SAE1020 مقابل SAE1045 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
SAE1020 و SAE1045 هما من أكثر الفولاذات الكربونية العادية شيوعًا في الرسومات الهندسية والمشتريات. عادةً ما تنشأ معضلة الاختيار عندما يتعين على المصممين والمتخصصين في المشتريات تحقيق التوازن بين القابلية للتصنيع والتكلفة مقابل الأداء الميكانيكي المطلوب: الفولاذات منخفضة الكربون أسهل في التشكيل واللحام، بينما توفر الفولاذات متوسطة الكربون قوة أعلى ومقاومة للتآكل ولكنها تحتاج إلى معالجة حرارية ورقابة تصنيع أكثر دقة.
الفرق العملي الرئيسي بين الدرجتين هو محتوى الكربون وتأثيراته اللاحقة: يحتوي SAE1045 على كربون أعلى بكثير من SAE1020، مما يحول التوازن نحو قوة أكبر وقابلية للتصلب على حساب اللدونة وقابلية اللحام. نظرًا لأنهما يحتلان نقاطًا متجاورة في طيف الفولاذ الكربوني، غالبًا ما تتم مقارنة هاتين الدرجتين عند تحديد الأعمدة والتروس والمثبتات والأجزاء الميكانيكية العامة حيث يجب تحسين التوازن بين القوة والصلابة والتكلفة.
1. المعايير والتسميات
- SAE/AISI: SAE 1020 (AISI 1020)، SAE 1045 (AISI 1045)
- ASTM/ASME: يتم الإشارة إليها عادةً بواسطة تسمية SAE/AISI في المشتريات؛ قد تشير معايير المنتجات المحددة (البار، الألواح، القوالب) إلى درجات ASTM ذات كيمياء مشابهة.
- EN: الفولاذات EN المعادلة تقريبًا هي C20 (لـ 1020) و C45 (لـ 1045) في بعض المعايير الأوروبية (تختلف أنظمة التسمية حسب المعيار).
- JIS/GB: تستخدم معايير JIS و GB تسميات مختلفة ولكن توجد نطاقات كربونية قابلة للمقارنة (مثل JIS S20C / S45C).
- التصنيف: كلاهما فولاذات كربونية عادية (ليست فولاذات سبائكية، ليست مقاومة للصدأ، ليست HSLA بشكل افتراضي). ليست فولاذات أدوات.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | SAE 1020 (نموذجي، wt%) | SAE 1045 (نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.18–0.23 | 0.43–0.50 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.60–0.90 |
| Si | 0.10–0.35 | 0.10–0.35 |
| P | ≤ 0.040 (أقصى) | ≤ 0.040 (أقصى) |
| S | ≤ 0.050 (أقصى) | ≤ 0.050 (أقصى) |
| Cr | أثر (≤0.25) | أثر (≤0.30) |
| Ni | أثر (≤0.25) | أثر (≤0.30) |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | عادةً أثر أو غير محدد | عادةً أثر أو غير محدد |
ملاحظات: - كلا الدرجتين هما فولاذات كربونية عادية؛ إضافات السبائك ضئيلة وعرضية بشكل أساسي. يحتوي SAE1045 على كربون أعلى وعادةً على منغنيز أعلى للمساعدة في الحفاظ على القوة وقابلية التصلب. - يزيد الكربون الأعلى من قوة الشد والصلابة المحتملة؛ يساعد المنغنيز في القوة وإزالة الأكسدة ولكنه يزيد أيضًا من قابلية التصلب. السيليكون هو مزيل للأكسدة ويساهم قليلاً في القوة. - استراتيجية السبائك بسيطة: التحكم في الكربون لتحقيق القوة المستهدفة واستخدام المعالجة الحرارية للحصول على البنية المجهرية المرغوبة بدلاً من الاعتماد على عناصر السبائك.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- كما هو مدلفن / معالج حراري: يظهر SAE1020 عادةً بنية مجهرية من الفريت والبرليت مع نسبة أعلى من الفريت الناعم مقارنةً بالبرليت. يظهر SAE1045 مزيدًا من البرليت وأقل من الفريت بسبب محتوى الكربون الأعلى.
- التطبيع: تستجيب كلا الدرجتين للتطبيع من خلال بنية مجهرية من الفريت/البرليت المكررة؛ يطور SAE1045 مصفوفة برليتية أكثر صلابة وقوة أعلى بعد التطبيع مقارنةً بـ SAE1020.
- التبريد والتخمير: يتمتع SAE1045 بقابلية تصلب أعلى ويحقق صلابة وقوة أعلى بكثير بعد التبريد والتخمير مقارنةً بـ SAE1020. من الصعب تصلب SAE1020 بشكل موحد في الأقسام السميكة بسبب انخفاض الكربون وقابلية التصلب المنخفضة.
- السبائك الدقيقة والمعالجة الحرارية الميكانيكية: لا يتم عادةً تزويد أي من الدرجتين بالسبائك الدقيقة ما لم يتم طلبها بشكل محدد؛ يمكن أن تعمل المعالجات الحرارية الميكانيكية على تحسين حجم الحبيبات قليلاً وتحسين القوة والصلابة في كلا الدرجتين، ولكن يبقى مستوى الكربون هو العامل السائد.
- التطبيق العملي: يوفر SAE1045 ضبطًا أوسع للمعالجة الحرارية (مثل، قوة الشد والعائد الأعلى بعد التبريد والتخمير) بينما يُستخدم SAE1020 بشكل أساسي في الحالات المعالجة حراريًا أو المطبوعة بسبب لدونته وقابليته للتشكيل.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية | SAE 1020 (نموذجي، نطاقات معالجة حرارية/مطبوعة) | SAE 1045 (نموذجي، نطاقات معالجة حرارية/مطبوعة/مقواة) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~350–450 | ~500–700 (يمكن أن تتجاوز 800 بعد التصلب والتخمير) |
| قوة العائد (ميغاباسكال) | ~250–350 | ~300–550 (اعتمادًا على المعالجة الحرارية) |
| التمدد (%) | ~25–35 | ~10–20 (أقل مع معالجات القوة الأعلى) |
| صلابة التأثير | متوسطة؛ عمومًا جيدة في اللدونة في الحالة المعالجة حراريًا | أقل من 1020 في ظروف القوة العالية؛ متوسطة عند التطبيع |
| الصلابة (HB) | ~100–140 | ~150–250 (أعلى بعد التبريد والتخمير) |
ملاحظات: - القيم هي نطاقات نموذجية. تعتمد القيم الفعلية بشكل كبير على شكل المنتج وحجم القسم ودورة المعالجة الحرارية. - SAE1045 أقوى بكثير في معظم الظروف المعالجة حراريًا؛ SAE1020 أكثر لدونة وتسامحًا في عمليات التشكيل. تأتي القوة المتزايدة لـ 1045 على حساب تقليل التمدد وعادةً صلابة أقل بعد التبريد ما لم يتم تخميرها بشكل صحيح. - للتطبيقات الحرجة من حيث التأثير حيث تهم الصلابة عند درجات حرارة منخفضة، قد يُفضل 1020 في حالة مناسبة أو فولاذ منخفض السبائك مع صلابة جيدة.
5. قابلية اللحام
- يحدد محتوى الكربون وقابلية التصلب قابلية اللحام. يزيد الكربون الأعلى من خطر التشقق البارد وتكوين المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري.
- تستخدم صيغ مكافئ الكربون عادةً للتقييم النوعي. مؤشرات مثال:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- التفسير (نوعي): يحتوي SAE1020 على $CE$ و $P_{cm}$ منخفضين ويمكن لحامه بسهولة باستخدام الإجراءات القياسية وبدون تسخين مسبق. يحتوي SAE1045 على محتوى كربون أعلى وبالتالي $CE/P_{cm}$ أعلى - عادةً ما يتطلب تسخينًا مسبقًا، ودرجات حرارة بينية محكومة، وربما معالجة حرارية بعد اللحام للمفاصل الحرجة لتقليل التشقق الناتج عن الهيدروجين وتصلب منطقة التأثير الحراري.
- إرشادات عملية: استخدم أقطاب منخفضة الهيدروجين، تسخين مسبق محكوم، وتخمير للأقسام السميكة من 1045؛ بالنسبة لـ 1020، عادةً ما تكون المواد الاستهلاكية وإجراءات اللحام القياسية كافية.
6. التآكل وحماية السطح
- لا SAE1020 ولا SAE1045 مقاومان للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل الجوي العام ويتطلبان حماية سطحية حيثما كانت هناك مخاوف من التآكل.
- حمايات نموذجية: تنظيف بالمذيبات، أنظمة طلاء/دهان، فوسفات، جلفنة بالغمر الساخن، طلاء كهربائي (حيثما كان مناسبًا)، أو طلاءات واقية (بوليمر/إيبوكسي).
- PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على الفولاذات الكربونية العادية؛ يُستخدم للفولاذات المقاومة للصدأ:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- ملاحظة اختيار: في البيئات التآكلية، يُفضل النظر في الفولاذات المقاومة للصدأ أو الطلاءات المقاومة للتآكل بدلاً من الاعتماد على كيمياء الفولاذ الكربوني.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل: SAE1020 أكثر لدونة وأسهل في الانحناء والسحب والتشكيل في العمليات الباردة. سيكون لدى SAE1045 قابلية تشكيل محدودة في ظروف القوة الأعلى وأكثر عرضة للتشقق أثناء التشكيل.
- قابلية التشغيل: SAE1045، بسبب القوة والصلابة الأعلى، عمومًا أصعب في التشغيل من SAE1020. ومع ذلك، لا تخلو أي من الدرجتين من صعوبة التشغيل؛ تقييمات قابلية التشغيل متوسطة ما لم يتم تحديد أنواع خاصة من التشغيل الحر.
- الطحن والتشطيب: ينتج 1045 تآكلًا أعلى للأدوات ويتطلب أدوات أكثر قوة أو سرعات قطع أقل لتحقيق عمر أدوات مماثل مقارنةً بـ 1020.
- تصلب السطح: يستجيب SAE1045 جيدًا للتصلب بالكربنة، والتصلب بالحث، ومعالجات التصلب الكامل لزيادة مقاومة التآكل وعمر التعب للمكونات مثل الأعمدة والتروس؛ 1020 ليس مرشحًا جيدًا للتصلب السطحي الكبير بسبب انخفاض الكربون.
8. التطبيقات النموذجية
| SAE 1020 | SAE 1045 |
|---|---|
| مكونات هيكلية عامة، أجزاء مشكّلة باردة، تجميعات ملحومة، أعمدة منخفضة القوة، هياكل، تصنيع عام حيث تكون قابلية التشكيل/اللحام ذات أولوية | أعمدة، محاور، تروس (خدمة متوسطة)، دبابيس، براغي (تتطلب قوة أعلى)، تروس مسننة، مكونات مشغولة تتطلب قوة أعلى أو أسطح قابلة للتصلب |
مبررات الاختيار: - اختر 1020 عندما تكون سهولة التشكيل واللحام والتحكم في التكلفة هي المحركات الرئيسية، والأحمال الخدمية متوسطة. - اختر 1045 عندما تكون قوة المكون، ومقاومة التآكل، والقدرة على تحقيق صلابة أعلى من خلال المعالجة الحرارية ضرورية.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: SAE1020 عمومًا أقل تكلفة لكل كيلوغرام من SAE1045 بسبب انخفاض محتوى الكربون ومتطلبات المعالجة الأبسط؛ تختلف أسعار السوق مع العرض الإقليمي وتقلبات صناعة الفولاذ.
- التوافر: كلا الدرجتين متاحتان عادةً في جميع أنحاء العالم في أشكال القضبان والألواح واللفائف. SAE1020 شائع جدًا للمنتجات الورقية والهيكلية؛ SAE1045 متوفر على نطاق واسع للأعمدة والقضبان والقوالب.
- أشكال المنتجات: يتم تزويد 1045 عادةً كقضبان مدلفنة على الساخن وقوالب مطروقة، وغالبًا ما يتم تحديدها عندما تكون الخصائص بعد المعالجة الحرارية مطلوبة. يتم استخدام 1020 بشكل متكرر في التجميعات المشكّلة باردة والملحومة.
10. الملخص والتوصية
| الخاصية | SAE1020 | SAE1045 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | عالية (سهل اللحام) | متوسطة إلى منخفضة (تتطلب تسخين مسبق/تحكم) |
| توازن القوة والصلابة | قوة أقل، لدونة/صلابة أعلى في الحالة المعالجة حراريًا | إمكانات قوة أعلى، لدونة أقل عند القوة العالية |
| التكلفة | أقل | أعلى |
اختر SAE1020 إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ يمكن لحامه بسهولة، وقابل للتشكيل، واقتصادي للأحمال المتوسطة. - ستخضع الأجزاء لتشكيل بارد كبير أو تتطلب لدونة وصلابة جيدة في الحالة المصنعة. - تتطلب الهياكل أو التجميعات الملحومة الكبيرة تسخينًا مسبقًا ضئيلًا وإجراءات لحام بسيطة.
اختر SAE1045 إذا: - كان التصميم يتطلب قوة ثابتة أعلى، أو مقاومة أفضل للتآكل، أو سيتم تصلب السطح أو التصلب الكامل للجزء. - كنت تقوم بتصنيع مكونات دوارة متوسطة القوة (أعمدة، محاور، تروس) حيث تكون قوة الشد والصلابة الأكبر ضرورية. - يمكنك التحكم في معلمات اللحام، أو يتم تقليل اللحام لصالح التشغيل/التجميع والمعالجة الحرارية.
ملاحظة نهائية: يجب دائمًا التحقق من اختيار المواد مقابل أحمال تصميم المكونات، ومتطلبات التعب، وطريقة الانضمام، والمعالجة الحرارية المقصودة، ومعالجات السطح، وقيود التكلفة. عند الشك في المكونات الحرجة أو المتعلقة بالسلامة، يُفضل تحديد الخصائص (مثل الحد الأدنى من الشد/العائد، الصلابة، أو الصلابة) بدلاً من الاعتماد فقط على اسم الدرجة، واستشارة متخصصي المعالجة الحرارية واللحام لوضع إجراءات مناسبة.