9Cr18Mo مقابل 9Cr18MoV – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

9Cr18Mo و 9Cr18MoV هما فولاذان مقاومان للصدأ من نوع المارتينسيت، وغالبًا ما يتم استخدامهما في المكونات التي تتطلب توازنًا بين الصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة الصدأ - تشمل الأمثلة أدوات القطع، وأجزاء التآكل، ومكونات الصمامات، وبعض المسامير. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا بوزن المزايا والعيوب بين التكلفة، وقابلية التشغيل، وقابلية اللحام، والصلابة، وأداء التآكل عند الاختيار بين هذين النوعين.

التمييز الفني الرئيسي هو الإضافة المتعمدة للفاناديوم في 9Cr18MoV لتوليد كربيدات فاناديوم صلبة ومستقرة لتحسين مقاومة التآكل الكاشطة واللاصقة وزيادة مقاومة التخمير. تشترك كلا الدرجتين في مصفوفة غنية بالكربون والكروم تنتج هياكل ميكروية مارتينسيتية بعد التبريد والتخمير، لكن الكيمياء المعدلة بالفاناديوم تغير نوع الكربيد، وقابلية التصلب، والحدود العملية للمعالجة الحرارية والتصنيع.

1. المعايير والتسميات

• أنظمة المعايير الشائعة حيث تظهر سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ المارتينسيتية المماثلة: GB (المعايير الوطنية الصينية)، JIS (اليابانية)، EN (الأوروبية)، ASTM/ASME (الولايات المتحدة). يتم العثور على العديد من تسميات المنتجات التجارية (مثل الأسماء المشتقة من 9Cr18) في GB أو مواصفات البائعين الخاصة بدلاً من اسم نوع ASTM واحد.
• التصنيف:
• كلا من 9Cr18Mo و 9Cr18MoV هما فولاذان مقاومان للصدأ من نوع المارتينسيت (فولاذ أدوات/سكاكين مقاوم للصدأ).
• ليست فولاذات HSLA أو فولاذات الكربون التقليدية؛ بل تنتمي إلى فئات أدوات/سكاكين مقاومة للصدأ تحتوي على كربون عالٍ وكروم معتدل إلى عالٍ.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: الوجود النوعي للعناصر الرئيسية (عالي / متوسط / منخفض / أثر / إضافي)

عنصر	9Cr18Mo	9Cr18MoV
C (كربون)	عالي (عنصر التصلب الأساسي)	عالي (عنصر التصلب الأساسي)
Mn (منغنيز)	منخفض–متوسط (مزيل للأكسدة، يؤثر قليلاً على قابلية التصلب)	منخفض–متوسط
Si (سيليكون)	منخفض (مزيل للأكسدة)	منخفض
P (فوسفور)	أثر (تحكم في الشوائب)	أثر
S (كبريت)	أثر (غالبًا ما يتم تقليله لدرجات الأداء)	أثر
Cr (كروم)	عالي (سلبية مقاومة للصدأ، مكون كربيد)	عالي
Ni (نيكل)	منخفض–أثر (عادةً ما يكون ضئيلًا)	منخفض–أثر
Mo (موليبدينوم)	متوسط (يحسن مقاومة التآكل والتصلب الثانوي)	متوسط
V (فاناديوم)	أثر/لا شيء (لم يضاف عمدًا)	مضاف (مميز رئيسي)
Nb (نيوبوم)	أثر/لا شيء	أثر/لا شيء
Ti (تيتانيوم)	أثر/لا شيء	أثر/لا شيء
B (بورون)	أثر (إذا كان موجودًا للتحكم في قابلية التصلب)	أثر
N (نيتروجين)	أثر (محدود؛ يؤثر على أداء الفولاذ المقاوم للصدأ)	أثر

ملاحظات: - تشير التسمية التجارية النموذجية "9Cr18" إلى فولاذات عالية الكربون (~0.8–1.0 wt.% نطاق) وعالية الكروم (~13–18 wt.% نطاق)؛ يرتبط البادئة الرقمية تقليديًا بمحتوى الكربون والكروم في بعض الأنظمة الوطنية. يجب الحصول على النطاقات الاسمية الدقيقة من المورد أو المعيار المعمول به. - استراتيجية السبائك: يحدد الكربون صلابة الفولاذ بعد التبريد؛ يوفر الكروم مقاومة للصدأ ويشكل كربيدات غنية بالكروم؛ يزيد الموليبدينوم من مقاومة التآكل ويساهم في التصلب الثانوي؛ يشكل الفاناديوم كربيدات فاناديوم صلبة جدًا وصغيرة تزيد من مقاومة التآكل واستقرار التخمير.

3. الهيكل المجهري واستجابة المعالجة الحرارية

• الهيكل المجهري الأساسي (بعد الأوستنيتيز والتبريد المناسب): يتكون بشكل أساسي من المارتينسايت بالإضافة إلى تشتت من الكربيدات (كربيدات غنية بالكروم، وفي الأنواع المحتوية على الفاناديوم، كربيدات غنية بالفاناديوم). تكون المصفوفة مارتينسايت مخفف بعد دورات التخمير.
• 9Cr18Mo: تميل الكربيدات إلى أن تكون غنية بالكروم (مثل M23C6 أو كربيدات كروم معقدة مماثلة) مع بعض المراحل المحتوية على الموليبدينوم. ينتج عن التخمير تكبير الكربيدات عند درجات حرارة أعلى، مما يقلل من الصلابة ولكنه يمكن أن يزيد من الصلابة.
• 9Cr18MoV: يعزز الفاناديوم تشكيل كربيدات فاناديوم صغيرة (VC) مستقرة حراريًا وتقاوم التكبير؛ هذا ينقي توزيع الكربيدات، مما يحسن مقاومة التآكل ويزيد من مقاومة التخمير - أي أن الدرجة تحتفظ بالصلابة بشكل أفضل أثناء التخمير عند درجات حرارة أعلى (سلوك التصلب الثانوي من Mo و V).
• طرق المعالجة الحرارية النموذجية:
• أوستنيتيز (حل) عند درجة حرارة محددة للدرجة لإذابة الكربيدات حسب الحاجة وتشكيل أوستنيت متجانس.
• تبريد (زيت أو هواء حسب حجم القسم وقابلية التصلب) لتشكيل المارتينسايت.
• تخمير عند درجات حرارة مضبوطة: تخمير منخفض لتحقيق أقصى صلابة؛ تخمير أعلى لتحسين الصلابة. يمكن أن يتحمل 9Cr18MoV تخميرًا أعلى دون فقدان الكثير من الصلابة بسبب تأثيرات VC و Mo الدقيقة.
• المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يؤدي التدوير المتحكم فيه والتبريد المعجل إلى تحسين حجم حبيبات الأوستنيت السابقة وزيادة الصلابة؛ يمكن أن يؤثر الفاناديوم الميكروي أيضًا على التحكم في حجم الحبيبات من خلال تثبيت الكربو-نيتريد إذا كان موجودًا.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: مقارنة نوعية للخصائص الميكانيكية (الأداء النسبي)

خاصية	9Cr18Mo	9Cr18MoV
قوة الشد	عالية	أعلى قليلاً (بسبب الكربيدات الأكثر دقة وزيادة قابلية التصلب)
قوة العائد	عالية	أعلى قليلاً
التمدد (المرونة)	متوسطة–منخفضة	أقل قليلاً (بسبب المزيد من ترسيب الكربيدات)
صلابة التأثير	أفضل (نسبيًا)	أقل (تبادل من أجل التآكل)
الصلابة (المعالجة الحرارية والتخمير)	عالية	أعلى (محسنة للتآكل؛ تحتفظ بالصلابة أثناء التخمير)

تفسير: - تحقق كلا الدرجتين صلابة عالية بعد التبريد بسبب محتوى الكربون المرتفع. عادةً ما تصل الدرجة المحتوية على الفاناديوم إلى قيم شد وصلابة متساوية أو أعلى لجدول معالجة حرارية معين لأن جزيئات VC تنقي الهيكل المجهري وتقاوم التليين أثناء التخمير. - زيادة الصلابة ونسبة حجم الكربيد عمومًا تقلل من المرونة وصلابة التأثير؛ لذلك تميل 9Cr18MoV إلى التضحية ببعض الصلابة من أجل مقاومة التآكل.

5. قابلية اللحام

تعتبر قابلية اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ المارتينسيتية عالية الكربون تحديًا ويجب إدارتها مع التسخين المسبق المناسب، ودرجة حرارة التداخل، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). هناك مقياسان شائعان لمعادلة الكربون لتقييم نوعي:

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

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: - يزيد الكربون العالي بالإضافة إلى كميات كبيرة من Cr أو Mo أو V من قيم $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$، والتي ترتبط بزيادة قابلية التصلب وزيادة خطر التشقق البارد في منطقة الحرارة المتأثرة باللحام. - ستظهر 9Cr18MoV، التي تحتوي على الفاناديوم، عمومًا قيمة مكافئة كربون فعالة أعلى قليلاً لتكوين معين مقارنةً بـ 9Cr18Mo، مما يزيد من متطلبات التسخين المسبق و PWHT. - التدابير العملية: استخدم أقطاب منخفضة الهيدروجين أو معدن تعبئة يتناسب مع تركيبة فولاذ مقاوم للصدأ مارتينسيتية، وطبق التسخين المسبق لتقليل التبريد، وتحكم في درجة حرارة التداخل، وقم بإجراء PWHT (تخمير) لتقليل الضغوط المتبقية وتقليل الصلابة في منطقة HAZ. بالنسبة للحام الإصلاح حيث يكون PWHT الكامل غير عملي، اعتبر طرق الانضمام البديلة (التثبيت الميكانيكي، اللحام، أو استخدام سبائك تعبئة أكثر مرونة بحذر).

6. مقاومة التآكل وحماية السطح

• مقاومة التآكل: كلا الدرجتين هما فولاذان مقاومان للصدأ بمقاومة معتدلة إلى جيدة في الهواء والبيئات الخفيفة بسبب محتوى الكروم. لا تقترب من مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (مثل 304/316) في الوسائط العدوانية.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) يستخدم عادةً للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي/الثنائي مع نيتروجين كبير؛ الصيغة هي:

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

• بالنسبة لـ 9Cr18Mo و 9Cr18MoV، فإن PREN له فائدة محدودة لأن محتويات النيتروجين منخفضة والهيكل المجهري مارتينسيت؛ يتم التحكم في أداء التآكل بمحتوى الكروم وتوزيع الكربيد (يمكن أن يؤدي ترسيب الكربيد محليًا إلى استنفاد الكروم وتقليل السلبية).
• نصائح لحماية السطح والمعالجة:
• تجنب التحسس (ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات) من خلال المعالجة المناسبة والحل السريع عندما تكون مقاومة التآكل حرجة.
• لخدمة عدوانية أو حيث تكون سلامة الفولاذ المقاوم للصدأ غير كافية، اعتبر الطلاءات (التغطية الكهربائية، PVD، الكروم الصلب)، أو علاجات التمرير، أو استخدام سبائك أكثر مقاومة للتآكل.
• بالنسبة للفولاذات غير المقاومة للصدأ المستخدمة في أدوار مماثلة، فإن الجلفنة، والطلاء، أو الطلاءات البوليمرية شائعة؛ بالنسبة لهذه الدرجات من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتينسيتية، فإن إنهاء السطح (التلميع) والتمرير شائعة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• التشغيل: كلا الدرجتين يمكن تشغيلهما بسهولة أكبر عند التلدين (النعومة) بدلاً من الحالة المتصلبة. في الحالة المتصلبة، يؤدي وجود الكربيدات الصلبة - خاصة في 9Cr18MoV - إلى تسريع تآكل الأدوات ويتطلب أدوات كربيد، وسرعات قطع أقل، وتغذية مضبوطة.
• الطحن والتشطيب: يكون تآكل الأدوات والعجلات أعلى بالنسبة للفولاذات المحتوية على الفاناديوم؛ يتطلب اختيار دقيق لوسائط الطحن وتشكيل العجلات.
• التشكيل/الانحناء: محدود في الحالة المتصلبة. التشكيل البارد ممكن فقط عند التلدين؛ يجب إجراء الانحناء والضغط قبل التصلب النهائي والتخمير.
• المعالجات الحرارية: التلدين للتشكيل، ثم دورة معالجة حرارية كاملة للخصائص النهائية. عادةً ما يحدث الطحن السطحي والتلميع النهائي بعد المعالجة الحرارية بسبب التحكم في التشوه.

8. التطبيقات النموذجية

9Cr18Mo (الاستخدامات الشائعة)	9Cr18MoV (الاستخدامات الشائعة)
شفرات السكاكين وأدوات المائدة حيث يتطلب توازن بين مقاومة التآكل والصلابة	حواف القطع، والسكاكين الصناعية، وأجزاء التآكل حيث تكون المتانة الكاشطة ذات أولوية
مكونات الصمامات والمحاور في البيئات المعتدلة	سباقات المحامل وأكمام التآكل حيث تكون مقاومة التآكل حرجة
الزنبركات والمسامير التي تتطلب قوة عالية وحماية معتدلة من التآكل	أدوات قطع عالية التآكل، وشفرات القص، ومكونات تتعرض للتآكل الانزلاقي

مبررات الاختيار: - اختر 9Cr18Mo عندما تحتاج إلى توازن أفضل قليلاً بين الصلابة ومقاومة التآكل وعندما تكون قابلية التشغيل/اللحام أو التكلفة قيودًا مهمة. - اختر 9Cr18MoV عندما تكون مقاومة التآكل الكاشطة والاحتفاظ بالصلابة أثناء التخمير هي المحركات الرئيسية للتصميم، وعندما يمكن تبرير انخفاض الصلابة قليلاً وزيادة تكاليف الأدوات/اللحام.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: 9Cr18MoV عادةً ما تكون أكثر تكلفة بسبب إضافة الفاناديوم والمعالجة المرتبطة للحفاظ على توزيعات الكربيد الدقيقة؛ كما أن تكاليف الأدوات والتشطيب أعلى أيضًا.
• التوافر: كلاهما متاحان عادةً من موردي الفولاذ المقاوم للصدأ والأدوات المتخصصة في القضبان، والألواح، والشريط، والقطع. تميل 9Cr18Mo (كونها كيمياء أبسط) إلى أن تكون مخزنة بشكل أوسع في أسواق السكاكين والمواد العامة؛ قد يتوفر النوع المحتوي على الفاناديوم بشكل أساسي من خلال الموردين المتخصصين أو عند الطلب في أشكال منتجات محددة.

10. الملخص والتوصية

جدول يلخص المزايا والعيوب الرئيسية (نوعية)

السمة	9Cr18Mo	9Cr18MoV
قابلية اللحام	أفضل (لكن لا تزال مقيدة)	أكثر تحديًا
توازن القوة–الصلابة	صلابة أفضل لصلابة مماثلة	قوة وصلابة أعلى، صلابة أقل
مقاومة التآكل	جيدة	متفوقة (تآكل كاشط/لاصق)
التكلفة	أقل	أعلى

التوصيات: - اختر 9Cr18Mo إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ مارتينسيتية فعال من حيث التكلفة مع صلابة معقولة، وقابلية تشغيل أسهل في الحالة الملدنة، ومقاومة معتدلة للتآكل - مناسب للسكاكين العامة، والصمامات، والمكونات حيث يتطلب الأمر بعض المرونة. - اختر 9Cr18MoV إذا كانت مدة الخدمة تتأثر بالتآكل الكاشط أو اللاصق واحتفاظ الصلابة بعد التخمير أمر حاسم - مناسب للسكاكين الصناعية، وأجزاء التآكل، والمكونات حيث يتفوق الاحتفاظ بالصلابة أثناء الاستخدام على العقوبة في الصلابة وتكلفة التصنيع.

ملاحظات عملية نهائية: - دائمًا اطلب شهادات المواد وتوصيات المعالجة الحرارية من المورد للشكل المنتج المقصود. - للحصول على اللحام، احصل على إجراءات التسخين المسبق، ودرجة حرارة التداخل، و PWHT المحددة من مهندسي اللحام واتبع اختبارات تأهيل الإجراءات عندما تكون السلامة حرجة. - قم بإنشاء نماذج والتحقق من جداول المعالجة الحرارية ومعلمات التشغيل على أجزاء تمثيلية، حيث يعتمد توزيع الكربيد والخصائص النهائية بشكل كبير على التغييرات الصغيرة في الكيمياء والمعالجة.