الدرفلة: العملية الأساسية لتشكيل المعادن في إنتاج الصلب

التعريف والمفهوم الأساسي

اللف هو عملية تشكيل المعادن حيث يتم تمرير المادة المعدنية من خلال زوج أو أكثر من الأسطوانات لتقليل السماكة، وجعل السماكة موحدة، و/أو لإعطاء خصائص ميكانيكية مرغوبة. يمثل هذا أحد أكثر العمليات الأساسية والمستخدمة على نطاق واسع في صناعة الصلب، حيث تمثل حوالي 90٪ من جميع المنتجات المعدنية المصنعة.

يحول اللف التركيب المجهري المصبوب الأولي للصلب إلى هيكل مشغول مع خصائص ميكانيكية محسنة. تؤدي العملية إلى تشوه بلاستيكي يكسر الهيكل الشجيري المصبوب ويخلق بنية حبيبية أكثر دقة واتجاهية.

في مجال التعدين الأوسع، يحتل اللف موقعًا مركزيًا كطريقة رئيسية لعمل المعادن تربط بين صناعة الصلب وتصنيع المنتجات النهائية. إنه يعد وسيلة لتشكيل الصلب وعملية حاسمة للتحكم في هيكله المجهري وخصائصه من خلال معالجة التشوه.

الطبيعة الفيزيائية والأسس النظرية

الآلية الفيزيائية

على المستوى المجهري، يُحدث اللف تشوهًا بلاستيكيًا من خلال حركة الانزلاق ضمن الشبكة البلورية للصلب. بينما تمر المادة بين الأسطوانات، تتجاوز الضغوط الانضغاطية قوة الخضوع، مما يؤدي إلى تكاثر حركة الانزلاق على مستويات الانزلاق.

تؤدي هذه العملية إلى إطالة الحبيبات في اتجاه اللف وتنقية الحبيبات من خلال إعادة التبلور عندما يتم تنفيذها عند درجات حرارة مرتفعة. تؤدي حركة وتفاعل الانزلاق إلى تصلب العمل في اللف البارد أو الشفاء الديناميكي وإعادة التبلور في اللف الساخن.

تسبب الشد المطبق في تطوير أنسجة بلورية، حيث يتم محاذاة بعض الاتجاهات البلورية تفضيليًا بالنسبة لاتجاه اللف. تؤثر هذه الأنسجة بشكل كبير على الأنيسوتروبية الميكانيكية للمنتج المدلفن.

النماذج النظرية

تمثل طريقة الصفيحة النموذج النظري الرئيسي لتحليل عمليات اللف، والذي طوره فون كارمان في أوائل القرن العشرين. تعالج هذه الطريقة منطقة التشوه كحقل مستمر وتطبق مبادئ توازن القوة لتوقع قوى اللف ومتطلبات الطاقة.

تطورت الفهم التاريخي من الملاحظات التجريبية إلى نماذج حسابية متطورة. أسست الأعمال المبكرة لكل من سيبل وأوروان علاقات أساسية بين قوة الأسطوانة، ومArea التلامس، ومعامل إجهاد المادة.

تشمل الأساليب الحديثة نمذجة العنصر المنتهي (FEM)، التي تأخذ في الاعتبار التشوه المرن للأسطوانات (تسطح الأسطوانة)، وتدرجات الحرارة، وتطور التركيب المجهري. توفر طرق الحدود العليا حلولاً تحليلية لأنماط التشوه الأكثر تعقيدًا، في حين تربط نماذج بلاستيكية البلورات التشوه الماكروسكوبي بآليات الانزلاق البلورية.

أسس علوم المواد

يؤثر اللف مباشرة على التركيب البلوري من خلال إطالة الحبيبات في اتجاه اللف وضغطها في الاتجاه العمودي. عند حدود الحبيبات، يخلق التشوه مناطق عالية الطاقة يمكن أن تعمل كمواقع نواة لإعادة التبلور خلال التلدين اللاحق.

تعتمد تطورات التركيب المجهري خلال اللف على درجة الحرارة، والشد، ومعدل الشد. ينتج اللف الساخن (فوق درجة حرارة إعادة التبلور) إعادة تبلور ديناميكية واسترداد، بينما ينتج اللف البارد طاقة مخزنة من خلال تصلب العمل دون إعادة تبلور فورية.

يرتبط اللف بمبادئ علوم المواد الأساسية للتشوه البلاستيكي، تصلب العمل، الاسترداد، إعادة التبلور، ونمو الحبيبات. تمثل العملية مثالًا على كيفية أن التشوه المنضبط يمكن أن يوجه التركيب المجهري لتحقيق خصائص ميكانيكية مرغوبة.

التعبير الرياضي وطرق الحساب

معادلة التعريف الأساسية

المعلمة الأساسية في اللف هي السحب، معرفة كالتقليل في السماكة:

$$d = h_0 - h_f$$

حيث:
- $d$ = السحب المطلق (مم)
- $h_0$ = السماكة الأولية (مم)
- $h_f$ = السماكة النهائية (مم)

النسبة المئوية للتقليل تعطى بـ:

$$r = \frac{h_0 - h_f}{h_0} \times 100\%$$

معادلات الحساب ذات الصلة

يمكن حساب قوة الأسطوانة باستخدام:

$$F = w \cdot L \cdot \bar{p}$$

حيث:
- $F$ = قوة اللف (ن)
- $w$ = عرض الشريط (مم)
- $L$ = الطول المتوقع للتلامس (مم)
- $\bar{p}$ = الضغط المتوسط (ميغاباسكال)

يتم تقريبه طول الطول المتوقع للتلامس بـ:

$$L \approx \sqrt{R \cdot (h_0 - h_f)}$$

حيث $R$ هو نصف قطر الأسطوانة (مم).

يتم حساب العزم لكل أسطوانة كالتالي:

$$T = F \cdot a$$

حيث $a$ هو ذراع الرافعة (مم)، وعادة ما يُقرب إلى $L/2$.

الظروف القابلة للتطبيق والقيود

تفترض هذه المعادلات وجود أسطوانات صلبة وتشوه متجانس، والذي يصبح أقل دقة مع حدوث تشوهات كبيرة للأسطوانة أو عند اللف على مواد ذات مقاومة عالية.

طريقة الصفيحة صالحة لنسبة العرض إلى السماكة أكبر من 10، حيث تسيطر ظروف تشوه المستوى. بالنسبة للشرائط الأضيق، تصبح تأثيرات الحواف مهمة وتكون النماذج ثلاثية الأبعاد مطلوبة.

تفترض هذه النماذج ظروفً ا حرارية متساوية، وهو ما يكون نادرًا في عمليات اللف الصناعية حيث توجد تدرجات حرارة عبر السماكة وعلى طول اتجاه اللف.

طرق القياس والتوصيف

مواصفات الاختبار القياسية

ASTM A1030: الممارسة القياسية لقياس خصائص الاستواء لمنتجات صفائح الصلب.

ISO 9517: المواد المعدنية - الصفائح والشريط - تحديد معامل التشوه البلاستيكي.

ASTM E517: طريقة الاختبار القياسية لمعامل التشوه البلاستيكي r لصفائح المعادن.

ASTM E8/E8M: طرق الاختبار القياسية لاختبار الشد للمواد المعدنية، المستخدمة لتقييم الخصائص بعد اللف.

معدات ومبادئ الاختبار

تتراوح مصانع اللف من مقياس مختبري (عادة تكوين مرتفع مزدوج) إلى مصانع صناعية متعددة الوقوف. تقيس المصانع المؤتمتة قوة اللف، والعزم، والسرعة باستخدام خلايا الحمل، وعدادات العزم، والمشفرات.

تراقب أجهزة قياس السمك البصرية والمعتمدة على الليزر باستمرار السماكة خلال اللف. تستخدم هذه الأنظمة مبادئ نقل الضوء، والانعكاس، أو الأبعاد لعدم دقيقة تصل إلى ±1 ميكرومتر.

يستخدم التوصيف المتقدم تقنية حيود الإلكترون للخلف (EBSD) لتحليل النسيج البلوري وتقنية حيود الأشعة السينية لقياس الضغوط المتبقية التي تسببها عملية اللف.

متطلبات العينة

عادةً ما تتبع العينات القياسية لتقييم المنتجات المدلفنة الأبعاد المحددة في ASTM E8/E8M، مع أطوال قياس 50 مم وعرض 12.5 مم للمواد الصفائحية.

يتطلب إعداد السطح لتحليل التركيب المجهري الطحن، والتلميع إلى لمسة مرآة، والنقش مع الكواشف المناسبة (مثل 2-5% نيتال للصلب الكربوني).

يجب أخذ العينات في اتجاهات متعددة (اتجاه اللف، الاتجاه العرضي، وزاوية 45 درجة اتجاه اللف) لوصف الأنيسوتروبية التي تسببها عملية اللف.

معلمات الاختبار

عادةً ما يتم الاختبار في درجة حرارة الغرفة (23 ± 5 درجة مئوية) ما لم تكن الخصائص ذات درجة الحرارة العالية قيد التقييم أو لمحاكاة ظروف الخدمة.

تتراوح معدلات التشوه لاختبار الشد للمنتجات المدلفنة عادة من 10^-3 إلى 10^-4 ثانية^-1 وفقًا لـ ASTM E8/E8M.

تشمل معلمات عملية اللف سرعة الأسطوانة (0.5-20 م/ث)، والانخفاض لكل تمريرة (عادةً ما تكون 10-30% للضغط الساخن و5-15% للضغط البارد)، ودرجة حرارة اللف (1000-1250 درجة مئوية للضغط الساخن للصلب الكربوني).

معالجة البيانات

تُجمع بيانات القوة والتحرك من خلال أنظمة النقل الرقمية بمعدلات أخذ عينات تتراوح من 10-100 هرتز خلال عمليات اللف المختبرية.

تشمل التحليلات الإحصائية عادةً حساب المتوسطات والانحرافات المعيارية من عدة عينات، مع حد أدنى من ثلاث عينات لكل حالة.

تتم معالجة بيانات النسيج من EBSD أو حيود الأشعة السينية باستخدام دوال توزيع الاتجاه (ODFs) لتحديد الاتجاهات البلورية المفضلة الناتجة عن عملية اللف.

نطاقات القيم النموذجية

تصنيف الصلب	التقليل النموذجي لكل تمريرة	درجة حرارة اللف	المعيار المرجعي
صلب منخفض الكربون	20-30% (ساخن)، 5-15% (بارد)	850-1150 درجة مئوية (ساخن)، 20-100 درجة مئوية (بارد)	ASTM A1011
صلب عالي القوة منخفض السبيكة	15-25% (ساخن)، 3-10% (بارد)	900-1200 درجة مئوية (ساخن)، 20-100 درجة مئوية (بارد)	ASTM A1018
صلب مقاوم للصدأ	10-20% (ساخن)، 2-8% (بارد)	1050-1250 درجة مئوية (ساخن)، 20-100 درجة مئوية (بارد)	ASTM A480
صلب الأدوات	5-15% (ساخن)، 1-5% (بارد)	1000-1200 درجة مئوية (ساخن)، 20-150 درجة مئوية (بارد)	ASTM A681

تعتمد variations within كل تصنيف إلى حد كبير على محتوى الكربون والعناصر السبيكية، مما يؤثر على إجهاد التدفق وسلوك إعادة التبلور.

توجه هذه القيم ضبط المصنع، ولكن يجب تعديلها بناءً على التركيب السبيكي المحدد، والخصائص النهائية المرغوبة، وقدرات المصنع. بشكل عام، تتطلب الفولات العالية مخفضات أقل في كل تمريرة بسبب مقاومة التشوه الأعلى.

يوجد اتجاه واضح حيث أن زيادة محتوى السبيكة تتطلب درجات حرارة لف أعلى وتقليل أقل لكل تمريرة لتحقيق نفس مستوى التشوه دون تكسر أو تآكل مفرط للأسطوانة.

تحليل التطبيق الهندسي

اعتبارات التصميم

يجب على المهندسين أخذ الخصائص الاتجاهية (الأنيسوتروبية) في المنتجات المدلفنة بعين الاعتبار عند تصميم المكونات. يظهر اتجاه اللف عادةً قوة أعلى ومرونة أقل مقارنةً بالاتجاه العمودي.

تتراوح عوامل الأمان للمنتجات المدلفنة عادة بين 1.5 إلى 2.5، حيث يتم تطبيق قيم أعلى عندما يكون اتجاه التحميل عموديًا على اتجاه اللف أو عندما تكون الخصائص عبر السماكة حرجة.

تفضل قرارات اختيار المواد عادةً المنتجات المدلفنة بتطوير النسيج المناسب للعملية الشكلية المحددة، مثل السحب العميق (قيمة r عالية) أو عمليات التمدد (الأنيسوتروبية المستوية المتوازنة).

مجالات التطبيق الرئيسية

تتطلب الألواح الخارجية للسيارات جداول لف مضبوطة بدقة لتحقيق قابلية تشكيل مثالية مع الحفاظ على القوة. تستخدم الصلب عالي القوة استراتيجيات لف وتبريد مصممة بعناية لتطوير هياكل مجهرية متعددة الطور.

يتطلب الصلب الهيكلي للبناء خصائص عبر السماكة ثابتة يتم الوصول إليها من خلال ممارسات اللف المضبوطة التي تنقي حجم الحبيبات وتقلل من فصل الخط المركزي.

تستخدم الصلب الأنابيب اللف المضبوط متبوعًا بالتبريد المعجل لتطوير هياكل مجهرية ذات حبيبات ناعمة تتمتع بتركيبات ممتازة من القوة والمتانة وقابلية اللحام لبيئات التشغيل القاسية.

المقايضات في الأداء

تشكل القوة وقابلية التشكيل مقايضة أساسية في المنتجات المدلفنة. يزيد اللف البارد من القوة من خلال تصلب العمل ولكنه يقلل من قابلية التشكيل، مما يتطلب علاجات تلدين لاحقة للعديد من التطبيقات.

غالبًا ما تتنافس جودة تشطيب السطح مع الإنتاجية، حيث يمكن أن تؤدي السرعات العالية إلى عيوب سطحية بينما تقلل السرعات الأبطأ من إنتاج المصنع. تعتبر هذه الموازنة خاصة حرجة في التطبيقات الخارجية للسيارات.

يجب على المهندسين موازنة تنقيح الحبيبات (للقوة) مقابل تطوير النسيج (لقابلية التشكيل) من خلال تحسين جداول تقليل اللف ودرجات الحرارة، خاصة في الفولاذ عالي القوة المتقدمة.

تحليل الفشل

يمثل التصدع عند الحافة وضعية فشل شائعة أثناء اللف، الناجمة عن الضغوط الشدية عند حواف الشريط التي تتجاوز مرونة المادة. وعادة ما ينتج هذا عن تخفيض مفرط في كل تمريرة أو تكييف غير صحيح للحافة للمادة المستوردة.

يحدث التصدع المركزي عندما تتحرك وسط الشريط بشكل أسرع من السطح، مما يخلق قص داخلي يؤدي إلى انقسام طولي. يتعلق هذا الآلية بظروف الاحتكاك والتشوه غير المتجانس عبر السماكة.

يمكن التخفيف من هذه الإخفاقات من خلال تقليم الحواف الصحيح قبل اللف، وجداول التخفيض المتدرجة، والحفاظ على ظروف تزييت مناسبة بين الأسطوانة وقطعة العمل.

العوامل المؤثرة وطرق التحكم

تأثير التكوين الكيميائي

يؤثر محتوى الكربون بشكل كبير على سلوك اللف، حيث يزيد كل زيادة بنسبة 0.1% مستوى إجهاد التدفق بنحو 35-40 ميغاباسكال، مما يتطلب قوى لف أعلى ويحد من التخفيضات الممكنة.

يمكن أن تتجمع العناصر النادرة مثل الفسفور والكبريت في حدود الحبيبات، مما يقلل من قابلية الذوبان الساخن ويزيد من خطر التصدع الجانبي أثناء اللف، خاصة فوق تركيز 0.025%.

يتم إضافة العناصر الدقيقة (Nb, Ti, V) استراتيجيً ا بنسبة 0.02-0.1% للسيطرة على إعادة التبلور خلال اللف الساخن، مما يمكّن تنقية الحبيبات من خلال تثبيت الحدود الحبيبية.

تأثير التركيب المجهري

تقلل أحجام الحبيبات الأولية الدقيقة من القوة المطلوبة لللف ولكن قد تسارع من إعادة التبلور بين تمريرات اللف، مما قد يحد من التأثير النهائي للتقوية.

يؤثر توزيع الطور بشكل كبير على سلوك اللف، حيث تتطلب الفولاذات الثنائية الطور التحكم الدقيق في درجة الحرارة للحفاظ على التوازن المطلوب من الفريت والمارتنزيت خلال اللف الساخن.

تعمل الشوائب غير المعدنية كموصلات للضغط أثناء اللف، مما قد يؤدي إلى تكوين تشققات عندما تتجاوز حجمها الأبعاد الحرجة (عادةً >100 ميكرومتر للكبريت و>20 ميكرومتر للأكسيدات).

تأثير المعالجة

يمكن أن يؤدي المعالجة الحرارية قبل اللف إلى توحيد التركيب المجهري وإذابة الرواسب، مما يقلل من متطلبات القوة لللف بنسبة 10-15% ويحسن من تجانس التشوه.

ينتج اللف المتحكم فيه، حيث يحدث التشوه تحت درجة حرارة إعادة التبلور، حبيبات أوستنيت منبسطه تتحول إلى فريت ناعم عند التبريد، مما يزيد من القوة بنسبة 20-30% مقارنةً باللف التقليدي.

تؤثر معدلات التبريد بعد اللف الساخن بشكل حاسم على الخصائص النهائية، حيث يعزز التبريد المعجل (>10 درجة مئوية/ثانية) منتجات التحويل الدقيقة بينما يسمح التبريد البطيء (<1 درجة مئوية/ثانية) بتكوين الرواسب ونمو الحبيبات.

العوامل البيئية

يمكن أن تسبب التغيرات في درجات الحرارة عبر عرض المنتجات المدلفنة أو عبر السماكة تشوهًا مختلفًا، مما يؤدي إلى عيوب استواء مثل حواف متموجة أو انحناءات مركزية.

يمكن لبيئات الرطوبة العالية أن تعجل من التبريد أثناء اللف الساخن من خلال تحسين انتقال الحرارة التبخيري، مما قد يؤدي إلى إنشاء تدرجات غير مقصودة في التركيب المجهري إذا لم يتم التحكم فيها بشكل صحيح.

يزداد تكوين أكسيد السطح أثناء اللف الساخن مع ارتفاع درجة الحرارة وضغط الأكسجين الجزئي، مما يؤثر على جودة السطح وتآكل الأسطوانة. عادةً ما ينمو سمك الأكسيد بمعدل 0.1-0.5 ميليمتر/دقيقة عند درجات حرارة فوق 1000 درجة مئوية.

طرق التحسين

يجمع المعالجة الحرارية الميكانيكية المضبوطة (TMCP) بين التحكم الدقيق في درجة الحرارة مع جداول التخفيض المحددة لللف لتحسين حجم الحبيبات إلى 5-10 ميكرومتر، مما يزيد من القوة والمتانة بنسبة 30-50% مقارنةً بعمليات اللف التقليدية.

يمكن أن يقلل تحسين التزييت من قوى اللف بنسبة 15-30% مع تحسين جودة التشطيب السطحي. تعتبر المستحلبات الزيتية في الماء (تركيز 3-10%) شائعة في اللف البارد، بينما يستخدم اللف الساخن عادةً الماء وحده للتبريد وإزالة السطح الواقي.

تعوض أنظمة انحناء ورق العمل وتبديلها عن التشوه المرن للأسطوانات، مما يحسن من تسامح السماكة إلى ±0.5% واستواء أقل من 5 وحدات I (5 مم/م انحراف عن الاستواء المثالي).

المصطلحات والمعايير ذات الصلة

المصطلحات ذات الصلة

تشير تصلب العمل إلى الزيادة في القوة التي تحدث أثناء اللف البارد بسبب تكاثر وتفاعلات الانزلاق، ويتم قياسها بواسطة معامل تصلب الشد (قيمة n).

تشير الأنيسوتروبية إلى التباين الاتجاهي في الخصائص الميكانيكية الناجمة عن النسيج البلوري المتطور أثناء اللف، ويتم قياسها بمعامل التشوه البلاستيكي (قيمة r).

تصف إعادة التبلور تشكيل حبيبات جديدة خالية من التشوه تحل محل الحبيبات المشوهة أثناء أو بعد اللف، مما يتحكم في حجم الحبيبات النهائي والنسيج في المنتج.

ترتبط هذه المصطلحات من خلال العلاقة الأساسية بين معالجة التشوه، وتطور التركيب المجهري، والخصائص الميكانيكية النهائية في المنتجات المدلفنة.

المعايير الرئيسية

تقدم ASTM A1018/A1018M مواصفات قياسية للصفائح والشريط من الصلب ذي الكربون المنخفض والصلب عالي القوة المنخفض السبيكة، بتعريف حدود التركيب الكيميائي ومتطلبات الخصائص الميكانيكية.

يحدد EN 10149 متطلبات المنتجات المسطحة المدلفنة ساخنًا المصنوعة من صلب عالي القوة للتشكيل البارد، حيث تغطي الأجزاء 1-3 فئات قوة مختلفة وطرق معالجة.

تختلف JIS G3131 عن معايير ASTM من خلال تحديد متطلبات استواء أكثر صرامة واحتواءها على معلمات قابلية التشكيل مثل قيمة r وقيمة n في نظام تصنيفها.

اتجاهات التطوير

تركز الأبحاث الحالية على نمذجة العمليات المتكاملة التي تربط بين معلمات اللف مباشرةً مع التركيب المجهري النهائي والخصائص، مما يمكّن التوائم الرقمية لعمليات اللف من الت optimizati