60Si2Mn مقابل 55CrSi – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يختار المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع في كثير من الأحيان بين الفولاذات الزنبركية عالية الكربون التي توفر قوة عالية، ومقاومة التعب، واستجابة متوقعة للمعالجة الحرارية. من الدرجات الشائعة المقارنة في هذه الفئة هما 60Si2Mn و55CrSi. تدور معضلة الاختيار عادة حول تعويضات بين قابلية التقسية للأجزاء السميكة، والقوة المتحققة وعمر التعب، وقابلية اللحام وسهولة التصنيع، وتكلفة المادة.

الاختلاف الرئيسي بين هاتين الدرجتين يكمن في استراتيجية السبائكية: فالأولى تركز على كيمياء السيليكون والمنجنيز لتعزيز القوة والمرونة عند مستويات عالية من الكربون، بينما الثانية تضم الكروم مع السيليكون لزيادة قابلية التقسية ومقاومة الترحيل. لذلك، غالبًا ما يُقارن بينهما للزنابر والبرامل والمكونات ذات الإجهاد العالي التي تتطلب أداءً ميكانيكيًا وتصنيعًا جيدًا.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والتسميات الشائعة المستخدمة في الصناعة:
• GB (الصين): 60Si2Mn، 55CrSi (التسميات الشائعة في المعايير وسلسلة التوريد الصينية).
• EN/ISO: درجات فولاذ EN المقارنة للزنابر تتضمن ما يعادل 60Si2Mn ونظائر SAE/ASTM (مثل SAE 9254/55 لزنابر SiCr)، لكن المراجع الدقيقة تعتمد على تفاصيل المواصفات.
• JIS: فولاذ زنبركي JIS (مثل عائلات SUP9/SUP10) يمكن أن يستخدم كمعادل وظيفي في بعض التطبيقات.
• ASTM/ASME: لا توجد تسمية ASTM موحدة لهذه الفولاذات الزنبركية التجارية، وعادة ما تخضع للتوريد حسب مواصفات العملاء أو المعايير الوطنية.
• التصنيف:
• كلا من 60Si2Mn و55CrSi هما فولاذات زنبركية سبائكية عالية الكربون (غير مقاومة للصدأ). وليسا فولاذ أدوات، أو مقاوم للصدأ، أو فولاذ عالي المتانة (HSLA) بالمعنى التقليدي.

2. التركيبة الكيميائية واستراتيجية السبائكية

ملاحظة: تختلف التركيبات حسب المعيار والمورد. الجدول أدناه يوضح نطاقات تركيبة نموذجية تقريبية لتوضيح استراتيجية السبائكية وليس حدود المواصفة الدقيقة.

العنصر (%)	60Si2Mn (نطاق نموذجي)	55CrSi (نطاق نموذجي)
C	0.56–0.64	0.50–0.60
Mn	0.50–1.00	0.30–0.80
Si	1.60–2.00	0.90–1.50
P	≤ 0.03 (حد أقصى)	≤ 0.03 (حد أقصى)
S	≤ 0.03 (حد أقصى)	≤ 0.03 (حد أقصى)
Cr	≤ 0.25 (آثار قليلة)	0.80–1.30
Ni	≤ 0.30 (آثار قليلة)	≤ 0.30 (آثار قليلة)
Mo	—	≤ 0.10 (ثانوي)
V, Nb, Ti	— (عادة غير موجود)	— (عادة غير موجود)
B, N	—	—

تأثيرات السبائكية: - الكربون هو العنصر الرئيسي للتقسية: رفع نسبة الكربون يزيد الصلادة والقوة الممكنة بعد التبريد والترحيل لكنه يقلل من قابلية اللحام واللدونة. - السيليكون يزيد القوة والمرونة وأداء الزنبرك؛ ويعزز استقرار الفريت ويحسن المتانة في بعض حالات الترحيل. - المنجنيز يحسن قابلية التقسية وقوة الشد ويعمل كعامل إزالة أكاسيد. - الكروم يزيد من قابلية التقسية ومقاومة الترحيل، وهو مهم للأجزاء السميكة ودرجات الحرارة التشغيلية المرتفعة. - العناصر النزرة والتحكم الصارم في الفوسفور والكبريت تحسن عمر التعب وتقلل الشوائب.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

تختلف البنى المجهرية وسلوك المعالجة الحرارية النمطي بسبب توازن السبائكية: - 60Si2Mn (مهيمن عليه Si-Mn): - في الحالة المقننة: بنية بيرليتيك/فيريتية غالبة لقوة متوسطة. - بعد التبريد والترحيل: قاعدة مارتنسيتية مرحلة إلى الصلادة المطلوبة؛ مستويات السيليكون تساعد على الاحتفاظ بالخصائص المرنة لتطبيقات الزنبرك. - حساسية السماكة: معتدلة؛ المنجنيز يوفر بعض قابلية التقسية لكنه أقل فعالية من الكروم، لذلك قد لا تكتمل التقسية في الأجزاء السميكة إلا مع تعديلات.

- 55CrSi (مهيمن عليه Cr-Si): - في الحالة المقننة: بيرليت + فيريت حسب التبريد. - بعد التبريد والترحيل: مارتنسيت مرحل؛ الكروم يزيد قابلية التقسية ويعزز تحول مارتنسيت متجانس أكثر في الأجزاء السميكة. - مقاومة الترحيل: محسنة بسبب الكروم؛ تمكن من الاحتفاظ بقوة أعلى عند درجات ترحيل مرتفعة وتحسين مقاومة اللين مع الزمن.

طرق المعالجة: - المعالجة التقنينة/تكرير حجم الحبيبات: كلاهما يستجيب جيدًا، لكن اختيار درجة حرارة التقنين يعتمد على محتوى الكربون وحجم المقطع. - التبريد والترحيل: شائع للزنابر. وسط التبريد، ودرجة حرارة الأوستنات، وبروفايل الترحيل تتحكم في الصلادة والمتانة النهائية. - المعالجة الحرارية-الميكانيكية (لسلك أو لف الزنبرك): التبريد المتحكم فيه والعمل البارد بالإضافة إلى ترحيل تخفيف الإجهاد معايير قياسية.

4. الخواص الميكانيكية

تختلف الخواص الميكانيكية على نطاق واسع حسب المعالجة الحرارية وحجم المقطع. الجدول التالي يعرض النطاقات النموذجية الممكنة بعد دورات تبريد وترحيل صناعية نموذجية لتطبيقات الزنبرك والقوة العالية.

الخاصية	60Si2Mn (نموذجي)	55CrSi (نموذجي)
قوة الشد (MPa)	900–1600 (تعتمد على الترحيل)	900–1700 (أفضل في الأجزاء السميكة)
مقاومة الخضوع (MPa)	700–1400	700–1450
الاستطالة (%)	6–18 (تنخفض مع زيادة القوة)	6–18 (نطاق مشابه)
متانة الصدم (J، اختبار تشاربي)	منخفضة إلى متوسطة في الحالة العالية الصلادة؛ تتحسن مع الترحيل	اتجاه مشابه؛ الكروم يمكن أن يحسن المتانة المحتفظ بها عند نفس الصلادة
الصلادة (HRC)	~30–65 (حسب الترحيل)	~30–65 (يمكن الحفاظ عليها في الأجزاء السميكة بفضل الكروم)

تفسير: - كلا الدرجتين يمكن أن تحقق قوى شد عالية جدًا عند التقسية والترحيل؛ وتختلف الفروقات حسب التطبيق والهندسة. - 55CrSi يوفر عمومًا قابلية تقسية أعلى وخواص أكثر اتساقًا في القطاعات السميكة، مما يجعله مفضلًا عندما يتطلب الأمر تقسية كاملة لمكونات أكبر. - 60Si2Mn فعال للأسلاك والزنابر ذات القطر الصغير والمكونات التي تحتاج إلى مرونة عالية وأداء تعب ممتاز في القطاعات الصغيرة.

5. قابلية اللحام

تُحدد قابلية اللحام بشكل رئيسي بمعادل الكربون وقابلية التقسية. المؤشرين المستخدمان هما معادل الكربون IIW والمؤشر Pcm (مؤشر الطيران/التصنيع):

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

تفسير نوعي: - ارتفاع نسب الكربون والقيم العالية لـ CE/Pcm تعني زيادة خطر التشقق البارد وضرورة التسخين المسبق أو المعالجة الحرارية لما بعد اللحام. - 60Si2Mn عادةً ما يحتوي على سيليكون أعلى قليلاً وكربون مشابه أو أعلى لكنه يحتوي على كروم أقل؛ وقابلية التقسية متوسطة. بالنسبة للأجزاء الصغيرة، اللحام ممكن مع ضوابط صارمة (تسخين مسبق، أقطاب منخفضة الهيدروجين). بالنسبة لفولاذ الزنبرك العالي الصلادة، يتم تجنب اللحام إلا عند تطبيق التلدين والترحيل الموضعين. - 55CrSi، بسبب احتواءه على الكروم، غالبًا ما يمتلك CE أعلى لنسبة كربون معينة ويظهر قابلية تقسية أكبر. هذا يجعل اللحام أكثر تحديًا في القطاعات السميكة بسبب تكوّن منطقة حرارية صلبة مارتنسيتية. يتطلب التسخين المسبق والمعالجة الحرارية اللاحقة؛ الكثير من التطبيقات تفضل الربط الميكانيكي أو التشكيل البارد بدلاً من اللحام.

6. مقاومة التآكل والحماية السطحية

• لا يعتبر أي من 60Si2Mn أو 55CrSi فولاذ مقاوم للصدأ. مقاومة التآكل محدودة وتعتمد على الحماية السطحية:
• تشمل الحمايات الشائعة التغطية بالزنك (الجلفنة)، الطلاء الكهربائي، الأوراق الفوسفاتية، الطلاء، أو الطلاءات البوليمرية.
• في تطبيقات الزنبرك حيث قد تؤثر الطبقات على الأداء، يجب النظر في بدائل مقاومة للصدأ أو ميزات تصميم وقائية.
• PREN (رقم مكافئ مقاومة التآكل النقطي) يستخدم لفولاذ مقاوم للصدأ:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• PREN غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات الزنبركية غير المقاومة للصدأ لأن مستويات الكروم وتصميم السبائك غير كافية لإنتاج حماية سلبية ضد التآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل والتشكيل

• قابلية التشغيل:
• ارتفاع الكربون والصلادة العالية لكلا الدرجتين في الحالة المقسية يقلل من قابلية التشغيل. التشغيل قبل التقسية محدود؛ ويُعد استخدام الأدوات والسرعات المناسبة والشرح للتقسية إلى صلادة أقل قبل التشغيل الثقيل أمرًا معتادًا.
• قد يكون 60Si2Mn أكثر قابلية للتشغيل قليلاً في الحالة الملدنة أو المقننة بسبب انخفاض محتوى الكروم.
• قابلية التشكيل:
• التشكيل البارد واللف: كلاهما مخصص لتشكيل النوابض؛ يُستخدم 60Si2Mn على نطاق واسع للنوابض ذات القطر الصغير بسبب مرونته العالية.
• الثني والرأس البارد: يُجرى في الحالة الملدنة؛ يجب تجنب التشكيل عند الصلادة العالية.
• التشطيب السطحي:
• الطحن والنبش بالقذائف (shot peening) شائعان لأجزاء إجهاد التعب؛ كلا الفولاذين يستجيبان جيداً للنبش بالقذائف لتحسين عمر التعب.

8. التطبيقات النموذجية

60Si2Mn (الاستخدامات الشائعة)	55CrSi (الاستخدامات الشائعة)
نوابض لولبية عالية المرونة (قطر صغير)، نوابض تعليق لمكونات صغيرة، أسلاك نابضية، نوابض عزم خفيفة الحمل	نوابض لولبية ثقيلة الحمل، نوابض ورقية، نوابض ممتص الصدمات، نوابض تعليق واهتزاز ذات أقطار أكبر
نوابض دقيقة ومكونات ميكانيكية صغيرة تتطلب مرونة عالية	مكونات أثقل وأكثر سمكاً تتطلب تصلباً كاملاً ومتانة مقبولة بعد التلطيف
أسلاك عالية الكربون ومثبتات صغيرة في بيئات عالية التعب	مكونات تتطلب قابلية تصلب ممتازة، أداء متين لمنطقة التأثير الحراري (HAZ)، ومقاومة أفضل للتلطيف

معايير الاختيار: - الاختيار بناءً على مقدار الحمولة، هندسة المكون (سماكة المقطع)، عمر التعب المطلوب، وما إذا كان التصلب الكامل ضروريًا أم لا. 60Si2Mn اقتصادي أكثر للأجزاء الصغيرة عالية المرونة؛ 55CrSi مفضل للمكونات الأكبر والأكثر تحت إجهاد عالٍ حيث يعتبر التصلب المنتظم ومقاومة التلطيف عاملين مهمين.

9. التكلفة والتوفر

• التكلفة النسبية:
• عادةً ما تكون تكلفة 60Si2Mn أقل لكل كيلوجرام لأنه لا يحتوي على إضافات كروم كبيرة ويُنتج على نطاق واسع كفولاذ نابضي.
• تعتبر 55CrSi أغلى قليلاً بسبب محتوى الكروم والرقابة المحتملة المشددة المطلوبة لتطبيقات النوابض.
• التوفر:
• كلا الدرجتين متوفرتان عادةً في شكل قضبان، أسلاك، وعيدان من خلال موردي فولاذ النوابض؛ يتوقف توفرها محليًا على الإنتاج الإقليمي والاستخدامات القياسية (مثل أن 55CrSi قد يكون أكثر شيوعًا في سلاسل التوريد الخاصة بالسيارات حيث تُستخدم أجزاء أكثر سمكًا).

10. الملخص والتوصية

الخاصية	60Si2Mn	55CrSi
قابلية اللحام	أفضل للأجزاء الصغيرة (مع ضوابط)	أكثر تحديًا بسبب قابلية التصلب الأعلى
القوة والمتانة	قوة عالية لمقاطع صغيرة؛ مرونة ممتازة	قوة مماثلة أو أعلى في الأجزاء السميكة؛ مقاومة محسنة للتلطيف
التكلفة	أدنى	أعلى

التوصيات الختامية: - اختر 60Si2Mn إذا: - كنت بحاجة إلى حد مرن عالي وأداء تعب ممتاز في النوابض أو الأسلاك ذات المقاطع الصغيرة. - كانت حساسية التكلفة وإنتاجية عالية للأجزاء الصغيرة عوامل أساسية. - لا يلزم التصلب الكامل للمقاطع السميكة واللحام محدود أو يمكن التحكم فيه. - اختر 55CrSi إذا: - كان المكون ذو مقاطع عرضية أكبر أو يتطلب تصلبًا موحدًا عبر المقاطع. - هناك حاجة إلى مقاومة محسنة للتلطيف وخصائص محسنة بعد التلطيف أو التعرض لدرجات حرارة مرتفعة. - التطبيق يسمح بتكلفة مواد أعلى قليلاً ويمكن التحكم في عمليات اللحام والمعالجة الحرارية لتحقيق السلامة.

كلا المادتين تعتبران موثوقتين في تصميم النوابض والمكونات عالية القوة. يجب أن يعتمد الاختيار النهائي على سماكة المقطع، ملف التلطيف المطلوب، متطلبات التعب وبدء تشقق التعب، وكذلك قيود التصنيع النهائية مثل اللحام والتشطيب السطحي.