40Cr مقابل 40CrNiMoA – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

40Cr و 40CrNiMoA هما نوعان من الفولاذات السبائكية متوسطة الكربون المستخدمة عادةً في المكونات الحاملة للأحمال والمُعالجة بالتبريد والتلطيف. غالبًا ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين التبادلات مثل تكلفة الوحدة، وقابلية اللحام، وقابلية التشغيل، وأداء الميكانيكا عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية ما إذا كانت الصلابة العالية ومقاومة الكسر تبرر تكلفة السبائك الإضافية، أو ما إذا كان يمكن لدرجة أقل تكلفة وأكثر بساطة تلبية متطلبات التصميم.

التمييز الفني الرئيسي بين هذين النوعين يكمن في استراتيجية السبائك: 40Cr هو فولاذ سبائكي متوسط الكربون يحتوي على الكروم مصمم لتحقيق قوة جيدة بعد المعالجة الحرارية وقابلية تصلب معقولة، بينما يضيف 40CrNiMoA النيكل والموليبدينوم (وأحيانًا تحكم دقيق في الميكروسبائك) لزيادة قابلية التصلب بشكل كبير وتحسين المتانة. بسبب ذلك، يقارن المصممون غالبًا بينهما للأعمدة الكبيرة، والتروس الثقيلة، والمثبتات الحرجة حيث تهم الخصائص الأساسية وتجانس الصلابة عبر سمك المقطع.

1. المعايير والتسميات

• GB/T (الصين): 40Cr، 40CrNiMoA (تسميات صينية مستخدمة بشكل شائع).
• EN: المعادلات الأقرب هي تقريبًا عائلة 5140/41xx لـ 40Cr؛ 40CrNiMoA تقارب سلسلة 43xx/41xx ذات السبائك العالية (لا يوجد تطابق دقيق في EN؛ تحقق من بيانات المورد).
• ASTM/ASME: لا توجد أسماء متطابقة مباشرة؛ مقارنة بـ AISI/SAE 5140 (لـ 40Cr) و AISI/SAE 4340/4140 (لـ 40CrNiMoA حسب مستويات Ni و Mo).
• JIS: توجد عائلات مشابهة (مثل سلسلة SCM) ولكن تحقق من جداول التحويل.

التصنيف: - 40Cr: فولاذ سبائكي متوسط الكربون (قابل للمعالجة الحرارية). - 40CrNiMoA: فولاذ سبائكي متوسط الكربون يحتوي على النيكل والموليبدينوم (محتوى سبائكي أعلى لتحسين قابلية التصلب والمتانة). - لا يعتبر أي من النوعين مقاومًا للصدأ؛ كلاهما يعتبر فولاذ سبائكي مناسبًا للتبريد والتلطيف (ليس HSLA بالمعنى الحديث).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

عنصر	40Cr النموذجي (wt%)	40CrNiMoA النموذجي (wt%)
C	0.37–0.44	0.36–0.44
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	0.80–1.10
Ni	— (أثر)	1.40–2.00
Mo	— (أو أثر)	0.15–0.30
V	— (أثر)	قد تكون موجودة بكميات صغيرة
Nb / Ti / B / N	عادةً لا شيء أو أثر	عادةً لا شيء أو أثر

ملاحظات: - القيم المعروضة هي نطاقات تمثيلية تُقتبس عادةً في المعايير/أوراق المواصفات. يجب التحقق من الكيمياء الدقيقة من شهادة المصنع لأي دفعة شراء. - استراتيجية السبائك: يعتمد 40Cr بشكل أساسي على الكربون والكروم لتطوير قابلية التصلب وقوة المارتنسيت المعالجة. يضيف 40CrNiMoA عمدًا النيكل والموليبدينوم؛ يحسن النيكل من القوة الشدّة والمتانة، بينما يزيد الموليبدينوم من قابلية التصلب ومقاومة التلطيف (مقللاً من التليين عند درجات حرارة التلطيف المرتفعة).

أثر السبائك: - القوة: يوفر الكربون والكروم القوة الأساسية؛ يسمح Ni و Mo بتحقيق قوة أعلى بعد التبريد والتلطيف دون تدرجات صلابة مفرطة. - قابلية التصلب: يزيد Mo و Ni بشكل كبير من قابلية التصلب، مما يمكّن من تحويل أكثر تجانسًا إلى المارتنسيت في الأقسام السميكة. - المتانة: Ni هو معزز قوي للمتانة؛ يجمع Ni+Mo بين تحسين بنية الميكروستراكتشر السابقة للأوستينيت ويقلل من الميل للسلوك الهش. - التآكل: لا يعتبر أي منهما مقاومًا للصدأ؛ مستويات Cr ليست كافية لتكوين فيلم مقاوم للصدأ.

3. الميكروستركتشر واستجابة المعالجة الحرارية

تعتمد الميكروستركتشر النموذجية على المعالجة الحرارية:

• المعالجة: يظهر كلا النوعين ميكروستركتشر من الفيريت + البيرلايت؛ قد يظهر 40CrNiMoA توزيع كربيد أدق بسبب السبائك ولكنه يبقى قابلًا للتشكيل.
• التطبيع: هياكل بيرلايت/فيريت أدق من المعالجة؛ تحسين الخصائص الميكانيكية وقابلية التشغيل.
• التبريد والتلطيف (Q&T): يتم عادةً تصلب كلا النوعين إلى مارتنسيت مُعالج. عادةً ما يحقق 40Cr صلابة جيدة على السطح وقرب السطح في الأقسام المتوسطة. ينتج 40CrNiMoA، مع قابلية تصلب أعلى، نواة مارتنسيت أكثر تجانسًا في مقاطع أكبر وعادةً ما يتطلب شدة تبريد أقل للوصول إلى صلابة نواة معادلة.
• المعالجة الحرارية الميكانيكية: بالنسبة للسبائك والمقاطع المدرفلة، تؤثر التبريد والتحكم في التشوه على حجم الحبيبات؛ يستفيد 40CrNiMoA أكثر من التبريد المنضبط لأن السبائك تستقر الأوستينيت السابقة وتحسن المتانة بعد التلطيف.

النتيجة العملية: بالنسبة للسبائك السميكة أو الأعمدة الكبيرة حيث يتطلب الأمر تصلبًا كاملًا، يوفر 40CrNiMoA بشكل أكثر موثوقية مارتنسيت مُعالج متجانس عبر المقطع، مما يقلل من النواة اللينة أو الميكروستركتشر المختلط الذي يمكن أن يضر بأداء التعب.

4. الخصائص الميكانيكية

الخاصية (نموذجية، تعتمد على المعالجة الحرارية)	40Cr (نطاق نموذجي)	40CrNiMoA (نطاق نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال) — معالجة	500–700	500–700
قوة الشد (ميغاباسكال) — تطبيع	600–850	650–900
قوة الشد (ميغاباسكال) — Q&T (متوسطة الصلابة)	800–1000	900–1200
قوة العائد (0.2% انزلاق، ميغاباسكال) — Q&T	600–900	700–1000
التمدد (%) — Q&T	10–18	8–15 (غالبًا أقل عند نفس الصلابة)
متانة الصدمة (شاربي V، جول) — Q&T (تختلف)	متوسطة (مثل، 20–60 جول)	عادةً أعلى عند صلابة مماثلة
الصلابة (HRC) — Q&T	28–55 (تعتمد على التلطيف)	30–60 (أكثر تجانسًا عبر المقطع)

تحذيرات: - القيم هي نطاقات إرشادية؛ تعتمد الخصائص النهائية على الكيمياء الدقيقة، ودرجة حرارة الأوستينيت، ووسيط التبريد، ودرجة حرارة التلطيف، وحجم المقطع. - يوفر 40CrNiMoA عادةً قوة أعلى قابلة للتحقيق، والأهم من ذلك، متانة أعلى في الأقسام السميكة بسبب قابلية التصلب الأفضل. عند نفس الصلابة، يظهر 40CrNiMoA غالبًا متانة كسر متفوقة لأن النيكل يحسن من اللدونة على مستوى الميكروستركتشر. ومع ذلك، قد يكون التمدد أقل إذا تم جلب كلا النوعين إلى نفس قوة الشد النهائية من خلال معالجات حرارية مختلفة.

5. قابلية اللحام

يجب أن تأخذ تقييم قابلية اللحام في الاعتبار محتوى الكربون، والمعادل الكربوني، والميكروسبائك. هناك صيغتان تنبؤيتان مستخدمتان بشكل شائع:

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

ومعلمة أكثر شمولاً:

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

التفسير (نوعي): - 40Cr: محتوى كربون معتدل وسبائك متواضعة يعطي معادل كربوني متوسط؛ يُوصى غالبًا بالتسخين المسبق والتبريد المنضبط للأقسام السميكة لتجنب التشقق البارد الناتج عن الهيدروجين. قد تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) مطلوبة للمكونات الحرجة. - 40CrNiMoA: يزيد إضافة Ni و Mo من المعادل الكربوني المحسوب وقابلية التصلب. يزيد هذا من خطر تشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري (HAZ) وإمكانية التشقق البارد إذا لم يتم التحكم في اللحام بشكل صحيح. تشمل التخفيفات النموذجية زيادة التسخين المسبق، واستخدام مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، والتحكم في درجة حرارة التداخل، و PWHT.

الخلاصة: 40Cr عمومًا أسهل في اللحام من 40CrNiMoA، لكن لا يعتبر أي منهما قابلًا للحام مثل الفولاذ الهيكلي منخفض الكربون. يُنصح بتأهيل إجراءات اللحام لكليهما، خاصةً للأجزاء الحرجة من حيث السلامة.

6. التآكل وحماية السطح

• كلا من 40Cr و 40CrNiMoA هما فولاذات سبائكية غير مقاومة للصدأ؛ لا تشكل فيلمًا مقاومًا للصدأ من محتوى الكروم وحده. لا ينطبق PREN (رقم مقاومة التآكل) على هذه الدرجات غير المقاومة للصدأ، ولكن للمرجع:

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

• استراتيجيات الحماية النموذجية: الطلاء، الطلاء بالمسحوق، التنظيف بالمذيبات، التزييت للحماية المؤقتة، والتغليف لحماية التآكل الجوي على المدى الطويل. لاحظ أن التغليف الساخن يتطلب الانتباه إلى المعالجة الحرارية والتشوه المحتمل؛ بعض الأجزاء المعالجة بالتبريد والتلطيف تُغلف فقط بعد المعالجة النهائية وقد تحتاج إلى تخفيف الإجهاد بعد الطلاء.
• في البيئات ذات الوسائط العدوانية (الكلوريدات، مياه البحر)، لا يعتبر أي من النوعين مناسبًا بدون أنظمة حماية؛ اختر سبائك مقاومة للتآكل بدلاً من ذلك.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: 40Cr (محتوى سبائكي أقل) عمومًا أسهل في التشغيل في حالة المعالجة أو التطبيع. يميل 40CrNiMoA، مع Ni و Mo، إلى أن يكون أكثر صلابة ويعمل على زيادة صلابته، مما يقلل من قابلية التشغيل وعمر الأداة؛ تكون قوى القطع أعلى وأدوات أكثر متانة نموذجية.
• قابلية التشكيل/الانحناء: كلاهما فولاذات متوسطة الكربون؛ في حالة المعالجة يمكن تشكيلها باردة ضمن حدود. بالنسبة للمواد Q&T، يجب تجنب التشكيل؛ يُفضل التزوير لإنتاج الشكل قبل المعالجة الحرارية النهائية.
• الطحن والتشطيب: يمكن طحن كلاهما إلى تشطيب عالي السطح؛ قد يظهر 40CrNiMoA تآكلًا أعلى على عجلات الطحن.
• تشوه المعالجة الحرارية: يسمح ارتفاع قابلية التصلب في 40CrNiMoA بشدة تبريد أقل لتحقيق صلابة مستهدفة معينة، مما يمكن أن يقلل من تشوه التبريد في بعض الأشكال الهندسية.

8. التطبيقات النموذجية

40Cr (الاستخدامات النموذجية)	40CrNiMoA (الاستخدامات النموذجية)
أعمدة، تروس صغيرة إلى متوسطة، مكونات نقل الحركة، مسامير، محاور للأقسام المتوسطة	أعمدة مزورة كبيرة، تروس ثقيلة وتروس دودية، أعمدة كرانك، روابط معدات الهبوط، مسامير ومثبتات عالية القوة لمعدات ثقيلة
مكونات السيارات حيث تكون التكلفة وقابلية التشغيل مهمة	مكونات الطيران/الدفاع أو الصناعية الثقيلة حيث تكون الصلابة العالية ومقاومة الصدمات حرجة
سبائك الهندسة العامة وأجزاء الآلات	أجزاء دوارة حرجة وسبائك كبيرة تتطلب خصائص متجانسة

مبررات الاختيار: - اختر 40Cr للأقسام الصغيرة حيث ينتج التبريد التقليدي الصلابة المطلوبة للنواة وعندما تكون التكلفة والتوافر الأوسع من الأولويات. - اختر 40CrNiMoA عندما تكون الأقسام سميكة، عندما تتطلب الخدمة متانة كسر عالية وخصائص نواة متسقة، أو عندما تفرض عوامل الأمان التصميمية هوامش أعلى ضد الفشل الهش.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 40Cr عادةً أقل تكلفة من 40CrNiMoA بسبب السبائك الأبسط وحجم الإنتاج الأوسع.
• التوافر: 40Cr متوفر على نطاق واسع في القضبان، والسبائك، والكتل. قد يكون 40CrNiMoA أقل شيوعًا في المخزون وغالبًا ما يتم إنتاجه حسب الطلب لأشكال أو أحجام قضبان محددة؛ قد تكون أوقات التسليم وكميات الطلب الدنيا أعلى.
• أشكال المنتجات: كلاهما متوفر كقضبان، وسبائك، ومكونات معالجة حرارية؛ تحدد شبكات الموردين التوافر المحلي. حدد شهادات المصنع وحالة التسليم لتجنب المفاجآت في أوقات التسليم والسعر.

10. الملخص والتوصية

المعيار	40Cr	40CrNiMoA
قابلية اللحام	أفضل (CE معتدل)	أكثر تحديًا (CE/قابلية تصلب أعلى)
توازن القوة–المتانة	جيد للأقسام المتوسطة	متفوق للأقسام الكبيرة واحتياجات المتانة العالية
التكلفة	أقل	أعلى

اختر 40Cr إذا: - كانت مكوناتك متوسطة في حجم المقطع ويمكن معالجتها حراريًا إلى الصلابة المطلوبة دون مخاوف من التصلب الكامل. - كانت التكلفة، وسهولة التشغيل، والتوافر الواسع مهمة. - سيتم إجراء اللحام بشكل متكرر في ورش العمل وتكون متطلبات التسخين المسبق/PWHT أقل مرغوبة.

اختر 40CrNiMoA إذا: - كانت المكونات أقسامًا كبيرة أو أجزاء دوارة حرجة تتطلب صلابة نواة متجانسة، ومتانة كسر عالية، ومقاومة للتلطيف. - كانت التصميمات تتطلب هوامش أمان أعلى ضد الكسر الهش ويمكنك قبول تكلفة مواد أعلى، وتحكم أكثر صرامة في اللحام، وأوقات تسليم أطول. - كانت ظروف الخدمة تتضمن تحميلًا صادمًا، أو مقاطع كبيرة، أو حيث تستفيد أداء التعب من تحسين الميكروستركتشر للنواة.

ملاحظة نهائية: تحقق دائمًا من شهادات اختبار الموردين للمصنع بشأن التركيب الكيميائي وسجلات المعالجة الحرارية. عند الشك في اللحام أو الصلابة عبر المقطع، قم بإجراء تجارب صغيرة أو اطلب إجراءات مؤهلة مسبقًا (PQRs/WPSs) واعتبر تحديد مستويات طاقة شاربي المطلوبة، وحدود الصلابة، والفحص غير المدمر كجزء من الشراء.