20Cr مقابل 20CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

20Cr و 20CrMo هما نوعان من الفولاذات منخفضة السبائك المستخدمة على نطاق واسع في مكونات النقل والسيارات والآلات العامة. يقوم المهندسون والمتخصصون في الشراء عادةً بتقييمهما للأجزاء التي تتطلب سطحًا مقاومًا للتآكل مع نواة مرنة ومقاومة للإجهاد (على سبيل المثال، التروس والمحاور والتروس الصغيرة). عادةً ما تدور معضلة الاختيار حول التكلفة والتوافر مقابل الحاجة إلى قابلية تصلب أعمق وقوة نواة محسّنة في المكونات الأكبر أو ذات الأحمال العالية.

التمييز المعدني الرئيسي هو الإضافة المنضبطة للموليبدينوم في 20CrMo، مما يزيد من قابلية تصلبها ومقاومتها للتليين مقارنةً بعائلة 20Cr الخالية من الموليبدينوم. نظرًا لأن كلا الدرجتين مصممتان كفولاذات كربونية، غالبًا ما يتم مقارنتهما عند تحديد المكونات المعالجة حراريًا حيث تختلف الخصائص الميكانيكية للنواة واستجابة المعالجة الحرارية وقابلية اللحام بطرق ذات مغزى.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير الشائعة وعائلات التسميات التي تظهر فيها هذه الفولاذات: - GB/T (الصين): 20Cr، 20CrMo (فولاذات سبائكية كربونية) - JIS (اليابان): توجد درجات كربونية مماثلة (مثل عائلات SNCM/SCM للفولاذات المحتوية على الموليبدينوم) - EN (أوروبا): المعادلات التقريبية موجودة في عائلات 16MnCr5 / 18CrNiMo7 (ملاحظة: المطابقات المباشرة نادرة) - ASTM/ASME: لا توجد أسماء مباشرة دقيقة؛ عادةً ما تكون المراجع المتقاطعة عن طريق مطابقة التركيب الكيميائي ومتطلبات الخصائص التصنيف: كلاهما فولاذات سبائكية مصممة لتطبيقات الكربنة (التصلب السطحي) — ليست فولاذ مقاوم للصدأ أو فولاذ أدوات أو HSLA بالمعنى الحديث.

تأكد دائمًا من المعيار والمواصفة الدقيقة المذكورة في أوامر الشراء، حيث تختلف نوافذ التركيب ومستويات الشوائب المسموح بها حسب المعيار.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

التركيبات النموذجية (نطاقات تقريبية حسب الوزن %؛ استشر المعيار المسيطر أو شهادة التحليل من المورد للحدود الدقيقة):

عنصر	20Cr النموذجي (wt%)	20CrMo النموذجي (wt%)
C	0.17 – 0.24	0.17 – 0.24
Mn	0.25 – 0.65	0.30 – 0.65
Si	0.10 – 0.35	0.10 – 0.35
P	≤ 0.035 (حد أقصى)	≤ 0.035 (حد أقصى)
S	≤ 0.035 (حد أقصى)	≤ 0.035 (حد أقصى)
Cr	0.50 – 1.10	0.30 – 0.70
Ni	≤ 0.40 (إذا كان موجودًا)	≤ 0.40 (إذا كان موجودًا)
Mo	≤ 0.08 (عادةً ما تكون ضئيلة)	0.15 – 0.30
V	≤ 0.08 (أثر)	≤ 0.08 (أثر)
Nb	≤ 0.02 (أثر)	≤ 0.02 (أثر)
Ti	≤ 0.02 (أثر)	≤ 0.02 (أثر)
B	≤ 0.001 (أثر)	≤ 0.001 (أثر)
N	عادةً منخفضة (ppm)	عادةً منخفضة (ppm)

ملخص استراتيجية السبائك: - يتم الحفاظ على الكربون بمستوى معتدل لتمكين الكربنة الفعالة (مستوى منخفض من الكربون الكلي لقبول ملف كربوني سطحي غني). - يوفر الكروم قابلية تصلب ومقاومة للتليين ويساهم في مقاومة التآكل والخدش في الحالة. - الموليبدينوم في 20CrMo هو الإضافة المقصودة: كميات صغيرة تزيد بشكل كبير من قابلية التصلب العميق، تؤخر درجة حرارة بدء المارتنسيت، وتحسن المقاومة للتليين والتصلب الزائد في الأقسام الثقيلة أو السميكة. - يمكن أن تساعد العناصر الدقيقة (V، Nb، Ti) إذا كانت موجودة بكميات ضئيلة في تحسين حجم الحبيبات وتعزيز المتانة، لكنها ليست مواد صلابة رئيسية في هذه الدرجات.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - كما هو مدلفن أو مُعالج: تتكون بشكل أساسي من الفريت + البيرلايت (البيرلايت الناعم مرغوب فيه). - بعد الكربنة + التبريد: تتشكل حالة السطح مارتنسيت عالي الكربون (غالبًا مع أستنيت محتفظ به اعتمادًا على الكربنة والتبريد)؛ تتحول النواة إلى مارتنسيت مُعالج أو باينيت اعتمادًا على قابلية التصلب ومعدل التبريد. - بعد التليين: الحالة هي مارتنسيت مُعالج مع كربيدات؛ النواة هي مارتنسيت/باينيت مُعالج توفر المتانة.

كيف تؤثر طرق المعالجة الحرارية عليها: - المعالجة بالتطبيع تحسن حجم الحبيبات وتوحد البنية المجهرية؛ تستجيب كلا الدرجتين بشكل مشابه. - الكربنة + التبريد + التليين: العملية هي الاستخدام الأساسي. تعتمد صلابة السطح على كربون الحالة وشدة التبريد؛ تعتمد متانة النواة على قابلية تصلب السبائك. - التبريد والتليين (بدون كربنة): تستخدم لبعض المكونات الصغيرة؛ تحقق 20CrMo قوة نواة أعلى لنفس التليين بسبب قابلية التصلب ومقاومة التليين الناتجة عن الموليبدينوم. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يحسن تحسين الحبيبات والدرفلة المنضبطة المتانة لكلا الدرجتين؛ يبقى تأثير الموليبدينوم لدعم تصلب أعمق في الأقسام الكبيرة.

نظرًا لأن الموليبدينوم يزيد من قابلية التصلب ويبطئ التليين أثناء التليين، فإن 20CrMo ينتج نواة أكثر متانة وقوة أعلى بعد معالجة حرارية متطابقة في الأقسام السميكة مقارنةً بـ 20Cr.

4. الخصائص الميكانيكية

نطاقات الخصائص النموذجية (بعد عمليات الكربنة الشائعة + التبريد والتليين؛ تقريبية):

خاصية	20Cr (نموذجي)	20CrMo (نموذجي)
قوة الشد (النواة)، ميجا باسكال	700 – 950	750 – 1000
قوة الخضوع (النواة)، ميجا باسكال	450 – 700	500 – 800
التمدد (A5، النواة)، %	10 – 18	8 – 16
صلابة التأثير (شاربي V، النواة)، جول	30 – 70	30 – 80
صلابة الحالة (HRC، السطح)	58 – 62 (تعتمد على عمق الحالة)	58 – 62 (تعتمد على عمق الحالة)

التفسير: - صلابة السطح القابلة للتحقيق عن طريق الكربنة مشابهة لكلا الدرجتين لأن كربون السطح يتحكم في صلابة الحالة. - تحقق 20CrMo عمومًا قوة نواة أعلى ومقاومة محسّنة للتليين (تقليل أقل في القوة أثناء التليين) — وهو أمر مهم بشكل خاص للأقسام الكبيرة. وهذا يجعل 20CrMo مفضلًا حيث تكون قابلية التصلب الأعمق وخصائص النواة الأعلى مطلوبة. - تتوازن اللدونة والمتانة مع القوة؛ تعتمد التفاصيل بشكل كبير على المعالجة الحرارية وحجم القسم.

ملاحظة: القيم أعلاه هي نطاقات تمثيلية؛ تحقق دائمًا من متطلبات الخصائص الميكانيكية مقابل المعيار المحدد أو شهادة الاختبار.

5. قابلية اللحام

تتحكم قابلية اللحام في الكربون الكلي المكافئ، وعناصر السبائك، وسماكة القسم. اثنان من المؤشرات التنبؤية المستخدمة بشكل شائع هما:

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

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: - كلا من 20Cr و 20CrMo لديهما كربون معتدل وسبائك منخفضة إلى معتدلة؛ عادةً ما تكون القيم المحسوبة لـ $CE$ و $P_{cm}$ في نطاق يتطلب تسخينًا مسبقًا ودرجات حرارة تحكم بين الطبقات للأقسام السميكة. - وجود الموليبدينوم في 20CrMo يزيد من قابلية التصلب وبالتالي يزيد من خطر التشقق البارد في منطقة التأثير الحراري (HAZ) مقارنةً بـ 20Cr. وبالتالي، غالبًا ما يحتاج 20CrMo إلى إجراءات لحام أكثر تحفظًا (تسخين مسبق أعلى، تليين بعد اللحام في الأقسام السميكة). - بالنسبة للأقسام الرقيقة مع إجراء مناسب، كلاهما قابل للحام مع المعادن المالئة المناسبة والتحكم في العملية. بالنسبة للأجزاء الحرجة، يُوصى غالبًا بمعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT).

احسب دائمًا $CE$ أو $P_{cm}$ ذات الصلة لتركيبة المورد واتبع مواصفات إجراءات اللحام (WPS) وفقًا لذلك.

6. التآكل وحماية السطح

لا 20Cr ولا 20CrMo مقاومان للصدأ؛ مقاومة التآكل مشابهة ومحدودة. طرق الحماية النموذجية: - التشطيبات السطحية: الطلاء، الطلاء بالمسحوق، أو الطلاءات التحويلية. - الجلفنة: ممكنة اعتمادًا على هندسة المكون والحدود البعدية. - مثبطات التآكل أو مواد التشحيم للأسطح المتلامسة.

مؤشرات مقاومة الصدأ مثل PREN غير قابلة للتطبيق على هذه الفولاذات السبائكية غير المقاومة للصدأ. إذا كانت مقاومة التآكل هي متطلب أساسي، اختر سبيكة مقاومة للصدأ أو مقاومة للتآكل بدلاً من الاعتماد فقط على الطلاءات.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين في الحالة المدلفنة تقدم قابلية تشغيل عادلة نموذجية للفولاذات منخفضة السبائك؛ تزداد قابلية التشغيل سوءًا بعد المعالجة الحرارية والكربنة.
• قابلية التشكيل: تُجرى عمليات التشكيل في الحالة منخفضة الكربون، قبل الكربنة لكلا الدرجتين. قد يظهر 20CrMo سلوك قابلية تشكيل مختلف قليلاً إذا كانت العناصر الدقيقة أو قابلية التصلب الأعلى تغير إجهاد التدفق، لكن الفروق العملية صغيرة.
• الطحن والتشطيب: الأجزاء النهائية (الكربونية + المطحونة) قابلة للمقارنة؛ قد تكون أقسام النواة في 20CrMo أصعب في الطحن إذا تم تليينها إلى مستويات قوة أعلى.

للتصنيع بكميات كبيرة، ضع في اعتبارك التأثيرات اللاحقة لإضافة الموليبدينوم على تآكل الأدوات وأوقات دورة الطحن.

8. التطبيقات النموذجية

20Cr (الاستخدامات النموذجية)	20CrMo (الاستخدامات النموذجية)
تروس صغيرة إلى متوسطة، تروس صغيرة، وأسطوانات (أقسام رقيقة)	تروس محملة بشدة، تروس كبيرة، ومحاور (أقسام سميكة)
محاور، محاور للأحمال المعتدلة	عمود المرفق للسيارات، تروس نقل ثقيلة
تروس صغيرة، مسامير تتطلب حالة كربونية	مسامير عالية الإجهاد، براغي، ومكونات تتطلب قوة نواة أعلى
أجزاء معدات زراعية	أجزاء معرضة للأحمال الدورية مع مقاطع عرضية أكبر

مبررات الاختيار: - اختر 20Cr عند تصنيع فولاذ كربوني فعال من حيث التكلفة للأقسام الرقيقة إلى المتوسطة حيث تكون عمق الحالة التقليدية وقوة النواة كافية. - اختر 20CrMo عندما تكون قابلية التصلب الأعمق، ومقاومة التليين الأفضل، وقوة النواة الأعلى مطلوبة — خاصةً للتروس الأكبر والمكونات المعرضة للإجهاد أو الصدمات الثقيلة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 20CrMo عمومًا أغلى من 20Cr بسبب إضافة الموليبدينوم والتحكم الأكثر تعقيدًا في الصهر/التحليل.
• التوافر: كلاهما شائع في الأسواق التي تستخدم معايير GB/JIS؛ يعتمد التوافر حسب شكل المنتج (بار، لوح، تزوير، حلقة) على المطاحن الإقليمية. قد تحتوي عمليات التزوير ذات المقاطع العرضية الكبيرة في 20CrMo على أوقات تسليم أو كميات طلبات دنيا.
• نصيحة الشراء: حدد الحدود الكيميائية الدقيقة ومتطلبات المعالجة الحرارية؛ اطلب تقارير اختبار المطحنة (MTRs) وتأكد من أوقات التسليم للدرجات المحتوية على الموليبدينوم.

10. الملخص والتوصية

الجانب	20Cr	20CrMo
قابلية اللحام	أفضل (خطر أقل من قابلية التصلب)	معتدلة — تتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT أكثر حذرًا
توازن القوة–المتانة (النواة بعد المعالجة)	جيدة للأقسام الرقيقة/العادية	متفوقة للأقسام السميكة/المحمولة بشدة
التكلفة	أقل	أعلى

اختر 20Cr إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ كربوني فعال من حيث التكلفة للأقسام الصغيرة إلى المتوسطة حيث تكون عمق الحالة التقليدية وقوة النواة كافية. - يُفضل اللحام أو إجراءات المعالجة الحرارية الأبسط وحجم الأقسام معتدل.

اختر 20CrMo إذا: - كانت المكونات ذات مقاطع عرضية كبيرة، ومتطلبات حالة عميقة، أو مطالب عالية جدًا من قوة/متانة النواة. - يتطلب التصميم تحسين مقاومة التليين وتقليل خطر التليين أثناء الخدمة للأجزاء المحملة بشدة، ويمكن أن يستوعب المشروع تكلفة المواد الأعلى قليلاً وإجراءات التصنيع/اللحام الأكثر تحكمًا.

ملاحظة نهائية: هذه التوصيات عامة. تحقق دائمًا من المعيار المسيطر، وتركيبة المورد، ودورة المعالجة الحرارية المتوقعة. بالنسبة للمكونات الحرجة، تحقق من الاختيار من خلال الاختبار الميكانيكي لمادة تمثيلية وتأهيل كامل لإجراءات اللحام عند الحاجة للحام.