30CrMo مقابل 35CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

30CrMo و 35CrMo هما نوعان من الفولاذات منخفضة السبائك ومتوسطة الكربون المستخدمة على نطاق واسع، والمحددة في المعايير الإقليمية والوطنية للمكونات التي تتطلب توازنًا بين القوة والصلابة والاحتفاظ بالصلابة بعد المعالجة الحرارية. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا معضلة اختيار بين درجات ذات كربون أقل قليلاً وأكثر مرونة ودرجات ذات كربون أعلى قليلاً وأعلى قوة - مما يوازن بين قابلية التشغيل وقابلية اللحام مقابل القوة والعمر الافتراضي الممكن.

التمييز الفني الرئيسي بين هذين النوعين هو اختلاف طفيف في محتوى الكربون والسبائك الذي يؤثر على القدرة على التصلب والقوة النهائية: عادةً ما يتم تحديد عائلة 35CrMo بمستوى كربون أعلى ومحتوى مشابه من الكروم/الموليبدينوم، مما يمنحها قوة أكبر عند التبريد و القدرة على التصلب ولكن عمومًا مرونة أقل ومتطلبات لحام أكثر صعوبة. نظرًا لأن كيميائياتها قريبة، غالبًا ما يتم مقارنتها عند اختيار المواد للأعمدة والتروس والمحاور والمسبوكات حيث تكون المعالجة الحرارية وأداء التعب مهمين.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة أو ذات الصلة وأنظمة التسميات حيث تظهر المعادلات أو الدرجات المماثلة:
• GB/T (المعايير الوطنية الصينية): 30CrMo، 35CrMo.
• EN / DIN: 35CrMo4 (غالبًا ما تكتب 1.7225) والدرجات ذات الصلة؛ توجد معادلات 30CrMo في المواصفات الإقليمية.
• AISI/SAE: لا توجد أسماء AISI مطابقة تمامًا، ولكن غالبًا ما يتم مقارنة المعادلات الخاصة بالخصائص الميكانيكية مع عائلة 41xx (مثل 4140) للعديد من التطبيقات الهندسية.
• JIS: تظهر فولاذات سبائك عالية القوة تحت تسميات SNCM/SNCM4xx.
• التصنيف: كل من 30CrMo و 35CrMo هما فولاذات متوسطة الكربون ومنخفضة السبائك (ليست مقاومة للصدأ، ليست فولاذات أدوات) مخصصة للتبريد والتقسية أو التطبيع والتقسية. تقع في الفئة العامة للفولاذات الهيكلية/السبائكية القابلة للمعالجة الحرارية المستخدمة في الأجزاء الحرجة للآلات.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تتراوح التركيب النموذجي كنسبة مئوية بالوزن؛ الحدود الدقيقة تعتمد على المعيار المحدد أو شهادة المورد.

عنصر	30CrMo النموذجي (wt%)	35CrMo النموذجي (wt%)
C	0.27 – 0.34	0.32 – 0.39
Mn	0.50 – 0.80	0.50 – 0.90
Si	0.15 – 0.35	0.15 – 0.35
P	≤ 0.025 – 0.035	≤ 0.025 – 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0.80 – 1.20	0.90 – 1.20
Ni	غالبًا ≤ 0.30 (أثر)	غالبًا ≤ 0.30 (أثر)
Mo	0.15 – 0.30	0.15 – 0.30
V, Nb, Ti, B	أثر إلى ≤ 0.05 (إذا كانت مضافات دقيقة)	أثر إلى ≤ 0.05 (إذا كانت مضافات دقيقة)
N	أثر	أثر

استراتيجية السبائك: - الكربون هو المحدد الرئيسي للقوة والصلابة الممكنة بعد التبريد والتقسية. يزيد محتوى الكربون الأعلى (كما في 35CrMo) من القوة ومقاومة التآكل ولكنه يقلل من المرونة وقابلية اللحام. - يزيد الكروم والموليبدينوم من القدرة على التصلب، ومقاومة التقسية، والقوة عند درجات الحرارة العالية. كما أنها تساهم في مقاومة التعب عند المعالجة الحرارية بشكل صحيح. - المنغنيز والسيليكون هما مزيلات الأكسدة ويقويان مصفوفة الفريت/البرلايت؛ يؤثران بشكل معتدل على القدرة على التصلب. - تستخدم المضافات الدقيقة (V، Nb، Ti) أحيانًا لتقليل حجم الحبيبات وتحسين الصلابة، ولكن هذه ليست عناصر سبائك رئيسية في درجات 30CrMo/35CrMo القياسية.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية والاستجابات النموذجية: - كما تم لفها/تطبيعها: تنتج كلا الدرجتين بنية مجهرية من الفريت-برلايت أو مارتنسيت/فريت مقسّى ناعم اعتمادًا على التبريد والتطبيع. يعمل التطبيع على تقليل حجم الحبيبات وينتج بنية موحدة للمعالجة أو التقسية اللاحقة. - التبريد والتقسية (Q&T): يتم عادةً تصلب كلا الفولاذين عن طريق الأوستنيتيز (تعتمد درجات حرارة الأوستنيتيز النموذجية على حجم المقطع والمعيار)، ثم التبريد بالزيت أو الماء، ثم التقسية لتحقيق التوازن المطلوب بين القوة والصلابة. نظرًا لأن 35CrMo عادةً ما يحتوي على محتوى كربون أعلى قليلاً، فإن بنيته المجهرية بعد التبريد تتشكل فيها نسبة أعلى من المارتنسيت عند معدلات تبريد مماثلة، مما يجعلها أكثر صلابة وقوة بعد التقسية. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يؤدي التدوير المنضبط والتبريد المعجل إلى تحسين حجم الحبيبات وزيادة الصلابة؛ تستفيد كلا الدرجتين، ولكن يمكن تحسين 30CrMo للحصول على مرونة أفضل بينما يتم تحسين 35CrMo للحصول على قوة أعلى وعمر افتراضي أكبر. - التحكم في حجم الحبيبات وممارسة التقسية أمران حاسمان للصلابة. التقسية الزائدة تقلل من القوة؛ التقسية الناقصة تعرض للخطر الهشاشة.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على المعالجة الحرارية، وحجم المقطع، وممارسات المورد. تظهر الجدول نطاقات الخصائص النموذجية بعد نظام التبريد والتقسية القياسي المستخدم للمكونات عالية القوة.

الخاصية (نطاقات Q&T النموذجية)	30CrMo	35CrMo
قوة الشد (ميغاباسكال)	800 – 1,050	850 – 1,200
قوة الخضوع (ميغاباسكال)	600 – 900	650 – 1,000
التمدد (%), A5	10 – 16	8 – 14
صدمات شاربي V-Notch (J، درجة حرارة الغرفة)	30 – 70 (اعتمادًا على التقسية)	25 – 60
الصلابة (HRC)	22 – 36	25 – 40

التفسير: - عادةً ما تحقق 35CrMo قوة شد وقوة خضوع أعلى وصلابة أعلى لدرجة معينة من شدة المعالجة الحرارية بسبب نسبة الكربون الأعلى ومستويات Cr/Mo المماثلة، مما يزيد من القدرة على التصلب. - تميل 30CrMo إلى أن تكون أكثر صلابة ومرونة قليلاً عند مستويات القوة المعادلة، مما يجعلها مفضلة حيث تكون امتصاص الطاقة والتشكيل مهمين. - يمكن هندسة صلابة التأثير عن طريق التقسية؛ ترفع درجات حرارة التقسية المنخفضة القوة ولكن تقلل من صلابة التأثير.

5. قابلية اللحام

تحدد قابلية اللحام بشكل أساسي من خلال المعادل الكربوني ووجود العناصر التي تزيد من القدرة على التصلب. المؤشرات الشائعة:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$

و

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - نظرًا لأن 35CrMo عادةً ما يحتوي على كربون أعلى، فإن $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ سيكونان أعلى من 30CrMo، مما يشير إلى زيادة القابلية للتشقق البارد وضرورة أكبر للتسخين المسبق، ودرجة حرارة التحكم بين الطبقات، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). - تظهر 30CrMo قابلية لحام أفضل من 35CrMo ولكنها لا تزال غالبًا ما تتطلب تسخينًا مسبقًا وإجراءات مضبوطة للأقسام السميكة أو القيود العالية. - استخدام المعادن المالئة المطابقة أو الزائدة، وتقسية تخفيف الضغط، وإجراءات التحكم في الهيدروجين شائعة لكلا الدرجتين عند اللحام في التطبيقات الحرجة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا 30CrMo ولا 35CrMo مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل مشابهة للفولاذات منخفضة السبائك/الكربون العادي وتكون مدفوعة بإنهاء السطح وبيئة الخدمة.
• استراتيجيات الحماية النموذجية: الطلاء، الطلاء بالمسحوق، الطلاءات القائمة على المذيبات، الغلفنة بالغمر الساخن، أو الطلاء المحلي حسب التعرض. للتعرض الطويل في أجواء رطبة أو تآكل، يُوصى بالغلفنة أو تطبيق الطلاءات الحاجزة.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الدرجات غير المقاومة للصدأ. بالنسبة للدرجات المقاومة للصدأ، يمكن استخدام:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

لكن هذا ليس له معنى بالنسبة لـ 30CrMo/35CrMo.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: 30CrMo، مع كربون أقل قليلاً، يكون عمومًا أسهل في التشغيل في ظروف التطبيع أو التلدين مقارنةً بـ 35CrMo. كلاهما يصبحان أصعب في التشغيل بعد التبريد والتقسية.
• قابلية التشكيل/الانحناء: أسهل في ظروف التطبيع أو التلدين؛ تجنب التشكيل في الحالة المقسّاة بالكامل. تقبل 30CrMo الانحناء والتشكيل البارد بشكل أفضل قليلاً بسبب القوة الأقل عند المعالجة.
• الطحن والتشطيب: كلاهما يستجيب جيدًا لممارسات التشغيل والطحن القياسية للفولاذات السبائكية؛ قد تكون هناك حاجة لعلاجات سطحية أو التحكم في الإجهاد المتبقي لتلبية أداء التعب.
• المعالجة الحرارية قبل التشكيل (مثل التطبيع أو التلدين) هي ممارسة شائعة لتحسين قابلية التشكيل.

8. التطبيقات النموذجية

30CrMo - الاستخدامات النموذجية	35CrMo - الاستخدامات النموذجية
الأعمدة، المحاور، التروس متوسطة التحمل، قضبان التوصيل، المسامير حيث تكون الصلابة وقابلية التشغيل من الأولويات	الأعمدة الثقيلة، العجلات المسننة، المحاور، أعمدة الكرنك، مكونات الآلات عالية التعب التي تتطلب قوة أعلى وقدرة على التصلب
المكونات المسبوكة حيث تكون المرونة الجيدة مفيدة للتشكيل	مكونات للآلات الثقيلة ومعدات الطرق الوعرة حيث تكون القدرة على التصلب لحجم المقطع الأكبر مطلوبة
الأجزاء التي تتطلب اللحام مع تحكم معتدل في التسخين المسبق	أجزاء مقسّاة ومقسية عالية القوة حيث تكون القوة وعمر التعب من المحركات الرئيسية في التصميم

مبررات الاختيار: - اختر 30CrMo حيث يكون توازن القوة والصلابة بالإضافة إلى سهولة التشغيل/اللحام مطلوبًا وحجم مقاطع المكونات معتدل. - اختر 35CrMo حيث تكون القوة الأعلى، والتصلب الأعمق للأقسام الأكبر، ومقاومة التعب المحسنة مطلوبة، وحيث يمكن استيعاب ضوابط اللحام والتصنيع.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون 35CrMo أغلى قليلاً من 30CrMo بسبب محتوى الكربون والسبائك الأعلى قليلاً، ولأن مواصفات الشراء للمتغيرات عالية القوة غالبًا ما تكون لها ضوابط أكثر صرامة. عادةً ما يكون فرق السعر معتدلاً بالنسبة لتكلفة المكون الإجمالية.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في القضبان، والقصب، والمسبوكات من المصانع والموزعين الرئيسيين. 35CrMo (35CrMo4 / 1.7225) هو درجة شائعة جدًا في أوروبا؛ 30CrMo شائعة في الأسواق التي تستخدم تسميات GB/T. عادةً ما تكون أوقات التسليم قصيرة للأشكال القياسية للمنتجات؛ قد تتطلب الكيميائيات الخاصة أو أحجام القضبان/المسبوكات الممتازة تسليمًا أطول.

10. الملخص والتوصية

المعايير	30CrMo	35CrMo
قابلية اللحام	أفضل (CE أقل)	أكثر تطلبًا (CE أعلى، يتطلب تسخين مسبق/PWHT)
توازن القوة والصلابة	متوازن - صلابة جيدة عند قوة معتدلة	قوة أعلى وقدرة على التصلب، مرونة/صلابة أقل قليلاً لنفس التقسية
التكلفة	أقل / فعالة من حيث التكلفة	أعلى قليلاً

اختر 30CrMo إذا: - كنت بحاجة إلى مزيج متوازن من القوة والصلابة مع قابلية تشغيل أفضل وإجراءات لحام أسهل. - كانت أحجام المكونات معتدلة، وتفضل سلوك التقسية والتشكيل الأكثر تسامحًا. - كانت التكلفة وبساطة التصنيع مهمة.

اختر 35CrMo إذا: - كانت متطلبات التصميم تعطي الأولوية لقوة الشد/الخضوع الأعلى، والتصلب الأعمق للأقسام الأكبر، أو عمر التعب المحسن. - يمكنك استيعاب ضوابط اللحام الأكثر صرامة (تسخين مسبق، حدود بين الطبقات، PWHT) والتحكم الأكثر دقة أثناء المعالجة الحرارية. - تشمل حالات الاستخدام أعمدة ثقيلة، محاور، أو تروس عالية الضغط حيث تكون القوة الأعلى عند التبريد حاسمة.

ملاحظة نهائية: تعتمد الأداء الدقيق بشكل كبير على المعيار المختار، والحدود الكيميائية المحددة من المورد، وجدول المعالجة الحرارية. بالنسبة للمكونات الحرجة، حدد الخصائص الميكانيكية المطلوبة، ومعايير الفحص (الصلابة، التأثير، البنية المجهرية)، ومؤهلات إجراءات اللحام في طلب الشراء وتعاون مع متخصصي المعالجة الحرارية واللحام مبكرًا في التصميم لاختيار الدرجة الصحيحة ونطاق العملية.