Q390 مقابل Q420 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

Q390 و Q420 هما فولاذان هيكليان عاليان القوة يُستخدمان عادةً في الأسواق الصينية والأسواق ذات الصلة للتطبيقات الحاملة للأحمال حيث تكون القوة المحورية المطلوبة أعلى من الفولاذ العادي. يحتاج المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا إلى اتخاذ قرار بين هذين الدرجتين عند الموازنة بين القوة والصلابة وقابلية اللحام وقابلية التشكيل والتكلفة. تشمل سياقات الاختيار النموذجية التصنيع الثقيل (الجسور والرافعات والهياكل البحرية)، والإطارات الحاملة للضغط، والمكونات الهيكلية التي يجب أن تلبي أهدافًا أكثر صرامة من حيث القوة أو تقليل الوزن.

الفرق العملي الأساسي هو أن Q420 يُحدد لتوفير قوة حد أدنى أعلى من Q390، مما يؤثر على كيفية إنتاج الفولاذ (السبائك، المعالجة الحرارية الميكانيكية، أو المعالجة الحرارية) وبالتالي يؤثر على الصلابة وقابلية اللحام وسلوك التشكيل. نظرًا لأن كلاهما مصنف كفولاذات منخفضة السبيكة عالية القوة (HSLA) بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ الأدوات، تركز المقارنات على التوازن بين القوة والصلابة، وقيود التصنيع، والتدابير الوقائية ضد التآكل.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الوطنية والدولية الشائعة حيث يتم الإشارة إلى الدرجات القابلة للمقارنة:
• GB/T (الصين): تُعرف فولاذات سلسلة Q (مثل Q390، Q420) في المواصفات الصينية للفولاذ الهيكلي.
• EN (أوروبا): المعادلات الأقرب هي درجات هيكلية مثل S355 أو S420 حسب الخصائص.
• JIS (اليابان): لا يوجد تطابق مباشر؛ تركز درجات JIS على تسميات أخرى.
• ASTM/ASME (الولايات المتحدة): لا يوجد تطابق مباشر لمعيار واحد — استخدم المطابقة الميكانيكية/الخصائص (مثل ASTM A572 للفولاذ الهيكلي عالي القوة).
• التصنيف: كل من Q390 و Q420 هما فولاذان كربونيان من نوع HSLA (منخفض السبيكة عالية القوة) مُحسنان للتطبيقات الهيكلية. هما ليسا فولاذ مقاوم للصدأ أو فولاذ أدوات أو فولاذات سبيكية خاصة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

تؤكد الاتجاهات التركيبية النموذجية لفولاذات سلسلة Q من نوع HSLA على الكربون المنخفض بالإضافة إلى إضافات صغيرة من المنغنيز والسيليكون وعناصر السبيكة الدقيقة لتحقيق القوة مع الحفاظ على الصلابة وقابلية اللحام. الجدول أدناه يعطي نطاقات نموذجية مؤشِّرة (wt%). تحقق دائمًا من التركيب الدقيق على شهادات المصنع أو المعيار المعمول به للمواد المشتراة.

جدول: نطاقات التركيب النموذجية (wt%) — مؤشِّر فقط؛ استشر المواصفة أو شهادة المصنع للأرقام الدقيقة

عنصر	Q390 (نطاق نموذجي، wt%)	Q420 (نطاق نموذجي، wt%)
C	0.06 – 0.18	0.06 – 0.16
Mn	0.40 – 1.60	0.50 – 1.60
Si	0.10 – 0.50	0.10 – 0.50
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0 – 0.50	0 – 0.50
Ni	0 – 0.30	0 – 0.30
Mo	0 – 0.10	0 – 0.10
V (ميكروسبيكة)	0 – 0.12	0 – 0.12
Nb (ميكروسبيكة)	0 – 0.08	0 – 0.08
Ti	0 – 0.02	0 – 0.02
B	0 – 0.002	0 – 0.002
N	0.005 – 0.020	0.005 – 0.020

تفسير - الكربون: يُحافظ عليه منخفضًا إلى معتدل للحد من القابلية للتصلب والحفاظ على قابلية اللحام؛ يُستخدم أحيانًا كربون أقل قليلاً في الدرجات عالية القوة مع إضافة ميكروسبيكة أو الدرفلة الحرارية الميكانيكية. - المنغنيز والسيليكون: مقويان ومزيلان للأكسدة؛ يساهم المنغنيز في القابلية للتصلب وقوة الشد. - الميكروسبيكة (V، Nb، Ti، B): تتيح الإضافات الصغيرة تعزيز الترسيب وتنقية الحبوب، مما يسمح بزيادة القوة الحدية دون زيادات كبيرة في الكربون أو عناصر السبيكة الأخرى التي قد تضر بقابلية اللحام. - السبيكة الثانوية (Cr، Ni، Mo): تُستخدم فقط عندما تكون القابلية للتصلب أو المقاومة البيئية محددة.

3. التركيب المجهري واستجابة المعالجة الحرارية

التركيب المجهري لكل من Q390 و Q420 هو عادةً مزيج من الفريت والبرليت أو الفريت والبانيتي، حسب مسار المعالجة: - كما هو مدرفل/مُعدل: مصفوفة فريتية دقيقة مع برليت متناثر شائعة؛ يُحسن التعديل من حجم الحبوب ويزيد من الصلابة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (TMCP): تعزز الدرفلة المتحكم فيها والتبريد المعجل من الفريت متعدد الأضلاع الدقيق والبانيتي، مما يمكّن من تحقيق قوة حدية أعلى بمحتوى سبيكة أقل — وهو مسار شائع لـ Q420. - التبريد والتخمير: ليس شائعًا لدرجات Q الروتينية الهيكلية، ولكن يُستخدم عندما تكون هناك حاجة لمزيج مصمم من القوة العالية والصلابة؛ ينتج مارتنسيت مُخمّر أو بانيتي مُخمّر وصلابة أعلى. - ترسيب الميكروسبيكة: ترسبات Nb وV وTi تثبت حدود الحبوب وتمنع إعادة التبلور، مما يوفر القوة من خلال تنقية الحبوب وتعزيز الترسيب مع زيادة كربون طفيفة.

أثر المعالجة - يعتمد Q420 غالبًا أكثر على TMCP والميكروسبيكة للوصول إلى القوة الحدية المضمونة الأعلى مع الحفاظ على الصلابة؛ يمكن أن ينتج عن ذلك نسبة أعلى قليلاً من التركيب المجهري البانيتي مقارنةً بـ Q390 تحت معالجة مكافئة. - يمكن أن تغير المعالجة الحرارية (التعديل مقابل التبريد والتخمير) بشكل كبير من الصلابة والصلابة؛ الأجزاء السميكة لها تبريد أبطأ وبالتالي تركيب مجهرية أكثر خشونة وصلابة أقل.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية (مؤشر؛ تعتمد على السماكة والمعالجة والمعيار)

الخاصية	Q390 (نموذجي)	Q420 (نموذجي)
قوة الحد الأدنى (Rp0.2)	≈ 390 ميجا باسكال (محدد)	≈ 420 ميجا باسكال (محدد)
قوة الشد (Rm)	~ 470 – 630 ميجا باسكال	~ 520 – 680 ميجا باسكال
التمدد (A، % على 50 مم)	~ 20 – 26%	~ 17 – 22%
صلابة التأثير (شاربي V‑notch، J)	تعتمد على التطبيق/الدرجة؛ غالبًا ما تُحدد عند 0 درجة مئوية إلى -20 درجة مئوية؛ النموذجي 27 – 47 J	نطاق مشابه ولكن يميل إلى أن يكون أقل في المتوسط عند نفس السماكة/المعالجة
الصلابة (HB)	عادةً أقل من Q420 لنفس المعالجة	أعلى قليلاً، تعكس القوة الأعلى

تفسير - القوة: يوفر Q420 قوة حد أدنى أعلى حسب المواصفة. تحقيق تلك القوة دون التضحية بالصلابة يميل إلى الاعتماد على TMCP والميكروسبيكة بدلاً من زيادة محتوى الكربون بشكل كبير. - الصلابة مقابل القابلية للتمدد: لنفس المعالجة، يمكن أن يكون Q420 أقل قليلاً في القابلية للتمدد وقد يظهر طاقة تأثير أقل من Q390؛ يحتاج التحكم الدقيق في الدرفلة والتبريد للحفاظ على صلابة مقبولة في الأجزاء السميكة. - دلالة التصميم: استخدم Q420 حيث تكون الهامش ضد الانحناء مهمًا أو حيث يُسعى لتقليل الوزن. استخدم Q390 عندما تكون القابلية للتمدد أو صلابة التأثير أفضل قليلاً مع تكلفة أقل.

5. قابلية اللحام

تُحكم قابلية اللحام بشكل أساسي بمحتوى الكربون، والسبيكة المجمعة (القابلية للتصلب)، والميكروسبيكة. اثنان من المؤشرات التجريبية الشائعة هما المعادل الكربوني IIW وصيغة Pcm:

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

• صيغة Pcm (لتقدير قابلية التشقق البارد): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

تفسير نوعي - تم تصميم كل من Q390 و Q420 بمحتوى كربون منخفض نسبيًا لدعم قابلية لحام جيدة. ومع ذلك، قد يكون لدى Q420 قابلية تصلب فعالة أعلى قليلاً بسبب الميكروسبيكة والتركيبات الناتجة عن TMCP — مما يزيد من خطر تكوين المارتنسيت في المناطق المتأثرة بالحرارة (HAZ) عند اللحام عالي الحرارة أو الأجزاء السميكة. - استخدم التسخين المسبق، ودرجات حرارة التداخل المتحكم فيها، وأقطاب كهربائية منخفضة الهيدروجين للألواح أو الوصلات السميكة ذات قيم Pcm/CE أعلى. قد تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) مطلوبة للتطبيقات الحرجة. - بالنسبة للحام الروتيني للأجزاء الرقيقة إلى المتوسطة، يمكن لحام كلا الدرجتين بسهولة باستخدام الإجراءات المناسبة؛ غالبًا ما يتطلب Q420 اهتمامًا أكبر بتصميم الوصلات والتحكم في الحرارة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا يُعتبر كل من Q390 و Q420 فولاذات مقاومة للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل الجوي والكيميائي مثل معظم الفولاذات الكربونية.
• استراتيجيات الحماية القياسية: الغلفنة بالغمس الساخن، وطلاءات لاملا الزنك، وأنظمة الطلاء الإيبوكسي/البولي يوريثان، والحماية الكاثودية للبيئات البحرية/البحرية، وتفاصيل التصميم المقاومة للتآكل (التصريف، فصل المعادن المختلفة).
• PREN غير قابل للتطبيق: بالنسبة للفولاذات المقاومة للصدأ، فإن رقم مقاومة التآكل هو ذو صلة: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لا يُستخدم هذا المؤشر للفولاذات الكربونية/HSLA؛ لذلك لا ينبغي تطبيق PREN على Q390/Q420.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: يتمتع Q390 ذو القوة المنخفضة عمومًا بقابلية تشكيل باردة أفضل (قابلية الانحناء، تشكيل الضغط) من Q420 عند السماكة المعادلة بسبب القابلية الأعلى للتمدد. قد يتطلب Q420 أشعة انحناء أكبر أو قوى تشكيل أعلى.
• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين متشابهتان؛ قابلية التشغيل مقبولة ولكنها تنخفض مع القوة. عادةً ما تزيد القوة الأعلى (Q420) من تآكل الأدوات وتطلب أدوات وإعدادات قطع أكثر قوة.
• تحمل القطع/اللحام: قد يكون Q420 أكثر حساسية لعدم الاستواء والارتداد بسبب القوة الحدية الأعلى؛ يجب أن تأخذ تحملات التصنيع ذلك في الاعتبار.
• إنهاء السطح: كلاهما يتقبلان الطلاء والغلفنة بشكل جيد؛ المعالجة المسبقة وإعداد السطح هي قياسية.

8. التطبيقات النموذجية

جدول: الاستخدامات النموذجية حسب الدرجة

Q390 (الاستخدامات النموذجية)	Q420 (الاستخدامات النموذجية)
الأشعة الهيكلية العامة، الأعمدة، والإطارات حيث تكون الكفاءة التكلفة وقابلية التمدد الجيدة هي الأولوية	مكونات الرافعات، العوارض الثقيلة، وأعضاء الجسور حيث يقلل الحد الأعلى من حجم القسم والوزن
هياكل الشاسيه والمركبات متوسطة التحمل	أعضاء الجاكيت البحرية ومكونات المنصة حيث تكون القوة إلى الوزن أعلى (مع حماية ضد التآكل)
المعدات الزراعية والبنائية	مكونات هيكلية عالية التحمل (رافعات، بكرة، آلات ثقيلة) حيث تكون الهوامش ضد الانحناء البلاستيكي أكثر ضيقًا
خزانات التخزين والأصداف الهيكلية غير المضغوطة (مع الحماية المناسبة)	أعضاء مصنعة مصممة لتقليل الوزن في الهياكل النقلية

مبررات الاختيار - اختر Q420 عندما يتطلب التصميم قوة حدية أعلى لتقليل الوزن، أو حجم أقسام أصغر، أو لتلبية متطلبات تحميل هيكلية أعلى. يُفضل Q420 عندما يمكن لمتجر التصنيع التحكم في إجراءات اللحام وقوالب العمل للمواد عالية القوة. - اختر Q390 عندما تكون القابلية للتمدد الأفضل قليلاً، وسهولة التشكيل، وتكلفة أقل/مخاطر التوريد هي الأولويات.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما يكون Q420 أكثر تكلفة من Q390 على أساس كل طن بسبب متطلبات المعالجة الأعلى (TMCP، التحكم في الميكروسبيكة) وضمانات الخصائص الأكثر صرامة. يختلف فرق السعر حسب المصنع والمنطقة وشكل المنتج (لوح، ملف، قسم).
• التوافر: يميل Q390 إلى أن يكون مخزونًا أكثر شيوعًا في مصانع الهيكل العامة والموزعين. قد يكون Q420 أكثر توافرًا في المناطق ذات الطلب العالي على فولاذات HSLA؛ ومع ذلك، قد تتطلب أشكال المنتجات المتخصصة أو السماكات وقتًا إضافيًا لكلا الدرجتين.

10. الملخص والتوصية

جدول: مقارنة سريعة

المعيار	Q390	Q420
قابلية اللحام	جيدة؛ هامش أفضل قليلاً في الأقسام السميكة	جيدة، ولكن تتطلب تحكمًا أكثر صرامة في الحرارة للأقسام السميكة
توازن القوة–الصلابة	متوازن نحو القابلية للتمدد/الصلابة	قوة حدية أعلى؛ قد تتاجر ببعض القابلية للتمدد/الصلابة
التكلفة (نسبية)	أقل	أعلى

التوصيات - اختر Q390 إذا: كنت بحاجة إلى فولاذ HSLA فعال من حيث التكلفة مع قابلية تمدد جيدة وسهولة في التشكيل/اللحام للأحمال الهيكلية المتوسطة؛ عندما تكون سرعة التصنيع وتآكل الأدوات الأقل هي الأولويات؛ أو عندما تكون توفر المخزون والسعر الأقل حاسمة. - اختر Q420 إذا: كان تصميمك يتطلب قوة حدية مضمونة أعلى لتقليل حجم القسم أو الوزن، أو عندما يجب زيادة الهوامش الهيكلية ضد الانحناء؛ شريطة أن تتمكن إجراءات التصنيع واللحام لديك من التحكم في إدخال الحرارة وتقبل زيادة معتدلة في تكلفة المواد.

ملاحظة نهائية حدد دائمًا المعيار الدقيق، وحدود السماكة، والطاقة التأثيرية المطلوبة (درجة الحرارة)، ومؤهلات إجراءات اللحام في مستندات الشراء. يجب مراجعة شهادات المصنع وتقارير اختبار الدفعات لضمان أن الكيمياء والنتائج الميكانيكية الموردة تلبي متطلبات الأداء وقيود التصنيع للمشروع.