إن 16MnCr5 عبارة عن فولاذ منخفض التصلب في حالة سبيكة منخفضة يوفر توازنًا ممتازًا بين السطح المقاوم للتآكل والقلب المطيل القوي بعد الكربنة والمعالجة الحرارية، مما يجعله مادة مفضلة للتروس والأعمدة وأعمدة الكامات والمكونات الأخرى المعرضة للإجهاد التلامسي والتآكل الانزلاقي. تنتج هذه الدرجة عادةً غلافًا خارجيًا صلبًا بسطح مارتينسيتي مقسّى وقلب مرن عند معالجته بشكل صحيح، مما يعطي عمر خدمة طويل في الأجزاء الميكانيكية المدفوعة أو المحملة.
ما هو 16MnCrS5؟
التركيب الكيميائي ودور كل عنصر
يرد أدناه نطاق التركيب الكيميائي الاسمي المستخدم في معظم المصانع الأوروبية لـ 16MnCr5 (EN 1.7131). تشكل هذه القيم الأساس لسلوكها أثناء المعالجة الحرارية والأداء بعد التخصيب السطحي بالكربون.
الجدول 1: التركيب الكيميائي النموذجي (النسبة المئوية للوزن)
| العنصر | النطاق النموذجي (wt%) | الدور المعدني الأساسي |
|---|---|---|
| ج (كربون) | 0.14 - 0.19 | مستوى الكربون الأساسي الذي يدعم الحالة القابلة للتصلب بعد الكربنة؛ يساعد انخفاض مستوى الكربون الأساسي على الاحتفاظ بالصلابة. |
| سي (سيليكون) | ≤ 0.40 | مزيل الأكسدة؛ تأثير ضئيل على القوة ومقاومة التقسية. |
| المنجنيز (Mn) | 1.00 - 1.30 | يحسّن من الصلابة وقوة الشد، ويساعد في تشكيل المارتينسيت في العلبة واللب. |
| ف (الفوسفور) | ≤ 0.025 | التحكم في المستوى المنخفض لتجنب التقصف وتحسين الصلابة. |
| S (كبريت) | ≤ 0.035 | تُحفظ منخفضة من أجل الصلابة؛ أما متغيرات التصنيع الحر المتحكم بها فستكون ذات تصنيف S أعلى وتسمية متغيرة. |
| الكروم (الكروم) | 0.80 - 1.10 | يزيد من الصلابة ويساهم في قوة القلب ومقاومة التآكل بالقرب من السطح. |
ملاحظات حول توازن السبيكة: يمنح مزيج المنغنيز/الكروم هذه الدرجة استجابة يمكن التنبؤ بها للكربنة والتصلب القلبي. يساعد الكروم على إنتاج قلب سليم وقوي بعد دورات التبريد والتلطيف بينما يساعد المنجنيز على تصلب الحالة. يتجنب المحتوى المنخفض من الكربون في الفولاذ الأساسي هشاشة اللب بعد عمليات درجات الحرارة العالية.
الخواص الميكانيكية: الحالة التي تم تسليمها وبعد المعالجة
تختلف الخواص الميكانيكية باختلاف حجم المقطع وحالة الطاحونة عند التسليم ودورة المعالجة الحرارية المحددة. توضح القيم الواردة أدناه الحدود المرصودة عادةً من أوراق بيانات المنتجين للقطع العادية أو الملدنة الناعمة والأجزاء المكربنة والمبردة والمخففة.
الجدول 2: الخواص الميكانيكية التمثيلية
| الحالة | قوة الشد Rm (ميجا باسكال) | مقاومة الخضوع Rp0.2 (ميجا باسكال) | الاستطالة أ (%) | الصلابة HB |
|---|---|---|---|---|
| ملدن ناعم (+A)، شريط صغير | ~550 تقريبًا (نموذجي) | ~420 | ≥21 | 170-230 HB 170-230 HB (حسب العلاج) |
| تطبيع | 600-800 (حسب القسم) | 350-600 | 10-20 | 200-300 هكتار |
| مكربن ومطفأ (حالة) | صلابة العلبة تصل إلى 58-62 HRC (علبة رقيقة) | الشد الأساسي 800-1100 ميجا باسكال نموذجي بعد التقسية للقوة المصممة | انخفاض الاستطالة الأساسية ولكنها مقبولة بالنسبة لوظيفة الجزء | صلابة العلبة مقاسة بال HRC بعد التشطيب. |
ملاحظة ممارسة مهمة: يجب أن يتضمن التحقق من الخصائص الميكانيكية للأجزاء المكربنة كلاً من ملامح صلابة السطح واختبارات صلابة القلب. إن اختبار الشد على قلب تمثيلي، واختبارات الصدم التشاربي للتطبيقات الديناميكية، وملامح الصلابة والعمق كلها اختبارات قبول شائعة في مواصفات الشراء.
ممارسة المعالجة الحرارية: الكربنة، والتبريد، والتبريد، والتلطيف، والبنية المجهرية
نظرة عامة على الهدف
تعمل الكربنة على تحويل الكيمياء القريبة من السطح عن طريق إثراء الكربون المدفوع بالانتشار، مما يعطي غلافًا صلبًا مقاومًا للتآكل مع قلب مطيل منخفض الكربون. تشتمل البنية المجهرية النهائية النموذجية بعد المعالجة المناسبة على المارتينسيت المقسّى في العلبة والمارتينسيت المقسّى أو البينيت في القلب اعتمادًا على العملية وسُمك المقطع.
نافذة العملية النموذجية والمعلمات
الجدول 3: بارامترات المعالجة الحرارية الشائعة ل 16MnCr5 المكربن
| المرحلة | درجة الحرارة (درجة مئوية) | الغرض / الملاحظات |
|---|---|---|
| التنظيف المسبق والفحص | المحيط إلى 200 | تحضير السطح؛ إزالة الترسبات الكلسية والملوثات |
| الكربنة (الغاز) | 880-980 | نطاق درجة الحرارة النموذجي لانتشار الكربون الفعال؛ يعتمد الوقت على عمق العلبة المطلوب. |
| المعادلة | 20-60 دقيقة | ضمان تشكيل حالة موحدة من خلال القسم قبل التبريد |
| التسقية (زيت أو بوليمر) | من درجة حرارة الكربنة | التبريد السريع لتشكيل المارتينسيت في العلبة؛ يؤثر اختيار مادة التسقية على التشويه والإجهاد المتبقي. |
| التقسية | 150-200 لصلابة السطح العالية؛ 150-560 عند تحسين الخصائص الأساسية | يساعد التقسية في درجات الحرارة المنخفضة على تخفيف الإجهادات وضبط صلابة السطح؛ وغالبًا ما تكون التقسية في القلب أعلى إذا كان يجب تحسين الليونة. |
نقاط التحكم في العمليات:
-
يجب التحكم في إمكانات الكربون في الفرن بشكل صارم لمنع الكربون الزائد في العلبة الذي قد يتسبب في احتباس الأوستينيت أو التشقق أثناء التبريد.
-
يؤثر اختيار التلطيف النهائي على صلابة السطح وعمر الكلال؛ يلزم وجود توازن للحفاظ على صلابة كافية للحالة مع مقاومة كسر الحالة. أظهرت الدراسات العلمية أن الجداول الزمنية للمعالجة الحرارية بعد الكربنة تؤثر على صلابة القلب ومحتوى الأوستينيت المحتفظ به واستقرار البنية المجهرية الكلية.
تفاصيل البنية المجهرية
-
القضية: عادةً ما يكون المارتينسيت المقسّى مع الكربيدات في حالة حدوث كربنة شديدة أو تقسية غير مناسبة. البنية المجهرية المرغوبة هي الأوستينيت المحتفظ به المنخفض بالإضافة إلى المارتينسيت المقسى بدقة والذي ينتج صلابة الحالة مع مقاومة الكسر الهش.
-
اللب: ينتج محتوى الكربون المنخفض قلب مطيل. بعد التبريد والتلطيف، تعتمد صلابة اللب وقوته على شدة التبريد ودرجة حرارة التبريد؛ وتقع أهداف الشد النموذجية لللب في نطاق 800-1100 ميجا باسكال للعديد من الأجزاء المصممة هندسيًا.
التشويه، وطرق التحكم، وإدارة الإجهاد المتبقي
يجب أن يكون التحكم في التشويه جزءًا من خطة الإنتاج للأجزاء ذات الأبعاد الحرجة. وتشمل تقنيات التخفيف الشائعة ما يلي:
-
استخدام دورات التقسية التي تخفف من إجهادات التبريد
-
اختيار مواد التبريد البوليمرية لتقليل الشدة مقارنة بالزيت
-
تطبيق معالجات دون الصفر فقط عند الحاجة إلى تقليل الأوستينيت المحتفظ به
-
تصميم التجهيزات التي تسمح بالتبريد المنتظم والحد الأدنى من الانحناء
يجب أن يوثق المصنعون وسائط التبريد، والتقليب، واتجاه الجزء، وتفاصيل التركيبات لضمان هندسة قابلة للتكرار بعد المعالجة الحرارية.
قابلية التصنيع الآلي والتشكيل والربط
قابلية التصنيع
-
في حالة التلدين، يمكن تصنيع 16MnCr5 بسهولة باستخدام الأدوات التقليدية. ويمكن تحسين قابلية التشغيل الآلي من خلال المعالجة M (وهي نوع من السبائك الدقيقة/المعالجة التي تحسن التحكم في البُرادة) لمخزون القضبان الموردة للإنتاج بكميات كبيرة.
-
بعد الكربنة والتصلب، تقتصر المعالجة النهائية عادةً على الطحن، والخراطة باستخدام إدخالات الكربيد على القلب غير المصلد، والطحن النهائي للعلبة إذا كانت هناك حاجة إلى هندسة ضيقة.
التشكيل على البارد والتشكيل على الساخن
-
التشكيل على الساخن شائع قبل المعالجة الحرارية النهائية للمكونات الأكبر حجمًا. وتبدأ درجات حرارة التشكيل الموصى بها عادةً فوق 1100 درجة مئوية مع تبريد مضبوط لتجنب النمو المفرط للحبيبات. يحسن التطبيع بعد الشغل الساخن من صقل البنية المجهرية قبل المعالجة النهائية.
قابلية اللحام والربط
-
لحام الفولاذ 16MnCr5 في حالة تسليم الكربون المنخفض ممكن مع معادن الحشو المناسبة وإجراءات التسخين المسبق/ما بعد التسخين، ولكن يجب توخي الحذر لأن الفولاذ الكربوني مصمم لإثراء السطح وليس لإصلاح اللحام الثقيل. استخدم أسلاك حشو مطابقة أو أعلى قليلاً من السبائك، وقم بالتسخين المسبق لتجنب التشقق الهيدروجيني، وقم بتلطيف منطقة اللحام لاستعادة الصلابة. عادةً ما يتم تجنب اللحام على المكونات المكربنة إذا كان ذلك ممكنًا لأنه يلغي فوائد الحالة السطحية ويدخل تليينًا أو تشويهًا محليًا.
التطبيقات النموذجية وإرشادات التصميم
المكونات النموذجية المصنعة من 16MnCr5
-
التروس المحفزة والحلزونية لناقل الحركة
-
الأعمدة والتروس المعرضة لإجهاد التلامس المتداول
-
أعمدة الكامات وقضبان المكبس للتطبيقات متوسطة الاستخدام
-
أكمام المحامل، وفراغات التروس، وأعمدة الدوران المحزومة التي تتطلب علبة صلبة وقلب مطيل.
اعتبارات التصميم
-
اختيار عمق الحالة: يجب اختيار عمق العلبة لتحمل إجهاد التلامس في التطبيق، مع الأخذ في الاعتبار خسارة التصنيع المتوقعة من الطحن. وتتراوح أعماق العلبة القياسية من 0.5 مم للاستخدامات الخفيفة إلى عدة ملليمترات لتطبيقات التروس الثقيلة.
-
القوة الأساسية والليونة: يجب أن تضمن أهداف الصلابة الأساسية صلابة كافية لأحمال الصدمات. تحدد المواصفات النموذجية للمشتريات كلاً من الصلابة عبر عمق العلبة والحد الأدنى لقيمة الشد أو الصلابة الأساسية بالقرب من خط الوسط.
-
تشطيب السطح: بعد الكربنة، غالبًا ما يكون الطحن ضروريًا للتفاوتات الضيقة. يجب أن تتجنب معلمات الطحن تلطيف العلبة أو إحداث تلف حراري.
-
معالجات السطح: يمكن أن تؤدي الكربنة بالنيتروكربنة والنيتروكربنة بالخردق وأنظمة الطلاء إلى زيادة عمر الإجهاد بما يتجاوز ما يتحقق بالكربنة وحدها.
أنماط الفشل الشائعة والوقاية منها
-
تنقر السطح/إجهاد التلامس السطحي: يساعد التحكم في صلابة السطح والإجهاد المتبقي الانضغاطي؛ ويساعد التقشير بالخردق والتحكم في صلابة العلبة على تقليل المخاطر.
-
تكسير الحالات: ناتج عن الكربون الزائد، أو التبريد السريع، أو التقسية غير الكافية؛ تجنب ذلك من خلال التحكم في إمكانات الكربون في الفرن، وشدة التبريد، والتقسية المناسبة.
-
الكسر الهشّ الأساسي: يمكن الوقاية منه من خلال كيمياء القاعدة الصحيحة، والبنية المجهرية الطبيعية، ودورات التقسية المختارة بعناية.
المعايير والتسمية والمعادلات الدولية
المعايير المرجعية الأساسية
-
إن 16MnCr5 مشمول بمواصفات المواد الأوروبية مثل EN 10084 (التاريخية) وسلسلة DIN EN ISO 683 للفولاذ المقوى بالعلبة. تشير أوراق بيانات البائعين ومعلومات المنتج الشريطي عادةً إلى مجموعة DIN EN ISO 683-3 أو مجموعة ISO 683 لشروط التسليم الفنية.
المعادلات المشتركة والمراجع التبادلية
الجدول 4: المعادلات الدولية الشائعة
| التعيين EN | معرف الرقم الصلب | SAE / AISI | مراجع أخرى |
|---|---|---|---|
| 16منCr5 | 1.7131 | SAE 5115 (شائع الاستشهاد به) | 17MnCr5 (قريب)، عائلة 20MnCr5 (متغير) |
ضع في اعتبارك أن الاختلافات الطفيفة في الكيمياء أو المعالجة بين مقدمي الخدمات يمكن أن تغير من قابلية التقسية أو قابلية التشغيل الآلي أو الملاءمة لعمليات محددة. حدد دائمًا المعيار الدقيق وحالة التسليم وأي معالجات إضافية في طلبات الشراء.
مراقبة الجودة وطرق الفحص ومعايير القبول
اختبارات القبول الموصى بها للأجزاء الحرجة:
-
التحليل الكيميائي: فحص مطيافي لتأكيد نطاقات السبائك.
-
مواصفات الصلابة: اختبارات صلابة الحفر السطحي والمتدرج للتحقق من عمق العلبة وصلابة اللب. غالبًا ما يُستخدم اجتياز الصلادة الدقيقة للتشكيل الجانبي من السطح إلى اللب.
-
اختبار البنية المجهرية: الفحص الميتالوغرافي للمعادن في العلبة والانتقال واللب لتأكيد البنية المجهرية المارتنسيتية أو المخففة وتحديد الكربيدات غير المرغوب فيها أو الأوستينيت المحتجز.
-
الاختبارات الميكانيكية: اختبارات الشد على القسائم التمثيلية، واختبارات الصدمات الأساسية (Charpy V-notch) لتطبيقات التحميل الديناميكي، واختبارات التعب عند الحاجة.
-
الاختبارات غير المتلفة: الفحص بالجسيمات المغناطيسية للعيوب الخارقة للسطح، والفحص بالموجات فوق الصوتية للعيوب تحت السطحية في المقاطع الأكبر.
يجب أن تتضمن الوثائق سجلات إمكانات الكربون في الفرن، ووسائط التبريد ودرجات الحرارة، وسجلات درجات الحرارة، وسجلات المزاج، وتقارير مراقبة الأبعاد التي توضح التفاوتات المسموح بها قبل وبعد المعالجة.
المشورة بشأن المشتريات وسلسلة التوريد للمحددين
-
حدد دائماً تعيين الدرجة + المعيار المطلوب + شرط التسليم. على سبيل المثال: "16MnCr5، EN 1.7131، قضبان معدنية، مخزون قضبان معدنية، مع كيمياء تتوافق مع حدود EN ومعالجة M اختيارية."
-
طلب بروتوكول المعالجة الحرارية الخاص بالشركة المصنعة عندما يتم توريد الأجزاء المعالجة بالحرارة كمكونات تامة الصنع. تضمين اختبارات قبول مفصلة في طلب الشراء.
-
بالنسبة للبرامج ذات الحجم الكبير أو البرامج ذات الأهمية الحرجة للسلامة، ضع في اعتبارك عمليات تدقيق الموردين لمراجعة طرق التحكم في الأفران وتكييف حمام التبريد وإمكانية تتبع الدفعات.
-
عندما تكون قابلية التبادل مع الموردين الآخرين مهمة، قم بتضمين جدول تكافؤ متفق عليه في العقد، واشترط الحصول على شهادة بالسمات الحرجة مثل عمق العلبة، والأوستينيت المحتفظ به %، وقوة الشد الأساسية.
الجداول الموجزة
الجدول 5: لمحة سريعة عن مرجع سريع
| الموضوع | النقطة الأساسية |
|---|---|
| كيمياء القاعدة | سبيكة منخفضة الكربون والكروم والمنغنيز؛ تدعم الكربنة. |
| الاستخدام الرئيسي | التروس، والأعمدة، والمحاور، والمكونات التي تتطلب علبة صلبة وقلباً قوياً. |
| صلابة الحالة النموذجية | ما يصل إلى 58-62 HRC للحالات الرقيقة؛ ويختلف باختلاف العملية. |
| القوة الأساسية المستهدفة | 800-1100 ميجا باسكال بعد التقسية للعديد من التصميمات. |
| المعايير | عائلة EN / DIN / ISO للفولاذ المتصلب حسب الحالة؛ مراجع EN 10084. |
الأسئلة الشائعة
-
ماذا يعني 16MnCr5 ومن أين تأتي التسمية؟
ويشير الرقم 16 إلى فئة الكربون الاسمية ويشير MnCr إلى سبائك المنجنيز والكروم. اللاحقة 5 هي اصطلاح قديم من التسميات المشتقة من DIN؛ والرقم القياسي الأوروبي الكامل هو EN 1.7131. -
هل يمكن تقسية 16MnCr5 بالتحريض بدلاً من الكربنة؟
التصلب التعريفي للسطح ممكن بالنسبة لبعض الأشكال الهندسية، ولكن عمق الحالة الحقيقي من الكربنة يكون أعمق وأكثر اتساقًا بالنسبة لأسنان التروس المعقدة. يناسب التصلب التعريفي مهام التصلب السطحي الموضعي. -
ما هو عمق العلبة الذي يجب تحديده للتروس؟
يعتمد اختيار عمق العلبة على وحدة التروس وطيف الحمل والعمر المتوقع. وتتراوح القيم النموذجية من 0.6 مم لتروس الخدمة الخفيفة إلى 3 مم أو أكثر لتروس ناقل الحركة للخدمة الشاقة؛ تحديد بدل الطحن. يجب أن توجه معايير التصميم الهندسي أو حسابات إجهاد التلامس الاختيار الدقيق. -
كيف يتم قياس صلابة القلب بعد الكربنة؟
غالبًا ما يتم تقييم صلابة اللب عن طريق اختبار الشق على شكل حرف V من Charpy باستخدام عينات من اللب أو عن طريق اختبار الشد للمواد الأساسية التمثيلية؛ قد يوفر الموردون أيضًا صلابة بالقرب من خط الوسط كبديل. -
هل 16MnCr5 مناسب للتركيبات الملحومة؟
اللحام ممكن مع التسخين المسبق والمعالجة الحرارية المناسبة بعد اللحام، ولكن المناطق الملحومة لن تحتفظ بخصائص السطح المكربن الأصلي. بالنسبة للأجزاء الحرجة، تجنب اللحام بعد التصلب النهائي للحالة. -
ما هو وسيط الإخماد الموصى به للتحكم في التشويه؟
تُعد مواد التبريد بالبوليمر أو التبريد بالزيت الذي يتم التحكم فيه بعناية مع التقليب من الخيارات الشائعة. يمكن أن يقلل التبريد بالبوليمر من التشويه مع الحفاظ على صلابة كافية في العديد من إعدادات الإنتاج. -
كيفية التحقق من الأوستينيت المحتجز في العلبة؟
تُحدد تقنيات حيود الأشعة السينية أو تقنيات التشبع المغناطيسي كمية الأوستينيت المحتجز. لا يمكن أن تكشف اختبارات الصلادة الدقيقة وحدها عن محتوى الأوستينيت المحتجز بشكل موثوق. -
هل توجد أنواع مختلفة من 16MnCr5 ذات قابلية أعلى للتشغيل الآلي؟
نعم، توفر بعض المطاحن درجة القضبان المعالجة M أو متغيرات محتوى الكبريت المعدلة للمساعدة في التحكم في البُرادة وغالبًا ما يُشار إليها بحرف S في الدرجة (16MnCrS5) أو الأسماء التجارية الخاصة بالبائع. -
ما الطلاء السطحي الموصى به قبل الكربنة؟
يلزم وجود سطح نظيف وخالٍ من القشور. يضمن الطحن أو السفع بالخردق متبوعًا بإزالة الشحوم الكربنة بشكل موحد. يجب أن تكون خشونة السطح متسقة عبر الأجزاء في الدفعة الواحدة. -
ما هي المعايير التي يجب الإشارة إليها في أمر الشراء؟
اذكر معيار EN/DIN/ISO ذا الصلة (على سبيل المثال EN 10084 أو سلسلة DIN EN ISO 683)، والدرجة الدقيقة (16MnCr5 / 1.7131)، وحالة التسليم المطلوبة، واختبارات القبول لكل من الكيمياء والمعالجة الحرارية.
أمثلة عملية وملاحظات حالة عملية
-
ترس علبة التروس للمخفض الصناعي: حدد عمق العلبة المكربنة 1.0-1.5 مم، وصلابة العلبة 60 HRC كحد أقصى عند السطح، وصلابة القلب ≤ 300 HB، مع ملف صلابة العمق المقدم من البائع وطاقة قلب شاربي على شكل حرف V ≥ القيمة المحددة عند درجة حرارة التشغيل. يجب أن يقدم المورد سجلات كاملة للمعالجة الحرارية.
-
عمود مع شظايا: بالنسبة لعمر إجهاد الخيط، حدد الحد الأدنى من الشد أو الخضوع الأساسي، واطلب بدل طحن قبل الكربنة لضمان توافق الهندسة النهائية مع التفاوت المسموح به. ضع في اعتبارك استخدام النيترة فقط عند الحاجة إلى أسطح ضحلة شديدة الصلابة دون عمق حالة ثقيل.
مصفوفة الاختبار الموصى بها للقبول
-
تقرير التحليل الكيميائي لكل حرارة
-
مواصفات الصلابة: صلابة السطح (HRC) وصلابة القلب المتدرجة (HB)
-
صور البنية المجهرية للعلبة والانتقال واللب (محفورة)
-
شق شاربي على شكل حرف V على المواد الأساسية للتطبيقات الديناميكية
-
التحقق من الأبعاد قبل المعالجة الحرارية وبعدها مع التجهيزات والتوجيهات الموثقة
-
NDT: الجسيمات المغناطيسية للشقوق السطحية، والموجات فوق الصوتية للعيوب الكبيرة تحت السطح
إرشادات ختامية لكتاب المواصفات
عند كتابة مواصفات لقطع 16MnCr5، قم بتضمين:
-
الرتبة الدقيقة والمرجع القياسي (16MnCr5 / EN 1.7131، الإشارة إلى رقم وثيقة EN/DIN/ISO)
-
حالة التسليم (التلدين الناعم، أو التطبيع، أو الكربنة النهائية والمصلدة)
-
عمق العلبة المطلوب وملامح الصلابة مع طريقة القياس (اختبار درجة الصلابة الدقيقة أو عمق العلبة إلى صلابة محددة)
-
الأهداف الميكانيكية الأساسية ومتطلبات الصلابة
-
بدل اللحام والمعالجة الحرارية بعد اللحام في حالة السماح بالإصلاحات
-
متطلبات التتبع، واختبارات القبول، والتخلص من عدم المطابقة
AR 
EN 
JA 
KO 
DE 
IT 
ES