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

مقدمة

35CrMo و 42CrMo هما نوعان من الفولاذات السبائكية المرتبطة ارتباطًا وثيقًا، والتي تُستخدم عادةً في المكونات الهيكلية والميكانيكية حيث يتطلب الأمر توازنًا بين القوة والصلابة وقابلية التصلب. يواجه المهندسون وفرق الشراء غالبًا الاختيار بينهما عند تحديد الأعمدة والتروس والمثبتات أو المكونات ذات الضغط المتوسط - وهو قرار يتطلب الموازنة بين القوة ومقاومة التآكل مقابل اللدونة وأداء الصدمات وقابلية التصنيع.

العامل الرئيسي الذي يميز بين هذين النوعين هو مستوى الكربون الاسمي وتأثيره الناتج على القوة ومقاومة التصلب عند درجات حرارة التشغيل المرتفعة. نظرًا لوجود الكروم والموليبدينوم في كلا النوعين لتعزيز قابلية التصلب ومقاومة التصلب، فإن سلوكهما أثناء التبريد والتصلب وملاءمتهما للتطبيقات عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة هي أسباب شائعة لمقارنة هذين السبائك في التصميم والتصنيع.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة والمعادلات:
• GB/T (الصين): 35CrMo، 42CrMo
• EN: غالبًا ما يتم مقارنتها مع فولاذات سلسلة EN 41xx (على سبيل المثال، 35CrMo ≈ 1.7035/34CrMo؛ 42CrMo ≈ 1.7225/42CrMo4، على الرغم من أن المعادلات الدقيقة تعتمد على المواصفات)
• AISI/SAE: المعادلات التقريبية هي 35CrMo ≈ 4135، 42CrMo ≈ 4140 (ملاحظة: المعادلة المباشرة تعتمد على شكل المنتج والمواصفات)
• JIS: توجد درجات مشابهة في عائلات JIS G4105/G4106
• التصنيف:
• كلاهما فولاذات هيكلية منخفضة السبائك (فولاذات كربونية سبائكية) - ليست مقاومة للصدأ، وليست HSLA بالمعنى الحديث؛ تُستخدم كفولاذات سبائكية قابلة للتصلب للتزويرات والشرائح وأجزاء الآلات.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: نطاقات التركيب النموذجية (نسبة الوزن %). هذه هي النطاقات التمثيلية الموجودة في المواصفات التجارية الشائعة؛ يجب دائمًا استشارة شهادة المصنع المحددة أو المعيار للشراء.

العنصر	35CrMo (نطاق نموذجي)	42CrMo (نطاق نموذجي)
C	0.30 – 0.38	0.38 – 0.45
Mn	0.50 – 0.80	0.60 – 1.00
Si	0.15 – 0.35	0.15 – 0.40
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0.80 – 1.10	0.90 – 1.20
Ni	≤ 0.30 (أثر)	≤ 0.30 (أثر)
Mo	0.15 – 0.30	0.15 – 0.30
V	≤ 0.05 (أثر)	≤ 0.05 (أثر)
Nb، Ti، B	— (يمكن أن يكون هناك تأثير ميكروسبائكي)	— (يمكن أن يكون هناك تأثير ميكروسبائكي)
N	≤ 0.012	≤ 0.012

ملاحظات: - التمييز الرئيسي في التركيب هو الكربون الأعلى في 42CrMo، مما يزيد من قابلية التصلب والقوة ومقاومة التآكل ولكنه يميل إلى تقليل اللدونة وقابلية اللحام إذا لم يتم تسخينه بشكل صحيح ومعالجته حراريًا بعد اللحام. - الكروم والموليبدينوم هما العنصران الرئيسيان في السبائك هنا: الكروم يزيد من قابلية التصلب والقوة ومقاومة التآكل قليلاً؛ الموليبدينوم يحسن قابلية التصلب ومقاومة التصلب (أي، يحافظ على القوة عند درجات حرارة التصلب المرتفعة). - قد تكون هناك عناصر ميكروسبائكية أثرية (V، Nb، Ti) موجودة في بعض المتغيرات التجارية لتحسين حجم الحبيبات وزيادة القوة دون زيادات كبيرة في الكربون.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية: - في الحالة المعالجة أو المعالجة الحرارية، يتكون كلا الفولاذين عادةً من الفريت + البيرلايت، مع زيادة نسبة البيرلايت مع زيادة الكربون. - بعد التبريد من درجة حرارة الأوستنيتي، تتطور بنية مارتنسيتية (أو باينيتية + مارتنسيتية)، مع محتوى الأوستنيت المحتفظ به يعتمد على معدل التبريد والتركيب.

آثار المعالجة الحرارية: - المعالجة الحرارية: تحسن حجم الحبيبات، وتنتج بنية مجهرية من الفريت والبيرلايت. عادةً ما ينتج 35CrMo هياكل مجهرية أكثر دقة ولدونة عند نفس معدل التبريد بسبب انخفاض الكربون. - التبريد والتصلب: كلاهما يستجيب بشكل جيد. 42CrMo، مع الكربون الأعلى، يصل إلى صلابة وقوة شد أعلى بعد التصلب؛ كما يتطلب معالجة حرارية حذرة لتجنب الهشاشة المفرطة. يساعد محتوى الموليبدينوم كلا النوعين على مقاومة التليين عند درجات حرارة التصلب المرتفعة (تحسين مقاومة التصلب). - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يؤدي الدرفلة المتحكم بها والتبريد المعجل إلى إنتاج هياكل مجهرية باينيتية أو مارتنسيتية دقيقة مع تحسين الصلابة؛ تعتبر الميكروسبائكية ودرجة حرارة الانتهاء مهمة للتحكم في نمو الحبيبات. - الأثر العملي: بالنسبة لنظام التبريد والتصلب المعين، يصل 42CrMo إلى قوة أعلى قابلة للتحقيق ولكن سيحتاج إلى جداول تصلب مختلفة لتحقيق التوازن بين الصلابة، خاصةً حيث يتم مواجهة درجات حرارة تصلب أو تشغيل مرتفعة.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية. تعتمد هذه النطاقات بشكل كبير على شكل المنتج والمعالجة الحرارية؛ القيم المعروضة تمثل الظروف المعالجة حراريًا والمبردة والمصلدة (Q&T) المستخدمة في الممارسة الهندسية.

الخاصية	35CrMo (معالجة حرارية)	35CrMo (Q&T)	42CrMo (معالجة حرارية)	42CrMo (Q&T)
قوة الشد (ميغاباسكال)	550 – 750	760 – 1000	600 – 800	900 – 1100
قوة الخضوع (0.2% Rp0.2، ميغاباسكال)	350 – 550	600 – 900	400 – 600	700 – 950
التمدد (%)	16 – 22	10 – 16	14 – 20	8 – 14
صلابة الصدمات (شاربي V-notch، J)	30 – 80 (نموذجي)	20 – 60 (Q&T، يعتمد على التصلب)	25 – 70 (نموذجي)	15 – 50 (Q&T، يعتمد على التصلب)
الصلابة (HRC / HB)	20 – 26 HRC (نطاقات Q&T)	26 – 40 HRC	22 – 28 HRC	28 – 45 HRC

التفسير: - 42CrMo عمومًا يحقق قوة شد وقوة خضوع أعلى بعد التبريد والتصلب بسبب محتوى الكربون الأعلى؛ كما أنه يصل إلى صلابة أعلى لمقاومة التآكل. - 35CrMo يميل إلى تقديم لدونة أعلى وأداء صدمات أفضل قليلاً عند تصلبه إلى مستويات قوة قابلة للمقارنة، مما يجعله مفضلًا حيث تكون الصلابة ومقاومة التعب من الأولويات. - الخصائص الميكانيكية الفعلية تعتمد على معلمات المعالجة الحرارية (درجة حرارة الأوستنيتي، وسط التبريد، ودرجة حرارة/وقت التصلب) وهندسة المنتج.

5. قابلية اللحام

تتأثر قابلية اللحام بشكل أساسي بمعادل الكربون ومحتوى السبائك. اثنان من المؤشرات الشائعة المستخدمة هما معادل الكربون IIW و $P_{cm}$ الأكثر تحفظًا:

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

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

التفسير النوعي: - 42CrMo، بمحتوى الكربون الأعلى، لديه معادل كربون أعلى من 35CrMo لمستويات Cr–Mo المتطابقة؛ وهذا يترجم إلى خطر أعلى لمناطق التأثير الحراري الصلبة والهشة (HAZ) والتشقق البارد إذا تم لحامها دون تسخين مسبق ودرجات حرارة بينية متحكم بها. - يحتوي كلا النوعين على Cr و Mo اللذان يزيدان من قابلية التصلب؛ تتطلب إجراءات اللحام عادةً تسخينًا مسبقًا، ومواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) عندما تكون القوة أو التطبيقات الحرجة متضمنة. - 35CrMo يلحم بشكل أسهل وغالبًا ما يتطلب معالجة حرارية بعد اللحام أقل عدوانية من 42CrMo لأداء مكونات متساوي، ولكن تظل ممارسة اللحام الصحيحة حاسمة لكلا النوعين.

6. التآكل وحماية السطح

• لا 35CrMo ولا 42CrMo هما فولاذات مقاومة للصدأ؛ محتوى الكروم فيهما غير كافٍ لتشكيل فيلم سلبي مستمر لمقاومة التآكل العامة.
• استراتيجيات الحماية النموذجية:
• طلاءات الحواجز (أنظمة الطلاء، الطلاءات المسحوقة)
• التغليف (الغمر الساخن) حيثما كان مناسبًا - لاحظ أن التغليف يمكن أن يؤثر على المعالجة الحرارية وأهداف الخصائص في الأقسام الصغيرة ويتطلب معالجة بعد التغليف إذا كانت الصلابة/الدقة حرجة
• التغليف أو استخدام طبقات مقاومة للتآكل حيثما كانت التآكل المحلي مصدر قلق
• صيغة PREN لتصنيف سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ غير قابلة للتطبيق على هذه الفولاذات الكربونية السبائكية، حيث أن مستويات الكروم والموليبدينوم فيها منخفضة جدًا للاعتماد على السلبية:

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

• استخدم درجات مقاومة للتآكل أو تدابير حماية عندما تكون بيئات الخدمة تآكلية؛ لا ينبغي اختيار 35CrMo أو 42CrMo فقط لمقاومة التآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: 35CrMo منخفض الكربون أسهل عمومًا في التشغيل من 42CrMo عندما يكون في ظروف معالجة حرارية قابلة للمقارنة بسبب انخفاض الصلابة وانخفاض قوى القطع. بعد التبريد والتصلب، يصبح كلا النوعين أكثر صعوبة؛ 42CrMo عند مستويات صلابة أعلى يزيد من تآكل الأدوات.
• قابلية التشكيل: يظهر 35CrMo قابلية تشكيل باردة وأداء انحناء أفضل من 42CrMo في الحالات المعالجة أو المعالجة الحرارية. يقتصر السحب العميق على محتوى الكربون في كلا النوعين؛ يجب عادةً أن يتم التشكيل في حالة معالجة حرارية ناعمة.
• الطحن، إنهاء السطح، والدوران الصلب شائعة لكلا النوعين عند تصلبهما؛ يتطلب 42CrMo أدوات أكثر قوة للتشغيل الصلب.
• تشوهات المعالجة الحرارية والضغوط المتبقية: كلاهما يتطلب الانتباه إلى سمك القسم، ووسائط التبريد، وتصميم التثبيت للتحكم في التشوه.

8. التطبيقات النموذجية

جدول: الاستخدامات التمثيلية

35CrMo	42CrMo
الأعمدة (حيث تكون الصلابة ومقاومة التعب مهمة)	الأعمدة والمحاور عالية الحمل التي تتطلب قوة أعلى
التروس في التطبيقات ذات الحمل المعتدل	التروس للتطبيقات ذات الضغط العالي وأجزاء نقل الطاقة
المسامير والمثبتات التي تتطلب صلابة جيدة	المثبتات والدبابيس عالية القوة
أذرع التوصيل، أعمدة الكرنك للخدمة المتوسطة	مكونات الآلات الثقيلة، أسطوانات هيدروليكية، قوالب
أجزاء مزورة تتطلب لدونة جيدة	أجزاء معرضة للتآكل تحتاج إلى صلابة أعلى بعد Q&T

مبررات الاختيار: - اختر 42CrMo حيث تكون القوة الثابتة الأعلى، والصلابة، ومقاومة التآكل مطلوبة وحيث تتوفر إجراءات معالجة حرارية ولحام متحكم بها. - اختر 35CrMo حيث تكون اللدونة الأفضل، ومقاومة الصدمات، أو أداء التعب عند مستويات تصلب قابلة للمقارنة مطلوبة، أو حيث تكون سهولة التصنيع ذات أولوية.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: تختلف الأسعار حسب ظروف السوق، وشكل المنتج (شريحة، تزوير، لوح)، والحالة النهائية. عمومًا، فإن فرق تكلفة المواد الخام بين 35CrMo و 42CrMo متواضع لأن الإضافات السبائكية الرئيسية (Cr، Mo) متشابهة؛ قد تكون 42CrMo أغلى قليلاً بسبب معالجة درجة الكربون الأعلى والرقابة الأكثر صرامة المطلوبة للتطبيقات الحرجة في اللحام.
• التوافر: يتم إنتاج كلا النوعين على نطاق واسع ومتاحة في الشرائح، والتزويرات، والفولاذ المدور. 42CrMo (معادلات 4140) له توافر واسع بشكل خاص في سلاسل الإمداد العالمية، حيث إنه سبيكة هندسية شائعة جدًا.

10. الملخص والتوصية

جدول: مقارنة سريعة

السمة	35CrMo	42CrMo
قابلية اللحام	أفضل (CE أقل)	أكثر تطلبًا (CE أعلى)
توازن القوة والصلابة	صلابة أفضل عند قوة قابلة للمقارنة	قوة وصلابة أعلى قابلة للتحقيق
التكلفة (نسبية)	أقل قليلاً أو مشابهة	أعلى قليلاً في المعالجة/التحكم في اللحام

التوصية: - اختر 35CrMo إذا كنت بحاجة إلى مزيج متوازن من الصلابة واللدونة والقوة المعقولة مع سهولة التصنيع ومتطلبات لحام/PWHT أقل صرامة. إنه مناسب جيدًا للمكونات حيث تكون مقاومة الصدمات، وعمر التعب، أو سلوك اللدونة من الأولويات. - اختر 42CrMo إذا كان تصميمك يتطلب قوة ثابتة أعلى، وقابلية تصلب أكبر، ومقاومة تآكل متفوقة بعد التبريد والتصلب. إنه مناسب للأعمدة الثقيلة، والتروس، والمكونات المعرضة لضغوط ميكانيكية أعلى أو حيث تكون مقاومة التصلب الأعلى عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة مطلوبة - شريطة أن تكون هناك رقابة على اللحام والمعالجة الحرارية.

ملاحظة أخيرة: لا 35CrMo ولا 42CrMo مخصصان للخدمة المستمرة عند درجات حرارة عالية (زحف) دون اختيار مواد مفصل. للتطبيقات الحرارية المرتفعة أو الحرجة للزحف، ضع في اعتبارك سبائك Cr–Mo–V أو الفولاذ المقاوم للصدأ المصممة خصيصًا واستشر بيانات الزحف/التصلب المحددة لدرجة حرارة الخدمة والوقت المقصود. تحقق دائمًا من شهادات المصنع وأجرِ اختبارات تأهيل المعالجة الحرارية (الشد، الصدمات، الصلابة) للمكونات الحرجة.