20CrMo مقابل 42CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
20CrMo و 42CrMo هما نوعان من الفولاذ منخفض السبائك المستخدم على نطاق واسع في مكونات نقل الطاقة، والتروس، والمحاور، والآلات الثقيلة. غالبًا ما يتعين على المهندسين ومديري المشتريات الاختيار بين الاثنين عند الموازنة بين القوة الأساسية، وصلابة السطح، وقابلية التصلب، وقابلية اللحام، والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية ما إذا كان المكون يحتاج إلى حالة صلبة مع نواة مرنة (تصاميم الكربنة) مقابل محور صلب بالكامل، عالي القوة حيث تكون الخصائص الميكانيكية الموحدة مطلوبة.
التمييز التشغيلي الأساسي هو أن أحد الدرجات مصممة لاستراتيجيات الكربنة وتصلب السطح مما ينتج عنه كربون كتلي منخفض نسبيًا ولكن خصائص حالة محسنة، بينما تحتوي الأخرى على كربون كتلي أعلى وسبائك لإنتاج قوة ومتانة أعلى عبر السماكة بعد التبريد والتخمير. نظرًا لأن كلا الدرجتين هما فولاذ منخفض السبائك مع إضافات من الكروم والموليبدينوم، فإنهما يقارن عادةً لأجزاء دوارة أو محملة مماثلة حيث تحدد طريقة المعالجة الحرارية الأداء النهائي.
1. المعايير والتسميات
- 20CrMo
- المعايير المرجعية الشائعة: تسميات GB (الصين) (مثل 20CrMo)، المعادلات EN (فولاذ الكربنة مثل 5120/20Cr)، وتنوعات JIS. غالبًا ما يتم تصنيفها كفولاذ كربوني منخفض السبائك.
- الفئة: فولاذ منخفض السبائك مصمم للكربنة (تصلب الحالة).
- 42CrMo
- المعايير المرجعية الشائعة: GB 42CrMo (42CrMo4)، EN 1.7225 / 42CrMo4، AISI/SAE 4140 (معادل قريب)، JIS. مصنفة كفولاذ سبائكي من الكروم والموليبدينوم للتصلب الكامل.
- الفئة: فولاذ منخفض السبائك، تم تبريده وتخميره (فولاذ هيكلي/سبائكي).
كلاهما ليس فولاذًا مقاومًا للصدأ؛ إنهما فولاذان سبائكيان (ليس HSLA بالمعنى الدقيق، ولكن تم سبكه لتحسين قابلية التصلب والقوة).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
فيما يلي نطاقات العناصر النموذجية المستخدمة كإرشادات (تعكس النطاقات المواصفات الشائعة؛ الحدود الدقيقة تعتمد على المعيار المحدد وظروف المعالجة الحرارية).
| عنصر | 20CrMo (wt%) | 42CrMo (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.25 | 0.38–0.45 |
| Mn | 0.35–0.65 | 0.50–0.90 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.40–0.70 | 0.90–1.20 |
| Ni | ≤ 0.30 (قليل) | ≤ 0.30 (قليل) |
| Mo | 0.08–0.20 | 0.15–0.30 |
| V | ≤ 0.05 (أثر) | ≤ 0.05 (أثر) |
| Nb | عادةً أثر | عادةً أثر |
| Ti | عادةً أثر | عادةً أثر |
| B | عادةً أثر | عادةً أثر |
| N | عادةً أثر | عادةً أثر |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون: التحكم الأساسي في القوة وقابلية التصلب. الكربون الكتلي المنخفض في فولاذ الكربنة (20CrMo) يسهل وجود نواة مرنة وتدرج جيد بين الحالة والنواة بعد الكربنة. الكربون الأعلى في 42CrMo ينتج قوة وصلابة أعلى بعد التبريد. - الكروم والموليبدينوم: يزيدان من قابلية التصلب، ومقاومة التخمير، والقوة؛ كلا الدرجتين تستخدمان Cr و Mo ولكن 42CrMo عادةً ما تحتوي على مستويات أعلى من Cr و Mo لتمكين التصلب الكامل إلى مستويات قوة أعلى. - المنغنيز والسيليكون: يساهمان في القوة وإزالة الأكسدة. - قد تكون العناصر الدقيقة (V، Nb، Ti) موجودة بكميات أثرية للتحكم في حجم الحبيبات وتحسين المتانة؛ ليست عناصر سبائكية أساسية في هذه الدرجات.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية والاستجابات النموذجية: - 20CrMo - كما هو مدلفن/معتدل: بنية مجهرية تتكون أساسًا من الفريت–البرلايت أو بنية حبيبية دقيقة حسب التعديل. - بعد الكربنة + التبريد والتخمير: حالة مارتينسيتية صلبة/كربونية مع تدرج كربوني محكم؛ النواة هي مارتينسيت مخفف أو فريت–برلايت مخفف مع قوة أقل نسبيًا ومرونة أعلى. تجعل الكربنة 20CrMo مثالية حيث تكون مقاومة التآكل السطحية مطلوبة دون التضحية بمتانة النواة. - 42CrMo - كما هو مدلفن/معتدل: فريت-برلايت؛ تحكم جيد في حجم الحبيبات بسبب Cr و Mo. - بعد التبريد والتخمير: تتحول إلى مارتينسيت عند التبريد، وبعد التخمير، تحقق قوة ومتانة عالية عبر المقطع العرضي. تتحكم درجة حرارة التخمير في توازن القوة–المتانة؛ التخمير الأعلى يقلل القوة ويزيد المتانة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: تستجيب كلا الدرجتين للدرفلة المحكومة والتبريد المسرع لتحسين حجم الحبيبات وتحسين الخصائص الميكانيكية؛ ومع ذلك، فإن محتوى الكربون والسبائك الأعلى في 42CrMo يجعلها أكثر استجابة للتقوية عبر التبريد والتخمير.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على المعالجة الحرارية وحجم المقطع. تظهر الجدول النطاقات التمثيلية لظروف المعالجة الحرارية المستخدمة عادةً (معتدل، كربوني/مبرد-مخمّر، أو مبرد ومخمّر). هذه مؤشرات؛ حدد أوراق بيانات المورد أو شهادات الاختبار للقيم الحرجة في التصميم.
| الخاصية | 20CrMo (نموذجي بعد الكربنة/تخمير النواة) | 42CrMo (نموذجي مبرد ومخمّر) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | النواة: ~500–800 | ~800–1200 |
| قوة الخضوع (ميغاباسكال) | النواة: ~300–600 | ~600–1000 |
| التمدد (%) | النواة: معتدل إلى جيد (10–18%) | يختلف مع التخمير (8–16%) |
| صلابة التأثير (جول، درجة حرارة الغرفة) | متانة جيدة للنواة بعد التخمير | جيدة إلى جيدة جدًا مع التخمير المناسب؛ تعتمد على مستوى التخمير |
| الصلابة (HRC أو HB) | صلابة الحالة عالية (HRC 55–62)، النواة منخفضة (HB 170–250) | يمكن تحقيق صلابة كاملة (مثل HRC ~25–55 حسب التخمير) |
التفسير: - أيهما أقوى؟ في حالة التصلب الكامل، يوفر 42CrMo قوة شد وقوة خضوع أعلى بسبب محتوى الكربون والسبائك الأعلى. - أيهما أكثر متانة/مرونة؟ الكربون المنخفض في نواة 20CrMo بعد الكربنة ينتج مرونة ومتانة نواة متفوقة مع توفير حالة مقاومة للتآكل. يمكن تصميم 42CrMo لتحقيق توازن بين المتانة والقوة عبر التخمير ولكن عادةً ما سيكون لها قوة أعلى ومرونة أقل من نواة جزء 20CrMo الكربوني عندما يتم تحسين كلاهما لاستخداماتهما المحددة.
5. قابلية اللحام
اعتبارات قابلية اللحام: - محتوى الكربون وقابلية التصلب هما المفتاح. يزيد الكربون الكتلي الأعلى والسبائك من خطر وجود مارتينسيت صلب وهش في منطقة التأثير الحراري (HAZ) وبالتالي يزيد من متطلبات التسخين المسبق/المرور والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). - 20CrMo: يحسن الكربون الكتلي المنخفض من قابلية اللحام للأقسام غير الكربونية، ولكن إذا كان الجزء كربونيًا، يجب أن تأخذ اللحام في الاعتبار الطبقة الكربونية (تجنب اللحام عبر الحالة دون إجراءات مناسبة). تتطلب المكونات الكربونية عمومًا اهتمامًا قبل وبعد اللحام. - 42CrMo: يؤدي محتوى الكربون والسبائك الأعلى إلى ميل أكبر لتصلب HAZ؛ غالبًا ما تتطلب اللحامات الهيكلية تسخينًا مسبقًا وتحكمًا في PWHT لتجنب التشقق. - يساعد استخدام صيغ معادلة الكربون في تقييم قابلية اللحام. على سبيل المثال: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - التفسير: تشير قيم $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ الأعلى إلى قابلية تصلب أكبر وضوابط لحام أكثر صرامة. في الممارسة العملية، ستنتج 42CrMo عادةً قياسات معادلة كربون أعلى من 20CrMo، مما يعني متطلبات تسخين مسبق وPWHT أكثر تقييدًا.
6. التآكل وحماية السطح
- لا 20CrMo ولا 42CrMo مقاومان للصدأ؛ كلاهما يتطلب تدابير وقائية حيث تكون مقاومة التآكل مطلوبة.
- الحمايات الشائعة: الطلاء، الطلاء المسحوق، التزييت، الفوسفات، أو الغلفنة بالغمر الساخن حسب البيئة. بالنسبة للأجزاء ذات الأسطح الضيقة الأبعاد/المعالجة الحرارية، قد تكون الطلاءات الميكانيكية أو التشطيبات الزلقة مفضلة.
- المؤشرات المقاومة للصدأ مثل PREN غير قابلة للتطبيق على هذه الفولاذات الكربونية/السبائكية. للإشارة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا غير ذي صلة بـ 20CrMo أو 42CrMo لأن مستويات Cr و Mo وكيمياء المصفوفة ليست مصممة لمقاومة تآكل الحفر.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- 20CrMo: قابلية تشغيل معتدلة في الحالة الملدنة أو المعتدلة؛ يحسن الكربون الكتلي المنخفض من سهولة التشغيل في مناطق النواة. تكون الأسطح الكربونية صعبة التشغيل بعد التصلب.
- 42CrMo: قابلية تشغيل أقل من الفولاذات منخفضة الكربون عند التصلب؛ في الحالة المعتدلة أو الملدنة، يكون التشغيل ممكنًا ولكن يجب مراعاة الاهتزازات وتآكل الأدوات بسبب محتوى الكربون والسبائك الأعلى.
- قابلية التشكيل:
- 20CrMo (ملدن/معتدل): قدرة أفضل على التشكيل البارد والانحناء بسبب انخفاض كربون النواة. التشكيل بعد الكربنة ليس نموذجيًا.
- 42CrMo: قابلية تشكيل باردة محدودة في ظروف القوة العالية؛ صمم للتشكيل في الحالة الملدنة/المعتدلة قبل المعالجة الحرارية النهائية.
- تشطيب السطح: تستجيب كلا الدرجتين جيدًا للطحن، والضغط بالكرات، وتشطيب السطح. يتطلب طحن المكونات الصلبة اختيار أدوات مناسب والتحكم في سائل التبريد.
8. التطبيقات النموذجية
| 20CrMo (درجة الكربنة) | 42CrMo (درجة التصلب الكامل) |
|---|---|
| التروس (تروس نقل مع حالة كربونية) | محاور ومحاور تتطلب قوة التواء عالية |
| محاور مسننة وتروس مع سطح مقاوم للتآكل | مسامير عالية القوة، محاور ثقيلة |
| محامل أو مكونات تتطلب سطح مقاوم للتآكل ونواة قوية | عمود المرفق، مكونات الآلات الثقيلة التي تحتاج إلى قوة موحدة |
| مكونات مصممة لعملية الكربنة لدمج مقاومة التآكل والمتانة | أجزاء هيكلية حيث يتطلب التصلب الكامل وخصائص كتلية متوقعة |
مبررات الاختيار: - اختر 20CrMo إذا كانت التصميمات تستفيد من سطح صلب مقاوم للتآكل (حالة) مع نواة مرنة وقوية — نموذجية للتروس والأسطح المتزايدة الحمل حيث يكون تآكل الاتصال حرجًا. - اختر 42CrMo إذا كانت التطبيق يتطلب قوة كتلية موحدة أعلى ومقاومة للتعب عبر المقطع العرضي وحيث يكون التصلب الكامل مقبولًا أو مطلوبًا.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: عادةً ما تكون تكلفة 42CrMo أعلى لكل طن من الفولاذات الكربونية العادية بسبب محتوى السبائك الأعلى ومتطلبات المعالجة الأكثر صرامة؛ قد تكون تكلفة 20CrMo مماثلة أو أقل قليلاً حسب الدرجة والسوق ولكن قد تتكبد تكاليف إضافية للعمليات (الكربنة).
- التوافر حسب شكل المنتج: كلا الدرجتين متاحة على نطاق واسع عالميًا في أشكال القضبان، والمسبوكات، والألواح من مصانع الصلب المتخصصة والموزعين. 42CrMo (أو المعادلات مثل AISI 4140 / 42CrMo4) هو سبائك قياسية غالبًا ما تكون مخزنة؛ درجات الكربنة مثل 20CrMo شائعة أيضًا ولكن قد يتم تزويدها كقضبان معتدلة أو مسبقة الكربنة.
- إجمالي تكلفة الملكية: احسب تكلفة المعالجة الحرارية (تكلفة دورة الكربنة لـ 20CrMo)، والتشغيل/الطحن بعد المعالجة الحرارية، وأي اختبارات غير مدمرة إضافية أو حماية سطحية. يمكن أن تصبح درجة أساسية تبدو أرخص أكثر تكلفة بعد خطوات الكربنة والتشطيب.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | 20CrMo | 42CrMo |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل للحام النواة؛ تجنب اللحام عبر الحالة الكربونية دون ضوابط | أكثر تقييدًا — غالبًا ما يتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT أعلى |
| توازن القوة–المتانة | مزيج ممتاز من الحالة/النواة لمقاومة التآكل + المتانة | قوة أعلى عبر السماكة؛ متانة قابلة للتعديل عبر التخمير |
| التكلفة | تكلفة أساسية تنافسية؛ تكلفة عملية إضافية للكربنة | تكلفة سبائك أعلى؛ مسار معالجة حرارية أبسط للتصلب الكامل |
التوصية: - اختر 20CrMo إذا كنت بحاجة إلى سطح صلب مقاوم للتآكل مع الحفاظ على نواة مرنة وقوية — نموذجية للتروس، والتروس، والمحاور الكربونية. - اختر 42CrMo إذا كنت تحتاج إلى قوة أعلى عبر السماكة وحالة متوقعة مبردة ومخمرة للمحاور، والمحاور، أو المكونات الهيكلية المحملة بشكل كبير حيث تكون الخصائص الموحدة حاسمة.
ملاحظة نهائية: دائمًا ما يجب ربط اختيار المواد بعمر التصميم المحدد، وتحميل التعب، والقيود الأبعاد، والمعالجات بعد التصنيع (الكربنة، النيتريد، التبريد والتخمير، PWHT). تأكد من الحدود الكيميائية والميكانيكية الدقيقة من شهادة المصنع أو المعيار المعمول به قبل إنهاء الشراء أو مواصفات التصميم.