40Cr مقابل 42CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يُعد 40Cr و42CrMo من الفولاذ المتوسط الكربون المستخدمَين على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية التي تتطلب توازنًا بين القوة، المتانة، والتكلفة. غالبًا ما يختار المهندسون وفرق الشراء بينهما للأعمدة، التروس، القطع المشكّلة، وأجزاء الماكينات عالية الإجهاد؛ حيث يعتمد القرار عادةً على موازنة القوة والمتانة الممكن تحقيقها (وقابلية التصلب للقطاع المقطعي) مقابل تكلفة المادة والمعالجة اللاحقة (اللحام، المعالجة الحرارية، التشغيل).

الاختلاف المعدني الرئيسي هو أن 42CrMo يحتوي على الموليبدينوم كإضافة سبائكية مقصودة بينما 40Cr هو فولاذ متوسط الكربون يحتوي أساسًا على الكروم بدون إضافة موليبدينوم متعمدة. هذا الاختلاف يزيد من قابلية التصلب ومقاومة التلدين في 42CrMo، مما يؤثر على حدود سمك المقطع لعمليات التبريد والتلدين، المتانة عند مستويات قوة مماثلة، ومتطلبات اللحام والمعالجة الحرارية. لذلك غالبًا ما تتم مقارنة هاتين الدرجتين حين يحتاج التصميم إلى تصلب أعمق أو أداء أعلى في مقاومة التعب والمتانة دون التحول إلى سبائك فولاذية أكثر تكلفة.

1. المواصفات والتسميات

• GB/T (الصين): 40Cr، 42CrMo (تسميات وطنية شائعة).
• EN (أوروبا): 42CrMo4 هو النظير الأوروبي الشائع لـ42CrMo (غالبًا يُحدد كـ1.7225)؛ و40Cr له نظائر تقريبية في EN ويُعامل أحيانًا كفولاذات كروم متوسطة الكربون في النظام الأوروبي.
• AISI/SAE (الولايات المتحدة): النظائر التقريبية — 40Cr ≈ SAE 5140؛ 42CrMo ≈ SAE 4140 (اختصارات شائعة في الصناعة).
• JIS (اليابان): غالبًا ما يُقارن 42CrMo بـSCM440؛ و40Cr يقابل فولاذات كروم متوسطة الكربون SCr/SCM المشابهة.

التصنيف:
- 40Cr — فولاذ كروم متوسط الكربون (فولاذ كربوني سبائكي).
- 42CrMo — فولاذ كروم-موليبدينوم متوسط الكربون (فولاذ منخفض السبائك مع قابلية تصلب أعلى).

(ملاحظات: النظائر بين المواصفات الوطنية تقريبية — يجب دائمًا التحقق من الحدود الكيميائية والميكانيكية للمواصفات عند الشراء والفحص.)

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائكة

نطاقات التركيب النموذجية (بالوزن %) للدرجات التجارية المشهورة. القيم تمثل نطاقات نموذجية مأخوذة من مواصفات صناعية؛ يرجى مراجعة شهادات المطحنة المحددة للمكونات الدقيقة.

العنصر	40Cr (النطاق النموذجي)	42CrMo (النطاق النموذجي)
C	0.37–0.44	0.38–0.45
Mn	0.50–0.80	0.60–0.90
Si	0.17–0.37	0.10–0.40
P	≤0.035	≤0.035
S	≤0.035	≤0.035
Cr	0.80–1.10	0.90–1.30
Ni	— (شاردة)	— (شاردة)
Mo	— (شاردة)	0.15–0.30
V, Nb, Ti, B, N	عادة غير مقصودة في الدرجات القياسية؛ موجودة فقط كبقايا أو في أنواع مكلورة سبائكيًا	عادة غير مقصودة في الدرجات القياسية؛ موجودة فقط كبقايا أو في أنواع مكلورة سبائكيًا

تأثير السبائكة على الخواص: - الكربون (C): العنصر الأساسي في تقوية الفولاذ؛ زيادة C تزيد الصلادة والقوة الممكن تحقيقها ولكن تقلل من قابلية اللحام والليونة. - الكروم (Cr): يحسن من قابلية التصلب، القوة، مقاومة التآكل، ومقاومة التلدين. - المنغنيز (Mn) والسيليكون (Si): مزيلات للأكسجين ومعزّزة للقوة؛ كما يزيد Mn من قابلية التصلب. - الموليبدينوم (Mo): يزيد بشكل كبير من قابلية التصلب ومقاومة التلدين، يحسن القوة والمتانة عند درجات حرارة عالية، ويساعد في تقليل حساسية التبريد. إضافة Mo في 42CrMo هي السبب الرئيسي لعمق التصلب الأكبر واحتفاظه بالمتانة بعد التلدين مقارنة بـ40Cr.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - في حالة الدرفلة أو التماثل الحراري، يعرض كلا الفولاذين هياكل من الفريت والبيرليت؛ حجم حبيبات الأوستينيت السابقة وسرعة التبريد تحددان تباعد البيرليت والقوة. - بعد التبريد السريع (التقسية من درجة الأوستينيت) والتلدين، يشكل كلاهما عادةً المارتنسيت المُلدّن؛ تحدد درجة ومدة التلدين الصلادة النهائية، القوة، والمتانة.

سلوك المعالجة الحرارية: - التماثل الحراري: يصغير حجم الحبيبات وينتج تكتلًا متجانسًا من الفريت والبيرليت؛ مفيد قبل التشكيل أو التشغيل. - التبريد السريع والتلدين (Q&T): كلا الدرجتين تستجيبان جيدًا؛ 42CrMo يحقق قابلية تصلب أعلى، مما يعني أن المقاطع السميكة يمكن أن تتحول بالكامل إلى مارتنسيت بعد التبريد مقارنة بـ40Cr لنفس شدة التبريد. - العمليات الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يُشكّل كلاهما بالطرق الساخنة ثم يُتماثل أو يُقسى ويُلدن للحصول على الخواص المطلوبة. وجود Mo في 42CrMo يزيد من مقاومة التلدين ويُحسّن المتانة عند درجات حرارة التلدين المرتفعة.

النتيجة العملية: للمقاطع الكبيرة أو القطع التي تتطلب قوة ومتانة عالية في النواة، يوفر 42CrMo تصلبًا أعمق وأكثر اتساقًا ويتجنب النوى الناعمة التي قد تحدث في 40Cr ما لم تُستخدم طرق تبريد خاصة أو سبائكة إضافية.

4. الخواص الميكانيكية

تعتمد الخواص الميكانيكية بقوة على المعالجة الحرارية، حجم القطاع المقطعي، ودرجة التلدين. القيم التالية تمثل نطاقات نموذجية لحالة التبريد السريع والتلدين والتي تُستخدم عادة في التطبيقات الهندسية — اعتبرها أمثلة تمثيلية.

الخاصية (نموذجي Q&T)	40Cr (النطاق التمثيلي)	42CrMo (النطاق التمثيلي)
قوة الشد (MPa)	700–1000	900–1150
مقاومة الخضوع (MPa)	500–800	700–1000
الاستطالة (%L0)	10–18	10–15
متانة الصدم (شاربي V، جول)	20–60 (تعتمد على التلدين والقطر)	30–80 (عادة متانة أعلى عند صلادة مماثلة)
الصلادة (HRC أو HB)	HRC ~20–50 (HB ~180–520 حسب الحالة)	HRC ~22–55 (HB ~200–560 حسب الحالة)

تفسير: - عادةً ما يحقق 42CrMo قوى شد وخضوع أعلى بعد Q&T لنفس معايير المعالجة، ويحافظ على متانة أفضل عند صلادة مماثلة لأن Mo يحسن قابلية التصلب ومقاومة التلدين. - يمكن تلدين 40Cr إلى صلادة مماثلة في المقاطع الرقيقة لكنه يظهر قابلية تصلب أعمق أقل وربما متانة نواة أقل في المقاطع الكبيرة. - الليونة (الاستطالة) متقاربة عند مستويات تلدين مماثلة؛ ومع ذلك، عادةً ما يمكّن 42CrMo من تركيبة أكثر متانة عند قوة اسمية معينة.

5. قابلية اللحام

تحكم قابلية اللحام محتوى الكربون، الكربون المعادل، وقابلية التصلب. استخدم مؤشرات تجريبية لتقييم الحاجة للتسخين السابق والحراري بعد اللحام.

صيغ قابلية اللحام الشائعة (للاستخدام النوعي): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

تفسير: - كلا الدرجتين تحتويان على كربون متوسط وسبائكة معتدلة، لذا لا يعتبر أي منهما عالي اللحامية بدون ضوابط. وجود Mo في 42CrMo يرفع من مؤشري $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ مقارنة بـ40Cr، مما يشير إلى زيادة الحساسية لتشكّل طبقة حرارية هشة من مارتنسيت بعد اللحام وخطر أعلى من التشقق البارد الناتج عن الهيدروجين إن لم تُطبق ضوابط اللحام. - الإرشادات العملية للحام: التسخين المسبق لتقليل سرعة التبريد، السيطرة على إدخال الحرارة، استخدام مواد تعبئة منخفضة الهيدروجين، وإجراء معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT، تخفيف الإجهاد أو التلدين) عند سمكات أكبر أو حين يكون الاحتفاظ بالخصائص الميكانيكية أمرًا حرجًا. عادةً ما يتطلب 42CrMo ممارسات تسخين مسبق وPWHT أكثر دقة من 40Cr لنفس السماكات بسبب ارتفاع قابلية التصلب.

6. مقاومة التآكل والحماية السطحية

• لا يُعتبر 40Cr أو 42CrMo من الفولاذات المقاومة للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل العام والمحلي في البيئات العدوانية. تطبق استراتيجيات الحماية القياسية: الدهان، التزييت، الطلاء، التغليف بالزنك (حسب الحاجة)، أو الطلاءات التحويلية.
• لبيئات تتطلب مقاومة أعلى للتآكل أو مقاومة للتآكل التنكُّلي، يجب النظر في عائلات الفولاذ المقاوم للصدأ — حيث إن رقم مقاومة التآكل التنكُّلي (PREN) لا ينطبق على 40Cr/42CrMo. المعادلة النموذجية لحساب PREN للسبائك المقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• عند تحديد معالجات السطح لـ42CrMo، يجب مراعاة أن الموليبدينوم قد يؤثر على التصاق الطلاء وسلوك الطلاءات التحويلية؛ لذلك يعد تنظيف السطح والمعالجة الأولية مهمين قبل الطلاء أو الدهان.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القابلية للتشغيل: في حالة التسخين أو المعالجة بالتمرير، كلا الدرجتين تُشغَّلان بشكل معقول. غالبًا ما يُعتبر 40Cr أسهل في التشغيل بدرجة طفيفة بسبب انخفاض مقاومته للتصلب قليلًا ومقاومة أقل للتموير. بينما 42CrMo في حالات القوة العالية (Q&T) يكون أكثر صلابة ومتانة، مما يؤدي إلى زيادة تآكل الأدوات وصعوبة أكبر في التشغيل.
• القابلية للتشكيل والتشكيل البارد: في الحالة المستلمة (مُسددة/مُرسّمة)، يمكن تشكيلهما وثنيهما، لكن المحتوى الأعلى من الكربون والسبائك يحد من إمكانية السحب العميق والتشكيل البارد الشديد مقارنة بالفولاذات منخفضة الكربون. يُنصح أحيانًا بالتسخين المسبق عند ثني الأقسام السميكة.
• الطحن والتشطيب: عند التصلب، يتطلب كلا النوعين ممارسات طحن عالية الجودة؛ وقد يحتاج 42CrMo إلى مواد كاشطة أكثر عدوانية بسبب متانته وصلابته الأعلى.

8. التطبيقات النموذجية

40Cr — الاستخدامات النموذجية	42CrMo — الاستخدامات النموذجية
محاور السيارات، البراغي، التروس (الأقسام المتوسطة)، وصلات التوصيل، عمود الكرنك (حيثما ينطبق)، الخراطات العامة	محاور عالية القوة، تروس ثقيلة، مكونات هيدروليكية، مسامير تتحمل إجهاد عالي، خراطات ذات أقسام كبيرة، معدات الحقول النفطية، مكونات الآلات الثقيلة
قطع الماكينات حيث يكون التحكم في التكلفة مهمًا والأقسام متوسطة الحجم	مكونات تتطلب تصلب عميق، مقاومة إجهاد أعلى ومتانة أفضل عند صلابة مماثلة

مبررات الاختيار: - اختر 40Cr للأجزاء الحساسة من حيث التكلفة ذات الأقسام المتوسطة والمعالجة بالتبريد والتمرير مع المعالجة السطحية التي تحقق أهداف الأداء. - اختر 42CrMo عندما تكون للأجزاء مقاطع عرضية أكبر، وتحتاج إلى قوة نواة أو عمر إجهاد أعلى، أو حيث تكون المتانة الفائقة عند القوة العالية ضرورية.

9. التكلفة والتوفر

• التكلفة: عادةً ما تكون 42CrMo أغلى من 40Cr بسبب إضافة الموليبدنوم وعمليات المعالجة لضمان تناسق تركيبة الموليبدنوم. الفارق في التكلفة يختلف حسب أسعار السوق للموليبدنوم والفولاذ.
• التوفر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع كقضبان، ألواح، خراطات، وأشكال مسحوبة باردة من كبرى مصانع وموزعي الفولاذ. 42CrMo يُذكر أكثر شيوعًا في أوروبا تحت تسميات EN (مثل 42CrMo4)، بينما 40Cr شائع في المناطق التي تستخدم تسميات GB/AISI.
• أوقات التسليم: متقاربة لأحجام المخزون القياسية؛ ولكن التحويرات الكيميائية الخاصة أو التفاوتات الضيقة يمكن أن تزيد من أوقات التسليم.

10. الملخص والتوصية

جدول ملخص (نوعي):

الخاصية	40Cr	42CrMo
قابلية اللحام	أفضل (لكن لا تزال تتطلب التحكم في مستويات الكربون)	أكثر تطلبًا (مخاطر أعلى للتسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام)
توازن القوة والمتانة	جيد للأقسام المتوسطة	متفوق في التصلب العميق والمتانة عند القوة العالية
التكلفة	أقل	أعلى

الخلاصة: - اختر 40Cr إذا: - تحتاج إلى فولاذ كرومي متوسط الكربون ذو تكلفة فعالة لأجزاء ذات مقاطع متوسطة. - كانت مقاطع المكونات صغيرة إلى متوسطة ولا يتطلب التصلب الكامل عبر المقاطع. - ميزانية اللحام والتشغيل والمعالجة الحرارية محدودة ويمكن قبول صلابة معتدلة.

• اختر 42CrMo إذا:
• المكون يتطلب تصلبًا عميقًا (مقطع عرضي كبير) أو مقاومة إجهاد/متانة أعلى لقوة معينة.
• التصلب العميق، مقاومة التمويه الأفضل، وتحسين المتانة عند القوة العالية هي أولويات التصميم.
• كنت مستعدًا لتطبيق إجراءات لحام أدق، تسخين مسبق، والمعالجة الحرارية بعد اللحام حسب الحاجة، وقبول تكلفة مواد أعلى.

ملاحظة عملية نهائية: حدد دائمًا حالة المعالجة الحرارية المطلوبة وأهداف الخواص الميكانيكية وأي اختبارات غير متلفة أو خرائط للصلادة اللازمة للقبول. عند الشك بالنسبة للمكونات الدوارة الحرجة أو الحساسة للإجهاد، قم بإجراء تجارب على حجم المقاطع أو استشر المصنع بخصوص بيانات الصلادة مقابل العمق للوسط المقترح للتبريد؛ أما في اللحام، فاحسب مكافئات الكربون واتبع إجراءات اللحام المؤهلة التي تشمل توصيات التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام.