42CrMo مقابل 40CrNiMoA – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً قرار تحديد 42CrMo أو 40CrNiMoA عند تصميم مكونات عالية القوة مثل الأعمدة والتروس والمثبتات الثقيلة. تشمل المقايضات النموذجية في هذه القرارات القوة المطلوبة مقابل المتانة، التكلفة مقابل الأداء، وقيود المعالجة الحرارية أو اللحام مقابل التوافر في أشكال المنتجات المطلوبة.

التمييز الأساسي بين هذين الصنفين هو في استراتيجية السبائك: 42CrMo هو فولاذ متوسط السبيكة من الكروم والموليبدينوم مُحسّن للصلابة والقوة العالية بعد التبريد والتقسية، بينما يحتوي 40CrNiMoA على نيكل مضاف (مع الكروم والموليبدينوم) لتحسين متانة الصدمات ومقاومة التعب بشكل كبير عند مستويات القوة المقارنة. هذه الاختلافات تؤثر على الاختيار حيث تكون اللدونة ومقاومة الكسر أو المتانة عند درجات الحرارة المنخفضة حاسمة.

1. المعايير والتسميات

• 42CrMo:
• المعايير الشائعة: EN 10250 / EN 10083-3 التسمية 42CrMo4، GB/T 3077 (42CrMo)، مقارنة على نطاق واسع مع AISI/SAE 4140 (عائلة مشابهة).
• الفئة: فولاذ متوسط السبيكة قابل للمعالجة الحرارية (ليس فولاذ مقاوم للصدأ)؛ غالبًا ما يُحدد لحالات التبريد والتقسية (QT).
• 40CrNiMoA:
• المعايير الشائعة: GB/T (صيني) الدرجة 40CrNiMoA؛ غالبًا ما يُقارن مع AISI/SAE 4340 في نية المواصفات.
• الفئة: فولاذ سبيكة من النيكل والكروم والموليبدينوم (قابل للمعالجة الحرارية)، متانة أعلى من الفولاذات البسيطة Cr–Mo.

كلاهما فولاذات سبائكية (ليس فولاذ مقاوم للصدأ) مخصصة للمكونات الهيكلية والهندسية التي تتطلب معالجة حرارية بعد التشكيل لتحقيق الخصائص الميكانيكية المستهدفة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: نطاقات التركيب النموذجية (وزن%). هذه هي نطاقات تمثيلية للدرجات التجارية وتستخدم لأغراض المقارنة؛ يجب أخذ القيم الدقيقة من شهادة المصنع المحددة أو المعيار المعمول به.

عنصر	42CrMo (نطاق نموذجي، وزن%)	40CrNiMoA (نطاق نموذجي، وزن%)
C	0.38 – 0.45	0.36 – 0.44
Mn	0.50 – 0.80	0.50 – 0.80
Si	0.15 – 0.40	0.15 – 0.40
P	≤ 0.025 (أقصى)	≤ 0.025 (أقصى)
S	≤ 0.035 (أقصى)	≤ 0.035 (أقصى)
Cr	0.90 – 1.20	0.80 – 1.20
Ni	— (أثر إلى لا شيء)	1.20 – 1.80
Mo	0.15 – 0.30	0.10 – 0.30
V	≤ 0.05 (أثر نموذجي)	≤ 0.05 (أثر نموذجي)
Nb, Ti, B, N	أثر / مُتحكم (يعتمد على صانع الفولاذ)	أثر / مُتحكم

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون يحدد الأساس للصلابة وإمكانات القوة؛ كلا الصنفين فولاذات متوسطة الكربون لتمكين القوة العالية بعد التبريد والتقسية. - الكروم والموليبدينوم يزيدان من الصلابة ومقاومة التقسية؛ كما أنهما يزيدان من القوة ومقاومة التآكل. - النيكل هو العامل الرئيسي: النيكل يُحسن المتانة، يُحسن اللدونة ويخفض درجة حرارة الانتقال من هش إلى لدن، وهو أمر حاسم لأداء الصدمات والتعب. - المنغنيز والسيليكون هما مزيلات للأكسدة ويساهمان بشكل معتدل في القوة والصلابة. - العناصر الأثرية والإضافات الدقيقة (V، Nb، Ti، B) - حيثما وجدت - تعدل حجم الحبيبات وسلوك الترسيب وغالبًا ما تُستخدم لتحسين المتانة أو القوة في أشكال المنتجات المحددة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - كما هو مُعالج: كلا الفولاذين سيظهران بنية باينيتية/لؤلؤية مُقساة مع مصفوفة حديدية حسب معدل التبريد. يعتمد حجم الحبيبات على درجة حرارة العمل الساخن والمعالجة الطبيعية. - مُبرد ومُقسى (QT): كلاهما يتطور إلى مارتنسيت مُقسى أو باينيت مُقسى حسب شدة التبريد. تتحكم درجة حرارة التقسية في التوازن بين القوة والمتانة.

آثار المعالجة الحرارية: - المعالجة الطبيعية (تبريد الهواء من الأوستنيتي) تُحسن حجم الحبيبات وتنتج بنية مجهرية موحدة قابلة للتشغيل وثابتة الأبعاد - تُستخدم عادة كحالة تزويد لقوالب التشكيل وبعض القضبان. - التبريد (زيت/ماء/متحكم) من الأوستنيتي يليه التقسية هو المسار القياسي لتحقيق القوة العالية. تحدد شدة التبريد وسمك الجزء نسبة المارتنسيت الناتجة والضغوط المتبقية. - التقسية تقلل من الصلابة وتزيد من المتانة؛ الفولاذات الحاوية على النيكل (40CrNiMoA) تحتفظ عادةً بمتانة أفضل عند درجات حرارة تقسية مكافئة لأن النيكل يُثبت المصفوفة ويقلل من ميل التقسية للهشاشة في العديد من الأنظمة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المتحكم بها والتبريد المسرع) يمكن أن تنتج هياكل باينيتية دقيقة مع توازن ممتاز بين القوة والمتانة؛ 40CrNiMoA تستفيد أكثر من المعالجة الحرارية الميكانيكية عندما تكون المتانة عند درجات الحرارة المنخفضة مطلوبة.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: الخصائص الميكانيكية النموذجية لحالات التبريد والتقسية. القيم هي نطاقات دالة للدرجات الصناعية النموذجية للتقسية والتبريد وستختلف مع المعالجة الحرارية الدقيقة وحجم المقطع.

الخاصية	42CrMo (QT، نطاق نموذجي)	40CrNiMoA (QT، نطاق نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال)	800 – 1100	850 – 1150
قوة الخضوع (ميغاباسكال)	600 – 900	650 – 950
التمدد (% A)	10 – 16	10 – 18
متانة الصدمات (شاربي V، جول)	20 – 60 (تعتمد على درجة الحرارة والتقسية)	40 – 120 (عادةً أعلى، أفضل عند درجات الحرارة المنخفضة)
الصلابة (HRC)	24 – 40 (تعتمد على التقسية)	24 – 44 (نطاق مشابه؛ يمكن أن تكون أكثر متانة عند صلابة مكافئة)

التفسير: - يمكن معالجة كلا الصنفين حراريًا لتحقيق مستويات قوة قابلة للمقارنة. عادةً ما يقدم 40CrNiMoA متانة محسنة لمتانة الصدمات ومقاومة التعب عند نفس الصلابة/القوة لأن النيكل يعزز المتانة ويقلل من درجة حرارة الانتقال من اللدن إلى الهش. - قد يكون 42CrMo أكثر اقتصادية قليلاً للأجزاء التي تكون فيها متطلبات المتانة معتدلة وحيث تكون صلابة التبريد من Cr–Mo وحده كافية. - في التطبيقات التي تتطلب متانة كسر عالية أو خدمة عند درجات حرارة منخفضة، غالبًا ما يُفضل 40CrNiMoA على الرغم من الخصائص الشد المماثلة.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني والصلابة. مؤشرين تجريبيين شائعين:

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

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

التفسير النوعي: - نظرًا لأن كلا الصنفين من الكربون المتوسط ويحتويان على Cr وMo، فإن لهما صلابة معتدلة ومخاطر غير قابلة للتجاهل لتشكيل مارتنسيت صلب في منطقة التأثير الحراري (HAZ) إذا تم لحامهما دون تسخين مسبق ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT). - النيكل في 40CrNiMoA يقلل قليلاً من تأثير المعادل الكربوني على ميل التشقق البارد ويحسن متانة HAZ، مما يمكن أن يجعل اللحام أسهل في المكونات الحرجة للخدمة - ولكن لا يزال يتطلب تسخينًا مسبقًا ودرجات حرارة متحكم بها بين الطبقات لكلا الصنفين. - بالنسبة لكلا الفولاذين، تشمل أفضل الممارسات للتجمعات الملحومة عادةً مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، تسخين مسبق مناسب (حسب السمك وCE/Pcm)، درجة حرارة متحكم بها بين الطبقات، وPWHT لتقسية مارتنسيت HAZ وتقليل الضغوط المتبقية. - استخدم صيغ $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ مع التحليل الكيميائي الفعلي لتحديد مؤهلات إجراءات اللحام بدقة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا 42CrMo ولا 40CrNiMoA فولاذات مقاومة للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل العام والمحلي في البيئات المكشوفة.
• يوفر النيكل بعض التأثير المفيد على مقاومة التآكل في بعض البيئات المائية (مثل تقليل الميل إلى الهشاشة بسبب الهيدروجين وتحسين المقاومة لبعض الأحماض المخفضة)، لكنه لا يجعل السبيكة "مقاومة للصدأ".
• لأغلب التطبيقات الهيكلية والميكانيكية، تنطبق طرق الحماية القياسية:
• التغليف بالغمس الساخن للأعمال الفولاذية الخارجية عندما تكون متوافقة مع المعالجة الحرارية بعد التسخين.
• الطلاءات السائلة أو المسحوقية (أنظمة الطلاء)، الفوسفات، أو التزييت للأجزاء التي يكون فيها التغليف غير مناسب.
• هندسة السطح (النترجة، الكربنة، التقسية بالحث) لمقاومة التآكل - لاحظ أن هذه العمليات تتفاعل مع كيمياء السبيكة الأساسية والمعالجة الحرارية.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ، ولكن عند النظر في الدرجات المقاومة للصدأ للبيئات التآكلية، يكون المؤشر هو: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ استخدم سبائك مقاومة للصدأ بدلاً من الاعتماد على محتوى النيكل في الفولاذ الكربوني/السبائكي عندما تكون مقاومة التآكل مطلبًا أساسيًا.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• التشغيل:
• في الحالة المعالجة أو الملدنة، كلاهما قابل للتشغيل باستخدام ممارسات أدوات الفولاذ السبائكي القياسية. يمكن أن يقلل النيكل في 40CrNiMoA قليلاً من قابلية التشغيل مقارنةً بالتركيبات ذات النيكل المنخفض، لكن الاختلافات معتدلة.
• بعد التبريد والتقسية، تزداد الصلابة وتنخفض قابلية التشغيل؛ الممارسة الموصى بها هي إجراء التشغيل الخشن قبل المعالجة الحرارية حيثما كان ذلك ممكنًا.
• التشكيل:
• يقتصر التشكيل البارد على محتوى الكربون؛ التشكيل الساخن والتزوير هما المساران الشائعان للأشكال المعقدة. المعالجة الطبيعية بعد التشكيل الساخن هي أمر شائع.
• وجود النيكل في 40CrNiMoA يُحسن اللدونة وقد يسمح بمسارات تشكيل أكثر عدوانية قليلاً قبل التشقق.
• إنهاء السطح:
• كلاهما يقبل الطحن، والتلميع، والتغطية. يجب أن تأخذ المعالجات السطحية لمقاومة التآكل (الكربنة، النترجة، التقسية بالحث) في الاعتبار الكيمياء الأساسية والصلابة/المتانة النهائية المقصودة.

8. التطبيقات النموذجية

42CrMo (الاستخدامات الشائعة)	40CrNiMoA (الاستخدامات الشائعة)
أعمدة، محاور، تروس، وصلات للآلات الصناعية العامة	أعمدة عالية القوة، تركيبات هبوط الطائرات، تروس عالية التحمل وعمود المرفق حيث تكون المتانة حاسمة
مكونات مزورة، مثبتات متوسطة التحمل، أسطوانات هيدروليكية	مكونات دوارة حرجة، مثبتات ثقيلة، مكونات تتعرض للصدمات أو الخدمة عند درجات حرارة منخفضة
أسس الآلات ومكونات الأدوات التي تتطلب صلابة جيدة	مكونات ميكانيكية في مجال الطيران/الدفاع أو ذات أمان عالي حيث تكون مقاومة التعب والكسر ذات أولوية

مبررات الاختيار: - اختر 42CrMo حيث تكون التكلفة والتوافر هما المحركان الرئيسيان ومتطلبات المتانة معتدلة، وحيث توفر دورات التبريد والتقسية القياسية التحمل المطلوب. - اختر 40CrNiMoA حيث تكون المتانة العالية لمقاومة الكسر، وعمر التعب، والأداء عند درجات الحرارة المنخفضة مطلوبة عند مستويات قوة قابلة للمقارنة - على سبيل المثال، الأجزاء الدوارة الحرجة للسلامة أو المكونات المعرضة لأحمال الصدمات.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: النيكل هو محرك تكلفة كبير. عادةً ما تكون تكلفة 40CrNiMoA أعلى لكل كيلوغرام من 42CrMo بسبب محتوى النيكل الأعلى وأحيانًا متطلبات المعالجة/التفتيش الأكثر صرامة.
• التوافر:
• يتم إنتاج 42CrMo على نطاق واسع وتخزينه في مجموعة كبيرة من أحجام القضبان والتزوير؛ وغالبًا ما يكون أكثر توافرًا على مستوى العالم.
• يتوفر 40CrNiMoA بشكل شائع ولكن قد يتم إنتاجه في نطاقات منتجات أضيق وفي أوقات تسليم أطول حسب المصانع الإقليمية والطلب.
• أشكال المنتجات: كلاهما يُقدم كقضبان، وتزوير، وأحيانًا أنابيب أو صفائح مدرفلة؛ حدد شهادات المصنع والمعالجات الحرارية مبكرًا في المشتريات لتجنب التأخيرات.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص:

المعيار	42CrMo	40CrNiMoA
قابلية اللحام	متوسطة (تتطلب تسخين مسبق/PWHT للأقسام السميكة)	متوسطة - أفضل متانة HAZ بسبب النيكل، لا تزال تتطلب لحامًا دقيقًا
توازن القوة والمتانة	قوة عالية؛ متانة جيدة مع التقسية المناسبة	قوة قابلة للمقارنة مع متانة تأثير متفوقة ومقاومة للتعب
التكلفة	أقل (بشكل عام أكثر اقتصادية)	أعلى (النيكل يزيد من تكلفة المادة)
التوافر	واسع	متوفر عمومًا، قد يكون أقل شيوعًا في بعض الأسواق

التوصيات النهائية: - اختر 42CrMo إذا: - كان التصميم يتطلب قوة ثابتة عالية ومقاومة للتآكل بسعر أكثر اقتصادية. - كانت المكونات متوسطة التحمل، وإجراءات اللحام قابلة للإدارة، ومتطلبات درجات الحرارة/المتانة معتدلة. - كنت بحاجة إلى توافر واسع في العديد من أحجام القضبان والتزوير.

• اختر 40CrNiMoA إذا:
• كان يجب أن تجمع المكون بين قوة عالية مع متانة تأثير متفوقة، مقاومة للكسر، أو أداء عند درجات حرارة منخفضة (على سبيل المثال، أجزاء دوارة عالية التحمل، مكونات حرجة للسلامة، أو خدمة حيث يكون عمر التعب هو الأهم).
• كانت قابلية اللحام ومتانة HAZ مهمة بشكل خاص وتبرر تكلفة المادة الإضافية.
• يمكنك استيعاب أوقات تسليم أطول محتملة أو تكلفة شراء أعلى قليلاً من أجل تحسين موثوقية الخدمة.

عند تحديد أي من الصنفين، حدد دائمًا حالة المعالجة الحرارية المطلوبة، الخصائص الميكانيكية المستهدفة، حدود الصلابة المقبولة، والشهادات المطلوبة. بالنسبة للحام، استخدم التحليل الكيميائي المقاس لحساب $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ وتحديد مؤهلات إجراءات اللحام؛ بالنسبة للتطبيقات الحساسة للتآكل، اعتبر الخيارات المقاومة للصدأ بدلاً من الاعتماد على النيكل في الفولاذ السبائكي.