BH180 مقابل BH220 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
غالبًا ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين المزايا والعيوب المتعلقة بالقوة والمرونة وقابلية اللحام والتكلفة والتوافر عند اختيار الفولاذ الهيكلي. BH180 و BH220 هما درجتان تجاريتان مرتبطتان ارتباطًا وثيقًا يتم مقارنتهما بشكل متكرر عندما يتطلب التصميم لوحًا هيكليًا أو شريطًا بقوة منخفضة إلى متوسطة حيث تكون القابلية للتشكيل والتكلفة مهمة. تشمل سياقات القرار النموذجية الاختيار بين مادة أقل تكلفة وأسهل في التشكيل للمكونات الهيكلية الخفيفة مقابل خيار أعلى عائد عندما تكون سعة التحميل الأكبر أو الأقسام الرقيقة مطلوبة.
السمة المميزة الرئيسية بين BH180 و BH220 هي مستوى قوة العائد التصميمية: يتم تحديد BH220 لعائد أدنى أعلى من BH180. نظرًا لأن قوة العائد تحكم الضغوط التصميمية المسموح بها، واستراتيجيات التصنيع، وأحيانًا عمليات التشكيل البارد والانضمام اللاحقة، يتم مقارنة هذه الدرجات بشكل شائع في مواصفات التصميم والتصنيع.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الشائعة حيث تظهر درجات مماثلة تعتمد على العائد: المعايير الوطنية مثل GB (الصين)، JIS (اليابان)، EN (أوروبا)، و ASTM/ASME (الولايات المتحدة الأمريكية). تختلف أسماء الدرجات المحددة وأنظمة الترقيم حسب الاختصاص؛ يتم مواجهة تسمية "BH" بشكل شائع في المعايير الآسيوية وكتيبات الموردين للفولاذ الهيكلي المدرفل على الساخن والمدرفل على البارد.
- تصنيف حسب عائلة الفولاذ:
- BH180: عادةً ما يكون فولاذ هيكلي كربوني أو ميكروسبائكي بقوة منخفضة إلى متوسطة (غير مقاوم للصدأ).
- BH220: عادةً ما يكون فولاذ هيكلي كربوني أو ميكروسبائكي بقوة متوسطة (غير مقاوم للصدأ).
- هذه ليست فولاذ أدوات، أو فولاذ مقاوم للصدأ، أو درجات عالية السبيكة؛ يتم اعتبارها عادةً فولاذ هيكلي كربوني/ميكروسبائكي (مماثل للفولاذ العادي أو HSLA اعتمادًا على محتوى الميكروسبائك).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
فيما يلي جدول تركيب تمثيلي يوضح العناصر التي يتم تحديدها عادةً للفولاذ الهيكلي بقوة منخفضة إلى متوسطة. تختلف التركيب الفعلي حسب المورد والمعيار. تأكد دائمًا من شهادة المواد الخاصة بالشركة المصنعة.
| العنصر | النطاق النموذجي (wt%) — BH180 | النطاق النموذجي (wt%) — BH220 |
|---|---|---|
| C | 0.06–0.18 | 0.08–0.20 |
| Mn | 0.30–1.20 | 0.40–1.20 |
| Si | 0.02–0.40 | 0.02–0.40 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ≤ 0.30 (اختياري) | ≤ 0.30 (اختياري) |
| Ni | ≤ 0.30 (اختياري) | ≤ 0.30 (اختياري) |
| Mo | ≤ 0.10 (اختياري) | ≤ 0.10 (اختياري) |
| V | trace–0.10 (متغيرات ميكروسبائكية) | trace–0.10 (متغيرات ميكروسبائكية) |
| Nb | trace–0.06 (متغيرات ميكروسبائكية) | trace–0.06 (متغيرات ميكروسبائكية) |
| Ti | trace (إزالة الأكسدة/التثبيت) | trace (إزالة الأكسدة/التثبيت) |
| B | مستويات ppm إذا تم استخدامها | مستويات ppm إذا تم استخدامها |
| N | عادةً ≤ 0.012 | عادةً ≤ 0.012 |
ملاحظات: - هذه هي النطاقات التمثيلية المستخدمة في الفولاذ الهيكلي بقوة منخفضة ومتوسطة. قد تتم إضافة عناصر الميكروسبائك مثل V و Nb و Ti عمدًا بمستويات منخفضة للتحكم في حجم الحبيبات، وتقوية الترسيب، والصلابة دون زيادة كبيرة في الكربون المكافئ. - قد يؤدي الكربون الأعلى أو الإضافات المتعمدة من Cr أو Ni أو Mo إلى نقل الدرجة نحو الفولاذ السبيكي وتغيير قابلية اللحام واستجابة المعالجة الحرارية.
كيف تؤثر السبيكة على الأداء: - الكربون: المساهم الرئيسي في الصلابة والقوة؛ يزيد الكربون الأعلى من القوة ولكنه يقلل من المرونة وقابلية اللحام. - المنغنيز: يزيد من القوة والصلابة ويعوض عن هشاشة الكبريت؛ الكثير منه يضر بالقابلية للتشكيل. - السيليكون: مزيل للأكسدة؛ يمكن أن تزيد كميات صغيرة من القوة. - الميكروسبائك (V و Nb و Ti): تحسين حجم الحبيبات وتقوية الترسيب، مما يحسن العائد والصلابة دون زيادات كبيرة في الكربون.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية المعالجة لـ BH: - BH180: عادةً ما تكون بنية مجهرية من الفريت واللؤلؤ في حالة المدرفلة مع حبيبات خشنة نسبيًا إذا لم تكن ميكروسبائكية؛ تظهر المتغيرات الميكروسبائكية فريتًا أدق مع كربيدات/نيتريدات متناثرة. - BH220: غالبًا ما تكون قاعدة فريت-لؤلؤ مشابهة ولكن مع نسبة أكبر من المراحل المقواة بالعمل أو الترسيب (مثل الفريت الأدق، والترسيبات الأكثر تشتتًا) إما عبر التركيب (C/Mn أعلى قليلاً) أو المعالجة الحرارية الميكانيكية المسيطر عليها.
آثار طرق المعالجة الشائعة: - التطبيع: ينقي حجم الحبيبات ويجعل البنية المجهرية متجانسة، مما يحسن الصلابة وأحيانًا القوة بشكل معتدل. تستفيد كلتا الدرجتين من التطبيع إذا كانت الصلابة الأعلى مطلوبة. - التبريد والتخمير: عمومًا ليست اقتصادية أو ضرورية لدرجات BH؛ ستحول Q&T هذه المواد إلى بنى مجهرية متصلبة (مارتنسيت مخفف/باينيت مخفف) بقوة أعلى بكثير ومرونة أقل مقارنةً بنية الدرجة الهيكلية. - المعالجة الحرارية الميكانيكية المسيطر عليها (TMCP): غالبًا ما يتم تطبيقها على BH220 لتحقيق قوة عائد أعلى من خلال الدرفلة المسيطر عليها والتبريد المعجل، مما ينتج فريتًا مصقولًا مع تقوية الترسيب مع الحفاظ على المرونة والصلابة.
باختصار، يتم إنتاج BH220 إما من خلال محتوى سبيكة أعلى قليلاً أو من خلال TMCP أكثر عدوانية لتحقيق قوة عائد أعلى مع الاحتفاظ بصلابة وقابلية تشكيل مقبولة.
4. الخصائص الميكانيكية
نطاقات الخصائص الميكانيكية التمثيلية لـ BH180 و BH220 في أشكال المنتجات الشائعة (لوح/لفائف). تأكد من القيم الفعلية من شهادة اختبار المصنع.
| الخاصية | BH180 (نموذجي) | BH220 (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة العائد المحددة (0.2% إزاحة) | ~180 ميغاباسكال | ~220 ميغاباسكال |
| قوة الشد (Rm) | ~300–420 ميغاباسكال | ~360–520 ميغاباسكال |
| التمدد (A%) | ~20–30% | ~16–25% |
| صلابة التأثير (شاربي V-notch، نموذجي في الظروف المحيطة) | جيد؛ يعتمد على السماكة/العملية | مماثل أو أقل قليلاً إذا تم تحقيق القوة عن طريق السبيكة أو TMCP |
| الصلابة (HB) | منخفضة إلى معتدلة (~100–160 HB) | معتدلة (~130–190 HB) |
التفسير: - القوة: تتمتع BH220 بقوة عائد محددة أعلى وعادةً بقوة شد أعلى من BH180، مما يمكّن من استخدام أقسام أرق لنفس الحمولة. - المرونة والصلابة: تميل BH180 إلى أن تكون أكثر مرونة وأسهل في التشكيل؛ يمكن هندسة BH220 للاحتفاظ بصلابة جيدة، ولكن المتغيرات ذات القوة الأعلى غالبًا ما تتداول بعض التمدد من أجل العائد. - دلالة التصميم: اختر BH220 لسعة تحميل أعلى أو تقليل سماكة القسم؛ اختر BH180 عندما تكون عملية التشكيل أو الانحناء أو امتصاص الطاقة هي الأولوية.
5. قابلية اللحام
تتأثر قابلية اللحام بشكل رئيسي بمحتوى الكربون، والسبيكة المجمعة (الصلابة)، والمواد المتبقية. مؤشرين تجريبيين مفيدين:
-
معادل الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm المعدل (لتقييم قابلية التشقق البارد): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - القيم المنخفضة لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ تعني قابلية لحام أسهل وانخفاض خطر التشقق البارد الناتج عن الهيدروجين. - عادةً ما تحتوي BH180 على معادل كربون أقل من BH220 إذا كانت BH220 تحقق العائد من خلال C/Mn أعلى قليلاً أو إضافة ميكروسبائكية إضافية؛ لذلك غالبًا ما تكون BH180 أسهل قليلاً في اللحام دون تسخين مسبق. - يمكن أن تزيد الميكروسبائك (Nb و V) من الصلابة محليًا وتستلزم إجراءات لحام مسيطر عليها (مدخل حرارة أقل، تسخين مسبق/لاحق) للأقسام الأكثر سمكًا. - إرشادات عملية: تقييم سماكة الوصلات، والتحكم في الهيدروجين، وعملية اللحام؛ عند لحام BH220، ضع في اعتبارك التسخين المسبق، والتحكم في درجة حرارة الطبقات، ومطابقة الملء المناسبة لتجنب البنى المجهرية الهشة في منطقة الحرارة المتأثرة.
6. التآكل وحماية السطح
- لا تعتبر BH180 ولا BH220 فولاذ مقاوم للصدأ؛ مقاومة التآكل نموذجية للفولاذ الكربوني. يتطلب التعرض للبيئات الرطبة أو التآكل حماية سطحية.
- استراتيجيات الحماية الشائعة:
- التغليف بالغمس الساخن لمقاومة التآكل الجوي.
- الطلاءات/الدهانات العضوية للاستخدام المعماري أو القريب من البحار (مع التحضير السطحي المناسب).
- التغليف أو الطلاء في البيئات التآكلية الخاصة.
- PREN غير قابل للتطبيق لأن هذه ليست درجات مقاومة للصدأ. من أجل الاكتمال، فإن مؤشر PREN المستخدم للفولاذ المقاوم للصدأ هو: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لكن هذا لا ينطبق على الفولاذ الكربوني منخفض السبيكة.
- إذا كانت مقاومة التآكل مطلوبة في التصميم، فكر في التحول إلى درجة مقاومة للصدأ مناسبة أو تطبيق الطلاءات المناسبة؛ ستؤثر هذه الاعتبارات بشكل كبير على تكلفة دورة الحياة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، والقابلية للتشكيل
- القابلية للتشكيل: تقدم BH180 عمومًا تشكيلًا باردًا أفضل (انحناء، سحب) بسبب العائد المنخفض والتمدد الأعلى. يمكن تشكيل BH220 ولكن قد تتطلب أشعة انحناء أكبر أو تلدينًا وسيطًا للسحب العميق.
- قابلية التشغيل: يمكن تشغيل كلا الدرجتين بأدوات قياسية؛ يمكن أن تزيد القوة الأعلى (BH220) من تآكل الأدوات وقوى القطع. اختر سرعات القطع والتغذية لتتناسب مع القوة والصلابة.
- عمليات القطع والحرارة: يتم استخدام القطع بالبلازما، والغاز الأكسجيني، والليزر بشكل شائع؛ قد تتطلب أقسام BH220 الأكثر سمكًا تعديل المعلمات بسبب القوة الأعلى واحتمالية التشقق الحراري.
- تشطيب السطح/التشطيب: قد تقبل BH180 تشطيبات سطحية أدق بتكلفة أقل قليلاً بسبب سهولة التشغيل والصلابة المنخفضة.
8. التطبيقات النموذجية
| BH180 — التطبيقات النموذجية | BH220 — التطبيقات النموذجية |
|---|---|
| أقسام هيكلية خفيفة، تصنيع عام، ألواح داخلية للسيارات، دعامات منخفضة الحمل، هياكل خفيفة | مكونات هيكلية متوسطة الحمل، أعضاء الهيكل، هياكل تتطلب قوة أعلى، هياكل ناقلة حيث تكون المقاييس الرقيقة مطلوبة |
| سلع استهلاكية حيث تكون القابلية للتشكيل والتكلفة هي الأولوية | معدات زراعية وإنشائية حيث تكون الحاجة إلى نسبة قوة إلى وزن أعلى |
| مكونات معمارية مطلية أو مجلفنة مع أحمال معتدلة | مكونات تستفيد من القوة الناتجة عن TMCP مع الاحتفاظ بالصلابة (مثل هياكل المقطورات، وأعضاء الدعم متوسطة الحمل) |
مبررات الاختيار: - BH180: يتم اختيارها حيث تكون عملية التشكيل، وامتصاص الطاقة، والتكلفة هي الأولوية؛ قد يتم استخدام أقسام أكثر سمكًا لتلبية القوة. - BH220: يتم اختيارها حيث تكون وفورات الوزن، والضغط المسموح به الأعلى، أو الأقسام الرقيقة مطلوبة مع الاستمرار في استخدام فولاذ كربوني/ميكروسبائكي.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: عادةً ما تكون BH220 أغلى قليلاً من BH180 لكل وحدة كتلة بسبب المعالجة الأعلى (TMCP) أو السبيكة الأعلى قليلاً؛ ومع ذلك، يمكن أن تقلل BH220 من التكلفة الإجمالية للجزء من خلال تمكين تقليل السماكة.
- التوافر: كلاهما متاحان عادةً في أشكال لوح ولفائف في الأسواق الإقليمية حيث يتم استخدام هذه التسميات؛ تختلف أشكال المنتجات الدقيقة وعرض اللفائف حسب المصنع والمنطقة. يتم تخزين BH180 أو ما يعادلها تقريبًا بشكل عالمي؛ قد يتم إنتاج BH220 حسب الطلب في بعض الأسواق اعتمادًا على الطلب.
10. الملخص والتوصية
| السمة | BH180 | BH220 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (معادل كربون أقل في العديد من الحالات) | جيد ولكن قد يتطلب ضوابط أكثر صرامة للأقسام الأكثر سمكًا |
| توازن القوة والصلابة | عائد أقل، مرونة أعلى | عائد أعلى، صلابة مشابهة محتملة إذا كانت TMCP؛ أقل مرونة |
| التكلفة | تكلفة المواد أقل لكل طن | تكلفة المواد أعلى لكل طن ولكن يمكن أن تقلل من وزن/تكلفة الجزء |
التوصيات: - اختر BH180 إذا كنت بحاجة إلى سهولة التشكيل واللحام، ومرونة أعلى، وتتحمل التطبيق قوة عائد أقل—أمثلة: أجزاء هيكلية خفيفة، مكونات مشكّلة بشكل كبير، وحيث تكون التكلفة هي المحرك الرئيسي. - اختر BH220 إذا كنت بحاجة إلى قوة عائد أدنى أعلى لتقليل سماكة القسم أو الكتلة مع الحفاظ على صلابة معقولة—أمثلة: أعضاء هيكلية متوسطة الحمل، هياكل، أو تطبيقات حيث تكون وفورات الوزن مهمة.
ملاحظة نهائية: تعتبر BH180 و BH220 خيارات تعتمد على العائد ضمن عائلة أوسع من الفولاذ الهيكلي الكربوني والميكروسبائكي. لأي تصميم حرج، تحقق من التركيب الكيميائي الدقيق وشهادات الاختبار الميكانيكية من المورد، وتأكد من المعايير الوطنية أو معايير المشروع المعمول بها، وحقق إجراءات اللحام والتشكيل من خلال التجارب أو توصيات المورد.