20Mn مقابل 40Mn – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يختار المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل متكرر بين 20Mn و 40Mn عند تحديد الفولاذات متوسطة الكربون المحتوية على المنغنيز للأعمدة والتروس والمسبوكات والأجزاء الهيكلية. عادة ما تدور معضلة الاختيار حول تحقيق التوازن بين القوة ومقاومة التآكل مقابل القابلية للتشكيل وقابلية اللحام: يتم اختيار درجة واحدة عادةً عندما تكون الأولوية للكربون المنخفض وسهولة التصنيع، بينما يتم اختيار الأخرى عندما تكون الصلابة العالية والقوة بعد التبريد مطلوبة.

من النظرة الأولى، يكمن التمييز الهندسي الرئيسي بين الدرجتين في توازن سبائك الكربون والمنغنيز والاستجابة الناتجة للصلابة والمعالجة الحرارية. تترجم هذه الاختلافات إلى هياكل مجهرية متباينة بعد المعالجة الحرارية وإلى تنازلات مختلفة بين القوة والليونة وقابلية اللحام - ومن ثم يتم مقارنتها بشكل متكرر في قرارات التصميم والمشتريات.

1. المعايير والتسميات

تشمل التسميات والمعايير الشائعة حيث تظهر درجات مثل 20Mn و 40Mn: - GB (الصين): تظهر 20Mn و 40Mn كدرجات فولاذ كربوني-منغنيزي تقليدية. - JIS (اليابان): غالبًا ما يتم الإشارة إلى الفولاذات المماثلة من خلال المعادلة الكيميائية (مثل، عائلة S20C / S45C). - SAE/AISI: المعادلات التقريبية في عائلات SAE 10xx و 104x (مثل، 1020 ~ كربون منخفض؛ 1040 ~ كربون متوسط). - EN (أوروبا): أدوار مماثلة تأخذها أنواع EN Ckxx أو C45 مع اختلافات في المنغنيز.

التصنيف: كل من 20Mn و 40Mn هما فولاذات سبائك كربونية/منغنيزية (ليست مقاومة للصدأ، ليست HSLA بالمعنى الحديث، وليست فولاذات أدوات). يتم استخدامها عادة كفولاذات هيكلية/هندسية متوسطة الكربون مخصصة للمعالجة الحرارية (التبريد والتقسية) أو التشغيل/المسبوكات بعد التطبيع.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوضح الجدول أدناه العناصر السبائكية النموذجية وإشارات النطاق النوعية أو النموذجية. تعتمد التركيب الدقيق على إصدار المعيار وممارسات المصنع؛ تحقق دائمًا من شهادات المواد للمشتريات.

العنصر	الدور النموذجي	20Mn (النطاق النموذجي)	40Mn (النطاق النموذجي)
C	القوة، الصلابة، الصلابة بعد التبريد	منخفض (~0.16–0.24 wt%)	متوسط–عالي (~0.36–0.44 wt%)
Mn	تقوية المحلول الصلب، الصلابة، إزالة الأكسدة	متوسط (~0.7–1.2 wt%)	متوسط (~0.6–1.0 wt%)
Si	مزيل للأكسدة، قوة	≤0.35 wt% (عادة منخفض)	≤0.35 wt% (عادة منخفض)
P	شوائب؛ خطر الهشاشة	≤0.035 wt%	≤0.035 wt%
S	شوائب؛ مضاف لتحسين القابلية للتشغيل عند ارتفاعها	≤0.035 wt%	≤0.035 wt%
Cr	الصلابة، مقاومة التآكل (إذا كانت موجودة)	عادة ≤0.25 wt%	عادة ≤0.25 wt%
Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	معدلات تعديل الصلابة/السبائك الدقيقة (إذا كانت موجودة)	أثر ضئيل أو غائب في الدرجات الأساسية	أثر ضئيل أو غائب في الدرجات الأساسية

ملاحظات: - النطاقات الرقمية أعلاه تمثل الدرجات التقليدية 20Mn و 40Mn التي تم مواجهتها في ممارسات GB/JIS/الصناعة؛ هناك عدة متغيرات ومنتجات حرارية ميكانيكية مع كيمياء معدلة. - تستهدف 20Mn عادة كربونًا أقل لتحسين قابلية اللحام والليونة، مع توفير المنغنيز بعض التقوية والصلابة. - تستهدف 40Mn كربونًا أعلى لتمكين صلابة أعلى بعد التبريد ومقاومة تآكل أعلى؛ لا يزال المنغنيز يساعد في الصلابة والقوة ولكن يمكن أن يضعف قابلية اللحام إذا تم دمجه مع كربون أعلى.

تأثيرات السبائك ملخصة: - يزيد الكربون من القوة والصلابة ولكنه يقلل من الليونة وقابلية اللحام. - يزيد المنغنيز من الصلابة وقوة الشد؛ يمكن أن يزيد المنغنيز الزائد من خطر الانفصال والهشاشة الباردة إذا لم يتم التحكم فيه. - تعمل العناصر الدقيقة (V، Nb، Ti) على تحسين الحبيبات وتحسين القوة/الصلابة ولكنها ليست جوهرية في الدرجات الأساسية 20Mn/40Mn ما لم يتم تحديدها.

3. الهيكل المجهرى واستجابة المعالجة الحرارية

الهياكل المجهرية النموذجية وكيف تؤثر طرق المعالجة عليها:

• كما تم دحرجتها أو تم تطبيعها:
• 20Mn: بشكل أساسي فيريتي + بيرلايت مع بيرلايت خشن نسبيًا إذا تم تبريده ببطء؛ ليونة جيدة.

• 40Mn: فيريتي + بيرلايت مع نسبة بيرلايت أعلى وبيرلايت أدق عند التبريد بشكل أسرع؛ صلابة أعلى من 20Mn في الحالة المطبوعة.

• التطبيع:

• تعمل كلتا الدرجتين على تحسين حجم الحبيبات وإنتاج نسبة أكثر تجانسًا من الفيريتي-بيرلايت أو المارتنسيت المقسى بعد التبريد. يزيد التطبيع من القوة مقارنة بالتطبيع ويحسن اتساق القابلية للتشغيل.

• التبريد والتقسية:

• 20Mn: صلابة مارتنسيت نهائية أقل عند نفس شدة التبريد بسبب محتوى الكربون المنخفض؛ تستعيد التقسية الصلابة مع الحفاظ على قوة معتدلة.
• 40Mn: ينتج عن الكربون الأعلى صلابة مارتنسيت أكبر وقوة نهائية أعلى بعد التبريد؛ يتطلب تقسية دقيقة لتجنب الهشاشة المفرطة.

• تتأثر الصلابة لسمك القسم المعطى بالمنغنيز؛ يزيد الكربون الأعلى في 40Mn من الصلابة الممكنة؛ يؤثر محتوى المنغنيز على القطر الحرج (D-I) وعمق الصلابة.

• المعالجة الحرارية الميكانيكية:

• يمكن أن تؤدي الدرفلة المتحكم فيها والتبريد المعجل إلى إنتاج خليط من الباينيت/المارتنسيت في كلتا الدرجتين؛ من المرجح أن تشكل 40Mn هياكل مجهرية أكثر صلابة عند معدلات تبريد متساوية.

ملاحظات التحكم في الهيكل المجهرى: - يعد التحكم في حجم الحبيبات وحماية إزالة الكربون أمرًا حاسمًا عندما تكون الصلابة العالية مطلوبة. - بالنسبة للأقسام الأكثر سمكًا، يزيد الكربون الأعلى في 40Mn من خطر المارتنسيت الصلب والهش في منطقة التأثير الحراري (HAZ) أثناء اللحام.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد النتائج الميكانيكية على المعالجة الحرارية وحجم القسم. يقدم الجدول مقارنة نوعية نموذجية ونطاقات إرشادية للعلاجات الشائعة؛ تحقق من تقارير اختبار المصنع.

الخاصية	20Mn (نموذجي، مطبوخ/مُطبع/مُبرد+مُقسى)	40Mn (نموذجي، مطبوخ/مُطبع/مُبرد+مُقسى)
قوة الشد	متوسطة (مطبوخة ~350–550 ميجا باسكال؛ يمكن رفعها عبر Q&T)	أعلى (مطبوخة/مُطبع ~500–800 ميجا باسكال بعد Q&T أعلى بعد)
قوة العائد	متوسطة	أعلى
التمدد (موحد/إجمالي)	ليونة أعلى (قيم تمدد أفضل)	تمدد أقل مقارنة بـ 20Mn عند مستويات قوة مماثلة
صلابة التأثير	جيدة في الحالة المطبوخة/المُطبع؛ تحتفظ بالصلابة بعد التقسية	صلابة أقل عند قوة مكافئة بسبب محتوى الكربون الأعلى؛ يتطلب استراتيجيات تقسية
الصلابة (HRC/HB)	صلابة نهائية أقل قابلة للتحقيق للتبريد المعطى؛ أسهل في التشغيل	صلابة أعلى قابلة للتحقيق بعد التبريد؛ مقاومة أكبر للتآكل ولكن أقل قابلية للتشغيل عند التقسية

التفسير: - عادةً ما تحقق 40Mn قوة وصلابة أعلى بسبب كربونها الأعلى؛ يفضل استخدامها حيث تكون مقاومة التآكل وسعة التحميل ذات أولوية. - تقدم 20Mn ليونة أفضل وقابلية لحام عمومًا أفضل، مما يجعلها مناسبة للمكونات التي تتطلب التشكيل أو الانضمام مع خطر أقل من تشقق منطقة التأثير الحراري.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على المعادل الكربوني والسبائك الدقيقة. مؤشرين شائعين:

• المعادل الكربوني لمعهد اللحام الدولي: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Dearden & O'Neill/Pcm (المعادل الكربوني العملي) للفولاذات: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - عادةً ما تنتج 20Mn معادل كربوني أقل من 40Mn (بسبب الكربون المنخفض)، لذا لمستويات المنغنيز المماثلة، تتمتع 20Mn بقابلية لحام أفضل، ومتطلبات تسخين مسبق أقل، وتقليل خطر تشقق منطقة التأثير الحراري. - يزيد الكربون الأعلى في 40Mn من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$، مما يزيد من الحاجة إلى التسخين المسبق، والتحكم في إدخال الحرارة، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT)، أو اختيار المواد المضافة المصممة لتقليل صلابة منطقة التأثير الحراري. - إذا كانت هناك إضافات سبائكية دقيقة (مثل V، Nb)، فإنها تزيد هذه المؤشرات قليلاً وتتطلب تحكمًا أكثر دقة في اللحام.

أفضل الممارسات: - بالنسبة لـ 40Mn، استخدم التسخين المسبق والتحكم في درجة حرارة التداخل، والمواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين، واعتبر PWHT إذا كانت القوة العالية أو الصلابة الحرجة مطلوبة. - بالنسبة لـ 20Mn، غالبًا ما تكون إجراءات اللحام القياسية مع تسخين مسبق معتدل كافية للأبعاد الشائعة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا 20Mn ولا 40Mn مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل نموذجية للفولاذ الكربوني وتتطلب حماية في البيئات التآكلية.
• استراتيجيات حماية السطح:
• التغليف بالغمس الساخن للتعرض الجوي.
• التغطية بالزنك، أنظمة الطلاء، الطلاءات المسحوقة، أو البرايمرات العضوية/غير العضوية لحماية إضافية.
• الحماية الكاثودية أو الطلاءات المتخصصة للبيئات البحرية أو الكيميائية العدوانية.

مؤشرات الفولاذ المقاوم للصدأ مثل PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لا تنطبق على 20Mn أو 40Mn لأن هذه ليست سبائك مقاومة للصدأ وتحتوي على كميات ضئيلة من Cr أو Mo أو N لمقاومة التآكل. للخدمة التآكلية، اختر سبيكة مقاومة للصدأ أو طبق الطلاءات الواقية المناسبة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، والقابلية للتشكيل

• قابلية التشغيل:
• تعمل 20Mn (الكربون المنخفض) بشكل أسهل في الحالة المطبوخة؛ تدوم أدوات القطع لفترة أطول ويمكن أن تكون التغذية/السرعات أعلى.
• تكون 40Mn، خاصة عند تطبيعها أو تقسيها، أكثر صعوبة على الأدوات؛ تنخفض قابلية التشغيل مع زيادة الصلابة.
• القابلية للتشكيل والانحناء:
• تتمتع 20Mn بقابلية تشكيل باردة أفضل وسلوك ارتداد بسبب زيادة الليونة.
• تكون 40Mn أقل قابلية للتشكيل؛ قد يكون التسخين المسبق أو التشكيل الساخن مفضلًا للأشكال المعقدة.
• التشطيب:
• تستجيب كلتا الدرجتين بشكل جيد للتشطيب السطحي التقليدي؛ قد تتطلب 40Mn المقواة الطحن بدلاً من الدوران لتحقيق تشطيبات سطحية دقيقة.

توصية التصنيع: - عندما تكون دقة التشغيل الضيقة مطلوبة مع الحد الأدنى من تآكل الأدوات، حدد 20Mn في حالة أكثر ليونة أو اطلب درجات حرارة متوسطة. - بالنسبة للمكونات التي تتطلب تقسية نهائية ومقاومة للتآكل، حدد 40Mn مع طرق التبريد والتقسية المناسبة واعتبر تكاليف المعالجة/المعالجة الحرارية بعد التشغيل.

8. التطبيقات النموذجية

20Mn – الاستخدامات النموذجية	40Mn – الاستخدامات النموذجية
الأعمدة، الدبابيس، المحاور، التروس ذات الحمولة الخفيفة، المكونات المسبوكة العامة حيث تكون الليونة وقابلية اللحام مهمة	الأعمدة ذات الحمولة الثقيلة، التروس المبرّدة والمقواة، أجزاء مقاومة للتآكل، المسبوكات عالية القوة التي تتطلب صلابة أعلى
الأجزاء الهيكلية التي سيتم لحامها وتحتاج إلى قوة معتدلة	المكونات التي تحتاج إلى قوة أعلى بعد التبريد ومقاومة للتآكل (مثل، عناصر الأسطوانة، التروس الثقيلة)
الأجزاء المشكّلة باردة والأجزاء التي تتطلب تشغيل ثانوي	الأجزاء المعرضة لضغط اتصال عالي حيث تكون الصلابة ومقاومة التعب مطلوبة بعد المعالجة الحرارية

مبررات الاختيار: - اختر 20Mn للتصاميم التي تعطي الأولوية للتشكيل واللحام والصلابة مع متطلبات قوة معتدلة. - اختر 40Mn للأجزاء التي تكون فيها القوة الأعلى ومقاومة التآكل بعد التقسية هي القضايا الرئيسية حيث يمكن تنفيذ إجراءات اللحام/المعالجة الحرارية المتحكم فيها.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة:
• عادةً ما تكون 20Mn أقل تكلفة في دورة الحياة الإجمالية حيث يكون اللحام والمعالجة الحرارية الأقل عدوانية مرغوبة، لأن الكربون المنخفض يقلل من تكاليف المعالجة الحرارية/PWHT والرفض.
• يمكن أن تكون 40Mn أكثر تكلفة في المعالجة بسبب ضوابط المعالجة الحرارية واللحام الأكثر صرامة، وخطوات التشغيل/التقسية الإضافية المحتملة.
• التوافر:
• كلا الدرجتين شائعتان في المناطق التي لديها إنتاج فولاذ كربوني راسخ (مثل، آسيا، أوروبا).
• يعتمد توافر شكل المنتج (البار، المسبوكات، اللوحات) على جداول إنتاج المصنع؛ قد تكون 20Mn أكثر توفرًا في أشكال القضبان واللفائف المطبوخة منخفضة التكلفة، بينما تتوفر 40Mn على نطاق واسع كمسبوكات وقضبان قابلة للمعالجة الحرارية.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (تقييمات نوعية: جيد / معتدل / ضعيف)

الجانب	20Mn	40Mn
قابلية اللحام	جيدة	معتدلة → تتطلب تسخين مسبق/PWHT
القوة–الصلابة (إمكانات بعد التبريد)	معتدلة	عالية
الصلابة (عند قوة مكافئة)	أفضل	أقل (ما لم يتم تحسين التقسية)
قابلية التشغيل (مطبوخة)	جيدة	معتدلة–ضعيفة عند التقسية
التكلفة (المعالجة & HT)	أقل	أعلى (بسبب ضوابط HT/اللحام)

الاستنتاجات: - اختر 20Mn إذا كنت بحاجة إلى: قابلية لحام وتشكيل أفضل، ليونة أعلى، إنتاج أبسط وخطر أقل من تشقق منطقة التأثير الحراري - وهو أمر نموذجي للتصنيع الملحوم، والأجزاء المشكّلة، والتطبيقات حيث تكفي القوة المعتدلة. - اختر 40Mn إذا كنت بحاجة إلى: قوة أعلى بعد التبريد، مقاومة أكبر للتآكل، وقوة تحمل أعلى بعد التبريد والتقسية المناسبة - وهو أمر نموذجي للتروس الثقيلة، والأعمدة، وأجزاء التآكل حيث تكون المعالجة الحرارية الصارمة واللحام المتحكم فيه مقبولة.

ملاحظة نهائية: هذه المقارنات تخطيطية؛ تعتمد الأداء الفعلي على التركيب الكيميائي الدقيق، وحجم القسم، ودورة المعالجة الحرارية، وظروف الخدمة. تحقق دائمًا من الشهادات الكيميائية والميكانيكية الكاملة للمصنع، وللتطبيقات الحرجة، قم بإجراء تجارب محددة للتطبيق (تأهيل إجراء اللحام، رسم خرائط الصلابة، اختبار الصلابة) قبل الإنتاج الكامل.