40Cr مقابل 45Cr – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
40Cr و 45Cr هما نوعان من الفولاذات السبائكية/الكربونية التي يتم تحديدها بشكل شائع والمستخدمة في الأعمدة والتروس والمحاور ومكونات ميكانيكية أخرى. يقوم المهندسون ومحترفو الشراء غالبًا بوزن المزايا والعيوب بين محتوى السبائك الأعلى (لزيادة القدرة على التصلب ومقاومة التخمير) ومحتوى الكربون الأعلى (لصلابة وقوة الحالة المائية). تشمل سياقات القرار النموذجية ما إذا كان يجب أن يكون الجزء صلبًا بالكامل أو صلبًا سطحيًا، وما إذا كانت قابلية اللحام أو المتانة هي الأولوية، وتكلفة المواد والمعالجة المسموح بها.
التمييز العملي الرئيسي بين هذين الدرجتين هو أن 40Cr يتم صياغته مع الكروم بشكل مقصود لتحسين القدرة على التصلب وسلوك التخمير، بينما يركز 45Cr على محتوى كربون أعلى (وأحيانًا مستويات كروم مختلفة قليلاً) لتحقيق قوة أعلى بعد المعالجة الحرارية. بسبب ذلك، غالبًا ما يتم مقارنتهما حيث تكون القوة والمتانة والقدرة على التصلب جميعها عوامل تصميم.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الوطنية/الصناعية الشائعة والمعادلات (معلوماتية، تحقق من العقد/المواصفات للحدود الدقيقة):
- GB/T (الصين): 40Cr (فولاذ هيكلي سبائكي)، 45Cr (فولاذ كروم عالي الكربون في بعض الكتالوجات) — العديد من الموردين يشيرون إلى درجات GB.
- AISI/SAE: 40Cr ≈ عائلة AISI 5140؛ 45Cr ≈ عائلة AISI 5145 (المعادلات تختلف حسب المورد).
- EN (الأوروبية): لا يوجد معادل رقمي مباشر دقيق — الأقرب هو الفولاذات متوسطة السبائك مثل 41Cr4/42CrMo؛ تحقق من مواصفات EN للحدود الكيميائية.
- JIS: توجد فولاذات مشابهة في المعايير اليابانية؛ تحقق من التسمية الدقيقة.
- التصنيف: كلا الدرجتين هما فولاذات كربونية سبائكية (ليست مقاومة للصدأ). يتم استخدامها كفولاذات هيكلية/سبائكية مناسبة للمعالجة الحرارية؛ ليست فقط كربونية بسيطة ولا HSLA بالمعنى الدقيق.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
- جدول: نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (معبر عنها كنسبة مئوية بالوزن؛ الحدود الفعلية تختلف حسب المعيار والمطحنة). تحقق دائمًا من شهادة المطحنة للامتثال للعقد.
| عنصر | 40Cr النموذجي | 45Cr النموذجي |
|---|---|---|
| C | 0.37–0.44 | 0.42–0.50 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.80–1.10 | 0.20–0.80 (تختلف حسب المورد) |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.08 | ≤0.08 |
| V, Nb, Ti, B, N | عادة ما تكون آثار أو تتحكم كشوائب | عادة ما تكون آثار أو تتحكم كشوائب |
ملاحظات: - الجدول يعطي نطاقات تمثيلية: 40Cr تقليديًا يتضمن حوالي 0.8–1.1% Cr لزيادة القدرة على التصلب ومقاومة التخمير. يمكن أن تختلف تركيبات "45Cr" — بعض الموردين يضعون 45Cr بالقرب من فولاذ كروم عالي الكربون (C ≈ 0.45%) ولكن مع كروم أقل من 40Cr؛ آخرون يعاملون 45Cr كنسخة تحتوي على الكروم من فولاذ 45# (0.45%C). تحقق دائمًا من الشهادة الكيميائية الدقيقة للدفعة التي تشتريها. - كيف تؤثر السبائك على السلوك: زيادة C ترفع الصلابة والقوة الممكن تحقيقها ولكن تقلل من قابلية اللحام والليونة. الكروم يعزز القدرة على التصلب، ويحسن عمق التصلب في الأقسام السميكة، ويعزز مقاومة التخمير وأداء التآكل.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنى المجهرية النموذجية:
- كما هو مدلفن ساخن أو مُعالج: بنية مجهرية من الفريت + بيرلايت؛ قد يظهر 40Cr بيرلايت أدق وتشتت كربيد أكثر احتفاظًا بسبب الكروم.
- بعد التبريد: مارتنسيت (بالإضافة إلى الأوستينيت المحتفظ به عند C مرتفع جدًا)؛ 45Cr (C أعلى) ستشكل مارتنسيت أكثر صلابة وهشاشة إذا تم تبريده إلى نفس مستوى الصلابة.
-
بعد التخمير: مارتنسيت مخفف؛ الفولاذات المحتوية على الكروم (40Cr) عمومًا تطور مقاومة للتخمير — تحتفظ بالقوة عند درجات حرارة تخمير أعلى وتوفر توازنًا مواتيًا بين المتانة والقوة.
-
طرق المعالجة الحرارية:
- التطبيع: ينقي الحبوب ويزيل التموجات؛ يستخدم عادة كخطوة وسيطة لأي من الدرجتين.
- التبريد والتخمير (Q&T): الطريق الرئيسي للتصلب. 40Cr يحقق تصلبًا أعمق عند نفس شدة التبريد بسبب الكروم؛ 45Cr تصل إلى صلابة جوهر أعلى في الأقسام الرقيقة بشكل أساسي بسبب الكربون الأعلى.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يؤدي الدرفلة المتحكم فيها والتبريد المعجل إلى تحسين البنية المجهرية وزيادة القوة/المتانة؛ تنطبق الفوائد على كلاهما ولكن محتوى السبائك يحدد القدرة على التصلب الممكن تحقيقها.
4. الخصائص الميكانيكية
- فيما يلي اتجاهات الخصائص النموذجية (القيم الفعلية تعتمد على المعالجة الحرارية، حجم القسم، ومعيار الاختبار). استخدم تقرير اختبار المطحنة لقرارات الشراء.
| الخاصية (الحالة النموذجية) | 40Cr (مُعالج / Q&T) | 45Cr (مُعالج / Q&T) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | متوسطة إلى عالية؛ نطاق واسع يعتمد على Q&T | أعلى قليلاً كحد أقصى ممكن تحقيقه عند نفس شدة التبريد (بسبب C) |
| قوة الخضوع (ميغاباسكال) | متوسطة؛ استقرار جيد في التخمير | عمومًا أعلى قوة خضوع عند صلابة مكافئة بسبب C الأعلى |
| التمدد (%) | ليونة جيدة عند التطبيع/التخمير المناسب | تمدد أقل قليلاً عند قوة متساوية بسبب C الأعلى |
| صلابة التأثير (جول، شاربى) | عادة ما تكون المتانة أفضل عند صلابة متساوية لأن الكروم يحسن خصائص التخمير | متانة أقل من 40Cr عند نفس مستوى الصلابة ما لم يتم تخميرها بشكل مناسب |
| الصلابة (HRC أو HB) | قدرة جيدة على التصلب؛ يمكن أن تحقق صلابة عالية مع Q&T | أعلى كصلابة حالة مائية محتملة (C أعلى) ولكن قد تكون أكثر هشاشة |
تفسير: - القوة: الكربون الأعلى في 45Cr يمكّن من قوة/صلابة أعلى لنفس المعالجة الحرارية؛ ومع ذلك، فإن وجود الكروم في 40Cr يسمح بقدرة أفضل على التصلب للأقسام الأكبر وتحسين المتانة بعد التخمير. - المتانة: تساعد السبائك (الكروم) في الحفاظ على المتانة عند قوى أعلى لأنها تقلل من معدل الهشاشة أثناء التخمير. - الليونة: عادة ما يقلل الكربون الأعلى من الليونة، لذا بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تمددًا أو مقاومة للتعب، قد يكون 40Cr مفضلًا عند مستوى قوة معين.
5. قابلية اللحام
- العوامل الرئيسية: محتوى الكربون والمعادلات الكربونية تدفع اختيار التسخين المسبق/التسخين اللاحق والمواد الاستهلاكية. تزداد الصلابة وخطر التشقق البارد مع زيادة C وسبائك التصلب العالية.
- الصيغ الشائعة للمعادلات الكربونية المستخدمة لتقييم قابلية اللحام:
- معادلة IIW للمعادل الكربوني: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- معادلة Pcm الدولية: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- التفسير:
- عادة ما يظهر 45Cr (C الأعلى) CE وPcm أعلى، مما يعني متطلبات أكبر للتسخين المسبق ودرجة حرارة بين الطبقات وزيادة القابلية للتشقق البارد الناتج عن الهيدروجين.
- الكروم المضاف في 40Cr يزيد CE قليلاً (لأن الكروم يظهر في البسط في معادلة CE) ولكن تأثيره على القدرة على التصلب يعني أن الأقسام السميكة تتطلب تحكمًا دقيقًا في إجراءات اللحام. في الممارسة العملية، تتطلب كلا الدرجتين تسخينًا مسبقًا مناسبًا، ودرجات حرارة بين الطبقات المتحكم فيها، ومواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) حسب السماكة وظروف الخدمة النهائية.
6. التآكل وحماية السطح
- هذه الفولاذات ليست مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل محدودة. خيارات الحماية:
- الطلاء، الطلاء المسحوق، التزييت، أو الغلفنة بالغمر الساخن للحماية العامة من التآكل.
- بالنسبة للمكونات المتوقعة للعمل في بيئات قاسية، ضع في اعتبارك المعالجات السطحية مثل النترجة، الكربنة (لأسطح التآكل)، أو الطلاء.
- رقم PREN (رقم مقاومة التآكل) لا ينطبق على الفولاذات الهيكلية السبائكية غير المقاومة للصدأ، ولكن المعادلة المثال هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- نقطة عملية: محتويات الكروم الصغيرة في 40Cr/45Cr لا تجعلها مقاومة للتآكل؛ الكروم هنا يخدم أغراضًا معدنية — وليس مقاومة للتآكل.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- محتوى الكربون الأعلى (45Cr) يقلل عمومًا من قابلية التشغيل بسبب الصلابة الأعلى بعد المعالجة الحرارية؛ في الحالة المعالجة، تكون قابلية التشغيل مقبولة ولكن أقل من الفولاذات منخفضة الكربون.
- 40Cr بمحتوى كربون أقل قليلاً وكروم أعلى يتصرف بشكل مشابه؛ غالبًا ما تتطلب درجات التشغيل حالة أكثر ليونة (معالجة) وأدوات مناسبة.
- قابلية التشكيل والانحناء:
- في الحالة المعالجة/المطبوعة، يمكن تشكيل كلا الدرجتين؛ يقلل الكربون الأعلى من الليونة — خطط لعمليات التشكيل في حالة أكثر ليونة.
- التشطيب:
- تشطيب السطح والطحن: يمكن طحن وتلميع كلا الدرجتين؛ يمكن أن يؤثر الكروم على تآكل الأدوات.
- تشوه المعالجة الحرارية: كلاهما سيعاني من التشوه أثناء التبريد؛ يمكن أن يقلل قدرة 40Cr الأعلى على التصلب من التشوه في الأقسام السميكة إذا تم تبريدها بشكل صحيح.
8. التطبيقات النموذجية
| 40Cr (الاستخدامات الشائعة) | 45Cr (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| الأعمدة، التروس، أعمدة الكامات، المحاور الثقيلة حيث تكون الحاجة إلى التصلب الكامل في الأقسام السميكة | الأعمدة، الدبابيس، البراغي، أعمدة الكرنك، التروس حيث تكون القوة أو الصلابة المحلية الأعلى مطلوبة والأقسام متوسطة |
| الأجزاء المفاتيح والمثبتات المحملة بشكل كبير التي تتطلب مقاومة جيدة للتخمير | المكونات المصممة لصلابة أعلى على السطح أو في القلب بعد التبريد |
| أجزاء أدوات الآلات التي تتطلب توازنًا جيدًا بين مقاومة التآكل والمتانة | السبائك والأجزاء حيث يكفي فولاذ الكربون الأعلى من حيث التكلفة مع المعالجة الحرارية المناسبة |
مبررات الاختيار: - اختر 40Cr عندما تحتاج إلى قدرة أفضل على التصلب للأقسام السميكة، واستقرار أفضل في التخمير، وتوازن أفضل بين القوة والمتانة. - اختر 45Cr عندما يكون محتوى الكربون الأعلى (صلابة وقوة أعلى ممكنة) في أحجام الأقسام المتوسطة هو الأولوية ويتم إدارة التنازلات المقبولة في الليونة/قابلية اللحام.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: تختلف تكاليف المواد حسب المطحنة والسوق، ولكن:
- عادة ما يكون 40Cr أغلى قليلاً من الفولاذات الكربونية البسيطة المعادلة بسبب السبائك (الكروم) والمعالجة المرتبطة بها.
- قد يكون محتوى الكربون الأعلى في 45Cr مشابهًا أو أقل قليلاً من تكلفة 40Cr حسب مستويات الكروم؛ توافر أي من الدرجتين في أحجام القضبان/السبائك الشائعة جيد من مصانع الصلب الكبرى.
- أشكال المنتجات: كلاهما متاح على نطاق واسع كقضبان دائرية، وسبائك، وقضبان معالجة باردة. تعتمد أوقات التسليم وتقلب الأسعار على إمدادات الكروم وظروف سوق الصلب العالمية.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | 40Cr | 45Cr |
|---|---|---|
| قابلية اللحام (نوعية) | أفضل عند CE معتدل عندما يتم التحكم في C؛ لا يزال يتطلب احتياطات اللحام | أقل (C أعلى) — من المحتمل أن يتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT أكبر |
| توازن القوة–المتانة | جيد؛ مقاومة أفضل للتخمير للسماكة | صلابة/قوة أعلى كصلابة حالة مائية ولكن متانة أقل عند صلابة مكافئة |
| التكلفة (نسبية) | متوسطة (علاوة تكلفة السبائك) | مماثلة أو أقل قليلاً حسب محتوى الكروم |
التوصية: - اختر 40Cr إذا كنت بحاجة إلى تصلب جيد في الأقسام الأكبر، ومقاومة أفضل للتخمير، وتوازن أفضل بين المتانة والقوة للمكونات المحملة بشكل كبير. - اختر 45Cr إذا كانت تصميمك يتطلب أقصى قوة/صلابة في الأقسام المتوسطة ويمكنك قبول التنازلات في قابلية اللحام والليونة (أو التخفيف منها من خلال المعالجة الحرارية المناسبة والمعالجة).
ملاحظة نهائية: الحدود الكيميائية والميكانيكية الدقيقة تختلف بين المعايير والموردين. بالنسبة للشراء والتصميم، حدد دائمًا المعيار (شهادة المطحنة مطلوبة)، وطريقة المعالجة الحرارية المطلوبة، ومعايير قبول الخصائص/الخصائص ذات الصلة.