1Cr13 مقابل 2Cr13 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بانتظام خيارات بين الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ السبيكي المرتبطين ارتباطًا وثيقًا حيث تؤثر الاختلافات التركيبية الصغيرة بشكل كبير على الأداء والتكلفة. الدرجتان اللتان يتم مواجهتهما عادةً في التطبيقات المقاومة للتآكل والمارتنسيتية هما 1Cr13 و2Cr13. عادةً ما يتمحور معضلة الاختيار العملية حول الموازنة بين القوة ومقاومة التآكل مقابل المتانة وقابلية اللحام والتكلفة.

التمييز الأساسي بين هاتين الدرجتين التجاريتين يكمن في توازن السبيكة - ولا سيما مستويات الكروم والكربون - مما يؤدي إلى اختلافات في القابلية للتصلب، والصلابة القابلة للتحقيق، وأداء مقاومة التآكل. نظرًا لأن كلا الدرجتين تُستخدمان في عائلات منتجات مماثلة (الصمامات، والمحاور، وأجزاء المضخات، والشفرات، والأدوات)، يقارن المهندسون بينهما لتحديد ما إذا كان ينبغي إعطاء الأولوية لقوة أعلى ومقاومة للتآكل أو متانة أفضل وسهولة في التصنيع.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة والمراجع المتقاطعة حيث قد تظهر الدرجات ذات التركيب الكيميائي المماثل:
• GB (الصين): 1Cr13، 2Cr13 (تسميات صينية شائعة)
• JIS (اليابان): مكافئات قريبة غالبًا ما تقارن بسلسلة SUS420 (للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية)
• EN / EN ISO: قد تقارن بأجزاء من سلسلة X12Cr (عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية)

• ASTM/ASME: ليست مكافئات مباشرة 1:1، ولكن مواصفات AISI 420 وغيرها من مواصفات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية هي مقارنات وظيفية

• التصنيف:

• كلا من 1Cr13 و2Cr13 هما فولاذان مقاومان للصدأ من نوع المارتنسيت (مقاوم للصدأ، قابل للتصلب بالحرارة). هما ليسا فولاذًا منخفض السبيكة HSLA ولا فولاذ أدوات بالمعنى التقليدي، على الرغم من استخدامهما في تطبيقات التآكل والقطع بسبب قابليتهما للتصلب.

ملاحظة: تختلف النطاقات الرقمية الدقيقة والتسمية حسب البلد والمطحنة؛ تحقق دائمًا مع شهادة المواد من المورد.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

يوضح الجدول التالي نطاقات التركيب التمثيلية المستخدمة في الصناعة للدرجتين. هذه هي النطاقات النموذجية - يجب استشارة مواصفات ومعايير المطحنة المحددة لعمليات الشراء أو حسابات التصميم.

عنصر	1Cr13 النموذجية (wt%)	2Cr13 النموذجية (wt%)
C	0.08 – 0.20	0.15 – 0.30
Mn	≤ 1.0 (نموذجي 0.3 – 0.8)	≤ 1.0 (نموذجي 0.3 – 0.8)
Si	≤ 1.0 (نموذجي 0.2 – 0.8)	≤ 1.0 (نموذجي 0.2 – 0.8)
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~12.0 – 13.5	~13.0 – 14.5
Ni	≤ 0.3	≤ 0.3
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.10	≤ 0.10
Nb / Ti / B	أثر / غالبًا <0.03	أثر / غالبًا <0.03
N	أثر	أثر

تفسير كيفية تأثير السبيكة على الخصائص: - يزيد الكربون من القوة والصلابة ومقاومة التآكل والقابلية للتصلب ولكنه يقلل من اللدونة وقابلية اللحام عند زيادته. - يوفر الكروم مقاومة للتآكل ويساهم في القابلية للتصلب واستجابة التخمير في الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية؛ الزيادات التدريجية تحسن استقرار الفيلم الساكن والاحتفاظ بالصلابة عند درجات الحرارة العالية. - المنغنيز والسيليكون هما مزيلات للأكسدة ويؤثران على القابلية للتصلب؛ يمكن أن يقلل المنغنيز الزائد من المتانة. - قد تؤدي السبيكة الدقيقة (V، Nb) إلى تحسين الكربيدات وبنية الحبيبات، مما يحسن المتانة ومقاومة الزحف قليلاً.

النتيجة العملية: يتم تحديد 2Cr13 عادةً لتحقيق صلابة أعلى ومقاومة للتآكل، بينما يتم اختيار 1Cr13 حيث تكون المتانة الأفضل وسهولة التصنيع مطلوبة قليلاً.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة الملدنة، تحتوي كلا الدرجتين على الفريت بالإضافة إلى الكربيدات؛ بعد التبريد، تشكل المارتنسيت مع كربيدات الكروم الموزعة (M23C6، M7C3، والاسمنتيت اعتمادًا على محتوى C وعناصر أخرى). - تنتج 1Cr13 (كربون أقل وكروم أقل قليلاً) مصفوفة مارتنسيتية مع عدد أقل وأصغر من الكربيدات عند معالجة حرارية معينة، مما يميل إلى إعطاء متانة أفضل بعد التخمير. - تشكل 2Cr13 (كربون أعلى وغالبًا كروم أعلى) نسبة حجم أعلى من المرحلة المارتنسيتية والمزيد من ترسبات الكربيد، مما يوفر صلابة أعلى ومقاومة للتآكل ولكن متانة أقل.

استجابة المعالجة الحرارية: - المسار الشائع: الأوستنيتيز (عادةً 950–1050 °م اعتمادًا على حجم المقطع والتركيب)، التبريد (زيت أو هواء للأقسام الرقيقة)، ثم التخمير لتحقيق الصلابة/المتانة المستهدفة. - التعديل ينقي حجم الحبيبات ويمكن أن يحسن قابلية التشغيل والمتانة قبل التبريد النهائي والتخمير. - التبريد والتخمير: تتحكم درجة حرارة التخمير ومدة الوقت في الموازنة بين القوة والمتانة. يقلل التخمير الأعلى من الصلابة ولكنه يزيد من اللدونة ومقاومة الصدمات. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المتحكم بها + التبريد) أقل شيوعًا لهذه الدرجات المارتنسيتية من الفولاذ المقاوم للصدأ ولكن يمكن أن تنقي البنية المجهرية وتحسن المتانة.

ملاحظة عملية: نظرًا لأن 2Cr13 لديه كربون/قابلية للتصلب أعلى، فإنه أكثر عرضة للمارتنسيت الصلب والهش في الأقسام السميكة ويتطلب دورات أوستنيتيز وتخمير دقيقة لتجنب التشقق.

4. الخصائص الميكانيكية

يوضح الجدول أدناه الخصائص القابلة للتحقيق بعد المعالجات النموذجية للتبريد والتخمير. تعتمد القيم بشكل كبير على حجم المقطع ومعلمات المعالجة الحرارية والتركيب الكيميائي الدقيق؛ اعتبر هذه النطاقات كإرشادات بدلاً من الحد الأدنى المضمون.

الخاصية (نموذجية بعد Q&T)	1Cr13	2Cr13
قوة الشد (ميغاباسكال)	600 – 900	700 – 1100
قوة الخضوع (0.2% انزلاق، ميغاباسكال)	300 – 700	500 – 950
التمدد (%)	8 – 18	6 – 14
أثر شاري (جول، درجة حرارة الغرفة)	متوسط (أعلى)	أقل (متانة مخفضة)
الصلابة (HRC)	35 – 54 (تعتمد على العملية)	40 – 58 (يمكن أن تصل إلى HRC أعلى)

التفسير: - تحقق 2Cr13 عمومًا قوة شد وصلابة أعلى بسبب الكربون الأعلى والمارتنسيت الأكثر صلابة، على حساب اللدونة والمتانة عند الصدمات. - غالبًا ما يتم اختيار 1Cr13 عندما تكون القوة المعتدلة مع متانة أفضل وسهولة في التصنيع مطلوبة.

5. قابلية اللحام

تتأثر قابلية اللحام بشكل أساسي بمعادل الكربون والقابلية للتصلب. يزيد الكربون الأعلى والكروم الأعلى من الميل لتشكيل مارتنسيت صلب في منطقة التأثير الحراري (HAZ)، مما يزيد من خطر التشقق البارد.

تشمل المؤشرات التجريبية المفيدة معادل الكربون IIW وصيغة Pcm: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 2Cr13، مع كربونه الأعلى وكرومه الأعلى قليلاً، لديه معادل كربون أعلى وقابلية للتصلب أكبر، لذا من المرجح أن يتطور مارتنسيت صلب في منطقة التأثير الحراري وبالتالي يتطلب تسخينًا مسبقًا، ودرجات حرارة متحكم بها بين الطبقات، ومعالجة حرارية بعد اللحام لتجنب التشقق. - 1Cr13 (كربون أقل) يلحم بسهولة أكبر ولكنه لا يزال يتطلب إجراءات لحام مناسبة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية (تسخين مسبق، ممارسة منخفضة الهيدروجين، وتخمير بعد اللحام عند الضرورة). - استخدام المعادن المالئة: تعتبر الأسلاك المالئة ذات القابلية للتصلب المتطابقة أو الأقل، والتسخين/التخمير بعد اللحام، من الممارسات الشائعة.

6. مقاومة التآكل وحماية السطح

• كلا الدرجتين هما فولاذان مقاومان للصدأ من نوع المارتنسيت مع مقاومة متواضعة للتآكل مقارنةً بالدرجات الأوستنيتية. يوفر الكروم تشكيل فيلم ساكن، ولكن الكروم العام الأقل وترسب الكربيد الغني بالكربون عند حدود الحبيبات يمكن أن يستنفد محليًا الكروم ويقلل من مقاومة التآكل.
• لبيئات نموذجية:
• 1Cr13: كافٍ للبيئات ذات التآكل الخفيف (الجو، المياه الخفيفة) عند تلميعه وتخميله.
• 2Cr13: مقاومة للتآكل المحسن قليلاً إذا كان الكروم أعلى قليلاً، ولكن زيادة تشكيل الكربيد يمكن أن تقلل من مقاومة التآكل العملية ما لم تتم معالجته حراريًا وتخميله بشكل صحيح.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) ليس مفيدًا بشكل خاص لهذه الدرجات المارتنسيتية ذات المحتوى المنخفض من Mo وN، ولكن الصيغة هي:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• بالنسبة لـ 1Cr13 و2Cr13، سيكون PREN منخفضًا مقارنةً بالدرجات المزدوجة أو الفائقة الأوستنيتية، لأن Mo وN غير ملحوظين.
• حماية السطح: يعتبر الجلفنة، والطلاءات الواقية، والدهان، والتخميل استراتيجيات شائعة عندما تكون مقاومة التآكل الأعلى مطلوبة. بالنسبة لأجزاء التآكل، غالبًا ما يتم تطبيق طلاءات الكروم الصلب أو الرش الحراري.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع والتشغيل:
• 2Cr13 (إمكانات صلابة أعلى) عمومًا أكثر خشونة على الأدوات وأكثر صعوبة في التشغيل في الحالة المتصلبة. يقلل التشغيل في الحالة الملدنة من تآكل الأدوات.
• 1Cr13 في الحالة الملدنة يُشغل بسهولة أكبر؛ بعد التصلب، يتطلب كلاهما أدوات كربيد وترتيبات صلبة.
• التشكيل والانحناء:
• يكون التشكيل البارد محدودًا بمجرد أن يصبح المادة متصلبة. يعتبر التلدين قبل التشكيل ممارسة قياسية.
• التشطيب:
• يمكن طحن وتلميع كلا الدرجتين؛ تميل 2Cr13 إلى الحاجة إلى طحن أكثر عدوانية بسبب صلابتها الأعلى ومحتوى الكربيد.
• تكون مخاطر تشوه المعالجة الحرارية والتشقق أعلى بالنسبة لـ 2Cr13 أثناء التبريد؛ تساعد التثبيتات والتبريد المتحكم فيه في إدارة التشوه.

8. التطبيقات النموذجية

الاستخدامات النموذجية لـ 1Cr13	الاستخدامات النموذجية لـ 2Cr13
محاور، مكونات الصمامات، أجزاء المضخات، شفرات متوسطة التآكل، الأجهزة العامة حيث تكون المتانة ومقاومة التآكل المعقولة مطلوبة	أجزاء التآكل، النوابض الورقية، المحاور ذات الحمولة الأعلى، عناصر القطع، المكونات التي تتطلب صلابة أعلى ومقاومة للتآكل
المثبتات، البراغي، والمكونات ذات الحمولة المتوسطة حيث تُقدَّر سهولة التصنيع	الأدوات والقوالب للاستخدام الخفيف، المكونات المعرضة لضغوط اتصال أعلى حيث تكون مقاومة التآكل ذات أولوية

مبررات الاختيار: - اختر 1Cr13 عندما يركز التصميم على المتانة، وسهولة التصنيع/اللحام، ومقاومة التآكل المعتدلة بتكلفة أقل. - اختر 2Cr13 حيث تكون الصلابة الأعلى ومقاومة التآكل تحت الحمل هي المتطلبات السائدة وحيث يمكن تنفيذ معالجة حرارية محددة للتطبيق وإجراءات ما بعد اللحام.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: بشكل عام، تكلفة المواد الأساسية لكلاهما متشابهة لأن فرق محتوى الكروم متواضع؛ يمكن أن تكون 2Cr13 أغلى قليلاً بسبب التحكم الأكثر صرامة في نطاقات الكربون/الكربون المحتمل ومعالجة إضافية محتملة (مثل التخمير إلى صلابة عالية).
• التوافر: كلاهما شائع في المناطق التي يتم فيها إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية؛ تختلف أشكال المنتجات المحددة (البار، والسبائك، والصفائح، والمواد الدقيقة) حسب المطحنة. قد تكون أوقات التسليم أطول للتركيبات الخاصة، والأحجام الخاصة، أو الدفعات المعتمدة.
• تكلفة العملية: قد تزيد عمليات التصنيع واللحام لـ 2Cr13 من التكلفة الإجمالية للجزء بسبب معالجة التسخين المسبق/ما بعد اللحام ووقت التشغيل الإضافي.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي)

السمة	1Cr13	2Cr13
قابلية اللحام	أفضل (كربون أقل، CE أقل)	أكثر تطلبًا (كربون أعلى، CE أعلى)
توازن القوة–المتانة	متوازن نحو المتانة واللدونة	قوة وصلابة أعلى، متانة مخفضة
التكلفة (المادة + المعالجة)	أقل إلى معتدل	معتدل إلى أعلى (بسبب المعالجة)

التوصية: - اختر 1Cr13 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيت يتوازن بين القوة مع متانة أفضل، وسهولة اللحام والتصنيع، ومعالجة فعالة من حيث التكلفة - على سبيل المثال، المحاور، والصمامات، والمكونات العامة التي تتطلب مقاومة للتآكل في بيئات خفيفة ومقاومة جيدة للصدمات. - اختر 2Cr13 إذا كانت الأولوية هي صلابة أعلى بعد التصلب، ومقاومة للتآكل، وقوة شد أعلى للمكونات المعرضة للتآكل أو التعب الناتج عن الاتصال - شريطة أن تتمكن من استيعاب التحكم الأكثر صرامة في المعالجة الحرارية، وإجراءات اللحام الأكثر تطلبًا، وتكاليف المعالجة المحتملة الأعلى.

نصيحة عملية نهائية: حدد دائمًا التركيب الكيميائي الدقيق لشهادة المطحنة/الاختبار والمعالجة الحرارية المطلوبة، وأجرِ اختبارات محددة للتطبيق (الصلابة، التأثير، التآكل) على دفعات الإنتاج حيث تكون ظروف الخدمة حرجة.