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

مقدمة

اختيار السبيكة الصحيحة للأجزاء المعرضة للضغط، والأنابيب، أو المكونات ذات درجات الحرارة العالية هو معضلة متكررة للمهندسين، ومديري المشتريات، ومخططي التصنيع. عادةً ما توازن القرارات بين قدرة الحرارة ومقاومة الزحف على المدى الطويل مقابل قابلية اللحام، وسهولة التصنيع، وتكلفة دورة الحياة الإجمالية. يتم تحديد كل من 12Cr1MoV و10CrMo910 للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة، لكنهما مُحسّنان لمجموعات مختلفة من القوة، والصلابة، واستقرار درجات الحرارة العالية.

التمييز العملي الرئيسي بين الاثنين هو أداؤهما النسبي تحت درجات الحرارة العالية والضغوط المستمرة (أي، مقاومة الزحف على المدى الطويل عند درجات حرارة الغلايات/البخار). يدفع هذا الاختلاف المقارنة الشائعة بينهما عند تصميم رؤوس البخار، والمجددات، والسخانات، ومكونات أخرى في محطات الطاقة والعمليات.

1. المعايير والتسميات

• 12Cr1MoV: يظهر عادةً في المعايير الوطنية للصلب المستخدم في محطات الطاقة والأنابيب المخصصة للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة. يتم تصنيفه كصلب فيريتيك منخفض إلى متوسط مع عناصر ميكروسبائكية مضافة لمقاومة الزحف والقوة.
• 10CrMo910: يظهر في معايير أوعية الضغط وأنابيب الغلايات للخدمة في درجات حرارة أعلى؛ إنه صلب فيريتيك مُهندَس خصيصًا لتحسين القوة في درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف.

تشمل المعايير ذات الصلة حيث يتم الإشارة إلى هذه المواد أو ما يعادلها القريب المعايير الوطنية والدولية مثل ASME/ASTM، EN، GB، وJIS. ستختلف التسميات الدقيقة والمتطلبات الميكانيكية للمنتجات غير الملحومة والملحومة حسب المعيار وشكل المنتج (أنبوب، لوح، تزوير)، لذا تأكد دائمًا من ورقة المعيار المحددة أو شهادة المادة.

التصنيف: - كلاهما فولاذ سبائكي (فيريتيك)، وليس فولاذ مقاوم للصدأ أو فولاذ أدوات. يتم استخدامهما عادةً لتطبيقات الضغط ذات درجات الحرارة العالية بدلاً من البيئات المناعية للتآكل.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

عنصر	12Cr1MoV	10CrMo910
C	منخفض (مراقب للحد من المارتنسيت وتحسين الصلابة)	منخفض (مراقب لقابلية اللحام والصلابة)
Mn	متوسط (إزالة الأكسدة والقوة)	متوسط (إزالة الأكسدة والقوة)
Si	منخفض–متوسط (إزالة الأكسدة؛ يؤثر على القشور)	منخفض–متوسط
P	منخفض جدًا (مراقبة الشوائب للصلابة)	منخفض جدًا
S	منخفض جدًا (مراقبة الشوائب؛ قابلية التشغيل)	منخفض جدًا
Cr	متوسط (يوفر مقاومة الأكسدة والزحف)	مرتفع (عنصر سبائكي رئيسي لقوة درجات الحرارة العالية ومقاومة الأكسدة)
Ni	عادةً منخفض/أثر	منخفض/أثر
Mo	متوسط (يحسن قوة الزحف واستقرار الكربيد)	متوسط–مرتفع (مفتاح لقوة الزحف وتكوين الكربيد)
V	منخفض (ميكروسبائكية لتعزيز الترسيب)	منخفض–متوسط (ميكروسبائكية لمقاومة الزحف)
Nb (Cb)	قد يكون موجودًا بكميات صغيرة (ميكروسبائكية)	قد يكون موجودًا بكميات صغيرة
Ti	أثر/ميكرو (إذا تم استخدامه للتثبيت)	أثر/ميكرو
B	ليس عادةً مهمًا	ليس عادةً مهمًا
N	مراقب (يؤثر على الترسيب والقوة)	مراقب

تفسير: - تستخدم 12Cr1MoV مزيجًا من الكروم، والموليبدينوم، والفاناديوم كاستراتيجية رئيسية للتقوية: يزيد الكروم والموليبدينوم من قوة درجات الحرارة العالية ومقاومة القشور؛ يساهم الفاناديوم في تعزيز الترسيب ومقاومة الزحف. - تركز 10CrMo910 على محتويات أعلى من الكروم والموليبدينوم لتحسين مقاومة الزحف، ومقاومة الأكسدة، والاستقرار على المدى الطويل للكربيدات عند درجات حرارة الخدمة الأعلى. تساعد الميكروسبائكية (V، Nb) والسيطرة الدقيقة على الشوائب والفراغات (C، N) في استقرار البنية المجهرية وإبطاء الزحف.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - كلا الدرجتين هما فولاذ فيريتيك، وبعد المعالجة الحرارية المناسبة، تظهر مارتنسيت مقساة أو بنية باينيتية/فيريتية-لؤلؤية حسب التركيب والمعالجة الحرارية. - 12Cr1MoV: بعد التطبيع والتقسية أو المعالجة الحرارية المناسبة بعد اللحام (PWHT)، تكون البنية عمومًا مارتنسيت مقساة/فيريت مع كربيدات سبائكية دقيقة وترسيبات غنية بالفاناديوم تزيد من مقاومة الزحف. - 10CrMo910: مصممة للاحتفاظ ببنية مارتنسيتية/فيريتية مستقرة عند درجات حرارة تشغيل أعلى؛ يتم التحكم في الكربيدات (M23C6، كربيدات غنية بالموليبدينوم) وترسيبات الميكروسبائكية لتعظيم خصائص الزحف والانكسار.

طرق المعالجة الحرارية: - التطبيع والتقسية: تستجيب كلا الدرجتين للتطبيع لتقليل حجم الحبيبات، يتبعه التقسية لإنتاج التركيبة المرغوبة من القوة والصلابة. - التبريد والتقسية: تستخدم بشكل انتقائي حسب شكل المنتج والخصائص الميكانيكية المطلوبة؛ ومع ذلك، يعتمد العديد من الفولاذات المعرضة للضغط على التطبيع المنضبط بدلاً من التبريد الشديد لتقليل التشوه. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يؤدي التحكم الدقيق (الدرفلة المنضبطة + التبريد المعجل) إلى تحسين حجم الحبيبات وتوزيع الترسيبات، مما يحسن الصلابة وقدرة الزحف - وغالبًا ما يتم الاستفادة منها في متغيرات 10CrMo910 الممتازة.

PWHT: - تعتبر المعالجة الحرارية بعد اللحام حاسمة لكلا الدرجتين لتخفيف قمم الصلابة، واستعادة الصلابة، واستقرار الترسيبات. يتم اختيار دورات PWHT وفقًا للمعيار والسماكة لتجنب هشاشة التقسية أو الإفراط في التقسية.

4. الخصائص الميكانيكية

خاصية	12Cr1MoV (نوعية)	10CrMo910 (نوعية)
قوة الشد	متوسطة إلى عالية عند درجات الحرارة المحيطة ودرجات الحرارة المرتفعة المتواضعة	عالية عند درجات الحرارة المحيطة واحتفاظ متفوق عند درجات الحرارة الأعلى
قوة الخضوع	متوسطة	متوسطة–عالية مع احتفاظ أفضل عند درجات الحرارة
التمدد (المرونة)	مرونة جيدة عند المعالجة الحرارية المناسبة	مرونة جيدة؛ قد تكون أقل قليلاً إذا تم تحسينها لقوة الزحف العالية
صلابة التأثير	جيدة، خاصة مع المعالجة الحرارية المنضبطة	جيدة، لكن التركيب والمعالجة الحرارية الموجهة نحو الزحف قد تتاجر ببعض الصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة من أجل الاستقرار عند درجات الحرارة العالية
الصلابة	متوسطة (حالة مقساة)	متوسطة إلى أعلى (حالة مقساة تستهدف مقاومة الزحف)

تفسير: - تم تصميم 10CrMo910 لتحمل ضغوط أعلى لفترات أطول عند درجات الحرارة المرتفعة، لذا فإن احتفاظه بالقوة وسلوك الزحف والانكسار عادةً ما يتجاوز ذلك لـ 12Cr1MoV في نطاق درجات الحرارة العالية. في الظروف المحيطة، يمكن أن تلبي كلا الدرجتين متطلبات القوة الثابتة والصلابة المماثلة عند المعالجة وفقًا لمتطلبات المعيار. - غالبًا ما تقدم 12Cr1MoV توازنًا ملائمًا بين الصلابة المحيطة وسهولة التصنيع، مما يجعلها جذابة حيث لا تكون مقاومة الزحف على المدى الطويل هي المحرك الأساسي.

5. قابلية اللحام

تعتمد اعتبارات قابلية اللحام على مكافئات الكربون والميكروسبائكية. مؤشرين تجريبيين شائعين:

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

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

تفسير نوعي: - يحتفظ كلا الفولاذين بمستوى منخفض من الكربون للحفاظ على قابلية اللحام والصلابة. تزيد كميات الكروم والموليبدينوم الأعلى في 10CrMo910 من قابلية التصلب وترفع مؤشر قابلية اللحام مقارنة بالفولاذات ذات السبائك المنخفضة، مما يتطلب مزيدًا من الحذر في التسخين المسبق، والتحكم في درجة حرارة التداخل، وPWHT لتجنب التشقق البارد والتشقق المعزز بالهيدروجين. - 12Cr1MoV، بمحتوى سبائكي منخفض نسبيًا من القوة العالية والسيطرة المتعمدة على الميكروسبائكية، عادةً ما يكون أسهل في اللحام، على الرغم من أن PWHT تظل إلزامية للحامات التي تحتفظ بالضغط. - لكلا الدرجتين: اتبع إجراءات اللحام وفقًا للمعيار/المعيار، تحكم في الهيدروجين، طبق التسخين المسبق المناسب وPWHT، واستخدم المعادن المالئة المحددة للاحتفاظ بقوة الزحف.

6. التآكل وحماية السطح

• هذه فولاذات سبائكية فيريتيك، وليست درجات مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل في البيئات الرطبة أو التآكلية محدودة مقارنة بالفولاذات المقاومة للصدأ.
• استراتيجيات الحماية الشائعة: الطلاء، الطلاءات ذات درجات الحرارة العالية، والرذاذ الحراري؛ للتعرض المحيط، تُستخدم علاجات السطح التقليدية (برايمر + طلاء) أو الجلفنة (حيثما كان ذلك ممكنًا). بالنسبة للخدمة في جانب البخار عند درجات الحرارة العالية، يتم توفير مقاومة الأكسدة الداخلية من خلال سبائك الكروم والموليبدينوم بدلاً من الطلاءات السطحية.
• صيغة PREN غير قابلة للتطبيق على هذه السبائك الفيريتية غير المقاومة للصدأ ومنخفضة النيتروجين:

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

• ملاحظة: PREN مفيدة لتصنيف الفولاذات المقاومة للصدأ؛ لا تطبقها على الفولاذات الكربونية/السبائكية مثل 12Cr1MoV أو 10CrMo910.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين يمكن تشغيلهما بشكل مشابه للفولاذات السبائكية الأخرى عند الحالة المعالجة حراريًا/المقساة. يجب أن تأخذ معلمات التشغيل في الاعتبار توزيعات الترسيب الأكثر صلابة في السبائك المحسّنة لمقاومة الزحف.
• قابلية التشكيل: يمكن تشكيل كلاهما وثنيه عند درجات الحرارة المحيطة بشرط استخدام العمليات المناسبة؛ تقل قابلية التشكيل مع ارتفاع درجات حرارة التقسية ومع طرق المعالجة ذات القوة الأعلى.
• تشطيب السطح والطحن: يمكن أن تكون البنى المجهرية الغنية بالكربيد في الفولاذات عالية الكروم/الموليبدينوم (متغيرات 10CrMo910) أكثر خشونة على الأدوات؛ تحكم في معلمات التشكيل والقطع وفقًا لذلك.
• ملاحظة التصنيع: تتطلب الأقسام السميكة والمتغيرات عالية السبائك ضوابط حرارية أكثر صرامة لتجنب المناطق الصلبة ولضمان فعالية PWHT.

8. التطبيقات النموذجية

12Cr1MoV	10CrMo910
سخانات مياه التغذية، الأنابيب والتجهيزات في أقسام ذات درجات حرارة متوسطة إلى عالية حيث تتطلب صلابة ممتازة في الظروف المحيطة وقوة جيدة على المدى الطويل	أنابيب السخانات والمجددات، أنابيب البخار والرؤوس في المناطق ذات درجات الحرارة الأعلى حيث تكون قوة الزحف على المدى الطويل حاسمة
مكونات الغلايات في أنظمة ذات درجات حرارة بخار متوسطة حيث تكون تكلفة التصنيع الفعالة هي الأولوية	أنابيب ومكونات محطات الطاقة ذات الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية حيث تكون قوة الزحف ومقاومة الأكسدة هي الأولوية
أوعية الضغط والصمامات في المصانع التي تعمل عند درجات حرارة مرتفعة ولكن ليست عند أقصى درجات حرارة التصميم	مكونات في دورات بخار فوق الحرجة أو متقدمة حيث يحسن محتوى السبائك الأعلى من عمر الخدمة

مبررات الاختيار: - استخدم 10CrMo910 عندما تدفع درجة الحرارة والتوتر التصميم، بالإضافة إلى متطلبات عمر الزحف والانكسار، متطلبات المادة نحو محتويات أعلى من الكروم والموليبدينوم والسيطرة الأكثر دقة على الترسيبات. - استخدم 12Cr1MoV حيث تكون درجات حرارة التشغيل مرتفعة ولكن ضمن نطاق حيث تعطي الميكروسبائكية المحسّنة عمرًا كافيًا بتكلفة مادة أقل ومع سهولة تصنيع أكبر.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: المواد ذات محتوى الكروم والموليبدينوم الأعلى (10CrMo910) عمومًا تكلف أكثر لكل كيلوغرام من الدرجات ذات السبائك المنخفضة (12Cr1MoV)، مدفوعة بأسعار عناصر السبائك ومتطلبات المعالجة.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحتان عادةً في أشكال المنتجات القياسية (أنابيب، ألواح، تزوير) في المناطق التي تحتوي على صناعات الطاقة والبتروكيماويات الكبيرة. يعتمد توافر أشكال المنتجات المحددة والشهادات (أنابيب الضغط مقابل أنابيب الغلايات) على المطاحن والمخازن الإقليمية.
• نصيحة الشراء: يجب أن تشمل التكلفة الإجمالية المثبتة إجراءات اللحام، دورات PWHT، الفحص، والعمر المتوقع للخدمة؛ يمكن تعويض التكلفة الأعلى لاكتساب 10CrMo910 من خلال فترات صيانة أطول وعدد أقل من الاستبدالات.

10. الملخص والتوصية

السمة	12Cr1MoV	10CrMo910
قابلية اللحام	جيدة (أسهل، لكن PWHT مطلوبة)	جيدة ولكن أكثر تطلبًا (قابلية تصلب أعلى؛ تسخين مسبق صارم/PWHT)
القوة–الصلابة	متوازنة؛ صلابة جيدة في الظروف المحيطة	قوة أعلى عند درجات الحرارة العالية واحتفاظ أفضل بالزحف على المدى الطويل
التكلفة	أقل	أعلى

الخلاصة والإرشادات: - اختر 12Cr1MoV إذا كانت التصميمات تعمل عند درجات حرارة مرتفعة ولكن ليست عند الحد الأعلى لدرجات حرارة البخار/الغلايات حيث تكون حياة الزحف هي العامل المحدد؛ عندما تكون سهولة التصنيع، وتكلفة المادة الأقل، والصلابة الجيدة في الظروف المحيطة هي الأولويات، فإن 12Cr1MoV غالبًا ما تكون مناسبة. - اختر 10CrMo910 إذا كانت التطبيق تعرض المكونات لدرجات حرارة بخار أعلى، وضغوط مستمرة أعلى، أو تتطلب عمر زحف وانكسار ممتد ومقاومة أكسدة محسّنة؛ استثمر في إجراءات لحام وPWHT أكثر صرامة لتحقيق مزايا المادة.

ملاحظة نهائية: استشر دائمًا المعيار المطبق للمادة، ورمز تصميم المشروع، وشهادات مطحنة المورد للحصول على المتطلبات الكيميائية والميكانيكية الدقيقة. حيث تكون الحياة حتى الفشل أو حياة الزحف على المدى الطويل حاسمة، اطلب منحنيات الزحف والانكسار، وبيانات الخصائص على المدى الطويل، وإجراءات اللحام/PWHT الموصى بها من موردي المواد وقم بإجراء تقييم للحياة على مستوى الهندسة بدلاً من الاعتماد على أسماء الدرجات فقط.