60SiCr7 مقابل 65SiCr7 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
60SiCr7 و 65SiCr7 هما فولاذان سبائكيان من السيليكون والكروم مرتبطان ارتباطًا وثيقًا، يُستخدمان بشكل أساسي في المكونات التي تتطلب قوة عالية، ومقاومة للتعب، ومقاومة جيدة للتآكل بعد المعالجة الحرارية (أمثلة: النوابض، الدبابيس، الأعمدة، وأجزاء الأدوات). يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو الإنتاج عادةً بوزن التبادلات بين القوة، والصلابة، وقابلية التشغيل، وقابلية اللحام، والتكلفة عند الاختيار بين هذين الدرجتين.
الميزة الرئيسية المميزة بين 60SiCr7 و 65SiCr7 هي اختلاف متعمد في محتوى الكربون الاسمي: سلسلة 65 لديها مواصفات كربون أعلى من سلسلة 60. هذا الزيادة الاسمية في الكربون تؤثر على القابلية للتصلب، والصلابة القابلة للتحقيق، وسلوك التعب، ولهذا السبب يتم مقارنة هذه الدرجات بشكل متكرر في تصميم المكونات واختيار العمليات.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والتسميات الشائعة حيث تظهر الفولاذات القابلة للمقارنة:
- EN (الأوروبية): فولاذات سبائكية/نوابض/تروس غالبًا ما تُسمى بـ SiCr وفئات كربونية رقمية.
- JIS (المعايير الصناعية اليابانية): فولاذات النوابض وفولاذات سبائكية عالية الكربون مع تسميات Si/Cr مماثلة.
- GB (المعيار الوطني الصيني): سلسلة SiCr (مثل 60SiCr، 65SiCr) مدرجة بشكل شائع.
- ASTM/ASME: الفئات المعادلة أقل مباشرة؛ عادةً ما يتم ربط هذه الفولاذات بمواصفات فولاذ الكربون/السبائك العامة (معادلات AISI/SAE حسب الكيمياء والتطبيق).
- التصنيف: كل من 60SiCr7 و 65SiCr7 هما فولاذات سبائكية من الكربون المتوسط إلى العالي، وغالبًا ما تُستخدم كفولاذات هندسية للنوابض أو المعالجة الحرارية بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ، أو HSLA، أو فولاذ الأدوات بمعناه الأكثر دقة. إنها فولاذات كربونية سبائكية حيث يساهم السيليكون والكروم في القوة، والقابلية للتصلب، ومقاومة التخمير.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
ملاحظة: تختلف التركيب الدقيق حسب المعيار والشركة المصنعة. الجدول أدناه يقدم العناصر السبائكية النموذجية التي تؤثر على الخصائص؛ القيم هي نطاقات إرشادية ويجب التحقق منها من شهادات المصنع لأغراض الشراء أو حسابات التصميم.
| عنصر | الدور النموذجي | المحتوى النموذجي (نطاقات إرشادية) |
|---|---|---|
| C (الكربون) | القابلية للتصلب والقوة الأساسية (تتحكم في الصلابة القابلة للتحقيق) | 60SiCr7: ~0.57–0.63% (اسمي ≈0.60%) 65SiCr7: ~0.62–0.68% (اسمي ≈0.65%) |
| Mn (المنغنيز) | القوة، القابلية للتصلب، إزالة الأكسدة | ~0.5–0.9% |
| Si (السيليكون) | القوة، مقاومة التخمير، إزالة الأكسدة | ~0.6–1.0% |
| P (الفوسفور) | شوائب؛ يفضل مستويات منخفضة | ≤0.035% |
| S (الكبريت) | شوائب؛ يفضل مستويات منخفضة؛ تؤثر على قابلية التشغيل | ≤0.035% |
| Cr (الكروم) | القابلية للتصلب، مقاومة التآكل، مقاومة التخمير | ~0.6–1.2% |
| Ni، Mo، V، Nb، Ti، B، N | عادةً ما تكون ضئيلة أو غائبة في درجات SiCr القياسية؛ بعض الشركات تضيف عناصر سبائكية دقيقة لتخصيص الخصائص | أثر إلى 0.1% إذا كانت موجودة |
كيف تؤثر السبائك على السلوك: - الكربون: يزيد من إمكانات الصلابة وقوة الشد بعد التبريد؛ الكربون الأعلى يقلل من اللدونة وقابلية اللحام ويزيد من خطر التشقق عند التبريد غير السليم. - الكروم: يزيد من القابلية للتصلب ومقاومة التخمير؛ كميات صغيرة تحسن من مقاومة التآكل وعمر التعب. - السيليكون والمنغنيز: يقويان المصفوفة ويحسنان القابلية للتصلب؛ يساعد السيليكون أيضًا في استقرار التخمير. - يتم الحفاظ على شوائب منخفضة (P، S) لتجنب الهشاشة؛ العناصر المضافة من الكبريت والعناصر القابلة للقطع الحرة تحسن من التشغيل ولكن يمكن أن تقلل من أداء التعب.
3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية
تحدد الميكروهياكل بواسطة محتوى الكربون/السبائك والدورات الحرارية:
- الميكروهياكل النموذجية بعد المعالجة الحرارية المناسبة:
- كما هو مدلفن أو مُعالج: بشكل أساسي بيرلايت وفيريت مُعالج، مع توزيع الكربيد المتأثر بمحتوى الكربون.
- بعد التبريد والتخمير (Q&T): مارتنسيت مُعالج إلى مستوى صلابة مُتحكم فيه مع كربيدات متوزعة؛ الكربون الأعلى في 65SiCr7 ينتج عنه نسبة حجم أعلى من المارتنسيت لنفس التبريد، مما يؤدي إلى صلابة أكبر.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن الحصول على هياكل بيرلايتية أو باينيتية دقيقة اعتمادًا على التبريد المُتحكم فيه؛ تحسن السبائك من التحكم في التحول.
آثار العمليات الشائعة: - المعالجة: تُنقي حجم الحبيبات وتنتج هيكل فيريت/بيرلايت موحد؛ تستجيب الدرجتان بشكل مشابه ولكن 65SiCr7 ستظهر هياكل بيرلايت أكثر صلابة قليلاً بسبب زيادة الكربون. - التبريد والتخمير: يتم تبريد الدرجتين عادةً (زيت أو ملح) وتخميرهما لتحقيق مزيج مستهدف من القوة والصلابة. 65SiCr7 تحقق صلابة أعلى بعد التبريد وقوة أعلى عند نفس درجة حرارة التخمير، ولكن يجب تحسين التخمير لتجنب الهشاشة المفرطة. - المعالجة المارتيمبرية/العلاج بين الحرج: يمكن استخدامها لتحقيق توازن بين الصلابة والصلابة؛ يزيد الكربون الأعلى من الحساسية لمعدل التبريد وإمكانية الهشاشة المارتنسيتية.
4. الخصائص الميكانيكية
القيم تعتمد على المعالجة الحرارية. الجدول يظهر نطاقات مقارنة نموذجية للأجزاء المعالجة لمستويات الخدمة الهندسية (إرشادية بعد Q&T؛ تأكيد مع بيانات المورد):
| الخاصية | 60SiCr7 (نموذجي بعد Q&T) | 65SiCr7 (نموذجي بعد Q&T) | ملاحظة مقارنة |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (Rm) | ~900–1200 ميغاباسكال | ~1000–1350 ميغاباسكال | تحقق 65SiCr7 عمومًا Rm أعلى بسبب الكربون الأعلى |
| قوة الخضوع (Rp0.2) | ~600–900 ميغاباسكال | ~700–1000 ميغاباسكال | أعلى في 65SiCr7 لنفس المعالجة الحرارية |
| التمدد (A%) | ~8–15% | ~6–12% | 60SiCr7 عادةً أكثر لزوجة |
| صلابة التأثير (شاربي، كما تم تخميره) | متوسطة؛ تعتمد على التخمير | عادةً أقل من 60SiCr7 عند نفس الصلابة | الكربون الأعلى يقلل من صلابة التأثير عند صلابة معينة |
| الصلابة (HRC) | نطاق الصلابة النموذجي بعد التبريد: ~30–60 HRC حسب المعالجة | يمكن أن تصل إلى HRC أعلى لنفس التبريد/التخمير | يمكن أن تصل 65SiCr7 إلى سقوف صلابة أكبر |
التفسير: 65SiCr7 تحقق قوة أعلى وصلابة قابلة للتحقيق على حساب بعض اللدونة وصلابة التأثير. 60SiCr7 تقدم توازنًا أفضل قليلاً بين الصلابة واللدونة لنفس نافذة العملية.
5. قابلية اللحام
تسيطر قابلية اللحام على المعادل الكربوني ووجود الكروم وعناصر السبائك الأخرى. مؤشرين شائعين:
-
معهد اللحام الدولي المعادل الكربوني: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
صيغة Pcm (عملية لتوقع حساسية التشقق البارد): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - الكربون الاسمي الأعلى في 65SiCr7 يزيد من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ بالنسبة لـ 60SiCr7، مما يشير إلى تقليل قابلية اللحام وزيادة خطر منطقة التأثير المتصلب والتشقق البارد دون تسخين مسبق أو معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT). - يزيد الكروم والمنغنيز من المعادل الكربوني والقابلية للتصلب. بالنسبة لكلا الدرجتين، يُعتبر التسخين المسبق المعتدل، ودرجات الحرارة بين الطبقات المُتحكم فيها، والتخمير المناسب بعد اللحام ممارسة شائعة عند لحام الأجزاء الهيكلية. - بالنسبة للمكونات الملحومة الحرجة، يجب النظر في تصاميم بديلة (الانضمام الميكانيكي)، واستخدام مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، والتحقق من خلال تأهيل إجراءات اللحام. عندما تكون قابلية اللحام أولوية، فإن الخيار الأقل كربونًا (60SiCr7) أو بديل أقل سبائكية هو الأفضل.
6. التآكل وحماية السطح
- هذه الفولاذات ليست مقاومة للصدأ: مقاومة التآكل محدودة وتعتمد على حالة السطح والبيئة.
- استراتيجيات الحماية القياسية:
- التغليف بالغمس الساخن للأجزاء الحديدية الخارجية التي تحتاج إلى حماية متوسطة من التآكل.
- التغطية الكهربائية (بدائل الزنك، الكادميوم)، طلاءات التمرير، طلاءات التحويل، أو أنظمة الطلاء عالية الجودة في المتاجر والميدان.
- طلاءات الحماية وطلاءات التضحية شائعة لعمر طويل في الأجواء العدائية.
- PREN غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات الكربونية السبائكية غير المقاومة للصدأ؛ صيغة PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ تكون ذات صلة فقط للسبائك المقاومة للصدأ التي تحتوي على محتوى كبير من Cr/Mo/N.
- في ظروف التآكل أو التآكل، يمكن تطبيق تصلب السطح (التصلب بالحث، النترجة، الكربنة). ملاحظة: تعتمد استجابة النترجة على كيمياء السبائك والمعالجة الحرارية السابقة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: الكربون الأعلى والصلابة الأعلى (كما تم تبريدها) تقلل من قابلية التشغيل. 60SiCr7 عمومًا أسهل في التشغيل في الحالة المعالجة/المعالجة؛ بمجرد تصلبها، تتطلب كلا الدرجتين الطحن أو أدوات المواد الصلبة. توجد متغيرات قابلة للقطع الحرة (مع إضافة الكبريت) ولكن قد لا تكون متاحة لهذه الفولاذات الربيعية المحددة.
- قابلية التشكيل والانحناء البارد: الكربون الأعلى يقلل من اللدونة وقابلية التشكيل. يجب أن يتم التشكيل في حالة ناعمة (معالجة). بالنسبة للنوابض أو المكونات المنحنية، فإن المعالجة الحرارية المُتحكم فيها بعد التشكيل هي ممارسة نموذجية.
- الطحن/التشطيب: غالبًا ما تتطلب 65SiCr7 طحنًا/تلميعًا أكثر عدوانية للوصول إلى نفس التشطيب البعدي/التجميلي بسبب إمكانات الصلابة الأعلى.
- قد تتطلب المعالجات السطحية والطلاء تخفيف الإجهاد/التخمير بعد الطلاء إذا كانت الدورات الحرارية تؤثر على الخصائص.
8. التطبيقات النموذجية
| 60SiCr7 – الاستخدامات النموذجية | 65SiCr7 – الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| نوابض لولبية وورقية متوسطة القوة لمعدات السيارات والصناعية | نوابض عالية الضغط، دبابيس ثقيلة، وأعمدة تتطلب قوة ثابتة أعلى |
| أعمدة، بكرات، ودبابيس حيث تتطلب صلابة معتدلة | مكونات مقاومة للتآكل وأدوات صغيرة حيث تكون الصلابة الأعلى مطلوبة |
| مكونات معالجة حرارية عامة حيث يُرغب في توازن أفضل بين اللدونة/الصلابة | مكونات تتعرض لضغوط دورية أعلى أو حيث تحسن الصلابة بعد التبريد من العمر |
| أجزاء تم تبريدها وتخميرها مع عمر تعبوي حرج ولكن مساحة محدودة للتصلب العدواني | أجزاء يمكن أن تتحمل تحكمًا أكثر صرامة في المعالجة الحرارية وPWHT بعد اللحام إذا كان اللحام مطلوبًا |
مبررات الاختيار: - استخدم 60SiCr7 عندما يعاقب التصميم على أوضاع الفشل الهش، عندما تكون بعض اللدونة وصلابة التأثير مطلوبة، أو عندما تتطلب قيود اللحام وقابلية التشكيل كربونًا أقل. - استخدم 65SiCr7 عندما تتطلب التطبيقات قوة شد ثابتة أعلى، صلابة قابلة للتحقيق أعلى لمقاومة التآكل، أو قوة تعب أعلى على حساب بعض اللدونة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: 65SiCr7 عادةً ما تكون أغلى قليلاً في تكلفة المواد أو المعالجة بسبب النسبة الأعلى من الكربون والتحكم الأكثر صرامة في المعالجة الحرارية المطلوبة غالبًا. ومع ذلك، فإن الفروق في التكلفة عادةً ما تكون صغيرة مقارنةً بتكاليف المعالجة، والتشطيب، أو مخاطر الفشل.
- التوافر: يتم إنتاج كلا الدرجتين عادةً في أشكال قضبان، وأسلاك، وشرائط لصناعة النوابض والأعمدة؛ يختلف التوافر حسب المنطقة والمورد. يجب أن تؤثر أوقات التسليم من المصنع وتناسق الدفعات (حرجة لمكونات التعب) على قرارات الشراء.
- آثار شكل المنتج: القضبان والأسلاك للنوابض متاحة بشكل واسع؛ قد تكون الألواح أو القوالب الكبيرة في هذه التركيبات الدقيقة أقل شيوعًا وقد يتم إنتاجها حسب الطلب.
10. الملخص والتوصية
| السمة | 60SiCr7 | 65SiCr7 | |---|---:|---:|---| | قابلية اللحام | أفضل (كربون أقل، CE أقل) | أكثر محدودية (كربون أعلى، CE أعلى) | | توازن القوة–الصلابة | أفضل صلابة ولدونة عند المعالجة المعادلة | قوة نهائية أعلى وإمكانات صلابة؛ لدونة أقل | | التكلفة النسبية | خطر معالجة/تكلفة أقل قليلاً | أعلى قليلاً بسبب التحكم الأكثر صرامة في المعالجة الحرارية والتعامل |
التوصية: - اختر 60SiCr7 إذا: كنت بحاجة إلى مزيج متوازن من القوة والصلابة، لدونة أعلى، لحام/تشكيل أسهل، أو عندما يعطي التصميم الأولوية لصلابة الكسر أو القابلية للتصنيع. - اختر 65SiCr7 إذا: كانت التطبيق يتطلب قوة تخميرية أعلى أو صلابة نهائية أعلى لمقاومة التآكل والتعب، ويمكن أن يتكيف خطة التصنيع مع معالجة حرارية أكثر صرامة، وتسخين مسبق محتمل/PWHT للحام، وتحكم أكثر دقة في العملية.
ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين تؤديان بشكل أفضل عندما يتم تحديد المعالجة الحرارية وحماية السطح والتحكم بها وفقًا لمتطلبات التعب، والتآكل، والبيئة للتطبيق. تأكد دائمًا من التركيب الدقيق والخصائص الميكانيكية المضمونة من شهادات المصنع وأجرِ اختبارات التحقق (صلابة، شاربي، تعب) للمكونات الحرجة.