20# مقابل 25# – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
20# و 25# هما علامتان شائعتان تُستخدمان في عدة معايير إقليمية (لا سيما الممارسات الصينية GB/GB/T) لتحديد الفولاذ الكربوني العادي الذي يُستخدم بشكل متكرر في الهندسة العامة، والمحاور، والمثبتات، والهياكل الملحومة. غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع معضلة اختيار بين الاثنين: مادة أقل تكلفة وأكثر مرونة مقابل درجة كربون أعلى قليلاً توفر قوة أكبر ومقاومة للتآكل. عادة ما تكون الخيارات مدفوعة بسعة التحميل المطلوبة، واحتياجات التشكيل أو اللحام، وقابلية التشغيل، وقيود التكلفة.
التمييز الرئيسي بين 20# و 25# هو محتوى الكربون والنتائج المعدنية لذلك الاختلاف في الكربون - الذي يتحكم في القوة والمرونة وقابلية التصلب. نظرًا لأن الدرجتين بسيطتين كيميائيًا (فولاذ كربوني عادي أو منخفض السبيكة)، يقارن المصممون بينهما مباشرة عند تحديد المواد للأجزاء التي يجب أن يتم فيها التوازن بين القوة والصلابة وسهولة التصنيع.
1. المعايير والتسميات
- GB / GB/T (الصين): 20# (يكتب أيضًا كـ 20G في بعض السياقات)، 25# (25G إلخ) - فولاذ كربوني عادي يُستخدم لأغراض هيكلية وميكانيكية عامة.
- JIS (اليابان): قابل للمقارنة مع درجات JIS-SC أو SCr حسب الكيمياء الدقيقة والاستخدام المقصود، لكن التوافق المباشر ليس دقيقًا.
- ASTM/ASME (الولايات المتحدة الأمريكية): لا توجد درجة ASTM مباشرة مع التسمية “#”؛ الفولاذات القابلة للمقارنة ستكون فولاذات منخفضة الكربون مثل A36 أو AISI 1020/1025 حسب مستويات C و Mn الدقيقة ومتطلبات الخصائص.
- EN (أوروبا): الدرجات المعادلة تقع ضمن فولاذات هيكلية غير سبيكية مثل عائلات S235/S275 حسب مستويات الخصائص الميكانيكية.
- التصنيف: كل من 20# و 25# هما فولاذ كربوني عادي (غير مقاوم للصدأ، غير عالي القوة منخفض السبيكة) في الممارسة النموذجية؛ ليسا فولاذ أدوات، أو فولاذ مقاوم للصدأ، أو HSLA في أشكالهما القياسية.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
| عنصر | 20# النموذجي (نطاق تقريبي) | 25# النموذجي (نطاق تقريبي) |
|---|---|---|
| C (كربون) | 0.17 – 0.24 wt% | 0.22 – 0.30 wt% |
| Mn (منغنيز) | 0.25 – 0.60 wt% | 0.25 – 0.70 wt% |
| Si (سيليكون) | ≤ 0.35 wt% (غالبًا 0.02–0.30) | ≤ 0.35 wt% (غالبًا 0.02–0.30) |
| P (فوسفور) | ≤ 0.035 wt% (حد أقصى) | ≤ 0.035 wt% (حد أقصى) |
| S (كبريت) | ≤ 0.035 wt% (حد أقصى) | ≤ 0.035 wt% (حد أقصى) |
| Cr (كروم) | عادة ≤ 0.30 wt% | عادة ≤ 0.30 wt% |
| Ni (نيكل) | أثر / غير محدد | أثر / غير محدد |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | لم تُضاف عمدًا في الدرجات القياسية؛ مستويات أثرية ممكنة | نفس 20# |
ملاحظات: القيم هي نطاقات نموذجية تُرى في مواصفات GB الشائعة وممارسات المطاحن. الحدود الدقيقة والعناصر الإضافية تختلف حسب المعيار والمطحنة وما إذا كان المنتج مخصصًا للتزوير أو المعالجة الحرارية أو الخدمة الخاصة.
كيف تؤثر السبيكة على الخصائص - الكربون: التحكم الأساسي في القوة والصلابة. يزيد الكربون الأعلى من قوة الشد وقوة العائد والصلابة، لكنه يقلل من المرونة وقابلية اللحام. - المنغنيز: يحسن قابلية التصلب، وقوة الشد، ويزيل الأكسدة من الفولاذ. كما أن المنغنيز يعوض عن هشاشة الكبريت إلى حد ما. - السيليكون، الكروم، النيكل، الموليبدينوم: عندما تكون موجودة بكميات صغيرة، فإنها تعدل قابلية التصلب والصلابة؛ في هذه الدرجات، تكون عادةً عند مستويات منخفضة وليست الاستراتيجية الأساسية للتصلب. - الشوائب (الفوسفور، الكبريت): تُحافظ على مستويات منخفضة للحفاظ على الصلابة ومقاومة التعب؛ يمكن أن يحسن الكبريت قابلية التشغيل إذا تم رفعه عمدًا في المتغيرات سهلة القطع.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية عند التدوير: - 20#: بشكل رئيسي فيريتي مع بيرلايت متناثر. مستوى الكربون المنخفض يعني نسبة أكبر من مصفوفة الفيريت و بنية مجهرية أكثر ليونة ومرونة. - 25#: زيادة نسبة البيرلايت مقارنةً بـ 20#، مما ينتج هيكل لاميلار أدق عند التبريد تحت ظروف مماثلة؛ كثافة تشوه أعلى بعد التشوه.
استجابة المعالجة الحرارية: - التطبيع: تستجيب كلتا الدرجتين للتطبيع مع تحسين الحبيبات؛ ستنتج 25# نسبة حجم أعلى من البيرلايت وقوة أعلى قليلاً بعد التطبيع مقارنةً بـ 20#. - التبريد والتخمير: نظرًا لأن كلاهما فولاذ كربوني عادي منخفض السبيكة، فإن قابلية التصلب محدودة. تحقق 25# صلابة أعلى بعد التبريد مقارنةً بـ 20# تحت شدة تبريد متكافئة بسبب الكربون الأعلى، لكن لا تحقق أي منهما قابلية التصلب للفولاذات متوسطة السبيكة دون إضافات سبيكية. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن تزيد التدوير المنضبط والتبريد المعجل من القوة وتحسن البنية المجهرية؛ عادةً ما تصل 25# إلى مستويات قوة أعلى من خلال هذه المعالجة ولكن مع بعض الفقد في المرونة.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية | 20# النموذجي (عند التدوير/التطبيع) | 25# النموذجي (عند التدوير/التطبيع) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~350 – 500 ميغاباسكال (نطاق العمل النموذجي) | ~400 – 560 ميغاباسكال (أعلى في المتوسط) |
| قوة العائد (ميغاباسكال) | ~215 – 315 ميغاباسكال | ~245 – 370 ميغاباسكال |
| التمدد (%) | ~26 – 40% | ~18 – 30% (مخفضة مقارنةً بـ 20#) |
| صلابة التأثير (J، نوعية) | جيدة عمومًا في الظروف العادية؛ أفضل صلابة في درجات الحرارة المنخفضة من 25# | جيدة في الظروف العادية؛ أقل من 20# في حالة معالجة مماثلة |
| الصلابة (HB) | ~110 – 160 HB | ~130 – 180 HB |
ملاحظات: هذه هي نطاقات تمثيلية للحالات المدلفنة على الساخن أو المعالجة. تعتمد القيم المحددة على الكيمياء الدقيقة، وسمك القسم، والمعالجة الحرارية/الميكانيكية. 25# أقوى وأصلب عمومًا بسبب الكربون الأعلى وزيادة البيرلايت، بينما 20# أكثر مرونة وصلابة في ظروف مماثلة.
5. قابلية اللحام
تتحكم قابلية اللحام للفولاذ الكربوني العادي بشكل أساسي في محتوى الكربون وقابلية التصلب. يزيد الكربون الأعلى من خطر تشكيل المارتنسيت الصلب والهش في منطقة التأثير الحراري (HAZ) وبالتالي يزيد من القابلية للتشقق البارد.
صيغ التقييم المفيدة (إرشادات نوعية): - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (أكثر تحفظًا): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير: - 20# (كربون أقل) ستظهر عادةً قيم $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ أقل من 25#، مما يعني قابلية لحام أسهل، ومتطلبات تسخين مسبق أقل، وخطر أقل من تشقق HAZ. - 25# (كربون أعلى) غالبًا ما تتطلب ممارسة لحام أكثر حذرًا - تسخين مسبق، درجات حرارة بينية محكومة، ومعالجة حرارية بعد اللحام في التطبيقات الحرجة - خاصةً للأقسام الأكثر سمكًا. - يمكن أن ترفع السبيكة القابلة للتعديل قابلية التصلب حتى عند محتوى سبيكة إجمالي منخفض؛ نظرًا لأن كلا الدرجتين عمومًا فولاذ كربوني عادي، فإن تأثيرات السبيكة محدودة مقارنةً بالفولاذات HSLA.
6. التآكل وحماية السطح
- لا 20# ولا 25# مقاومان للصدأ؛ مقاومة التآكل مشابهة وضعيفة مقارنةً بالفولاذات المقاومة للصدأ. تشمل استراتيجيات الحماية الطلاء/التغليف، الغلفنة بالغمس الساخن، الطلاء الكهربائي، التزييت، أو البرايمرات المثبطة للتآكل.
- رقم مقاومة التآكل (PREN) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ، لكن الصيغة للمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- ملاحظة اختيار: إذا كانت مقاومة التآكل مطلوبة بدلاً من فولاذ الكربون الأمثل من حيث التكلفة، فإن تحديد درجة مقاومة للصدأ أو سبيكة مقاومة للتآكل هو النهج الصحيح بدلاً من الاعتماد على 20# أو 25# مع الطلاءات عندما تكون الأداء طويل الأمد أو في بيئات عدوانية مطلوبًا.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- التشكيل والانحناء: 20# أكثر تسامحًا في عمليات التشكيل بسبب قوة العائد المنخفضة والتمدد الأعلى؛ أقل ارتداد وقوى تشكيل أقل هي النموذجية.
- العمل البارد: 25# تتصلب بشكل أسرع وقد تتطلب قوى تشكيل أعلى وتحكمات أدوات أكثر دقة.
- قابلية التشغيل: زيادة محتوى الكربون والبيرلايت في 25# عادةً ما تزيد من القوة والصلابة؛ تعتمد قابلية التشغيل على البنية المجهرية ومستويات الكبريت/الفوسفور. بشكل عام، يمكن أن تكون 25# أكثر صعوبة في التشغيل (قوى قطع أعلى، تآكل أسرع للأدوات) من 20# في ظروف متطابقة.
- تشطيب السطح: يمكن أن تُطحن كلا الدرجتين، أو تُلمع، أو تُطلى. قد تتطلب صلابة 25# الأعلى اختيار أدوات طحن أكثر عدوانية.
8. التطبيقات النموذجية
| 20# (الاستخدامات الشائعة) | 25# (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| مكونات هيكلية، أنابيب ذات قطر صغير، تصنيع عام حيث تكون المرونة وقابلية اللحام ذات أولوية | محاور، محاور، براغي، مسامير، وأجزاء حيث تكون القوة الأعلى أو مقاومة التآكل مطلوبة |
| إطارات الآلات، تجميعات ملحومة، تزويرات لأغراض عامة | تروس متوسطة التحمل وأجزاء تآكل خفيفة التحميل (عندما لا تتطلب سبيكة) |
| أجزاء مصنعة منخفضة التكلفة، مكونات مطلية أو مغلفة | مكونات تتطلب صلابة أعلى بعد المعالجة الحرارية أو العمل الصلب |
مبررات الاختيار: - اختر 20# عندما تكون التشكيل، اللحام، المرونة، والتكلفة هي القضايا الرئيسية. - اختر 25# عندما تكون القوة الأعلى، وزيادة معتدلة في مقاومة التآكل، أو مقاطع أصغر تتطلب سعة تحميل أعلى مهمة ويمكن تنفيذ ممارسات لحام محكومة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: 20# عمومًا أقل تكلفة قليلاً من 25# على أساس كل طن بسبب الكربون المنخفض (اختلافات تكلفة الإنتاج صغيرة لكن تسعير السوق عادةً ما يفضل الدرجات منخفضة الكربون). الفرق في التكلفة معتدل.
- التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في القضبان، والألواح، والأوراق، والتزويرات في المناطق التي تُباع فيها الفولاذات GB/الصينية. قد تكون 20# أكثر شيوعًا في المخزونات العامة؛ 25# متاحة عادةً للتطبيقات الميكانيكية.
- أشكال المنتجات: القضبان المستديرة، الألواح المدلفنة على الساخن، والأنابيب الملحومة هي شائعة. تعتمد أوقات التسليم والتوافر على أولويات إنتاج المطاحن والطلب الإقليمي.
10. الملخص والتوصية
| السمة | 20# | 25# |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة (كربون أقل، أسهل) | متوسطة (كربون أعلى، مزيد من العناية) |
| توازن القوة–الصلابة | صلابة/مرونة أفضل عند قوة أقل | قوة أعلى، مرونة أقل مقارنةً بـ 20# |
| التكلفة | أقل / اقتصادية | أعلى قليلاً |
اختر 20# إذا: - كان التصميم يتطلب قابلية لحام جيدة ومرونة عالية (مثل الهياكل الملحومة الواسعة، والتشكيل المعقد). - كانت حساسية التكلفة وسهولة التصنيع من الأولويات. - كانت الأجزاء معرضة لأحمال تأثير أو تتطلب صلابة أفضل في درجات الحرارة المنخفضة في تطبيقات الفولاذ الكربوني البسيطة.
اختر 25# إذا: - كانت القوة أو الصلابة الأعلى مطلوبة دون الانتقال إلى فولاذ متوسط السبيكة. - كانت حجم أو هندسة المكون تتطلب سعة تحميل أعلى مع زيادة محدودة في الوزن. - كانت خطة التصنيع تتضمن إجراءات لحام محكومة (تسخين مسبق، مواد استهلاكية مناسبة) أو سيتم معالجة الجزء حراريًا/تخميره لتحقيق خاصية مستهدفة.
ملاحظة ختامية: قرار 20# مقابل 25# هو في الأساس مقايضة محتوى الكربون: قوة وصلابة أعلى بشكل معتدل على حساب المرونة وقابلية اللحام. للتطبيقات الحرجة حيث تتطلب كل من القوة الأعلى والصلابة الموثوقة، يُفضل تحديد درجة سبيكة متوسطة مصممة أو مادة HSLA مع خصائص موثقة بدلاً من الاعتماد فقط على زيادة الكربون.