15CrMo مقابل 20CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

15CrMo و 20CrMo هما نوعان من الفولاذات السبيكية الكروم-الموليبدينوم التي تُستخدم بشكل شائع في تطبيقات الأوعية الضاغطة، وتوليد الطاقة، والمكونات الميكانيكية. غالبًا ما يقرر المهندسون وفرق الشراء بينهما عند الموازنة بين متطلبات مثل قوة الحرارة المرتفعة ومقاومة الزحف، مقابل الصلابة وقوة السماكة للأجزاء المحملة بشكل كبير. تشمل سياقات القرار النموذجية ما إذا كان الجزء سيعمل لفترات طويلة عند درجات حرارة مرتفعة (مفضلًا الكربون المنخفض/استقرار درجة الحرارة الأعلى) أو ما إذا كانت القوة العالية بعد التبريد والقدرة على التصلب مطلوبة (مفضلًا الدرجة ذات الكربون الأعلى).

التمييز الفني الرئيسي بين هذين النوعين يكمن في محتوى الكربون وتأثيره الناتج على القدرة على التصلب وسلوك التخمير: الدرجة ذات الكربون المنخفض تقدم متانة وخدمة أفضل عند درجات حرارة مرتفعة، بينما يمكن للدرجة ذات الكربون الأعلى تحقيق قوة أعلى ومقاومة للتآكل بعد المعالجة الحرارية المناسبة. نظرًا لأن كلاهما من فولاذات Cr–Mo، يتم مقارنتهما غالبًا لمكونات الخدمة تحت الضغط عند درجات حرارة متوسطة وللأجزاء الهيكلية/الميكانيكية حيث تهم القابلية للحام، واستجابة المعالجة الحرارية، والتكلفة.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة والمراجع المتقاطعة:
• GB/T (الصين): تظهر تسميات مثل 15CrMo و 20CrMo في مواصفات GB لفولاذات الأوعية الضاغطة.
• EN / DIN: توجد فولاذات Cr–Mo مماثلة تحت عائلات EN/DIN (مثل 13CrMo4-5؛ تعتمد المعادلة الدقيقة على الكيمياء والمعالجة الحرارية).
• JIS (اليابان) و ASTM/ASME (الولايات المتحدة الأمريكية): توجد فولاذات مكافئة أو ذات غرض مشابه، لكن المطابقة الدقيقة للدرجات تتطلب تأكيدًا كيميائيًا وميكانيكيًا.
• التصنيف:
• كلا من 15CrMo و 20CrMo هما فولاذات سبيكية (فولاذات Cr–Mo منخفضة السبيكة)، ليست فولاذات مقاومة للصدأ، وليست فولاذات أدوات، وليست HSLA بالمعنى الدقيق. وغالبًا ما تُستخدم للأوعية الضاغطة، والأنابيب، والأجزاء الميكانيكية المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

جدول: نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (تمثيلية؛ تحقق من المعيار المحدد أو شهادة المصنع للتصميم النهائي).

عنصر	15CrMo (نطاقات نموذجية)	20CrMo (نطاقات نموذجية)
C	0.10–0.18 wt%	0.17–0.24 wt%
Mn	0.35–0.65 wt%	0.35–0.65 wt%
Si	0.10–0.37 wt%	0.10–0.37 wt%
P	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%
S	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%
Cr	~0.8–1.1 wt%	~0.8–1.3 wt%
Mo	~0.12–0.25 wt%	~0.12–0.30 wt%
Ni	≤ 0.30 wt% (أثر)	≤ 0.30 wt% (أثر)
V, Nb, Ti, B, N	لا تُضاف عادةً بكميات كبيرة؛ قد تكون موجودة بمستويات أثر/ميكروسبائك	نفس الشيء

ملاحظات: - هذه النطاقات توضح الكيمياء الشائعة التي يتم مواجهتها في المصنع لأسماء الدرجتين؛ تحدد المعايير المحددة (GB/T، EN، JIS، ASTM) وأرقام الحرارة الحدود الدقيقة. - استراتيجية السبيكة: يزيد الكروم والموليبدينوم من القدرة على التصلب، والقوة عند درجة الحرارة، ومقاومة التخمير. يزيد الكربون من القوة بعد التبريد والقدرة على التصلب ولكنه يقلل من اللدونة/المتانة والقابلية للحام عند زيادته. المنغنيز والسيليكون هما عوامل إزالة الأكسدة ويساهمان في القوة والقدرة على التصلب.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• البنية المجهرية بعد الدرفلة / المعالجة العادية:
• 15CrMo في الحالة العادية عادةً ما يكون بنية مروية من الفريت-البرليت أو بنية باينيتية دقيقة مع صلابة محتفظ بها منخفضة ومتانة جيدة؛ مختارة للأجزاء الضاغطة التي تعمل عند درجات حرارة مرتفعة.
• 20CrMo، مع كربون أعلى وCr–Mo قابل للمقارنة، يمكن أن يشكل برليت أدق أو يتحول إلى باينيت/مارتنسيت بسهولة أكبر أثناء التبريد السريع، مما يعطي صلابة وقوة متزايدة بعد التبريد والتخمير.
• آثار المعالجة الحرارية:
• التطبيع/التكرير: يستجيب كلا الفولاذين للتطبيع (التبريد في الهواء من درجة حرارة الأوستنيت) عن طريق إنتاج فريت-برليت أو باينيت دقيقة اعتمادًا على معدل التبريد؛ يميل 20CrMo إلى تطوير صلابة أعلى بسبب محتوى الكربون.
• التبريد والتخمير: يحقق 20CrMo قوة أعلى بعد التبريد وقوة أعلى بعد التخمير ولكنه أكثر عرضة للتشقق أثناء التبريد ويتطلب تحكمًا أكثر صرامة في درجات حرارة التسخين المسبق ودرجات حرارة التداخل للحام. يحقق 15CrMo قوة كافية لخدمة الأوعية الضاغطة مع حساسية أقل للتبريد.
• المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يحسن الدرفلة المتحكم فيها والتبريد المعجل القوة والمتانة لكلا الدرجتين، ولكن الدرجة ذات الكربون المنخفض تعطي عمومًا بنية مجهرية أكثر تحملًا للأضرار للخدمة عند درجات حرارة مرتفعة.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: الخصائص المقارنة (سلوك نوعي/نموذجي؛ تحقق من شهادة المنتج للقيم الدقيقة)

خاصية	15CrMo	20CrMo	ملاحظات
قوة الشد	متوسطة	أعلى	تحقق 20CrMo قوة شد أعلى بعد التبريد والتخمير بسبب الكربون الأعلى/القدرة على التصلب
قوة الخضوع	متوسطة	أعلى	تخضع 20CrMo عند إجهاد أعلى بعد المعالجة الحرارية
التمدد (%)	أعلى (أكثر لدونة)	أقل (أقل لدونة)	يقلل الكربون الأعلى من اللدونة
صلابة التأثير	أفضل عند درجات حرارة مرتفعة	جيدة عند درجة حرارة الغرفة عند التبريد/التخمير ولكن أقل عند درجات حرارة عالية	تم تصميم 15CrMo لتحمل متانة عند درجات حرارة مرتفعة مستدامة
الصلابة (HRC/HRB)	أقل (أسهل في التشغيل/التشكيل)	أعلى (عند المعالجة الحرارية)	يمكن أن تصل 20CrMo إلى صلابة أعلى بعد المعالجة الحرارية المناسبة

التفسير: - في ظل ظروف المعالجة الحرارية القابلة للمقارنة الموجهة لخدمة الأوعية الضاغطة (حالات التخمير)، تقدم 15CrMo عادةً استجابة أكثر لدونة ومتانة عند درجات حرارة الخدمة، بينما يمكن استخدام 20CrMo حيث تكون القوة العالية بعد التبريد ومقاومة التآكل مطلوبة. - يجب على المصممين مطابقة المعالجة الحرارية مع بيئة الخدمة: بالنسبة لمقاومة الزحف، قد تكون استقرار التخمير والكربون المنخفض مرغوبين؛ بالنسبة للمكونات الحاملة للأحمال التي تتطلب قوة أعلى/شد، قد يتم إعطاء الأولوية للكربون الأعلى/القدرة على التصلب.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على المعادل الكربوني والسبيكة. هناك مؤشرين تجريبيين مستخدمين على نطاق واسع هما:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

و

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 20CrMo، الذي يحتوي على محتوى كربون أكبر، سيكون عمومًا له $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ أعلى من 15CrMo لنفس مستويات Mn وCr وMo — مما يشير إلى زيادة القابلية للتصلب في منطقة اللحام والتشقق البارد ما لم يتم تطبيق تسخين مسبق مناسب ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT). - يقلل الكربون المنخفض في 15CrMo من الحاجة إلى تسخين مسبق ثقيل ويسمح بممارسات لحام أكثر تسامحًا، على الرغم من أن PWHT لا يزال مطلوبًا غالبًا لخدمة الأوعية الضاغطة لتخفيف الضغوط المتبقية وتخمير منطقة اللحام. - تحتوي كلا الدرجتين على Cr وMo مما يزيد من القدرة على التصلب؛ يجب تأهيل إجراءات اللحام (التسخين المسبق، والتداخل، وPWHT) وفقًا للرمز (مثل ASME القسم IX) للتطبيقات الضاغطة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا 15CrMo ولا 20CrMo مقاومان للصدأ؛ كلاهما يتطلب حماية السطح في البيئات التآكلية.
• الحمايات النموذجية: الطلاء، أنظمة الطلاء الصناعية، الجلفنة (حيثما كان ذلك مناسبًا لدرجة حرارة التصميم والخدمة)، أو التغطية بسبيكات مقاومة للتآكل للبيئات الأكثر عدوانية.
• PREN غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات منخفضة السبيكة غير المقاومة للصدأ، ولكن عند مناقشة مقاومة التآكل للسبيكات المقاومة للصدأ، يمكن استخدام:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• للمقاومة للأكسدة/التآكل عند درجات حرارة عالية، يساعد محتوى Cr وMo، ولكن لمقاومة التآكل الحقيقية (وسائط الكلوريد، الحمضية) تتطلب سبيكات مقاومة للصدأ أو تغطية سطحية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، والتشكيل

• قابلية التشغيل: 15CrMo (الكربون المنخفض) عمومًا أسهل في التشغيل من 20CrMo في ظروف معالجة حرارية مماثلة. تزيد الصلابة الأعلى في 20CrMo من قوى القطع وتآكل الأدوات.
• التشكيل/الانحناء: 15CrMo يتحمل التشكيل البارد والانحناء بشكل أفضل بسبب اللدونة الأعلى؛ قد يتطلب 20CrMo أنصاف انحناء أقل أو معالجة حرارية/تطبيع قبل التشكيل.
• التشطيب: الطحن السطحي، والتلميع، والتفجير بالرصاص مشابه، ولكن قد تتطلب صلابة 20CrMo الأعلى أدوات أكثر عدوانية أو معدلات تغذية أبطأ.
• اللحام والتصنيع: تتطلب كلا الدرجتين عادةً تسخينًا مسبقًا وPWHT عند استخدامها في التطبيقات الضاغطة؛ يعتمد الدرجة ودرجة الحرارة على المعادل الكربوني والسماكة.

8. التطبيقات النموذجية

جدول: الاستخدامات النموذجية

15CrMo	20CrMo
مكونات الغلايات والأوعية الضاغطة لدرجات حرارة مرتفعة معتدلة	أعمدة ميكانيكية، مسامير، براغي، ومكونات حاملة للأحمال تتطلب قوة أعلى بعد التبريد/التخمير
أنابيب وتركيبات في محطات الطاقة حيث تتطلب المتانة عند درجة الحرارة	تروس، وصلات ثقيلة، وأجزاء هيكلية حيث تكون القوة الأعلى أو مقاومة التآكل مطلوبة بعد المعالجة الحرارية
أنابيب مبادل الحرارة، رؤوس، وشفة حيث تكون مقاومة الزحف واستقرار التخمير مهمين	مكونات ذات ضغط محكم أو مكونات مشدودة تتعرض لأحمال ميكانيكية دورية (بعد المعالجة الحرارية المناسبة)

مبررات الاختيار: - اختر 15CrMo حيث تكون الأداء عند درجات حرارة مستدامة، واللدونة، وقابلية اللحام مع خطر أقل من التشقق الهيدروجيني هي الأولويات (الأوعية الضاغطة والأنابيب). - اختر 20CrMo حيث تكون القوة الأعلى، والصلابة، ومقاومة التآكل مطلوبة وحيث يمكن التحكم في المعالجة الحرارية.

9. التكلفة والتوافر

• تكلفة المواد الخام: كلاهما من فولاذات سبيكة Cr–Mo؛ الفروق في تكلفة المواد متواضعة ومدفوعة إلى حد كبير بالإمدادات المحلية، الشكل (لوح، قضيب، أنبوب)، ومتطلبات المعالجة.
• تكلفة المعالجة: يمكن أن تتحمل 20CrMo تكاليف معالجة أعلى بسبب ضوابط المعالجة الحرارية/اللحام الأكثر صرامة وقد تكون المعالجة/الأدوات أكثر تكلفة إذا كانت الصلابة الأعلى مستهدفة.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحة على نطاق واسع في أشكال المنتجات الشائعة (لوح، قضيب، أنبوب غير ملحوم) في العديد من الأسواق الصناعية؛ قد تكون ظروف المعالجة الحرارية المحددة وشهادات المواد الضاغطة ذات القطر الكبير أكثر محدودية وتتطلب أوقات تسليم أطول.

10. الملخص والتوصية

جدول: مقارنة عالية المستوى

السمة	15CrMo	20CrMo
قابلية اللحام	أفضل (CE أقل)	يتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT أكثر صرامة (CE أعلى)
توازن القوة–المتانة	متانة جيدة، قوة متوسطة	قوة أعلى قابلة للتحقيق، لدونة أقل عند التصلب
التكلفة (المواد + المعالجة)	منخفضة إلى متوسطة	متوسطة إلى أعلى (اعتمادًا على المعالجة الحرارية)

التوصيات: - اختر 15CrMo إذا كنت بحاجة إلى سبيكة Cr–Mo لخدمة درجات حرارة مرتفعة معتدلة، أو مكونات الأوعية الضاغطة، أو الأنابيب حيث تكون استقرار التخمير على المدى الطويل، والمتانة، وقابلية اللحام الأكثر تسامحًا مهمة. - اختر 20CrMo إذا كنت بحاجة إلى قوة أعلى عبر السماكة أو القدرة على التصلب للأجزاء الميكانيكية، أو التروس، أو الأعمدة، أو المكونات التي سيتم تبريدها وتخميرها إلى مستوى أعلى من الصلابة والقوة، وحيث يمكنك التحكم في إجراءات المعالجة الحرارية واللحام.

ملاحظة نهائية: تأكد دائمًا من الخصائص الميكانيكية المطلوبة، وحالة المعالجة الحرارية، وكيمياء شهادة المصنع مقابل الرمز أو المواصفة الحاكمة لتطبيقك. بالنسبة للمعدات الضاغطة الملحومة، اتبع الرمز التصميمي المناسب (ASME، EN، GB/T) وحقق إجراءات اللحام ومتطلبات PWHT بناءً على المعادل الكربوني المحسوب والسماكة.