420 مقابل 431 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل متكرر الخيار بين الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت AISI 420 و AISI 431 عند تحديد الأجزاء التي تتطلب توازنًا بين القوة والصلابة ومقاومة التآكل والتكلفة. غالبًا ما تتركز معضلة الاختيار على الموازنة بين أقصى صلابة يمكن تحقيقها ومقاومة التآكل مقابل المتانة ومقاومة التآكل في البيئات العدائية، بالإضافة إلى اعتبارات القابلية للحام وتكاليف المعالجة اللاحقة.

الفرق المادي الحاسم بين هذين الصنفين هو استراتيجيات السبائك الخاصة بهما: يعتمد 420 بشكل أساسي على الكربون العالي مع الكروم المعتدل للصلابة ومقاومة التآكل، بينما يضيف 431 نسبة كبيرة من النيكل بالإضافة إلى الكروم العالي لتحسين القوة والمتانة وأداء مقاومة التآكل مع الاحتفاظ بقدرة الصلابة المارتنسيتية. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت المستخدم في عائلات المكونات المماثلة (الأعمدة، المسامير، الصمامات، الشفرات)، يقارن المهندسون عادةً بينهما عند تحديد الأجزاء التي يجب أن تكون صلبة ومع ذلك تقاوم التآكل.

1. المعايير والتسميات

• AISI/ASTM/UNS:
• 420: AISI 420 / UNS S42000 (غالبًا ما يُشار إليه في ASTM A666 للألواح/الشريط؛ ASTM A276 للبار)
• 431: AISI 431 / UNS S43100 (موجود في ASTM A582 للبار، ASTM A276 للبار/العمود)
• EN / المعادلات EN:
• 420: EN 1.4021 / X46Cr13 (عائلة مماثلة)
• 431: EN 1.4057 / X90CrNi18-؟ (تختلف المراجع الدقيقة حسب المعيار)
• JIS / GB: توجد تسميات إقليمية لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت ذات الكيمياء المماثلة.
• التصنيف:
• كلا من 420 و 431 هما فولاذان مقاومان للصدأ المارتنسيت. لا يتم تصنيفهما كفولاذ كربوني أو فولاذ أدوات أو HSLA؛ إنهما فولاذان مقاومان للصدأ مصممان للتصلب عن طريق التبريد والتخمير.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: التركيب النموذجي (wt%) — النطاقات المعروضة تمثل المواصفات الشائعة؛ تحقق من مواصفات الشراء للحدود الدقيقة.

عنصر	420 (wt% النموذجي)	431 (wt% النموذجي)
C	0.15 – 0.40	0.15 – 0.25
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	15.0 – 17.0
Ni	≤ 1.0 (غالبًا ما تكون منخفضة جدًا)	1.5 – 3.0
Mo	أثر/لا شيء	عادة لا شيء
V	أثر	أثر
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	أثر	أثر

ملاحظات: - القيم المعروضة هي مؤشرات؛ العديد من المواصفات لها حدود أضيق. 420 هو درجة مارتنسيتية عالية الكربون وكروم معتدل؛ 431 هو درجة مارتنسيتية تحتوي على النيكل مع كميات أعلى من الكروم وكربون مضبوط لتمكين مزيج أفضل من المتانة ومقاومة التآكل. - يزيد النيكل في 431 من قوة الشد والمتانة ويحسن المقاومة للكسر الهش أثناء المعالجة الحرارية والخدمة. يتحكم محتوى الكروم في تشكيل الفيلم السالب ومقاومة التآكل؛ يعزز الكروم الأعلى في 431 السلوك العام لمقاومة التآكل مقارنةً بـ 420.

كيف تؤثر السبائك على السلوك: - الكربون: القدرة الأساسية على التصلب وصلابة المارتنسيت؛ يعطي الكربون الأعلى صلابة قصوى أعلى ولكنه يقلل من المتانة والقابلية للحام. - الكروم: التمرير والقدرة على التصلب؛ عادةً ما يحسن المزيد من الكروم مقاومة التآكل ومقاومة التخمير. - النيكل: يثبت المصفوفة المارتنسيتية نحو المتانة، يقلل من القابلية للتصلب الهش، ويحسن توازن القوة والمتانة. - العناصر الثانوية (Mn، Si، P، S، V) تؤثر على إزالة الأكسدة، وقابلية التشغيل، وسلوك الشوائب؛ يزيد الكبريت من قابلية التشغيل ولكنه يمكن أن يؤثر سلبًا على التعب الناتج عن التآكل.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهيكليات النموذجية: - تشكل كلا الصنفين بشكل أساسي المارتنسيت بعد الأوستنيت والتبريد. في الحالة المعالجة، يمكن أن تحتوي على الفريت + البيرلايت أو المارتنسيت المعالج حسب العملية ومحتوى السبيكة. - 420: بعد التبريد والتخمير، يكون الميكروهيكل مارتنسيتياً مع ترسبات كربيد (كربيدات الكروم). يؤدي الكربون المحتفظ به الأعلى إلى صلابة أعلى ولكن المزيد من الكربيدات التي يمكن أن تعمل كمواقع لبدء الشقوق إذا لم يتم تخميرها بشكل صحيح. - 431: تشكل المارتنسيت مع توزيع أدق للكربيدات وبعض الأوستنيت المحتفظ به حسب الأوستنيت/التبريد؛ يعزز النيكل مصفوفة مارتنسيتية أكثر مرونة وقوة.

استجابة المعالجة الحرارية: - التطبيع: ينقي حجم الحبيبات وي homogenizes الميكروهيكل؛ مفيد كمعالجة مسبقة قبل التبريد النهائي والتخمير. - التبريد والتخمير: تستجيب كلا الصنفين بشكل جيد. 420 تحقق صلابة عالية (يمكن أن تتجاوز ~50 HRC في العديد من المعالجات الحرارية) ولكن مع تقليل المتانة عند مستويات صلابة أعلى. 431، مع النيكل والكروم الأعلى، تحقق نسبة أفضل من المتانة إلى القوة بعد التبريد والتخمير ولديها مقاومة محسنة للتخفيف الناتج عن التخمير. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يتم تحقيق الفوائد بشكل أساسي في منتجات القضبان/الأعمدة حيث يحسن التدوير المنضبط قبل التبريد هيكل الحبيبات؛ يمكن إنتاج كلا الفولاذين مع متانة محسنة من خلال المعالجة المنضبطة، حيث يحصل 431 عمومًا على فائدة أكبر بسبب توازن سبيكته.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: الخصائص الميكانيكية النموذجية (نطاقات تمثيلية؛ تعتمد على المعالجة الحرارية وحجم المقطع)

الخاصية (نموذجية)	420 (Q&T/مخمرة)	431 (Q&T/مخمرة)
قوة الشد (ميغاباسكال)	600 – 1200	700 – 1300
قوة العائد (0.2% Rp0.2، ميغاباسكال)	450 – 1000	600 – 1100
التمدد (%)	8 – 20	8 – 18
متانة الصدمة (شاربي J)	منخفضة إلى معتدلة (تعتمد على التخمير)	معتدلة إلى عالية (أفضل من 420 عند صلابة مماثلة)
الصلابة (HRC)	مخمرة ~20؛ Q&T تصل إلى ~55+	مخمرة ~20–30؛ Q&T تصل إلى ~50–55

التفسير: - يقدم 431 عمومًا قوة عائد أعلى ومتانة أفضل عند مستويات قوة الشد المماثلة بسبب النيكل والكروم الأعلى. لنفس صلابة الهدف، يظهر 431 عمومًا تكسيرًا أقل وأداءً أفضل في التعب. - تحقق 420 صلابة عالية ومقاومة للتآكل مع كيمياء بسيطة نسبيًا وغالبًا ما يتم اختيارها حيث تكون الاحتفاظ بالحافة أو مقاومة التآكل القصوى مطلوبة وتكون المتانة/مقاومة التآكل ثانوية.

5. قابلية اللحام

تتركز اعتبارات قابلية اللحام على المعادل الكربوني ووجود عناصر السبائك التي تزيد من القدرة على التصلب وخطر التشقق البارد المارتنسيت.

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

التفسير النوعي: - يزيد الكربون الأعلى والكروم/الموليبدينوم/الفاناديوم من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ — مما يزيد من خطر تشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري والتشقق البارد. يميل محتوى الكربون الأعلى في 420 إلى جعله أكثر عرضة للتصلب والتشقق في منطقة التأثير الحراري دون تسخين مسبق أو معالجة حرارية بعد اللحام. - يقلل محتوى النيكل في 431 من شدة صلابة المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري للحام ويحسن اللدونة؛ لذلك، يظهر 431 عمومًا قابلية لحام قوس أفضل من 420 عند سماكات مقاطع مماثلة وعمليات لحام. - إرشادات عملية: غالبًا ما تتطلب كلا الصنفين تسخينًا مسبقًا ودرجات حرارة تحكم بين التمريرات للحام موثوق. يُنصح بالتخمير بعد اللحام أو PWHT للمكونات الحرجة لتخفيف الضغوط المتبقية وتقليل صلابة منطقة التأثير الحراري.

6. مقاومة التآكل وحماية السطح

• كلا من 420 و 431 هما فولاذان مقاومان للصدأ المارتنسيت وليسا مقاومين للتآكل مثل الدرجات الأوستنيتية (مثل 304/316). يعتمدون على محتوى الكروم الخاص بهم لتشكيل الفيلم السالب.
• استخدام PREN (رقم مقاومة التآكل) أقل شيوعًا للفولاذ المارتنسيت ولكن الصيغة هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ يبرز هذا المؤشر الموليبدينوم والنيتروجين لمقاومة التآكل؛ نظرًا لأن neither 420 nor 431 يحتويان على موليبدينوم أو نيتروجين كبير، فإن PREN له تطبيق محدود.
• سلوك التآكل العملي:
• 420: مقاومة متوسطة للتآكل في البيئات الخفيفة؛ عرضة للتآكل النقطي وتآكل الشقوق في الكلوريدات وللتآكل العام إذا لم يتم إنهاؤه أو حمايته بشكل صحيح.
• 431: مقاومة عامة محسنة للتآكل مقارنةً بـ 420 بسبب الكروم والنيكل الأعلى؛ يستخدم على نطاق واسع في مياه البحر وتطبيقات البتروكيماويات حيث تكون مقاومة أفضل للإجهاد الناتج عن الكلور والتآكل الناتج عن التعب مطلوبة.
• حمايات سطح غير مقاومة للصدأ (لأي من الصنفين عند الحاجة إلى حماية إضافية): يمكن أن يكون التغطية ممكنة لبعض الأشكال ولكن يمكن أن تكون محدودة للأجزاء عالية الصلابة؛ الطلاء، ومعالجات التحويل، والتغطية الكهربائية، أو معالجات التمرير تُطبق عادةً حسب الخدمة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• 420: قابلية تشغيل جيدة في الحالة المعالجة؛ تقلل الصلابة العالية بعد المعالجة الحرارية من قابلية التشغيل وعمر الأداة. قد تتوفر متغيرات كبريتية أو درجات فرعية سهلة التشغيل.
• 431: قابلية تشغيل معتدلة؛ يمكن أن تزيد المصفوفة الأكثر صلابة من قوى الأداة ولكن تنتج تشطيبًا جيدًا عند التحكم. غالبًا ما يتم التشغيل في الحالة المعالجة أو المريحة قبل التصلب.
• التشكيل والانحناء:
• كلاهما قابل للتشكيل في الحالة المعالجة؛ يتطلب سلوك الارتداد والعمل الصلب التحكم في العملية. يمكن أن يكون السحب العميق ممكنًا للأقسام الرقيقة في الحالة المعالجة.
• الطحن والتشطيب:
• يستخدم 420 في الحالة الصلبة غالبًا للشفرات وأجزاء التآكل؛ الطحن والتلميع هما عمليات إنهاء قياسية.
• ينتهي 431 بشكل جيد ويمكن تلميعه إلى سطح لامع؛ تقلل متانته الأفضل من التشقق أثناء الطحن والتشطيب العدائي.

8. التطبيقات النموذجية

420 – الاستخدامات النموذجية	431 – الاستخدامات النموذجية
أدوات المائدة والسكاكين (الشفرات حيث يكون الاحتفاظ بالحافة هو الأساس)	الطيران والمسامير عالية القوة (المسامير، المسامير)
أدوات جراحية وأدوات الأسنان (غالبًا في الحالة الصلبة)	أعمدة المضخات، مكونات الصمامات في الخدمة البتروكيماوية والبحرية
أقفاص المحامل، البوشات، أجزاء تآكل صغيرة	أعمدة، وصلات، قضبان التواء تتطلب توازنًا بين مقاومة التآكل والقوة
زخارف زخرفية، أجهزة حيث تكون مقاومة التآكل المعتدلة مقبولة	مكونات معرضة للإجهاد العالي الناتج عن التآكل (ربط بحري، مكابس هيدروليكية)

مبررات الاختيار: - اختر 420 للتطبيقات التي تعطي الأولوية لمقاومة التآكل، والاحتفاظ بالحافة، والمعالجة الحرارية البسيطة، وتكلفة المواد المنخفضة عندما يكون تآكل الخدمة محدودًا. - اختر 431 للمكونات التي يجب أن تجمع بين القوة العالية، والمتانة، ومقاومة التآكل المحسنة (خصوصًا في البيئات التي تحتوي على الكلور أو الأحمال الديناميكية) حيث تكون تكلفة المواد الإضافية مبررة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: عادةً ما يكون 420 أقل تكلفة من 431 لأنه يحتوي على القليل أو لا يحتوي على النيكل؛ النيكل هو أحد عناصر السبائك الأكثر تكلفة. يؤدي محتوى النيكل والكروم الأعلى في 431 إلى زيادة تكلفة المواد الخام.
• التوافر: كلاهما من الدرجات الصناعية الشائعة ومتاحة على نطاق واسع في أشكال القضبان، والعمود، والمسطحات، والمسامير. قد تكون الأحجام الخاصة أو التشطيبات السطحية لها أوقات تسليم أطول، وقد يكون 431 مخزونًا أقل قليلاً من 420 في الأسواق السلع.

10. الملخص والتوصية

جدول يلخص الموازنة الرئيسية:

الخاصية	420	431
قابلية اللحام	معتدلة–تحدي (كربون عالي)	أفضل (النيكل يحسن المتانة)
توازن القوة–المتانة	صلابة عالية، متانة أقل عند نفس الصلابة	متانة أفضل عند قوة مماثلة
مقاومة التآكل	معتدلة	أفضل (كروم أعلى + نيكل)
التكلفة	أقل	أعلى

اختر 420 إذا: - كانت المتطلبات الأساسية هي صلابة عالية ومقاومة للتآكل أو الاحتفاظ بالحافة بتكلفة منخفضة إلى معتدلة. - تعمل المكون في بيئة معتدلة نسبيًا أو ستحصل على طلاءات واقية. - تتم ممارسة عمليات التشغيل/الإنهاء والتصلب بشكل جيد وتكون اللحامات قليلة.

اختر 431 إذا: - كانت التطبيق يتطلب نسبة أعلى من القوة إلى المتانة، ومقاومة محسنة للتآكل (خصوصًا في البيئات التي تحتوي على الكلور)، ومقاومة أفضل للتصلب الهش والتعب. - كانت قابلية اللحام ومقاومة الصدمات مهمة ويمكن أن يستوعب ميزانية المشروع تكلفة المواد الأعلى. - ستتعرض القطعة لتحميل ديناميكي، أو تعرض لمياه البحر، أو متطلبات لمتانة كسر أعلى.

ملاحظة نهائية: تحقق دائمًا من الحدود الكيميائية والميكانيكية الدقيقة في مواصفات الشراء الخاصة بك واختر ممارسات المعالجة الحرارية (درجة حرارة الأوستنيت، وسط التبريد، دورة التخمير، وأي PWHT) لتتناسب مع متطلبات التصميم للصلابة والمتانة وأداء مقاومة التآكل.