X12CrMo5 مقابل X20CrMoV12-1 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون والمحترفون في الشراء غالبًا خيارًا بين الفولاذات التي تبدو متشابهة على الورق ولكنها تخدم أدوارًا مختلفة في الخدمة: أحدها يوفر مقاومة للتآكل ومقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة مع متانة وقابلية لحام معقولة؛ والآخر مُحسَّن لأدوات العمل الساخن ومقاومة التآكل عند درجات حرارة عالية. عادةً ما يتمحور معضلة الاختيار حول التوازن بين مقاومة التآكل والتكلفة، أو بين الصلابة الحمراء/مقاومة التآكل وقابلية التصنيع/قابلية اللحام.

التمييز الأساسي بين هذين النوعين من الفولاذات المعينة في ألمانيا هو وظيفي: أحدهما هو فولاذ مقاوم للصدأ من نوع مارتنسيت يحتوي على الكروم ومُخصص للخدمة عند درجات حرارة عالية ومقاومة للتآكل، بينما الآخر هو فولاذ أدوات سبيكة موليبدينوم-فاناديوم عالي الكروم مصمم للعمل الساخن والأدوات حيث تكون الصلابة الحرارية ومقاومة التآكل حاسمة. نظرًا لأن كلاهما يحتوي على كميات كبيرة من الكروم وإضافات السبيكة، يقارن المصممون بينهما عندما تتعرض الأجزاء لتحميل عند درجات حرارة مرتفعة، أو اتصال كاشط، أو تعرض حراري دوري.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة حيث تظهر هذه التسميات: EN / DIN (أوروبي)، ISO (حيثما ينطبق)، والمعادلات الوطنية (ASTM/ASME، JIS، GB). يمكن أن تختلف أرقام المرجع الدقيقة؛ تحقق دائمًا مع شهادات الموردين والمعايير الحالية.
• فئة المادة:
• X12CrMo5 — سبيكة مارتنسيتية تحتوي على الكروم، تُصنف عادةً ضمن الفولاذات المقاومة للحرارة أو الفولاذات المقاومة للصدأ بدلاً من فولاذ الأدوات.
• X20CrMoV12-1 — فولاذ أدوات/عمل ساخن (درجة عالية السبيكة Cr–Mo–V)، مدرجة عادةً تحت فولاذ الأدوات (العمل الساخن) في معايير EN/ISO.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

ملاحظات: الجدول يعطي وجودًا نسبيًا ودورًا معدنيًا بدلاً من النسب الدقيقة. من أجل الشراء والتحكم في العملية، استخدم شهادات المصنع وتسميات EN/ASTM للحدود التركيبية الدقيقة.

كيف تؤثر السبيكة على السلوك: - يزيد الكروم من مقاومة التآكل، مقاومة التصلب، وقدرة تشكيل الكربيد. في أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية، يمنح السلبية؛ في فولاذ الأدوات، يساهم في الصلابة الحمراء ومقاومة التآكل. - يزيد الموليبدينوم والفاناديوم من الصلابة الحرارية، مقاومة التصلب، وتكوين كربيدات مستقرة، مما يحسن مقاومة التآكل عند درجات الحرارة المرتفعة. - يتحكم الكربون في الصلابة الممكنة والصلابة ولكن يقلل من قابلية اللحام والمتانة كلما زاد.

3. الهيكل الدقيق واستجابة المعالجة الحرارية

الهياكل الدقيقة النموذجية بعد المعالجة القياسية: - X12CrMo5: حالة مُعالجة/مُعالجة حراريًا تُنتج مصفوفة من الفريت/البرليت أو مصفوفة مارتنسيتية ناعمة حسب المعالجة. بعد التبريد والتصلب، تشكل مارتنسيت مُعالج مع كربيدات موزعة بشكل دقيق؛ قد يحدث بعض الأوستنيت المحتفظ به حسب السبيكة والتبريد. - X20CrMoV12-1: في الحالة المُعالجة تحتوي على مارتنسيت مُعالج بالإضافة إلى عدد كبير من كربيدات السبيكة (كربيدات غنية بالكروم وكربيدات فاناديوم). بعد التبريد والتصلب المناسب لفولاذ العمل الساخن، توفر مصفوفة مارتنسيت مُعالج مع كربيدات صلبة مستقرة مزيجًا من المتانة والصلابة الحمراء.

كيف تؤثر المعالجات الحرارية على كل منهما: - المعالجة الحرارية/التنقية: تستفيد كلا الدرجتين من المعالجة الحرارية لتنقية حجم الحبوب؛ توزيع كربيد فولاذ الأدوات أكثر أهمية وغالبًا ما يتطلب دورات تبريد مُراقبة. - التبريد والتصلب: كلاهما يستجيب لدورات التبريد والتصلب. عادةً ما يتم تصلب X20CrMoV12-1 إلى صلابة نهائية أعلى من خلال درجات حرارة تصلب أعلى تستهدف الحفاظ على الصلابة الحمراء؛ ينتج التصلب صلابة ثانوية مستقرة بسبب كربيدات Mo/V. يتم تصلب X12CrMo5 لتحقيق توازن بين المتانة والصلابة للخدمة ويمكن استخدامه في حالة مُعالجة ومُعالجة حراريًا أو كدرجة مُقواة بالترسيب من أجل الزحف. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: تُطبق بشكل أكثر شيوعًا على الفولاذات حيث يتطلب الجمع بين القوة والمتانة عند مستويات سبيكة أقل؛ بالنسبة لفولاذ الأدوات، فإن التشكيل المُراقب والمعالجة الحرارية لتحسين شكل الكربيد هو المعيار.

4. الخصائص الميكانيكية

تفسير: تم تحسين X20CrMoV12-1 من أجل القوة ومقاومة التآكل عند درجات حرارة مرتفعة وبالتالي يحقق صلابة وقوة أعلى بعد المعالجة الحرارية المناسبة بسبب محتوى السبيكة الأعلى وعناصر تشكيل الكربيد. تم تصميم X12CrMo5 لمقاومة الأكسدة/التآكل والحفاظ على المتانة، مما يوفر مرونة أفضل وخصائص صدمة في العديد من ظروف التصلب.

5. قابلية اللحام

يجب تقييم قابلية اللحام باستخدام مفاهيم مكافئ الكربون ومحتوى السبيكة. تعبيران تجريبيان شائعان:

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

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

التفسير (نوعي): - يشير حساب أعلى لـ $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ إلى زيادة خطر التشقق البارد وحاجة أكبر للتسخين المسبق، والتحكم في درجة حرارة التداخل، والمعالجة الحرارية بعد اللحام. - عادةً ما يقدم X12CrMo5 قيم مكافئ كربون أقل من فولاذ الأدوات عالي السبيكة، مما يمنحه قابلية لحام أفضل نسبيًا؛ لا يزال سلوك الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت يتطلب تسخينًا مُراقبًا وPWHT لتجنب التشقق واستعادة التصلب. - X20CrMoV12-1، مع محتوى أعلى من Cr وMo وV، عمومًا لديه صلابة أعلى ومكافئ كربون أعلى، مما يجعل اللحام أكثر تطلبًا: التسخين المسبق، ممارسة الهيدروجين المنخفض، وPWHT مطلوبة عادةً. يجب أن يأخذ اختيار مواد اللحام في الاعتبار درجة حرارة الخدمة المطلوبة، والمتانة المرغوبة، والقابلية للتصلب.

6. التآكل وحماية السطح

• X12CrMo5: كونه نوع مارتنسيت يحتوي على الكروم، فإنه يوفر مقاومة ملحوظة للتآكل مقارنة بالفولاذات الكربونية العادية. يعتمد سلوكه السالب على محتوى الكروم والمعالجة الحرارية؛ في العديد من البيئات، يعمل بشكل أفضل بدون طلاء، ولكن بالنسبة للوسائط العدوانية، قد تكون الطلاءات الواقية أو التمرير لا تزال مطلوبة.
• X20CrMoV12-1: كفولاذ أدوات، ليس درجة مقاومة للصدأ؛ يتطلب تدابير وقائية في البيئات التآكلية مثل الطلاءات (النيتريد، طلاءات PVD/CVD لمقاومة التآكل)، الطلاء، أو الطلاء (التغليف ممكن لبعض الأشكال ولكن قد لا يكون مناسبًا لأسطح الأدوات).
• عندما تكون مؤشرات التآكل ذات صلة (سبائك مقاومة للصدأ)، يتم استخدام PREN لمقارنة مقاومة التآكل:

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

هذه المؤشر غير قابل للتطبيق على فولاذ الأدوات المصمم أساسًا لمقاومة التآكل/الصلابة الحرارية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• التشغيل: X20CrMoV12-1 أصعب في التشغيل في الحالة المُعالجة بسبب الكربيدات المستقرة والصلابة الأعلى؛ في الحالة المُعالجة، يعمل مثل فولاذ عالي السبيكة ولكنه يتطلب أدوات جيدة وسوائل تبريد. قابلية تشغيل X12CrMo5 متوسطة وغالبًا ما تكون أفضل من فولاذ الأدوات عالي السبيكة، خاصة في الظروف الأكثر ليونة.
• التشكيل/الانحناء: X12CrMo5 في الحالة المُعالجة لديه قابلية تشكيل أفضل؛ X20CrMoV12-1 ليس مُخصصًا للتشكيل الشديد في الحالة المُعالجة وعادةً ما يتم العمل الساخن أو تشكيله إلى شكل قريب من النهائي قبل المعالجة الحرارية النهائية.
• إنهاء السطح: يمكن طحن كلاهما وإنهاؤه؛ غالبًا ما تحتاج فولاذات الأدوات إلى طحن متخصص للتعامل مع الكربيدات الصلبة؛ تتطلب الدرجات الشبيهة بالفولاذ المقاوم للصدأ اهتمامًا لتجنب صبغة الحرارة وللحفاظ على مقاومة التآكل.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر سبيكة الكروم المارتنسيتية عندما تكون مقاومة التآكل، وسهولة التصنيع، ومرونة/متانة أفضل هي الأولويات. - اختر فولاذ الأدوات Cr–Mo–V عندما يكون الطلب الأساسي هو مقاومة التآكل، الصلابة الحمراء، والثبات الأبعاد تحت التحميل الحراري/الميكانيكي الدوري.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: فولاذ الأدوات مثل X20CrMoV12-1 عادةً ما يكون أكثر تكلفة لكل كيلوغرام من الفولاذات المقاومة للصدأ المارتنسيتية بسبب محتوى السبيكة الأعلى (Mo، V) والمعالجة الأكثر تخصصًا. كما أن فولاذ الأدوات يتكبد تكاليف معالجة أعلى (المعالجة الحرارية، الطحن).
• التوافر: X12CrMo5 والدرجات المماثلة متاحة عادةً في أشكال القضبان، الألواح، والأنابيب من قبل الموزعين الأكبر؛ فولاذ الأدوات متاح ولكن غالبًا في أشكال منتجات أكثر محدودية (كتل الأدوات، كتل مطروقة، ألواح) وقد يتم صنعها حسب الطلب أو الحصول عليها من موردي فولاذ الأدوات المتخصصين.

10. الملخص والتوصية

التوصية: - اختر X12CrMo5 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مارتنسيت مقاوم للتآكل ومقاوم للحرارة مع تصنيع أكثر تسامحًا ومتانة أفضل بشكل عام للمكونات المعرضة للأكسدة أو البيئات عالية الحرارة القليلة التآكل، وعندما تكون اللحام أو التكلفة أولوية. - اختر X20CrMoV12-1 إذا كانت ظروف الخدمة تتطلب مقاومة عالية للتآكل، صلابة حمراء، وثبات أبعاد تحت الأحمال الحرارية والميكانيكية الدورية (أدوات العمل الساخن، إدخالات القوالب)، وحيث تكون تكاليف المواد والمعالجة الأعلى مبررة من خلال عمر الأداة والأداء.

ملاحظة نهائية: تتطلب كلا الدرجتين تحديد المتطلبات الكيميائية والميكانيكية الدقيقة من المعايير أو أوراق بيانات الموردين للتصميم، التصنيع، والشراء. استخدم شهادات المصنع وقم بإجراء تجارب لحام مسبقة التأهيل حيث تكون ظروف الخدمة صارمة.