410 مقابل 420 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
410 و420 هما نوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية المستخدمة على نطاق واسع، وغالبًا ما يتم مقارنتهما عندما يتعين على المصممين تحقيق توازن بين الصلابة ومقاومة التآكل مقابل المتانة وقابلية اللحام والتكلفة. يواجه مدراء المشتريات ومخططو التصنيع والمهندسون عادةً خيارًا بين درجة مارتنسيتية منخفضة الكربون يسهل تشكيلها ولحامها ودرجة أعلى كربونًا يمكن أن تحقق صلابة سطحية ومقاومة تآكل أكبر بكثير بعد المعالجة الحرارية.
التمييز الفني الرئيسي هو أن 420 يحتوي على كربون أعلى (وبالتالي قابلية تصلب أكبر وإمكانية صلابة أكبر) من 410، بينما تم صياغة 410 لتحقيق متانة أفضل ومرونة وتصنيع عام. هذا الاختلاف يؤثر على كيفية معالجة كل درجة حرارية، وتصنيعها، وحمايتها، وتطبيقها في الصناعة.
1. المعايير والتسميات
- التسميات والمعايير الدولية الشائعة:
- ASTM/ASME: ASTM A276 (البار)، أرقام AISI/UNS (UNS S41000 لـ 410، UNS S42000 أو S42000 المتغيرات لـ 420).
- EN: يتم التعبير عن المعادلات EN عادةً كـ XxCrNi أو XxCr13 وما إلى ذلك، لكن التوافق المباشر يختلف حسب حدود التركيب المحددة.
- JIS وGB: المعايير اليابانية والصينية لديها درجات فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتية متوافقة مع كيمياء مشابهة ولكن حدود مختلفة.
- التصنيف:
- 410: فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتية (فولاذ كربوني/مارتنسيتية منخفضة السبيكة).
- 420: فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتية بمحتوى كربون أعلى (يُطلق عليه غالبًا "فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتية عالي الكربون").
- لا يعتبر كل من 410 و420 HSLA أو أوستنيتي أو فولاذ أدوات بالمعنى الرسمي، على الرغم من أن 420 يُستخدم عادةً حيث تكون مقاومة التآكل قريبة من فولاذ الأدوات.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
جدول: نطاقات التركيب النموذجية (تقريبية؛ أبلغ عن حدود المواصفات الفعلية من المعيار المعني عند تحديد المادة)
| عنصر | 410 (نطاق نموذجي، wt%) | 420 (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.15 | 0.15–0.40 |
| Mn | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 11.5–13.5 | 12.0–14.0 |
| Ni | ≤ 0.75 | ≤ 0.5 |
| Mo | — (أثر) | — (أثر إلى صغير) |
| V, Nb, Ti, B, N | عادةً أثر أو غير محدد | عادةً أثر أو غير محدد |
ملاحظات: - هذه النطاقات إرشادية وتختلف حسب شكل المنتج والمعيار. يجب أن تشير مواصفات المشتريات إلى المعيار المعني أو رقم UNS لحدود القبول. - استراتيجية السبيكة: تعتمد كلتا الدرجتين على الكروم لمقاومة التآكل وتكوين المارتنسيت بعد التبريد. يزيد محتوى الكربون المرتفع في 420 من حجم المارتنسيت والكربيدات المتاحة للتصلب؛ بينما يحتفظ 410 بمستوى كربون أقل للحفاظ على المرونة والمتانة بعد المعالجة الحرارية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية: - عند التبريد، يشكل كل من 410 و420 المارتنسيت (مارتنسيت رباعي الزوايا مركزي الجسم) عند التبريد من درجة حرارة الأوستنيت. تكون ترسبات الكربيد (بشكل أساسي كربيدات الكروم) أكثر وضوحًا في 420 عالي الكربون، مما قد يؤدي إلى نسبة أعلى من مراحل الكربيد الصلبة والهشة الموزعة في المصفوفة المارتنسيتية. - في الحالة المعالجة، يتم العثور على كلاهما عادةً كفريت/بيرلايت أو مارتنسيت ناعم حسب المعالجة. تؤثر التاريخ الحراري الميكانيكي (العمل البارد، حجم حبيبات الأوستنيت السابقة) أيضًا على الخصائص النهائية.
سلوك المعالجة الحرارية: - المعالجة الحرارية النموذجية: تسخين إلى نطاق الأوستنيت (حوالي 980–1050 درجة مئوية، حسب المواصفة وحجم القسم)، يتبعها التبريد لتشكيل المارتنسيت. - التخمير: يستخدم لضبط توازن الصلابة/المتانة. درجات حرارة التخمير المنخفضة (~150–300 درجة مئوية) تحافظ على صلابة أعلى ولكن متانة أقل؛ بينما التخمير الأعلى (~300–600 درجة مئوية) يقلل من الصلابة ويزيد من المتانة. - يستجيب 420 للتصلب بشكل أقوى بسبب الكربون الأعلى - يمكن أن يصل إلى صلابة روكويل أعلى بكثير بعد التبريد والتخمير في درجات حرارة منخفضة؛ بينما يقتصر 410 على كربون أقل وبالتالي لا يمكنه تحقيق نفس ذروة الصلابة ولكنه يحتفظ بمرونة أفضل وقوة تأثير. - يمكن استخدام التعديل أو التبريد المنضبط لتحسين حجم الحبيبات وتحسين قابلية التشغيل أو المتانة قبل التخمير النهائي.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية (تعتمد على المعالجة الحرارية؛ القيم إرشادية)
| الخاصية | 410 (معالجة / نطاق المعالجة الحرارية) | 420 (معالجة / نطاق المعالجة الحرارية) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ≈ 450–800 (معالجة إلى تخمير) | ≈ 600–1200 (حسب التصلب) |
| قوة العائد (ميغاباسكال) | ≈ 200–600 | ≈ 400–1100 |
| التمدد (%) | ≈ 15–30 (معالجة) | ≈ 8–25 (معالجة إلى تخمير) |
| صلابة التأثير (جول، شاربى) | عموماً أعلى (متانة أفضل) | أقل عند التصلب؛ متغير مع التخمير |
| الصلابة (HRC) | ≈ 16–28 (معالجة/مخففة) حتى ≈ 35–40 (م hardened/tempered) | ≈ 18–30 (معالجة) حتى ≈ 45–60+ HRC (م hardened/tempered) |
التفسير: - يمكن تصلب 420 إلى صلابة وقوة شد أعلى بكثير بسبب كربونه الأعلى؛ مما يجعله متفوقًا للمكونات المقاومة للتآكل وحواف القطع. - يوفر 410 متانة وتمدد أفضل في ظروف مماثلة وعادة ما يكون الخيار الأكثر مرونة ومقاومة للتأثير. - تعتمد الخصائص الدقيقة بشكل كبير على دورة المعالجة الحرارية المختارة وسمك القسم؛ يتطلب اقتباس قيمة تصميم تحديد الصلابة أو حالة المعالجة الحرارية.
5. قابلية اللحام
تتحكم محتويات الكربون، وعناصر الصلابة الأخرى (Cr، Mo، V)، والقيود/مدخلات الحرارة في قابلية اللحام. يزيد الكربون الأعلى من خطر تشكيل المارتنسيت والتشقق البارد في منطقة التأثير الحراري.
صيغ مفيدة للتقييم النوعي: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm الأكثر 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 النوعي: - سيكون 410، مع كربون أقل، عمومًا لديه معادل كربوني أقل من 420 وبالتالي قابلية لحام أفضل (خطر أقل من تصلب HAZ والتشقق). - يتطلب 420، خاصة المتغيرات عالية الكربون، غالبًا إجراءات لحام خاصة: تسخين مسبق، درجات حرارة تحكم بين الطبقات، مواد لحام منخفضة الهيدروجين، وتخمير بعد اللحام أو تخفيف الضغط لتجنب تشقق HAZ. - يعد استخدام المواد المتطابقة مهمًا لتجنب صلابة مفرطة في معدن اللحام. حيث تكون قابلية اللحام أولوية، حدد حدود كربون أقل أو اختر المعادن المالئة المصممة للحام الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية.
6. مقاومة التآكل وحماية السطح
- كل من 410 و420 هما فولاذان مقاومان للصدأ مارتنسيتية بمقاومة متوسطة للتآكل بسبب محتوى الكروم (≈12–14%). إنهما ليسا مقاومين للتآكل مثل الدرجات الأوستنيتية (304، 316) وهما عرضة للتآكل النقري، وتآكل الشقوق، والتآكل العام في البيئات العدوانية.
- بالنسبة للبيئات التآكلية، تشمل استراتيجيات حماية السطح التمرير، والطلاء، والتغطية، أو الجلفنة (إذا كانت المعادن الأساسية والخدمة تسمح بذلك). لاحظ أن الجلفنة تُطبق عمومًا على الفولاذ الكربوني وقد لا تكون مناسبة حيث تتطلب سلامة السطح المقاوم للصدأ؛ استشر توافق الطلاء.
- PREN (رقم مقاومة التآكل النقري) يُستخدم بشكل رئيسي للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي/الفريتية مع Mo وN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- لدى PREN أهمية محدودة لـ 410/420 لأن أدائها في مقاومة التآكل يتأثر بشكل كبير بمحتوى الكروم وعوامل البنية المجهرية، وكلاهما عادةً ما يحتوي على Mo وN منخفضين.
- إرشادات عملية: اختر 410 أو 420 فقط للبيئات التآكلية الخفيفة أو عندما يكون التحكم في التآكل بواسطة الطلاءات/التغطية مقبولًا. بالنسبة للبيئات الغنية بالكلوريد، اختر فولاذًا مقاومًا للصدأ عالي السبيكة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- في الحالة المعالجة، تعمل كلا الدرجتين بشكل معقول. تنخفض قابلية التشغيل بشكل حاد مع زيادة الصلابة.
- يكون 420 في الحالة الصلبة كاشطًا للأدوات وقد يكون من الصعب تشغيله؛ يجب اختيار مواد الأدوات والتغذية وفقًا لذلك.
- قابلية التشكيل والانحناء:
- 410 المعالجة لديه قابلية تشكيل أفضل ويمكن تشكيله باردًا مع السماح المناسب للارتداد.
- 420 (الكربون الأعلى) لديه مرونة مخفضة ويصبح عرضة للتشقق عند تشكيله إذا لم يكن في الحالة المعالجة.
- تشطيب السطح:
- تأخذ كلا الدرجتين تشطيبًا جيدًا في الحالة المعالجة؛ يعد تلميع 420 الصلب إلى تشطيب مرآة أمرًا شائعًا للأدوات المنزلية والأدوات الطبية.
- اعتبارات المعالجة الحرارية في تخطيط التصنيع: خطط للتشكيل واللحام في الحالة المعالجة حيثما كان ذلك ممكنًا، ثم قم بإجراء التصلب/التخمير النهائي كعملية منفصلة لتحقيق الخصائص المطلوبة.
8. التطبيقات النموذجية
جدول: الاستخدامات النموذجية حسب الدرجة
| 410 — التطبيقات النموذجية | 420 — التطبيقات النموذجية |
|---|---|
| أعمدة المضخات، مكونات الصمامات، المسامير، الأجزاء الهيكلية حيث تكون مقاومة التآكل والمتانة متوسطة مطلوبة | شفرات أدوات المائدة، أدوات جراحية (بعض الأنواع)، محامل، ألواح تآكل، سكاكين صغيرة، شفرات حلاقة حيث تكون الصلابة العالية والاحتفاظ بالحواف مطلوبة |
| تزيين السيارات، مكونات التوربينات البخارية والغازية، أجزاء غير حرجة في البتروكيماويات | أجزاء تتطلب صلابة سطحية عالية بعد المعالجة الحرارية: شفرات القص، قوالب للأدوات منخفضة الحجم، أجزاء انزلاقية عالية التآكل |
| مكونات ميكانيكية عامة مع معالجة حرارية بسيطة وقابلية لحام جيدة | تطبيقات تركز على مقاومة التآكل والاحتفاظ بالحواف؛ غالبًا ما تكون صلبة ومطحونة بعد المعالجة الحرارية |
مبررات الاختيار: - اختر 410 عندما تكون التصنيع، واللحام، ومقاومة التأثير، والتكلفة هي القضايا الرئيسية، ويتطلب الأمر فقط مقاومة متوسطة للتآكل. - اختر 420 عندما تكون الصلابة السطحية العالية، ومقاومة التآكل، والاحتفاظ بالحواف مطلوبة وعندما يكون من الممكن إجراء معالجة بعد المعالجة الحرارية.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة:
- 410 عمومًا أقل تكلفة من 420 بسبب كربونه الأقل ومعالجته الأبسط في العديد من أشكال المنتجات.
- 420 يتطلب سعرًا أعلى عند تزويده بأشكال عالية الكربون، ومعالجة دقيقة، وتشطيب دقيق (مثل درجات أدوات المائدة).
- التوافر:
- كلا الدرجتين متاحة على نطاق واسع كأشكال بار، لوح، ومنتجات مطروقة، ولكن قد تكون درجات معينة (مسبقة التصلب، قضبان أدوات المائدة المطحونة بدقة) أكثر محدودية لبعض مستويات الكربون من 420.
- يمكن أن تختلف أوقات التسليم حسب تشطيب السطح وحالة الصلابة - غالبًا ما تتكبد مكونات 420 الصلبة والمطحونة أوقات تسليم أطول وتكاليف معالجة أعلى.
10. الملخص والتوصية
جدول: مقارنة سريعة (نوعية)
| الخاصية | 410 | 420 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة (أفضل) | متوسطة إلى ضعيفة (تتطلب تسخين مسبق/معالجة حرارية بعد اللحام) |
| توازن القوة والمتانة | متانة أفضل، قوة متوسطة | صلابة/قوة أعلى قابلة للتحقيق، متانة أقل عند التصلب |
| مقاومة التآكل / الاحتفاظ بالحواف | متوسطة | عالية (عند التصلب) |
| التكلفة | أقل | أعلى (خصوصًا للأشكال عالية الكربون، الصلبة) |
الاستنتاجات والتوصيات: - اختر 410 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتية متوازن يسهل لحامه وتصنيعه، ويقدم مقاومة معقولة للتآكل في البيئات الخفيفة، ويعطي الأولوية للمتانة والتكلفة المنخفضة. حالات الاستخدام النموذجية: أعمدة، مسامير، صمامات، وأجزاء تتطلب تصنيع روتيني وخدمة بعد اللحام. - اختر 420 إذا كانت تصميمك يتطلب صلابة سطحية عالية، ومقاومة تآكل متفوقة، أو حواف حادة (أدوات قطع، شفرات، أسطح تآكل)، ويمكنك استيعاب إجراءات لحام وتصنيع أكثر تقييدًا بالإضافة إلى مسار معالجة حرارية مخصص. 420 هو الخيار الأفضل حيث تهيمن الصلابة بعد التخمير والاحتفاظ بالحواف على معايير التصميم.
ملاحظة نهائية: حدد دائمًا حالة المعالجة الحرارية المطلوبة، والصلابة القصوى، والمعيار المعني في وثائق الشراء. ستتحدد الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل في الخدمة بشكل أساسي من خلال المعالجة الحرارية وحالة السطح بدلاً من الدرجة الاسمية وحدها.