35CrMo مقابل 42CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
35CrMo و 42CrMo هما نوعان شائعان من الفولاذ منخفض السبائك الكروم–الموليبدينوم المستخدم في المكونات الهيكلية ونقل الطاقة والهندسة. غالبًا ما يواجه المهندسون وفرق الشراء معضلة اختيار بين الاثنين عند الموازنة بين القوة والصلابة وقابلية اللحام والتكلفة وقابلية التصنيع. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار درجة لعمود أو تروس محملة بشكل كبير (حيث تهم القوة وقابلية التصلب) مقابل تحديد مادة للتجمعات الفرعية الملحومة أو المكونات التي تتطلب مقاومة تأثير أعلى.
من النظرة الأولى، يكمن التمييز الفني الأساسي في توازن السبائك ومحتوى الكربون: تميل الدرجة ذات الرقم الأعلى إلى أن تحتوي على محتوى كربون وسبائك اسمي أعلى مما ينتج عنه قابلية تصلب وقوة أكبر بعد التبريد والتسخين، بينما تتاجر النسخة ذات الكربون المنخفض ببعض القوة القصوى من أجل تحسين الصلابة وسهولة التصنيع. نظرًا لاستخدام كلا الدرجتين على نطاق واسع في فئات المنتجات المماثلة، يقارن المصممون بينهما لتحسين المعالجة الحرارية ومتطلبات اللحام وتكاليف دورة الحياة.
1. المعايير والتسميات
- GB/T (الصين): يتم تحديد كلا الدرجتين عادةً بموجب معايير الفولاذ المعالج بالتبريد والتسخين GB/T (مثل، مراجع عائلة GB/T 3077/GB/T 1220).
- EN (أوروبا): يرتبط 42CrMo عادةً بـ EN 42CrMo4 (EN 1.7225)؛ توجد مكافئات لـ 35CrMo ولكنها أقل توحيدًا في EN وغالبًا ما يتم رسمها مقابل التسميات المحلية - تحقق من المعيار المحدد المذكور في أوامر الشراء.
- AISI/SAE: يعتبر 42CrMo عمومًا مكافئًا لعائلة 41xx (لا سيما AISI 4140) في العديد من السياقات الصناعية؛ 35CrMo مشابه تقريبًا لمتغيرات 41xx ذات الكربون المنخفض ولكن تحقق من أوراق المواصفات قبل الاستبدال.
- JIS: درجات JIS اليابانية لفولاذ Cr–Mo لها عائلات مشابهة (مثل سلسلة SCM)؛ يتطلب الأمر مرجعًا متقاطعًا.
- التصنيف: كلاهما فولاذ منخفض السبائك معالج بالتبريد والتسخين (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس فولاذ أدوات، وليس HSLA بالمعنى الحديث). يتم استخدامهما حيث توفر السبائك والمعالجة الحرارية قوة وصلابة أعلى من الفولاذ الكربوني العادي.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
تتفاوت نطاقات التركيب النموذجية حسب المعيار والمورد؛ الجدول أدناه يظهر النطاقات التقريبية المرجعية الشائعة. استخدم دائمًا شهادة المواد الخاصة بالمشتري أو المعيار المرجعي للشراء.
| العنصر | النطاق النموذجي — 35CrMo (تقريبًا) | النطاق النموذجي — 42CrMo (تقريبًا) |
|---|---|---|
| C | 0.32–0.40 wt% | 0.38–0.45 wt% |
| Mn | 0.50–0.80 wt% | 0.50–0.80 wt% |
| Si | 0.17–0.37 wt% | 0.17–0.37 wt% |
| P | ≤0.035 wt% (حد أقصى) | ≤0.035 wt% (حد أقصى) |
| S | ≤0.035 wt% (حد أقصى) | ≤0.035 wt% (حد أقصى) |
| Cr | ~0.6–1.0 wt% | ~0.9–1.2 wt% |
| Mo | ~0.15–0.25 wt% | ~0.15–0.25 wt% |
| Ni | عادةً ≤0.30 wt% (غالبًا لا يضاف) | عادةً ≤0.30 wt% (غالبًا لا يضاف) |
| V, Nb, Ti, B, N | أثر أو غير موجود؛ يعتمد على نسخة الميكروسبائك | أثر أو غير موجود؛ يعتمد على نسخة الميكروسبائك |
ملاحظات: - القيم هي نطاقات تقريبية تستخدم في الممارسة الصناعية الشائعة؛ تأتي الحدود الدقيقة من المعيار المعمول به أو شهادة المصنع. - عادةً ما يحتوي 42CrMo على محتوى كربون اسمي أعلى ومحتوى كروم أعلى قليلاً، مما يزيد من قابلية التصلب وإمكانية تحقيق قوى مرتفعة بعد التسخين. يهدف محتوى الموليبدينوم في كلا الدرجتين إلى زيادة قابلية التصلب ومقاومة التسخين؛ يمكن أن تؤثر الاختلافات الصغيرة في نسبة الموليبدينوم على تصلب حجم المقطع ومقاومة التسخين.
آثار السبائك: - يتحكم الكربون بشكل أساسي في قابلية التصلب والقوة النهائية ولكنه يقلل من قابلية اللحام والليونة عند زيادته. - يزيد الكروم والموليبدينوم من قابلية التصلب والقوة عند درجة الحرارة، ويحسن مقاومة التآكل، ويساعد في مقاومة التسخين. - يعمل المنغنيز والسيليكون كعوامل إزالة الأكسدة ويساهمان بشكل معتدل في قابلية التصلب والقوة. - قد تكون عناصر الميكروسبائك (V, Nb, Ti) موجودة بتركيزات منخفضة لتحسين حجم الحبيبات وزيادة الصلابة؛ هذه ليست أساسية للاختلافات في الدرجات التي تم مناقشتها هنا.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنى المجهرية النموذجية:
- في حالة التلدين أو التطبيع، تقدم كلا الدرجتين بنية من الفريت–البرليت أو بنية برليت دقيقة. بعد التبريد، تشكل كلاهما مارتنسيت (أو مارتنسيت + باينيت حسب معدل التبريد وحجم المقطع). ينتج عن التسخين مارتنسيت معالج مع كربيدات.
- سلوك المعالجة الحرارية:
- يظهر 42CrMo، مع محتوى كربون أعلى وكروم أعلى قليلاً وغالبًا موليبدينوم مشابه، قابلية تصلب أكبر: يشكل مارتنسيت بسهولة أكبر من خلال مقاطع أكثر سمكًا مقارنةً بـ 35CrMo تحت نفس شدة التبريد.
- يؤدي 35CrMo، مع خط أساس كربون أقل، إلى بنى مجهرية معالَجة أكثر دقة وصلابة عند درجات حرارة تسخين مماثلة؛ تقلل قابليته الأقل للتصلب من خطر تشكيل مارتنسيت غير المعالج في مناطق التأثير الحراري الكبيرة ولكن قد تحد من القوة القابلة للتحقيق في المقاطع السميكة جدًا.
- طرق المعالجة:
- تحسين التطبيع من تجانس القضبان المصفحة كما هو مصبوب وينتج بنية مجهرية متجانسة للبداية للتبريد اللاحق.
- التبريد والتسخين هو الطريق الشائع للحصول على قوة عالية وصلابة جيدة؛ تتحكم درجة حرارة التسخين في توازن القوة–الصلابة.
- يمكن أن تعمل المعالجة الحرارية الميكانيكية على تحسين حجم الحبيبات وزيادة الصلابة لكلا الدرجتين؛ يكون التأثير غالبًا أكثر وضوحًا في الدرجة ذات الكربون المنخفض.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على المعالجة الحرارية وحجم المقطع وأهداف التسخين. يلخص الجدول أدناه الأداء النسبي والسلوك النموذجي بدلاً من الأرقام المعتمدة المطلقة؛ للاستخدام في الشراء، اعتمد على تقرير اختبار المصنع وحالة المعالجة الحرارية المحددة.
| الخاصية | 35CrMo (السلوك النموذجي) | 42CrMo (السلوك النموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | متوسطة إلى عالية بعد Q&T؛ عمومًا أقل من 42CrMo عند التسخين المكافئ | قوة شد أعلى قابلة للتحقيق بسبب الكربون الأعلى/قابلية التصلب |
| قوة العائد | متوسطة؛ نسبة جيدة بين العائد/الشد عند التسخين بشكل صحيح | قوة عائد أعلى في حالات المعالجة الحرارية المماثلة |
| التمدد (الليونة) | ليونة وتمدد أفضل قليلاً عند مستويات قوة مماثلة | تمدد أقل قليلاً عند نفس مستوى الشد |
| صلابة التأثير | عادةً ما تكون الصلابة أفضل لقوة معينة بسبب محتوى الكربون المنخفض والبنية المجهرية المعالجة الأكثر دقة | لا تزال الصلابة جيدة عند التسخين بشكل صحيح، ولكنها تميل إلى أن تكون أقل من 35CrMo عند نفس مستوى الشد |
| الصلابة (HRC أو HV) | الصلابة القابلة للتحقيق أقل لنفس جدول التبريد/التسخين؛ من الأسهل تحقيق صلابة معالجة لينة | صلابة أعلى قابلة للتحقيق؛ أكثر حساسية لشدة التبريد وحجم المقطع |
التفسير: - لنفس هدف الصلابة أو قوة الشد، سيتطلب 42CrMo عادةً تسخينًا أكثر حذرًا وPWHT للحام وقد يكون له إجهاد متبقي أعلى وخطر تكوين بنى هشة دون معالجة مناسبة. - يوفر 35CrMo تسوية أكثر تسامحًا بين القوة والصلابة في التجمعات الملحومة أو متعددة القطع، خاصة عندما لا تكون التصلب العميق مطلوبًا.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام بشكل كبير على محتوى الكربون، والسبائك التي تزيد من قابلية التصلب، ومستويات الشوائب. تساعد المؤشرات الشائعة في توقع التحكم في التسخين والتحكم بين الطبقات:
-
معادل الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
معادلة Pcm الدولية: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - يشير $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ الأعلى إلى ميل أكبر لتشكيل مارتنسيت صلب وهش في منطقة التأثير الحراري للحام، مما يتطلب التسخين، والتحكم في درجات الحرارة بين الطبقات، أو المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). - نظرًا لأن 42CrMo عادةً ما يحتوي على كربون أعلى وكروم أعلى قليلاً، فإن معادلة الكربون المحسوبة له عادةً ما تكون أعلى من تلك الخاصة بـ 35CrMo، مما يعني أن هناك حاجة إلى ضوابط لحام أكثر صرامة. - يميل 35CrMo إلى أن يكون أسهل في اللحام، مع متطلبات تسخين/PWHT أقل لأحجام مقاطع مماثلة، ولكن لا يزال من الضروري تأهيل إجراءات اللحام للتطبيقات الحرجة.
6. التآكل وحماية السطح
- هذه فولاذ سبائكي غير مقاوم للصدأ؛ مقاومة التآكل محدودة مقارنةً بالدرجات المقاومة للصدأ.
- الحمايات الشائعة:
- التغليف بالغمس الساخن لمقاومة التآكل الجوي حيثما كان مقبولًا.
- طلاءات التحويل (مثل الفوسفات) والطلاءات بالدهان أو المسحوق للحماية البيئية.
- زيت أو شمع للحماية المؤقتة للأسطح الميكانيكية.
- PREN (عدد مقاومة التآكل) هو مؤشر فولاذ مقاوم للصدأ وغير قابل للتطبيق على فولاذ الكربون Cr–Mo. للمرجع، معادلة PREN هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لكنها ليست ذات صلة هنا لأن لا 35CrMo ولا 42CrMo هما فولاذان مقاومان للصدأ.
- في بيئات الخدمة حيث تتطلب الحماية النشطة من التآكل (البحرية، الكيميائية)، ضع في اعتبارك الطلاءات الواقية أو سبائك مقاومة للتآكل بدلاً من ذلك.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- تعمل كلا الدرجتين بشكل جيد في حالة التلدين أو التطبيع؛ يزيد الكربون المرتفع والتصلب السابق من تقليل قابلية التشغيل.
- سيكون 42CrMo في حالة صلبة/معالجة أكثر صعوبة في التشغيل من 35CrMo المعالج.
- قابلية التشكيل والانحناء:
- يتم إجراء التشكيل بشكل أفضل في حالة التلدين. 35CrMo ذو الكربون المنخفض أسهل قليلاً في التشكيل البارد دون تشقق.
- تشوه المعالجة الحرارية:
- يميل 42CrMo إلى تشوه التبريد وزيادة خطر التشقق في الأشكال المعقدة بسبب قابلية التصلب الأعلى والإجهادات الداخلية بعد التبريد.
- إنهاء السطح:
- تتحمل كلاهما عمليات إنهاء نموذجية (طحن، صقل، تقوية بالكرات) بشكل جيد عند معالجة حرارية صحيحة؛ الانتباه إلى إدارة الإجهاد المتبقي مهم لمكونات التعب.
8. التطبيقات النموذجية
| 35CrMo — الاستخدامات النموذجية | 42CrMo — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أعمدة متوسطة التحميل، تروس، أجزاء هيكلية مصنوعة بالطرق، تجميعات ملحومة تتطلب صلابة جيدة وقوة معقولة | أعمدة عالية التحميل، أعمدة كرانك، تروس محملة بشكل كبير، أسطوانات هيدروليكية، محاور عالية الإجهاد وأجزاء ميكانيكية تتطلب قابلية تصلب عالية |
| براغي، مسامير، ومثبتات حيث يتطلب الأمر بعض قابلية اللحام | مكونات تتعرض لإجهادات التواء أو انحناء عالية حيث تكون هناك حاجة إلى تصلب أعمق للمقطع |
| مكونات الآلات التي تتطلب عمليات لحام أو إصلاح متكررة | مكونات كبيرة معالجة بالتبريد حيث تكون الخصائص العالية للمقطع بعد Q&T مطلوبة |
مبررات الاختيار: - اختر الخيار ذو الكربون المنخفض (35CrMo) عندما تكون قابلية اللحام والصلابة ومقاومة التعب في الهياكل الملحومة هي الأولويات ولا تكون القوة القصوى القصوى ضرورية. - اختر 42CrMo عندما تكون القوة القصوى ومقاومة التآكل والقدرة على التصلب عبر مقاطع سميكة هي المحركات الرئيسية للتصميم.
9. التكلفة والتوافر
- التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في القضبان، والمسبوكات، والألواح، والأنابيب غير الملحومة من المصانع الكبرى. 42CrMo (عائلة AISI 4140) هو أحد الفولاذات السبائكية الأكثر تخزينًا على مستوى العالم.
- التكلفة النسبية: قد تكون 42CrMo أغلى قليلاً من 35CrMo بسبب محتواها الأعلى من الكربون/السبائك وارتفاع الطلب على التطبيقات عالية القوة. تعتمد الفروق الفعلية في الأسعار على ظروف السوق، والشكل، وحالة المعالجة الحرارية.
- أوقات التسليم: ستؤدي المعالجات الحرارية الخاصة، والكيميائيات المخصصة، أو الشهادات (مثل NDT، PMI، اختبارات المصنع المحددة) إلى تمديد أوقات التسليم لأي من الدرجتين.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | 35CrMo | 42CrMo |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (أكثر تسامحًا) | أكثر تطلبًا (من المحتمل أن يتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT أعلى) |
| توازن القوة–الصلابة | صلابة جيدة عند قوة متوسطة | قوة وصلابة قصوى أعلى؛ الصلابة مقارنة بنفس القوة أقل |
| التكلفة | عمومًا أقل أو مماثلة | أعلى قليلاً في العديد من الأسواق |
التوصيات: - اختر 35CrMo إذا كنت بحاجة إلى مادة متوازنة مع صلابة جيدة وسهولة في التصنيع/اللحام، للمكونات التي سيتم لحامها أو إصلاحها، أو تتطلب ليونة أفضل ومقاومة للتعب عند مستويات قوة متوسطة. - اختر 42CrMo إذا كانت تصميمك تعطي الأولوية لأقصى قوة معالجة بالتبريد والتسخين، ومقاومة التآكل، وقابلية التصلب العميقة للأعمدة الثقيلة، أو التروس، أو المقاطع الكبيرة حيث يكون تحقيق والاحتفاظ بقوة معالجة مرتفعة أمرًا حاسمًا.
ملاحظة نهائية: حدد دائمًا حالة الشراء الكاملة (المعيار الكيميائي، ومتطلبات المعالجة الحرارية، وأهداف الصلابة/الشد، ومتطلبات اللحام/PWHT) واطلب شهادات اختبار المصنع. غالبًا ما يكون للاختلافات بين الموردين والطريق المحدد للمعالجة الحرارية تأثير عملي أكبر على أداء الجزء من الاختلافات التركيبية الاسمية الصغيرة بين هذين النوعين الشائعين من فولاذ Cr–Mo السبائكي.