5120 الصلب: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

يتم تصنيف الفولاذ 5120 على أنه فولاذ سبائك متوسط الكربون، ويعرف بشكل أساسي بتركيبه الممتاز من القوة والصلابة ومقاومة التآكل. وهو جزء من نظام تصنيف AISI/SAE، حيث تشير الرقم الأول (5) إلى أنه فولاذ سبائك، والأرقام اللاحقة (120) تدل على مكوناته وخصائصه المحددة. تشمل العناصر الرئيسية في سبائك الفولاذ 5120 الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo)، مما يعزز قابلية تصلبه وقوته، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات الهندسية.

نظرة شاملة

تشمل الخصائص الأكثر أهمية للفولاذ 5120 قوتها العالية، ومرونتها الجيدة، ومقاومتها الممتازة للتآكل. تُعزى هذه الخصائص إلى تكوينها الكيميائي، مما يسمح بعمليات معالجة حرارية فعالة. يظهر الفولاذ توازنًا جيدًا بين الصلابة والصلابة، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب كل من المتانة والمرونة.

مزايا فولاذ 5120:
- قوة وصلابة عالية: تساهم العناصر السبائكية في بنية ميكروية قوية، مما يوفر خصائص ميكانيكية ممتازة.
- مقاومة جيدة للتآكل: مثالية للمكونات التي تتعرض للاحتكاك والتآكل.
- تطبيقات متعددة الاستخدامات: يُستخدم عادة في مكونات السيارات والآلات، مثل التروس والمحاور والمحاور.

قيود فولاذ 5120:
- مقاومة التآكل: مقارنةً بالفولاذ المقاوم للصدأ، يتمتع فولاذ 5120 بمقاومة محدودة للبيئات المسببة للتآكل.
- تحديات قابلية اللحام: يتطلب اعتبارات دقيقة أثناء اللحام لتجنب التشقق.

تاريخياً، كان لفولاذ 5120 أهمية كبيرة في صناعة السيارات، خاصة في تصنيع المكونات عالية الإجهاد. لا تزال مكانته في السوق قوية بسبب خصائصه الميكانيكية المواتية ومرونته.

أسماء بديلة، معايير، ومعادلات

المنظمة القياسية	التعيين/الدرجة	البلد/المنطقة الأصلية	ملاحظات/ملاحظات
UNS	G51200	الولايات المتحدة الأمريكية	المعادلة الأقرب لـ AISI 5120
AISI/SAE	5120	الولايات المتحدة الأمريكية	يستخدم عادة في التطبيقات الآلية
ASTM	A29/A29M	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفات لفولاذ السبائك
EN	20CrMo	أوروبا	اختلافات تركيبية طفيفة
DIN	1.7035	ألمانيا	خصائص مشابهة، تُستخدم في تطبيقات مشابهة
JIS	SCM420	اليابان	قابلة للمقارنة، ولكن مع اختلافات طفيفة في العناصر السبائكية

يمكن أن تؤثر الفروق الدقيقة بين هذه الدرجات على الأداء في تطبيقات محددة. على سبيل المثال، بينما قد يقدم SCM420 القدرة على المعالجة بشكل أفضل قليلاً بسبب محتواه العالي من الكروم، فإن فولاذ 5120 يُفضل غالبًا لتوازنه بين الصلابة ومقاومة التآكل.

الخصائص الرئيسية

التكوين الكيميائي

العنصر (الرمز والاسم)	نسبة المئوية (نسبة مئوية)
C (الكربون)	0.18 - 0.23
Cr (الكروم)	0.70 - 0.90
Mo (الموليبدينوم)	0.15 - 0.25
Mn (المنغنيز)	0.50 - 0.80
Si (السليكون)	0.15 - 0.40
P (الفوسفور)	≤ 0.035
S (الكبريت)	≤ 0.040

تلعب العناصر السبائكية الرئيسية في فولاذ 5120 أدوارًا حاسمة:
- الكروم (Cr): يعزز قابلية التصلب ويساهم في تحسين مقاومة التآكل.
- الموليبدينوم (Mo): يزيد من القوة عند درجات الحرارة المرتفعة ويحسن من الصلابة.
- المنغنيز (Mn): يساعد في تعزيز الصلابة ويزيد من قوة الشد.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	القيمة النموذجية/النطاق (متركي)	القيمة النموذجية/النطاق (إمبراطوري)	معيار الإشارة لطريقة الاختبار
قوة الشد	معالجة حرارية	620 - 850 ميغا باسكال	90 - 123 رطل/بوصة مربعة	ASTM E8
قوة العائد (0.2% إزاحة)	معالجة حرارية	350 - 550 ميغا باسكال	51 - 80 رطل/بوصة مربعة	ASTM E8
التمدد	معالجة حرارية	20 - 25%	20 - 25%	ASTM E8
الصلابة (برينيل)	معالجة حرارية	207 - 250 HB	95 - 120 HB	ASTM E10
قوة الصدمة (تشربي)	-40 درجة مئوية	30 - 50 جول	22 - 37 رطل-قدم	ASTM E23

يجعل الجمع بين هذه الخصائص الميكانيكية فولاذ 5120 مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب قوة وصلابة عالية، مثل التروس والمحاور في السيارات. إن قدرته على تحمل إجهاد ميكانيكي كبير أثناء الحفاظ على سلامة الهيكل هي عامل رئيسي في اختياره للمكونات الحرجة.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (متركي)	القيمة (إمبراطوري)
الكثافة	-	7.85 غرام/سم³	0.284 رطل/بوصة³
نقطة الانصهار	-	1425 - 1540 درجة مئوية	2600 - 2800 درجة فهرنهايت
الناقلية الحرارية	20 درجة مئوية	45 واط/م·ك	31 BTU·إنش/(ساعة·قدم²·درجة فهرنهايت)
القدرة الحرارية النوعية	20 درجة مئوية	460 جول/كجم·ك	0.11 BTU/رطل·درجة فهرنهايت
المقاومة الكهربائية	20 درجة مئوية	0.0006 أوم·م	0.00002 أوم·إنش
معامل التمدد الحراري	20 درجة مئوية	11.5 x 10⁻⁶/ك	6.4 x 10⁻⁶/درجة فهرنهايت

تشمل الأهمية العملية للخصائص الفيزيائية لفولاذ 5120:
- الكثافة: توفر نسبة جيدة من القوة إلى الوزن، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات الوزن الخفيف.
- الناقلية الحرارية: مهمة للتطبيقات التي يكون فيها تبديد الحرارة أمرًا حاسمًا، مثل مكونات المحركات.
- نقطة الانصهار: تشير إلى الملاءمة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، مما يضمن الاستقرار تحت الضغط الحراري.

مقاومة التآكل

الوكيل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
جوي	-	-	عادلة	عُرضة للصدأ
ماء مالح	3.5	25	ضعيفة	خطر الحفر
حمض الكبريتيك	10	25	ضعيفة	لا يُوصى به
هيدروكسيد الصوديوم	50	25	عادلة	خطر تآكل الإجهاد

يعرض فولاذ 5120 مقاومة معتدلة للتآكل، مما يجعله مناسبًا لبعض البيئات ولكنه غير مثالي للتطبيقات التي تتسم بالتآكل الشديد. إن عرضه للصدأ في الظروف الجوية والحفر في البيئات المالحة يتطلب استخدام طلاءات واقية أو معالجة سطحية في التطبيقات المعرضة للرطوبة أو الوكلاء المسببة للتآكل.

عند مقارنته بدرجات فولاذ أخرى، مثل 4140 و4340، يُظهر فولاذ 5120 مقاومة تآكل أقل ولكنه يوفر صلابة ومقاومة للتآكل أفضل. هذا يجعله خياراً مفضلاً في التطبيقات التي تُعطى فيها الأولوية للخصائص الميكانيكية على حساب مقاومة التآكل.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة المستمرة	400	752	مناسب لدرجات الحرارة المعتدلة
الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة المتقطعة	500	932	تعرُّض قصير فقط
درجة حرارة التآكل	600	1112	خطر الأكسدة بعد هذه الدرجة
اعتبارات قوة الزحف	400	752	يبدأ بالتدهور عند درجات الحرارة المرتفعة

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ فولاذ 5120 بقوته ولكنه قد يتعرض للأكسدة إذا لم يتم حمايته بشكل صحيح. أداؤه في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مناسب، ولكن يجب توخي الحذر لتجنب التعرض المطول لدرجات الحرارة التي تتجاوز حدوده.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	معدن التعبئة الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/فلكس الحماية النموذجي	ملاحظات
MIG	ER70S-6	أرجون + CO2	يوصى بالتحميص الأولي
TIG	ER80S-Ni	أرجون	يتطلب علاج حراري بعد اللحام
العصا	E7018	-	جيد للأقسام السميكة

قابلية اللحام لفولاذ 5120 معتدلة؛ يُوصى غالبًا بالتحميص الأولي لتجنب التشقق. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية بعد اللحام من خصائص اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة.

قابلية التشغيل

معلمة التشغيل	فولاذ 5120	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التشغيل النسبي	60	100	فولاذ 5120 أصعب في التشغيل
سرعة القطع النموذجية	25 م/دقيقة	40 م/دقيقة	استخدم أدوات كربيد لتحقيق أفضل النتائج

قابلية التشغيل لفولاذ 5120 أقل من تلك الخاصة بالفولاذات القابلة للتشغيل مثل AISI 1212. تشمل الظروف المثلى استخدام فولاذ عالي السرعة أو أدوات كربيد وسوائل قطع مناسبة لتعزيز عمر الأداة.

قابلية التشكيل

يظهر فولاذ 5120 قابلية تشكيل معتدلة. من الممكن التشكيل البارد، ولكن يجب توخي الحذر لتجنب تصلب العمل. يُفضل التشكيل الساخن للأشكال المعقدة، حيث يقلل من خطر التشقق ويحسن من المرونة.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	مدة النقع النموذجية	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
التAnnealing	700 - 800 / 1292 - 1472	1 - 2 ساعة	هواء	تليين، تحسين المرونة
التصلب	850 - 900 / 1562 - 1652	30 دقيقة	زيت أو ماء	تصلب
التخمير	400 - 600 / 752 - 1112	ساعة واحدة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين الصلابة

ت alters processes المعالجة الحرارية بشكل كبير التركيبة الميكروية لفولاذ 5120، مما يعزز من صلابته وقوته أثناء الحفاظ على صلابة ملائمة. يُستخدم التصلب متبوعًا بالتخمير لتحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	الخصائص الأساسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (باختصار)
الautomotive	التروس	قوة عالية، مقاومة للتآكل	أساسية للمتانة
الآلات	المحاور	صلابة، مقاومة للإجهاد	حرجة للأداء
الفضاء	مكونات عجلات الهبوط	نسبة عالية من القوة إلى الوزن	السلامة والموثوقية

تشمل التطبيقات الأخرى:
- مكونات الآلات الثقيلة
- الأدوات والقوالب
- الاسطوانات الهيدروليكية

يرتبط اختيار فولاذ 5120 لهذه التطبيقات بشكل أساسي بخصائصه الميكانيكية الممتازة، مما يضمن الاعتمادية والأداء في ظروف صعبة.

اعتبارات مهمة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	فولاذ 5120	فولاذ 4140	فولاذ 4340	ملاحظة مختصرة عن المزايا/العيوب أو التجارة
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	صلابة عالية	قابلية تصلب أعلى	قوة فائقة	يقدم فولاذ 5120 صلابة أفضل
الجانب الأساسي للمقاومة للتآكل	عادلة	عادلة	جيدة	فولاذ 4340 لديه مقاومة للتآكل أفضل
قابلية اللحام	متوسطة	جيدة	متوسطة	فولاذ 4140 أسهل في اللحام
قابلية التشغيل	متوسطة	عادلة	ضعيفة	فولاذ 4140 أسهل في التشغيل
قابلية التشكيل	متوسطة	متوسطة	ضعيفة	فولاذ 5120 أكثر تشكيلًا
التكلفة النسبية التقريبية	متوسطة	متوسطة	أعلى	فولاذ 5120 اقتصادي
التوافر النموذجي	شائع	شائع	أقل شيوعًا	فولاذ 5120 متاح على نطاق واسع

عند اختيار فولاذ 5120، تشمل الاعتبارات خصائصه الميكانيكية، فعاليته من حيث التكلفة، وتوافره. بينما قد لا يتفوق في كل فئة مقارنةً بالبدائل مثل 4140 أو 4340، فإن توازنه بين الخصائص يجعله اختيارًا موثوقًا للعديد من التطبيقات.

في الختام، يعد فولاذ 5120 فولاذ سبائك متوسط الكربون متعدد الاستخدامات الذي يقدم مجموعة فريدة من القوة والصلابة ومقاومة التآكل، مما يجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية. يمكن تعديل خصائصه من خلال المعالجة الحرارية والاختيار الدقيق لعمليات التصنيع، مما يضمن الأداء الأمثل في البيئات الصعبة.