410 مقابل 420 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يختار المهندسون والمتخصصون في الشراء بشكل متكرر بين AISI 410 و AISI 420 عند تحديد الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية للمكونات التي يجب أن توازن بين التكلفة، وقابلية التشكيل، والقوة، ومقاومة التآكل المعتدلة. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار درجة لمكونات الصمامات، والمحاور، والمثبتات، أو أدوات المائدة حيث تهم التبادلات بين مقاومة التآكل، وقابلية التصلب، وقابلية اللحام، وتكلفة التشطيب.
التمييز الفني الرئيسي هو أن 420 هو نوع أعلى من الكربون مقارنةً بـ 410، مما يمنح 420 صلابة ومقاومة تآكل أكبر بكثير بعد التصلب، بينما يحتفظ 410 بمرونة وقوة نسبية أفضل في العديد من ظروف الخدمة. نظرًا لأن كلاهما درجات من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية بمستويات كروم مشابهة، غالبًا ما يتم مقارنتهما للتطبيقات التي تتطلب استجابة مارتنسيتية (تصلب + تلطيف) بدلاً من مقاومة التآكل المتفوقة للدرجات الأوستنيتية.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والتسميات الشائعة:
- AISI/SAE/UNS: 410 (UNS S41000)، 420 (UNS S42000)
- ASTM/ASME: المواد المرجعية الشائعة المستمدة من تسميات AISI للبار، واللوح، والمسبوكات
- EN: X12Cr13 (مقارنة بـ 410)؛ تظهر أنواع 420 كأعضاء من عائلة X20Cr13 أو رموز مارتنسيتية أخرى حسب الكربون
- JIS/GB: توجد مكافئات مارتنسيتية مماثلة في المعايير اليابانية والصينية (مثل عائلة SUS410)، لكن المعايير المحلية تستخدم ترقيمًا مميزًا
- التصنيف: كلا من 410 و 420 هما فولاذان مقاومان للصدأ المارتنسيتية (مقاوم للصدأ، قابل للتصلب في الهواء، قابل للمعالجة الحرارية). هما ليسا فولاذ أدوات أو فولاذ HSLA؛ هما سبائك مقاومة للصدأ، قابلة للمعالجة الحرارية مصممة لمقاومة تآكل معتدلة وقدرة عالية على الصلابة.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
تركز استراتيجية السبائك لكلا الدرجتين على الكروم لمقاومة التآكل والكربون لقابلية التصلب والقوة. يزيد 420 من الكربون بالنسبة لـ 410 لتمكين استجابة تصلب أعلى ومقاومة تآكل على حساب المرونة وقابلية اللحام.
| عنصر | النطاق النموذجي / الملاحظات — 410 | النطاق النموذجي / الملاحظات — 420 |
|---|---|---|
| C (الكربون) | منخفض–معتدل (كربون أقل من 420؛ مصمم لتحقيق توازن بين المرونة وقابلية التصلب) | كربون أعلى (مرتفع عمدًا لزيادة قابلية التصلب وصلابة التصلب) |
| Mn (المنغنيز) | إضافات صغيرة (إزالة الأكسدة، تقوية الحل الصلب المحدودة) | إضافات صغيرة مماثلة |
| Si (السيليكون) | صغيرة، لإزالة الأكسدة؛ تقوية طفيفة | مماثلة |
| P (الفوسفور) | مستويات منخفضة تحت السيطرة (تحكم في الشوائب) | مستويات منخفضة تحت السيطرة |
| S (الكبريت) | منخفض تحت السيطرة (يحسن قابلية التشغيل في بعض الدرجات عند وجوده) | منخفض تحت السيطرة (قد يكون موجودًا في الأنواع القابلة للتشغيل) |
| Cr (الكروم) | ~12% (يوفر مقاومة أساسية للصدأ/الأكسدة وخصائص الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية) | ~12–14% (مستوى كروم مشابه لـ 410) |
| Ni (النيكل) | عادة منخفض أو غير موجود (يحافظ على الهيكل مارتنسيتياً) | عادة منخفض أو غير موجود |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | عادة غائبة أو بكميات ضئيلة؛ قد تتضمن بعض الأنواع التجارية إضافات سبائكية صغيرة | عادة غائبة أو ضئيلة؛ قد تحتوي الأنواع الخاصة 420 (مثل 420HC) على كربون/كبريت/فوسفور مصممة لقابلية التشغيل/الصلابة |
ملاحظات: النسب الدقيقة تختلف حسب المعيار وشكل المنتج (بار، شريط، ورقة، مسبوكات). تعتبر العوامل الرئيسية في السبائك هي الكروم (لمقاومة التآكل) والكربون (لقابلية التصلب والصلابة القصوى بعد التبريد والتلطيف).
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يخلق الكروم فيلم أكسيد غير نشط يمنح سلوك مقاوم للصدأ عند تركيزات معتدلة (~11–14% في هذه الدرجات المارتنسيتية). - يزيد الكربون من صلابة المارتنسيت وقوته بعد التبريد؛ يقلل الكربون الأعلى من المتانة وقابلية اللحام ويعزز تكوين الكربيد أثناء التعرض للحرارة أو اللحام. - تحافظ محتويات النيكل المنخفضة والسبائك المنخفضة على هذه الفولاذات مغناطيسية ومارتنسيتية، مما يسمح بطرق المعالجة الحرارية التي لا يمكن أن تتبعها الدرجات الأوستنيتية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية: - في الحالة المعالجة، تكون كلا الدرجتين عمومًا في حالة فيريتيك/بيرليتيك أو جزئيًا أوستنيتيك حسب الكيمياء الدقيقة والتاريخ الحراري. بعد الأوستنيتيز والتبريد، تنتج كلاهما هياكل مجهرية مارتنسيتية؛ تعتمد الأوستنيت المتبقي وتوزيع الكربيد على الكربون ومعدل التبريد. - 410: مع كربون أقل، يكون المارتنسيت أقل تشبعًا بالكربون وعادة ما يكون أدق؛ الكربيدات موجودة ولكنها أقل وفرة من 420. - 420: ينتج الكربون الأعلى مصفوفة مارتنسيتية أكثر صلابة وحجم أكبر من كربيدات الكروم (كربيدات من نوع M23C6) بعد دورات حرارية معينة.
استجابة المعالجة الحرارية: - التطبيع (التبريد في الهواء من الأوستنيتيز): ينقي حجم الحبيبات ويمكن أن ي homogenize البنية المجهرية؛ يستخدم أكثر من أجل الاستقرار الأبعاد وتحسين المتانة في 410. - التبريد والتلطيف: الطريق الرئيسي للحصول على هيكل مارتنسيتية صلبة ومطيلة في كلا الدرجتين. تصل 420 إلى صلابة أعلى عند درجات حرارة تلطيف مكافئة بسبب الكربون الأعلى؛ لكنها تتطلب أيضًا تلطيفًا دقيقًا لتحقيق توازن بين المتانة وتقليل الهشاشة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن تعمل التشكيل والدرفلة المتحكم فيها على تنقية حجم الحبيبات الأوستنيتية قبل التبريد وزيادة المتانة في كلا الدرجتين؛ تكون التأثيرات أكثر وضوحًا في 410 بسبب قابلية التصلب الأقل.
ملاحظة عملية: 420 أكثر حساسية للإفراط في التسخين وترسيب الكربيد أثناء التبريد البطيء أو دورات اللحام الحرارية؛ يمكن أن يقلل ذلك من مقاومة التآكل المحلية والمتانة.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية على المعالجة الحرارية. أدناه ملخص مقارن جاهز للتطبيقات للظروف الشائعة (معالجة مقابل تبريد وتلطيف أو صلابة + تلطيف).
| الخاصية | 410 (سلوك نموذجي) | 420 (سلوك نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | معتدلة في الحالة المعالجة؛ تزداد مع التبريد/التلطيف ولكنها أقل حدًا قصوى من 420 عند التصلب المكافئ | أقل في الحالة المعالجة ولكن يمكن أن تصل إلى قوة شد نهائية أعلى عند التصلب بسبب الكربون الأعلى |
| قوة الخضوع | معتدلة؛ توازن جيد بين الخضوع والمرونة | قوة خضوع أعلى قابلة للتحقيق عند التصلب؛ مرونة أقل عند القوة المكافئة |
| التمدد (المرونة) | مرونة وتمدد أفضل في الحالة المعالجة والمطيلة | تمدد مخفض بعد التصلب؛ مرونة أقل من 410 عند القوة المقارنة |
| صلابة التأثير | بشكل عام متانة أفضل (أقل هشاشة عند مستويات صلابة معتدلة) | صلابة تأثير أقل في الحالة الصلبة بشدة؛ ميل أكبر للهشاشة عند دفعها إلى صلابة عالية |
| الصلابة (الحد الأقصى القابل للتحقيق) | صلابة قصوى معتدلة بعد التصلب (مناسبة لبعض التآكل) | صلابة قصوى أعلى (مقاومة تآكل أكبر واحتفاظ بالحواف)، ولكن على حساب المتانة |
التفسير: 420 هو الخيار الأقوى والأكثر صلابة بعد المعالجة الحرارية؛ 410 أكثر تسامحًا — أسهل للحصول على متانة ومرونة معقولة بينما لا يزال يوفر قوة صلبة معتدلة.
5. قابلية اللحام
تعتمد اعتبارات قابلية اللحام على محتوى الكربون وقابلية التصلب. كلا الدرجتين هما فولاذان مقاومان للصدأ المارتنسيتية وتقدمان تحديات لحام مقارنة بالفولاذات منخفضة الكربون أو الفولاذات الأوستنيتية.
مؤشرات مفيدة (تفسير نوعي): - مكافئ الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (مهم لصلابة لحام الفولاذ): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
تفسير نوعي: - يحتوي 420 على مصطلح كربون أعلى في كلا المؤشرين، مما يزيد من قابلية التصلب وخطر التشقق البارد وتكوين المارتنسيت في منطقة الحرارة المتأثرة. يساعد التحكم في درجة حرارة التسخين ودرجة حرارة التداخل بالإضافة إلى التلطيف بعد اللحام أو PWHT في تقليل خطر الهشاشة الناتجة عن الهيدروجين. - 410، مع كربون أقل، أسهل في اللحام ولكنه لا يزال يتطلب الانتباه إلى التحكم في الهيدروجين والتسخين المسبق عندما تتغلغل اللحامات في أقسام عمل باردة أو أقسام سميكة. - يساعد استخدام المعادن المالئة المطابقة، وعمليات منخفضة الهيدروجين، والتسخين المسبق، والتلطيف بعد اللحام كلا الدرجتين؛ عمومًا يتطلب 420 ضوابط أكثر صرامة ومعالجة حرارية بعد اللحام أعلى لاستعادة المتانة.
6. التآكل وحماية السطح
- كلا من 410 و 420 هما فولاذان مقاومان للصدأ المارتنسيتية: يوفران مقاومة للتآكل تفوق الفولاذ الكربوني العادي في الأجواء الجافة والبيئات المعتدلة ولكنها أقل من الدرجات الأوستنيتية (304/316) في التعرض للكلور أو الأحماض.
- يعتبر محتوى الكروم هو المساهم الرئيسي في مقاومة التآكل في كلا الدرجتين؛ نظرًا لأن كلاهما يحتوي على كميات كروم مشابهة، فإن مقاومة التآكل الأساسية قابلة للمقارنة في العديد من الظروف.
- يمكن أن يشجع الكربون الأعلى في 420 على ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات أثناء التبريد البطيء أو اللحام. قد يقلل هذا النقص المحلي في الكروم من المقاومة للتآكل بين الحبيبات.
- صيغة PREN (لا تستخدم عادة للدرجات المارتنسيتية) (لإرشاد فقط في بعض عائلات الفولاذ المقاوم للصدأ): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا المؤشر ينطبق بشكل أساسي على الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج والأوستنيتي؛ له استخدام محدود للدرجات المارتنسيتية لأن Mo و N عادة ما تكون منخفضة أو غائبة.
خيارات حماية السطح لكلا الدرجتين عندما تحتاج مقاومة التآكل إلى تعزيز: - الجلفنة (لـ 410 في بعض الأشكال) — لكن جلفنة الفولاذ المقاوم للصدأ غير شائعة وقد تكون غير ضرورية للخدمة النموذجية. - الطلاء، أو الطلاءات البوليمرية، أو الطلاءات المطلية (نيكل/كروم) — تستخدم على نطاق واسع للمكونات حيث تهم مقاومة التآكل أو المظهر. - علاجات التمرير والتحكم الدقيق في المعالجة الحرارية/دورات اللحام لتجنب التحسس.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- التشغيل: يجب تشغيل كلاهما في الحالة اللينة/المعالجة للحصول على أفضل عمر للأداة. يتطلب الكربون الأعلى في 420 والصلابة المحتملة الأعلى في بعض ظروف المنتج عناية؛ تحسن الأنواع القابلة للتشغيل (مثل 420 مع الكبريت المتحكم فيه) من تشكيل الرقائق.
- التشكيل والانحناء: 410، مع كربون أقل ومرونة أعلى في الحالة المعالجة، أسهل في التشكيل البارد والانحناء. يحتاج 420 إلى معلمات تشكيل أكثر عدوانية أو يجب تشكيله في الحالة المعالجة، ويمكن أن يكون الارتداد أعلى بعد التلطيف.
- الطحن، والتلميع، والتشطيب: يُفضل 420 للتطبيقات التي تتطلب احتفاظًا بالحواف وحافة قطع مصقولة (أدوات المائدة، الشفرات) لأنه يستجيب جيدًا للتصلب والتلميع؛ يأخذ 410 اللمعان والتشطيب بشكل كافٍ ولكن مع صلابة أقل قابلة للتحقيق.
8. التطبيقات النموذجية
| 410 — الاستخدامات النموذجية | 420 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| المثبتات، والصواميل، والمحاور، ومكونات الصمامات، وأجزاء المضخات حيث تتطلب مقاومة تآكل معتدلة والمتانة | أدوات المائدة، والأدوات الجراحية، والشفرات، والمحامل، وأجزاء التآكل، ومقاعد الصمامات حيث تحتاج إلى صلابة أعلى واحتفاظ بالحواف |
| مكونات هيكلية في توليد الطاقة، والبيئات غير الشديدة في البتروكيماويات | أدوات ومكونات تتطلب صلابة سطح أعلى أو مقاومة تآكل بعد التصلب |
| الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية للاستخدامات العامة حيث تهم سهولة اللحام/التصنيع | مكونات تعطي الأولوية لمقاومة التآكل والصلابة العالية؛ مختارة للتشطيب/التلميع |
مبررات الاختيار: - اختر 410 إذا كانت التطبيق يقدر المرونة، وسهولة اللحام/التصنيع، ومقاومة التآكل المعتدلة بتكلفة أقل. - اختر 420 إذا كانت التطبيق تتطلب صلابة أعلى بعد التصلب ومقاومة تآكل (حواف، أختام، وجوه تآكل) ويمكن أن يتحمل التصميم تقليل المتانة وضوابط لحام/معالجة حرارية أكثر صرامة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: 410 عمومًا أقل تكلفة من 420 في العديد من أشكال المنتجات بسبب محتوى الكربون الأقل واستخدام السلع الأوسع؛ يمكن أن تكلف أنواع 420 (خاصة الدرجات عالية الكربون أو "HC") أكثر بسبب المعالجة من أجل صلابة معززة وتشطيب محدد.
- التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في الأشكال الشائعة (بار، لوح، شريط، مسبوكات)، على الرغم من أن الأنواع الخاصة من 420 (مثل 420HC، 420J2) غالبًا ما يتم تسويقها للاستخدامات في أدوات المائدة والجراحة. عادة ما تكون أوقات التسليم قصيرة للمنتجات القياسية؛ حدد النوع الدقيق (معالج، قابل للتصلب، مضاف إليه الكبريت لقابلية التشغيل) مبكرًا في عملية الشراء لتجنب الاستبدالات.
10. الملخص والتوصية
| السمة | 410 | 420 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (كربون أقل) | أكثر تحديًا (كربون أعلى) |
| توازن القوة–المتانة | متانة متوازنة مع قوة معتدلة | قوة/صلابة أعلى قابلة للتحقيق ولكن متانة أقل |
| التكلفة | عمومًا أقل | عمومًا أعلى للأنواع عالية الكربون/عالية الصلابة |
الاستنتاجات: - اختر 410 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ المارتنسيتية مع مرونة ومتانة أفضل نسبيًا، وسهولة التصنيع واللحام، ومقاومة تآكل معتدلة — على سبيل المثال، المحاور، والصمامات، والمثبتات، والمكونات حيث تكون قابلية اللحام والمتانة من الأولويات. - اختر 420 إذا كنت بحاجة إلى صلابة أعلى بعد التصلب ومقاومة تآكل (حواف القطع، والأختام، ووجوه التآكل، والشفرات الدقيقة)، ويسمح التصميم بوجود ضوابط لحام أكثر صرامة ومعالجة حرارية بعد اللحام للتخفيف من الهشاشة ومخاطر التآكل.
نصيحة عملية نهائية: حدد حالة المنتج الدقيقة وخطة المعالجة الحرارية بعد التصنيع في مستندات الشراء (مثل "420، تم تبريده وتلطيفه إلى X HRC مع تلطيف نهائي عند Y°C" أو "410، تم تطبيعه لتحسين المتانة")، واطلب شهادة كيميائية وميكانيكية لضمان أن الدرجة المختارة تلبي التوازن المقصود من الصلابة، والمتانة، وأداء مقاومة التآكل.