GCr18 مقابل GCr18Mo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يُعد كل من GCr18 وGCr18Mo من الفولاذ الكرومي عالي الكربون (سبائكي/يحمل الكروم) المستخدم على نطاق واسع في عناصر التدحرج، الأعمدة، والأجزاء المقاومة للاهتراء. غالبًا ما يُوازن المهندسون، ومديرو المشتريات، ومخططو التصنيع بين عمر التعب، مقاومة الاهتراء، قابلية التصلب، قابلية اللحام، والتكلفة عند اختيار أحدهما. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار درجة لفواصل عميقة المقطع، تصميم مكونات تتطلب تصلبًا شاملاً مقابل تصلب سطح، أو اختيار مادة يمكن إنتاجها بشكل موثوق في مقاطع عرضية كبيرة.
الفرق المعدني الرئيسي هو الإضافة المتعمدة للموليبدينوم إلى GCr18Mo لزيادة قابلية التصلب وتحسين مقاومة الاهتراء والتلدين مقارنةً بـ GCr18 العادي. لذلك، يُقارن كلا الدرجةين في التصميم والتصنيع حيث تكون حجم المقطع، استجابة المعالجة الحرارية، ومقاومة التآكل في الخدمة أمورًا حاسمة.
1. المعايير والتسميات
- المكافئات والمعايير الوطنية والدولية الشائعة:
- GB (الصين): GCr18، GCr18Mo (تسمية وطنية صينية للفولاذ الحامل/ السبائكي).
- EN (أوروبا): على صلة وثيقة بـ 100Cr6 / 1.3505 (لـ GCr18)؛ يمكن تحديد درجة تحمل الموليبدينوم بأسماء معدلة ضمن درجات 1.3505 أو تسميات EN محددة.
- AISI/SAE: 52100 / SAE 52100 مشابه لـ GCr15/100Cr6؛ غالبًا ما يُقارن GCr18 مع هذه الفولاذات الحاملة من حيث الكيمياء والتطبيق، لكن التكافؤ الدقيق يعتمد على الحدود.
- JIS (اليابان): تظهر فولاذات حاملة مشابهة في JIS لكن يتطلب التحقق من جداول التركيب لمطابقة التسميات بدقة.
- التصنيف:
- كلا من GCr18 وGCr18Mo فولاذ سبائكي عالي الكربون يحتوي على الكروم، يُستخدم عادة كفولاذ للحمل/الأدوات/الاهتراء وليس كفولاذ مقاوم للصدأ أو فولاذ إنشائي عالي القوة منخفض السبيكة.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائكية
يعرض الجدول أدناه النطاقات النموذجية للعناصر للمعايير النموذجية لـ GCr18 وGCr18Mo. تختلف الحدود الدقيقة حسب المعيار، المُنتج، ومواصفات المعالجة الحرارية؛ يجب على المستخدمين مراجعة شهادة المصنع أو المعيار المعمول به عند الشراء.
| العنصر | GCr18 النموذجية (وزن %) | GCr18Mo النموذجية (وزن %) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 | 0.95 – 1.05 |
| Mn | 0.20 – 0.40 | 0.20 – 0.40 |
| Si | 0.10 – 0.40 | 0.10 – 0.40 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | 1.30 – 1.70 | 1.30 – 1.70 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | ≤ 0.03 | 0.10 – 0.30 |
| V | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Nb/Ti/B/N | مقادير أثرية/شيفرات | مقادير أثرية/شيفرات |
ملاحظات: - الكربون مرتفع لتمكين صلادة عالية ومقاومة للارتداء بعد التبريد والتلدين. - الكروم يوفر قابلية التصلب، مقاومة الاهتراء، وتكوين الكربيدات. - يُضاف الموليبدينوم في GCr18Mo بكميات قليلة لزيادة قابلية التصلب ومقاومة التلدين؛ كما يحسن استجابة التلدين ويقلل من خطر تكون هياكل هشة بعد التبريد في المقاطع الكبيرة. - العناصر الثانوية (V, Nb, Ti) عادةً تتواجد بكميات أثرية أو كسبائك دقيقة وفقًا لممارسات المورد.
تأثير السبائكية على الخصائص: - C وCr يتحكمان في الصلادة القابلة للتحقيق وتركيب الكربيد — زيادة C تعزز الصلادة لكن تقلل من قابلية اللحام. - Cr بنسبة 1.3–1.7% يساهم في التصلب الثانوي ومقاومة الاهتراء لكنه لا يجعل الفولاذ مقاومًا للصدأ. - Mo يزيد من قابلية التصلب، يعزز مقاومة التلدين (يحافظ على الصلادة عند درجات حرارة تلدين أعلى)، ويمكن أن يحسن عمر التعب في ظروف الحمل التدحرجي. - Mn وSi هما مزيلات أكسجين ويساهمان بشكل معتدل في قابلية التصلب والقوة.
3. التركيب الميكروي واستجابة المعالجة الحرارية
التركيبات الميكروية النموذجية وتأثير المعالجة:
- الحالة الملفوفة/الممغنطة:
-
تُظهر كلا الدرجتين مصفوفة من الكربيد بشكل لؤلؤي أو كربيدات مفلطحة اعتمادًا على ممارسات التلدين. الدورات العادية/التكرير تنتج لؤلؤة دقيقة وكربيدات متبقية مناسبة للمعالجة اللاحقة بالتبريد والتلدين.
-
التبريد والتلدين:
- التصلب النموذجي: تسخين للأوستينيت (مثلاً 780–840°C حسب المقطع والمواصفات) ثم التبريد بالزيت أو الهواء لتكوين المارتنسيت. التلدين اللاحق ينتج مارتنسيت متلدن مع تشتت كربيدات الكروم.
- GCr18: يحقق صلادة عالية وتوزيع دقيق للكربيدات في المقاطع الصغيرة؛ في المقاطع الكبيرة يكون أكثر عرضة لتحول غير كامل (نواة طرية) وخطر أكبر للتشققات أثناء التبريد إذا لم يتم التحكم جيدًا.
-
GCr18Mo: يزيد الموليبدينوم من قابلية التصلب، ما يعزز بنية مارتنسيت كاملة التصلب في المقاطع العرضية الكبيرة. كما يزيد من مقاومة التلدين، حيث تحافظ الصلادة على مستوى أعلى عند درجات التلدين المرتفعة.
-
المعالجة الحرارية الميكانيكية:
- المعالجة الحرارية الميكانيكية المراقبة واللف الساخن تؤثر على حجم حبيبات الأوستينيت السابقة. الحبيبات الأصغر تحسن المتانة وتقلل من درجات حرارة التسخين اللازمة؛ يساعد الموليبدينوم في الحفاظ على المتانة في المقاطع الخشنة عن طريق تحسين قابلية التصلب.
باختصار، يتركز التحكم في التركيب الميكروي لكلا الدرجتين على تحقيق مصفوفة مارتنسيتية مع تشتت كربيدات الكروم؛ GCr18Mo أكثر مرونة للمقاطع الكبيرة ودرجات الحرارة العالية للتلدين.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على المعالجة الحرارية الدقيقة. يعطي الجدول أدناه النطاقات النموذجية بعد التبريد والتلدين المستخدمة في تطبيقات الحامل/الاهتراء؛ يجب اعتبار هذه القيم تمثيلية وليست مُضمونة.
| الخاصية | GCr18 النموذجي (مبرد ومُلدّن) | GCr18Mo النموذجي (مبرد ومُلدّن) |
|---|---|---|
| مقاومة الشد (MPa) | 900 – 1800 (تعتمد على المعالجة الحرارية) | 900 – 1900 (أعلى في الأقسام المشددة بالكامل) |
| مقاومة الخضوع (MPa) | 600 – 1600 | 600 – 1650 |
| التمدد (%) | 4 – 12 (أقل عند صلادة أعلى) | 4 – 12 |
| متانة الصدم (جول، شاربي) | أقل عند صلادة عالية جدًا؛ تتحسن مع التلدين | مماثلة عمومًا أو محسنة قليلاً في المقاطع الكبيرة نظرًا لقابلية التصلب الأفضل |
| الصلادة (HRC) | 58 – 66 (نطاق صلادة الحامل) | 58 – 66 (تحافظ بشكل أفضل بعد التلدين في درجات Mo) |
تفسير: - تتم السيطرة على الصلادة القصوى وقوة الشد بشكل رئيسي بواسطة الكربون والمعالجة الحرارية. تحقق كلتا الدرجتين صلادة قصوى مماثلة في المكونات الصغيرة. - يوفر GCr18Mo قابلية تصلب محسنة، لذا يمكنه في الأجزاء الكبيرة تحقيق صلادة ونواة قوة أعلى مقارنةً بـ GCr18 العادي عند معالجة مماثلة. - تختلف فروق المتانة حسب التطبيق والمعالجة؛ يمكن أن يحسن Mo المتانة في الأقسام الأثقل بتمكين استجابة مارتنسيتية أكثر توحيداً واستقرار ميكرويكل هيكلي للتلدين.
5. قابلية اللحام
تتطلب قابلية اللحام للفولاذ عالي الكربون والصلادة العالية تحكمًا دقيقًا بسبب المكافئ الكربوني العالي وميل تكوين مارتنسيت صلب وهش في منطقة التأثر الحراري (HAZ).
مؤشرات قابلية اللحام الشائعة المستخدمة نوعيًا: - المكافئ الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 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: - كلا من GCr18 وGCr18Mo يحتويان على كربون مرتفع؛ قيم $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ مرتفعة بما يكفي لتتطلب تسخينًا مسبقًا، تحكمًا بدرجة حرارة التمرير، ومعالجة حرارية بعد اللحام لتطبيقات حرجة. - وجود Mo يزيد قليلاً من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$؛ يعني أن GCr18Mo أكثر عرضة لتصلب وتشقق HAZ مقارنة بـ GCr18 عند اللحام بدون احتياطات. - للإصلاحات الصغيرة أو الوصلات غير الحرجة، استخدم أسلاك ملء متطابقة، سخّن مسبقًا لتقليل معدل التبريد، وأجرِ معالجة حرارية بعد اللحام لتلدين المارتنسيت في HAZ. - عند الضرورة لتقليل أو إزالة اللحام، يُفضل الربط الميكانيكي أو التشغيل لملائمة التجميع.
6. المقاومة للتآكل وحماية السطح
- لا يُعتبر كل من GCr18 وGCr18Mo من الفولاذ المقاوم للصدأ؛ فمحتوى الكروم فيهما غير كافٍ لتوفير طبقة تمرّد في البيئات المائية.
- استراتيجيات الحماية السطحية النموذجية:
- الطلاءات الواقية: الدهان، الطلاء بالكهرباء (الزنك، النيكل)، أو الطلاء الفوسفات.
- التغليف بالزنك خيار لبعض المكونات المشكّلة أو الهيكلية، رغم أن المعالجة الحرارية بعد التغليف ليست شائعة.
- التشحيم وتصميم الصرف شائعان في جهات التماس الدحرجية لتقليل الاهتراء بمساعدة التآكل.
- لا يُطبق رقم مقاومة التنقر (PREN) على هذه الفولاذات الحاملة غير المقاومة للصدأ لأن PREN يستخدم لتقييم مقاومة الصدأ في الفولاذ المقاوم للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- ينبغي استخدام السبائك المقاومة للتآكل (فولاذ المسُتخدم في المحامل المقاوم للصدأ) عند الحاجة إلى مقاومة التآكل وأداء الاهتراء/التعب معاً.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- الكربون العالي والصلادة العالية تعني أن كلا الدرجتين أكثر صعوبة في التشغيل أثناء الحالة الصلبة. تُستخدم الحالات المعالجة حراريًا أو المعالجة باللؤلؤة لتسهيل التشغيل وتحسين عمر الأدوات.
- قد يكون GCr18Mo في الحالة الملدنة/المشددة أكثر صعوبة بشكل طفيف بفضل تأثيرات تقوية الموليبدينوم، لكن الفروق ضئيلة لحالات التشغيل السابقة.
- التشكيل والطي على البارد:
- غير مفضل في الحالة المقواة؛ يتم التشكيل في الحالة الأنيلية الأطرى.
- محتوى الكربون العالي يحد من السحب العميق أو التشكيل المكثف دون تشقق.
- الطحن والتشطيب:
- كلاهما يستجيب جيدًا للطحن الدقيق بعد التقسية. توزيع الكربيدات والأوستنیت المحتفظ به قد يؤثران على سلوك الطحن والاستقرار البعدي النهائي.
- اعتبارات المعالجة الحرارية:
- أنيل التكرير الكروي للتشغيل: يقلل من قوى القطع ويمنع تآكل الحواف.
- وسائط التبريد المُحكمة، جداول الترويض، وتخفيف الإجهاد ضرورية لتقليل التشوه.
8. التطبيقات النموذجية
| GCr18 (الاستخدامات النموذجية) | GCr18Mo (الاستخدامات النموذجية) |
|---|---|
| محامل كروية ودوارات دقيقة (أحجام صغيرة إلى متوسطة) | محامل وأعمدة حيث تتطلب المقطاعات الأكبر تقسية كاملة |
| حلقات محامل، دوارات وحلقات تستخدم في الآلات الدقيقة | دوارات بسمك ثقيل، حلقات محامل كبيرة، ومكونات تتعرض لتعب دوار ثقيل |
| أجزاء تآكل في مكونات صغيرة إلى متوسطة حيث يكون التكلفة مهمة | مكونات تآكل وأعمدة حيث تحسن مقاومة الترويض وقابلية التقسية تطيل العمر التشغيلي |
| مكونات أدوات تتطلب صلابة سطح عالية (في أجزاء صغيرة) | مكونات تعمل عند درجات حرارة مرتفعة أو تتطلب احتفاظًا أفضل بالصلابة بعد الترويض |
المنطق في الاختيار: - اختر GCr18 للمحامل الصغيرة إلى متوسطة الحجم وأجزاء التآكل حيث تحقق المعالجة الحرارية التقليدية الصلابة والعمر التعبي المطلوبين بشكل اقتصادي. - اختر GCr18Mo عندما يكون حجم المقطع، الأحمال التشغيلية المتوقعة، أو درجات حرارة الترويض الأعلى تستدعي تحسين التقسية الكاملة، صلابة محتفظ بها أعلى بعد الترويض، أو عمر تعب دوار محسّن قليلاً.
9. التكلفة والتوفر
- التكلفة:
- عادةً ما يكون GCr18 أقل تكلفة من GCr18Mo بسبب غياب عنصر الموليبدينوم المكلف.
- تُبرر الزيادة في تكلفة GCr18Mo حيث توفر قابلية تقسية أفضل، تقليل الخردة، أو تحسينات أداء توفر وفورات على دورة الحياة.
- التوفر:
- كلا الدرجة متاح عادة في أشكال منتجات فولاذ المحامل (قضبان، حلقات، صفائح، وقطاعات مطروقة) عبر موردي الفولاذ المتخصصين.
- قد تكون أوقات التسليم أطول قليلاً لأنواع تحمل الموليبدينوم الدقيقة أو لعمليات المعالجة الحرارية الخاصة؛ يرجى تحديد شهادات المصنع والمعالجة الحرارية عند الطلب.
10. الملخص والتوصية
| الخاصية | GCr18 | GCr18Mo |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ضعيفة إلى محدودة (تتطلب تسخين مسبق/معالجة حرارية بعد اللحام) | أضعف قليلاً (بسبب تقسية أعلى) |
| توازن القوة والمتانة | صلابة عالية قابلة للتحقيق؛ المتانة تعتمد على المقطع والمعالجة الحرارية | مماثلة أو محسنة في المقطاعات الثقيلة بسبب تقسية أفضل كاملة |
| التكلفة | أقل | أعلى (بسبب وجود الموليبدينوم) |
التوصية: - اختر GCr18 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ محامل/تآكل فعال من حيث التكلفة لمقطاعات صغيرة إلى متوسطة حيث تحقق معالجات التبريد والترويض القياسية الصلابة والعمر التعبي المطلوب. - اختر GCr18Mo إذا كانت مكوناتك أكبر في المقطع، تتطلب تقسية أكثر انتظامًا عبر المقطع، تحتاج تحسين مقاومة الترويض، أو ستستفيد من التحسينات الطفيفة في مقاومة التآكل وعمر تعب الاتصال الدوار الناتج عن الموليبدينوم.
ملاحظات عملية ختامية: - حدد دائمًا الحدود الكيميائية الدقيقة، جداول المعالجة الحرارية، واختبارات القبول (الصلابة، البنية المجهرية، الاختبارات غير التدميرية) في أوامر الشراء. - بالنسبة للتجميعات الملحومة أو المكونات الحرجة من حيث التعب، استعن بالمهندسين المختصين بالعمليات المعدنية مبكرًا لتحديد درجات التسخين المسبق، درجات حرارة التمرير، والمعالجة الحرارية اللاحقة المطلوبة لتجنب هشاشة منطقة التأثير الحراري وفشل الخدمة.