20CrMo مقابل 30CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً تناقضًا بين القوة والصلابة والتكلفة وقابلية التصنيع عند اختيار الفولاذات السبيكية للمكونات الميكانيكية الحرجة. 20CrMo و30CrMo هما نوعان من الفولاذات السبيكية الكروم-الموليبدينوم التي يتم مقارنتها غالبًا للتروس والمحاور والأجزاء الهيكلية حيث تكون مقاومة التعب وقدرة التصلب العميق أو التصلب السطحي مهمة.
التمييز الرئيسي بين هذين النوعين يكمن في محتوى الكربون الاسمي والتركيز التصميمي الناتج: يتم صياغة نوع واحد بكربون أقل لتحسين اللدونة والصلابة وقابلية اللحام الأفضل؛ بينما يحتوي الآخر على كربون أعلى لتحقيق قوة أكبر بعد التبريد ودرجة صلابة أعلى بعد المعالجة الحرارية. نظرًا لأن محتويات الكروم والموليبدينوم متشابهة، يختار المصممون عادةً بينهما بناءً على توازن القوة/الصلابة المطلوب وقيود المعالجة اللاحقة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والتسميات الدولية والإقليمية الشائعة حيث تظهر هذه الأسماء:
- GB/T (الصين): 20CrMo، 30CrMo (تستخدم غالبًا في المواصفات المحلية)
- EN (أوروبا): يتم التعبير عن المعادلات عادةً كأرقام من سلسلة EN 10083 أو 1.xxxx؛ قد تختلف الأسماء المباشرة من واحد إلى واحد
- JIS (اليابان): توجد فولاذات سبيكية مشابهة ولكن تحت رموز مختلفة
- ASTM/ASME: الفولاذات السبيكية المغطاة تحت سلسلة AISI/SAE (مثل عائلة AISI 4135/4140) تقدم كيميائيات مشابهة ولكن تسميات مختلفة
- التصنيف: كل من 20CrMo و30CrMo هما فولاذات سبيكية (فولاذات منخفضة السبيكة، فولاذات Cr–Mo). ليست فولاذات مقاومة للصدأ، أو فولاذات أدوات، أو HSLA بالمعنى الأكثر دقة؛ وغالبًا ما تستخدم كفولاذات سبيكية هندسية للأجزاء المعالجة بالتبريد والتصلب أو المعالجة السطحية.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
يوفر الجدول التالي الاتجاهات التركيبية النموذجية لكلا النوعين. تختلف النطاقات الفعلية حسب المعيار والمنتج؛ استشر دائمًا شهادات المصنع للمشتريات وحسابات التصميم.
| عنصر | 20CrMo النموذجي (wt%) | 30CrMo النموذجي (wt%) | الدور / التعليق |
|---|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.27–0.34 | الكربون يتحكم بشكل أساسي في قابلية التصلب والقوة وسعة الصلابة. يحتوي 30CrMo على كربون أعلى لتحقيق صلابة أكبر بعد التبريد. |
| Mn | 0.35–0.70 | 0.40–0.70 | المنغنيز يحسن قابلية التصلب والقوة الشد. |
| Si | ≤0.35 | ≤0.35 | السيليكون للتخلص من الأكسدة؛ كميات صغيرة تقوي الفريت وتؤثر على التصلب. |
| P | ≤0.025 (الحد الأقصى) | ≤0.025 (الحد الأقصى) | الفوسفور هو شوائب متبقية - يتم الاحتفاظ بها منخفضة لتجنب الهشاشة. |
| S | ≤0.025 (الحد الأقصى) | ≤0.025 (الحد الأقصى) | الكبريت يتم التحكم فيه من أجل قابلية التشغيل؛ يتم الاحتفاظ به منخفضًا لتجنب الهشاشة الساخنة. |
| Cr | 0.80–1.20 | 0.90–1.30 | الكروم يزيد من قابلية التصلب والقوة ومقاومة التآكل. |
| Ni | ≤0.30 (غالبًا لا شيء) | ≤0.30 (غالبًا لا شيء) | النيكل نادرًا ما يكون له أهمية في هذه الدرجات. |
| Mo | 0.15–0.30 | 0.15–0.30 | الموليبدينوم يعزز قابلية التصلب والقوة عند درجات الحرارة العالية. |
| V | أثر–صغير | أثر–صغير | قد يكون الفاناديوم موجودًا بكميات منخفضة في بعض الصهرات لتحسين حجم الحبيبات. |
| Nb، Ti، B | أثر (إذا كانت مضافات دقيقة) | أثر (إذا كانت مضافات دقيقة) | المضافات الدقيقة نادرًا ما تكون في 20/30CrMo القياسية ولكن يمكن استخدامها للتحكم في حجم الحبيبات. |
| N | أثر | أثر | النيتروجين كشوائب متبقية؛ يؤثر على الصلابة بكميات صغيرة. |
كيف تؤثر السبيكة على الأداء: - الكربون: رافعة أساسية للقوة والصلابة القابلة للتحقيق؛ الكربون الأعلى يمكّن من صلابة أكبر بعد التبريد ولكنه يقلل من قابلية اللحام واللدونة. - الكروم والموليبدينوم: كلاهما يزيد من قابلية التصلب (عمق/مدى التحول المارتنسيت عند التبريد)، مقاومة التصلب، والقوة عند درجات الحرارة المرتفعة. - المنغنيز والسيليكون: يساعدان في قابلية التصلب والقوة؛ السيليكون يساعد أيضًا في معالجة الأسطح بالتشبع بالكربون. - العناصر الدقيقة المضافة تحسن حجم الحبيبات السابقة للأوستينيت ويمكن أن تحسن الصلابة دون زيادة كبيرة في القوة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية والاستجابات للعمليات الحرارية الشائعة:
- كما هو مدلفن/معتدل:
- 20CrMo: مصفوفة فريت-بيرلايت مع إمكانية وجود باينيت معالج حسب التبريد؛ الحبيبات الأكثر دقة بعد المعالجة المعتدلة تحسن الصلابة.
- 30CrMo: نسبة بيرلايت أعلى وتوزيع كربيد أكثر دقة؛ التحكم في حجم الحبيبات أثناء المعالجة المعتدلة أمر حاسم لتحقيق صلابة جيدة.
- التبريد والتصلب:
- تشكل كلا النوعين المارتنسيت عند التبريد من درجات حرارة الأوستينيت؛ التصلب يحول المارتنسيت إلى مارتنسيت معالج/باينيت معالج، مما يحدد توازن القوة–الصلابة النهائي.
- يصل 30CrMo إلى صلابة أعلى وقوة شد عند درجات حرارة تصلب قابلة للمقارنة بسبب محتوى الكربون الأعلى؛ ومع ذلك، قد يكون أكثر عرضة للهشاشة إذا لم يتم تحسين التصلب.
- تشبع الكربون (عندما تكون صلابة السطح مطلوبة):
- يمكن استخدام كلاهما كفولاذات أساسية تحت حالة مشبعة بالكربون. 20CrMo، مع كربون أساسي أقل، ينتج نواة أكثر صلابة ومرونة مقارنةً بـ30CrMo إذا تم استخدامه بشكل مشابه.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية:
- يمكن أن ينتج الدرفلة المتحكم فيها والتبريد المعجل بنى مجهرية باينيتية أو مارتنسيتية محسنة مع صلابة محسنة؛ تساعد الإضافات الدقيقة، إذا كانت موجودة، في تحسين حجم الحبيبات.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على المعالجة الحرارية. الجدول أدناه يقدم نطاقات نموذجية عامة للحالات المعالجة بالتبريد والتصلب المستخدمة في التصميم الهندسي؛ تحقق من تقارير المصنع المختبرة.
| الخاصية | 20CrMo النموذجي (Q&T) | 30CrMo النموذجي (Q&T) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~700–950 | ~800–1100 | يميل 30CrMo إلى إنتاج قوة نهائية أعلى عند تصلب مماثل. |
| قوة الخضوع (ميغاباسكال) | ~450–700 | ~500–850 | يساهم الكربون الأعلى في زيادة الخضوع بعد التبريد والتصلب في 30CrMo. |
| التمدد (%) | ~10–18% | ~8–15% | يقدم 20CrMo عمومًا لدونة أكبر. |
| صلابة التأثير (شاربي V-notch) | جيدة إلى جيدة جدًا (تعتمد على المعالجة الحرارية ودرجة حرارة الشق) | جيدة ولكن عادةً أقل من 20CrMo عند مستويات القوة المتساوية | تعتمد الصلابة على حجم الحبيبات، التصلب، والنظافة. |
| الصلابة (HRC أو HB) | متوسطة إلى عالية بعد التبريد والتصلب؛ يتم التحكم في صلابة النواة للأجزاء المشبعة | صلابة أعلى قابلة للتحقيق؛ أكثر حساسية لصدوع التبريد | تؤثر تنازلات الصلابة على قابلية التشغيل ومقاومة التآكل. |
تفسير: - 30CrMo أقوى في معظم الحالات المعالجة بالتبريد والتصلب المقارنة لأن محتوى الكربون الأعلى يزيد من نسبة المارتنسيت والصلابة. - 20CrMo عادةً ما يكون أكثر صلابة ومرونة لمستويات القوة المقارنة ومن الأسهل تحقيق صلابة جيدة مع معالجة حرارية محافظة.
5. قابلية اللحام
تتحكم قابلية اللحام بشكل كبير في المعادلة الكربونية وقابلية التصلب بسبب محتوى السبيكة.
المعادلات الشائعة المستخدمة لتقييم الكربون المعادل: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ ومعلمة أكثر تحفظًا: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير (نوعي): - نظرًا لأن 30CrMo يحتوي على كربون أعلى، فإن قيم $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ ستكون عمومًا أعلى من 20CrMo، مما يشير إلى خطر أكبر لمناطق التأثير الهشة والصدوع الباردة. غالبًا ما تتطلب درجات حرارة ما قبل التسخين والتحكم في درجات الحرارة بين اللحام لـ30CrMo. - يزيد الكروم والموليبدينوم من قابلية التصلب بالتساوي لكلا النوعين، لذا يجب أن تتناول إجراءات اللحام السبيكة التي تعزز تشكيل المارتنسيت. - 20CrMo، مع كربون أقل، عادةً ما يكون أسهل في اللحام ولكنه لا يزال يستفيد من المعالجة الحرارية قبل وبعد اللحام (PWHT) عند استخدامه في التطبيقات الحرجة عالية القوة.
6. التآكل وحماية السطح
- لا تعتبر 20CrMo ولا 30CrMo درجات مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل محدودة وقابلة للمقارنة مع فولاذات سبيكية منخفضة أخرى.
- استراتيجيات الحماية النموذجية:
- طلاءات السطح: الغلفنة الساخنة، أنظمة الطلاء، الطلاء بالمسحوق، أو الطلاءات المقاومة للتآكل المتخصصة.
- التغطية: للمكونات التي تتطلب حماية من التآكل الخفيف والتآكل.
- اعتبارات التصميم: الصرف، تجنب الشقوق، والأنودات التضحية في البيئات البحرية أو العدوانية.
- PREN (عدد مقاومة التآكل) له معنى فقط بالنسبة للدرجات المقاومة للصدأ وليس له تطبيق على هذه الفولاذات السبيكية Cr–Mo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لا ينبغي استخدام هذا المؤشر للفولاذات غير المقاومة للصدأ مثل 20CrMo/30CrMo.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- عادةً ما يتم تشغيل 20CrMo (كربون أقل) بشكل أكثر سهولة ولفترة أطول من عمر الأداة مقارنةً بـ30CrMo؛ ومع ذلك، فإن كلاهما أصعب في التشغيل من الفولاذات الكربونية العادية ذات RU القابلة للمقارنة بسبب السبيكة.
- تقلل مستويات الصلابة الأعلى (سواء كانت معالجة بالتبريد أو لم يتم تصلبها بالكامل) من قابلية التشغيل وتزيد من تآكل الأدوات.
- قابلية التشكيل:
- يكون التشكيل البارد أسهل مع 20CrMo بسبب الكربون الأقل واللدونة الأعلى؛ 30CrMo أقل تسامحًا وقد يتطلب قوى تشكيل أعلى أو تشكيل دافئ.
- إنهاء السطح:
- كلاهما يستجيب جيدًا للطحن والتلميع ومعالجات السطح بعد التصلب المناسب؛ التشبع بالكربون يليه تصلب منخفض الحرارة شائع لأسطح التروس.
- ملاحظة رئيسية في التصنيع: بالنسبة للتجمعات الملحومة أو المعالجة الحرارية، فإن التحكم في درجة حرارة ما بين اللحام، والتسخين المسبق، وPWHT أمر ضروري لتقليل التصدع وتحقيق الصلابة المطلوبة.
8. التطبيقات النموذجية
| 20CrMo — الاستخدامات الشائعة | 30CrMo — الاستخدامات الشائعة |
|---|---|
| محاور محملة بشكل ثقيل، طرق حيث تكون النواة الصلبة مطلوبة | محاور عالية القوة، تروس، ومكونات تتطلب صلابة أعلى بعد التبريد |
| مكونات مشبعة بالكربون مع نوى صلبة (مثل التروس الصغيرة) | مسامير عالية القوة، تروس معالجة حيث يتم التأكيد على قوة النواة |
| كتل هيكلية ومكونات تتطلب قابلية لحام جيدة وصلابة | مكونات تتعرض لأحمال ثابتة أعلى أو حيث تكون مقاومة التصلب أعلى مطلوبة |
| أجزاء ميكانيكية عامة حيث تهم قابلية التشغيل واللدونة | أجزاء تتطلب مقاومة تآكل أعلى أو ضغوط تشغيل أعلى |
مبررات الاختيار: - اختر 20CrMo عندما تكون الصلابة واللدونة وقابلية اللحام وخصائص ما بعد اللحام هي الأولويات، أو عندما تكون نواة مرنة تحت حالة مشبعة بالكربون مطلوبة. - اختر 30CrMo عندما تتطلب التطبيق قوة أعلى أو صلابة أعلى بعد التبريد، وعندما يمكن أن يتكيف التصميم والتصنيع مع ضوابط لحام ومعالجة حرارية أكثر صرامة.
9. التكلفة والتوافر
- تكلفة المواد الخام: كلا النوعين متشابهان في عناصر السبيكة (Cr، Mo)، لذا فإن اختلافات تكلفة الفولاذ الخام متواضعة؛ قد تكون 30CrMo أغلى قليلاً على أساس كل طن بسبب تأثير محتوى الكربون الأعلى على متطلبات المعالجة الحرارية اللاحقة والضوابط المحتملة الأكثر صرامة.
- تكاليف المعالجة الحرارية والمعالجة: غالبًا ما تتكبد 30CrMo تكاليف معالجة أعلى بسبب متطلبات التسخين المسبق/PWHT الأكثر صرامة وزيادة القابلية للتصدع إذا لم يتم إدارتها، وأحيانًا دورات تصلب أطول.
- التوافر حسب شكل المنتج: كلاهما متاح على نطاق واسع في أشكال القضبان، والطرق، والألواح، والحلقات من الموردين الرئيسيين؛ تعتمد أوقات التسليم على متطلبات المعالجة الحرارية والشهادات.
10. الملخص والتوصية
| السمة | 20CrMo | 30CrMo |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (CE أقل) | أقل (CE أعلى) |
| توازن القوة–الصلابة | أكثر لدونة / صلابة عند قوة مكافئة | قوة وصلابة أعلى قابلة للتحقيق، لدونة أقل |
| التكلفة (المادة + المعالجة) | متوسطة | أعلى قليلاً بشكل عام بسبب المعالجة |
التوصية: - اختر 20CrMo إذا كنت بحاجة إلى سبيكة متوازنة مع قابلية لحام أفضل، وصلابة نواة أعلى، وتصنيع أسهل، وهامش أمان أكبر ضد التصدع المرتبط بالتبريد - وهو أمر نموذجي للمكونات التي تتطلب نوى مرنة، وإجراءات لحام أبسط، أو مقاومة أفضل للتعب عند مستويات قوة معتدلة. - اختر 30CrMo إذا كان التطبيق يتطلب قوة أعلى بعد التبريد والتصلب أو صلابة نهائية أعلى (لأسباب تتعلق بالتآكل أو الحمل)، ويمكنك تحديد إجراءات لحام متحكم فيها، وتسخين مسبق كافٍ/PWHT، وضوابط صارمة للمعالجة الحرارية لتقليل التصدع وفقدان الصلابة.
ملاحظة نهائية: حدد دائمًا المعيار الدقيق، وحالة المعالجة الحرارية المطلوبة، ومعايير اختبار القبول. تحقق من شهادات المصنع، وللمكونات الحرجة، اطلب اختبارات ميكانيكية (شد، CVN)، خرائط صلابة، وبيانات مقاومة الكسر لدفعة المعالجة الحرارية الدقيقة للتحقق من افتراضات التصميم.