20Cr مقابل 20CrMnTi – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
20Cr و 20CrMnTi هما نوعان من الفولاذ الكربوني المستخدم على نطاق واسع في نقل الطاقة ومكونات الآلات. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً الاختيار بين 20Cr الأبسط و 20CrMnTi المضاف إليه الميكرو، عند تحديد التروس والمحاور والتجاويف وأجزاء أخرى مقواة بالحرارة. تشمل سياقات القرار النموذجية موازنة التكلفة مقابل قوة القلب ومقاومة التعب، واختيار درجة لزيادة القابلية للتصلب أو تحسين التحكم في الحبيبات، واختيار فولاذ يتوافق مع قيود المعالجة الحرارية واللحام.
التمييز الفني الرئيسي هو أن 20CrMnTi يحتوي على منغنيز وتيتانيوم إضافيين (وتعديلات ميكرو أخرى) لتعزيز القابلية للتصلب، وتحسين الحبيبات، واستقرار الحالة الكربونية. تجعل هذه الاختلافات 20CrMnTi مفضلًا حيث يتطلب الأمر تقسية أعمق، وتحسين خصائص القلب، ومقاومة أفضل للتقصف الناتج عن التخمير، بينما يبقى 20Cr خيارًا اقتصاديًا للأجزاء الكربونية ذات الأحمال المتوسطة.
1. المعايير والتسميات
- المراجع الوطنية والدولية الشائعة حيث تظهر هذه الدرجات أو لها نظائر:
- GB (الصين): 20Cr، 20CrMnTi (تسميات مستخدمة على نطاق واسع في المعايير الصينية)
- JIS (اليابان): فولاذ كربوني بتركيبة كيميائية مشابهة (مثل، نظائر سلسلة SC)
- EN (أوروبا): مقارنة ببعض فولاذ الكربون من سلسلة 15-20Cr (لكن تحقق من الأرقام الدقيقة لـ EN)
- ASTM/ASME: فولاذ كربوني مشمول تحت المواصفات العامة للفولاذات السبيكية للتبريد والتخمير؛ قد لا توجد تسميات مباشرة من AISI/ASTM لذا يتطلب الأمر الرجوع المتبادل
- التصنيف: كلاهما فولاذ كربوني سبيكي (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، ليس فولاذ أدوات، ليس HSLA). تم تصميمهما للتقسية السطحية لتوفير سطح مقاوم للتآكل وقلب أكثر مرونة.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
يوضح الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية (وزن%) المستخدمة في أوصاف الصناعة. تختلف النطاقات الدقيقة حسب المعيار والمنتج - استخدم شهادات المصنع للمشتريات.
| عنصر | 20Cr (وزن% نموذجي) | 20CrMnTi (وزن% نموذجي) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.17–0.24 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.90–1.30 | 0.90–1.30 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.10 | ≤0.10 |
| V | —/trace | —/trace |
| Nb | —/trace | —/trace |
| Ti | —/trace (عادة لا يوجد) | 0.02–0.08 |
| B | — | — |
| N | trace | trace |
كيف تؤثر استراتيجية السبيكة على الخصائص: - الكربون: يتم ضبطه على مستوى منخفض إلى متوسط للسماح بالتكربن (كربون قلب منخفض للمرونة) مع السماح بوجود سطح عالي الكربون بعد التكربن للصلابة. - الكروم: يحسن القابلية للتصلب ومقاومة التخمير للحالة الكربونية ويساعد في مقاومة التآكل. - المنغنيز: يزيد من القابلية للتصلب وقوة الشد؛ زيادة المنغنيز في 20CrMnTi تزيد من عمق التصلب وقوة القلب. - التيتانيوم: السبيكة الميكروية مع التيتانيوم تحسن حجم الحبيبات، وتربط النيتروجين، وتثبت الكربيدات/النيتريدات، ويمكن أن تحسن مقاومة التعب والمرونة بعد المعالجة الحرارية. - السيليكون: يساعد في إزالة الأكسدة ويمكن أن يقوي الفريت قليلاً. - انخفاض الفوسفور والكبريت: لتحسين المرونة ومقاومة التعب.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - كما تم تكربنها (قبل التبريد النهائي): قلب فريت/بيرليتي منخفض الكربون مع حالة أوستنيتية غنية (كربون أعلى) في كلا الدرجتين. - بعد التبريد والتخمير (مسار التكربن النموذجي): حالة مارتنسيتية أو باينيتية مقواة مع جيوب أوستنيتية محتفظ بها بالقرب من السطح الخارجي؛ قلب مارتنسيت أو فريت-بيرليتي مخفف ومنخفض الكربون.
كيف تؤثر مسارات المعالجة الحرارية على كل درجة: - التطبيع: تستجيب كلا الدرجتين للتطبيع مع بنى مجهرية فريت-بيرليتي مصقولة وموحدة؛ محتوى التيتانيوم في 20CrMnTi يحسن تنقية الحبيبات عند التطبيع. - التكربن + التبريد + التخمير (المسار القياسي): تم تصميم كلاهما لهذا المسار. سيؤدي 20Cr إلى إنتاج حالة كافية وقلب مرن للتروس ذات الأحمال القياسية. 20CrMnTi، بسبب ارتفاع المنغنيز والتيتانيوم، يحقق قابلية تصلب أعمق وعادةً قلبًا أكثر صلابة بعد التخمير؛ كما يحتفظ بحجم حبيبات أوستنيتية أدق، مما يحسن مقاومة التعب. - التبريد والتخمير بدون تكربن: ليس نموذجيًا لهذه الفولاذات منخفضة الكربون لأن كربونها الأساسي منخفض؛ فائدة السبيكة الميكروية أقل استغلالًا. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يستفيد 20CrMnTi المضاف إليه الميكرو من الدرفلة المنضبطة لتحسين الحبيبات وزيادة المرونة؛ بينما يحصل 20Cr على فائدة أقل من تأثيرات السبيكة الميكروية.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على جدول المعالجة الحرارية المحدد (عمق الحالة، شدة التبريد، درجة حرارة التخمير). يقارن الجدول أدناه الدرجات نوعيًا تحت ظروف التكربن والتبريد/التخمير النموذجية.
| الخاصية | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| قوة الشد (بعد المعالجة الحرارية) | متوسطة (قوة السطح المهيمنة) | أعلى (تحسين قوة القلب والتصلب الكامل) |
| قوة العائد (القلب) | متوسطة | أعلى (أفضل قابلية تصلب للقلب) |
| التمدد (المرونة، القلب) | مرونة أفضل في المعالجة الحرارية المتوسطة النموذجية | مرونة أقل قليلاً إذا كانت مشددة بشدة، ولكن تحتفظ بمرونة أفضل بسبب تنقية الحبيبات |
| صلابة التأثير (القلب) | جيدة إلى متوسطة | تحسين المرونة لقوة مماثلة، بسبب تنقية حبيبات التيتانيوم |
| صلابة (حالة السطح) | عالية قابلة للتحقيق (بعد التكربن) | صلابة سطح مماثلة قابلة للتحقيق؛ تميل إلى الحفاظ على سلامة الحالة بشكل أفضل تحت الحمل |
التفسير: - عادةً ما يحقق 20CrMnTi قوة شد وعائد أعلى للقلب بعد نفس التكربن والتبريد لأن زيادة المنغنيز تزيد من القابلية للتصلب ويقوم التيتانيوم بتنقية حجم الحبيبات. النتيجة هي قدرة تحمل أفضل وأداء تعب للأجزاء ذات الطلب العالي. - صلابة السطح القابلة للتحقيق من خلال التقسية السطحية قابلة للمقارنة لكلاهما عند استخدام دورات تكربن متطابقة، لأن كربون السطح يحدد صلابة المارتنسيت. تظهر الاختلافات في سلامة الحالة، واستقرار الأوستنيت المحتفظ به، ومقاومة التخمير.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على المعادل الكربوني والقابلية للتصلب. مؤشرين شائعين:
عرض صيغة المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
عرض صيغة Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
تفسير نوعي: - 20Cr: CE معتدل؛ يمكن أن يتجنب التسخين المسبق والتبريد المنضبط التشققات الباردة. الممارسة النموذجية هي تجنب اللحام في حالة التكربن العالية أو إجراء معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) عند الحاجة. - 20CrMnTi: خطر قابلية لحام أعلى قليلاً بسبب ارتفاع المنغنيز (يزيد من $CE_{IIW}$) وعناصر السبيكة الميكروية مثل التيتانيوم التي تؤثر على البنية المجهرية المحلية وإمكانية التصلب في منطقة التأثير الحراري. يشير $P_{cm}$ إلى التيتانيوم كمساهم في خطر قابلية اللحام. في الممارسة العملية، يتطلب لحام كلا الدرجتين تسخينًا مسبقًا، ودرجات حرارة منخفضة بين الطبقات، ومواد تعبئة مناسبة؛ يتم تجنب لحام الأسطح الكربونية عمومًا عندما تعتمد الوظيفة على خصائص الحالة. - ملاحظة عملية: يجب أن تتبع الإصلاحات على الأسطح الكربونية إجراءات صارمة (طحن الحالة المقواة، تسخين محلي مسبق، استخدام معدن لحام متوافق، PWHT)، وغالبًا ما يحدد المصممون الوصلات الملولبة أو المطروقة حيث قد يؤثر اللحام على الأداء.
6. التآكل وحماية السطح
- كلا من 20Cr و 20CrMnTi هما فولاذات سبيكية غير مقاومة للصدأ؛ لا توفر مقاومة تآكل ذاتية للبيئات العدوانية.
- استراتيجيات الحماية الشائعة: الطلاء، التزييت، الفوسفات، الأكسيد الأسود، والتغليف (غمر ساخن أو كهربائي) حيثما كان ذلك مناسبًا. بالنسبة للأجزاء الكربونية ذات الأحمال الثقيلة، غالبًا ما يتم تجنب التغليف على الأسطح الملامسة بسبب خطر كسر الطلاء وتقصف الهيدروجين إذا لم يتم التحكم فيه بشكل صحيح.
- رقم مقاومة التآكل (PREN) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ؛ للمرجع: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لكن هذا ينطبق فقط على السبائك المقاومة للصدأ - لا تستخدمه لاختيار 20Cr/20CrMnTi.
- هامش التآكل: حيثما كانت التآكل مصدر قلق، اختر علاجات سطحية متوافقة مع صلابة الحالة ومتطلبات التعب (مثل، أنظمة مزدوجة، طلاءات سيراميكية رقيقة تطبق قبل الطحن النهائي فقط مع عمليات موثقة).
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: كلا الدرجتين قابلتان للتشغيل نسبيًا في الحالة المعالجة أو الملدنة. قد يكون 20CrMnTi أكثر صعوبة قليلاً في التشغيل بسبب ارتفاع المنغنيز ووجود كربيدات/نيتريدات التيتانيوم؛ الاختلافات متواضعة في الممارسة.
- التشغيل الصعب: بعد التكربن والتبريد، تتطلب كلا الدرجتين الطحن أو تقنيات التشغيل الصعبة لإنهاء الحالة. يجب طحن الأسطح المقواة إلى الأبعاد النهائية؛ يمكن أن يكون التشغيل الصعب باستخدام أدوات مناسبة ممكنًا في الإنتاج.
- قابلية التشكيل والانحناء: في الحالة الأساسية منخفضة الكربون (قبل التكربن)، يتشكل كلاهما بشكل مشابه. لا يُوصى بالتشكيل بعد التكربن.
- تشوه المعالجة الحرارية: يمكن أن تزيد القابلية للتصلب الأعلى في 20CrMnTi من خطر التشوه الناتج عن التبريد إذا لم يتم التحكم فيه؛ تصميم الهندسة والتركيب، واختيار وسط التبريد، وممارسة التخمير مهمة.
8. التطبيقات النموذجية
| 20Cr (الاستخدامات الشائعة) | 20CrMnTi (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| تروس ذات أحمال متوسطة، تروس صغيرة، تجاويف | تروس ذات أحمال ثقيلة، تروس كبيرة، ومحاور نقل ذات أحمال عالية |
| محاور ومحاور للآلات العامة | مكونات تتطلب تقسية أعمق وقوة قلب أعلى (محاور علبة التروس الريحية، تروس المركبات الثقيلة) |
| عجلات مسننة، أعمدة كامات في خدمة أخف | أجزاء معرضة للأحمال الديناميكية والتعب حيث تكون تنقية الحبيبات مفيدة |
| مسامير وأكمام كربونية عامة | مكونات كربونية عالية التعب وأجزاء حيوية في نظام نقل الحركة |
مبررات الاختيار: - اختر 20Cr عندما تكون حساسية التكلفة كبيرة ودورات العمل متوسطة - صلابة حالة كافية مع قلب مرن بتكلفة مواد أقل. - اختر 20CrMnTi عندما تتطلب القابلية للتصلب الأعمق، وقوة القلب الأفضل، وعمر التعب المحسن، والبنية المجهرية المنقحة على الرغم من تكلفة المواد الأعلى وضرورة التحكم الأكثر صرامة في المعالجة الحرارية.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: 20Cr هو الخيار الأكثر اقتصادية عادةً لأنه يحتوي على إضافات سبيكية أقل وتحكم أبسط في الصهر/المعالجة. 20CrMnTi يتطلب سعرًا أعلى بسبب المنغنيز الإضافي والسبيكة الميكروية والتحكم الأكثر دقة في المعالجة.
- التوافر: يتم إنتاج كلا الدرجتين عادةً من قبل مصانع الصلب التي تزود بالسبائك، والبار، والقطع في المناطق التي تشهد تصنيع الآلات الثقيلة. يميل 20Cr إلى أن يكون متاحًا على نطاق واسع في مخزون القضبان والمسبوكات القياسية؛ قد يتطلب 20CrMnTi الطلب من المصانع أو الموزعين الذين يزودون بالفولاذات الكربونية المضاف إليها الميكرو.
- أشكال المنتجات: كلاهما متاح كقضبان، ومسبوكات، وقطع مشغولة. حدد شهادات المصنع وظروف المعالجة الحرارية لضمان تتبع المنتج.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي):
| السمة | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | متوسطة (أفضل من الفولاذات السبيكية العالية) | أقل قليلاً (CE أعلى ومحتوى سبيكة ميكرو أعلى) |
| توازن القوة والمرونة | كافية للأحمال القياسية | تحسين قوة القلب والمرونة لصلابة حالة مماثلة |
| التكلفة | أقل | أعلى |
التوصية: - اختر 20Cr إذا: - كانت التطبيق يتطلب فولاذ كربوني قياسي للأحمال المتوسطة ومتطلبات التعب. - كانت التكلفة والتوافر الواسع من الأولويات. - كانت متطلبات عمق الحالة ضحلة إلى متوسطة وكانت المعالجة الحرارية التقليدية كافية. - اختر 20CrMnTi إذا: - كانت القطعة تتطلب قابلية تصلب أعمق، وقوة قلب أعلى، أو مقاومة تعب متفوقة. - كانت تنقية الحبيبات ومقاومة التخمير المحسنة مهمة (مثل، أجزاء التعب عالية الدورة). - كنت تقبل تكلفة مواد أعلى قليلاً لأداء أفضل ويمكنك التحكم في المعالجة الحرارية (التبريد، التخمير) بدقة.
ملاحظة نهائية: حدد دائمًا عمق الحالة الكربونية المطلوب، وصلابة السطح، وصلابة/مرونة القلب، وأي معالجة حرارية بعد اللحام أو حماية السطح في المشتريات والرسومات. تأكد من شهادات المصنع وسجلات المعالجة الحرارية لكل دفعة: يعتمد الأداء العملي بشكل أساسي على الكيمياء الدقيقة المقدمة وصعوبة مسار المعالجة بدلاً من اسم الدرجة الاسمي فقط.