20R مقابل 20MnR – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

غالبًا ما يقرر المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين الفولاذ الكربوني منخفض السبيكة الذي يوازن بين التكلفة وقابلية التشكيل والأداء الميكانيكي. الدرجتان اللتان يتم مواجهتهما في المشتريات والتصميم هما 20R و20MnR. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار مادة أساسية للمكونات المشغولة أو المطروقة حيث تكون المقايضات بين القوة والصلابة وقابلية التصلب وقابلية اللحام مهمة - على سبيل المثال، الأعمدة والمسامير والتروس والأجزاء الهيكلية الملحومة.

التمييز الهندسي الأساسي بين هاتين الدرجتين هو أن واحدة منهما هي في الأساس فولاذ كربوني عادي منخفض الكربون بينما الأخرى مضاف إليها المنغنيز عمدًا لزيادة قابلية التصلب والقوة دون التضحية الكبيرة في اللدونة. يؤثر هذا الاختلاف على استجابة المعالجة الحرارية والخصائص الميكانيكية والملاءمة لطرق التصنيع المختلفة، ولهذا السبب يقارن المصممون بينها بشكل شائع.

1. المعايير والتسميات

• أنظمة المعايير الشائعة حيث تظهر الدرجات ذات التسميات المماثلة:
• GB/T (الصين) - تستخدم درجات مثل 20 و20Mn و20R و20MnR في الممارسات الوطنية وكتيبات الموردين.
• EN (أوروبا) - تشمل الدرجات المقارنة تقريبًا الفولاذ في عائلات 1.0xxx أو 1.1xxx (مثل EN C20 وC20E) والفولاذ منخفض السبيكة (مثل مكافئات 20Mn).
• JIS (اليابان) وASTM/ASME (الولايات المتحدة) لا تستخدم دائمًا نفس التسميات الرقمية، ولكن الفولاذ المكافئ موجود (مثل AISI 1020 للفولاذ الكربوني العادي 0.20%C).
• التصنيف:
• 20R - فولاذ هيكلي منخفض الكربون (فولاذ كربوني عادي)، يستخدم للأجزاء الهيكلية العامة والأجزاء المشغولة.
• 20MnR - فولاذ كربوني منخفض السبيكة (كربون + منغنيز)، مصنف كفولاذ هيكلي مقوى بالمنغنيز؛ يُحدد أحيانًا لتحسين قابلية التصلب أو القوة في الأقسام السميكة.
• ملاحظة: قد يظهر اللاحقة "R" في تسميات الموردين أو الوطنية للدلالة على معالجة محددة (مثل الدرجة المحاطة أو المدرفلة أو المكررة) في بعض المعايير. تأكد دائمًا من المعيار الدقيق والشهادة من المصنع عندما تتطلب المشتريات خصائص دقيقة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

تلخص الجدول أدناه الخصائص التركيبية النموذجية. هذه هي النطاقات التمثيلية المستخدمة في الصناعة لتوضيح التباين بين الدرجتين؛ استخدم دائمًا التركيب الدقيق من شهادة المصنع أو المعيار المعمول به عند التصميم أو الشراء.

كيف تؤثر استراتيجية السبيكة على الأداء: - يتحكم الكربون بشكل أساسي في القوة وقابلية التصلب؛ كلا الدرجتين منخفضتا الكربون لتحقيق قابلية تشكيل جيدة وقابلية لحام. - يزيد المنغنيز في 20MnR من قوة الشد، وقابلية التصلب (القدرة على تشكيل المارتنسيت/الباينيت في الأقسام السميكة عند التبريد السريع)، ويساهم في الصلابة عند المعالجة الحرارية بشكل صحيح. - يتم التحكم في عناصر السبيكة الأخرى والعناصر الأثرية (Si، S، P) لتحقيق توازن بين اللدونة وقابلية التشغيل وقابلية التشكيل.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية وكيف تؤثر المعالجة على كل درجة:

• 20R:
• كما تم درفلتها أو تطبيعها: بشكل أساسي فيريتي مع بيرلايت متناثر - مصفوفة ناعمة ولينة مناسبة للتشكيل والتشغيل.
• التبريد والتخمير: قابلية تصلب محدودة بسبب انخفاض المنغنيز؛ يمكن أن يتم تصلب السطح والأقسام الرقيقة، ولكن الأقسام السميكة لن تتطور فيها نسب عالية من المارتنسيت دون تبريد سريع جدًا.

• تحسين التطبيع من التوحيد ويصقل حجم الحبيبات، مما يعطي تحسينات متواضعة في القوة والصلابة.

• 20MnR:

• كما تم درفلتها أو تطبيعها: فيريتي بالإضافة إلى حجم أكبر من البيرلايت مقارنة بـ 20R، بسبب محتوى المنغنيز؛ البنية المجهرية أكثر صلابة وأقل قابلية للتشوه في الحالة الموردة.
• التبريد والتخمير: يسمح بعمق أكبر في التصلب في الأقسام السميكة؛ مع دورات T/T المناسبة، يمكن أن تحقق 20MnR مستويات قوة أعلى وصلابة ملائمة.
• يمكن أن تنتج المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المتحكم بها) بنية مجهرية مصقولة من الفيريتي/البيرلايت أو الباينيت مع توازن محسّن بين القوة والصلابة.

النتيجة العملية: تستجيب 20MnR بشكل أفضل للتبريد/التخمير وتقدم قوة أعلى قابلة للتحقيق في مقاطع عرضية أكبر من 20R في ظروف معالجة حرارية قابلة للمقارنة.

4. الخصائص الميكانيكية

تقدم التباينات في الخصائص الميكانيكية بشكل نوعي ومع نطاقات نموذجية يستخدمها المهندسون بشكل شائع للاختيار. استخدم شهادات المصنع أو تقارير الاختبار للحصول على أرقام تصميم دقيقة.

أيها أقوى، وأصلب، أو أكثر لدونة، ولماذا: - القوة: عادةً ما توفر 20MnR قوة أعلى (كلا من قوة الشد والخضوع) لنفس المعالجة الحرارية لأن المنغنيز يعزز بنية مجهرية أكثر صلابة من البيرلايت/الباينيت ويزيد من قابلية التصلب. - الصلابة: مع المعالجة المناسبة، يمكن أن تتساوى 20MnR أو تتجاوز صلابة التأثير لـ 20R؛ ومع ذلك، يمكن أن تؤدي المعالجة الحرارية غير الصحيحة أو معدلات التبريد المفرطة إلى هشاشة الفولاذات عالية المنغنيز. - اللدونة: تميل 20R إلى أن تكون أكثر لدونة في الحالة الملدنة/المطبوعة بسبب النسبة الأقل من المكونات الصلبة.

5. قابلية اللحام

تتأثر قابلية اللحام بمعادل الكربون والسبيكة الدقيقة. هناك صيغ تجريبية شائعة الاستخدام مفيدة للتفسير النوعي؛ أدخل الأشكال المعمول بها هنا للتقييم.

عرض صيغة معادل الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

معامل أكثر شمولاً يستخدم في بعض المواصفات: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 20R: المنغنيز المنخفض والكربون المنخفض يعطيان قيم معادل كربون منخفضة نسبيًا → قابلية لحام جيدة بشكل عام، خطر منخفض من التشقق البارد، واحتياج ضئيل للتسخين المسبق للأقسام الرقيقة. - 20MnR: زيادة المنغنيز تزيد من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ مقارنة بـ 20R، مما يشير إلى خطر أعلى من تشكيل مناطق صلبة وتشقق مساعد بالهيدروجين في منطقة التأثير الحراري (HAZ) للأقسام السميكة أو اللحامات ذات القيود العالية. يمكن أن يقلل التسخين المسبق ودرجات الحرارة المتحكم فيها بين الطبقات، وعلوم المعادن المناسبة، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) من المخاطر. - تؤثر عناصر السبيكة الدقيقة (إذا كانت موجودة) والضغوط المتبقية أيضًا على قابلية اللحام. احسب دائمًا معادلات الكربون للتركيب الكيميائي المعتمد الفعلي واتبع مواصفات إجراءات اللحام المؤهلة (WPS).

6. التآكل وحماية السطح

• لا 20R ولا 20MnR هما فولاذ مقاوم للصدأ. مقاومة التآكل نموذجية للفولاذات منخفضة الكربون وتتطلب حماية سطحية للبيئات المكشوفة.
• طرق الحماية النموذجية: الطلاء، التغطية، الغلفنة بالغمر الساخن، الطلاء الكهربائي، أو الحماية من التآكل التضحيتي حسب بيئة الخدمة وعمر التصميم.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على الفولاذات منخفضة السبيكة غير المقاومة للصدأ؛ استخدم ما يلي فقط للفولاذات المقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• إرشادات الاختيار: إذا كانت مقاومة التآكل دافعًا مهمًا، حدد الطلاءات الواقية المناسبة أو اختر سبائك مقاومة للصدأ أو التآكل بدلاً من 20R/20MnR.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• 20R: قابلية تشغيل جيدة بشكل عام في الحالة الملدنة/المطبوعة؛ المنغنيز المنخفض والصلابة المنخفضة تسهل القطع.
• 20MnR: قابلية تشغيل مخفضة قليلاً بسبب القوة الأعلى والبنية المجهرية الأكثر صلابة؛ تتحسن قابلية التشغيل بعد التلدين أو التخمير المناسب.
• قابلية التشكيل والعمل البارد:
• 20R: أفضل للثني، والسحب العميق، والتشكيل البارد بسبب اللدونة الأكبر.
• 20MnR: قابلية التشكيل كافية للعديد من الاستخدامات الهيكلية ولكن قد تتطلب أشعة ثني أكبر أو تلدينًا وسيطًا للتشكيل الشديد.
• إنهاء السطح:
• كلاهما يقبل طرق إنهاء قياسية (طحن، تلميع، تقوية بالكرات)، ولكن القوة الأعلى (20MnR) تزيد من تآكل الأدوات والطاقة المطلوبة للتشكيل.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر 20R عندما تكون التصميمات تعطي الأولوية لقابلية التشكيل، وقابلية اللحام، وتكلفة المواد المنخفضة، وعندما تكون مستويات القوة المطلوبة متواضعة أو قابلة للتحقيق مع معالجة أبسط. - اختر 20MnR عندما تكون القوة الموردة الأعلى أو قابلية التصلب الأفضل في الأقسام السميكة مطلوبة، أو عندما يكون من المقصود معالجة التبريد والتخمير للوصول إلى أهداف أداء أعلى.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون 20MnR أغلى قليلاً من 20R العادي بسبب محتوى المنغنيز الأعلى المتعمد والضوابط الإضافية المحتملة في المعالجة. تعتمد الزيادة الدقيقة على عروض المصانع الإقليمية وظروف السوق.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحتان بشكل شائع في الألواح، والبار، والمسبوكات من المصانع والموزعين الإقليميين، ولكن قد يكون توافر 20MnR المعتمد في أشكال منتجات معينة (مثل المسبوكات الكبيرة، والمعالجات الحرارية المحددة) أكثر محدودية من 20R العادي. يمكن أن تختلف أوقات التسليم حسب الشكل والحجم والمعالجة الحرارية.

10. الملخص والتوصية

التوصية: - اختر 20R إذا كنت بحاجة إلى فولاذ فعال من حيث التكلفة، سهل التشغيل والتشكيل للمكونات الهيكلية العامة، أو الأجزاء المشغولة، أو التجميعات الملحومة حيث لا تكون قابلية التصلب في الأقسام السميكة مطلوبة. - اختر 20MnR إذا كانت التطبيق يتطلب تحسين قابلية التصلب، أو قوة أعلى عند التسليم، أو القدرة على تحقيق قوة أعلى من خلال التبريد والتخمير عبر الأقسام السميكة - على سبيل المثال، المحاور، والتروس، أو المكونات حيث يكون التصلب الكامل أو مقاومة التعب المرتفعة أمرًا مهمًا.

ملاحظات نهائية: - تحقق دائمًا من المواصفات الكيميائية والميكانيكية الدقيقة على شهادة اختبار المصنع وحدد المعيار ذي الصلة في طلب الشراء. - بالنسبة للهياكل الملحومة أو المكونات الحرجة، احسب معادل الكربون القابل للتطبيق (مثل $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$) باستخدام الكيمياء المعتمدة واتبع إجراءات اللحام المؤهلة. - عندما يكون التآكل، أو عمر التعب، أو صلابة الكسر متطلبات تصميم حاكمة، قم بإجراء اختبارات تأهيل المواد أو اختر المواد المحددة خصيصًا لتلك الخصائص.