10CrMo910 مقابل 12Cr1MoV – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

10CrMo910 و 12Cr1MoV هما نوعان من الفولاذات السبيكية المحتوية على الكروم والموليبدينوم والتي تُعتبر بشكل متكرر لأجزاء الضغط ذات درجات الحرارة المرتفعة مثل أنابيب الغلايات، والأنابيب، ومكونات التوربينات. يقوم المهندسون ومحترفو الشراء عادةً بوزن الموازنة بين قوة التحمل عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف على المدى الطويل مقابل مقاومة الأكسدة، وقابلية اللحام، والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار المواد لخدمة البخار عند نطاقات درجات حرارة/ضغط مختلفة، واختيار الأنابيب لمحطات الطاقة، أو تحديد القوالب والأنابيب حيث تكون سهولة التصنيع وأداء ما بعد اللحام مهمين.

الفرق العملي الرئيسي بين هذين الصنفين هو استراتيجيات السبائك الخاصة بهما: أحدهما يركز على تحقيق توازن بين الكروم وعناصر الميكروسبائك لتعظيم قوة التحمل عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف، بينما يحتوي الآخر على نسبة أعلى من الكروم تستهدف تحسين مقاومة الأكسدة والتقشر مع ظرف مختلف من التخمير والخدمة. نظرًا لأنهما يشغلان نوافذ خدمة متداخلة ولكن ليست متطابقة، غالبًا ما يتم مقارنتهما عند تحسين القدرة على التحمل عند درجات الحرارة، وقابلية اللحام، وتكلفة دورة الحياة.

1. المعايير والتسميات

• 10CrMo910
• مرتبط عادةً بالفولاذات المارتنسيتية/الفريتية عالية الكروم المستخدمة في أنابيب ومحطات الطاقة. يتم تقديمه بموجب معايير وطنية في أوروبا والصين وغالبًا ما يُستخدم كاسم بديل للفولاذات في عائلة P9x (استشر المعيار الوطني المحدد للحصول على المعادلة الدقيقة).
• أنواع المعايير النموذجية: متغيرات EN و GB؛ استشر المعيار المعمول به (مثل EN أو GB/الصين) وبيانات الشركة المصنعة للحصول على التسمية الدقيقة والحدود.

• التصنيف: فولاذ سبيكي (فولاذ مقاوم للحرارة / مقوى بالزحف).

• 12Cr1MoV

• سبائك تحتوي على نسبة أعلى من الكروم، والفاناديوم، والموليبدينوم، استخدمت تاريخيًا في معدات الطاقة الأحفورية والبتروكيماويات.
• تظهر في المعايير الأوروبية الشرقية والمعايير الروسية (GOST) وبعض الكتالوجات الوطنية؛ كما يتم الإشارة إليها في الأدبيات الدولية لتطبيقات البخار.
• التصنيف: فولاذ سبيكي (فولاذ مقاوم للحرارة عالي الكروم).

ملاحظة: لا يُعتبر أي من الصنفين فولاذًا مقاومًا للصدأ وفقًا للتعريفات الحديثة (أي >11-12% كروم وميتالورجيا مقاومة للتآكل محددة)، على الرغم من أن 12Cr1MoV يمكن أن يقترب من مستويات الكروم حيث تتحسن مقاومة الأكسدة. تحقق دائمًا من التسمية القياسية الدقيقة والحدود الكيميائية المعتمدة للشراء.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تظهر أدناه نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (وزن%) التي يتم الإبلاغ عنها عادةً لهذه العائلات. هذه هي النطاقات التمثيلية - تحقق دائمًا مع شهادة المورد أو المعيار المحدد.

عنصر	10CrMo910 (نطاق اسمي نموذجي، وزن%)	12Cr1MoV (نطاق اسمي نموذجي، وزن%)
C	0.05 – 0.12	0.08 – 0.18
Mn	0.20 – 0.60	0.30 – 0.70
Si	0.10 – 0.60	0.10 – 0.50
P (max)	≤ 0.025	≤ 0.030
S (max)	≤ 0.010	≤ 0.020
Cr	8.5 – 10.5	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0.40	≤ 0.40
Mo	0.80 – 1.05	0.30 – 0.70
V	0.05 – 0.30	0.08 – 0.30
Nb (أو Ta)	0.03 – 0.12 (حيثما تم تحديده)	–
Ti	≤ 0.02 (حيثما تم تحديده)	–
B	≤ 0.003 (إضافات صغيرة ممكنة)	–
N	≤ 0.03	≤ 0.03

تفسير تأثيرات السبائك - الكروم (Cr): يزيد من مقاومة الأكسدة والتقشر عند درجات الحرارة العالية، ويزيد من قابلية التصلب ومقاومة التخمير. الكروم الأعلى في 12Cr1MoV يعطي مقاومة أفضل للأكسدة السطحية والتقشر عند بعض درجات الحرارة. - الموليبدينوم (Mo): يقوي المصفوفة عند درجات الحرارة المرتفعة ويحسن مقاومة الزحف. عادةً ما يحتوي 10CrMo910 على نسبة أعلى من الموليبدينوم لتعزيز القوة عند درجات الحرارة العالية. - الفاناديوم (V): يشكل كربيدات/نيتريدات دقيقة تثبت الانزياحات وحدود الحبيبات، مما يحسن من قوة الزحف وتليين التخمير بعد التعرض لفترة طويلة. - النيوبيوم (Nb)، التيتانيوم (Ti)، البورون (B): إضافات الميكروسبائك تصقل حجم الحبيبات، وتثبت الكربيدات/النيتريدات، ويمكن أن تعزز من الزحف والصلابة. - الكربون (C): يساهم في القوة وقابلية التصلب؛ الكربون الأعلى يزيد من القوة ولكنه يقلل من قابلية اللحام والصلابة إذا لم يتم التحكم فيه.

3. التركيب المجهري واستجابة المعالجة الحرارية

التركيبات المجهرية النموذجية: - 10CrMo910: مصمم لتطوير تركيب مجهر مارتنسيت متصلب بعد التطبيع والتخمير. يتكون التركيب المجهرى من مارتنسيت متصلب مع كربيدات ونيتريدات متفرقة (ترسبات تحتوي على V و Nb و Mo) التي تمنح قوة زحف عالية. - 12Cr1MoV: أيضًا يتم تطبيعه عادةً لإنتاج مارتنسيت متصلب، ولكن الكروم الأعلى قد يشجع على تشكيل كربيدات من نوع M23C6 المختلفة وأكاسيد أكثر استقرارًا. تعطي الميكروسبائك تقوية ترسيبية مشابهة لـ 10CrMo910 ولكن كيمياء الكربيد تتغير.

استجابة المعالجة الحرارية: - التطبيع: كلا الصنفين يستفيدان من التطبيع المنضبط لحل الكربيدات الخشنة وإنتاج حبيبات أوستنيت متجانسة تتحول إلى مارتنسيت عند التبريد. - التبريد والتخمير: المسار النموذجي هو التطبيع يليه التخمير عند درجات حرارة مصممة لتحقيق توازن القوة–الصلابة المطلوب. يقلل التخمير من الصلابة، ويثبت الكربيدات، ويستعيد اللدونة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن تعمل المعالجة الحرارية الميكانيكية المنضبطة (TMCP) على تصغير الحبيبات وترسيب مواد دقيقة - وهو أمر ذو قيمة خاصة للأنابيب والألواح لتحسين الصلابة وأداء الزحف. - الشيخوخة والتعرض على المدى الطويل: يظهر كلا الفولاذين تليين مارتنسيت متصلب وتكبير الترسبات مع مرور الوقت عند درجات الحرارة. يقلل الموليبدينوم الأعلى والميكروسبائك المنضبطة من التدهور في الفولاذات الشبيهة بـ 10CrMo910.

4. الخصائص الميكانيكية

يوفر الجدول أدناه لمحة مقارنة نوعية بدلاً من قيم مطلقة (لأن مستويات الخصائص تعتمد على المعالجة الحرارية والدرجة الفرعية الدقيقة). استشر شهادات المصنع وأكواد التصميم ذات الصلة للحصول على قيم تصميم عددية.

الخاصية	10CrMo910	12Cr1MoV	التعليق
قوة الشد	أعلى (عادةً)	متوسطة	تم تحسين سبائك 10CrMo910 لقوة شد أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة بسبب الموليبدينوم والميكروسبائك.
قوة الخضوع	أعلى (عادةً)	متوسطة	تزيد الميكروسبائك وكيمياء Cr–Mo من قوة الخضوع وقوة الزحف عند درجات الحرارة العالية في 10CrMo910.
التمدد (اللدونة)	جيدة (تعتمد على التخمير)	جيدة	يمكن لكلاهما تحقيق لدونة مقبولة بعد التخمير المناسب؛ الكربون الأعلى يقلل من اللدونة.
صلابة التأثير (درجة حرارة الغرفة)	جيدة إلى جيدة جدًا مع المعالجة الحرارية المناسبة	جيدة	تعتمد الصلابة على النظافة والمعالجة الحرارية؛ يمكن أن يكون كلاهما قويًا إذا تم التحكم فيه.
صلابة (كما تم تخميرها)	أعلى (لدعم أهداف القوة)	متوسطة	يميل 10CrMo910 إلى أن يتم تخميره إلى مستويات صلابة تدعم إجهاد التصميم الأعلى.

أيها أقوى، وأكثر صلابة، أو أكثر لدونة ولماذا - القوة: يتم تحديد فولاذات من نوع 10CrMo910 عادةً لإجهاد تصميم أعلى ومقاومة زحف بسبب الموليبدينوم الأعلى بالإضافة إلى الميكروسبائك (V، Nb) التي تساعد في التقوية الترسيبية. - الصلابة: مع التطبيع والتخمير المناسبين، يمكن لكلا الصنفين توفير صلابة مرضية. تساعد صناعة الفولاذ الأكثر نظافة والتحكم الدقيق في C و N على الحفاظ على خصائص التأثير. - اللدونة: كلاهما يحقق لدونة مقبولة، ولكن الكربون الأعلى والترسيب الثقيل يمكن أن يقللا من التمدد إذا لم يتم معالجته بعناية.

5. قابلية اللحام

تتأثر قابلية اللحام بمعامل الكربون، وعناصر السبائك، ووجود عناصر الميكروسبائك التي تزيد من قابلية التصلب.

الصيغ التنبؤية المفيدة: - معامل الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (WRC) لتوقع التشقق البارد الناتج عن الهيدروجين: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 10CrMo910: يزيد الموليبدينوم الأعلى والميكروسبائك من قابلية التصلب وCE/Pcm، مما يزيد من خطر وجود منطقة HAZ مارتنسيتية صلبة، والتشقق البارد، والحاجة إلى التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). PWHT إلزامي لتطبيقات الضغط لتخمير HAZ وتخفيف الضغوط المتبقية. - 12Cr1MoV: يزيد محتوى الكروم الأعلى أيضًا من قابلية التصلب، ولكن الموليبدينوم الأقل قد يقلل من بعض قابلية التصلب مقارنةً بـ 10CrMo910؛ ومع ذلك، غالبًا ما تكون هناك حاجة للتسخين المسبق وPWHT. يتطلب كلا الصنفين إجراءات لحام مؤهلة، ودرجات حرارة بينية منضبطة، وأحيانًا معادن تعبئة متطابقة لتجنب المناطق اللينة أو المراحل الهشة. - إرشادات عملية: استخدم مواد لحام منخفضة الهيدروجين، وتسخين مسبق كافٍ، وتحكم في إدخال الحرارة، وPWHT إلى درجة الحرارة المحددة. اتبع دائمًا متطلبات الكود (ASME، EN، أو الوطني) لـ PWHT واختبارات ما بعد اللحام.

6. التآكل وحماية السطح

• لا يُعتبر أي من الصنفين فولاذًا مقاومًا للصدأ بمعنى كونه مقاومًا للتآكل في البيئات الرطبة. تتطلب استراتيجيات الحماية للبيئات الجوية، والمائية، أو التآكل.
• حماية السطح: لا يُستخدم عادةً الجلفنة لخدمة البخار عند درجات الحرارة العالية؛ بدلاً من ذلك، يتم استخدام الطلاءات الواقية (دهانات مقاومة للحرارة العالية)، أو تغليف السبيكة، أو بطانات داخلية حسب الحاجة. الحماية الكاثودية واحتياطي التآكل شائعة في التصميم.
• الأكسدة والتقشر: يحسن الكروم الأعلى في 12Cr1MoV من تشكيل أكاسيد غنية بالكروم تلتصق ويمكن أن تقلل من فقدان الكتلة الناتج عن الأكسدة عند درجات حرارة بخار أعلى مقارنة بالفولاذات الأقل كرومًا. ومع ذلك، تعتمد الأداء الفعلي للأكسدة على درجة الحرارة، وكيمياء البخار، ومدة التعرض للخدمة.
• PREN (غير قابل للتطبيق عمومًا): بالنسبة للسبائك المقاومة للصدأ، يتم استخدام مؤشر PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا المؤشر غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات السبيكية غير المستقرة للاختيار العام للتآكل - استخدمه فقط للسبائك المقاومة للصدأ.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: تزيد القوة الأعلى والظروف الأكثر صلابة عند المعالجة من صعوبة التشغيل. قد تكون 12Cr1MoV ذات الكروم الأعلى أكثر خشونة قليلاً؛ قد يقلل 10CrMo910 مع الترسبات الميكروسبائكية من عمر الأداة. يجب أن يتم التشغيل في ظروف مطابقة أو معالجة حرارية حيثما كان ذلك ممكنًا.
• قابلية التشكيل والانحناء: كلاهما محدود في التشكيل البارد عند الحالة المطابقة والمخمرة؛ يكون التشكيل أسهل عند توفيره في الحالة المطابقة (أو في حالة معالجة أكثر ليونة إذا كانت متاحة). غالبًا ما تكون المعالجة الحرارية بعد التشكيل مطلوبة.
• التشطيب: الطحن والتشطيب السطحي مشابهان لبقية الفولاذات السبيكية؛ استخدم سائل تبريد وأدوات مناسبة لإدارة الصلابة والاحتكاك.

8. التطبيقات النموذجية

10CrMo910	12Cr1MoV
أنابيب بخار عالية الحرارة، أنابيب إعادة التسخين/التسخين الفائق، مكونات تتطلب قوة زحف مرتفعة حتى درجات حرارة بخار متوسطة إلى عالية	رؤوس بخار، أنابيب عالية الحرارة حيث تكون مقاومة الأكسدة المحسنة والتحكم في التقشر مهمة
مكونات محطة الطاقة حيث يسعى التصميم إلى إجهاد مسموح أعلى أو عمر زحف ممتد	مكونات حيث تكون مقاومة الأكسدة السطحية أولوية إلى جانب مقاومة زحف متوسطة
أجزاء الضغط التي تتطلب روتين PWHT صارم وحلول قابلة للحام عالية القوة	مكونات الضغط في محطات الطاقة الحرارية والبتروكيماويات مع الخدمة في أجواء مؤكسدة

مبررات الاختيار: - اختر سبائك شبيهة بـ 10CrMo910 حيث تكون قوة التحمل عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة الزحف، والاستقرار الميكانيكي على المدى الطويل تحت الضغط هي المحركات الرئيسية للتصميم. - اختر 12Cr1MoV حيث تكون مقاومة الأكسدة/التقشر واستقرار السطح عند درجات الحرارة المرتفعة أكثر أهمية نسبيًا وحيث تكون الموازنات التصنيعية المختلفة مقبولة قليلاً.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: تعتمد تكلفة المواد على محتوى السبيكة وطريقة الإنتاج. عادةً ما تكون السبائك ذات الموليبدينوم الأعلى والإضافات الميكروسبائكية (عائلة 10CrMo910) أكثر تكلفة لكل كيلوغرام من الفولاذات البسيطة Cr–Mo بسبب السبائك والرقابة الأكثر صرامة على المعالجة.
• التوافر: كلا الصنفين متاحان في أشكال أنابيب، وأنابيب، وألواح، وقوالب من مصانع متخصصة. قد يختلف التوافر حسب المنطقة؛ الفولاذات من نوع P91 (عائلة 10CrMo910) متاحة على نطاق واسع في الأسواق التي تحتوي على صناعات طاقة حرارية كبيرة، بينما قد تكون الدرجات الخاصة بالمنطقة مثل 12Cr1MoV أكثر شيوعًا في سلاسل الإمداد في أوروبا الشرقية وبعض الدول الآسيوية.
• مدة التسليم: بالنسبة للدرجات ذات المواصفات العالية والمواد المؤهلة، تزداد مدة التسليم - خطط للشراء مبكرًا واطلب شهادات اختبار المصنع وسجلات المعالجة الحرارية.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي)

السمة	10CrMo910	12Cr1MoV
قابلية اللحام	عادلة (تتطلب تسخين مسبق/PWHT؛ قابلية تصلب أعلى)	عادلة (تتطلب تسخين مسبق/PWHT)
القوة–الصلابة (درجات حرارة مرتفعة)	قوة عالية ومقاومة زحف	متوسطة–عالية، صلابة جيدة
التكلفة	أعلى (بسبب الموليبدينوم والميكروسبائك)	متوسطة

التوصيات النهائية - اختر 10CrMo910 إذا: - كان التصميم يتطلب إجهادات مسموح بها أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة أو مقاومة زحف متفوقة. - كانت الاستقرار الميكانيكي على المدى الطويل تحت درجات الحرارة العالية والضغط أولوية. - يمكنك استيعاب ضوابط لحام أكثر صرامة (تسخين مسبق، PWHT) وتكلفة مواد أعلى قليلاً.

• اختر 12Cr1MoV إذا:
• كانت مقاومة الأكسدة/التقشر ومحتوى الكروم الأعلى مهمة لبيئة التشغيل الخاصة بك.
• كنت تبحث عن توازن بين أداء جيد عند درجات الحرارة المرتفعة مع تكلفة متوسطة وتوافر الإمدادات في بعض المناطق.
• كانت قيود التصنيع والشراء تفضل كيمياء سبيكة Cr–Mo أبسط.

ملاحظة نهائية: يتم تعريف هذه الدرجات بواسطة معايير محددة تختلف حدودها الدقيقة وقيم التصميم الميكانيكية. استخدم دائمًا المعيار المادي الدقيق وشهادة اختبار المصنع للتحقق من التركيب الكيميائي، وحالة المعالجة الحرارية، والخصائص الميكانيكية المعتمدة قبل قبول التصميم أو الشراء.