2Cr13 مقابل 3Cr13 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع معضلة اختيار شائعة عند تحديد الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية للمكونات: التوازن بين التكلفة وقابلية التشغيل مقابل القوة ومقاومة التآكل وأداء التآكل. 2Cr13 و3Cr13 هما درجتان مرتبطتان ارتباطًا وثيقًا من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية التي يتم النظر فيها بشكل متكرر لمكونات الصمامات والمحاور والمثبتات وأجزاء التآكل؛ يعتمد الاختيار بينهما عادةً على الحمل الخدمي والصلابة المطلوبة وقابلية اللحام واحتياجات التشطيب السطحي.
التمييز الرئيسي بين هاتين الدرجتين يكمن في استراتيجيات الكربون الخاصة بهما: تم تصميم درجة واحدة بمستوى كربون معتدل لإعطاء الأولوية للصلابة وسهولة التصنيع، بينما تحتوي الأخرى على نسبة كربون أعلى لتمكين قابلية أكبر للتصلب ومقاومة التآكل بعد المعالجة الحرارية. نظرًا لأنهما يشتركان في محتوى الكروم المماثل، يقارن المصممون بينهما عندما تكون هناك حاجة إلى حل من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية ولكن يجب موازنة التنازلات بين القوة/الصلابة والصلابة/قابلية اللحام.
1. المعايير والتسميات
- المراجع الدولية الشائعة والمعادلات:
- GB (الصين): الدرجات المعينة كـ 2Cr13 و3Cr13 بموجب معايير GB/T المختلفة للفولاذ المقاوم للصدأ.
- JIS (اليابان) / معادلة SUS: تعتبر هذه الدرجات غالبًا معادلة تقريبًا لعائلات المارتنسيتية JIS/SUS (على سبيل المثال، في نطاق SUS410/420) اعتمادًا على مستويات الكربون.
- EN / ASTM / ASME: لا توجد تسمية واحدة محددة EN أو ASTM لـ 2Cr13/3Cr13؛ بدلاً من ذلك، انظر إلى تصنيفات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية (مثل معادلات EN X20Cr13 أو قوائم ASTM A276) وجداول مرجعية الموردين.
- التصنيف: كل من 2Cr13 و3Cr13 هما فولاذان مقاومان للصدأ المارتنسيتية (أي، فولاذ مقاوم للصدأ قابل للمعالجة الحرارية بنسبة حوالي 12-14% من الكروم)، وليس فولاذًا أوستنيتيًا أو HSLA أو فولاذ أدوات بالمعنى الأكثر دقة—على الرغم من أن خصائصهما بعد التصلب يمكن أن تشبه تلك الخاصة بفولاذ الأدوات المعالج في بعض التطبيقات.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
جدول: نطاقات التركيب النموذجية. ملاحظة: تختلف المواصفات التجارية حسب المصنع والمعيار؛ تحقق دائمًا من شهادة التحليل الفعلية لكل حرارة أو قضيب.
| عنصر | 2Cr13 (نطاق نموذجي) | 3Cr13 (نطاق نموذجي) |
|---|---|---|
| C (كربون) | ~0.15–0.25 wt% (معتدل) | ~0.24–0.33 wt% (أعلى) |
| Mn (منغنيز) | ≤ 1.0 wt% (عادة 0.3–1.0) | ≤ 1.0 wt% |
| Si (سيليكون) | ≤ 1.0 wt% (مزيل الأكسدة) | ≤ 1.0 wt% |
| P (فوسفور) | ≤ 0.03–0.04 wt% | ≤ 0.03–0.04 wt% |
| S (كبريت) | ≤ 0.03–0.04 wt% | ≤ 0.03–0.04 wt% |
| Cr (كروم) | ~12.0–14.5 wt% | ~12.0–14.5 wt% |
| Ni (نيكل) | ≤ 0.5 wt% (عادة منخفض) | ≤ 0.5 wt% |
| Mo (موليبدينوم) | عادةً لا شيء أو أثر | عادةً لا شيء أو أثر |
| V, Nb, Ti, B, N | عادةً أثر أو غير محدد | عادةً أثر أو غير محدد |
تفسير الاستراتيجية - الكروم (Cr): تستخدم كلتا الدرجتين كميات مماثلة من الكروم لتوفير مقاومة التآكل المميزة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية ولتمكين تشكيل بنية ميكروية مارتنسيتية عند التبريد. - الكربون (C): الفارق الرئيسي. يزيد الكربون الأعلى في 3Cr13 من قابلية التصلب والصلابة القابلة للتحقيق بعد التبريد/التخمير، مما يحسن مقاومة التآكل ولكنه يقلل من اللدونة وقابلية اللحام مقارنةً بـ 2Cr13 منخفض الكربون. - العناصر الثانوية (Mn، Si، P، S): يتم التحكم فيها من أجل إزالة الأكسدة، وقابلية العمل الساخن، وقابلية التشغيل. قد يكون الكبريت مرتفعًا في المتغيرات سهلة التشغيل ولكنه سيقلل من مقاومة التآكل والصلابة. - توازن السبائك: نظرًا لأن كلتا الدرجتين هما أساسًا فولاذان Cr–C، فإنهما يعتمد على توازن الكربون والكروم بدلاً من الإضافات الكبيرة من Ni أو Mo أو V لضبط الخصائص.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية الأساسية: كما هو منتج ومعالج بالمحلول، تكون كلتا الدرجتين عادةً أوستنيتية أو جزئيًا أوستنيتية اعتمادًا على تاريخ الإنتاج؛ بعد التبريد المناسب، تشكل المارتنسيت.
- أثر الكربون:
- 2Cr13 (كربون معتدل): ينتج بنية ميكروية مارتنسيتية مع تربيع أقل وصلابة ابتدائية أقل بعد التبريد مقارنةً بالدرجة الأعلى كربونًا. ينتج عن التخمير توازن بين القوة والصلابة مع خطر أقل من الهشاشة المفرطة.
- 3Cr13 (كربون أعلى): ينتج نسبة حجم أعلى من المارتنسيت الصلب وكربيدات محتفظ بها أكثر بعد المعالجة الحرارية، مما يمكّن من تحقيق صلابة أعلى بعد التبريد والتخمير ولكن يزيد من القابلية للهشاشة إذا لم يتم تخميرها بشكل صحيح.
- طرق المعالجة الحرارية:
- التسخين/التسخين الناعم: يستخدم لتقليل الصلابة للتشغيل؛ تستجيب كلتا الدرجتين بشكل جيد للتسخين الناعم، ولكن 3Cr13 ستظل أكثر صلابة من 2Cr13 عند دورات التسخين المعادلة.
- التبريد والتخمير: يتم الأوستنيتي عند درجة الحرارة المحددة للدرجة (عادةً في نطاق 950–1020 درجة مئوية لفولاذ Cr13، استشر المورد)، ثم يتم التبريد (زيت/هواء اعتمادًا على حجم المقطع والسبائك)، ثم يتم التخمير لتحقيق الصلابة المستهدفة. تحقق 3Cr13 صلابة أعلى عند درجة حرارة التخمير المحددة بسبب كربونها.
- التطبيع والحرارة الميكانيكية: يمكن أن يعمل التطبيع على تحسين حجم الحبيبات وزيادة الصلابة؛ تتطلب السبائك الأثقل أو الكربون الأعلى تحكمًا أكثر دقة لتجنب القابلية المفرطة للتصلب والتشقق عند التبريد.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: الاتجاهات المقارنة للخصائص الميكانيكية (القيم تعتمد على المعالجة الحرارية؛ النطاقات توضيحية).
| الخاصية | 2Cr13 (نموذجي) | 3Cr13 (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | معتدلة-عالية (تعتمد على المعالجة الحرارية) | أعلى (يمكن أن تصل إلى قوة شد أعلى بعد التصلب) |
| قوة العائد | معتدلة | أعلى |
| التمدد (اللدونة) | لدونة/تمدد أفضل | تمدد أقل مقارنةً بـ 2Cr13 |
| صلابة التأثير | عمومًا أعلى (صلابة أفضل) | صلابة تأثير أقل عند التصلب |
| الصلابة (HRC أو HB) | صلابة قصوى أقل بعد التخمير | صلابة قابلة للتحقيق أعلى بعد التخمير |
تفسير - القوة مقابل اللدونة: يزيد الكربون المرتفع في 3Cr13 من قوة الشد والعائد بمجرد أن يصبح مارتنسيت، ولكن على حساب اللدونة وصلابة التأثير. تقدم 2Cr13 مجموعة خصائص أكثر توازنًا للتطبيقات التي تتطلب سلوكًا أكثر صلابة. - ملاحظة: القيم الدقيقة تعتمد على درجة حرارة الأوستنيتي، وسط التبريد، حجم المقطع، وجدول التخمير — استخدم دائمًا بيانات خصائص المورد وأجرِ اختبارات تأهيل في التطبيقات الحرجة.
5. قابلية اللحام
تتأثر قابلية اللحام بشكل أساسي بمحتوى الكربون، والسبائك المجمعة (Cr، Mn، Mo، V)، وسماكة المقطع. يزيد الكربون الأعلى من خطر وجود مارتنسيت صلب وهش في منطقة التأثير الحراري (HAZ) ويزيد من احتياجات التسخين المسبق/ما بعد التسخين.
مؤشرات نوعية مفيدة: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - صيغة Pcm (عملية للفولاذ المقاوم للصدأ): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
تفسير - ستظهر 3Cr13، مع كربون أعلى، قيمة $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ أعلى من 2Cr13، مما يعني ميلًا أكبر لتشكيل هياكل ميكروية صلبة ومعرضة للتشقق البارد في منطقة التأثير الحراري. يعد التسخين المسبق، ودرجة حرارة التداخل المتحكم فيها، والتخمير بعد اللحام (PWHT) أكثر أهمية لـ 3Cr13. - 2Cr13 أكثر قابلية للحام في الممارسات القياسية في الورشة وتتحمل المعادن المالئة وعمليات اللحام الشائعة بشكل أفضل، ولكن قد تتطلب كلتا الدرجتين تحكمًا دقيقًا ومواد مالئة مناسبة للحام الهيكلي أو الحامل للضغط.
6. التآكل وحماية السطح
- سلوك التآكل: كلتا الدرجتين هما فولاذان مقاومان للصدأ المارتنسيتية مع كروم حوالي 12-14.5%. توفر مقاومة محدودة للتآكل مقارنةً بالدرجات الأوستنيتية (مثل 304/316). مقاومة التآكل المحلي (التآكل، الشقوق) محدودة، خاصة في البيئات الغنية بالكلور.
- اعتبارات غير مقاومة للصدأ: إذا لم يكن مطلوبًا أن يكون الجزء مقاومًا للصدأ أو سيتم استخدامه في بيئات تآكلية، فإن تطبيق الطلاءات الواقية (التغليف ليس مستخدمًا عادةً على الفولاذ المقاوم للصدأ؛ بدلاً من ذلك، ضع في اعتبارك الطلاء، أو التمرير، أو الطلاءات البوليمرية) أو تحديد درجات الفولاذ المقاوم للصدأ ذات الكروم العالي/Cr–Mo قد يكون أكثر ملاءمة.
- PREN (للدرجات الأوستنيتية/الثنائية؛ ليست مفيدة جدًا لفولاذ Cr13 المارتنسيتية ولكن تم تقديمها من أجل الاكتمال): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- توضيح: يتم استخدام PREN بشكل أساسي لتصنيف مقاومة التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي/الثنائي حيث تختلف Mo وN بشكل كبير. بالنسبة لـ 2Cr13/3Cr13، فإن PREN له فائدة محدودة حيث أن Mo وN عادةً ما تكون ضئيلة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: يقلل الكربون الأعلى والهياكل المجهرية الأكثر صلابة من قابلية التشغيل. في الحالة المعالجة، تكون كلتا الدرجتين قابلة للتشغيل بشكل معقول؛ ستعمل 2Cr13 عمومًا بشكل أسهل من 3Cr13. قد توجد متغيرات سهلة التشغيل (مع إضافة S أو Se) ولكنها تضحي بمقاومة التآكل/الصلابة.
- قابلية التشكيل: تقدم 2Cr13 منخفضة الكربون قابلية تشكيل أفضل ومرونة. ستكون 3Cr13—خاصة إذا تم تصلبها—أقل لدونة وأقل ملاءمة للتشكيل دون تسخين وسيط.
- الطحن والتشطيب: تجعل صلابة 3Cr13 الأعلى بعد المعالجة الحرارية الطحن والتشطيب أكثر جهدًا ولكنها تعطي عمر تآكل أفضل للأسطح المنتهية. تؤثر متطلبات التشطيب السطحي والتفاوتات على الاختيار: للحصول على تشطيب دقيق بالإضافة إلى تآكل عالي، قد تبرر 3Cr13 تكلفة معالجة أعلى.
8. التطبيقات النموذجية
جدول: الاستخدامات النموذجية حسب الدرجة.
| 2Cr13 (الاستخدامات الشائعة) | 3Cr13 (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| أعمدة الصمامات، محاور المضخات، مثبتات حيث تكون الصلابة وقابلية اللحام مهمة | أجزاء التآكل، حواف القطع، محاور صغيرة ومحامل تتطلب صلابة أعلى ومقاومة للتآكل |
| مكونات مارتنسيتية عامة تتطلب مقاومة معتدلة للتآكل | مكونات سيتم تصلبها لمقاومة التآكل (مثل شفرات القص، أدوات صغيرة) |
| أجزاء تتطلب لحام الزوايا أو التصنيع في الورشة | أجزاء مصنعة لتحقيق الصلابة النهائية حيث يتوقع الحد الأدنى من العمليات بعد اللحام |
مبررات الاختيار - اختر 2Cr13 عندما تتطلب الخدمة قوة معتدلة، وصلابة أفضل، وتصنيع/لحام أكثر تسامحًا. - اختر 3Cr13 عندما تكون الصلابة العالية بعد التبريد/التخمير ومقاومة التآكل هي الأولوية، وعندما يمكن التحكم في التصنيع أو تقليله.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: قد تحمل 3Cr13 تكلفة خام أعلى قليلاً في بعض الأسواق بسبب التحكم الأكثر صرامة في الكربون والمعالجة الإضافية (مثل التبريد/التخمير لتحقيق صلابة أعلى). ومع ذلك، فإن الفروق السعرية عادةً ما تكون متواضعة مقارنةً بدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ ذات السبائك الأعلى.
- التوافر حسب شكل المنتج: تتوفر كلتا الدرجتين عادةً كقضبان، وأسلاك، ومسبوكات، ومكونات مطبوعة من المصانع الإقليمية، على الرغم من أن التوافر يمكن أن يختلف حسب البلد وبرنامج المصنع. يجب على مديري المشتريات تأكيد أوقات التسليم وما إذا كان المورد يمكنه تقديم شهادات المعالجة الحرارية والتفتيش المطلوبة.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي):
| السمة | 2Cr13 | 3Cr13 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (كربون أقل) | أكثر تحديًا (كربون أعلى) |
| توازن القوة–الصلابة | متوازن نحو الصلابة واللدونة | مائل نحو القوة والصلابة الأعلى |
| التكلفة (نموذجية) | أقل قليلاً أو مشابهة | تكلفة معالجة أعلى قليلاً ممكنة |
الخاتمة والتوصيات - اختر 2Cr13 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتية يوازن بين الصلابة، وقابلية اللحام، ومقاومة التآكل المعقولة للمكونات التي تتطلب التصنيع، ومقاومة تآكل معتدلة، وسهولة التشغيل. - اختر 3Cr13 إذا كانت المتطلبات الأساسية هي صلابة أعلى قابلة للتحقيق ومقاومة للتآكل بعد التبريد والتخمير، وإذا كان يمكن تقليل أو التحكم في اللحام/التصنيع مع التسخين المسبق المناسب، واختيار المواد المالئة، وPWHT.
ملاحظة نهائية: تستجيب كلتا الدرجتين بشكل قوي للمعالجة الحرارية؛ يتم تحديد الأداء في الخدمة بقدر ما يتم تحديده من خلال ممارسة الأوستنيتي والتخمير المختارة مثلما يتم تحديده من خلال التركيب الاسمي. تحقق دائمًا من الأداء الميكانيكي، ومقاومة التآكل، وقابلية اللحام مع شهادات المواد من المورد، وللتطبيقات الحرجة، قم بإجراء تأهيل إجراءات اللحام واختبارات على مستوى المكونات.