30Cr مقابل 40Cr – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
30Cr و 40Cr هما نوعان من الفولاذ الكربوني السبيكي المحتوي على الكروم، وهما شائعان الاستخدام ويعودان إلى تسميات GB الصينية، ويتم مقارنتهما في العديد من القوائم الدولية مع درجات كيميائية مشابهة. غالبًا ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين هذين الدرجتين عند تصميم أعمدة متوسطة الحمل، والتروس، والمكونات حيث يتطلب الأمر توازنًا بين القوة، والصلابة، وقابلية التصلب، والتكلفة، وقابلية التشغيل. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار الدرجة لعمود محمل تم تبريده ومعالجته، أو اختيار مادة للأجزاء المعالجة بالكرود، أو تحسين قابلية اللحام مقابل القوة المعالجة بالكامل.
التمييز الأساسي في التصميم بين الدرجتين هو محتوى الكربون: يحتوي 40Cr على كربون أعلى من 30Cr وبالتالي يحقق عمومًا قوة وصلابة ومقاومة للتآكل أعلى بعد التبريد والمعالجة، بينما يقدم 30Cr قابلية أفضل للطرق وقابلية للحام مع إضافات سبيكية معينة. نظرًا لوجود الكروم بكميات قابلة للمقارنة، تركز المقارنات عادةً على الاختلافات الناتجة عن الكربون في الصلابة، والصلابة، واستجابة المعالجة الحرارية.
1. المعايير والتسميات
- GB/T (الصين): 30Cr، 40Cr (تسميات شائعة في سلسلة GB/T 699).
- JIS: قابلة للمقارنة مع عائلات SCM (مثل، SCMn) حسب الكيمياء الدقيقة والمعالجة.
- EN / EN ISO: ليست مطابقة مباشرة ولكن مشابهة للفولاذ الكربوني المتوسط المحتوي على الكروم المعالج/المبرد مثل متغيرات 42CrMo عندما تكون هناك إضافات سبيكية إضافية.
- ASTM / ASME: لا يوجد تطابق مباشر مع اسم درجة ASTM؛ توجد فئات قابلة للمقارنة تحت فولاذ AISI/SAE المتوسط السبيكي (مثل، عائلة 5140/4140 قابلة للمقارنة مع سبائك الكروم-الموليبدينوم).
- التصنيف: كلاهما فولاذ كربوني سبيكي (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس HSLA بالمعنى الحديث)؛ يستخدم كفولاذ كربوني متوسط، فولاذ سبيكي متوسط مناسب للمعالجة الحرارية.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
تدرج الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية المنشورة لدرجات GB/T 699. يتم إعطاء القيم كنسبة مئوية بالوزن. العناصر النادرة (Ni، Mo، V، Nb، Ti، B) تكون عادةً عند مستويات الشوائب أو غائبة عمدًا ما لم يتم طلب متغير محدد.
| عنصر | 30Cr (نطاق نموذجي، wt%) | 40Cr (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.27 – 0.34 | 0.37 – 0.44 |
| Mn | 0.50 – 0.80 | 0.50 – 0.80 |
| Si | 0.17 – 0.37 | 0.17 – 0.37 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.80 – 1.10 | 0.80 – 1.10 |
| Ni | ≤ 0.30 (trace) | ≤ 0.30 (trace) |
| Mo | ≤ 0.08 (trace) | ≤ 0.08 (trace) |
| V، Nb، Ti، B، N | trace/≤ الحدود المحددة | trace/≤ الحدود المحددة |
كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - الكربون: التحكم الأساسي في القوة والصلابة القابلة للتحقيق بعد التبريد/المعالجة؛ يزيد الكربون الأعلى من القوة ومقاومة التآكل ولكنه يقلل من القابلية للطرق وقابلية اللحام. - الكروم: يزيد من قابلية التصلب ومقاومة المعالجة؛ يحسن قابلية التصلب، القوة في قلب الأقسام الأكثر سمكًا. - المنغنيز والسيليكون: عوامل إزالة الأكسدة وعناصر تقوية؛ يزيد المنغنيز من قابلية التصلب بشكل معتدل. - السبيكة الدقيقة النادرة (V، Nb، Ti) عند وجودها تصقل الحبيبات أو ترسب الكربيدات/النترات ويمكن أن تحسن الصلابة أو مقاومة الزحف.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية والاستجابات النموذجية:
- كما تم لفها أو تطبيعها:
- 30Cr: تميل البنية المجهرية المعالجة إلى البيرلايت الدقيقة والفريت؛ الكربون المنخفض ينتج عنه نسبة أعلى من الفريت وسلوك أكثر قابلية للطرق.
-
40Cr: تحتوي البنية المجهرية المعالجة على المزيد من البيرلايت وأقل من الفريت بسبب الكربون الأعلى، مما يعطي قوة وصلابة أكبر مقارنةً بـ 30Cr.
-
التبريد والمعالجة:
- تستجيب كلا الدرجتين جيدًا لعلاجات التبريد والمعالجة. يمدد الكروم قابلية التصلب لذا يمكن لكليهما تشكيل المارتنسيت في الأقسام المتوسطة عند التبريد بالزيت من درجة حرارة الأوستنيتي المناسبة.
- يحقق 40Cr صلابة أعلى بعد التبريد وقوة معالجة أعلى بسبب الكربون الأعلى؛ يصل 30Cr إلى صلابة أقل عند نفس نظام الأوستنيتي/التبريد ولكنه يحصل على صلابة أفضل بعد المعالجة.
-
سلوك المعالجة: يساعد الكروم في مقاومة المعالجة؛ عند درجات حرارة معالجة معينة، سيحتفظ 40Cr بصلابة أعلى من 30Cr.
-
الكربنة/النيترة:
-
يمكن كليهما أن يتم كربنته؛ يفضل أحيانًا 30Cr للأجزاء المعالجة بالسطح حيث يكون القلب القابل للطرق مرغوبًا. ينتج 40Cr قلبًا أكثر صلابة إذا لم يتم معالجته بالسطح.
-
المعالجة الحرارية الميكانيكية:
- تعمل المعالجة الحرارية أو المعالجة الحرارية الميكانيكية على تصغير حجم الحبيبات وتحسين الصلابة؛ التأثيرات متشابهة بشكل عام في الاتجاه لكلا الدرجتين ولكن 30Cr يستفيد بشكل نسبي أكثر في تحسينات القابلية للطرق بسبب انخفاض الكربون.
4. الخصائص الميكانيكية
يوفر الجدول التالي نطاقات الخصائص النموذجية الشائعة في ظروف المعالجة الحرارية. القيم توضيحية وتعتمد بشدة على حجم القسم، والمعالجة الحرارية الدقيقة، ومعيار الاختبار؛ استخدم شهادات الموردين للبيانات الحرجة في التصميم.
| الخاصية (نطاقات نموذجية) | 30Cr (معالجة / Q&T) | 40Cr (معالجة / Q&T) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | 520 – 700 (معالجة); 700 – 1000 (Q&T، حسب المعالجة) | 600 – 780 (معالجة); 800 – 1050 (Q&T، حسب المعالجة) |
| قوة الخضوع (ميغاباسكال) | 300 – 480 (معالجة); 480 – 900 (Q&T) | 350 – 540 (معالجة); 600 – 950 (Q&T) |
| التمدد (%) | 12 – 20 (معالجة); 8 – 15 (Q&T) | 10 – 18 (معالجة); 6 – 14 (Q&T) |
| صلابة التأثير (J، درجة حرارة الغرفة) | متوسطة إلى جيدة؛ أعلى من 40Cr لقوة مماثلة | جيدة في ظروف المعالجة؛ أقل من 30Cr عند مستويات قوة قابلة للمقارنة |
| الصلابة (HB أو HRC) | HB ~ 160–240 (معالجة); حتى HRC 20–55 بعد Q&T | HB ~ 170–240 (معالجة); حتى HRC 25–58 بعد Q&T |
أيها أقوى، وأصلب، أو أكثر قابلية للطرق، ولماذا: - القوة: عادةً ما يحقق 40Cr قوة وصلابة أعلى بسبب الكربون الأعلى (نسبة أكبر من المارتنسيت والبيرلايت عند التصلب). - الصلابة: عند مستوى قوة معين، يظهر 30Cr عادةً صلابة أفضل لأن الكربون المنخفض يقلل من الهشاشة ويقلل من حساسية الشقوق. - القابلية للطرق: 30Cr أكثر قابلية للطرق في ظروف قابلة للمقارنة بسبب محتوى الكربون المنخفض.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على المعادل الكربوني وقابلية التصلب المحلية. مؤشرين تجريبيين شائعين:
-
المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm الدولي: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - يشير ارتفاع $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ إلى زيادة خطر الشقوق الباردة وضرورة أكبر للتسخين المسبق، ودرجة حرارة التحكم بين الطبقات، والمعالجة الحرارية بعد اللحام. - نظرًا لأن 40Cr يحمل كربونًا أعلى، فإن مؤشرات المعادل الكربوني الخاصة به عادةً ما تكون أعلى من 30Cr (بافتراض مستويات Mn وCr مماثلة)، لذا فإن 40Cr يكون أكثر صعوبة نسبيًا في اللحام دون احتياطات. - تزيد السبيكة الدقيقة (V، Nb) وارتفاع Mn أو Cr من قابلية التصلب وتجعل المارتنسيت المعرض للشقوق أكثر احتمالًا في منطقة التأثير. بالنسبة لكلا الدرجتين، استخدم مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، وسخن مسبقًا وراقب معايير اللحام للأقسام الأكثر سمكًا أو المعادلات الكربونية الأعلى.
6. التآكل وحماية السطح
- لا 30Cr ولا 40Cr مقاومان للصدأ؛ مقاومة التآكل قابلة للمقارنة مع الفولاذ الكربوني/السبيكي العادي ومحدودة في البيئات العدائية.
- استراتيجيات الحماية النموذجية:
- الطلاءات: الجلفنة بالغمس الساخن، الجلفنة الكهربائية، أو الطلاءات العضوية (الدهانات، الطلاءات المسحوقة).
- معالجات السطح: الفوسفات لتماسك الطلاء، أكسيد أسود لحماية خفيفة من التآكل.
- الحواجز: مواد مانعة للتسرب أو طلاءات تضحية حيث يحدث التعرض للدورات أو الملح.
- لا تنطبق مؤشرات مقاومة التآكل مثل PREN على هذه الدرجات غير المقاومة للصدأ. إذا كانت مقاومة التآكل دافعًا في التصميم، فكر في تحديد الفولاذ المقاوم للصدأ أو السبيكة مع Mo/Ni وتمريرة مناسبة بدلاً من الاعتماد على هذه الدرجات وحدها.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: كلاهما قابل للتشغيل في ظروف معالجة أو تطبيع. يمكن أن يقلل الكربون الأعلى (40Cr) من عمر الأداة عند الصلابة؛ التسخين المسبق وظروف القطع المستقرة تحسن النتائج. 30Cr أسهل قليلاً في التشغيل ويمكن أن تحقق تشطيبًا أفضل لنفس الأدوات.
- قابلية التشكيل/الانحناء: 30Cr أسهل في التشكيل أو الانحناء البارد بسبب قوة الخضوع المنخفضة والمرونة الأعلى. قد يتطلب 40Cr أشعة انحناء أعلى أو معالجة حرارية قبل التشكيل.
- الطحن والتشطيب: تجعل الصلابة الأعلى لـ 40Cr بعد المعالجة الحرارية الطحن والتشطيب أكثر تطلبًا (أدوات أكثر صلابة، تغذية أبطأ).
- تشويه المعالجة الحرارية: يمكن أن تزيد قابلية التصلب والتحول إلى المارتنسيت في 40Cr من خطر التشويه أثناء التبريد؛ تعتبر استراتيجيات التثبيت والمعالجة مهمة.
8. التطبيقات النموذجية
| 30Cr — الاستخدامات النموذجية | 40Cr — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أعمدة معالجة بالكرود ومبردة حيث يتطلب الأمر قلبًا قابلًا للطرق | أعمدة ثقيلة، محاور، تروس تتطلب قوة تصلب أعلى |
| تروس وتروس صغيرة مع معالجة سطحية (قلب كربوني منخفض) | أجزاء آلات عالية الضغط، أعمدة كرانك، تروس كبيرة (معالجة بالكامل) |
| براغي، مسامير، وأجزاء ميكانيكية عامة حيث تتطلب قوة معتدلة مع صلابة جيدة | حاويات المحامل، مكونات مدلفنة ومزورة تتطلب مقاومة أعلى للتآكل |
| أجزاء سيارات مع دورات معالجة بالسطح لدمج سطح مقاوم للتآكل مع قلب قابل للطرق | أدوات وقوالب لأحمال متوسطة، مكونات معالجة حرارية تحتاج إلى صلابة أعلى |
مبررات الاختيار: - اختر 30Cr حيث يتطلب الأمر قلبًا أكثر صلابة وقابلية للطرق أو قابلية لحام أفضل، أو عندما يتم معالجة الأجزاء بالسطح (كربنة) مع قلب أكثر ليونة. - اختر 40Cr حيث تتطلب القوة الإجمالية الأعلى، مقاومة التآكل، أو صلابة نهائية أعلى دون الاعتماد على معالجة السطح، وحيث تتوافق إجراءات المعالجة الحرارية.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: الفرق في تكلفة المواد بين 30Cr و 40Cr عادة ما يكون معتدلاً؛ قد يكون 40Cr أغلى قليلاً بسبب محتوى الكربون الأعلى وأحيانًا معالجة حرارية أكثر تطلبًا. الفروقات في التكلفة صغيرة مقارنةً بتكاليف المعالجة والمعالجة الحرارية.
- التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في القضبان، والكتل، والأجزاء المزورة، والمكونات المعالجة من الموردين في المناطق التي يتم تخزين درجات GB/T فيها. قد تكون المتغيرات الخاصة التي تحتوي على عناصر سبيكية دقيقة لها أوقات تسليم.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي):
| الخاصية | 30Cr | 40Cr |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (معادل كربوني أقل) | متوسطة إلى أقل (CE أعلى) |
| توازن القوة–الصلابة | يميل نحو الصلابة والقابلية للطرق عند قوى معتدلة | يميل نحو قوة وصلابة أعلى؛ الصلابة تقل عند قوة متساوية |
| التكلفة (المادة) | أقل قليلاً أو قابلة للمقارنة | أعلى قليلاً أو قابلة للمقارنة |
إرشادات ختامية: - اختر 30Cr إذا: - كنت بحاجة إلى قابلية أفضل للطرق والصلابة للأجزاء المعرضة للصدمات. - كنت تخطط لكربنة أو معالجة الأجزاء بالسطح للحصول على سطح مقاوم للتآكل مع قلب قابل للطرق. - كانت قابلية اللحام ومتطلبات التسخين المسبق/بعد اللحام أقل أهمية للتصنيع.
- اختر 40Cr إذا:
- كانت القوة العالية للتصلب، مقاومة التآكل أو صلابة معالجة أعلى مطلوبة دون معالجة السطح.
- كان التصميم يتطلب قوة ثابتة أعلى أو مقاومة للإجهاد السطحي في الأقسام الأكثر سمكًا.
- كنت تستطيع إدارة احتياطات اللحام (التسخين المسبق، PWHT عند الحاجة) والتحكم الأكثر دقة في المعالجة الحرارية.
ملاحظة أخيرة: بالنسبة للمكونات الحرجة في التصميم، تأكد دائمًا من شهادات المواد من المورد، واطلب تقارير اختبار الخصائص الميكانيكية للمعالجة الحرارية المحددة وحجم القسم، وقم بإجراء تجارب على قابلية اللحام والتشويه حيثما كان ذلك عمليًا. استخدم الصيغ المعادلة للكربون المذكورة أعلاه لتقدير احتياجات التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام لChemistry وتصميم الوصلات المحددة لديك.