على مقاومة ثابتة للأكسدة في الهواء حتى 700 درجة مئوية. هذا يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب تعرضًا حراريًا معتدلًا. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن قابليته للحام ومرونته في الحالة الملدنة ليست بنفس جودة فولاذ 1Cr13. ومع ذلك، يُعرف فولاذ 2Cr13 بخصائصه الممتازة في التلميع، وهي ميزة مهمة في صناعة القوالب حيث يكون تشطيب السطح أمرًا بالغ الأهمية.

1. التركيب الكيميائي لفولاذ الأدوات 2Cr13

التركيب الكيميائي لفولاذ 2Cr13 مُوَحَّد وفقًا للمعيار GB/T 1220-2007. النسب الكتلية النموذجية لعناصره الرئيسية هي:

• الكربون (C): 0.16% – 0.25% (عادةً حوالي 0.16%)
• السيليكون (Si): ≤1.00% (غالبًا ≤0.60%)
• المنغنيز (Mn): ≤1.00% (غالبًا ≤0.80%)
• الكروم (Cr): 12.00% – 14.00%
• الكبريت (S): ≤0.030%
• الفوسفور (P): ≤0.040% (يُحدد أحيانًا على أنه ≤0.035%)

تساهم هذه العناصر في الخصائص الفريدة للصلب، حيث يعتبر الكروم العنصر الأساسي في السبائك والذي يمنحه مقاومة التآكل.

2. فولاذ الأدوات 2Cr13 يعادل العديد من المعايير الأخرى:

• رقم DIN الألماني: رقم المادة 1.4021، الدرجة X20Cr13
• BS البريطانية: الصف S62
• اللغة البريطانية: الصفان 56ب/56ج
• AFNOR الفرنسية: الصف Z20C13
• الكود الرقمي الموحد: S45830

يمكن أن يكون هذا المرجع المتبادل مفيدًا للعملاء العالميين الذين لديهم دراية بأنظمة التقييس المختلفة.

3. الخصائص الفيزيائية لفولاذ الأدوات 2Cr13

يُعد فهم الخصائص الفيزيائية لفولاذ 2Cr13 أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقاته في مختلف السياقات الهندسية. وفيما يلي أهم خصائصه الفيزيائية:

• نقطة الانصهار: 1450 – 1510 درجة مئوية
• كثافة: 7.75 طن/م³
• السعة الحرارية النوعية (cₚ): 459.8 جول/(كجم·كلفن)

تؤثر هذه الخصائص على كيفية سلوك الفولاذ أثناء المعالجة وأثناء الخدمة.

درجات الحرارة الحرجة:

• Aa₁: حوالي 820 درجة مئوية
• Aa₃: حوالي 950 درجة مئوية
• Ac₁: حوالي 780 درجة مئوية

تعتبر هذه درجات الحرارة مهمة لعمليات المعالجة الحرارية، لأنها تحدد التحولات الطورية للصلب.

معامل المرونة (E):تتناقص صلابة الفولاذ 2Cr13 مع درجة الحرارة:

• عند 20 درجة مئوية: 210 – 223 جيجاباسكال
• عند 400 درجة مئوية: 193 جيجاباسكال
• عند 500 درجة مئوية: 184 جيجاباسكال
• عند 600 درجة مئوية: 172 جيجاباسكال

معامل التمدد الخطي (α): يقيس هذا مقدار تمدد الفولاذ عند تسخينه:

• 20-100 درجة مئوية: 10.5 ×10⁻⁶ ⁻¹
• 20-200 درجة مئوية: 11.0 ×10⁻⁶ ⁻¹
• 20-300 درجة مئوية: 11.5 ×10⁻⁶ ⁻¹
• 20-400 درجة مئوية: 12.0 ×10⁻⁶ ⁻¹
• 20-500 درجة مئوية: 12.0 ×10⁻⁶ ⁻¹

الموصلية الحرارية (λ): يشير إلى مدى قدرة الفولاذ على توصيل الحرارة:

• 20-100 درجة مئوية: 23.0 واط/(م·ك)
• 20-200 درجة مئوية: 23.4 واط/(م·ك)
• 20-300 درجة مئوية: 24.7 واط/(م·ك)
• 20-400 درجة مئوية: 25.5 واط/(م·ك)
• 20-500 درجة مئوية: 26.3 واط/(م·ك)

المقاومة الكهربائية (ρ): يؤثر على سلوك الفولاذ في التطبيقات الكهربائية:

• عند 20 درجة مئوية: 0.55 ×10⁻⁷ Ω·m
• عند 100 درجة مئوية: 0.65 ×10⁻⁷ Ω·m

تعتبر هذه الخصائص ضرورية للمصممين والمهندسين للنظر فيها عند اختيار الفولاذ 2Cr13 لتطبيقات محددة، وخاصة تلك التي تنطوي على اختلافات في درجات الحرارة أو المكونات الكهربائية.

4. المعالجة الحرارية لفولاذ الأدوات 2Cr13

سليم المعالجة الحرارية يُعدّ هذا ضروريًا للاستفادة القصوى من إمكانات فولاذ 2Cr13. تُستخدم العمليات التالية عادةً:

4.1 التشكيل

• التدفئة: قم بتسخين الفولاذ ببطء حتى يصل إلى 850 درجة مئوية، مع تحميل الفرن على درجة حرارة ≤800 درجة مئوية.
• درجة حرارة التشكيل: ابدأ عملية التشكيل عند درجة حرارة 1160-1200 درجة مئوية وانتهِ عند درجة حرارة ≥850 درجة مئوية.
• تبريد: بعد التشكيل، يُبرّد في الرمل أو يُلَدَّن فورًا. نظرًا لضعف التوصيل الحراري، يُفضَّل التسخين تدريجيًا إلى أقل من 850 درجة مئوية.
• ما بعد التشكيل: قم بتبريد الأجزاء المزورة ببطء ثم قم بمعالجتها على الفور.

4.2 علاج التليين

لتقليل الصلابة للتصنيع:

• التبريد عند درجات حرارة عالية: 750-800 درجة مئوية
• الطريقة البديلة: يُحفظ عند درجة حرارة ٨٧٥-٩٠٠ درجة مئوية لمدة ساعة إلى ساعتين، ثم يُبرّد بسرعة ١٥-٢٠ درجة مئوية/ساعة إلى أقل من ٦٠٠ درجة مئوية، ثم يُبرّد بالهواء. بهذه الطريقة، تصل صلابة المادة إلى ١٧٠-٢٠٠ HB.

والبنية الناتجة هي عبارة عن فيريت غني بالكروم مع كربيدات (Cr, Fe)₂₃C₆.

4.3 التبريد

• درجة حرارة: عادة حوالي 1050 درجة مئوية.
• تبريد: بالنسبة للقوالب الصغيرة، يُمكن تبريدها بالهواء لتقليل التشوه. أما القوالب الأكبر حجمًا، فعادةً ما تُبرّد بالزيت.

4.4 التلطيف

غالبًا ما يتم استخدام الفولاذ 2Cr13 في حالتين مخففتين:

• للحصول على صلابة عالية ومقاومة للتآكل: درجة الحرارة عند 200-350 درجة مئوية.
• للحصول على قوة متوازنة، ومرونة، وصلابة: درجة الحرارة عند 650-750 درجة مئوية.

ملحوظة: تجنب التبريد بين 400-600 درجة مئوية لتجنب الخصائص غير المرغوب فيها.

4.5 التبريد والتلطيف الموصى بهما

• الإطفاء: تبريد الزيت من 980 إلى 1000 درجة مئوية.
• التلطيف: يختلف حسب الخصائص المطلوبة.

4.6 التلدين لتخفيف الإجهاد

• درجة الحرارة عند 730-780 درجة مئوية تليها تبريد الهواء.
• بعد اللحام، يُعاد تسخينه لتخفيف الضغط. التبريد البطيء في درجات حرارة عالية قد يؤدي إلى تكوّن البينيت.

4.7 المعالجة الحرارية قبل التصلب

• سخنيها إلى 860-900 درجة مئوية ثم برديها في الفرن للحصول على 160-187 وزنًا حراريًا.

4.8 التبريد والتكييف القياسي

• الإطفاء: سخنيها إلى 1000-1050 درجة مئوية، ثم برديها بالزيت أو الماء إلى ≥45 HRC.
• التلطيف: عند 660-670 درجة مئوية مع تبريد الهواء إلى 20-23 HRC.

وتسمح عمليات المعالجة الحرارية هذه بتخصيص خصائص الفولاذ لمتطلبات التطبيق المحددة، مما يضمن الأداء الأمثل في سيناريوهات مختلفة.

5. الخصائص الميكانيكية لفولاذ 2Cr13

تعتمد الخصائص الميكانيكية لفولاذ 2Cr13 بشكل كبير على المعالجة الحرارية التي يخضع لها. فيما يلي الخصائص النموذجية التي يتم تحقيقها من خلال عمليات مختلفة:

5.1 بعد التبريد والتلطيف

بالنسبة للعينات المبردة من 980 إلى 1000 درجة مئوية، والمبردة بالزيت، ثم المعالجة حرارياً:

• قوة الخضوع (Rp0.2): ≥440 ميجا باسكال
• قوة الشد (Rm): ≥640 ميجا باسكال
• الاستطالة (أ): ≥20%
• تقليل المساحة (Z): ≥50%
• طاقة التأثير (Ku₂): ≥63 جول
• الصلابة (HBW): 192-223

5.2 حالة التلدين

بالنسبة للصفائح والأشرطة المدرفلة على البارد المصنوعة من الفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ:

• قوة الخضوع (Rp0.2): ≥225 ميجا باسكال
• قوة الشد (Rm): ≥520 ميجا باسكال
• الاستطالة (أ): ≥18%
• الانحناء البارد (180 درجة): د = 2أ
• الصلابة (HBW): ≤223

5.3 خصائص درجات الحرارة العالية

بعد التبريد عند درجة حرارة 1000-1020 درجة مئوية، والتبريد بالزيت، والتطبيع عند درجة حرارة 720-750 درجة مئوية، يظهر الفولاذ الخصائص التالية في درجات الحرارة المرتفعة:

درجة حرارة الاختبار (∘C)	الشد (Rm​، ميجا باسكال)	العائد (Rp0.2​، ميجا باسكال)	الاستطالة (δ، %)	أحمر. المساحة (ψ، %)	التأثير (αk​، J/cm2)
20	720	520	21.0	68.0	65-175
300	555	400	18.0	66.0	120
400	530	405	16.5	58.5	205
450	495	380	17.5	61.0	–
500	495	420	22.5	66.0	–
550	440	365	32.5	72.5	–

تظهر هذه الخصائص قدرة الفولاذ على الحفاظ على القوة والمرونة في درجات الحرارة العالية، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات التعرض للحرارة.

6. تطبيقات فولاذ 2Cr13

بفضل خصائصه المتوازنة، يُعدّ فولاذ 2Cr13 خيارًا شائعًا في تطبيقات متنوعة. وهو مناسب بشكل خاص لما يلي:

• قوالب بلاستيكية: وخاصة تلك التي تتعرض لأحمال عالية وبيئات تآكلية، بما في ذلك قوالب المنتجات البلاستيكية الشفافة.
• المكونات عالية الضغط: مثل شفرات التوربينات، وأعمدة وأكمام مضخات الزيت الساخن، والمراوح، ولوحات صمامات الضغط الهيدروليكي.
• السلع الصناعية والاستهلاكية: وتشمل هذه التطبيقات صناعة الورق، والمعدات الطبية، والأدوات المنزلية مثل السكاكين وأدوات المائدة.

بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام فولاذ 2Cr13 كبديل لفولاذ Cr12 في تصنيع قوالب الثقب والسحب. عند معالجته بالكربنة والتبريد والتسخين، يُمكن تحقيق صلابة سطحية تتراوح بين 62 و65 HRC وصلابة قلبية تتراوح بين 38 و41 HRC، مما يُطيل عمر القوالب بمقدار مرة أو مرتين مقارنةً بمعالجات فولاذ Cr12 التقليدية.

7. المقارنة مع أنواع الفولاذ الأخرى

إن فهم كيفية مقارنة فولاذ 2Cr13 بالمواد المماثلة يمكن أن يساعد في اختيار الفولاذ المناسب للاحتياجات المحددة:

• مقابل الفولاذ 1Cr13: يتمتع 2Cr13 بقوة وصلابة أعلى بعد الإخماد والمعالجة الحرارية، ولكنه أقل مقاومة للتآكل والحرارة. كما أن قابليته للحام ومرونته في الحالة الملدنة أقل.
• مقابل الفولاذ 30Cr13: يتمتع فولاذ 30Cr13 بقوة وصلابة وقابلية تصلب أعلى من فولاذ 2Cr13 (20Cr13) و12Cr13 بعد الإطفاء. كما يوفر مقاومةً للتآكل لحمض النيتريك المخفف والأحماض العضوية الضعيفة في درجة حرارة الغرفة، وإن كانت أقل من فولاذي 12Cr13 و20Cr13.
• مقابل الفولاذ 4Cr13: يتمتع 4Cr13 بقوة وصلابة أعلى من 30Cr13 ولكنه أقل صلابة ومقاومة للتآكل، مع قابلية لحام أقل.
• مقابل الفولاذ 20Cr13: يتمتع 20Cr13 بخصائص مشابهة لـ 12Cr13 ولكن بقوة وصلابة أعلى قليلاً، ومقاومة أقل للتآكل.

تسلط هذه المقارنات الضوء على التناقضات بين الخصائص المختلفة، مما يسمح للمهندسين باختيار الفولاذ الأكثر ملاءمة بناءً على متطلبات تطبيقاتهم المحددة.