فهم صلابة الفولاذ P20

فولاذ P20 هو AISI فولاذ قوالب متوسط السبائك من نوع (المعهد الأمريكي للحديد والصلب). يُورَّد عادةً بحالة مُقَوَّاة مسبقًا، بصلابة تتراوح بين 28 و40 HRC تقريبًا، أو حوالي 300 HB، ويُعرف أيضًا بـ DIN 1.2311. استخداماته الرئيسية هي قوالب البلاستيك، وقوالب صب الزنك، وكتل الحامل. تُركز هذه المقالة على صلابة الفولاذ P20.

1. لماذا تعتبر الصلابة أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة لفولاذ P20؟

عند استخدام فولاذ P20 في القوالب وقوالب الختم، تُعدّ الصلابة خاصيةً بالغة الأهمية. وتتجلى هذه الخاصية بشكل رئيسي في الجوانب التالية:

• مقاومة التشوه والتآكل: تُمكّن الصلابة الكافية الفولاذ من تحمّل الأحمال والضغوط العالية أثناء التشكيل، مما يمنع التشوه البلاستيكي. لمعالجة البلاستيك الكاشط، تُوفّر الصلابة الكافية مقاومة التآكل اللازمة لإطالة عمر الأداة.
• قابلية التصنيع: يتم توفير P20 عادة في حالة مقواة مسبقًا توفر توازنًا بين الصلابة للتطبيق وسهولة التصنيع، مما يسمح بإنشاء تجاويف قالب معقدة دون الحاجة إلى معالجة حرارية إضافية عالية الحرارة.
• قابلية التلميع: تعتبر صلابة السطح العالية، والتي يمكن تعزيزها عن طريق التكرير، ضرورية لتحقيق التشطيبات الناعمة والحاسمة المطلوبة لقوالب البلاستيك الشفافة.

2. العوامل المؤثرة على صلابة الفولاذ P20

2.1 التركيب الكيميائي

تكوين الفولاذ P20 هو

الكربون (C)	المنجنيز (Mn)	السيليكون (Si)	الكروم (Cr)	الموليبدينوم (Mo)	الفوسفور (P)	الكبريت (S)
0.28 – 0.40	0.60 – 1.00	0.20 – 0.80	1.40 – 2.00	0.30 – 0.55	≤ 0.030	≤ 0.030

P20 هو فولاذ أدوات منخفض السبائك، وتركيبه الكيميائي أساسي لخصائصه. عناصر السبائك الرئيسية ومساهمتها في الصلابة والخصائص:

• الكربون (C): 0.28-0.40%. يؤثر على الصلابة والقوة.
• الكروم (Cr): ١٫٤٠-٢٫٠٠١TP٣T. يُحسّن مقاومة التآكل والتآكل. وجود الكروم يُعزز المتانة والصلابة.
• الموليبدينوم (Mo): 0.30-0.55%. يُحسّن بنية الحبيبات، مما يُحسّن المتانة وقابلية اللحام.
• المنغنيز (Mn): 0.60-1.00%. يُساعد على إزالة الأكسدة، ويُعزز قوة الشد دون هشاشة.
• السيليكون (Si): 0.20-0.80%. يُساعد على إزالة الأكسدة، ويُعزز قوة الشد دون هشاشة.
• الفوسفور (P) والكبريت (S): ≤ 0.03% (الحد الأقصى). تساهم الكميات الطفيفة في الأداء العام. بعد إضافة كمية مناسبة من عنصر الكبريت، يتحسن الأداء. بي 20 اس يتمتع الفولاذ بأداء معالجة أفضل.
• النيكل (Ni): بعد إضافة سبيكة النيكل، يتم تحسين الفولاذ P20Ni (1.2738) يمكن أن يحسن بشكل كبير من الصلابة والمرونة، مما يساعد على المعالجة.

2.2 عمليات المعالجة الحرارية

يمكن تبريد P20 بالزيت ثم معالجته للحصول على مستويات صلابة محددة لتطبيقات مختلفة.

صلابة الفولاذ P20 بعد التبريد و التلطيف¹

درجة حرارة التلطيف	صلابة روكويل سي
كما تم إخماده	51
400 درجة فهرنهايت / 205 درجة مئوية	49
600 درجة فهرنهايت / 315 درجة مئوية	47
800 درجة فهرنهايت / 425 درجة مئوية	44
1000 درجة فهرنهايت / 540 درجة مئوية	39
1100 درجة فهرنهايت / 595 درجة مئوية	33
1200 درجة فهرنهايت / 650 درجة مئوية	26
1250 درجة فهرنهايت / 675 درجة مئوية	21

• درجة حرارة التسخين المسبق: 1200 درجة فهرنهايت / 650 درجة مئوية (إذا تم استخدامه على أجزاء ذات كتلة أكبر.)
• درجة حرارة التصلب: 1525 درجة فهرنهايت / 830 درجة مئوية
• طريقة التبريد: تبريد الزيت والكربنة
• الكيمياء: الكربون 0.30%، المنغنيز 0.75%، السيليكون 0.50%، الكروم 1.65%، الموليبدينوم 0.40%

2.3 حالة المكربنة والمتصلبة

يمكن معالجة الفولاذ P20 بالكربنة ثم فولاذ P20 مقوى لزيادة صلابة السطح ومقاومة التآكل. بعد التكرير والتصليد، يمكن أن تصل صلابة سطح فولاذ P20 إلى 65 HRC. أما صلابة القلب بعد التكرير، فعادةً ما تكون حوالي 45 HRC.

تؤثر درجة حرارة التكرير على صلابة السطح الناتجة. على سبيل المثال، حققت العينات المكربنة عند درجة حرارة 845 درجة مئوية (1550 درجة فهرنهايت) صلابة سطحية قدرها 65.6 HRC، بينما حققت العينات المكربنة عند درجة حرارة 980 درجة مئوية (1800 درجة فهرنهايت) صلابة سطحية قدرها 58.6 HRC.
إن معالجة الفولاذ P20 المكربن سيؤدي إلى انخفاض صلابة سطحه، كما أن مقاومته للتليين أثناء المعالجة تعتبر منخفضة نسبيًا، على غرار الفولاذ الكربوني العادي.

2.4 النترتة والتفتر

تعمل عملية النترتة والتفتر (نوع من النترتة الفريّة) على زيادة صلابة سطح الفولاذ P20 بشكل كبير، وذلك في المقام الأول من خلال تكوين نتريدات صلبة ومنطقة انتشار.

يمكن أن يؤدي النترتة عند 525 درجة مئوية في غاز الأمونيا إلى صلابة سطحية تبلغ حوالي 650HV.

يمكن أن يؤدي التافترايدينغ عند 570 درجة مئوية إلى إعطاء صلابة سطحية تبلغ حوالي 700HV مع طبقة صلبة على السطح تبلغ حوالي 0.1 مم بعد ساعتين من المعالجة.

كما تعمل النترتة أيضًا على زيادة مقاومة التآكل.

3. الخصائص الميكانيكية (المرتبطة بالصلابة)

• قوة الشد (النهائية). يتمتع الفولاذ P20، بعد إخماده بالزيت من 845 درجة مئوية (1550 درجة فهرنهايت) والتلطيف لمدة ساعتين عند 205 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت)، بقوة شد تبلغ 1310 ميجا باسكال (190 كيلوباسكال).

• قوة الخضوع. تحت نفس ظروف المعالجة الحرارية المذكورة أعلاه، يكون لها قوة خضوع تبلغ 1172 ميجا باسكال (170 كيلوباسكال).
•   الاستطالة عند الكسر. بعد إخماد الزيت والتلطيف، يتم استطالة 50 مم (2 بوصة) 13%.
•  صلابة التأثير (Charpy V-Notch). تحت نفس ظروف المعالجة الحرارية المذكورة أعلاه، فإنه يحتوي على طاقة تأثير على شكل حرف V من نوع Charpy 43 جول (32 قدم·رطل).
• قوة الضغط. يساوي تقريبًا قوة الشد.
• معامل المرونة. 190-210 جيجا باسكال، أو 30 × 10^6 رطل لكل بوصة مربعة (207 جيجا باسكال).
• كثافة. 7855.1 كجم/م^3 (7.855 جم/سم^3). 
• الموصلية الحرارية. ٢٤ وحدة حرارية بريطانية/قدم/ساعة/درجة فهرنهايت (٤١.٥ واط/متر/درجة كلفن)، أو ٣٤.٠ واط/متر كلفن. مهم لتبديد الحرارة أثناء التشغيل والقولبة.
• نسبة بواسون. 0.27-0.30
• معامل التمدد الحراري. 12.8 × 10^-6/°م (20-425 درجة مئوية).

4. قابلية تصنيع الفولاذ P20 واللمسة النهائية للسطح (العلاقة بالصلابة)

يتميز فولاذ P20 بسهولة تشغيل ممتازة عند حوالي 60-65% من فولاذ الكربون 1% أو 65%، مقارنةً بمعيار فولاذ الأدوات الكربوني 1% (تصنيف 100). يمكن تشغيل فولاذ P20 المُصلَّى مسبقًا مباشرةً دون الحاجة إلى معالجة حرارية إضافية، إلا أن الحرارة المتولدة أثناء التشغيل قد تُسبب تصلبًا في العمل وعدم دقة في الأبعاد. تشمل الحلول:

• استخدم سرعات قطع منخفضة ومعدلات تغذية عالية لتقليل الحرارة.
• استخدم أدوات مطلية بمواد مثل نتريد التيتانيوم (TiN).
• استخدم سوائل التبريد بشكل فعال لتبديد الحرارة والتزييت.

1. برايسون، وي (2007). المعالجة الحرارية واختيار وتطبيق فولاذ الأدوات (ص195). منشورات هانسر. ↩︎