35CrMo مقابل 42CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

35CrMo و 42CrMo هما نوعان من الفولاذات السبائكية المرتبطة ارتباطًا وثيقًا، والتي تستخدم في المكونات الهيكلية والمحمولة ميكانيكيًا. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بوزن التبادلات بين القوة والصلابة وقابلية التشغيل وقابلية اللحام والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية ما إذا كان يجب تفضيل قوة أعلى قليلاً ومقاومة للتآكل (على سبيل المثال، للأعمدة الثقيلة أو التروس) مقابل سهولة التصنيع وتحسين الصلابة للأجزاء الديناميكية.

الفرق المعدني الرئيسي هو محتوى الكربون المختلف عمدًا واستراتيجية الصلابة الناتجة: يحتوي 42CrMo على كربون أعلى لزيادة القوة والصلابة، بينما يحتوي 35CrMo على مستوى كربون أقل وإضافات مشابهة من Cr–Mo لتحقيق توازن بين الصلابة والتصنيع. نظرًا لأن كلاهما يعتمد على Cr و Mo كعناصر سبائكية أساسية، فإنه يتم مقارنتهما عادةً في التصاميم التي تتطلب توازنًا بين القوة والصلابة واستجابة المعالجة الحرارية.

1. المعايير والتسميات

• التسميات الدولية الشائعة:
• EN/ISO: 35CrMo4 (تقريبًا 1.7220)، 42CrMo4 (تقريبًا 1.7225)
• معادلات AISI/ASTM: 35CrMo ≈ بعض الدرجات المشابهة لعائلة 4130؛ 42CrMo ≈ AISI 4140 (ملاحظة: المعادلة الدقيقة تعتمد على مواصفات المعايير المحلية)
• GB (الصين): 35CrMo، 42CrMo (نطاقات كيميائية قياسية)
• JIS: توجد فولاذيات Cr–Mo قابلة للمقارنة ولكن الأسماء تختلف (تأكيد ضد كتالوج JIS)
• التصنيف:
• كلاهما فولاذ سبائكي (فولاذيات Cr–Mo). ليست فولاذيات مقاومة للصدأ أو HSLA بالمعنى الدقيق؛ يتم استخدامها كفولاذات هيكلية/هندسية معالجة بالتبريد والتقسية (Q&T).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوضح الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية بالنسبة المئوية للوزن للدرجات التجارية المحددة عادةً. القيم هي نطاقات تمثيلية موجودة في مواصفات الدرجات القياسية؛ يجب تأكيد التركيب النهائي ضد المعيار الدقيق أو شهادة المصنع.

عنصر	35CrMo (نطاق نموذجي، wt%)	42CrMo (نطاق نموذجي، wt%)
C	0.32 – 0.40	0.38 – 0.45
Mn	0.50 – 0.80	0.60 – 0.90
Si	0.17 – 0.37	0.17 – 0.37
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0.90 – 1.20	0.90 – 1.20
Ni	≤ trace	≤ trace
Mo	0.15 – 0.30	0.15 – 0.30
V	≤ trace	≤ trace
Nb	≤ trace	≤ trace
Ti	≤ trace	≤ trace
B	≤ trace	≤ trace
N	≤ trace	≤ trace

ملاحظات: - "Trace" تعني عادةً عدم الإضافة عمدًا؛ قد تظهر كميات متبقية فقط. - الاختلافات الرئيسية المتعمدة في السبائك هي مستويات الكربون والمنغنيز؛ Cr و Mo متشابهة لأنها توفر الصلابة والقوة ومقاومة التقسية. - الكربون الأقل في 35CrMo هو جزء من استراتيجية السبائك لتحقيق توازن بين اللدونة/الصلابة وقابلية اللحام، بينما تحافظ إضافات Cr–Mo على الصلابة والقوة عند درجات الحرارة العالية.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يزيد الكربون من القوة والصلابة ولكنه يقلل من اللدونة وقابلية اللحام. - يزيد الكروم من الصلابة والقوة ومقاومة التقسية؛ كما أنه يحسن مقاومة التآكل. - يزيد الموليبدينوم بشكل كبير من الصلابة ومقاومة الزحف ويساعد في الحفاظ على الصلابة بعد التقسية. - يعمل السيليكون والمنغنيز كعوامل إزالة الأكسدة ويساهمان في سلوك القوة/التصلب.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية والاستجابة للعمليات الحرارية الشائعة:

• كما هو مدلفن / مُعالج حراري:
• تطور كلا الدرجتين بنية فيريتيت-بيرلايت بعد المعالجة الحرارية، حيث يقدم 42CrMo عادةً بيرلايت أدق وكثافة تشوه أعلى بسبب الكربون الأكبر، مما يؤدي إلى قوة أعلى.
• مُبرد ومُقسى (Q&T):
• التبريد من درجة حرارة الأوستنيتيز يؤدي إلى إنتاج مارتنسيت (وربما باينيت اعتمادًا على معدل التبريد)؛ التقسية تقلل من الهشاشة وتوفر تركيبة قوة-صلابة مصممة.
• يمكن أن يحقق 42CrMo، بسبب كربونه الأعلى وصلابته الأعلى قليلاً (مع Cr/Mo)، قوة نهائية وقوة عائد أعلى عند معالجات Q&T المكافئة، ولكنه يتطلب تقسية مضبوطة بعناية لتجنب الهشاشة المفرطة.
• يمكن أن تصل 35CrMo إلى قوة عالية مع صلابة محتفظ بها أعلى قليلاً لنظام تقسية معين بسبب الكربون الأقل.
• المعالجة الحرارية الميكانيكية:
• تكرير الدرفلة المتحكم بها متبوعًا بمعالجة حرارية مناسبة ينقي حجم حبيبات الأوستنيت السابقة ويمكن أن يحسن الصلابة ومقاومة التعب في كلا الدرجتين. تستجيب كلا الفولاذين بشكل جيد لـ TMCP لتحسين مجموعات الخصائص الميكانيكية.

التطبيق العملي: يجب اختيار معلمات المعالجة الحرارية (درجة حرارة الأوستنيتيز، وسط التبريد وشدته، درجة حرارة/وقت التقسية) مع مراعاة درجة الفولاذ وسمك القسم لتجنب الهياكل المجهرية الصلبة والهشة في منطقة التأثير (HAZ) ولتلبية أهداف الخصائص الميكانيكية.

4. الخصائص الميكانيكية

تختلف الخصائص الميكانيكية بشكل كبير مع المعالجة الحرارية وحجم القسم. الجدول أدناه يعطي نطاقات الخصائص النموذجية لظروف التبريد والتقسية المستخدمة عادة في الممارسة الهندسية. هذه هي نطاقات تمثيلية؛ حدد حالة المعالجة الحرارية الدقيقة وظروف الاختبار للمشتريات.

الخاصية (نطاق Q&T النموذجي)	35CrMo	42CrMo
قوة الشد (ميغاباسكال)	متوسطة–عالية	عالية (أعلى من 35CrMo)
قوة العائد (ميغاباسكال)	متوسطة	أعلى
التمدد (نسبة مئوية، A)	لدونة أفضل	لدونة أقل عند نفس الصلابة
صلابة التأثير (شاربي)	عادةً أعلى عند نفس القوة	عادةً أقل ما لم يتم تقسيته إلى قوة أقل
الصلابة (HRC / HB)	نطاق واسع قابل للتحقيق حسب التقسية (ذروة أقل من 42CrMo)	يمكن أن تحقق صلابة ذروة أعلى للأجزاء المقاومة للتآكل

التفسير: - 42CrMo عادةً ما يكون الأقوى والأكثر قابلية للتصلب من الاثنين بسبب كربونه الأعلى المدمج مع Cr–Mo. بالنسبة لدورات Q&T المتساوية، ستنتج 42CrMo عادةً قوة شد وقوة عائد أعلى وصلابة أعلى. - ستقدم 35CrMo عادةً صلابة ولدونة أفضل عند مستويات قوة متطابقة أو أقل قليلاً بسبب محتوى الكربون الأقل. - يجب على المصممين تحديد الصلابة المطلوبة (على سبيل المثال، طاقة التأثير عند درجة الحرارة) والصلابة المقبولة؛ خلاف ذلك، يمكن أن تنتج 42CrMo ذات الكربون الأعلى مكونات هشة عن غير قصد أو تجعل اللحام أكثر صعوبة.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على الكربون، المعادل الكربوني (الصلابة الناتجة عن السبائك)، والسمك.

مؤشرات تجريبية مفيدة: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (مؤشر قابلية اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - يزيد الكربون الأعلى في 42CrMo من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ بالنسبة لـ 35CrMo، مما يشير إلى ميل أعلى لتشكيل هياكل مجهرية مارتنسيتية صلبة في منطقة التأثير (HAZ) وزيادة خطر التشقق البارد. غالبًا ما يتطلب التسخين المسبق، والتحكم في درجات الحرارة بين الطبقات، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) للأقسام الأكثر سمكًا. - 35CrMo، مع كربون أقل، عادةً ما يلحم بشكل أسهل وقد يحتاج إلى تسخين مسبق أقل وPWHT أكثر اعتدالًا، مما يجعله مفضلًا حيث يكون تصنيع اللحام روتينيًا واقتصاديًا. - بالنسبة لكلا الدرجتين، يجب تخطيط اختيار المعدن الملئ وPWHT بناءً على السمك وظروف الخدمة لاستعادة الصلابة وتخفيف الضغوط المتبقية.

6. التآكل وحماية السطح

• لا 35CrMo ولا 42CrMo مقاومان للصدأ؛ مقاومة التآكل نموذجية للفولاذات منخفضة السبائك ويجب تحقيقها من خلال الطلاء أو الهندسة السطحية للبيئات التآكلية.
• استراتيجيات الحماية النموذجية: الجلفنة، الطلاء، الطلاء بالمسحوق، الطلاء (زنك/نيكل)، التكسية، أو تطبيق حواجز مقاومة للتآكل مع الحماية الكاثودية إذا لزم الأمر.
• المؤشرات المقاومة للصدأ مثل PREN غير قابلة للتطبيق على هذه الفولاذيات Cr–Mo، ولكن للمرجع، فإن صيغة PREN للسبائك المقاومة للصدأ هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• استخدم PREN فقط للسبائك المقاومة للصدأ؛ بالنسبة لفولاذيات Cr–Mo منخفضة السبائك، يجب أن تستند استراتيجية حماية التآكل إلى البيئة المتوقعة (جو، رذاذ ملحي، كيميائي) والتكلفة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: يقلل الكربون الأعلى وقدرة الصلابة الأعلى لـ 42CrMo من قابلية التشغيل بالنسبة لـ 35CrMo عند مستويات صلابة قابلة للمقارنة. بالنسبة للتشغيل، يتم تحديد كلا الفولاذين عادةً في حالات معالجة طبيعية أو مخللة؛ قد يعمل 35CrMo بشكل أسرع أو ينتج عمر أداة أطول تحت نفس الظروف.
• قابلية التشكيل/الانحناء: عادةً ما يكون 35CrMo الأقل كربونًا لديه قابلية تشكيل باردة أفضل. يمكن تشكيل 42CrMo عندما يكون مخللاً ولكن يزيد خطر الارتداد والتشقق إذا كانت الصلابة عالية.
• الطحن والتشطيب: يمكن طحن كلاهما وتشطيبهما بشكل فعال عند تزويدهما بالحالة الصحيحة. تعتبر المعالجات السطحية (النترجة، الكربنة) شائعة للأجزاء الحرجة من حيث التآكل.
• اللحام والتحكم في التشوه: يقدم 35CrMo لحامًا أسهل وصلابة أقل في منطقة التأثير؛ يتطلب 42CrMo مزيدًا من التحكم الحراري، واختيار الملء، وPWHT لتجنب التشقق واستعادة الخصائص المثلى.

8. التطبيقات النموذجية

35CrMo – الاستخدامات النموذجية	42CrMo – الاستخدامات النموذجية
أعمدة متوسطة الحمل، أجزاء هيكلية مثبتة، تروس متوسطة الحمل، مكونات مطروقة تتطلب صلابة جيدة	أعمدة ومحاور ثقيلة، تروس عالية القوة، أعمدة كرانك، قضبان توصيل، دبابيس ومسامير عالية الحمل
مكونات تتطلب لحامًا متكررًا أو تصنيعًا معقدًا	مكونات حيث تكون القوة العالية، مقاومة التآكل أو الصلابة العالية هي المحركات الأساسية
أعمدة أسطوانات هيدروليكية، وصلات حيث تكون اللدونة/الصلابة ذات أولوية	آلات الطرق الوعرة، آلات ثقيلة، أجزاء نقل حركة عالية العزم

مبررات الاختيار: - اختر 35CrMo حيث الحاجة إلى توازن بين القوة والصلابة مع سهولة التصنيع واللحام. - اختر 42CrMo حيث تكون القوة العالية، مقاومة التآكل، والصلابة مطلوبة وحيث يمكن أن تستوعب عملية التصنيع ضوابط أكثر صرامة في اللحام والمعالجة الحرارية.

9. التكلفة والتوافر

• التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في القضبان، والمطروقات، والكتل، والصفائح. 42CrMo (عائلة AISI 4140) هي واحدة من أكثر الفولاذات السبائكية المخزنة شيوعًا في العديد من الأسواق.
• التكلفة: عادةً ما تكون الفروق في تكلفة المواد صغيرة؛ قد تكون 42CrMo أغلى قليلاً بسبب محتوى الكربون الأعلى وأحيانًا متطلبات معالجة أكثر صرامة. ومع ذلك، يجب أن تشمل التكلفة الإجمالية للجزء المعالجة الحرارية، اللحام/PWHT، والتشغيل—المجالات التي قد تتكبد فيها 42CrMo تكاليف معالجة أعلى.
• نصيحة للمشتريات: حدد الدرجة الدقيقة، حالة المعالجة الحرارية المطلوبة، الخصائص الميكانيكية، وشهادات اختبار المصنع لتجنب التباينات بين المورد ونية التصميم.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

السمة	35CrMo	42CrMo
قابلية اللحام	جيدة	عادلة–متوسطة (تتطلب مزيدًا من التحكم)
توازن القوة–الصلابة	قوة متوسطة مع صلابة أعلى	قوة أعلى، لدونة أقل عند نفس الصلابة
التكلفة (المادة + المعالجة)	أقل–متوسطة	متوسطة–أعلى

التوصيات: - اختر 35CrMo إذا: - كانت القطعة تتطلب صلابة أو لدونة أفضل عند قوة معينة. - كان من المتوقع لحام متكرر أو تصنيع معقد دون معالجة حرارية واسعة. - كانت قابلية التشغيل والتشكيل الأفضل مهمة. - كنت تستهدف تكاليف معالجة إجمالية أقل وQA أسهل لصلابة HAZ. - اختر 42CrMo إذا: - كانت القوة العالية، مقاومة التآكل، أو الصلابة العالية للأقسام السميكة هي الهدف الأساسي. - كانت القطعة خاضعة لأحمال ثابتة أو دورية عالية حيث تفوق القوة على سهولة اللحام. - كانت عملية التصنيع قادرة على دعم التسخين المسبق المطلوب، والتحكم بين الطبقات، وPWHT.

ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين هما فولاذات هندسية قوية؛ يعتمد الاختيار الصحيح على حالة الحمل المحددة، الصلابة المطلوبة، قدرات اللحام والمعالجة الحرارية، وقيود التكلفة. يجب دائمًا تحديد حالة المعالجة الحرارية المطلوبة، أهداف الخصائص الميكانيكية، ومتطلبات الاختبار/التفتيش في مستندات المشتريات لضمان أن المادة الموردة تلبي نية التصميم.