Cr12 مقابل Cr12MoV – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

Cr12 و Cr12MoV هما فولاذان عاليان في الكروم والكربون، يُستخدمان على نطاق واسع في أدوات العمل الباردة، وشفرات القص، والمثاقب، والقوالب. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً معضلة اختيار بين إعطاء الأولوية لمقاومة التآكل (للحياة الطويلة والتفاوتات الضيقة) وإعطاء الأولوية لمقاومة التكسير والانكسار (للتأثير أو القطع المتقطع). يكمن الفرق العملي الرئيسي بين هذين الصنفين في توازن المتانة مقابل مقاومة التآكل الناتجة عن الإضافات المتعمدة من Mo و V في Cr12MoV.

غالبًا ما يتم مقارنة كلا الفولاذين لأنهما يشتركان في كيمياء أساسية غنية بالكروم وعالية الكربون تنتج كربيدات صلبة وصلابة عالية بعد المعالجة الحرارية، بينما تؤدي التغيرات في السبائك إلى اختلافات ذات مغزى في القابلية للتصلب، والتصلب الثانوي، وتشتت الكربيدات - وهي عوامل تحدد الأداء أثناء الخدمة وخيارات المعالجة.

1. المعايير والتسميات

المعايير والتسميات الشائعة التي توجد تحتها Cr12 و Cr12MoV أو درجات مكافئة قريبة:

• GB/T (الصين): Cr12 هو تسمية محلية؛ Cr12MoV هو النسخة المضافة بالموبيليوم والفاناديوم.
• EN: تُسمى عائلات الفولاذ الأدوات المقارنة بسلسلة D (مثل D2) أو سلسلة X حسب السبائك؛ يجب التحقق من المكافئات من خلال الكيمياء.
• JIS: تسرد معايير الفولاذ الياباني للأدوات فولاذ العمل البارد الغني بالكروم تحت سلسلة JS؛ تحقق من المطابقة الكيميائية الدقيقة.
• ASTM/ASME: تغطي الفولاذات الأدوات تحت ASTM A600/A681 لشرائح الفولاذ الأدوات ومواصفات أخرى - تحقق من التركيب.
• التصنيف: كل من Cr12 و Cr12MoV هما فولاذان عاليان الكربون والكروم لفولاذ العمل البارد (عائلة فولاذ الأدوات). هما ليسا مقاومين للصدأ (بالنسبة لمقاومة التآكل)، ولا هما فولاذان إنشائيان HSLA.

تأكد دائمًا من المكافئة من خلال التحقق من التركيب الكيميائي الفعلي ومتطلبات الخصائص الميكانيكية في شهادات الموردين.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تركيبات نموذجية (وزن %) شائعة تحديدها لدرجات Cr12 و Cr12MoV التجارية. هذه هي النطاقات التمثيلية المستخدمة من قبل الشركات المصنعة؛ تحقق من شهادات المصنع الفعلية للمشتريات.

عنصر	Cr12 (نموذجي، وزن %)	Cr12MoV (نموذجي، وزن %)
C	1.35 – 1.65	1.35 – 1.65
Mn	0.20 – 0.60	0.20 – 0.60
Si	0.20 – 0.80	0.20 – 0.80
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	≤ 0.10 (غالبًا أثر)	0.20 – 1.00
V	≤ 0.10 (غالبًا أثر)	0.05 – 0.50
Nb	≤ 0.02	≤ 0.02
Ti	≤ 0.02	≤ 0.02
B	≤ 0.001	≤ 0.001
N	أثر	أثر

كيف تؤثر عناصر السبائك على الخصائص: - الكربون (C): عنصر التصلب الأساسي؛ يعزز الكربون العالي الصلابة العالية عبر تشكيل الكربيدات ولكنه يقلل من قابلية اللحام والمتانة. - الكروم (Cr): يعزز تشكيل كربيدات الكروم الصلبة (مثل M7C3/M23C6 في الفولاذ العالي الكربون)، يحسن مقاومة التآكل، ويساهم في القابلية للتصلب. - الموليبدينوم (Mo): يزيد من القابلية للتصلب، ينقي مصفوفة الكربيد، يمنح تصلبًا ثانويًا وقوة عند درجات حرارة مرتفعة، ويحسن المتانة مقارنةً بنظيره الخالي من Mo. - الفاناديوم (V): يشكل كربيدات فاناديوم صلبة جدًا ودقيقة تعمل على تنقية الحبوب وتحسين مقاومة التآكل ومقاومة التآكل؛ يساهم في التصلب الثانوي والمتانة من خلال تثبيت حدود الحبوب. - المنغنيز والسيليكون: عوامل إزالة الأكسدة ومعدلات القوة/القابلية للتصلب بكميات معتدلة. - P، S: تُبقى منخفضة لتجنب الهشاشة ومشاكل القابلية للتشغيل.

تم تحسين Cr12 لتعظيم محتوى كربيد الكروم لمقاومة التآكل مع الحد الأدنى من Mo و V. تضيف Cr12MoV Mo و V لتحسين القابلية للتصلب، والمتانة، وتشتت الكربيدات على حساب زيادات طفيفة في التكلفة وانخفاض قابلية اللحام.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - كما هو مدلفن أو مُعالج: مزيج من المارتنزيت المقسى/الفريت مع كربيدات غنية بالكروم متشتتة (مثل Cr7C3/Cr23C6) وكربيدات ثانوية. يظهر Cr12 كربيدات كروم أكثر خشونة؛ بينما يظهر Cr12MoV كربيدات أدق وأكثر توزيعًا مع ترسبات غنية بـ Mo و V. - بعد التبريد والتقسية: مصفوفة مارتنزيتية بشكل أساسي مع شبكة من كربيدات الكروم المستقرة وكربيدات Mo/V الدقيقة لـ Cr12MoV. يميل Cr12 إلى الاحتفاظ بشبكات كربيد أكبر وأكثر استمرارية تعظم مقاومة التآكل ولكن يمكن أن تعمل كنقاط بدء تشققات تحت الأحمال التأثيرية.

استجابة المعالجة الحرارية: - المعالجة بالتطبيع: تنقي الحبوب وتساعد على إذابة بعض الكربيدات؛ مفيدة قبل التشغيل أو المعالجة الإضافية. - التصلب (تأوّس وتبريد): درجات حرارة التأوّس النموذجية لفولاذ أدوات عائلة Cr12 مرتفعة (مثل 1000–1050 درجة مئوية حسب حجم المقطع والتركيب) لإذابة الكربيدات قدر الإمكان لتحقيق أقصى تصلب ثانوي؛ تأكد من توجيهات المورد. ينتج التبريد السريع (زيت أو زيت متقطع) مارتنزيت؛ يتحكم محتوى السبائك في الأوستينيت المحتفظ به والقابلية للتصلب. - التقسية: تُجرى على مراحل تقسية متعددة لتقليل الأوستينيت المحتفظ به، وتطوير الصلابة الثانوية (خاصة في الدرجات المحتوية على Mo)، وتخفيف الضغوط. غالبًا ما يظهر Cr12MoV تصلبًا ثانويًا أقوى بسبب كربيدات Mo/V؛ مما يمكّن من تحقيق توازن أفضل قليلاً بين المتانة والصلابة بعد التقسية.

يمكن أن تحسن المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المتحكم بها، التشكيل) من المتانة وانتظام الكربيدات، وهي مفيدة بشكل خاص لـ Cr12MoV للاستفادة من سبائكها لكربيدات مصفاة.

4. الخصائص الميكانيكية

نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية بعد التبريد والتقسية المناسبة؛ القيم تختلف حسب وصفة المعالجة الحرارية، وحجم المقطع، والمورد. تأكد من القيم من تقارير اختبار المصنع للتصميم.

الخاصية	Cr12 (نطاق نموذجي)	Cr12MoV (نطاق نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال)	900 – 1800	1000 – 2000
قوة الخضوع (ميغاباسكال)	700 – 1500	800 – 1700
التمدد (%)	2 – 10	2 – 12
صلابة التأثير (جول، شارب)	منخفضة إلى معتدلة؛ تتحسن مع التقسية	معتدلة؛ عمومًا أعلى من Cr12 لصلابة مماثلة
الصلابة (HRC)	55 – 62 (مقسى بالكامل)	55 – 62 (مقسى بالكامل)؛ يمكن أن يحتفظ بالصلابة بشكل أفضل في المقاطع الأكبر

تفسير: - القوة والصلابة مدفوعة أساسًا بالكربون ومصفوفة المارتنزيت؛ يمكن أن تصل كلا الدرجتين إلى صلابة قصوى مماثلة. غالبًا ما تحقق Cr12MoV صلابة مماثلة بينما تقدم متانة أفضل وتصلب كامل بفضل Mo و V. - المتانة: عادةً ما تكون Cr12MoV أكثر متانة (أقل هشاشة) عند صلابة مكافئة لأن Mo يزيد من القابلية للتصلب وV ينقي الكربيدات وحدود الحبوب، مما يقلل من الميل لانتشار الشقوق. - القابلية للطرق: كلاهما فولاذ أدوات منخفض القابلية للطرق عند صلابة عالية، لكن Cr12MoV يمكن أن توفر تمددًا أعلى قليلاً في بعض المعالجات.

5. قابلية اللحام

تعتبر قابلية اللحام لفولاذ الأدوات عالي الكربون والكروم عمومًا تحديًا. العوامل الرئيسية: محتوى الكربون العالي، شبكة الكربيد، والقابلية للتصلب.

الصيغ الصناعية لتقييم قابلية اللحام ومتطلبات التسخين المسبق: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - معلمة أكثر تفصيلًا (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير: - تظهر كلا الصيغتين تأثير C وCr وMo وV على القابلية للتصلب والميول للتشقق البارد. تشير القيم الأعلى إلى الحاجة للتسخين المسبق، والتحكم في إدخال الحرارة، والمعالجة الحرارية بعد اللحام. - عادةً ما تتطلب Cr12 (مع C وCr عاليين) تسخينًا مسبقًا كبيرًا وتقسية بعد اللحام؛ تكون قابلية اللحام ضعيفة بدون إجراءات صارمة. - تزيد Cr12MoV، مع إضافة Mo وV، من القابلية للتصلب وقد ترفع قيم CE/Pcm أكثر، مما قد يزيد من سوء قابلية اللحام من حيث خطر التشقق، لكن إجراءات اللحام المتحكم بها والمعادن المالئة المطابقة مع قابلية تصلب مماثلة أو أقل قليلاً، والتسخين المسبق لتقليل معدل التبريد، والتقسية المحلية بعد اللحام يمكن أن تنتج وصلات مقبولة. - أفضل ممارسة: تجنب اللحام عند الإمكان؛ تفضل الربط الميكانيكي أو اللحام. إذا كان اللحام ضروريًا، استشر مواصفات إجراءات اللحام (WPS) من مورد المادة وأجرِ اختبارات تأهيل.

6. التآكل وحماية السطح

لا يعتبر كل من Cr12 و Cr12MoV مقاومًا للصدأ بالمعنى الشائع؛ يحسن محتوى الكروم مقاومة التآكل قليلاً مقارنة بالفولاذ الكربوني العادي ولكنه لا يوفر تمريرًا مقارنة بالسبائك المقاومة للصدأ.

• خيارات حماية السطح: الطلاء الكهربائي، الغلفنة بالغمر الساخن (محدودة لفولاذ الأدوات بسبب تغييرات المعالجة الحرارية)، الطلاء، الطلاء بالمسحوق، وطلاءات محددة للتطبيق مثل PVD/CVD، الطلاء بالكروم الصلب، أو النترجة لتحسين عمر السطح ومقاومة التآكل.
• المعالجات الحرارية الكيميائية: يمكن أن تحسن النترجة من صلابة السطح وأداء التآكل لبعض درجات فولاذ الأدوات ولكن يجب تقييمها مقابل الأبعاد المطلوبة وخصائص الشد.
• صيغة PREN غير قابلة للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ استخدام PREN له معنى فقط للفولاذات المقاومة للصدأ؛ بالنسبة لفولاذات عائلة Cr12، تحدد حماية السطح والطلاءات أداء التآكل أثناء الخدمة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، والقابلية للتشكيل

• قابلية التشغيل: كما هو مُعالج، كلا الدرجتين قابلتان للتشغيل ولكن أكثر صعوبة من الفولاذات منخفضة السبيكة بسبب الكربون العالي والكربيدات الصلبة. قد تكون Cr12MoV أقل قابلية للتشغيل قليلاً بسبب كربيدات Mo/V الدقيقة؛ استخدم أدوات كربيد، وسرعات قطع عالية، وترتيبات صلبة. عادةً ما يتم التشغيل الخشن في حالة معالجة.
• الطحن والتشطيب: كلاهما يتطلب مواد كاشطة مناسبة للكربيدات الصلبة؛ يمكن أن تنتج كربيدات Cr12 الأكثر خشونة اهتزازًا إذا لم يتم تحسين الأدوات.
• التشكيل والانحناء: قابلية تشكيل باردة محدودة بسبب محتوى الكربون والكربيد العالي؛ عادةً ما يتم التشكيل في حالة معالجة أو يتم تجنبه. التشكيل الساخن ممكن ولكنه سيتطلب إعادة تسخين ومعالجة حرارية كاملة.
• اعتبارات المعالجة الحرارية: خطر التشوه أثناء التصلب والتقسية يتطلب تثبيتًا دقيقًا وتركًا للمعالجة.

8. التطبيقات النموذجية

Cr12 (الاستخدامات الشائعة)	Cr12MoV (الاستخدامات الشائعة)
شفرات القص، شفرات المقص	مطرقات وقوالب ثقيلة تتعرض للتأثير والتآكل
سكاكين القطع، أدوات القص الباردة	مكونات القوالب التقدمية حيث تكون التصلب الكامل والمتانة مطلوبة
قوالب بلاستيكية لمواد كاشطة	قوالب قص وتقليم عالية التحمل مع قطع متقطع
ألواح تآكل مع تعرض معتدل للتأثير	أدوات تتطلب مقاومة محسنة للتشقق وعمر أطول في المقاطع الأكبر

مبررات الاختيار: - اختر Cr12 حيث تكون مقاومة التآكل القصوى والفعالية من حيث التكلفة مهمة وحيث يكون الحمل مستمرًا في الغالب (تآكل منزلق أو ثابت) مع تأثير أو صدمة محدودة. - اختر Cr12MoV عندما تواجه الأدوات تأثيرًا أعلى، قطعًا متقطعًا، مقاطع عرضية أكبر حيث يكون التصلب الكامل مهمًا، أو عندما تحتاج إلى متانة أفضل قليلاً ومقاومة لانتشار الشقوق.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: عادةً ما تكون Cr12 أقل تكلفة من Cr12MoV بسبب عدم وجود الموليبدينوم والفاناديوم الكبير. Mo و V هما عناصر سبائك أكثر تكلفة وتزيد من تكاليف الإنتاج.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع من منتجي فولاذ الأدوات ومراكز الخدمة في أشكال المنتجات الشائعة (أشرطة دائرية، أشرطة مسطحة، ألواح، كتل مقسية ومقسية). قد تكون متغيرات Cr12 بدون Mo/V أكثر انتشارًا وأرخص في دفعات السلع؛ قد تتطلب Cr12MoV تخطيط المخزون للأحجام الخاصة أو حالات المعالجة الحرارية.
• أشكال المنتجات: أشرطة، ألواح، وكتل مسبقة التصلب؛ تتوفر كتل مطروقة ومعالجة لكل منهما، مع أوقات تسليم تعتمد على المعالجة الحرارية وخدمات التشغيل.

10. الملخص والتوصية

الخاصية	Cr12	Cr12MoV
قابلية اللحام	ضعيفة؛ تتطلب تسخينًا مسبقًا/بعد اللحام صارمًا	ضعيفة إلى معتدلة؛ تتطلب تحكمًا دقيقًا، قد تكون أسوأ بسبب CE ولكن تقدم طرقًا لتقليل خطر التشقق
توازن القوة–المتانة	صلابة عالية ومقاومة للتآكل؛ متانة أقل	صلابة قصوى مماثلة ولكن متانة محسنة وتصلب كامل
التكلفة	أقل	أعلى

التوصية: - اختر Cr12 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ أدوات للعمل البارد فعال من حيث التكلفة وعالي المقاومة للتآكل للاستخدامات التي تتطلب تآكل منزلق كاشط، أو قطع حواف دقيقة، أو التطبيقات التي يكون فيها الحمل التأثيري محدودًا ويجب تجنب اللحام. - اختر Cr12MoV إذا كانت التطبيق يتضمن قطعًا متقطعًا، أو أحمال تأثير أو صدمة أعلى، أو أحجام مقاطع أكبر حيث يكون التصلب الكامل مهمًا، أو عندما تحتاج إلى توازن أفضل بين المتانة دون التضحية بصلابة السطح الكبيرة - مع قبول تكلفة مادة أعلى والحاجة إلى مزيد من الحذر في إجراءات المعالجة الحرارية واللحام.

ملاحظة عملية نهائية: تحقق دائمًا من شهادات مصنع الموردين للكيمياء وممارسات المعالجة الحرارية، وأجرِ تجارب معالجة حرارية واختبارات خدمة للأدوات الحرجة، واستشر أوراق بيانات المنتج من منتج الفولاذ لمطابقة المتغير المحدد (مثل مستويات Mo و V الدقيقة) مع احتياجات تطبيقك.