420 مقابل 440A - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 420 و AISI 440A هما فولاذان مقاومان للصدأ من نوع المارتنسيت، وعادة ما يتم اعتباره حيث يتطلب توازن بين مقاومة التآكل، الصلابة، والتكلفة. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل روتيني مفاضلة: درجات منخفضة السبائك أسهل في التشكيل واللحام مقابل درجات عالية الكربون، عالية الكروم التي تحقق صلابة أكبر واحتفاظ أفضل بالحواف. تشمل سياقات القرار النموذجية تصميم أدوات المائدة والشفرات، ومكونات الصمامات والمضخات، وحلقات المحامل، والمكونات التي تتطلب مقاومة تآكل محلية.
الفرق العملي الرئيسي بين الاثنين هو المفاضلة بين الصلابة/مقاومة التآكل القابلة للتحقيق والصلابة/المرونة المحتفظ بها: تم صياغة 440A لتحقيق صلابة أعلى ومقاومة تآكل بعد المعالجة الحرارية، بينما يوفر 420 صلابة أفضل نسبياً، ومعالجة أبسط، وتحسن في قابلية اللحام والتشكيل في العديد من طرق الإنتاج. نظرًا لأن كلاهما من درجات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت، غالبًا ما يتم مقارنتهما لتطبيقات أدوات المائدة والأدوات الفولاذية المتوسطة.
1. المعايير والتسميات
- 420: يُشار إليه عادةً تحت AISI/ASTM/UNS كـ AISI 420 (UNS S42000)؛ تظهر درجات مكافئة في قوائم EN و JIS (غالبًا تحت تسميات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت). مصنف كفولاذ مقاوم للصدأ من نوع المارتنسيت.
- 440A: عضو في عائلة 440 (AISI 440A، UNS S44001)، ممثل أيضًا في معايير وطنية مختلفة. مصنف كفولاذ مقاوم للصدأ من نوع المارتنسيت.
ملخص الفئة: - 420: فولاذ مقاوم للصدأ من نوع المارتنسيت (فولاذ أدوات/فولاذ سكاكين). - 440A: فولاذ مقاوم للصدأ من نوع المارتنسيت (فولاذ أدوات/فولاذ سكاكين عالي الكربون، عالي الكروم).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوضح الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية لدرجات 420 و 440A التجارية؛ تختلف النطاقات حسب المعيار والمورد. القيم هي نسبة مئوية بالوزن.
| عنصر | 420 (نطاق نموذجي، wt%) | 440A (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.15 – 0.40 | 0.60 – 0.75 |
| 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 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | — (عادةً أثر) | — (عادةً أثر) |
| Mo | — (عادةً لا شيء) | — (عادةً لا شيء) |
| V | — (عادةً لا شيء) | — (عادةً لا شيء) |
| Nb / Ti / B / N | أثر / غير محدد | أثر / غير محدد |
كيف تؤثر السبائك على الأداء: - الكربون: المحرك الرئيسي للصلابة والصلابة المارتنسيت القابلة للتحقيق. الكربون الأعلى (440A) يمكّن من تحقيق صلابة أعلى بعد التبريد، ولكن على حساب الصلابة وقابلية اللحام. - الكروم: يوفر مقاومة للتآكل ويساهم في الصلابة من خلال تكوين الكربيدات. محتوى الكروم الأعلى في 440A يعطي سلوكًا سلبيًا أفضل في العديد من البيئات. - المنغنيز، السيليكون، العناصر الأثرية: تؤثر على إزالة الأكسدة، وسلوك الحبوب، والصلابة ولكنها ثانوية مقارنةً بـ C و Cr في هذه الدرجات.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة الملدنة، كلا الدرجتين غالبًا ما تكونان في حالة فيريتيك/بيرليتيك اعتمادًا على الكيمياء الدقيقة والمعالجة، ولكنها تكون أكثر فائدة عند تحويلها إلى مارتنسيت عبر المعالجة الحرارية. - بعد التلدين والحرق، كلاهما يشكل مارتنسيت بالإضافة إلى كربيدات الكروم. ينتج 440A كربيدات أكثر وأصعب بسبب الكربون والكروم الأعلى، مما يزيد من مقاومة التآكل. - التخمير ينتج مارتنسيت مخمر مع توزيع الكربيد واستجابة التخمير تعتمد على محتوى الكربون.
طرق المعالجة الحرارية وتأثيراتها: - التلدين: حالة ناعمة وقابلة للتشغيل للتشكيل والتشغيل (فيريت/بيرليت). - التصلب (تحويل إلى أوستنيت → حرق → تخمير): تتحكم درجة حرارة الأوستنيت ووسيلة الحرق في كمية الأوستنيت المحتفظ بها، وذوبان الكربيد، والصلابة النهائية. 440A، مع كربونه الأعلى، يحقق صلابة أعلى لجدول أوستنيت/تخمير معين ولكنه أكثر عرضة للتشقق من ضغوط الحرق. - التطبيع: يستخدم لتحسين حجم الحبوب قبل التصلب النهائي؛ مفيد للصلابة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: أقل شيوعًا مقارنة بالفولاذ الهيكلي، ولكن التشكيل المتحكم فيه والتبريد المتحكم فيه يمكن أن يحسن الخصائص من خلال التحكم في حجم الحبوب وتوزيع الكربيد.
ملاحظة عملية: يجب اختيار درجات حرارة التخمير بدقة لتحقيق توازن بين الصلابة والصلابة؛ يتطلب 440A عالي الكربون تخميرًا دقيقًا لتجنب الهشاشة مع الحفاظ على الصلابة.
4. الخصائص الميكانيكية
يوفر الجدول التالي مقارنات نوعية إلى نموذجية. تعتمد القيم الفعلية بشدة على المعالجة الحرارية وشكل المنتج.
| الخاصية | 420 (نموذجي) | 440A (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | متوسطة — تعتمد على التخمير؛ عادة أقل من 440A | أعلى — الحد الأقصى القابل للتحقيق يتجاوز 420 عند تصلب كامل |
| قوة العائد (ميغاباسكال) | متوسطة | أعلى في ظروف الصلابة العالية |
| التمدد (%) | أعلى (مرونة أفضل في الحالة المعادلة) | أقل (انخفاض المرونة عند التصلب) |
| صلابة التأثير | صلابة أفضل محتفظ بها عند صلابة مقارنة | صلابة أقل عند صلابة مقارنة؛ أكثر هشاشة عند التصلب الكامل |
| الصلابة (HRC، مخمر) | عادةً حتى ~48–52 HRC اعتمادًا على C وعملية | عادةً أعلى؛ يمكن تحقيق منتصف الخمسينات HRC مع المعالجة الحرارية الصحيحة |
التفسير: - عمومًا، يحقق 440A قوة شد أكبر وصلابة قصوى أعلى بسبب الكربون والكروم الأعلى. وهذا يعطي أداءً محسّنًا في مقاومة التآكل واحتفاظ الحواف. - يحتفظ 420 بمرونة نسبية أفضل ومقاومة تأثير عند مستويات صلابة متوسطة، مما يجعله أقل عرضة للفشل الكارثي تحت تأثير الصدمات أو الأحمال الانحنائية.
5. قابلية اللحام
تتركز اعتبارات قابلية اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت على محتوى الكربون، والصلابة، والسبائك الدقيقة.
الصيغ التنبؤية المهمة المستخدمة عادةً (تفسير نوعي هنا): - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (معامل قابلية اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - يشير ارتفاع $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ إلى ميل أكبر لمناطق التأثير الصلبة والهشة وزيادة خطر التشقق بعد اللحام. - يحتوي 420 على محتوى كربون أقل ومؤشر صلابة أقل من 440A، لذا فإن 420 عمومًا أسهل في اللحام (مع التسخين المسبق والتخمير بعد اللحام حسب الحاجة). يزيد الكربون والكروم الأعلى في 440A من خطر تشكيل مارتنسيت HAZ والتشقق، لذا يتطلب لحام 440A ضوابط صارمة: التسخين المسبق، التحكم في درجة حرارة التداخل، ممارسة الهيدروجين المنخفض، والتخمير بعد اللحام لتليين المارتنسيت الهش. - استخدام المعادن المالئة المطابقة مهم؛ في العديد من الحالات، يتم اختيار مادة مالئة ذات كربون أقل أو معدن لحام قائم على النيكل لتقليل خطر التشقق.
6. التآكل وحماية السطح
- كلا من 420 و 440A مقاومان للصدأ بفضل محتوى الكروم، ولكن مقاومتهما للتآكل متوسطة مقارنةً بالدرجات الأوستنيتية (304/316). يوفر 420 (12–14% Cr) مقاومة مقبولة في البيئات ذات التآكل الخفيف؛ بينما 440A (16–18% Cr) عادةً ما يقدم مقاومة محسنة للتآكل بسبب الكروم الأعلى والفيلم السلبي الأكثر استقرارًا في العديد من البيئات المائية.
- يمكن حساب PREN (عدد مقاومة التآكل) للسبائك المقاومة للصدأ التي تحتوي على Mo و N باستخدام: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$. بالنسبة لـ 420 و 440A، يكون Mo و N عادةً غير ذي أهمية، لذا فإن PREN له فائدة محدودة.
- الحماية غير المقاومة للصدأ: عندما تكون مقاومة التآكل الأعلى مطلوبة، فإن المعالجات السطحية (التغطية بالكهرباء، الطلاء، التغطية) والحماية الكاثودية أو الجلفنة هي خيارات للمعادلات غير المقاومة للصدأ — ولكن بالنسبة لهذه المواد المارتنسيت، فإن النهج المعتاد هو اختيار درجة فولاذ مقاوم للصدأ أكثر مقاومة للتآكل أو تطبيق الطلاءات الواقية، حيث أن الجلفنة على الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت غير شائعة للأجزاء الدقيقة.
- ملاحظة عملية: يؤثر التلميع والتخميل بشكل كبير على الأداء؛ يمكن أن يقترب 440A مع الأسطح المصقولة جيدًا والتخميل من مقاومة تآكل محلية أفضل من 420.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: في الحالة الملدنة، كلا الدرجتين قابلتان للتشغيل. 420، مع كربون أقل وأقل ترسيب للكربيد، عمومًا أسهل في التشغيل إلى الأبعاد في الحالة الملدنة. يقلل الكربون الأعلى في 440A وميول تشكيل الكربيد من قابلية التشغيل، خاصة إذا كانت في حالة صلابة.
- قابلية التشكيل والانحناء: كلاهما محدود في التشكيل البارد في حالة الصلابة. في الحالة الملدنة، يكون 420 أسهل في التشكيل. يتطلب 440A معلمات تشكيل أكثر عدوانية أو يجب أن يتم توفيره في حالة ملدنة أكثر ليونة للتشكيل.
- الطحن والتشطيب: يمكن أن يكون 440A أكثر خشونة على الأدوات بسبب جزيئات الكربيد الأكثر صلابة بعد المعالجة الحرارية؛ يمكن طحن كلاهما وتلميعهما إلى تشطيبات عالية مطلوبة لأدوات المائدة والأدوات الجراحية.
- تشطيب السطح: كلاهما يستجيب جيدًا للتلميع الميكانيكي والتلميع الكهربائي. لاحظ أن توزيع الكربيد يؤثر على جودة تلميع الحواف.
8. التطبيقات النموذجية
| 420 — الاستخدامات النموذجية | 440A — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أدوات المائدة وسكاكين المطبخ حيث تكون الصلابة ومقاومة التآكل مطلوبة بتكلفة معتدلة | أدوات المائدة وشفرات السكاكين حيث تكون احتفاظ الحواف الأفضل والصلابة الأعلى هي الأولوية |
| الأدوات الجراحية (بعض الأنواع) وأدوات الأسنان حيث تهم مقاومة التآكل وقابلية التشكيل | المحامل، مكونات الصمامات، وأجزاء التآكل التي تتطلب صلابة سطحية أعلى |
| الأعمدة، المسامير، ومكونات المضخات في بيئات ذات تآكل معتدل | مكونات تآكل صغيرة وأجهزة ذات تآكل عالي حيث يكون إعادة الطحن المتكرر مقبولًا |
| الأجهزة الزخرفية والتجهيزات | أدوات المائدة الدقيقة، الشفرات الصغيرة، نوابض الساعات (تطبيقات مختارة) |
مبررات الاختيار: - اختر 420 عندما تكون الصلابة في الخدمة، وقابلية التشكيل، وقابلية اللحام هي الأولويات وعندما تكون مقاومة التآكل المعتدلة كافية. - اختر 440A عندما تكون الصلابة الأعلى واحتفاظ الحواف هي المحركات الرئيسية للتصميم وعندما يكون محتوى الكروم الأعلى مفيدًا لمقاومة التآكل المحلية.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: عادةً ما يحتوي 420 على محتوى سبائك أقل (كروم أقل) وعادة ما يكون أقل تكلفة لكل كيلوغرام من 440A. يزيد الكروم الأعلى في 440A والتحكم الأكثر صرامة في الكربون من التكلفة قليلاً.
- التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في القضبان، والألواح، والشريط، والأسلاك من الموردين المقاومين للصدأ؛ يتم تخزين 420 عادةً لأدوات المائدة والأجهزة، بينما 440A هو فولاذ مقاوم للصدأ قياسي للأدوات/المحامل ومتوافر أيضًا بشكل شائع. قد تكون أشكال المنتجات المحددة (شريط رقيق مصقول إلى تشطيب أدوات المائدة، قضبان دقيقة، أو طرق خاصة) لها أوقات تسليم تختلف حسب المورد.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي):
| الخاصية | 420 | 440A |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (كربون أقل، صلابة أقل) | أقل (كربون أعلى، تسخين مسبق/تخمير بعد اللحام غالبًا مطلوب) |
| توازن القوة–الصلابة | صلابة أفضل عند صلابة مقارنة؛ قوة متوسطة | صلابة وقوة قصوى أعلى؛ صلابة أقل عند التصلب |
| التكلفة | أقل | أعلى |
| مقاومة التآكل | متوسطة (12–14% Cr) | مقاومة تآكل محلية أفضل (16–18% Cr) |
| قابلية التشغيل (ملدن) | جيدة | متوسطة إلى أقل (بسبب تشكيل الكربيد) |
اختتم بتوصيات مباشرة: - اختر 420 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ من نوع المارتنسيت أسهل في التشكيل واللحام، ويقدم توازنًا جيدًا بين الصلابة ومقاومة التآكل بتكلفة أقل، أو عندما ستتعرض الأجزاء لضغوط تأثير أو انحناء (على سبيل المثال: أدوات المائدة العامة، أعمدة متوسطة، مسامير، وأدوات جراحية حيث لا تكون صلابة الحواف القصوى مطلوبة). - اختر 440A إذا كانت تصميمك يفضل صلابة أعلى، واحتفاظ الحواف، ومقاومة التآكل مع مقاومة تآكل محلية محسنة (على سبيل المثال: سكاكين حيث تكون مدة حياة الحافة حرجة، مكونات محامل صغيرة، أو أجزاء تآكل)، ويمكنك قبول الحاجة إلى ضوابط أكثر صرامة في المعالجة الحرارية، وانخفاض الصلابة، وإجراءات لحام أكثر تحكمًا.
إرشادات عملية نهائية: - حدد دائمًا حالة المعالجة الحرارية المطلوبة والصلابة في مستندات الشراء. قم بتقييم تدفق التصنيع بالكامل (التشكيل، اللحام، المعالجة الحرارية، التشطيب) قبل اختيار الدرجة. عند الشك بشأن أحمال الصدمات أثناء الخدمة أو متطلبات اللحام، يفضل الدرجة ذات المرونة الأكبر (420) أو استشارة خبير المعادن للحصول على كيمياء/معالجة معدلة لتلبية المتطلبات المتنافسة.