440A مقابل 440C - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

440A و 440C هما نوعان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية، ويستخدمان على نطاق واسع حيث يتطلب الأمر مزيجًا من الصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة متوسطة للتآكل. يقوم المهندسون وفرق الشراء عادةً بوزن المزايا والعيوب بين التكلفة، واحتفاظ الحافة أو عمر التآكل، وتعقيد التصنيع عند الاختيار بينهما - على سبيل المثال، الاختيار بين مادة أقل تكلفة وأسهل في المعالجة ودرجة كربون أعلى مع صلابة ومقاومة تآكل متفوقة.

تنبع التمييزات الأساسية في الأداء بين هذين الدرجتين من محتوى الكربون المختلف والطريقة التي يتفاعل بها الكربون مع الكروم وعناصر السبائك الأخرى للتحكم في قابلية الصلابة المارتنسيتية، وتكوين الكربيد، والخصائص الميكانيكية النهائية. وبالتالي، فإن 440C عادةً ما تحقق صلابة ومقاومة تآكل أعلى على حساب تقليل المتانة وصعوبة اللحام/التشغيل مقارنةً بـ 440A.

1. المعايير والتسميات

تم تحديد هذه الدرجات وإحالتها في عدد من المعايير الوطنية والصناعية. تشمل أنظمة التسمية الشائعة التي ستجد فيها هذه الدرجات ما يلي:

• AISI / ASTM / ASME: غالبًا ما يتم الإشارة إليها بواسطة تسمية AISI/UNS (الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية).
• EN (المعايير الأوروبية) / المعادلات ISO: توجد في قوائم EN تحت تسميات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية المحتوية على الكروم.
• JIS (المعايير الصناعية اليابانية): يتم التعرف عليها على أنها SUS440A وSUS440C.
• GB (المعايير الصينية) ومعايير وطنية أخرى: تظهر تركيبات مشابهة تحت أسماء الدرجات المحلية.

تصنيف المادة: كل من 440A و440C هما فولاذان مقاومان للصدأ من نوع المارتنسيت (يستخدمان عادة كفولاذات تحمل/أدوات/سكاكين). هما ليسا فولاذات HSLA؛ بل هما فولاذان مقاومان للصدأ/أدوات يمكن معالجتهما حراريًا مصممان للصلابة ومقاومة التآكل بدلاً من المتانة الاستثنائية أو القابلية للتشكيل.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تدرج الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية للدرجتين بالنسبة المئوية للوزن. هذه النطاقات تمثل المواصفات الشائعة (عائلة JIS/EN/AISI) وتهدف لأغراض المقارنة.

عنصر	440A (نطاق نموذجي، % وزني)	440C (نطاق نموذجي، % وزني)
C	0.60 – 0.75	0.95 – 1.20
Mn	≤ 1.00	≤ 1.00
Si	≤ 1.00	≤ 1.00
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	16.0 – 18.0	16.0 – 18.0
Ni	≤ 0.75	≤ 0.75
Mo	≤ 0.75 (غالبًا منخفض)	≤ 0.75 (غالبًا منخفض)
V, Nb, Ti	عادةً لا شيء	عادةً لا شيء
B, N	أثر / غير محدد	أثر / غير محدد

استراتيجية السبائك والنتائج المعدنية: - يوفر الكروم بنسبة ~16–18% خصائص مقاومة للصدأ من خلال فيلم أكسيد غير نشط بينما يعزز أيضًا تكوين الكربيد (كربيدات الكروم) التي تؤثر على سلوك التآكل. - الكربون هو العامل الرئيسي: الكربون الأعلى في 440C يشكل المزيد من الكربيدات الأكثر صلابة ويزيد من صلابة المارتنسيت بعد التبريد، مما يحسن مقاومة التآكل واحتفاظ الحافة. - المنغنيز والسيليكون هما عناصر إزالة الأكسدة وعناصر سبائك ثانوية؛ الموليبدينوم، إذا كان موجودًا، يحسن قليلاً من قابلية الصلابة ومقاومة التآكل. - مستويات منخفضة من Ni وV وعناصر السبائك الدقيقة الأخرى عادةً ما تكون غائبة أو ضئيلة؛ يعتمد التصميم على تفاعل Cr–C للخصائص.

3. التركيب المجهري واستجابة المعالجة الحرارية

مقارنة التركيب المجهري: - كلتا الدرجتين تطوران مصفوفة مارتنسيتية بعد التصلب، مع توزيع كربيدات الكروم عبر المصفوفة. يعتمد حجم الكربيد، ونسبة الحجم، والتوزيع بشكل كبير على الكربون. - 440A (كربون أقل): ينتج عددًا أقل من الكربيدات مع نسبة حجم كربيد أصغر؛ تميل المارتنسيت إلى أن تكون أقل تشبعًا بالكربون، مما يؤدي إلى صلابة أقل ومتانة أفضل نسبيًا. - 440C (كربون أعلى): يعطي نسبة حجم أعلى من كربيدات الكروم ومحتوى كربون أعلى في المارتنسيت؛ النتيجة هي صلابة أعلى ومقاومة محسنة للتآكل ولكن متانة ومرونة أقل.

استجابة المعالجة الحرارية النموذجية: - التلدين: يتم تلدين كلا الدرجتين لتخفيف الضغط وتليينهما قبل التشغيل. التركيب المجهري المتلدن عادةً ما يكون مكونًا من الفريت/البرليت بالإضافة إلى كربيدات غير مذابة؛ تكون الصلابة منخفضة بما يكفي للتشغيل. - التبريد: تبريد بالزيت أو هواء/زيت حسب حجم المقطع والخصائص المطلوبة. يتم اختيار درجات حرارة الأوستنيتيز لحل الكربيدات المناسبة دون نمو حبيبات مفرط. - التخمير: يقلل التخمير من الهشاشة ويعدل الصلابة. بسبب الكربون الأعلى، تحقق 440C صلابة تخمير أعلى عند درجة حرارة تخمير معينة ولكن يمكن أن تكون أكثر عرضة للهشاشة الناتجة عن التخمير وتتطلب اختيار تخمير دقيق. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يؤدي التشكيل الخاضع للرقابة والمعالجة الحرارية إلى تحسين توزيع الكربيد، مما يحسن المتانة ومقاومة التآكل؛ تستجيب كلتا الدرجتين لمثل هذه الطرق ولكن 440C تتطلب رقابة أكثر دقة على العملية لتجنب الكربيدات الخشنة.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على المعالجة الحرارية. يلخص الجدول التالي السلوك المقارن بدلاً من الأرقام المطلقة الفردية - وهو مصمم لمساعدة قرارات الاختيار في التصنيع والشراء.

الخاصية	440A (سلوك نموذجي)	440C (سلوك نموذجي)
قوة الشد	متوسطة إلى عالية (تعتمد على التصلب)	أعلى (عند التصلب الكامل)
قوة العائد	متوسطة	أعلى
التمدد (المرونة)	أعلى (أكثر مرونة)	أقل (مرونة أقل عند التصلب)
صلابة التأثير	أفضل (مقاومة أكبر للكسر الهش)	أقل (أكثر هشاشة عند التصلب)
صلابة (HRC، نطاق صلب نموذجي)	~48 – 56 HRC	~56 – 62 HRC

تفسير: - تحقق 440C صلابة قصوى أعلى وقوة شد لأن كربونها الأعلى يمكّن من الحصول على مارتنسيت أكثر صلابة وكربيدات كروم أكثر. وهذا أيضًا يقلل من المرونة وصلابة التأثير مقارنةً بـ 440A. - إذا كانت المتانة ومقاومة الكسر الكارثي هي الأولويات، فإن 440A ستؤدي عمومًا بشكل أفضل بعد المعالجات الحرارية المماثلة. إذا كانت مقاومة التآكل واحتفاظ الحافة أمرًا حاسمًا، فإن 440C عادةً ما تكون مفضلة.

5. قابلية اللحام

يتطلب لحام الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية الحذر بسبب ميلها لتشكيل مارتنسيت صلب وهش وللصدع في منطقة التأثير الحراري (HAZ). تشمل التأثيرات الرئيسية محتوى الكربون، وقابلية التصلب (Cr وعناصر السبائك الأخرى)، والسبائك الدقيقة.

مؤشرات التركيب المفيدة (تفسير نوعي): - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ تشير قيمة أعلى لـ $CE_{IIW}$ إلى خطر أكبر من تصلب HAZ والتصدع؛ ستعطي 440C عمومًا قيمة أعلى من 440A بسبب كربونها الأعلى.

• Pcm (معامل قابلية اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ ترتبط قيمة أعلى لـ $P_{cm}$ بقابلية لحام أقل ومتطلبات أعلى للتسخين المسبق/المعالجة الحرارية بعد اللحام.

التفسير النوعي: - 440A (كربون أقل) أسهل في اللحام من 440C ولكن لا يزال يتطلب تسخينًا مسبقًا، ودرجات حرارة متحكم فيها بين اللحام، وتخمير بعد اللحام أو تخفيف الضغط لتجنب تصدع HAZ. - 440C (كربون عالي) أكثر صعوبة في اللحام. في العديد من الحالات، يتم تجنب اللحام؛ قد تكون التثبيتات الميكانيكية أو اللحام باللحام المفضل. إذا كان اللحام ضروريًا، فإن بروتوكولات التسخين المسبق، ومعلمات اللحام، والمعالجة الحرارية بعد اللحام صارمة.

6. مقاومة التآكل وحماية السطح

• كلا من 440A و440C مقاومان للصدأ بفضل محتوى الكروم، ولكن مقاومتهما للتآكل متوسطة فقط مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (سلسلة 300). يمكن أن تتشكل كربيدات الكروم وتستنفد الكروم محليًا (تحسس) إذا تم الاحتفاظ بها في نطاق درجات الحرارة الحرجة، مما يقلل من مقاومة التآكل المحلية.
• في البيئات العدوانية، يجب النظر في حماية السطح (التمرير، الطلاء) أو سبائك بديلة.

معادلة PREN (رقم مقاومة التآكل) للفولاذ المقاوم للصدأ عندما يكون Mo وN مهمين: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - التطبيق: PREN هو الأكثر معنى للدرجات المزدوجة والأوستنيتية مع محتوى ملحوظ من Mo وN. بالنسبة لـ 440A/440C، مع انخفاض Mo وN، يكون PREN منخفضًا وليس مميزًا مفيدًا. - ملاحظة عملية: حيث تكون مقاومة التآكل حاسمة (مثل البحرية، الحمضية)، اختر درجات مقاومة للصدأ ذات محتوى أعلى من Mo/N (أو سبائك أوستنيتية/مزدوجة) بدلاً من الاعتماد على المارتنسيتية.

حماية السطح للاستخدامات غير المقاومة للصدأ (إذا كانت المادة غير كافية): الطلاء، والتغليف، وطلاءات التحويل، والدهانات هي خيارات للفولاذ الكربوني/السبائكي، ولكن بالنسبة لـ 440A/440C، فإن النهج المعتاد هو التمرير (التمرير الحمضي) وإنهاء السطح بشكل متحكم فيه لتقليل بدء الشقوق/التآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، والقابلية للتشكيل

• قابلية التشغيل: 440A (صلابة أقل) عمومًا أكثر قابلية للتشغيل في الحالة المتلدنة من 440C. يزيد محتوى الكربون والكربيد الأعلى في 440C من تآكل الأدوات ويقلل من سرعات القطع ما لم يتم تلدين المادة واستخدام أدوات/طلاءات خاصة.
• الطحن والتشطيب: تستجيب 440C جيدًا للطحن الدقيق والتلميع - ومن ثم شعبيتها لشفرات السكاكين ومكونات المحامل. أكثر تآكلًا وأبطأ من 440A عند معدلات تغذية متساوية.
• القابلية للتشكيل والانحناء: كلتا الدرجتين لهما قابلية تشكيل باردة محدودة مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. 440A أكثر تسامحًا قليلاً أثناء التشكيل بسبب قابلية صلابتها الأقل؛ عادةً ما يتم تشكيل 440C فقط عندما تكون متلدنة ناعمة ثم معالجة حراريًا.
• المعالجة الحرارية بعد التشكيل هي ممارسة شائعة؛ غالبًا ما يتم إجراء التشغيل النهائي بعد المعالجة الحرارية والتخمير أو عبر عمليات الطحن.

8. التطبيقات النموذجية

440A — الاستخدامات النموذجية	440C — الاستخدامات النموذجية
أدوات المائدة منخفضة التكلفة، شفرات سكاكين رخيصة، أدوات جراحية حيث يكون احتفاظ الحافة الأقل مقبولًا	شفرات سكاكين عالية الجودة، أدوات مائدة دقيقة، شفرات حلاقة مع احتفاظ أطول للحافة
محامل صغيرة، مكونات صمامات حيث تكفي مقاومة الحمل/التآكل المتوسطة	محامل كروية، غسالات دفع، مقاعد صمامات تتطلب مقاومة تآكل أعلى
نوابض وأعمدة حيث يتم التوازن بين الصلابة والمتانة المتوسطة	حلقات تآكل، أختام، ومكونات هيدروليكية تتعرض لتآكل انزلاقي عالي
قطع عامة حيث تهم اقتصاديات التشغيل	تطبيقات تتطلب صلابة عالية، مقاومة للتآكل، وتشطيب سطحي دقيق

مبررات الاختيار: - اختر 440A للتطبيقات التي تعطي الأولوية للتكلفة، وسهولة التصنيع، والمتانة الأعلى حيث يكون الطلب على التآكل متوسطًا. - اختر 440C حيث تكون مقاومة الاحتفاظ بالحافة، ومقاومة التآكل، والصلابة القصوى هي الخصائص الحاسمة وحيث يمكن تطبيق رقابة أكثر صرامة على التصنيع (المعالجة الحرارية، الطحن النهائي).

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: عادةً ما تكون تكلفة 440A أقل من 440C بسبب محتوى الكربون الأقل والمعالجة الأسهل إلى حد ما. ومع ذلك، فإن أسعار السوق مدفوعة أكثر بمحتوى الكروم والشكل (بار، شريط) أكثر من الكربون وحده؛ كلاهما درجات فولاذ مقاوم للصدأ سلعية ومتاحة على نطاق واسع.
• التوافر حسب شكل المنتج: كلا الدرجتين متاحتان بسهولة في شكل بار، شريط، ورقة/لوحة (سمك محدود)، سلك، وأشكال معالجة نابض. 440C شائعة بشكل خاص في البار المعالج والمصقول للمحامل، وقوالب السكاكين، والمكونات الدقيقة.
• أوقات التسليم: عادةً ما تكون الأشكال التجارية القياسية لها أوقات تسليم قصيرة؛ قد تضيف الأشكال الخاصة (مثل القوالب الكبيرة، دورات معالجة حرارية مخصصة) وقتًا.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص - تقييم نسبي:

السمة	440A	440C
قابلية اللحام	أفضل (لكن لا يزال يتطلب الحذر)	أقل (خطر عالٍ من التصدع)
توازن القوة – المتانة	قوة متوسطة، متانة أفضل	قوة/صلابة أعلى، متانة أقل
التكلفة	أقل / أكثر اقتصادية	أعلى (تكاليف المعالجة والتشغيل)

اختر 440A إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيت مع مقاومة معقولة للتآكل، وصلابة متوسطة، ومتانة أفضل، وتكلفة تصنيع أقل. - كانت قابلية التشغيل، وسهولة اللحام (مع الاحتياطات)، أو المرونة/القدرة على التحمل تحت التأثير أكثر أهمية من أقصى عمر للتآكل أو احتفاظ الحافة. - كان التطبيق حساسًا للتكلفة وكان بيئة التآكل متوسطة.

اختر 440C إذا: - كانت أقصى صلابة، ومقاومة للتآكل، واحتفاظ الحافة هي الخصائص ذات الأولوية (مثل السكاكين الدقيقة، والمحامل، ووجوه الأختام). - كنت تستطيع استيعاب رقابة أكثر صرامة على المعالجة الحرارية، والتخمير بعد اللحام/بعد العملية، وزيادة محتملة في تكاليف التشغيل أو الطحن. - كان التصميم يتطلب مكونات معالجة حرارية حيث يتفوق عمر التآكل على الحاجة إلى متانة عالية أو سهولة اللحام.

ملاحظة نهائية: يمكن أن تؤدي كلتا الدرجتين بشكل ممتاز عند تحديدها ومعالجتها بشكل صحيح. العوامل الرئيسية في اتخاذ القرار هي بيئة الخدمة (التآكل مقابل التأثير)، قيود التصنيع (اللحام، التشغيل)، وتكلفة دورة الحياة. بالنسبة للمكونات الحرجة، تطلب التجارب واستشارة خبراء المعادن لتحديد دورات معالجة حرارية محددة وتشطيبات سطحية مصممة للخدمة المقصودة.