3Cr13 مقابل 4Cr13 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

3Cr13 و 4Cr13 هما درجات من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي، والتي تستخدم على نطاق واسع في المكونات حيث يجب موازنة مقاومة التآكل المعتدلة مع مقاومة التآكل والقوة (أمثلة: أدوات المائدة، الصمامات، الأعمدة، وأجزاء المضخات). يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً مقايضة بين القوة الميكانيكية/قابلية التصلب والليونة/قابلية اللحام عند الاختيار بين هاتين الدرجتين.

الفرق الفني الرئيسي هو محتوى الكربون الأعلى في 4Cr13 مقارنةً بـ 3Cr13، مما يزيد من قابلية التصلب، والصلابة القابلة للتحقيق، والقوة على حساب الليونة وقابلية اللحام. نظرًا لأنهما يشتركان في محتوى الكروم المماثل، فإن كلاهما يوفر مقاومة أساسية مماثلة للتآكل بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي، ولكن معالجاتهما وخصائصهما النهائية تختلف بشكل أساسي بسبب الكربون والاختلافات الطفيفة في السبائك.

1. المعايير والتسميات

• التسمية الأساسية: نظام التسمية الوطني الصيني (GB) — 3Cr13 و 4Cr13.
• التصنيف: الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي (مقاوم للصدأ، قابل للتصلب، عادةً ما يمكن معالجته حراريًا إلى مارتنسيت).
• المكافئات العائلية التقريبية: هذه الدرجات تقع في نفس العائلة العامة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي AISI/UNS (غالبًا ما تقارن بسلسلة 410/420)، ولكن لا يوجد تطابق مضمون 1:1 عبر المعايير — استشر الوثائق القياسية المحددة أو شهادات المصنع للحصول على تطابقات دقيقة.
• معايير أخرى يجب استشارتها للمواد المارتنسيتي المقاومة للصدأ القابلة للمقارنة: ASTM/ASME (عائلة A240 للألواح/الأوراق المقاومة للصدأ؛ أرقام UNS المحددة للبار)، JIS (سلسلة SUS المارتنسيتي)، و EN (تسميات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي). تحقق دائمًا من جداول التركيب وخصائص الميكانيكية في المعيار المعمول به أو ورقة بيانات المورد.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: نطاقات التركيب الكيميائي النموذجية (وزن%). هذه هي النطاقات التمثيلية المستخدمة بشكل متكرر في المواصفات؛ تحقق دائمًا من التركيب الدقيق من شهادات المواد.

عنصر	3Cr13 (نطاق نموذجي)	4Cr13 (نطاق نموذجي)
C	0.18 – 0.30	0.28 – 0.40
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	12.0 – 14.0
Ni	≤ 0.6	≤ 0.6
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.1 (غالبًا لا يتم تحديده)	≤ 0.1
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	أثر	أثر

ملاحظات: - العنصر الرئيسي في السبائك المتعمدة هو الكروم (≈12–14%) لتوفير سلوك مقاوم للصدأ الأساسي ودعم المصفوفة المارتنسيتي بعد التبريد.
- الفرق الرئيسي المتعمد هو الكربون: يتم صياغة 4Cr13 بمحتوى كربون أعلى لزيادة قابلية التصلب والصلابة القابلة للتحقيق. العناصر الثانوية (Mn، Si) هي بشكل رئيسي عوامل إزالة الأكسدة وستؤثر على قابلية التصلب بشكل طفيف؛ Mo، V (إذا كانت موجودة) ستعزز قليلاً من قابلية التصلب ومقاومة التصلب. Ti/Nb/B عادةً لا تكون موجودة بكميات ملحوظة لهذه الدرجات.

كيف تؤثر السبائك على السلوك: - الكربون: يزيد من قوة الشد، والصلابة، ومقاومة التآكل من خلال تعزيز تشكيل المارتنسيت والكربيدات؛ يقلل من الليونة وقابلية اللحام.
- الكروم: يوفر مقاومة للتآكل (فيلم غير نشط) ويزيد من قابلية التصلب؛ انخفاض محتوى الكروم يقلل من أداء مقاومة التآكل.
- Mo، V: عند وجودها بكميات صغيرة، تزيد من مقاومة التصلب ومقاومة التآكل.
- Mn/Si: تؤثر على إزالة الأكسدة، القوة، والصلابة بشكل طفيف.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

تم تصميم كلا الدرجتين ليتم معالجتهما حراريًا إلى بنية مارتنسيتي. الطرق والاستجابات المعدنية النموذجية:

• كما تم توفيره (مُعالج حراريًا أو مُعادلًا): فيريتيك/بيرليتيك مع بعض الكربيدات اعتمادًا على مستوى الكربون. عادةً ما تحتوي 3Cr13 على مصفوفة أكثر ليونة مع توزيع كربيد أدق مقارنةً بـ 4Cr13 في نفس حالة المعالجة.
• التبريد والتصلب: الطريق القياسي لتطوير الهيكل المارتنسيتي والتوازن المطلوب بين الصلابة والصلابة.
• التسخين (النطاق النموذجي للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي المماثل: 980–1050 °م) لإذابة الكربيدات وتشكيل الأوستنيت المتجانس.
• التبريد لتحويل الأوستنيت إلى مارتنسيت. ينتج الكربون الأعلى (4Cr13) نسبة أعلى من المارتنسيت الصلب والكربيدات المحتفظ بها؛ عادةً ما تحقق 4Cr13 صلابة أعلى لنفس التبريد مقارنةً بـ 3Cr13.
• التصلب عند 150–650 °م اعتمادًا على توازن الصلابة/الصلابة المستهدف. يقلل التصلب من الصلابة ولكنه يحسن الصلابة؛ تتطلب 4Cr13 معالجة أكثر دقة للحفاظ على مقاومة التعب وتجنب الهشاشة المفرطة.
• المعالجة العادية: يمكن أن تنقي حجم الحبيبات وتقلل من التوزيع؛ يتبعها التصلب حسب الحاجة.
• المعالجة الحرارية الميكانيكية: العمل البارد والتصلب اللاحق سيؤثران على كثافة الانزلاق والقوة النهائية؛ 4Cr13 أكثر حساسية للتصلب بسبب العمل البارد بسبب محتوى الكربون الأعلى.

العواقب المجهرية: - 3Cr13: مارتنسيت بمحتوى كربون أقل — صلابة أقل قليلاً، ليونة أفضل وصلابة عند التصلب بشكل مقارن. - 4Cr13: مارتنسيت بمحتوى كربون أعلى — صلابة ومقاومة تآكل أعلى، خطر أكبر من المارتنسيت الهش وشبكة الكربيد إذا لم يتم معالجتها حراريًا بشكل صحيح.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية بعد معالجة التبريد والتصلب النموذجية (ملاحظة: القيم توضيحية؛ تحقق مع بيانات المورد).

الخاصية	3Cr13 (نموذجي)	4Cr13 (نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال)	600 – 900	800 – 1100
قوة العائد (0.2% انزلاق، ميغاباسكال)	350 – 650	550 – 900
التمدد (%)	10 – 20	6 – 15
صلابة التأثير (جول، شاربى V-notch)	متوسطة (تختلف حسب التصلب)	أقل (عند نفس الصلابة)
الصلابة (HRC، مقساة)	HRC 38 – 52	HRC 45 – 58

التفسير: - يمكن أن تصل 4Cr13 إلى مستويات أعلى من القوة والصلابة مقارنةً بـ 3Cr13 بسبب محتوى الكربون الأعلى وقابلية التصلب الأكبر قليلاً.
- تميل 3Cr13 إلى أن تكون أكثر صلابة وليونة في ظروف التصلب المعادلة؛ تتاجر 4Cr13 بالليونة والصلابة من أجل مزيد من مقاومة التآكل وقوة ثابتة أعلى.
- تعتمد صلابة التأثير بشكل كبير على التصلب؛ للتطبيقات التي تتطلب مقاومة للصدمات أو التأثير، فإن التصلب المناسب أمر حاسم وعادةً ما تقدم 3Cr13 نافذة صلابة أوسع.

5. قابلية اللحام

تتأثر قابلية اللحام بشكل أساسي بالكربون وقابلية التصلب. يزيد محتوى الكربون الأعلى من خطر تشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري (HAZ)، مما يزيد من الميل للتشقق ويتطلب تسخينًا مسبقًا/معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT).

صيغ تنبؤية مفيدة (تفسير نوعي فقط): - مكافئ الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (مؤشر قابلية اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

إرشادات نوعية: - نظرًا لأن 4Cr13 يحتوي على كربون أعلى، فإن قيمته المحسوبة $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ ستكون عادةً أعلى من 3Cr13، مما يشير إلى قابلية لحام أقل واحتمالية أكبر لتصلب HAZ والتشقق البارد.
- أفضل الممارسات: التحكم في التسخين المسبق، تحديد معدلات التبريد بين الطبقات، استخدام المعادن المالئة المناسبة (مطابقة أو أقل قليلاً من الكربون)، وتطبيق PWHT حيثما كان ذلك مطلوبًا لتصلب مارتنسيت HAZ. 3Cr13 أكثر تسامحًا مع ممارسات اللحام التقليدية ولكن قد تتطلب تسخينًا مسبقًا للأقسام السميكة أو ظروف القيود.

6. التآكل وحماية السطح

• كلا الدرجتين من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي (≈12–14% Cr): تشكل طبقة غير نشطة واقية ولديها مقاومة تآكل أفضل من الفولاذ الكربوني العادي ولكنها أقل من الدرجات الأوستنيتية (304/316) والمزدوجة في الوسائط العدوانية.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) عادةً ما يكون غير مفيد لهذه الفولاذات المارتنسيتي ذات محتوى Mo وN المنخفض. من أجل الاكتمال: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• مع وجود Mo وN عادةً بالقرب من الصفر في هذه الدرجات، فإن قيم PREN منخفضة مقارنةً بالسبائك المزدوجة أو الأوستنيتية؛ لذلك، فإن هذه الدرجات مناسبة للبيئات ذات التآكل المعتدل (الجو، حمضية/قلوية خفيفة، تعرض محدود للكلور) ولكن ليست للوسائط الشديدة المحتوية على الكلور بدون طلاءات أو حماية كاثودية.
• حماية السطح للمقارنات غير المقاومة للصدأ غير قابلة للتطبيق؛ بالنسبة لهذه الفولاذات المارتنسيتي، تشمل التدابير الوقائية الشائعة التمرير بعد التصنيع، الطلاء الكهربائي، التلميع المنضبط، وطلاءات الحماية أثناء الخدمة (دهانات عضوية، طلاءات تضحية) عندما يكون خطر الكلور أو التآكل كبيرًا.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: يميل 4Cr13 ذو الكربون الأعلى إلى أن يكون أكثر صلابة في الحالة المعالجة حراريًا وسيسبب تآكلًا أكبر للأدوات؛ ومع ذلك، في الحالة المعالجة حراريًا، تعمل كلا الدرجتين بشكل معقول جيد مع الأدوات والسرعات المناسبة. سيكون من الصعب تشغيل 4Cr13 المقساة إذا لم يتم تخفيفها.
• قابلية التشكيل: تقدم 3Cr13 تشكيلًا باردًا أفضل وقابلية للانحناء مقارنةً بـ 4Cr13 بسبب محتوى الكربون الأقل؛ التشكيل العميق أو الشديد محدود لكلاهما مقارنةً بالفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي.
• الطحن، التلميع، والتشطيب السطحي: تعطي صلابة 4Cr13 الأعلى مقاومة أفضل للتآكل في الخدمة ولكن قد تحتاج إلى عمليات تشطيب أكثر عدوانية. يُوصى بمعالجة حرارية وتصلب قبل التشغيل النهائي/التشطيب لتجنب التشوه.
• تشوه المعالجة الحرارية: كلا الدرجتين عرضة للتشوه أثناء عمليات التبريد والتصلب؛ يتطلب الأمر تثبيتًا دقيقًا، تبريدًا تدريجيًا، وبدلات تشغيل مناسبة.

8. التطبيقات النموذجية

3Cr13 – الاستخدامات النموذجية	4Cr13 – الاستخدامات النموذجية
شفرات السكاكين وأدوات المائدة حيث تكون الصلابة ومقاومة التآكل متوازنة	أدوات القطع والسكاكين حيث تكون الاحتفاظ بالحافة ومقاومة التآكل أعلى
أعمدة المضخات، مكونات الصمامات ذات متطلبات تآكل معتدلة	مكونات عرضة للتآكل، بكرات، دبابيس، وأجزاء تتطلب صلابة أعلى
تجهيزات السيارات، المسامير، والتجهيزات حيث يتطلب الأمر بعض الانحناء/التشكيل	مكونات محامل صغيرة الحجم، دبابيس مقاومة للتآكل، وأعمدة مقساة
أجزاء فولاذ مقاوم للصدأ المارتنسيتي للاستخدام العام حيث يكون اللحام/قابلية الإصلاح عاملًا	أجزاء حيث تكون التصلب الكامل والقوة الثابتة الأعلى متطلبات أساسية

مبررات الاختيار: - اختر 4Cr13 حيث تكون الاحتفاظ بالحافة، والصلابة الأعلى، ومقاومة التآكل هي الأولوية؛ اختر 3Cr13 حيث تكون الليونة، ومقاومة التأثير، وسهولة التصنيع/اللحام مهمة. تؤثر اعتبارات التكلفة ومتطلبات التشطيب السطحي أيضًا على القرار.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون تكلفة 4Cr13 أعلى قليلاً من 3Cr13 بسبب محتوى الكربون الأعلى والمعالجة المطلوبة لتحقيق والتحكم في خصائص الصلابة الأعلى؛ ومع ذلك، فإن الفروق السعرية متواضعة مقارنةً بالدرجات ذات السبائك الأعلى (مثل الفولاذات المارتنسيتي المحتوية على Mo أو الأوستنيتية).
• التوافر: كلا الدرجتين متاحة على نطاق واسع في المناطق التي لديها سلاسل إمداد فولاذ مقاوم للصدأ راسخة (الأوراق، القضبان، الشرائط، الأجزاء). ستؤثر شكل المنتج (قضبان، ألواح، شرائط) والتشطيب (مدرفلة على البارد، معالجة حرارية، مقساة) على أوقات التسليم والتكلفة. بالنسبة للمشتريات الكبيرة، تحقق من شهادات المصنع واختبارات الدفعة لمحتوى الكربون لضمان الخصائص الميكانيكية المقصودة.

10. الملخص والتوصية

جدول: ملخص مقارن سريع

السمة	3Cr13	4Cr13
قابلية اللحام	أفضل (كربون أقل)	أقل (كربون أعلى، خطر أكبر في HAZ)
توازن القوة والصلابة	قوة معتدلة مع صلابة أفضل	قوة وصلابة أعلى، صلابة أقل
التكلفة	أقل قليلاً	أعلى قليلاً

الخلاصة والتوصية العملية: - اختر 3Cr13 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ المارتنسيتي المتوازن مع ليونة أفضل وقابلية اللحام، وسهولة التشكيل، وتكلفة أقل قليلاً — مناسب للمكونات التي تتطلب بعض مقاومة التأثير، وقابلية الإصلاح، أو مقاومة تآكل معتدلة. - اختر 4Cr13 إذا كانت التصميمات تعطي الأولوية للصلابة الأعلى، ومقاومة التآكل، والقوة الثابتة حيث تكون الاحتفاظ بالحافة أو التآكل الكاشط أمرًا حاسمًا وحيث يكون التحكم الأكثر دقة في المعالجة الحرارية مقبولًا؛ توقع مزيدًا من الاهتمام بإجراءات اللحام، والتسخين المسبق، والتصلب لتجنب الهشاشة.

ملاحظة نهائية: يجب التحقق من الاختيار الدقيق مقابل شهادات المصنع للمورد، هندسة المكونات، ظروف القيود أثناء اللحام، والبيئة الخدمية المحددة (وسائط تآكل، درجة حرارة، تحميل دوري). بالنسبة للتطبيقات الحرجة، اطلب تقارير اختبار المواد (التركيب، الصلابة، بيانات الشد، وبيانات التأثير) وأجرِ اختبارات تأهيل (تجارب لحام، تجارب معالجة حرارية) قبل الإنتاج التسلسلي.