45# مقابل 40Cr – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع خيارًا بين الفولاذ الكربوني العادي والفولاذ منخفض السبائك للأعمدة الدوارة والتروس والدبابيس ومكونات الآلات. يتم مقارنة 45# (المعروف عادةً بأنه فولاذ كربوني متوسط) و40Cr (فولاذ كربوني متوسط مضاف إليه الكروم) بشكل متكرر لأنه يشغل مساحة تركيب مجاورة ولكنهما يقدمان استجابة مختلفة من حيث القابلية للتصلب والقوة واستجابة المعالجة الحرارية.

التمييز الأساسي هو أن إضافة الكروم في 40Cr تزيد من القابلية للتصلب والقوة الممكن تحقيقها بعد التبريد والتخمير، بينما يعتمد 45# على محتوى الكربون وحجم المقطع لتحقيق الصلابة والقوة. هذا الاختلاف يدفع الاختيار حيث تكون الصلابة الكاملة وسمك المقطع والأهداف الميكانيكية بعد المعالجة الحرارية أمرًا حاسمًا.

1. المعايير والتسميات

• 45#: غالبًا ما يوجد كدرجة GB/T "45#" (الصين). الدرجات الغربية المعادلة: تقريبًا AISI/SAE 1045 (فولاذ كربوني متوسط). مصنف كفولاذ كربوني عادي (غير سبائكي).
• 40Cr: موجود في GB/T كـ "40Cr". المعادلات التقريبية: عائلة AISI/SAE 5140/4140 (فولاذ كروم منخفض السبائك). مصنف كفولاذ منخفض السبائك.

أنظمة المعايير الأخرى ذات الصلة التي قد تغطي الفولاذات القابلة للمقارنة: - ASTM/ASME: سلسلة SAE/AISI (مثل 1045، 4140). - EN: EN 8 / C45 (الأقرب لـ 45#)؛ 40Cr تقارب EN 19/42CrMo4 حسب الكيمياء الدقيقة. - JIS: تظهر JIS فولاذات كربونية ومتنوعة سبائكية متوسطة تحت رموز رقمية مختلفة. - GB: مواصفات GB/T الصينية لـ 45# و40Cr.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: نطاقات التركيب النموذجية (وزن%). تعتمد حدود المواصفات الفعلية على المعيار والمطحنة.

عنصر	45# (نموذجي)	40Cr (نموذجي)
C	0.42–0.50	0.37–0.44
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	— (أثر)	0.80–1.20
Ni	— (أثر)	≤0.30 (قد تكون غائبة)
Mo	— (أثر)	≤0.08 (قليلة أو غائبة)
V, Nb, Ti, B, N	أثر/مراقب	أثر/مراقب

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون: القابلية للتصلب الأساسية وقوة درجة حرارة الغرفة؛ زيادة C تعزز الصلابة الممكنة ولكن تقلل من المتانة وقابلية اللحام. - الكروم (في 40Cr): يزيد من القابلية للتصلب ومقاومة التخمير، يحسن القوة ومقاومة التآكل بعد التبريد والتخمير؛ كما ينقي بنية الكربيد. - المنغنيز والسيليكون: إزالة الأكسدة والقوة؛ يساهم المنغنيز في القابلية للتصلب. - يتم الحفاظ على الفوسفور والكبريت بمستويات منخفضة للحفاظ على المتانة وقابلية التشغيل.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهياكل النموذجية: - 45#: في حالة التلدين أو التطبيع، يكون الميكروهيكل هو الفريت + اللؤلؤة مع نسبة لؤلؤة متوسطة تتماشى مع ~0.45%C. التبريد + التخمير ينتج مارتنسيت مخفف إلى صلابة مرغوبة، ولكن نظرًا لأن 45# يفتقر إلى عناصر سبائكية قوية، فإن قابليته للتصلب محدودة - يمكن تحقيق مارتنسيت أساسي فقط في مقاطع عرضية صغيرة نسبيًا. - 40Cr: في حالة التطبيع، الفريت + اللؤلؤة مع كربيدات سبائكية؛ بعد التبريد، يكون قادرًا على تشكيل مارتنسيت في مقاطع أكبر مقارنةً بـ 45# بسبب الكروم. ينتج التخمير مارتنسيت مخفف مع توازن أفضل بين القوة والمتانة ومقاومة تخمير محسنة.

آثار المعالجة الشائعة: - التطبيع: كلا الدرجتين ينقيان حجم الحبيبات وينتجان ميكروهيكل متوقع من الفريت/اللؤلؤة؛ قد يشكل 40Cr تشتتات كربيد أدق. - التبريد والتخمير: يحقق 40Cr قوة ومتانة أعلى في المقاطع السميكة؛ يمكن أن يصل 45# إلى صلابة قابلة للمقارنة في المقاطع الصغيرة ولكن سيتطلب التحكم الدقيق لتجنب السلوك الهش. - تصلب السطح (التحريض، الكربنة): كلا الدرجتين مناسبتان؛ يفضل استخدام 40Cr عندما يكون هناك حاجة إلى نواة قوية مع سطح صلب، ويمكن كربنتها لتحسين مقاومة التآكل السطحية.

4. الخصائص الميكانيكية

ملاحظة: تختلف الخصائص الميكانيكية بشكل كبير مع المعالجة الحرارية وحجم المقطع. القيم أدناه هي نطاقات نموذجية تستخدم للمقارنة الهندسية بدلاً من قيم المواصفات النهائية.

الخاصية (نطاقات نموذجية)	45#	40Cr
قوة الشد (ميغاباسكال)	520–750	600–1100
قوة الخضوع (ميغاباسكال)	300–500	400–950
التمدد (%)	10–18	8–16
متانة الصدمة (شاربي V، جول)	15–60 (تعتمد على المعالجة الحرارية)	20–80 (أفضل في حالة التبريد والتخمير)
الصلابة (HB أو HRC)	HB 160–250 (HRC ~15–30)	HB 180–320 (HRC ~18–36)

التفسير: - القوة: يمكن أن يحقق 40Cr عادةً قوة شد وقوة خضوع أعلى بعد التبريد والتخمير بسبب زيادة القابلية للتصلب واستقرار المارتنسيت المخفف. - المتانة: عندما يتم تخميرها بشكل صحيح، غالبًا ما يوفر 40Cr توازنًا أفضل بين القوة والمتانة في المقاطع الأكبر. في المقاطع الصغيرة أو حالة التلدين، يمكن أن يظهر 45# متانة قابلة للمقارنة. - اللدونة: يميل 45# المتلدن إلى إظهار تمدد أعلى قليلاً؛ سيكون 40Cr بعد المعالجات الحرارية عالية القوة أقل لدونة.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على محتوى الكربون، وعناصر السبائك، والسماكة (ميل التصلب). مؤشرات الشدة المفيدة:

• معهد اللحام الدولي معادل الكربون: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

-معامل قابلية اللحام الأوستنيتي (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 45#: مع C ≈ 0.45% ومحتوى سبائكي منخفض جدًا، فإن $CE_{IIW}$ معتدل؛ يُوصى بالتسخين المسبق والتبريد المنضبط للمقاطع السميكة لتجنب التشقق، ولكن بشكل عام تكون قابلية اللحام أفضل من الفولاذات السبائكية بنفس الصلابة لأن هناك عناصر أقل تعزز القابلية للتصلب. - 40Cr: يزيد الكروم من مساهمات $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ عبر مصطلح $(Cr+Mo+V)$؛ وبالتالي فإن 40Cr لديه ميل أعلى لوجود منطقة HAZ صلبة ومارتنسيتية في المقاطع السميكة وعادة ما يتطلب تسخينًا مسبقًا، أو التحكم في درجة حرارة التداخل، أو معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT). يُنصح باستخدام أقطاب منخفضة الهيدروجين وإجراءات لحام منضبطة.

التوصية: بالنسبة للحامات الحرجة أو المقاطع السميكة، اختر الإجراءات التي تأخذ في الاعتبار القابلية للتصلب الأعلى لـ 40Cr؛ بالنسبة للمكونات الصغيرة أو عندما يكون اللحام عرضيًا، فإن 45# أسهل في اللحام.

6. التآكل وحماية السطح

• لا 45# ولا 40Cr مقاومان للصدأ أو التآكل من حيث التركيب الكيميائي. مقاومة التآكل متشابهة في الكتلة ما لم يكن هناك سبائك محددة (مثل، زيادة الكروم أو الموليبدينوم).
• الحمايات الشائعة: الطلاء، التزييت، الفوسفات، والتغليف لحماية التعرض الجوي؛ الطلاء أو الطلاءات لبيئات التآكل والتآكل. بالنسبة لأجزاء 40Cr المعالجة حراريًا، اختر الطلاءات المتوافقة مع المعالجة الحرارية بعد التبريد.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ؛ للمرجع: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لكن هذا المؤشر ذو صلة فقط للسبائك المقاومة للصدأ التي تحتوي على كميات كبيرة من الكروم والموليبدينوم والنيتروجين.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: 45# (1045) في حالة التلدين يتم تشغيله بشكل معقول؛ زيادة الكربون تزيد من تآكل الأدوات عند قطع المواد الصلبة. يميل 40Cr إلى أن يكون أكثر صلابة وقد يكون أكثر تآكلًا على الأدوات عند تصلبه؛ في حالات التطبيع أو التلدين، تكون قابلية التشغيل قابلة للإدارة.
• قابلية التشكيل/الانحناء: 45# المتلدن أكثر قابلية للتشكيل؛ 40Cr في حالة التطبيع سيكون أقل لدونة من 45# المتلدن ويتطلب أنصاف أقطار انحناء أكبر، أو تسخين مسبق للتشكيل إذا كان في حالة صلبة.
• تشطيب السطح: كلاهما يستجيب جيدًا للطحن، والتدوير، والتلميع عند معالجته حراريًا بشكل صحيح؛ يجب أن تأخذ اختيار سرعات القطع ومواد الأدوات في الاعتبار الصلابة والتخمير.

8. التطبيقات النموذجية

45# (الاستخدامات النموذجية)	40Cr (الاستخدامات النموذجية)
أعمدة، محاور، براغي، دبابيس، مكونات كرانك في أحمال منخفضة إلى متوسطة	أعمدة محملة بشكل كبير، تروس، أعمدة كرانك، دبابيس عالية القوة، قوالب تروس
أجزاء مصنعة عامة حيث تكون القوة المتوسطة مطلوبة وتكون التكلفة مهمة	أجزاء تتطلب تصلبًا أعمق وقوة تحمل أعلى في مقاطع أكبر
براغي ومكونات مثقوبة بعد التبريد/التخمير في مقاطع صغيرة	مكونات مطروقة، مكونات كربنتة/مبردة لمقاومة التآكل

مبررات الاختيار: - اختر 45# حيث تكون التكلفة، القوة المتوسطة، وإجراءات المعالجة الحرارية أو اللحام الأبسط هي الأولويات والمقاطع العرضية صغيرة. - اختر 40Cr حيث تكون الحاجة إلى تصلب كامل أعلى، واستقرار تخمير أفضل، وسعة تحمل أعلى - خاصة للمقاطع الأكبر - مطلوبة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما يكون 45# أقل تكلفة لكل طن من 40Cr لأنه يفتقر إلى إضافات السبائك. يحمل 40Cr علاوة على محتوى الكروم ولأنه محدد كفولاذ سبائكي.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحتان بشكل شائع في جميع أنحاء العالم في القضبان، والألواح، والمطروقات، والمواد الدائرية. 45# شائع للاستخدامات العامة؛ 40Cr متوفر على نطاق واسع للتطبيقات الهندسية وعادة ما يُعرض في حالات التطبيع، والتبريد والتخمير، والمطروقات.
• أوقات التسليم: القضبان والمطروقات القياسية متاحة بسهولة؛ يمكن أن تزيد الكيميائيات الخاصة أو المطروقات ذات التحمل الضيق من وقت التسليم.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعية عالية المستوى):

الخاصية	45#	40Cr
قابلية اللحام	جيدة (مع تسخين مسبق للمقاطع السميكة)	أكثر تحديًا (غالبًا ما يحتاج إلى تسخين مسبق/PWHT أعلى)
القوة–المتانة (بعد HT)	متوسطة	أعلى (استجابة أفضل للتصلب والتخمير)
التكلفة	أقل	أعلى

اختر 45# إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ كربوني متوسط فعال من حيث التكلفة لمقاطع صغيرة إلى متوسطة. - كانت سهولة اللحام وإجراءات المعالجة الحرارية الأبسط هي الأولويات. - تتطلب التطبيقات قوة معقولة مع قابلية تشغيل وتشكيل جيدة (بعد التلدين أو التطبيع).

اختر 40Cr إذا: - كنت بحاجة إلى قابلية تصلب أعلى وقوة/متانة أكبر بعد التبريد والتخمير، خاصة في المقاطع الأكبر. - كانت الأجزاء عرضة لأحمال تعب أعلى، أو خدمة أثقل، أو تتطلب نواة أكثر صلابة مع سطح صلب. - كنت تحدد مكونات حيث تكون الأداء المتوقع بعد المعالجة الحرارية ومقاومة التخمير الأفضل مهمة بما يكفي لتبرير تكلفة المواد الأعلى.

ملاحظة ختامية: يجب أن يكون الاختيار النهائي مدفوعًا بالأهداف الميكانيكية المطلوبة، وسمك المقطع، وقدرة المعالجة الحرارية، ومتطلبات اللحام، وتكلفة دورة الحياة الإجمالية. عند الشك، حدد الخصائص الميكانيكية المطلوبة وحالة المعالجة الحرارية بدلاً من الدرجة فقط؛ يمكن لمهندس المواد بعد ذلك اختيار الدرجة الأكثر اقتصادية والعملية لتحقيق تلك الأهداف.