20# مقابل 45# – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

غالبًا ما يختار المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين 20# و 45# عند تحديد الفولاذ الكربوني العادي للأعمدة والتروس والمثبتات والأجزاء الميكانيكية العامة. عادةً ما يوازن القرار بين قابلية التصنيع (قابلية اللحام، وقابلية التشكيل، والتشغيل الآلي)، والأداء الميكانيكي المطلوب (القوة، والصلابة، والصلابة)، وقيود التكلفة.

التمييز الفني الرئيسي بين الدرجتين هو محتوى الكربون والاختلافات الناتجة في السلوك الميكانيكي واستجابة المعالجة الحرارية. نظرًا لأن 45# يحتوي على كربون أكثر بكثير من 20#، فإنه يحقق قوة أعلى وقابلية تصلب بعد المعالجة الحرارية ولكنه يضحي بالمرونة ويصبح أكثر تطلبًا للحام وبعض عمليات التشكيل. تجعل هذه التبادلات الدرجتين تكملان بعضهما البعض لفئات التطبيقات المختلفة وطرق المعالجة.

1. المعايير والتسميات

• الصينية GB/T: 20# و 45# (تسميات محلية مستخدمة بشكل شائع).
• JIS: S20C (≈ 20#) و S45C (≈ 45#).
• AISI/ASTM: AISI 1020 (≈ 20#) و AISI 1045 (≈ 45#).
• EN: C20 و C45 (عائلة EN 10083؛ لاحظ أن المواصفات التفصيلية تعتمد على شكل المنتج والمعالجة الحرارية).

التصنيف: كل من 20# و 45# هما فولاذان كربونيان عاديان (غير سبائكيين/سبائك منخفضة)، وليسا فولاذًا مقاومًا للصدأ أو فولاذ HSLA أو فولاذ أدوات. يتم توفيرهما عادةً في حالات مدلفنة على الساخن أو مُعالجة حراريًا أو مُعالجة حراريًا أو مُبردة ومُعالجة حسب التطبيق.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: نطاقات التركيب الكيميائي النموذجية (wt%) لـ 20# و 45#. القيم هي نطاقات تمثيلية تستخدم لمقارنة المواصفات؛ يجب استشارة شهادات المورد الفعلية للحصول على كيمياء دقيقة.

عنصر	20# (wt% النموذجي)	45# (wt% النموذجي)
C	0.17–0.24	0.42–0.50
Mn	0.25–0.60	0.50–0.80
Si	0.03–0.35	0.15–0.35
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	≤ 0.25 (أثر)	≤ 0.30 (أثر)
Ni	≤ 0.30 (أثر)	≤ 0.30 (أثر)
Mo	≤ 0.08 (أثر)	≤ 0.08 (أثر)
V	≤ 0.03 (أثر)	≤ 0.03 (أثر)
Nb	≤ 0.03 (أثر)	≤ 0.03 (أثر)
Ti	≤ 0.03 (أثر)	≤ 0.03 (أثر)
B	≤ 0.001 (نادر)	≤ 0.001 (نادر)
N	≤ 0.012 (نموذجي)	≤ 0.012 (نموذجي)

استراتيجية السبائك وتأثيراتها: - الكربون (C) هو العنصر الرئيسي للتحكم في القوة وقابلية التصلب. زيادة الكربون تزيد من الصلابة والقوة الممكن تحقيقها بعد التبريد ولكنها تقلل من المرونة وقابلية اللحام. - المنغنيز (Mn) يزيد من قابلية التصلب وقوة الشد ويعوض عن هشاشة الكبريت؛ عادةً ما يحتوي 45# على منغنيز أعلى لتحسين القوة وقابلية التصلب. - السيليكون (Si) هو مزيل للأكسدة ويساهم بشكل معتدل في القوة. - العناصر السبائكية الأثرية (Cr، Ni، Mo، V) عادةً ما تكون ضئيلة في هذه الدرجات ولكن، إذا كانت موجودة، فإنها تزيد من قابلية التصلب والقوة وأحيانًا الصلابة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• 20#: في الحالات المدلفنة أو المعالجة حراريًا الشائعة، تكون البنية المجهرية في الغالب فيريتي + بيرلايت (خشن أو ناعم حسب التبريد والمعالجة). يؤدي انخفاض محتوى الكربون إلى نسبة أكبر من الفيريت ومحتوى بيرلايت منخفض نسبيًا. تقلل المعالجة/التنقيح من تباعد البيرلايت وتحسن التوحيد والقوة بشكل معتدل.
• 45#: في الحالات المدلفنة أو المعالجة حراريًا، تكون البنية المجهرية فيريتي + بيرلايت مع نسبة بيرلايت أعلى وتباعد بين الدندريتات أدق مقارنةً بـ 20#. بسبب الكربون الأعلى والمنغنيز، يتمتع 45# بقابلية تصلب أكبر ويمكن أن يشكل مارتنسيت أو باينيت عند التبريد، يتبعه التخمير لإنتاج هياكل مجهرية مُبردة ومُعالجة (مارتنسيت مُعالج) بقوة ومقاومة للتآكل أعلى بكثير.

تأثيرات المعالجة الحرارية: - المعالجة (التبريد الهوائي من فوق Ac3) تنقي الحبوب وتنتج هيكل فيريتي-بيرلايت موحد؛ تستفيد كلتا الدرجتين، لكن زيادة القوة تكون أكثر وضوحًا في 45#. - التبريد والتخمير يُطبق عادةً على 45# لتحقيق قوة عالية ومقاومة للتعب. 20# لديه قابلية تصلب محدودة - التبريد سيؤدي إلى محتوى مارتنسيت منخفض وفائدة محدودة. - التلدين (تلدين كامل) يلين المادة للتشغيل الآلي أو التشكيل؛ 20# يمكن تلدينه بسهولة. 45# المُعالج حراريًا يمكن تشغيله آليًا ولكنه سيظل يتمتع بقوة أعلى من 20# المعالج حراريًا.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية حسب الحالة الشائعة (نطاقات تمثيلية؛ القيم الدقيقة تعتمد على شكل المنتج والمعالجة الحرارية).

خاصية	20# (مُعالج حراريًا/مُعالج)	45# (مُعالج حراريًا/مُعالج/مُبرد ومُعالج)
قوة الشد (MPa)	≈ 350–550 (مُعالج حراريًا→مُعالج)	≈ 500–900 (مُعالج حراريًا→QT)
قوة الخضوع (MPa)	≈ 200–350	≈ 300–700
التمدد (A%)	≈ 20–30%	≈ 10–25% (تنخفض مع التصلب)
صلابة التأثير (Charpy V)	متوسطة - جيدة في درجة حرارة الغرفة عند المعالجة	جيدة عند التخمير بشكل صحيح؛ أقل في الحالة المتصلبة إذا لم يتم تخميرها
الصلابة (HB أو HRC)	≈ 120–200 HB (مُعالج حراريًا→مُعالج)	≈ 150–300 HB (مُعالج حراريًا→QT حسب التخمير)

التفسير: - يوفر 45# قوة شد وصلابة أعلى بكثير بعد المعالجة الحرارية المناسبة، بسبب الكربون الأعلى وقابلية التصلب. - 20# أكثر مرونة وسماحًا في التشكيل؛ التمدد والصلابة في 20# عمومًا أعلى لمعالجة مماثلة. - تعتمد صلابة التأثير بشكل كبير على المعالجة - التخمير الكافي بعد التبريد أمر حاسم لـ 45# لتجنب السلوك الهش.

5. قابلية اللحام

تتأثر قابلية اللحام للفولاذ الكربوني العادي بشدة بمحتوى الكربون والعناصر السبائكية عبر مقاييس مكافئ الكربون. المؤشرات الشائعة:

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

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

التفسير النوعي: - 20# (كربون منخفض) عادةً ما يكون له مكافئ كربون منخفض، مما يمنح قابلية لحام جيدة مع تسخين مسبق منخفض ومخاطر محدودة من تشقق الهيدروجين أو تشكيل مارتنسيت صلب في منطقة التأثير الحراري (HAZ). نادرًا ما تتطلب المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) للأبعاد القياسية في الظروف العادية. - 45# (كربون أعلى ومنغنيز أعلى قليلاً) ينتج مكافئ كربون أكبر؛ غالبًا ما تتطلب إجراءات اللحام تسخينًا مسبقًا، ودرجات حرارة متحكم فيها بين الطبقات، والنظر في PWHT، خاصةً للأقسام السميكة أو الوصلات المقيدة. تزداد احتمالية تصلب HAZ والتشقق البارد إذا لم يتم استخدام ضوابط لحام مناسبة.

ممارسة اللحام: - استخدم المعادن المالئة المتطابقة والتسخين المسبق/PWHT المناسب وفقًا لإرشادات CE/Pcm. - بالنسبة للتجمعات الملحومة الحرجة المصنوعة من 45#، ضع في اعتبارك استخدام أقطاب كهربائية منخفضة الهيدروجين وإجراء PWHT لتخمير HAZ وتقليل الضغوط المتبقية.

6. التآكل وحماية السطح

• كل من 20# و 45# هما فولاذان كربونيان عاديان غير مقاومين للصدأ ولا يمتلكان مقاومة طبيعية للتآكل. تشمل طرق الحماية النموذجية الطلاء، والتغطية بالمسحوق، والتزييت، ومعالجات الفوسفات، والتغليف (غمر ساخن أو تغليف كهربائي) حسب البيئة ومتطلبات عمر الخدمة.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) يُستخدم للسبائك المقاومة للصدأ وليس له تطبيق على الفولاذ الكربوني العادي. صيغة المثال للتقييم المقاوم للصدأ:

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

• لبيئات عرضة للتآكل، اختر الطلاءات الواقية أو اعتبر استخدام سبائك مقاومة للصدأ أو التآكل بدلاً من 20#/45#.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• التشكيل والانحناء: 20# أسهل في التشكيل البارد والانحناء بسبب قوته المنخفضة ومرونته الأعلى. يتطلب 45# مزيدًا من القوة وقد يحتاج إلى تلدين قبل التشكيل الواسع.
• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين تعملان بشكل جيد في الحالات المعالجة حراريًا. 45# في الحالة المعالجة حراريًا يعمل بشكل متوقع ويمكن أن ينتج تشطيب سطح أفضل لبعض عمليات الدوران/الطحن بسبب الكربون الأعلى الذي يحسن تشكيل الرقائق؛ ومع ذلك، فإن 45# الأكثر صلابة أو المعالج حراريًا يكون أكثر صعوبة ويسبب تآكل أسرع للأدوات. 20# يقدم تآكل أقل للأدوات في التشغيل الآلي العام.
• تشطيب السطح: يمكن تصلب 45# وطحنه إلى تسامح ضيق (مثل الأعمدة والأسطح القابلة للتآكل) بعد التبريد والتخمير. 20# مناسب حيث لا تكون التسامح الضيق مرتبطة بمتطلبات صلابة عالية.
• العمل البارد: يتحمل 20# سحبًا باردًا أعمق أو رأسًا باردًا مقارنةً بـ 45# الذي قد يتشقق إذا لم يتم تلدينه.

8. التطبيقات النموذجية

20# – الاستخدامات النموذجية	45# – الاستخدامات النموذجية
مكونات هيكلية عامة، مثبتات مُعالجة باردة، تجميعات ملحومة، أعمدة ذات أحمال منخفضة، محاور للأحمال الخفيفة، أجزاء مُشكلة قابلة للتشكيل	أعمدة، محاور، تروس، أجزاء آلة تتطلب قوة التبريد والتخمير، قضبان توصيل، دبابيس، مكونات قابلة للتآكل حيث تكون الصلابة الأعلى ومقاومة التعب مطلوبة
إطارات مصنعة، سبائك عامة حيث تكون قابلية اللحام والتشكيل هي الأولوية	أجزاء معالجة حراريًا لنقل الطاقة، أعمدة كرانك في التطبيقات الخفيفة، دبابيس دائرية مُعالجة ومقاعد محامل

مبررات الاختيار: - اختر 20# عندما تكون قابلية اللحام والتشكيل وتكلفة أقل هي الأولوية وعندما تكون متطلبات القوة معتدلة. - اختر 45# عندما يتطلب التصميم قوة شد أعلى، أو صلابة، أو عمر تعب أعلى وعندما سيتم معالجة الأجزاء حراريًا لتحقيق هذه الخصائص.

9. التكلفة والتوافر

• كلا الدرجتين هما فولاذان سلعيان بتوافر واسع في القضبان والألواح والسبائك. عادةً ما تكون تكلفة المواد الخام لـ 20# هي الأقل بسبب محتوى الكربون المنخفض والمعالجة الأبسط للعديد من التطبيقات.
• تتطلب 45# سعرًا أعلى قليلاً بشكل رئيسي بسبب الكربون الأعلى والاستخدام الأكثر تكرارًا في المنتجات المعالجة حراريًا والمشغولة. يجب أن تأخذ التكلفة الإجمالية للمكونات في الاعتبار المعالجات الحرارية المطلوبة والتشغيل الآلي - غالبًا ما تتكبد الأجزاء المصنوعة من 45# تكلفة معالجة إضافية (تبريد، تخمير، طحن).
• أوقات التسليم عادةً ما تكون قصيرة للأشكال القياسية؛ الأشكال الخاصة أو المعالجات الحرارية المحددة يمكن أن تزيد من وقت التسليم.

10. الملخص والتوصية

جدول: مقارنة سريعة

السمة	20#	45#
قابلية اللحام	ممتازة (كربون منخفض، مكافئ كربون منخفض)	متوسطة إلى صعبة (كربون أعلى، مكافئ كربون أعلى)
توازن القوة–الصلابة	قوة معتدلة، مرونة/صلابة أعلى	قوة قابلة للتحقيق أعلى، مرونة أقل إذا تم تصلبها
التكلفة	تكلفة مواد خام أقل؛ معالجة أبسط	تكلفة مواد خام أعلى قليلاً؛ غالبًا تكلفة معالجة أعلى

التوصيات النهائية: - اختر 20# إذا: كان تصميمك يتطلب قابلية لحام وتشكيل جيدة، وكانت القوة المعتدلة كافية، وكانت الحساسية للتكلفة عالية، أو كانت المكونات ستلتحم باللحام مع تسخين مسبق ضئيل وPWHT. - اختر 45# إذا: كانت القطعة تتطلب قوة أعلى، أو صلابة، أو مقاومة للتعب يمكن تحقيقها عن طريق التبريد والتخمير (مثل الأعمدة، التروس، الدبابيس)، ويمكنك استيعاب ضوابط لحام أكثر صرامة، وتسخين مسبق، وPWHT المحتمل أو عمليات تشغيل إضافية.

ملاحظة ختامية: تحقق دائمًا من الشهادات الكيميائية والميكانيكية الفعلية من الموردين وقم بتأهيل إجراءات اللحام بناءً على مكافئ الكربون وهندسة الجزء. بالنسبة للمكونات الحرجة، قم بإجراء تجارب معالجة حرارية واختبارات ميكانيكية تمثل مسار التصنيع النهائي لضمان أن الدرجة المختارة تلبي المتطلبات الوظيفية ومتطلبات دورة الحياة.