20Cr مقابل 30Cr – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
20Cr و 30Cr هما نوعان من الفولاذ منخفض السبيكة المحدد بشكل شائع، يستخدمان للمكونات المعالجة بالكروم أو المعالجة بالتبريد والتلطيف في نقل الطاقة، والتروس، والمحاور، والأجزاء الهيكلية حيث يتطلب الأمر توازنًا بين مقاومة التآكل السطحية وصلابة القلب. غالبًا ما يختار المهندسون والمحترفون في الشراء بينهما عند مواجهة تنازلات بين القوة، والصلابة، وقابلية التصلب، والتكلفة، وقابلية التشغيل. تشمل سياقات القرار النموذجية تحديد مادة لمجموعة تروس حيث تهم صلابة السطح ومرونة القلب، أو لمحور يجب أن يقاوم كل من الالتواء والصدمات العرضية.
الفرق الرئيسي بين الدرجتين هو أن 30Cr يتم سبكه لتحقيق قوة حجمية أعلى وقابلية تصلب أكبر من 20Cr - ويتم تحقيق ذلك بشكل رئيسي من خلال زيادات معتدلة في الكربون والكروم (وأحيانًا عناصر ميكروسبائكية أخرى). بسبب ذلك، يوفر 30Cr عمومًا قوة وقابلية تصلب أعلى على حساب تقليل طفيف في قابلية اللحام وقابلية التشغيل مقارنةً بـ 20Cr. تجعل هذه الفروق الزوج مقارنة مفيدة عند اختيار الفولاذ لمكونات ميكانيكية ذات أحمال متوسطة إلى عالية.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الشائعة وتسمياتها:
- GB/T (الصين): 20Cr، 30Cr (غالبًا ما يتم تحديدها للمكونات المعالجة بالكروم والتبريد)
- JIS (اليابان): توجد درجات مشابهة تحت رموز مختلفة (مثل SCM، SN) ولكن قد لا تكون مكافئة مباشرة
- EN / ISO: العائلات المكافئة ستكون في سلسلة 16MnCr، 20MnCr، أو 20CrMn (تحقق من أرقام الأجزاء الدقيقة)
- ASTM/ASME: لا يوجد رقم ASTM مباشر يسمى "20Cr" أو "30Cr"؛ يتم اختيار المكافئات بناءً على تطابق الخصائص الكيميائية والميكانيكية
- التصنيف: كل من 20Cr و 30Cr هما فولاذ منخفض السبيكة (يستخدم كفولاذ هيكلي متوسط السبيكة أو معالجة بالكروم)، وليس فولاذ مقاوم للصدأ، أو فولاذ أدوات، أو HSLA بالمعنى الضيق. عادة ما يتم تحديدها للمكونات التي تتطلب تصلب السطح (معالجة بالكروم) أو معالجة بالتبريد والتلطيف.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
يوضح الجدول التالي نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (wt%) المستخدمة في الممارسة الصناعية الشائعة. تعتمد التركيبات الفعلية على المعيار أو مواصفات المصنع المختارة - استخدم شهادة المصنع للشراء.
| عنصر | 20Cr (نطاق نموذجي، wt%) | 30Cr (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.16 – 0.24 | 0.24 – 0.32 |
| Mn | 0.40 – 0.80 | 0.50 – 0.90 |
| Si | 0.10 – 0.35 | 0.10 – 0.35 |
| P | ≤ 0.035 (أقصى) | ≤ 0.035 (أقصى) |
| S | ≤ 0.035 (أقصى) | ≤ 0.035 (أقصى) |
| Cr | 0.50 – 1.10 | 0.80 – 1.30 |
| Ni | ≤ 0.30 (أثر) | ≤ 0.30 (أثر) |
| Mo | ≤ 0.10 – 0.20 (إذا تم تحديده) | ≤ 0.10 – 0.30 (إذا تم تحديده) |
| V | أثر أو ≤ 0.05 (إذا تم استخدامه كميكروسبائك) | أثر أو ≤ 0.05 (إذا تم استخدامه كميكروسبائك) |
| Nb، Ti، B | أثر (يستخدم أحيانًا في المتغيرات الميكروسبائكية) | أثر (يستخدم أحيانًا) |
| N | أثر | أثر |
ملاحظات: - يقدم الجدول نطاقات نموذجية؛ يجب أن تشير عملية الشراء إلى المعيار الدقيق أو شهادة المادة. - يحتوي 30Cr عادةً على كربون أعلى وكروم ومنغنيز أعلى قليلاً مقارنةً بـ 20Cr. قد تكون هناك إضافات ميكروسبائكية (V، Nb، Ti) في بعض المتغيرات لتحسين القوة وتنقية الحبوب. - يزيد السبيكة (Cr، Mn، وأحيانًا الميكروسبائكية) من قابلية التصلب ومقاومة التلطيف، ومع الكربون، يتحكم في مستويات القوة الممكن تحقيقها.
كيف يؤثر السبيكة على الخصائص: - يزيد الكربون من القوة وقابلية التصلب ولكنه يقلل من المرونة وقابلية اللحام. - يزيد الكروم من قابلية التصلب، والقوة، ومقاومة التلطيف ويمكن أن يحسن مقاومة التآكل بعد تصلب السطح. - يساهم المنغنيز في قابلية التصلب وقوة الشد. - تعمل العناصر الميكروسبائكية (V، Nb، Ti) على تنقية حجم الحبوب، وزيادة قوة العائد عبر الترسيب، وتحسين قوة التعب.
3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية
تختلف الميكروهياكل واستجابات المعالجة الحرارية النموذجية بسبب مستوى الكربون والسبيكة:
- 20Cr:
- كما هو مدلفن/معتدل: هيكل ميكروهيكلي من الفريت–بيرلايت مع حبوب دقيقة نسبيًا إذا تم التحكم في الدرفلة أو المعالجة.
- بعد المعالجة بالكروم والتبريد: حالة مارتنسيتية صلبة/معالجة بالكروم مع قلب أكثر صلابة وأقل كربونًا (مارتنسيت معالج أو باينيت معالج حسب دورة التبريد/التلطيف).
-
التبريد والتلطيف (حجم كبير): يمكن أن ينتج مارتنسيت معالج بقوة معتدلة وصلابة جيدة عند التلطيف بشكل كافٍ.
-
30Cr:
- كما هو مدلفن/معتدل: نسبة أعلى من البيرلايت وهياكل ميكروية متحولة أدق من 20Cr لتبريد مماثل بسبب قابلية التصلب الأعلى.
- بعد المعالجة بالكروم/التبريد المتماثل: حالة قابلة للتصلب أعمق وقوة أعلى للحالة/القلب بسبب الكربون والكروم الأعلى؛ قد يتحول القلب إلى مارتنسيت بشكل أسرع من 20Cr ما لم يكن التبريد بطيئًا.
- التبريد والتلطيف (حجم كبير): يحقق مستويات قوة أعلى عند درجات حرارة تلطيف مماثلة ولكنه يتطلب تلطيفًا دقيقًا للحفاظ على صلابة مقبولة.
اعتبارات المعالجة الحرارية: - تستخدم المعالجة بالكروم على نطاق واسع مع كلا الدرجتين؛ غالبًا ما يتم تحديد 20Cr حيث يتطلب الأمر حالة صلبة نسبيًا مع قلب قوي. يتم اختيار 30Cr حيث تكون الحالة أعمق أو قوة القلب أعلى دون زيادة حجم المقطع. - تحسين المعالجة قبل المعالجة الحرارية النهائية من حيث التوحيد. تؤثر وسائط التبريد وحجم مقطع الجزء على الصلابة النهائية، خاصة بالنسبة لـ 20Cr الذي لديه قابلية تصلب أقل. - يقلل التلطيف من الصلابة ويحسن الصلابة؛ يتطلب 30Cr أنظمة تلطيف مضبوطة لتجنب الهشاشة المفرطة الناتجة عن محتوى الكربون الأعلى.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية بشكل كبير على المعالجة الحرارية وحجم المقطع. يقدم الجدول أدناه نطاقات تمثيلية للقطع المعالجة بالتبريد والتلطيف أو الأجزاء المعالجة بالكروم والتلطيف؛ استخدم بيانات الاختبار المعتمدة للتصميم.
| الخاصية | 20Cr (نطاق نموذجي) | 30Cr (نطاق نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميجا باسكال) | 600 – 950 | 700 – 1100 |
| قوة العائد (0.2% إثبات، ميجا باسكال) | 350 – 700 | 450 – 850 |
| التمدد (%) | 12 – 20 | 8 – 16 |
| صلابة التأثير (شاربي V-notch، J) | متوسطة إلى جيدة (تختلف حسب التلطيف) | عموماً أقل من 20Cr عند نفس الصلابة |
| الصلابة (HRC أو HB) | قلب معالج: HRC ~20–40؛ حالة معالجة بالكروم: HRC 55–62 | قلب معالج: HRC ~22–44؛ حالة معالجة بالكروم: HRC 58–64 |
التفسير: - عادةً ما يكون 30Cr أعلى في القوة وقابلية التصلب بسبب زيادة الكربون والكروم؛ يمكن أن يحقق مستويات أعلى من قوة الشد والعائد، ولكن قد تكون المرونة وصلابة التأثير عند صلابة معينة أقل قليلاً من 20Cr. - غالبًا ما يقدم 20Cr توازنًا أفضل بين الصلابة وقابلية اللحام للتطبيقات التي لا تتطلب أقصى قوة مطلقة. - دائمًا ما يجب الرجوع إلى شهادات المواد من المورد وإجراء اختبارات على مستوى المكونات للتطبيقات الحرجة (التعب، التأثير عند درجات حرارة منخفضة).
5. قابلية اللحام
العوامل الرئيسية التي تؤثر على قابلية اللحام هي محتوى الكربون، والسبيكة الفعالة، والسماكة، والمعالجات الحرارية قبل/بعد اللحام. اثنان من المؤشرات التجريبية المستخدمة بشكل شائع هما معادل الكربون IIW وصيغة Pcm:
-
استخدام معادل الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (أكثر تحفظًا بالنسبة لعرض قابلية اللحام للتشقق): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - سيكون 20Cr، بمحتوى كربون أقل ومحتوى سبيكة أقل قليلاً، لديه $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ أقل، وبالتالي سلوك أفضل عند اللحام. متطلبات التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) أقل من 30Cr. - يزيد 30Cr، بمحتوى كربون وكروم أعلى، من قابلية التصلب وخطر تشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري (HAZ)؛ غالبًا ما يتطلب تسخينًا مسبقًا أعلى، ودرجات حرارة بينية مضبوطة، وفي كثير من الحالات PWHT لتجنب التشقق واستعادة الصلابة. - بالنسبة لكلا الدرجتين، يجب عدم لحام الأسطح المعالجة بالكروم دون إجراءات خاصة؛ يمكن أن تؤدي اللحام إلى تغيير الكربون المحلي وإنتاج مناطق هشة. إذا كانت اللحام ضرورية، اتبع الإجراءات المؤهلة وأجرِ اختبارات صلابة منطقة التأثير الحراري.
6. التآكل وحماية السطح
- لا يعتبر كل من 20Cr و 30Cr فولاذ مقاوم للصدأ؛ كلاهما يعتبر فولاذ كربوني/سبائكي ولديه مقاومة محدودة للتآكل.
- استراتيجيات الحماية النموذجية:
- طلاءات السطح: يمكن استخدام الزنك، أو الطلاء الكهربائي، أو الطلاءات التحويلية حسب البيئة.
- الدهانات والطلاءات الصناعية: أنظمة الإيبوكسي، والبولي يوريثان للحماية الجوية.
- أسطح معالجة بالكروم: بعد المعالجة بالكروم، يتم أحيانًا تطبيق طلاءات إضافية لحماية التآكل، مع الاعتراف بأن الطلاءات يجب أن تتحمل صلابة السطح.
- PREN (عدد مقاومة التآكل) ينطبق على الدرجات المقاومة للصدأ وليس له صلة بـ 20Cr/30Cr في أشكالها القياسية: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ استخدام PREN ليس له معنى بالنسبة لهذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ.
7. التصنيع، وقابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- يتمتع 20Cr عمومًا بقابلية تشغيل أسهل بسبب محتوى الكربون الأقل وقابلية التصلب الأقل قليلاً.
- يمكن أن يكون 30Cr أكثر خشونة على الأدوات بعد المعالجة الحرارية ويتطلب سرعات قطع أبطأ أو أدوات أكثر صلابة عند تشغيل الأقسام المعالجة.
- قابلية التشكيل والعمل البارد:
- يمكن العمل بكلا الدرجتين في حالات معالجة مهدئة أو معتدلة. يقلل الكربون الأعلى في 30Cr من قابلية التشكيل؛ يجب أن يتم التشكيل في حالات معالجة حرارية أكثر ليونة.
- الطحن والتشطيب:
- تتطلب الحالات المعالجة بالكروم والمعالجة صقلًا باستخدام أدوات الماس أو CBN لطحن فعال. يكون التشطيب السطحي لتحقيق عمر التعب المطلوب أكثر تحديًا على الحالات الأعمق والأكثر صلابة (شائع مع 30Cr).
- تشوه المعالجة الحرارية:
- يمكن أن تزيد قابلية التصلب الأعلى والضغوط المحتفظ بها في 30Cr من الحساسية للتشوه أثناء التبريد والتلطيف مقارنةً بـ 20Cr؛ التحكم في العملية والتثبيت مهمان.
8. التطبيقات النموذجية
| 20Cr – الاستخدامات النموذجية | 30Cr – الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| تروس متوسطة التحميل، ومحاور، ومحاور مسننة، وتروس حيث تتطلب صلابة القلب الجيدة والتحكم في التكلفة | تروس ثقيلة، ومحاور ذات قطر أكبر، ودبابيس ومحاور عالية التحميل حيث تتطلب صلابة القلب الأعلى وتصلب الحالة الأعمق |
| مكونات نقل الحركة في السيارات ذات الأحمال المتوسطة | محاور رئيسية لصندوق التروس ومكونات قيادة الآلات الثقيلة التي تتطلب قوة تعب أعلى |
| أجزاء معالجة بالكروم للاستخدام العام حيث تعتبر قابلية التشغيل وقابلية اللحام من الاعتبارات | التطبيقات التي تسمح فيها زيادة قابلية التصلب بتبسيط التصميم (أقسام أكثر سمكًا، أقل سبائك في أماكن أخرى) |
مبررات الاختيار: - اختر 20Cr للمكونات حيث تكون الصلابة، وسهولة التشغيل/اللحام، وتكلفة المواد الأقل هي الأولويات، وحيث يكون حجم المقطع صغيرًا إلى متوسط. - اختر 30Cr عندما يتطلب التصميم قوة حجمية أعلى، أو تصلب أعمق، أو مقاومة تعب أعلى في مقاطع عرضية أكبر.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة:
- عادةً ما يكون سعر 30Cr أعلى قليلاً من 20Cr بسبب محتوى السبيكة الأعلى والرقابة المحتملة الأكثر صرامة المطلوبة لتحقيق قوة أعلى.
- تعتمد الفجوة السعرية على تكاليف عناصر السبيكة في السوق وحجم الطلب.
- التوافر:
- يتم إنتاج كلا الدرجتين على نطاق واسع في العديد من أسواق الفولاذ (البار، والسبائك، والألواح) ولكن قد يختلف توافر الأحجام المحددة، وظروف السطح (مهدئة، معتدلة، معالجة مسبقة)، أو المتغيرات الميكروسبائكية حسب المنطقة والمصنع.
- نصيحة الشراء: حدد حالة المعالجة الحرارية المطلوبة وتقارير اختبار المصنع المعتمدة؛ بالنسبة للمكونات الحرجة، اطلب شهادات اختبار ميكانيكية وتحليل كيميائي.
10. الملخص والتوصية
| الجانب | 20Cr | 30Cr |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (CE أقل، تحكم أسهل في التسخين المسبق) | أقل (CE أعلى، يحتاج إلى مزيد من التسخين المسبق/PWHT) |
| توازن القوة–الصلابة | صلابة جيدة عند قوة معتدلة | قوة أعلى، مرونة/صلابة أقل قليلاً عند نفس الصلابة |
| التكلفة | أقل (بشكل عام) | أعلى (بشكل عام) |
الخلاصة والإرشادات العملية: - اختر 20Cr إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ معالجة بالكروم أو معالجة بالتبريد والتلطيف متوازن وفعال من حيث التكلفة مع صلابة قلب جيدة، وسهولة في التشغيل، وقابلية لحام أكثر تسامحًا؛ مثالي للأقسام الصغيرة إلى المتوسطة والتطبيقات التي لا تتطلب قوة قصوى. - اختر 30Cr إذا: - كان تصميمك يتطلب قوة حجمية أعلى أو قابلية تصلب أعمق (لأجزاء أكبر أو محملة بشكل كبير)، ويمكنك قبول الحاجة إلى ممارسة لحام أكثر دقة، ورقابة أكثر صرامة على المعالجة الحرارية، وتكلفة مواد أعلى قليلاً.
ملاحظة نهائية: المصطلحات 20Cr و 30Cr هي اختصارات مريحة. تحقق دائمًا من المادة المختارة مقابل المعيار المحدد أو شهادة المصنع للحصول على التركيب الكيميائي الدقيق والخصائص الميكانيكية المضمونة، وقم بتأهيل إجراءات المعالجة الحرارية واللحام للمكونات الحرجة.