42CrMo مقابل 42CrMo4 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
42CrMo و 42CrMo4 هما فولاذان سبيكيان من الكروم والموليبدينوم متوسطا الكربون، يستخدمان على نطاق واسع في المكونات عالية القوة القابلة للمعالجة الحرارية مثل الأعمدة والتروس والمثبتات. غالبًا ما يواجه المهندسون ومحترفو الشراء معضلة اختيار بين هذين الاسمين لأنهما ينتجان سلوكًا معدنيًا وميكانيكيًا مشابهًا جدًا ولكن يتم الإشارة إليهما في معايير إقليمية وسلاسل إمداد مختلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية موازنة الشهادات المطلوبة (المعيار الإقليمي أو معيار المشروع)، وتحديد قابلية اللحام والمعالجات بعد اللحام، وتحسين التكلفة ووقت التسليم لأشكال المنتجات المحددة.
التمييز العملي الأساسي ليس عدم تطابق معدني دراماتيكي ولكن بدلاً من ذلك المعايير وأنظمة المواصفات التي تحكم الإنتاج والتفتيش والشهادات. هذا الاختلاف يدفع الشراء، وتتبع السلاسل، وأحيانًا التسامحات التركيبية الطفيفة أو مستويات الشوائب المسموح بها.
1. المعايير والتسميات
- EN (أوروبا): 42CrMo4 — يُشار إليه عادةً في EN 10083–3 وأنظمة ترقيم الفولاذ EN (غالبًا ما يُعطى أيضًا كـ 1.7225 في قواعد بيانات المواد).
- GB (الصين): 42CrMo — يُستخدم على نطاق واسع في المعايير الوطنية الصينية (GB/T) وغالبًا ما يُدرج للفولاذ الهيكلي السبيكي.
- ASTM/ASME / AISI (الولايات المتحدة الأمريكية): AISI 4140 / UNS G41400 هو أقرب مكافئ أمريكي مقبول على نطاق واسع وغالبًا ما يتم تبادله مع 42CrMo/42CrMo4 في جداول المرجع المتبادل.
- JIS (اليابان): SCM440 هو مكافئ ياباني يُستشهد به بشكل شائع.
- التصنيف: كلا من 42CrMo و 42CrMo4 هما فولاذان متوسطا الكربون، منخفضا السبيكة، قابلان للمعالجة الحرارية (فولاذ سبيكي مناسب للتبريد والتقسية؛ ليس فولاذ مقاوم للصدأ؛ ليس HSLA بالمعنى الحديث).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
| عنصر | 42CrMo النموذجي (GB/T) | 42CrMo4 النموذجي (EN) |
|---|---|---|
| C | 0.38 – 0.45 wt% | 0.38 – 0.45 wt% |
| Mn | 0.60 – 0.90 wt% | 0.60 – 0.90 wt% |
| Si | 0.10 – 0.40 wt% | 0.10 – 0.40 wt% |
| P | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| S | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| Cr | 0.90 – 1.20 wt% | 0.90 – 1.20 wt% |
| Ni | ≤ 0.40 wt% (غير محدد) | ≤ 0.40 wt% (غير محدد) |
| Mo | 0.15 – 0.30 wt% | 0.15 – 0.30 wt% |
| V, Nb, Ti, B, N | أثر / غير محدد عادةً | أثر / غير محدد عادةً |
ملاحظات: - هذه هي نطاقات التركيب النموذجية؛ تعتمد التسامحات الفعلية على المعيار وشهادة المصنع. - تركز استراتيجية السبيكة على Cr و Mo لزيادة قابلية التصلب ومقاومة التقسية مع الحفاظ على كربون معتدل للقوة عبر المعالجة الحرارية. يتواجد Mn و Si للمساعدة في القوة وإزالة الأكسدة. يتم التحكم في P و S لمستويات منخفضة للحفاظ على المتانة وعمر التعب.
كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - الكربون: المساهم الرئيسي في القوة عبر تشكيل المارتنسيت بعد التبريد؛ زيادة C تعزز قابلية التصلب ولكن تقلل من قابلية اللحام والليونة. - الكروم والموليبدينوم: يزيدان من قابلية التصلب، ومقاومة التآكل، ومقاومة التقسية عند درجات الحرارة العالية؛ يعززان من التصلب الأعمق في الأقسام السميكة. - المنغنيز: يزيد من قابلية التصلب وقوة الشد. - السيليكون: يقوي الفريت ويحسن سلوك التقسية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة المعالجة: مزيج من الفريت والبيرلايت، مع حبيبات دقيقة إذا تم تطبيق تبريد محكوم. - بعد التبريد والتقسية (الطريقة الأكثر شيوعًا لهذه الفولاذات): مارتنسيت مقسى مع كربيدات (غنية بـ Cr/Mo) موزعة داخلها، مما يوفر قوة عالية مع تحسين المتانة.
طرق المعالجة والاستجابات: - المعالجة (التبريد الهوائي من درجة حرارة الأوستنيتي): ينقي حجم الحبيبات وينتج بنية مجهرية موحدة قابلة للتنبؤ لقوة معتدلة وتحسين قابلية التشغيل. - التبريد والتقسية: الأوستنيت (حوالي 820–880 درجة مئوية حسب حجم القسم)، التبريد (زيت/ماء/بوليمر محكوم)، ثم التقسية عند 400–650 درجة مئوية لتحقيق توازن بين القوة والمتانة. النتيجة: قوة شد وعائد عالية مع احتفاظ بالمتانة؛ تتحكم درجة حرارة التقسية في الصلابة النهائية. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن ينتج عن التشكيل بالإضافة إلى التبريد المحكوم حبيبات سابقة للأوستنيت دقيقة جدًا ومقاومة محسنة للتعب ولكنها حساسة للعملية.
تستجيب كلا الدرجتين بشكل مشابه لهذه المعالجات الحرارية؛ قد تؤثر الاختلافات الصغيرة في الكيمياء المضمونة أو حدود الشوائب قليلاً على قابلية التصلب وهوامش المتانة في الأقسام الكبيرة.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية (نموذجي) | 42CrMo / 42CrMo4 (معالجة) | 42CrMo / 42CrMo4 (مبرد ومقسى) |
|---|---|---|
| قوة الشد (Rm) | 650 – 850 ميجا باسكال | 850 – 1100+ ميجا باسكال (تعتمد على العملية) |
| قوة العائد (Rp0.2) | 360 – 600 ميجا باسكال | 600 – 950 ميجا باسكال |
| التمدد (A%) | 12 – 18% | 8 – 15% |
| صلابة التأثير (Charpy V، درجة حرارة الغرفة) | 30 – 80 جول | 20 – 60 جول (تعتمد على التقسية والقسم) |
| الصلابة | 180 – 260 HB | 220 – 360 HB (أو HRC 18–36) |
التفسير: - يمكن أن تحقق كلا الدرجتين خصائص ميكانيكية مشابهة جدًا عند معالجتها بشكل متساوٍ. ينتج عن التبريد والتقسية قوة شد وعائد أعلى بكثير على حساب الليونة. - تعتمد المتانة والليونة بشكل كبير على معلمات المعالجة الحرارية وعلى النظافة (محتوى الشوائب) — عادةً ما تكون الاختلافات بين الاسمين غير ملحوظة نسبيًا مقارنة بتأثيرات المعالجة.
5. قابلية اللحام
قابلية اللحام متوسطة وتتحكم بها بشكل أساسي محتوى الكربون وقابلية التصلب من Cr/Mo. استخدم معادلات مكافئ الكربون لتقدير احتياجات التسخين المسبق وPWHT.
المؤشرات الشائعة: - مكافئ الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm الدولي: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - عادةً ما يكون $CE_{IIW}$ لهذه الفولاذات متوسطًا (غالبًا حوالي 0.4–0.6 حسب الكيمياء الدقيقة)، مما يشير إلى ميل لتشكيل مارتنسيت صلب في منطقة التأثير الحراري (HAZ) ما لم يتم استخدام درجات حرارة التسخين المسبق و/أو درجات حرارة بينية مناسبة. - تقلل درجات حرارة التسخين المسبق ودرجات الحرارة بينية التحكم من معدل التبريد وصلابة HAZ؛ يُوصى بـ PWHT (التقسية) للمكونات الملحومة الحرجة أو السميكة أو ذات الضغط العالي. - كلا من 42CrMo و 42CrMo4 لهما قابلية لحام مشابهة؛ يتم تحديد الاختيار بناءً على قبول PWHT وبيئة التصنيع. استخدم إجراءات لحام مؤهلة واعتبر التحكم في الهيدروجين والتسخين المسبق لمنع التشققات.
6. التآكل وحماية السطح
- هذه الدرجات ليست فولاذات مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل منخفضة في الشكل العاري.
- خيارات حماية السطح: الطلاء، التزييت، الفوسفات، الطلاء الكهربائي، والتغليف بالغمس الساخن حسب التطبيق وقيود المعالجة الحرارية اللاحقة (يمكن أن يكون التغليف بعد التقسية مقبولًا؛ التغليف قبل المعالجة الحرارية الحرجة ليس كذلك).
- PREN (عدد مقاومة التآكل) لا ينطبق على الفولاذات غير المقاومة للصدأ، ولكن للمرجع المعادلة هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ وتعطي قيمًا منخفضة بلا معنى لهذه الفولاذات ذات الكروم المنخفض؛ لذلك، يجب إدارة أداء التآكل بواسطة الطلاءات أو الطبقات المقاومة للصدأ حيثما كان ذلك ضروريًا.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: في الحالة المعالجة تكون قابلية التشغيل متوسطة؛ في حالة التبريد والتقسية تكون المعالجة أكثر صعوبة وقد تتطلب أدوات كربيد وتغذيات مخفضة. المتغيرات ذات القطع الحر (مع إضافة الكبريت) ليست معيارية لهذه الدرجات.
- قابلية التشكيل: التشكيل الساخن والتزوير سهل؛ التشكيل البارد محدود بمحتوى الكربون — قد يتسبب الانحناء البارد الشديد في التشقق ما لم يتم تخفيفه أو استخدامه في الحالة المعالجة.
- الطحن والتشطيب: كلاهما يستجيب جيدًا للطحن الدقيق بعد المعالجة الحرارية؛ تُطبق عادةً علاجات السطح لعمر التعب (التحبيب، النترجة).
8. التطبيقات النموذجية
| 42CrMo (الاستخدامات الشائعة) | 42CrMo4 (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| الأعمدة والمحاور والمحاور | الأعمدة والمحاور والمحاور |
| التروس والتروس الصغيرة | التروس والتروس الصغيرة |
| المثبتات والبراغي عالية القوة | المثبتات والبراغي عالية القوة |
| أذرع التوصيل، أعمدة الكرنك في الأقسام الصغيرة أو المتوسطة | مكونات الآلات تحت حمل دوري عالي |
| الأجزاء المضغوطة (بعد المعالجة الحرارية المناسبة) | أجزاء السيارات والمعدات الثقيلة التي تتطلب تتبع EN |
مبررات الاختيار: - يتم اختيار كلا الدرجتين لقوتها العالية ومقاومتها الجيدة للتعب بعد التبريد والتقسية. - اختر بناءً على الشهادة المطلوبة، المعيار المحدد، سلسلة الإمداد (أي مصنع ومنطقة)، وقبول المعالجة الحرارية المطلوبة بعد اللحام.
9. التكلفة والتوافر
- كلا المادتين متاحتان على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في القضبان، والتزوير، والأنابيب غير الملحومة، والألواح. يختلف التوافر حسب المنطقة وتفضيلات الموزع.
- 42CrMo4 شائعة جدًا في الأسواق الأوروبية وغالبًا ما تكون أكثر ملاءمة عندما تكون الشهادة EN مطلوبة.
- 42CrMo (GB/T) والمعادلات المكافئة (AISI 4140 / SCM440) عادةً ما تكون أسهل في الحصول عليها في آسيا وأمريكا الشمالية.
- تكون الفروق النسبية في التكلفة عادةً صغيرة وتسيطر عليها شكل المنتج، وحجم القسم، ومتطلبات المعالجة الحرارية أو شهادة المصنع بدلاً من تصنيف الدرجة الاسمي.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | 42CrMo | 42CrMo4 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | متوسطة؛ غالبًا ما تتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT | متوسطة؛ غالبًا ما تتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT |
| القوة–المتانة (المعالجة الحرارية) | عالية (تعتمد على العملية) | عالية (تعتمد على العملية) |
| التكلفة / التوافر | متاحة على نطاق واسع في آسيا/الأمريكتين؛ تنافسية | متاحة على نطاق واسع في أوروبا؛ تنافسية |
التوصيات: - اختر 42CrMo إذا كنت بحاجة إلى الحصول على مادة ضمن نظام مورد GB/AISI، أو إذا كانت متطلبات الشراء للمشروع تتطلب مكافئًا لمواصفات GB أو الأمريكية وتحتاج إلى أداء ميكانيكي نموذجي من فئة 4140 مع تتبع محلي. - اختر 42CrMo4 إذا كانت مواصفات المشروع تتطلب شهادة مادة EN، أو توافق سلسلة الإمداد الأوروبية، أو إذا كان العقد مع العميل/المشروع ينص صراحةً على معايير EN (42CrMo4 / EN 1.7225).
ملاحظة نهائية: تتداخل الأداء المعدني والميكانيكي لهذين الاسمين بشكل كبير؛ غالبًا ما تكون العوامل الحاسمة غير معدنية (الامتثال للمعايير، شهادة المصنع، تتبع السلاسل، والتوافر المحلي). بالنسبة للمكونات الحرجة، حدد دائمًا المعالجة الحرارية المطلوبة، ومعايير قبول الخصائص الميكانيكية، وإجراءات NDT/المعالجة الحرارية بعد اللحام بدلاً من الاعتماد على اسم الدرجة فقط.