30CrMo مقابل 35CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
30CrMo و 35CrMo هما فولاذان سبائكيان من الكروم والموليبدينوم يتم تحديدهما عادةً للمكونات المصنوعة بالطرق أو الميكانيكية التي تتطلب قوة ومتانة أعلى من الفولاذ الكربوني العادي. عادةً ما يختار المهندسون والمحترفون في الشراء بينهما عند الموازنة بين مقاومة التعب والتآكل مقابل القابلية للتصنيع والتكلفة - تشمل الأمثلة الأعمدة، والتروس، وقضبان التوصيل، والمثبتات عالية القوة.
المعضلة الرئيسية في الاختيار هي الأداء الميكانيكي: يتم تحديد 35CrMo لقوة أعلى بعد التبريد ومقاومة التآكل، بينما يوفر 30CrMo توازنًا أكثر ملاءمة قليلاً من اللدونة والمتانة وقابلية اللحام للعديد من التطبيقات. يتم مقارنة هذين الدرجتين بشكل متكرر لأنهما يشتركان في نفس نظام السبائك (Cr–Mo) وطرق المعالجة، ولكنهما يختلفان بشكل أساسي في محتوى الكربون وبالتالي في القوة القابلة للتحقيق وقابلية التصلب.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والتسميات النموذجية حيث تظهر هذه الدرجات:
- GB/T (الصين): 30CrMo، 35CrMo (درجات فولاذ سبائكي وطنية مستخدمة بشكل شائع).
- EN: وظيفة مشابهة لسلسلة EN 34CrMo4/42CrMo4 (معادلات مقارنة، ليست بالضرورة 1:1).
- JIS: هناك فولاذات كروم-موليبدينوم في عائلة JIS، لكن المعادلات الاسمية المباشرة تختلف.
- ASTM/ASME: لا توجد معادلات رقمية فردية مباشرة من ASTM؛ يمكن العثور على درجات قابلة للمقارنة في عائلة AISI/SAE 4130/4140 كمرجع هندسي.
- التصنيف: كل من 30CrMo و 35CrMo هما فولاذان سبائكيان منخفضا السبيكة، تم تبريدهما ومعالجتهما (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس فولاذ أدوات، وليس HSLA بالمعنى الدقيق). تم تصميمهما لتحقيق قوة عالية وقابلية تصلب جيدة.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
جدول: نطاقات التركيب النموذجية (نسبة الوزن %). القيم المعروضة هي نطاقات تمثيلية مستخدمة عادةً في المواصفات لهذه الدرجات على نمط GB.
| عنصر | 30CrMo (نطاق نموذجي) | 35CrMo (نطاق نموذجي) |
|---|---|---|
| C | 0.27 – 0.34 | 0.32 – 0.40 |
| Mn | 0.50 – 0.80 | 0.50 – 0.90 |
| Si | 0.17 – 0.37 | 0.17 – 0.37 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.80 – 1.10 | 0.80 – 1.10 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | 0.15 – 0.25 | 0.15 – 0.25 |
| V | — (عادةً ≤ 0.05 إذا كانت موجودة) | — (عادةً ≤ 0.05 إذا كانت موجودة) |
| Nb, Ti, B, N | أثر أو غير محدد | أثر أو غير محدد |
ملاحظات: - تأتي الغالبية العظمى من الفرق الميكانيكي من محتوى الكربون (C): يحتوي 35CrMo على كربون أكثر من 30CrMo، مما يزيد من قوة التبريد المحتملة والصلابة. - يزيد الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo) من قابلية التصلب، وقوة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التصلب؛ كما أنها تحسن مقاومة التصلب الناعم مقارنة بالفولاذ الكربوني العادي. - يساهم السيليكون (Si) والمنغنيز (Mn) في القوة وإزالة الأكسدة؛ يزيد المنغنيز الزائد من قابلية التصلب ويؤثر على قابلية اللحام. - قد تظهر عناصر مثل V و Nb و Ti بمستويات منخفضة في متغيرات محددة لتحسين حجم الحبيبات وزيادة المتانة أو مقاومة الزحف.
كيف تؤثر السبائك على الأداء: - يزيد الكربون من القوة والصلابة ولكنه يقلل من اللدونة وقابلية اللحام إذا زاد بشكل مفرط. - يعزز Cr و Mo من قابلية التصلب (مما يسمح بالتصلب الكامل في الأقسام الأكبر) ومقاومة التصلب؛ يعتبر Mo مهمًا بشكل خاص للحفاظ على القوة بعد التصلب. - يعد التحكم في العناصر الطفيلية (P و S) وتوازن Mn/Si أمرًا حيويًا لمتانة التأثير وجودة التشكيل.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة المعالجة أو العادية، تظهر كلتا الدرجتين مزيجًا من الفريت والبيرلايت مع حجم الحبيبات المتأثر بمعلمات التشكيل والمعالجة العادية. - بعد التبريد من درجة حرارة الأوستنيت، تتشكل كلتا الدرجتين المارتنسيت (أو الباينيت حسب حجم القسم ومعدل التبريد)، حيث ينتج 35CrMo نسبة أعلى من المارتنسيت غير المعالج للتبريد المعطى بسبب محتواه الأعلى من الكربون. - التحميص المناسب يحول المارتنسيت إلى مارتنسيت معالج (تشتت السمنتيت داخل مصفوفة فريتية)، مما يحدد التوازن النهائي بين القوة والمتانة.
طرق المعالجة الحرارية وتأثيراتها: - المعالجة العادية: تحسن حجم الحبيبات، وتحسن التوحيد الميكانيكي؛ تستخدم كمعالجة مسبقة للتشكيل ولضمان بنية مجهرية متسقة قبل التبريد. - التبريد والتحميص (Q&T): الطريق الرئيسي لكلا السبيكتين للوصول إلى قوة عالية. درجات حرارة التحميص الأعلى تقلل من الصلابة وتزيد من اللدونة والمتانة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن تحسن دورات التشكيل والتبريد المتحكم فيها من تحسين الحبيبات والمتانة الناتجة؛ تستفيد كلتا السبيكتين من الدرفلة المتحكم فيها تليها معالجة حرارية مناسبة لتعظيم خصائص التعب والتأثير. - الأثر العملي: نظرًا لأن 35CrMo يحتوي على كربون أعلى، يتطلب التحكم الدقيق في الأوستنيت، وشدة التبريد، والتحميص لتجنب الهشاشة المفرطة. 30CrMo أكثر تسامحًا قليلاً أثناء المعالجة الحرارية إذا كانت المتانة حرجة.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: الخصائص الميكانيكية المقارنة (نطاقات نوعية واتجاه). تعتمد القيم المطلقة بشكل كبير على شكل المنتج والمعالجة الحرارية؛ يشير الجدول إلى السلوك النسبي النموذجي بعد عمليات التبريد والتحميص القابلة للمقارنة.
| خاصية | 30CrMo | 35CrMo |
|---|---|---|
| قوة الشد | عالية (مناسبة للأجزاء الثقيلة) | أعلى (إمكانات قوة نهائية أكبر) |
| قوة الخضوع | متوسطة–عالية | أعلى (لنفس صلابة التحميص) |
| التمدد (اللدونة) | لدونة أفضل | لدونة أقل مقارنة بـ 30CrMo |
| متانة التأثير | عادةً أعلى (تحت قوة مكافئة) | أقل ما لم يتم تحسين التحميص من أجل المتانة |
| الصلابة (بعد Q&T) | عالية قابلة للتحقيق | أعلى قابلة للتحقيق؛ قابلية تصلب أكبر |
تفسير: - يزيد محتوى الكربون الأعلى في 35CrMo من قابلية التصلب والقوة القابلة للتحقيق بعد التبريد والتحميص. وهذا يجعله مفضلًا حيث يتوقع تحميلات ثابتة أو تعب أعلى. - عادةً ما يظهر 30CrMo لدونة أفضل ومتانة تأثير عند نفس مستوى القوة الاسمي بسبب محتواه المنخفض من الكربون وهشاشة المارتنسيت الأقل قليلاً بعد التبريد. - يجب على المصممين اختيار معلمات المعالجة الحرارية لتلبية التركيبة المطلوبة من القوة والمتانة؛ على سبيل المثال، يؤدي التحميص عند درجات حرارة أعلى إلى استعادة اللدونة ولكنه يقلل من القوة القصوى.
5. قابلية اللحام
تتأثر قابلية اللحام بشكل كبير بمعادل الكربون وقابلية التصلب. بالنسبة للفولاذ السبائكي، تساعد الصيغ التجريبية القياسية في تقييم احتياجات التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام:
-
معادل كربون شائع يستخدم للتجمعات الملحومة: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
معامل أكثر شمولاً لمزيج السبائك المعقدة: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير (نوعي): - نظرًا لأن 35CrMo يحتوي على كربون أعلى، فإن معادل الكربون و $P_{cm}$ سيكونان عمومًا أعلى من 30CrMo، مما يشير إلى زيادة القابلية للتشقق البارد والمناطق المتأثرة بالحرارة (HAZ) الأكثر صعوبة. - بالنسبة لكلا الدرجتين، يساهم Cr و Mo في قابلية التصلب وبالتالي يزيدان من خطر تصلب HAZ؛ لـ Mo تأثير ملحوظ على الصلابة المحتفظ بها بعد اللحام. - إرشادات اللحام العملية: التسخين المسبق، ودرجات الحرارة المتحكم فيها بين الطبقات، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) مطلوبة بشكل متكرر لكلا الدرجتين عند الانضمام إلى مكونات أكثر سمكًا من بضعة مليمترات؛ تكون المتطلبات أكثر صرامة بالنسبة لـ 35CrMo. - عندما تكون قابلية اللحام هي متطلب أساسي، غالبًا ما يفضل 30CrMo أو بدائل منخفضة الكربون (أو المعادن المالئة المتطابقة من أجل المتانة) لتقليل متطلبات PWHT.
6. التآكل وحماية السطح
- لا يعتبر كل من 30CrMo و 35CrMo فولاذًا مقاومًا للصدأ؛ لا يوفران مقاومة كبيرة للتآكل من خلال التركيب وحده.
- الحمايات النموذجية: الطلاء، الطلاء المسحوق، البرايمرات القائمة على المذيبات، والتغليف بالغمس الساخن (لبيئات معتدلة). بالنسبة للبيئات العدوانية، يجب استخدام حواجز إضافية (بطانات، أنودات تضحية) أو مخصصات للتآكل.
- إذا كانت النظائر المقاومة للصدأ قيد الاعتبار، يتم استخدام مؤشرات التآكل مثل PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN غير قابل للتطبيق على 30CrMo/35CrMo لأنها ليست مقاومة للصدأ؛ مستويات Cr و Mo فيها منخفضة جدًا ولا يوجد نيتروجين مقصود لمقاومة التآكل.
- ملاحظة عملية: يمكن تطبيق تصلب السطح (التحريض، النترجة) بعناية، لكن النترجة وتصلب الحالة تتطلب اختيار المادة الأساسية والعملية بحيث لا يتم إدخال تشوه مفرط أو التأثير على خصائص القلب.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: يميل 35CrMo إلى أن يكون أكثر صعوبة قليلاً في التشغيل في الحالة المعالجة حراريًا بسبب الصلابة الأعلى؛ في الحالة المعالجة، تعمل كلتا الدرجتين بشكل معقول جيدًا، على الرغم من أن التحكم في الرقائق وعمر الأداة يعتمد على مستويات الكربون والمنغنيز. يُوصى باستخدام أدوات كربيد وسرعات قطع مناسبة للحالات المعالجة.
- قابلية التشكيل/الانحناء: في الحالة المعالجة أو العادية، يكون 30CrMo أسهل في الانحناء/التشكيل بسبب القوة الأقل واللدونة الأعلى. يكون التشكيل البارد لهذه الفولاذات السبائكية محدودًا؛ التشكيل الساخن والمعالجة الحرارية بعد التشكيل شائعة للأشكال المعقدة.
- التشطيب: الطحن، والرش بالكرات، والمعالجات السطحية مشابهة لكلا الدرجتين؛ من الضروري الانتباه إلى الإجهاد المتبقي والتشوه أثناء التشطيب، خاصةً بالنسبة لـ 35CrMo بعد التصلب.
8. التطبيقات النموذجية
| 30CrMo — الاستخدامات النموذجية | 35CrMo — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| عمود المرفق، قضبان التوصيل، أعمدة متوسطة التحميل، فلنجات، أسطوانات هيدروليكية | أعمدة عالية التحميل، تروس ثقيلة، مثبتات عالية القوة، مكونات نقل الطاقة |
| مكونات تتطلب توازنًا بين المتانة والقوة (السيارات، الآلات) | مكونات حيث تكون القوة الثابتة/التعب الأعلى أو مقاومة التآكل مطلوبة (التعدين، الآلات الثقيلة) |
| التجمعات الملحومة حيث تتطلب المتانة بعد اللحام (مع التسخين المسبق/PWHT المناسب) | أجزاء حيث يكون التصلب الكامل والقوة الأعلى هما المحركان الرئيسيان للتصميم |
مبررات الاختيار: - اختر 30CrMo عندما يتطلب التصميم توازنًا جيدًا بين المتانة واللدونة وقابلية التشغيل مع قوة مرتفعة. - اختر 35CrMo عندما تكون قوة الشد الأعلى ومقاومة التآكل مطلوبة وعندما يمكن أن تستوعب الإنتاج إجراءات معالجة حرارية ولحام أكثر صرامة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: عادةً ما يكون 35CrMo أغلى قليلاً من 30CrMo بسبب محتوى الكربون الأعلى وأحيانًا ضوابط المعالجة الأكثر صرامة لتحقيق المتانة المحددة. ومع ذلك، فإن الفروق في تكلفة المواد الخام متواضعة؛ تساهم معالجة الحرارة وضوابط اللحام الإضافية أكثر في التكلفة الإجمالية للجزء بالنسبة لـ 35CrMo.
- التوافر: تتوفر كلتا الدرجتين عادةً في عمليات التشكيل، والشرائط، والكتل في المناطق التي يتم تخزين سبائك نمط GB فيها. يختلف التوافر حسب شكل المنتج (شرائط، تشكيل، أنابيب غير ملحومة) حسب المورد والمنطقة - قد يزيد الحصول على متغيرات خاصة مع سبائك دقيقة أو تتبع معتمد من وقت التسليم.
10. الملخص والتوصية
جدول يلخص التبادلات الرئيسية نوعيًا:
| المقياس | 30CrMo | 35CrMo |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (CE أقل) | أقل (CE أعلى؛ حاجة أكبر لـ PWHT) |
| توازن القوة–المتانة | توازن جيد؛ متانة أعلى عند معالجة مماثلة | قوة ذروة أعلى؛ قد تكون المتانة أقل ما لم يتم تحميصها بشكل مناسب |
| التكلفة (تأثير المعالجة) | خطر/تكلفة معالجة إجمالية أقل | قد تكون أعلى بسبب ضوابط معالجة/لحام أكثر صرامة |
الاستنتاجات: - اختر 30CrMo إذا كانت المتانة مع توازن ملائم بين المتانة واللدونة، وسهولة اللحام، والتحكم الأقل تطلبًا في المعالجة الحرارية هي الأولويات. تشمل التطبيقات النموذجية أعمدة متوسطة التحميل، ومكونات تتطلب بعض اللحام، وأجزاء حيث تكون مقاومة التأثير مهمة. - اختر 35CrMo إذا كانت القوة النهائية وقوة الخضوع الأعلى وزيادة قابلية التصلب ضرورية، ويمكن أن يستوعب خطة التصنيع إجراءات التبريد/التحميص واللحام الأكثر دقة. تشمل الاستخدامات النموذجية التروس الثقيلة، والمثبتات عالية القوة، والمكونات المعرضة لمطالب التعب أو التآكل الأعلى.
نصيحة عملية نهائية: بالنسبة لأي مكون حرج، حدد حالة المعالجة الحرارية المطلوبة، وحدود الصلابة، ومتطلبات تأثير شاربي (إذا كانت قابلة للتطبيق)، ومؤهلات إجراءات اللحام في وثيقة الشراء. يتم إدارة الفروق في الأداء بين 30CrMo و 35CrMo بشكل أكثر موثوقية من خلال معالجة حرارية متحكم فيها، وإجراءات لحام موثقة، وفحص (تخطيط الصلابة، أو الميتالوجرافيا، أو الاختبار الميكانيكي) بدلاً من الاعتماد فقط على أسماء الدرجات الاسمية.