0Cr13 مقابل 1Cr13 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

0Cr13 و 1Cr13 هما درجتان شائعتان ضمن عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي المستخدمة في الصمامات والمضخات وأدوات المائدة والمثبتات ومكونات التآكل. غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع خيارًا بين الاثنين عند الموازنة بين الصلابة ومقاومة التآكل مقابل المتانة وقابلية اللحام والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار مادة لعمود مقاوم للتآكل أو اختيار مادة لتجهيز الصمام حيث تتنافس الصلابة (مقاومة التآكل) مع متانة الكسر وسهولة التصنيع.

الفرق العملي الرئيسي بين 0Cr13 و 1Cr13 هو مستوى الكربون والطريقة التي يؤثر بها الكربون على قابلية تصلب المارتنسيتي: الدرجة ذات الكربون الأعلى تقدم صلابة/قوة ومقاومة تآكل أكبر بعد المعالجة الحرارية على حساب المتانة وقابلية اللحام، بينما النسخة ذات الكربون المنخفض أكثر تسامحًا في التصنيع وتوفر متانة أفضل ولكن صلابة قصوى أقل. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي بمستويات كروم مشابهة، يتم مقارنتهما بشكل متكرر في التصميم حيث يتطلب الأمر توازنًا بين مقاومة التآكل والأداء الميكانيكي.

1. المعايير والتسميات

• GB (الصين): 0Cr13، 1Cr13 (تسميات صينية شائعة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي).
• JIS (اليابان): تشمل العائلات المماثلة سلسلة SUS410 / SUS420 (مفيدة للرجوع إليها).
• EN (أوروبا): يتم تغطية الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي بواسطة أجزاء EN 10088، مع معادلات غالبًا في سلسلة 410 / 420.
• ASTM/ASME: المواد القابلة للمقارنة موجودة في تصنيفات AISI (410، 420، 430، إلخ)؛ تتطلب المعادلة الدقيقة الرجوع إلى الكيمياء الاسمية والخصائص.

التصنيف: كلا من 0Cr13 و 1Cr13 هما فولاذان مقاومان للصدأ المارتنسيتي (فولاذ حديدي مقاوم للصدأ، قابل للمعالجة الحرارية). ليسا من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (ليس ثنائي الطور) ولا من الفولاذات عالية القوة أو الفولاذات الأدوات بمعنى صارم، على الرغم من استخدامهما في التطبيقات التي تتطلب خصائص مقاومة للتآكل وقابلة للمعالجة الحرارية.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوفر الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية المستخدمة تجاريًا؛ تعتمد الحدود الفعلية على المعيار أو المورد. هذه تقريبية، تهدف إلى إظهار الفروق النسبية (ليست حدود مواصفات معيارية).

عنصر	0Cr13 (نموذجي، تقريبي)	1Cr13 (نموذجي، تقريبي)
C	0.03 – 0.08 wt% (كربون منخفض)	0.08 – 0.15 wt% (كربون مرتفع)
Mn	≤ 1.0 wt%	≤ 1.0 wt%
Si	≤ 1.0 wt%	≤ 1.0 wt%
P	≤ 0.04 wt%	≤ 0.04 wt%
S	≤ 0.03 wt%	≤ 0.03 wt%
Cr	12.0 – 14.0 wt%	12.0 – 14.0 wt%
Ni	≤ 0.6 wt%	≤ 0.6 wt%
Mo	≤ 0.3 wt% (غالبًا غائب)	≤ 0.3 wt% (غالبًا غائب)
V	أثر / غير محدد	أثر / غير محدد
Nb، Ti، B، N	مستويات أثرية إذا كانت موجودة	مستويات أثرية إذا كانت موجودة

كيف تؤثر السبائك على الأداء: - الكربون: العنصر الرئيسي للتصلب للفولاذ المارتنسيتي. يزيد الكربون الأعلى من الحد الأقصى للصلابة القابلة للتحقيق ومقاومة التآكل ولكنه يقلل من المتانة وقابلية اللحام. - الكروم (≈12–14%): يوفر مقاومة للتآكل عن طريق تشكيل طبقة أكسيد سلبية؛ عند هذه المستويات يوفر سلوك "مقاوم للصدأ" أساسي في البيئات الخفيفة ولكنه أقل مقاومة للتآكل من الفولاذات المقاومة للصدأ ذات السبيكة العالية. - المنغنيز والسيليكون: عوامل إزالة الأكسدة وتؤثر على قابلية التصلب بشكل معتدل. - النيكل والمنغنيز المنخفض: عادة ما تكون ضئيلة في هذه الدرجات؛ غياب المنغنيز يحد من مقاومة التآكل والتآكل عند درجات الحرارة العالية.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية: - تشكل كلا الدرجتين المارتنسيت عند التبريد من درجة حرارة الأوستنيت، نظرًا لتركيبها وطريقة المعالجة الحرارية. - في الحالة المعالجة حراريًا قد تظهر بقايا من الفريت/البرليت اعتمادًا على التبريد، ولكن للخدمة المقصودة عادة ما يتم تصلبها إلى مارتنسيت + مارتنسيت معالج حراريًا.

استجابات المعالجة الحرارية: - الأوستنيت (نموذجي للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي): معالجة محلول عند درجة حرارة مناسبة لتشكيل أوستنيت متجانس، ثم تبريد للحصول على مارتنسيت. - التخمير: يقلل من الهشاشة، يحسن المتانة، ويحدد الصلابة النهائية. التخمير عند درجات حرارة أعلى يقلل من الصلابة ويزيد من اللدونة. - التطبيع مقابل التبريد: قد يستخدم التطبيع على الأجزاء الأقل أهمية لتحسين حجم الحبيبات؛ يتم استخدام التبريد الكامل + التخمير عندما تكون القوة العالية أو مقاومة التآكل مطلوبة.

الاستجابة النسبية: - 1Cr13 (كربون أعلى) يحقق صلابة أعلى بعد التبريد ويمكن أن يتم تخميره إلى نطاق صلابة محتفظ بها أعلى؛ إنه أكثر حساسية لدرجة حرارة التخمير عند ضبط القوة مقابل المتانة. - 0Cr13 (كربون أقل) يطور مارتنسيت بصلابة أقل لنفس المعالجة الحرارية، ومن غير المرجح أن يشكل هياكل مارتنسيت هشة تتطلب تخميرًا دقيقًا للغاية—هذا يحسن المتانة ويقلل من خطر التشقق أثناء دورات التبريد/التخمير.

المعالجة الحرارية الميكانيكية: - يمكن أن يؤدي التشكيل والدرفلة المنضبطة يليها معالجة حرارية مناسبة إلى تحسين البنية المجهرية وتحسين المتانة في أي من الدرجتين؛ ومع ذلك، فإن 1Cr13 ذو الكربون الأعلى يبقى أكثر قابلية للتصلب وبالتالي أكثر حساسية لسمك المقطع ومعدل التبريد.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على المعالجة الحرارية. بدلاً من القيم المطلقة (التي تختلف مع التخمير)، يقارن الجدول أدناه الاتجاهات النسبية للظروف النموذجية المقرونة والمخمرة المستخدمة في الصناعة.

الخاصية	0Cr13	1Cr13
قوة الشد	متوسطة	أعلى
قوة العائد	متوسطة	أعلى
التمدد (اللدونة)	أعلى (أكثر لدونة)	أقل (أقل لدونة)
متانة الصدمة	أفضل (متانة أعلى)	أقل (متانة مخفضة عند صلابة معادلة)
الصلابة (بعد التبريد/التخمير)	حد أقصى متوسط	حد أقصى أعلى قابل للتحقيق

التفسير: - 1Cr13، مع زيادة الكربون، يسمح بقوة وصلابة أعلى بعد التبريد والتخمير؛ مما يجعله مفضلًا حيث تكون مقاومة التآكل حرجة. - 0Cr13 يقدم متانة ولدونة أفضل لنفس المعالجة الاسمية لأن الكربون المنخفض يقلل من الميل إلى المارتنسيت الهش والضغوط المحتفظ بها. - يمكن أن يتبادل اختيار نظام المعالجة الحرارية والتخمير الصلابة مقابل المتانة في أي من الدرجتين؛ 1Cr13 يوفر نطاق صلابة أوسع ولكنه يتطلب معالجة حرارية أكثر دقة لتجنب الهشاشة.

5. قابلية اللحام

تسيطر قابلية اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي على محتوى الكربون، وقابلية التصلب العامة، ووجود العناصر التي توسع منطقة الأوستنيت.

الصيغ الرئيسية المعادلة للكربون المفيدة للتقييم النوعي: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - صيغة Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير (نوعي): - نظرًا لأن 1Cr13 يحتوي على محتوى كربون أعلى، فإنه ينتج معادلات $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ أعلى مقارنة بـ 0Cr13، مما يزيد من الميل إلى التشقق البارد، وتكوين المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري (HAZ)، والتشقق المدعوم بالهيدروجين. - 0Cr13، مع كربون أقل، أسهل في اللحام باستخدام المعادن المالئة التقليدية وبروتوكولات المعالجة الحرارية قبل وبعد اللحام (PWHT)، ويتطلب تسخينًا أقل عدوانية. إرشادات عملية: - غالبًا ما يتطلب التسخين المسبق وPWHT لكلا الدرجتين عند لحام الأقسام السميكة أو التجميعات الحرجة. بالنسبة لـ 1Cr13، يقلل التسخين المسبق الأعلى ودرجات حرارة التداخل المنضبطة وPWHT الأكثر صرامة من صلابة HAZ وخطر التشقق. - اختيار المعدن المالئ: استخدم معدن مارتنسيتي أو معدن مزيج أوستنيتي-فيريت حسب الخصائص المطلوبة؛ يمكن أن تقلل المعادن المالئة الأوستنيتية من خطر التشقق في HAZ ولكن ستغير سلوك التآكل والميكانيكا محليًا.

6. التآكل وحماية السطح

كلا من 0Cr13 و 1Cr13 مقاومان للصدأ لأنهما يحتويان على الكروم في نطاق ~12–14%، مما يدعم تشكيل فيلم سلبية في العديد من الأجواء. ومع ذلك، فإن مقاومتهما للتآكل متوسطة وأقل بكثير من تلك الخاصة بالفولاذات المقاومة للصدأ ذات السبيكة العالية (مثل 304/316).

• التآكل العام: كافٍ في البيئات القليلة التآكل (الهواء، الماء) ولكن لا يُوصى به في البيئات الغنية بالكلور أو التآكل بدون تدابير وقائية.
• مقاومة التآكل والتشققات: محدودة—عادة ما يكون محتوى المنغنيز منخفضًا أو غائبًا؛ لذلك فإن رقم مقاومة التآكل الشائعة (PREN) منخفض وأقل قابلية للتطبيق على هذه الدرجات.

مؤشر التآكل المفيد (عند الاقتضاء): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - بالنسبة لـ 0Cr13 و 1Cr13، مع محتوى ضئيل من المنغنيز والنيتروجين، يتم دفع PREN بشكل رئيسي بواسطة الكروم وسيكون متواضعًا مقارنة بالفولاذات الثنائية أو الأوستنيتية.

حماية السطح للبيئات غير الشديدة: - الجلفنة: غير شائعة على الفولاذ المقاوم للصدأ؛ يمكن استخدامها بدلاً من ذلك على الفولاذات الكربونية منخفضة التكلفة. - الطلاء، الطلاء الكهربائي: شائعة لتوفير حماية إضافية من التآكل حيث تكون الجمالية والحماية مطلوبة. - التمرير: يمكن أن تستعيد/تحسن المعالجة الكيميائية (حمض النيتريك أو حمض الستريك) الطبقة السلبية بعد التصنيع.

توضيح: PREN له معنى بالنسبة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ التي تحتوي على محتوى ملحوظ من المنغنيز والنيتروجين؛ بالنسبة لهذه الدرجات المارتنسيتي، يبرز PREN ببساطة مقاومتها المحدودة للتآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: 1Cr13 ذو الكربون الأعلى عمومًا أصعب وبالتالي أكثر صعوبة في التشغيل في الحالة المقرونة. تكون قابلية التشغيل أفضل في حالة التخمير أو نطاق الصلابة المنخفضة. 0Cr13 أسهل في التشغيل عندما تكون الصلابة المعالجة حراريًا مشابهة مطلوبة.
• الطحن والتشطيب: تجعل صلابة 1Cr13 الأعلى إنهاء الطحن أكثر تحديًا وتزيد من تآكل الأدوات؛ 0Cr13 أكثر تسامحًا.
• قابلية التشكيل والانحناء: 0Cr13 ذو الكربون المنخفض لديه قابلية تشكيل وخصائص ارتداد أفضل في الحالة المخففة (المعالجة حراريًا). بشكل عام، الفولاذات المقاومة للصدأ المارتنسيتي ليست قابلة للتشكيل مثل الدرجات الأوستنيتية.
• تشطيب السطح والنقش: يستجيب كلا الفولاذين لإنهاء الفولاذ المقاوم للصدأ الشائع؛ ومع ذلك، غالبًا ما يتطلب الطحن بعد اللحام والمعالجة السلبية لاستعادة مقاومة التآكل بعد التصنيع.

8. التطبيقات النموذجية

0Cr13 (كربون منخفض)	1Cr13 (كربون مرتفع)
أجسام الصمامات وتجهيزاتها حيث يتم إعطاء الأولوية لتحسين المتانة وقابلية اللحام	مكونات مقاومة للتآكل مثل شفرات السكاكين، وحواف القطع، والأعمدة التي تتطلب صلابة أعلى
أعمدة، مثبتات، مكونات مضخات في خدمة متوسطة التآكل مع PWHT روتينية	أقفاص كرات المحامل، مقاعد الصمامات، وحلقات الختم حيث تكون الصلابة/مقاومة التآكل حرجة
أجزاء فولاذية مقاومة للصدأ ذات استخدام عام حيث تهم سهولة التصنيع	أدوات، لوحات تآكل، ومكونات تتعرض للتآكل حيث تكون الصلابة الأعلى مطلوبة

مبررات الاختيار: - استخدم 0Cr13 عندما تكون قابلية اللحام والمتانة واللدونة أكثر أهمية من الصلابة القصوى؛ يُفضل استخدامه للمكونات التي تتعرض لأحمال ديناميكية وحيث تكون الأداء بعد اللحام مهمًا. - استخدم 1Cr13 عندما تكون الصلابة القصوى القابلة للتحقيق ومقاومة التآكل هي المحركات الرئيسية وحيث تكون ضوابط المعالجة الحرارية واللحام الدقيقة مقبولة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 1Cr13 و 0Cr13 عمومًا متشابهتان في تكلفة المواد الأساسية لأن محتوى الكروم يهيمن على سعر السبيكة. يمكن أن تكون 1Cr13 أرخص قليلاً من حيث تكلفة المعالجة لكل وحدة إذا كانت الصلابة النهائية تقلل من عمليات التشطيب، ولكن يمكن أن تزيد ضوابط اللحام والمعالجة الحرارية الإضافية من تكلفة الجزء الإجمالية.
• التوافر: يتم إنتاج كلا الدرجتين على نطاق واسع ومتاحة في أشكال ألواح، قضبان، ومزورة في المناطق التي تصنع وفقًا لمواصفات GB وما يعادلها. قد تؤثر أشكال المنتجات المحددة، وضوابط التركيب الدقيقة، أو حالات المعالجة الحرارية المتخصصة على أوقات التسليم.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي)

الخاصية	0Cr13	1Cr13
قابلية اللحام	جيدة (أفضل من 1Cr13)	متوسطة إلى ضعيفة (تتطلب تسخينًا مسبقًا وPWHT أكثر صرامة)
توازن القوة–المتانة	متوازن نحو المتانة	متوازن نحو القوة/الصلابة الأعلى
التكلفة (المادة فقط)	قابلة للمقارنة	قابلة للمقارنة

الخلاصة — اختر بناءً على احتياجات التطبيق: - اختر 0Cr13 إذا كنت بحاجة إلى تحسين قابلية اللحام، وزيادة المتانة، وخصائص لدونة أفضل للمكونات المعرضة للأحمال الديناميكية أو حيث تكون بساطة التصنيع مهمة. - اختر 1Cr13 إذا كنت تحتاج إلى صلابة أعلى بعد المعالجة الحرارية ومقاومة للتآكل ويمكنك تطبيق ضوابط صارمة للمعالجة الحرارية واللحام لإدارة الهشاشة وخطر التشقق في HAZ.

ملاحظات نهائية للمواصفات والمشتريات: - دائمًا اطلب التحليل الكيميائي المعتمد من المورد وحالة المعالجة الحرارية؛ حدد الخصائص الميكانيكية المطلوبة ونظام المعالجة الحرارية/التخمير في أوامر الشراء. - بالنسبة للتجميعات الملحومة، قدم مواصفات إجراءات اللحام (WPS) التي تفصل التسخين المسبق، والتحكم في التداخل، والمواد الاستهلاكية، ومتطلبات PWHT، واعتبر NDT/التفتيشات حيث تكون عواقب الفشل كبيرة.