431 مقابل 440C - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
AISI/SAE 431 و 440C هما نوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي المستخدم على نطاق واسع، ويتنافسان عادةً على التطبيقات التي تتطلب توازنًا بين القوة ومقاومة التآكل وأداء مقاومة الصدأ. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع معضلة اختيار الأولويات بين الصلابة العالية ومقاومة التآكل مقابل توازن أفضل بين المتانة ومقاومة الصدأ بتكلفة معقولة. تشمل سياقات القرار النموذجية المحامل ومكونات الصمامات والبراغي والمحاور وتطبيقات السكاكين أو الأدوات حيث تحدد طريقة المعالجة الحرارية والتشطيب السطحي والبيئة الخيار الأمثل.
التمييز الرئيسي بين هذين الصنفين هو استراتيجيات السبائك: أحدهما مصمم لتقديم صلابة عالية جدًا ومقاومة للتآكل من خلال زيادة الكربون والكروم (440C)، بينما يضحي الآخر ببعض الصلابة القصوى لتحقيق متانة محسنة ومقاومة مرتفعة للصدأ من خلال إضافة سبائك إضافية (431). هذه المقايضة تؤدي إلى اختلافات في استجابة المعالجة الحرارية، وقابلية التشغيل، وقابلية اللحام، والاستخدامات النموذجية.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والتسميات الدولية الشائعة:
- AISI/SAE: 431، 440C
- ASTM/ASME: تشير مواصفات ASTM المختلفة إلى هذه السبائك في المنتجات المصنوعة من القضبان أو الأسلاك أو المنتجات المسحوبة (استشر معايير المنتجات المحددة من ASTM)
- EN: المعادلات الأقرب أحيانًا مرتبطة بفئات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي (تحقق من أوراق بيانات الشركات المصنعة)
-
JIS/GB: المعايير اليابانية والصينية تحتوي على درجات مارتنسيتي مماثلة؛ استشر جداول التحويل عند الحاجة إلى معادلات دقيقة.
-
التصنيف:
- 431: فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي (سبيكة مقاومة للصدأ تحتوي على كميات متوسطة إلى عالية من الكروم، مع إضافات صغيرة من النيكل والموليبدينوم) — يستخدم حيث تكون القوة العالية ومقاومة الصدأ أفضل من الفولاذ الكربوني العادي.
- 440C: فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي عالي الكربون / فولاذ أدوات — مُحسّن للصلابة ومقاومة التآكل؛ يعتبر فولاذ أدوات مقاوم للصدأ.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
فيما يلي جدول تركيبي مختصر يوضح النطاقات الاسمية النموذجية التي تم مواجهتها في بيانات الموردين والمواصفات الشائعة. هذه النطاقات تقريبية — تحقق دائمًا من الشهادة الخاصة بالمطحنة أو المعيار المشار إليه لشكل المنتج المقصود.
| عنصر | 431 النموذجي (تقريبًا wt%) | 440C النموذجي (تقريبًا wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.15–0.25 (منخفض–متوسط) | 0.95–1.20 (مرتفع) |
| Mn | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.03–0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 15.0–17.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 1.25–2.5 | ≤ 1.0 (عادةً منخفض) |
| Mo | 0.2–0.6 | ≤ 0.75 (غالبًا منخفض/غير موجود) |
| V | أثر | أثر |
| Nb/Ti/B | أثر / غير مهم | أثر / غير مهم |
| N | أثر | أثر |
كيف تؤثر السبائك على السلوك: - الكربون: الفرق المحدد — الكربون العالي في 440C ينتج عنه نسبة حجم أعلى من المارتنسيت مع الكربيدات، مما يمكّن من تحقيق صلابة ومقاومة تآكل أعلى بكثير بعد التبريد/التقسية. الكربون المنخفض في 431 يخفف من الصلابة القصوى للحفاظ على المتانة. - الكروم: كلا الصنفين هما فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي مع كميات متقاربة من الكروم للتمرير؛ بالاشتراك مع الكربون، يؤثر الكروم على تشكيل الكربيدات وقابلية التصلب. - النيكل والموليبدينوم: موجودان في 431 لتعزيز مقاومة الصدأ والمتانة؛ عادةً ما يتجنب 440C كميات كبيرة من النيكل والموليبدينوم لصالح الكروم الذي يشكل الكربيدات والكربون العالي لمقاومة التآكل. - مكون الكربيد (الكروم، الفاناديوم): يعزز الكربيدات الصلبة في 440C، مما يحسن مقاومة التآكل ولكنه يقلل من المتانة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنى المجهرية النموذجية:
- 431: مصفوفة مارتنسيتي تحتوي على عدد قليل نسبيًا من الكربيدات الكبيرة. عند المعالجة بشكل صحيح، والتبريد والتقسية، يوفر 431 مارتنسيت مقسى مع متانة جيدة وكمية معتدلة من الكربيدات الدقيقة. يستجيب بشكل جيد للتقسية لتحقيق توازن بين القوة والليونة.
-
440C: مصفوفة مارتنسيتي مليئة بشكل كثيف بالكربيدات الغنية بالكروم (M23C6 وأنواع مشابهة) بسبب الكربون والكروم العاليين. بعد التصلب، تحتوي البنية المجهرية على نسبة حجم عالية من الكربيدات الصلبة المدمجة في المارتنسيت، مما ينتج عنه صلابة عالية ومقاومة تآكل ولكن مع متانة أقل عند الصدمات.
-
حساسية المعالجة الحرارية:
- تتحكم درجة حرارة الأوستنيتيز والوقت في ذوبان الكربيد. يتطلب 440C تحكمًا دقيقًا في الأوستنيتيز لتجنب نمو الحبيبات المفرط أو الأوستنيت المحتفظ به. يتبع ذلك التبريد لتشكيل المارتنسيت الصلب يليه التقسية عند درجات حرارة منخفضة إلى متوسطة لتحقيق الصلابة المستهدفة؛ ومع ذلك، فإن الإفراط في التقسية يقلل من الصلابة بشكل كبير.
- يمكن لـ 431 تحمل نافذة تقسية أوسع، مما يمكّن من التقسية عند درجات حرارة أعلى لتبادل القوة بالمتانة حسب الحاجة.
- يمكن أن تعمل المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المنضبطة، التبريد المنضبط) على تحسين حجم حبيبات الأوستنيت السابقة وتحسين المتانة لكلا الصنفين، ولكن الكربون العالي في 440C يحد من درجة تحسين الليونة الممكن تحقيقها.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص بشكل كبير على المعالجة الحرارية. السلوك المقارن النموذجي (نطاقات نوعية وإرشادية):
| الخاصية | 431 (نموذجي بعد المعالجة الحرارية) | 440C (نموذجي بعد المعالجة الحرارية) |
|---|---|---|
| قوة الشد | عالية (متوسطة–عالية جدًا، تعتمد على التقسية) | عالية جدًا (أعلى من 431 عند صلابة مماثلة) |
| قوة الخضوع | متوسطة إلى عالية | عالية |
| التمدد / الليونة | أعلى (تمدد أفضل) | أقل (هشة عند الصلابة العالية) |
| متانة الصدمات | أفضل (متانة أعلى) | أقل (متانة منخفضة عند الصلابة العالية) |
| الصلابة (HRC) | ~38–52 (تعتمد على التقسية) | ~56–64 (الصلابة القصوى الممكن تحقيقها) |
التفسير: - تحقق 440C صلابة قصوى ومقاومة تآكل متفوقة بسبب كربونها العالي وكثافة الكربيدات. وهذا أيضًا يؤدي إلى قوة شد أعلى في الحالة المتصلبة ولكن على حساب الليونة ومتانة الصدمات. - تقدم 431 توازنًا أفضل بين القوة والمتانة ومقاومة محسنة للتشقق في الخدمة الديناميكية أو المحملة بالتعب مقارنةً بـ 440C المتصلب بالكامل.
5. قابلية اللحام
تتأثر قابلية اللحام بمعامل الكربون، وقابلية التصلب، والسبائك الدقيقة.
مؤشرات مفيدة: - معامل الكربون لمعهد اللحام الدولي: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - صيغة Pcm الشائعة لمخاطر 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: - 440C: يؤدي الكربون العالي إلى قيم مرتفعة من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ — مما يزيد من خطر تشكيل المارتنسيت، والتشقق، والتشقق البارد المدعوم بالهيدروجين في منطقة التأثير الحراري. عادةً ما تتطلب المعالجة الحرارية، والمعالجة الحرارية بعد اللحام، وإجراءات منخفضة الهيدروجين؛ بشكل عام، يُنصح بتجنب اللحام للأجزاء التي تتطلب صلابة كاملة ما لم يتم تطبيق معالجة حرارية كبيرة بعد اللحام. - 431: الكربون المنخفض ووجود النيكل/الموليبدينوم يخفف من قابلية التصلب ويقلل من قابلية التشقق مقارنةً بـ 440C. ومع ذلك، لا تزال ليست قابلة للحام مثل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي منخفض الكربون؛ يُوصى بالتسخين المسبق والتبريد المنضبط، وقد تكون التقسية بعد اللحام ضرورية حسب التطبيق.
6. مقاومة الصدأ وحماية السطح
- السلوك المقاوم للصدأ:
- كلا الصنفين هما فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي ويمكن أن يشكلا أفلامًا سلبية بسبب الكروم. ومع ذلك، تعتمد مقاومة الصدأ على البنية المجهرية، وترسيب الكربيدات، وإضافات السبائك.
- تمنح إضافات النيكل والموليبدينوم في 431 مقاومة أفضل للصدأ في العديد من البيئات مقارنةً بـ 440C، خاصةً عندما يكون الكروم في 440C مرتبطًا بالكربيدات.
- استخدام PREN:
- يستخدم PREN عادةً للدرجات الأوستنيتية/الفريتية؛ وهو أقل معنى للسبائك المارتنسيتي، والسبائك منخفضة النيتروجين. ومع ذلك، فإن الصيغة هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- بالنسبة لهذه الدرجات، يكون النيتروجين عادةً منخفضًا، ولن تلتقط حسابات PREN الظواهر الخاصة بالمارتنسيت (مثل ترسيب الكربيدات).
- حماية السطح للبيئات غير المثالية:
- غالبًا ما يتطلب 440C حماية سطحية إضافية أو تمرير، خاصةً إذا تم استخدامه في بيئات تحتوي على كلوريد أو رطوبة؛ يجب النظر في الطلاء، والتمرير، والتغطيات، أو تخصيص مقاومة التآكل.
- عندما تكون مقاومة الصدأ العالية مطلوبة، يجب النظر في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أو عائلات الدوبلكس بدلاً من الدرجات المارتنسيتي.
7. التصنيع، وقابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- 440C: أصعب في التشغيل في الحالة الملدنة (بسبب محتوى الكربيد العالي) ويصبح أكثر صعوبة بعد التصلب. الطحن شائع للتشطيب؛ تآكل الأدوات أكبر. استخدام أدوات الكربيد وسرعات القطع المناسبة هو المعيار.
- 431: قابلية تشغيل أفضل من 440C، خاصةً في الظروف الملدنة أو المقلصة. عمر الأدوات ومعلمات القطع أكثر تسامحًا.
- قابلية التشكيل:
- يمتلك 440C قابلية تشكيل باردة محدودة؛ عادةً ما يتم تشكيله في الحالة الملدنة أو عن طريق التشغيل.
- 431 أكثر قابلية للتشكيل في الحالة الملدنة؛ يمكن تشكيله ثم معالجته حراريًا.
- التشطيب:
- يمكن لكلا الصنفين قبول التشطيبات المصقولة؛ يمكن أن تحقق 440C لمعانًا عاليًا لأسطح المحامل/السكاكين بسبب الكربيدات الصلبة التي تساعد في مقاومة التآكل، ولكن التلميع يستغرق وقتًا أطول.
8. التطبيقات النموذجية
| 431 — الاستخدامات النموذجية | 440C — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| محاور، براغي، أعمدة صمامات، مكونات مضخات حيث تكون مقاومة الصدأ المتوسطة والمتانة الجيدة مطلوبة | محامل، مقاعد كروية، حلقات تآكل، حواف قطع، سكاكين عالية التآكل، محامل صغيرة |
| مكونات السيارات والطيران حيث يتم تحقيق توازن بين القوة ومقاومة الصدأ | أدوات عالية التآكل، شفرات جراحية (عندما تكون قابلة للتعقيم وتكون الصلابة العالية مطلوبة)، محامل دقيقة |
| مكونات بحرية مع استراتيجيات حماية متوسطة ضد الصدأ | سكاكين، شفرات حلاقة، أدوات جراحية تتطلب احتفاظًا عاليًا بالحافة |
مبررات الاختيار: - عند وجود تحميل دوري، أو تأثير، أو تعرض معتدل للتآكل، غالبًا ما يتم اختيار 431 بسبب متانته وتوازنه في مقاومة الصدأ. - حيث تهيمن مقاومة التآكل، واحتفاظ الحواف، والصلابة العالية على متطلبات التصميم، فإن 440C هو الخيار المفضل على الرغم من صعوبة المعالجة وانخفاض المتانة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة:
- يميل 440C إلى أن يكون أكثر تكلفة في الأشكال النهائية المتصلبة/المطحونة بسبب محتوى السبائك الأعلى، ومتطلبات المعالجة الحرارية والطحن الأكثر دقة، وزيادة تآكل الأدوات في التشغيل.
- عادةً ما تكون تكلفة إنتاج 431 أقل، خاصةً عندما تتجنب طرق الإنتاج التصلب الكامل وتحتاج فقط إلى تقسية معتدلة.
- التوافر:
- كلا الصنفين متاحان على نطاق واسع في أشكال القضبان، والألواح، والأسلاك من موردي الفولاذ المقاوم للصدأ والأدوات المتخصصة. 440C في محامل صغيرة وقطع سكاكين شائعة جدًا؛ 431 شائع للقضبان والمكونات المطروقة.
- اعتبارات الشكل:
- يمكن أن يتم تزويد الأجزاء النهائية المتصلبة في 440C مصقولة ومطحونة — هذه الأشكال ذات القيمة المضافة تزيد من التكلفة ووقت التسليم.
- الأجزاء الكبيرة أو المكونات ذات الجدران السميكة في 440C أقل شيوعًا بسبب التحديات في تحقيق خصائص موحدة؛ 431 أكثر قابلية للتكيف مع مقاطع عرضية أكبر.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي):
| الخاصية | 431 | 440C |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (متوسطة) | أقل (خطر تشقق مرتفع) |
| توازن القوة–المتانة | توازن جيد (أكثر متانة) | قوة وصلابة عالية ولكن متانة أقل |
| التكلفة | متوسطة | أعلى (تكاليف المعالجة/الأدوات) |
| مقاومة الصدأ | أفضل في فئة المارتنسيت | قدرة سلبية جيدة ولكن تقللها الكربيدات |
| مقاومة التآكل / الصلابة | متوسطة | ممتازة (صلابة قصوى) |
الخلاصة — اختر بناءً على الأولويات الوظيفية: - اختر 431 إذا كنت بحاجة إلى سبيكة متوازنة تقدم متانة أفضل، ومقاومة محسنة للصدأ في العديد من بيئات الخدمة، وسهولة في التصنيع/اللحام — لمحاور دوارة، ومكونات صمامات، وبراغي، وأجزاء تتعرض للصدمات أو التعب. - اختر 440C إذا كانت الصلابة القصوى، ومقاومة التآكل، واحتفاظ الحواف هي المحركات الرئيسية ويمكنك إدارة الطلاء، والتشطيب، ومتطلبات المعالجة الحرارية واللحام الأكثر صرامة — للمحامل، وحواف القطع، ومكونات التآكل، وأدوات الدقة.
ملاحظة نهائية: تتطلب كلا السبيكتين مطابقة دقيقة للمعالجة الحرارية، والمعالجة بعد المعالجة، وإعداد السطح لتحقيق التركيبة المقصودة من الخصائص الميكانيكية وأداء مقاومة الصدأ. استشر دائمًا شهادات المطحنة، وأوراق بيانات الموردين، وقم بإجراء اختبارات محددة للتطبيق (التعب، والتآكل) قبل الاختيار النهائي.