60Si2MnA مقابل 60Si2CrA – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

60Si2MnA و 60Si2CrA هما فولاذان سبائكيان متوسطا الكربون يُستخدمان عادةً في مكونات الينابيع الهيكلية عالية القوة حيث يتطلب الأمر توازنًا بين القوة والصلابة ومقاومة التعب. غالبًا ما يختار المهندسون ومديرو المشتريات بينهما عند تحديد الأجزاء التي يجب أن تتحمل الأحمال المتكررة أو التآكل أو الضغوط العالية. تشمل سياقات القرار النموذجية موازنة التكلفة والتوافر مقابل العمر الافتراضي المطلوب للتعب، واختيار الدرجات للأجزاء التي سيتم معالجتها حراريًا للحصول على صلابة عالية، والنظر في العمليات اللاحقة مثل اللحام أو التشطيب السطحي.

التمييز المعدني الأساسي هو استبدال (أو استبدال جزئي) المنغنيز بالكروم في مزيج السبائك. يغير هذا الاستبدال قابلية التصلب، ومقاومة التخمير، وسلوك الكربيدات، وبالتالي أداء التعب ونوافذ المعالجة. لذلك، يتم مقارنة هذين الدرجتين بشكل متكرر لتطبيقات الينابيع والمحاور والمثبتات ذات الأحمال الثقيلة.

1. المعايير والتسميات

• المعايير المرجعية الشائعة:
• GB/T (الصين): هذه الدرجات هي أنماط تسميات صينية وعادة ما يتم تحديدها بموجب معايير وطنية GB/T أو معايير مؤسسية لفولاذ الينابيع/السبائك.
• JIS/ISO/EN: هناك درجات مشابهة وظيفيًا في أنظمة JIS و EN (فولاذ الينابيع وفولاذ السبائك عالي القوة)، ولكن يجب تأكيد المعادلات المباشرة من واحد إلى واحد للتطبيقات الحرجة.
• ASTM/ASME: تحتوي ASTM على عائلات من فولاذ الينابيع والسبائك ولكن، مرة أخرى، لا يوجد معادل عالمي دقيق لـ ASTM - قارن المتطلبات الكيميائية والميكانيكية حالة بحالة.
• التصنيف:
• 60Si2MnA: فولاذ سبائكي متوسط الكربون، يُستخدم غالبًا كفولاذ للينابيع أو درجة هيكلية مُعالجة بالتبريد والتخمير.
• 60Si2CrA: فولاذ سبائكي متوسط الكربون مع سبائك الكروم؛ يُستخدم أيضًا للينابيع والمكونات المعالجة بالتبريد والتخمير مع قابلية تصلب أعلى ومقاومة تخمير محسنة.
• هذه ليست فولاذات مقاومة للصدأ؛ إنها فولاذات كربونية سبائكية مخصصة للمعالجة الحرارية.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوضح الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية (وزن%) التي يتم الاستشهاد بها غالبًا في أوراق البيانات الفنية لهذه الأنواع من فولاذ الينابيع/السبائك من السلسلة 60. تعتمد حدود التركيب الفعلية على المورد والمعيار المسيطر؛ تحقق دائمًا من شهادات المصنع للمشتريات.

عنصر	60Si2MnA (نطاق نموذجي، وزن%)	60Si2CrA (نطاق نموذجي، وزن%)
C	0.55 – 0.65	0.55 – 0.65
Si	1.5 – 2.0	1.5 – 2.0
Mn	0.5 – 1.0	0.3 – 0.7
P	≤ 0.030 (أقصى)	≤ 0.030 (أقصى)
S	≤ 0.035 (أقصى)	≤ 0.035 (أقصى)
Cr	≤ 0.30 (أثر)	0.6 – 1.2
Ni	≤ 0.30 (أثر)	≤ 0.30 (أثر)
Mo	≤ 0.10	≤ 0.10
V, Nb, Ti, B	عادة ≤ 0.05 لكل منها	عادة ≤ 0.05 لكل منها
N	آثار صغيرة	آثار صغيرة

ملاحظات: - يتم رفع مستوى السيليكون في كلا الدرجتين عمدًا للمساعدة في قابلية التصلب والقوة ولتحسين المرونة لتطبيقات الينابيع. - في 60Si2CrA، يتم إضافة الكروم لزيادة قابلية التصلب ومقاومة التخمير؛ عادة ما يكون محتوى المنغنيز أقل من الدرجة الغنية بالمنغنيز. - قد تكون العناصر الدقيقة المضافة (V، Ti، Nb) موجودة حسب ممارسة المصنع؛ تؤثر هذه على حجم الحبيبات وسلوك التخمير.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يوفر الكربون القوة الأساسية وقابلية التصلب ولكنه يقلل من قابلية اللحام عند ارتفاعه. - يقوي السيليكون الفريت ويساعد على الحد المرن (مفيد للينابيع) ويساهم في سلوك التخمير. - يرفع المنغنيز قابلية التصلب وقوة الشد ويعزز إزالة الأكسدة؛ يمكن أن يقلل المنغنيز الزائد من الصلابة إذا لم يتم موازنته. - يزيد الكروم من قابلية التصلب، ويصقل الكربيدات، ويحسن مقاومة التخمير ومقاومة التآكل، ويمكن أن يحسن عمر التعب من خلال تعزيز كيمياء الكربيد المواتية وتوزيعها.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

تحدد البنى المجهرية لكلا الدرجتين بشكل أساسي من خلال مسار المعالجة الحرارية (التطبيع، التبريد، التخمير) وحجم المقطع.

• الحالة بعد الدرفلة/التطبيع:
• فريت + بيرلايت مع كربيدات سبائكية متشتتة. يعمل التطبيع على تحسين حجم الحبيبات وتوحيد البنية المجهرية.
• بعد التبريد (التبريد السريع لتشكيل المارتنزيت):
• مارتنزيت بشكل أساسي مع أوستينيت محتفظ به حسب معدل التبريد ومحتوى السبائك.
• تحقق 60Si2CrA عمومًا حالة صلبة أعمق (قابلية تصلب أكبر) لحدة تبريد معينة مقارنة بـ 60Si2MnA بسبب الكروم.
• بعد التخمير:
• مارتنزيت مُخمّر مع كربيدات انتقالية متشتتة؛ يعزز الكروم تشكيل كربيدات سبائكية دقيقة (كربيدات غنية بالكروم)، والتي تقاوم التبلور أثناء التخمير ويمكن أن تحسن أداء التعب في الدورات العالية.
• يميل المنغنيز إلى البقاء في المحلول ويؤثر على درجات حرارة التحول الباينيتية/البيرلايتية؛ تستجيب الفولاذات الغنية بالمنغنيز بشكل جيد لدورات التبريد والتخمير القياسية ولكن قد تظهر ديناميات تخمير مختلفة قليلاً عن الفولاذات الغنية بالكروم.

ملاحظات معالجة نموذجية (تعتمد على حجم المقطع): - درجات حرارة الأوستنيتية لفولاذ الينابيع متوسط الكربون تكون عادة في نطاق منتصف الثمانينات المئوية؛ يتم اختيار درجات الحرارة الدقيقة لإذابة الكربيدات والتحكم في حجم الحبيبات. - يتم اختيار وسط التبريد (زيت، بوليمر، أو ملح) حسب سمك المقطع وقابلية التصلب المطلوبة. - يُستخدم التخمير للوصول إلى الصلابة المستهدفة ومقاومة التعب؛ غالبًا ما تتحمل الدرجة المحتوية على الكروم درجات حرارة تخمير أعلى لقوة محتفظ بها معينة، مما يمنح مرونة أكبر في المعالجة.

4. الخصائص الميكانيكية

نظرًا لأن المعالجة الحرارية وحجم المقطع تؤثر بشكل كبير على الخصائص الميكانيكية، يقدم الجدول أدناه نطاقات نوعية نموذجية بدلاً من قيم مضمونة واحدة. يجب التحقق من القيم من منحنيات المعالجة الحرارية للمورد وشهادات المصنع.

خاصية	60Si2MnA (نموذجي، مُبرد ومُخمّر)	60Si2CrA (نموذجي، مُبرد ومُخمّر)
قوة الشد (ميغاباسكال)	عالية (على سبيل المثال، نطاق 900–1400 ميغاباسكال، حسب التخمير)	مماثلة لأعلى (على سبيل المثال، 1000–1500 ميغاباسكال ممكنة للأقسام الصغيرة)
قوة الخضوع (ميغاباسكال)	عالية، ولكن أقل من الشد	مماثلة أو أعلى قليلاً لنفس الشد بسبب السبائك
التمدد (%)	متوسطة (تنخفض مع زيادة القوة)	مماثلة؛ قد تكون أقل قليلاً عند أقصى القوى
صلابة التأثير (جول)	جيدة بعد التخمير؛ المقطع والتخمير حرجان	مماثلة أو محسنة عند صلابة مكافئة بسبب التحكم الأكثر دقة في الكربيدات
الصلابة (HRC / HB)	متغيرة على نطاق واسع (مارتنزيت مُخمّر)	نطاق مماثل قابل للتحقيق؛ قد تصل درجة الكروم إلى تجانس أعلى في الأقسام الأكثر سمكًا

التفسير: - عادةً ما توفر 60Si2CrA قابلية تصلب عملية أعلى ومقاومة تخمير محسنة مقارنةً بـ 60Si2MnA، مما يسمح للدرجة المحتوية على الكروم بالحفاظ على قوة أعلى ومقاومة تعب في مقاطع أكبر أو مع ظروف تبريد أكثر تواضعًا. - الصلابة هي وظيفة من التخمير والنظافة وشكل الكربيد؛ يميل الكروم إلى إنتاج كربيدات أدق وأكثر استقرارًا يمكن أن تحسن مقاومة بدء تشققات التعب.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني ومحتوى السبائك. هناك صيغتين تجريبيتين شائعتين مفيدتين لتقييم الصعوبة النسبية:

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

و

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

التفسير النوعي: - كلا الدرجتين تحتويان على كربون مرتفع نسبيًا (≈0.6 وزن%)، مما يرفع المعادل الكربوني ويزيد من القابلية للتشقق البارد المدعوم بالهيدروجين والمناطق المتأثرة بالحرارة (HAZ) الصلبة عند اللحام. - عادةً ما تحتوي 60Si2CrA على كميات أعلى من الكروم وأقل من المنغنيز؛ تزيد قيمة الكروم في $CE_{IIW}$ المعادل الكربوني قليلاً، مما قد يقلل من قابلية اللحام مقارنةً بفولاذ الكربون غير السبائكي. ومع ذلك، نظرًا لأن المنغنيز له مساهمة أقوى في قابلية التصلب لكل وحدة، فإن التأثير الصافي يعتمد على التركيب الدقيق. - إرشادات عملية: - غالبًا ما يتطلب الأمر تسخينًا مسبقًا، ودرجة حرارة تحكم بين الطبقات، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) لتجميعات اللحام من أي من الدرجتين، خاصةً للأقسام الأكثر سمكًا. - بالنسبة للهياكل الملحومة الحرجة، يجب النظر في استخدام البراغي أو استخدام معادن تعبئة منخفضة الكربون أو تأهيل الإجراءات لتخفيف تشققات HAZ.

6. التآكل وحماية السطح

• لا 60Si2MnA ولا 60Si2CrA هما فولاذات مقاومة للصدأ؛ كلاهما يتطلب حماية سطحية للبيئات الخارجية أو التآكل.
• خيارات الحماية النموذجية:
• التغليف بالغمس الساخن، أو الجلفنة الكهربائية، أو الطلاءات الزنك لحماية عامة من التآكل.
• الدهانات الواقية، أو الطلاءات المسحوقة، أو الطلاءات التحويلية (الفوسفاتية) حيث يكون تآكل الاتصال محدودًا.
• بالنسبة للأسطح التريبيولوجية، يمكن استخدام تصلب الحالة بالإضافة إلى الطلاءات التضحية.
• لا ينطبق PREN لأن هذه فولاذات سبائكية منخفضة الكروم وغير مقاومة للصدأ. صيغة PREN:

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

ذات صلة بالدرجات المقاومة للصدأ وليست ذات معنى بالنسبة لهذه الفولاذات الكربونية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• كلا الدرجتين تحتويان على مستويات مرتفعة من السيليكون والكربون مما يقلل من قابلية التشغيل مقارنةً بالفولاذات منخفضة الكربون. تؤثر الصلابة بعد المعالجة الحرارية بشكل كبير على قابلية التشغيل - تكون الظروف المعالجة مسبقًا أو المعالجة بالتسخين أسهل في التشغيل.
• يزيد الكروم قليلاً من تآكل الأدوات؛ تكون قابلية التشغيل مماثلة بين الدرجتين في ظروف صلابة قابلة للمقارنة.
• قابلية التشكيل:
• في الحالة بعد الدرفلة أو التطبيع، يمكن تشكيل كلاهما باستخدام ممارسات التشكيل الساخن/البارد القياسية، ولكن فولاذ الينابيع لديه قابلية انضغاط محدودة مقارنةً بالفولاذات اللينة.
• يجب تجنب الانحناء البارد إلى أشعة صغيرة ما لم يكن المادة في حالة أكثر ليونة (مُعالجة بالتسخين).
• تشطيب السطح:
• يتم استخدام الطحن والتلميع عادةً لتحسين عمر التعب؛ قد تظهر 60Si2CrA تحسينًا في قابلية التشطيب لأجزاء التعب بسبب هياكل الكربيد الأكثر استقرارًا.

8. التطبيقات النموذجية

60Si2MnA	60Si2CrA
ينابيع تعليق السيارات، ينابيع لولبية عامة	ينابيع عالية الأداء، ينابيع ورقية ثقيلة، ينابيع صمامات بأحجام مقاطع أكبر
محاور ومحاور في الآلات الخفيفة	محاور ومحاور محملة بشكل كبير حيث يتطلب الأمر تصلبًا أعمق
دبابيس، مشابك، ومثبتات عالية القوة (عند معالجتها حراريًا)	مكونات لعمر تعب أعلى أو حيث تكون مقاومة التخمير المحسنة مطلوبة
أدوات ومكونات أدوات مع تآكل معتدل	مكونات مقاومة للتآكل حيث تستفيد الأقسام الأكثر سمكًا من قابلية تصلب أعلى

مبررات الاختيار: - اختر 60Si2MnA لتطبيقات الينابيع الاقتصادية وحيث تكون مقاطع المكونات صغيرة بما يكفي لتكون قابلية التصلب المدفوعة بالمنغنيز كافية. - اختر 60Si2CrA عندما يتطلب الأمر تصلبًا أعمق، واستقرارًا أفضل في التخمير، أو أداءً محسّنًا في التعب العالي - خاصةً للأقسام الأكبر أو المكونات المعرضة لضغوط عالية متكررة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية:
• عادةً ما تكون 60Si2MnA أقل تكلفة بسبب محتوى السبائك المنخفض (أقل من الكروم).
• تطلب 60Si2CrA علاوة متواضعة بسبب إضافة الكروم والتحكم المحتمل في السبائك.
• التوافر:
• يتم إنتاج كلا الدرجتين عادةً في المناطق التي تحتوي على صناعات فولاذ الينابيع الناضجة. الأشكال الورقية، والبار، والأسلاك متاحة على نطاق واسع؛ قد تكون الأقسام الخاصة لها أوقات تسليم.
• يجب على المشتريات التحقق من تقارير اختبار المصنع والتحقق من التوريد للشكل المطلوب من المنتج (سلك، سلك الينابيع، قضبان، طرق).

10. الملخص والتوصية

السمة	60Si2MnA	60Si2CrA
قابلية اللحام	متوسطة إلى منخفضة (كربون مرتفع، حاجة للتسخين المسبق/PWHT)	متوسطة إلى منخفضة (مشاكل مماثلة؛ قد يزيد الكروم CE)
توازن القوة والصلابة	قوة عالية؛ صلابة جيدة عند التخمير بشكل صحيح	صلابة مماثلة أو أفضل عند صلابة مكافئة؛ أفضل في الأقسام الأكبر
التكلفة	أقل	أعلى

الاستنتاجات: - اختر 60Si2MnA إذا كنت بحاجة إلى مكون نابض عالي القوة وفعال من حيث التكلفة أو مكون صغير حيث توفر دورات التبريد والتخمير القياسية الصلابة المطلوبة وعمر التعب. إنه مناسب عندما تكون قابلية التصلب المقدمة من المنغنيز كافية وعندما يكون تقليل تكلفة السبائك مهمًا. - اختر 60Si2CrA إذا كانت المكونات تتطلب تصلبًا أعمق، ومقاومة تخمير محسنة، أو أداءً معززًا في التعب - خاصةً للأقسام الأكبر أو التحميل الدوري العالي. يساعد محتوى الكروم في الحفاظ على القوة بعد التخمير ويصقل سلوك الكربيد، مما يفيد عمر التعب.

ملاحظة عملية: يجب أن يتم الاختيار النهائي للمادة باستخدام تركيبات محددة من المورد ومنحنيات المعالجة الحرارية، وبيانات التعب للتطبيق، وتأهيل إجراءات اللحام (إذا كان اللحام مطلوبًا)، وتحليل تكلفة دورة الحياة بما في ذلك حماية السطح والصيانة.