4Cr13 مقابل 9Cr18 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

4Cr13 و 9Cr18 هما درجتان من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي المستخدمتان على نطاق واسع في الممارسات الصينية والدولية. يواجه المهندسون والمحترفون في الشراء عادةً معضلة اختيار بينهما: موازنة مقاومة التآكل والاحتفاظ بالحواف (الفولاذ عالي الكربون وعالي الكروم) مقابل التكلفة والصلابة وسهولة التصنيع (الفولاذ المارتنسيتي منخفض الكربون). تشمل سياقات القرار النموذجية مكونات السكاكين والأدوات، وأجزاء الصمامات والمضخات، ومكونات التآكل للمعدات الصناعية، والتطبيقات التي تتطلب مقاومة تآكل محكومة مع أسطح صلبة.

الفرق الفني الرئيسي هو أن 9Cr18 هو فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي عالي الكربون وعالي الكروم تم تحسينه للصلابة ومقاومة التآكل، بينما 4Cr13 هو فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي منخفض الكربون يتداول بعض مقاومة التآكل من أجل تحسين الصلابة وقابلية اللحام وتكلفة المواد المنخفضة. تدفع هذه الخصائص المقارنة الشائعة في التصميم والتصنيع، خاصة حيث تتعارض مقاومة التآكل السطحية واحتفاظ الحواف مع متطلبات التشكيل والانضمام والتأثير.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة والمعادلات المشار إليها في التجارة الدولية ووثائق الهندسة:
• GB/T (الصين): 4Cr13، 9Cr18 (تسميات الدرجات الصينية)
• JIS/AISI/SAE: غالبًا ما يعتبر 4Cr13 مشابهًا لعائلة AISI 420/420J2؛ وغالبًا ما يتم مقارنة 9Cr18 بـ AISI 440C/9Cr (الفولاذ المارتنسيتي عالي الكربون) من حيث الوظيفة على الرغم من اختلاف التركيب الدقيق حسب المعيار.
• EN/ASTM: لا يوجد اسم EN أو ASTM مباشر يتناسب تمامًا؛ يتم التعامل مع المعادلة عادةً من خلال مطابقة المتطلبات الكيميائية والميكانيكية بدلاً من التسمية الدقيقة.
• التصنيف:
• 4Cr13: فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي (أداة فولاذية مقاومة للصدأ/هيكلية مارتنسيتي)
• 9Cr18: فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي عالي الكربون (أداة فولاذية مقاومة للصدأ/مارتنسيتي مقاوم للتآكل)

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوضح الجدول التالي نطاقات التركيب الاسمي النموذجية المستخدمة في أوراق المواصفات وبيانات الموردين لهذه الدرجات. القيم توضيحية وستختلف حسب المعيار أو المورد الدقيق؛ تحقق من مواصفات الشراء للحدود الحساسة للعقد.

العنصر	النطاق النموذجي — 4Cr13 (اسمي)	النطاق النموذجي — 9Cr18 (اسمي)
C	0.30–0.45 wt%	0.80–1.05 wt%
Mn	≤ 1.0–1.2 wt%	≤ 1.0 wt%
Si	≤ 1.0 wt%	≤ 1.0 wt%
P	≤ 0.03–0.04 wt%	≤ 0.03–0.04 wt%
S	≤ 0.03 wt%	≤ 0.03 wt%
Cr	12–14 wt%	17–19 wt%
Ni	عادةً آثار	عادةً آثار
Mo	عادةً آثار/لا شيء	عادةً آثار/لا شيء
V، Nb، Ti، B، N	عادةً لا يتم سبكها عمدًا؛ قد توجد بقايا صغيرة	عادةً لا يتم سبكها عمدًا؛ قد توجد بقايا صغيرة

استراتيجية السبائك والآثار: - الكربون: العنصر الأساسي للصلابة وتشكيل المارتنسيت. يزيد الكربون العالي في 9Cr18 من الصلابة القابلة للتحقيق، ومقاومة التآكل، ونسبة حجم الكربيد؛ كما يزيد من القابلية للسلوك الهش وتصدع اللحام دون التحكم الدقيق. - الكروم: يوفر مقاومة للتآكل ويساهم في الصلابة. يزيد محتوى الكروم العالي في 9Cr18 من مقاومة التآكل العامة مقارنةً بـ 4Cr13 ويدعم تشكيل كربيدات غنية بالكروم أكثر صلابة، مما يعزز مقاومة التآكل. - المنغنيز والسيليكون: مزيلات الأكسدة ومثبتات الأوستينيت بكميات صغيرة؛ يزيد المنغنيز العالي من الصلابة بشكل معتدل. - عناصر الشوائب (P، S): تُحافظ على انخفاضها للحفاظ على الصلابة وتجنب الهشاشة؛ قد يتم زيادة S عمدًا قليلاً في المتغيرات سهلة التشغيل، لكن 4Cr13/9Cr18 النموذجية ليست من الأنواع عالية الكبريت.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية لكلتا الدرجتين هي مارتنسيتي بعد الأوستينيت والتبريد المناسب، لكن توزيع الكربيد ومحتوى الكربون في المصفوفة يختلفان بشكل كبير.

• 4Cr13:
• بعد معالجة المحلول والتبريد، تكون المصفوفة مارتنسيتي بشكل أساسي مع حجم كربيد محتفظ به منخفض نسبيًا. الكربيدات عادةً أصغر وأكثر تشتتًا بسبب انخفاض محتوى الكربون.
• يقلل التخمير من الهشاشة وينتج مارتنسيت مخفف؛ الصلابة القابلة للتحقيق معتدلة ويمكن تخصيصها لتحقيق توازن بين الصلابة والقوة.

• يوفر التطبيع بنية أكثر تجانسًا للتشغيل أو التشطيب اللاحق.

• 9Cr18:

• بعد الأوستينيت والتبريد، يكون المارتنسيت مع نسبة أعلى من كربيدات الكروم (M23C6 وكربيدات غنية بالكروم الأخرى) نموذجياً بسبب الكربون العالي والكروم العالي. تزيد شبكات الكربيد أو الجسيمات الأكبر من مقاومة التآكل ولكن تقلل من الصلابة.
• يقلل التخمير من الضغوط الداخلية ويعدل الصلابة ولكن التخمير الزائد قد يلين الكربيدات ويقلل من مقاومة التآكل.
• يتطلب تحقيق الخصائص المثلى تحكمًا أكثر دقة في درجة حرارة الأوستينيت والوقت للتحكم في ذوبان الكربيد وتوزيعه.

آثار المعالجة: - يعتبر التطبيع/تحسين حجم الحبيبات مفيدًا لكلتا الدرجتين قبل المعالجة الحرارية النهائية. - تؤثر وسائط التبريد، وسمك القسم، ودرجة حرارة الأوستينيت بشكل كبير على الأوستينيت المحتفظ به والصلابة - وهو أمر حاسم بشكل خاص في 9Cr18 بسبب الصلابة العالية. - تُستخدم المعالجات الكريوجينية أحيانًا في الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي عالي الكربون (مثل نظائر 9Cr18) لتقليل الأوستينيت المحتفظ به واستقرار الصلابة.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية المبلغ عنها بشكل كبير على المعالجة الحرارية، ودرجة حرارة التخمير، وشكل المنتج. يقدم الجدول التالي نطاقات توضيحية للحالات المعالجة حراريًا المحددة عادةً (مبردة ومخمرة). القيم توضيحية؛ حدد متطلبات الخصائص الدقيقة بعد المعالجة الحرارية في وثائق الشراء.

الخاصية	4Cr13 — نموذجية (مبردة ومخمرة)	9Cr18 — نموذجية (مبردة ومخمرة)
قوة الشد (ميغاباسكال)	~600–1200 ميغاباسكال (تعتمد على الحالة)	~800–1600 ميغاباسكال (تعتمد على الحالة)
قوة العائد (0.2% انزلاق، ميغاباسكال)	~400–900 ميغاباسكال	~600–1400 ميغاباسكال
التمدد (%)	~8–20%	~5–15%
صلابة التأثير (جول، مشقوق)	معتدلة؛ أعلى من 9Cr18 لصلابة مماثلة	أقل، خاصة عند مستويات الصلابة العالية
الصلابة (HRC)	~40–56 HRC (تعتمد على التخمير)	~55–64 HRC (صلابة قابلة للتحقيق أعلى)

التفسير: - القوة والصلابة: يمكن تقوية 9Cr18 إلى مستويات أعلى من الصلابة والشد بسبب كربيد الكروم العالي؛ وبالتالي فهو متفوق لمكونات مقاومة التآكل. - الصلابة والمرونة: يوفر 4Cr13 عادةً صلابة وتمدداً أفضل عند مستوى صلابة معين بسبب انخفاض الكربون ومحتوى الكربيد المنخفض. - المقايضة هي كلاسيكية: 9Cr18 يفضل مقاومة التآكل/احتفاظ الحواف؛ 4Cr13 يفضل الصلابة وسهولة المعالجة اللاحقة.

5. قابلية اللحام

تتحكم قابلية اللحام في المعادلة الكربونية ومحتوى السبائك الذي يعزز الصلابة وتشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري (HAZ). التعبيرات التنبؤية المستخدمة بشكل شائع هي:

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

و

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

التفسير النوعي: - يؤدي الكربون العالي في 9Cr18 والكروم المرتفع إلى معادلة كربونية أعلى و $P_{cm}$، مما يشير إلى ميل أعلى للتصدع البارد، ومنطقة تأثير حراري مارتنسيتي صلب، والحاجة إلى تسخين مسبق، والتحكم في درجة حرارة التداخل، والمعالجة الحرارية بعد اللحام لتخمير مارتنسيت HAZ. - 4Cr13، مع كربون أقل، يظهر عادةً CE أقل وقابلية لحام أفضل؛ ومع ذلك، لا يزال فولاذًا مقاومًا للصدأ مارتنسيتي وقد يتطلب تسخينًا مسبقًا وتخميرًا بعد اللحام في الأقسام السميكة لتجنب تصدع HAZ. يُنصح باستخدام أقطاب منخفضة الهيدروجين والتحكم في إدخال الحرارة لكلتا الدرجتين.

6. مقاومة التآكل وحماية السطح

• يتم تصنيف كل من 4Cr13 و 9Cr18 كفولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي ويحصلان على مقاومتهما للتآكل بشكل أساسي من محتوى الكروم. إنهما ليسا مقاومين للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستينيتي (مثل 304/316) أو الدرجات المزدوجة في البيئات الغنية بالكلور أو المؤكسدة بشدة.
• يستخدم PREN (رقم مقاومة التآكل المحلي) غالبًا لمقارنة مقاومة التآكل المحلية:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• بالنسبة لهذه الدرجات، عادةً ما تكون Mo و N غائبة أو منخفضة، لذا فإن PREN مدفوع بشكل أساسي بواسطة Cr. ينتج عن محتوى الكروم الأعلى في 9Cr18 عادةً PREN أعلى من 4Cr13، مما يعني مقاومة أفضل قليلاً للتآكل في البيئات المحايدة إلى المسببة للتآكل بشكل معتدل. ومع ذلك، لم يتم تصميم أي من الدرجتين للخدمة البحرية الشديدة أو الكلورية دون حماية السطح.
• عندما تكون مقاومة التآكل غير كافية، تنطبق حماية السطح التقليدية:
• التمرير (حمض النيتريك أو حمض الستريك) لاستعادة الفيلم الساكن بعد التشغيل.
• الطلاءات مثل الطلاء الكهربائي أو PVD للأسطح المنزلقة/المقاومة للتآكل، أو الطلاءات الواقية، حيثما كان ذلك مناسبًا.
• عادةً لا يتم تطبيق الجلفنة على الركائز المقاومة للصدأ لتحسين مقاومة التآكل وقد لا ترتبط بشكل جيد؛ يُفضل إنهاء السطح والتمرير.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• عادةً ما يكون 4Cr13 أسهل في التشغيل من 9Cr18 بسبب انخفاض الصلابة في الظروف المعالجة/المطابقة وانخفاض محتوى الكربيد. قد تتوفر متغيرات سهلة التشغيل، لكن 4Cr13 القياسية ليست سبيكة سهلة التشغيل.
• يزيد 9Cr18، مع كربون أعلى وكربيدات صلبة، من تآكل الأدوات وقد يتطلب أدوات كربيد، وتغذية أبطأ، واستراتيجيات تشكيل رقائق محكومة.
• قابلية التشكيل:
• كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي ولهما قابلية تشكيل باردة محدودة في الظروف الصلبة. يكون التشكيل أسهل في الظروف المعالجة أو المطابقة قبل التبريد النهائي والتخمير.
• إنهاء السطح:
• التلميع والطحن شائعان لكلتا الدرجتين؛ غالبًا ما يتطلب 9Cr18 مواد كاشطة أكثر عدوانية واعتبارات لعمر الأداة.

8. التطبيقات النموذجية

4Cr13 — الاستخدامات الشائعة	9Cr18 — الاستخدامات الشائعة
شفرات السكاكين حيث تتطلب صلابة جيدة ومقاومة تآكل معقولة (شفرات منخفضة التكلفة، سكاكين متعددة الاستخدامات)	شفرات السكاكين وأدوات المائدة التي تتطلب احتفاظًا أعلى بالحواف ومقاومة للتآكل (شفرات احتفاظ بالحواف الممتازة)
مكونات الصمامات، أعمدة المضخات، والأجهزة التي تتطلب مقاومة تآكل معتدلة مع صلابة جيدة	مكونات المحامل وأجزاء التآكل حيث تتطلب صلابة عالية ومقاومة للتآكل
أجزاء صلبة للاستخدام العام (وصلات، مكونات هيكلية صغيرة)	أدوات طبية وجراحية (محدودة لبعض الأدوات حيث تكون الصلابة العالية مطلوبة ويتم تطبيق التمرير السطحي)
مكونات زخرفية وهندسية حيث تكون معالجة ما بعد العملية واللحام مطلوبة	أدوات للعمل البارد ومكونات أدوات صغيرة ذات متطلبات تآكل عالية

مبررات الاختيار: - اختر 4Cr13 للأجزاء التي تتطلب مزيجًا من الصلابة، ومقاومة تآكل معقولة وتكلفة أقل، أو حيث يكون اللحام والتشكيل متكررين. - اختر 9Cr18 للأجزاء التي تعطي الأولوية للصلابة، ومقاومة التآكل، واحتفاظ الحواف، مع قبول زيادة تكلفة التشغيل ومراقبة أكثر صرامة للمعالجة الحرارية/اللحام.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة:
• عادةً ما يكون 9Cr18 أكثر تكلفة على أساس الكيلوغرام مقارنةً بـ 4Cr13 بسبب محتوى الكروم والكربون الأعلى والمعالجة الحرارية الأكثر تطلبًا لتحقيق صلابة عالية.
• تكاليف المعالجة (التصلب، الطحن، تآكل الأدوات) لـ 9Cr18 أيضًا أعلى.
• التوافر:
• كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في أشكال المنتجات الشائعة (بار، ورقة، شريط، لوحة، سبائك)، لكن الأحجام المحددة، والتشطيبات السطحية، وقطع البار المعالجة حراريًا ذات التحمل الضيق قد تكون أقل شيوعًا لـ 9Cr18 وتخزن أكثر في الموردين المتخصصين.
• لعمليات الشراء عالية الحجم، تكون متغيرات 4Cr13 عمومًا أسهل في الحصول عليها من عدة مصانع؛ قد يتطلب 9Cr18 العمل مع موردي فولاذ الأدوات المقاوم للصدأ المتخصصين لبعض أشكال المنتجات.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

السمة	4Cr13	9Cr18
قابلية اللحام	جيدة إلى معتدلة؛ خطر أقل من 9Cr18	معتدلة إلى ضعيفة؛ احتياجات تسخين مسبق أعلى وPWHT
توازن القوة والصلابة	قوة معتدلة؛ صلابة ومرونة أفضل	قوة وصلابة أعلى؛ صلابة مخفضة
التكلفة	تكلفة مواد ومعالجة أقل	تكلفة مواد ومعالجة أعلى

التوصيات: - اختر 4Cr13 إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي مقاوم للتآكل بشكل معقول مع صلابة محسنة وتكلفة إجمالية أقل. - كان اللحام، أو التشكيل، أو العمل بعد التصنيع متكررًا أو حاسمًا. - كانت حالة الخدمة تشمل تحميل تأثير معتدل أو حيث سيكون الفشل الهش الكارثي غير مقبول.

• اختر 9Cr18 إذا:
• كانت الصلابة العالية، ومقاومة التآكل، واحتفاظ الحواف هي المحركات الرئيسية للتصميم.
• كنت تستطيع التحكم في المعالجة الحرارية، وعمليات التشغيل، وإجراءات اللحام (أو تجنب اللحام عن طريق التصميم).
• كانت التطبيق يتحمل صلابة تأثير أقل وتكلفة معالجة أعلى من أجل فائدة عمر تآكل أطول أو أداء قطع أفضل.

ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين هما فولاذان مقاومان للصدأ مارتنسيتي وأداؤهما في الخدمة يعتمد بشكل كبير على التركيب الدقيق، وسمك القسم، والمعالجة الحرارية التي يتم التحكم فيها بعناية. بالنسبة لمواصفات الشراء والهندسة، حدد أهداف الصلابة/الصلابة المطلوبة، ومتطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام، وتوقعات التآكل بشكل صريح لضمان تقديم الموردين للمواد المعالجة للاستخدام المقصود.