SPHC مقابل SPHD – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

SPHC و SPHD هما درجتان من الفولاذ المدلفن على الساخن المحددة بشكل شائع وفقًا لمعيار JIS (المعيار الصناعي الياباني) وتستخدمان في مجالات التصنيع ومكونات السيارات والهياكل العامة والتصنيع الخفيف. غالبًا ما يختار المهندسون وفرق الشراء بينهما عند الموازنة بين التكلفة وقابلية التشكيل وقابلية اللحام والأداء الميكانيكي المطلوب للأجزاء المطبقة أو المنحنية أو الملحومة.

التمييز الفني الرئيسي المتعلق باختيار المكونات هو أن SPHD يتم إنتاجه وتحديده لتقديم مرونة أعلى (قابلية السحب وقابلية التشكيل) مقارنةً بـ SPHC، الذي يعد درجة تجارية مدلفنة على الساخن للاستخدام العام. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذ منخفض الكربون ومنخفض السبائك، فإن معضلة الاختيار تتركز عادةً على أداء التشكيل (السحب العميق، والانحناء الواسع) مقابل التوافر الواسع والتكلفة المنخفضة للمنتج التجاري.

1. المعايير والتسميات

• JIS: SPHC و SPHD هما درجات محددة وفقًا لمعيار JIS في عائلة الفولاذ المدلفن على الساخن.
• معايير أخرى:
• ASTM/ASME: المعادلات التقريبية هي فولاذ منخفض الكربون مدلفن على الساخن للاستخدام العام (مثل ASTM A1011 درجات تجارية) ولكن لا ينبغي افتراض المعادلة المباشرة دون الإشارة إلى متطلبات الخصائص المحددة والشهادات.
• EN: تلعب الفولاذات EN مثل S235JR/S235J0 أدوارًا مشابهة للمنتجات المدلفنة على الساخن ذات الجودة الهيكلية أو العامة؛ مرة أخرى، يجب التحقق من التوافق من خلال المتطلبات الكيميائية والميكانيكية.
• GB (الصين): تخدم أنواع مختلفة من فولاذ عائلة Q235 أسواقًا مشابهة.
• التصنيف: كل من SPHC و SPHD هما فولاذ منخفض الكربون وغير مقاوم للصدأ (ليس HSLA، ليس فولاذ أدوات، ليس مقاوم للصدأ). وهما مخصصان للتشكيل والاستخدامات الهيكلية العامة بدلاً من التطبيقات عالية القوة أو المقاومة للتآكل.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تم تصميم كل من SPHC و SPHD كفولاذ منخفض الكربون ومنخفض السبائك. يعتمدون على الحد الأدنى من السبائك المتعمدة؛ استراتيجية السبائك هي الحفاظ على الكربون والعناصر المتبقية منخفضة لضمان قابلية تشكيل جيدة، وقابلية لحام، وتكلفة منخفضة.

التفسير: الهدف من السبائك لكلتا الدرجتين هو الحد الأدنى من الإضافات: ما يكفي من المنغنيز والسيليكون لإزالة الأكسدة والقوة الأساسية، مع الحفاظ على العناصر التي تزيد من قابلية التصلب أو تقلل من المرونة (الكربون، الكروم، الموليبدينوم، إلخ) عند مستويات منخفضة. تستهدف مواصفات SPHD ومعالجة المطاحن تحسين المرونة من خلال حدود أكثر صرامة والتحكم في العمليات بدلاً من الاعتماد على السبائك الكيميائية الكبيرة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية: - البنية المجهرية المدلفنة لكلتا الدرجتين عادةً ما تكون من الفريت مع جيوب من البيرلايت (وهو ما يميز الفولاذ المدلفن على الساخن منخفض الكربون). نسبة حجم البيرلايت صغيرة لأن الكربون منخفض. - تعتمد مورفولوجيا الشوائب وحجم الحبيبات على ممارسات صناعة الفولاذ وجداول الدرفلة/التسخين.

استجابة المعالجة: - SPHC: يتم إنتاجه كمنتج مدلفن على الساخن عام مع تبريد متحكم فيه قياسي. البنية المجهرية عمومًا تكون فريت/بيرلايت خشن. نادرًا ما يتم تطبيق عملية التطبيع لهذه الدرجات التجارية؛ تحسينات الخصائص الميكانيكية عبر المعالجة الحرارية محدودة لأنها ليست مخصصة للاستخدام المعالج/المقسى. - SPHD: بينما هو كيميائيًا مشابه، يتم معالجة SPHD وتحديده لتحسين قابلية التشكيل. يمكن أن يشمل ذلك التحكم الأكثر دقة في درجة حرارة إنهاء الدرفلة الساخنة، والتبريد المتحكم فيه لتحسين بنية الحبيبات، والتسخين الخفيف المحتمل لتحسين المرونة. التأثير هو بنية مجهرية فريتية أدق وتجمع شوائب أنظف تعزز قابلية التشكيل.

آثار المعالجات الحرارية الشائعة والمسارات الحرارية الميكانيكية: - ستزيد عملية التلدين (الحرارية أو الكاملة) من المرونة لكلتا الدرجتين، ولكن من المرجح أن يتم تزويد SPHD بتاريخ معالجة يهدف إلى الحفاظ على المرونة. - المعالجة الحرارية والتسخين الثقيل ليست نموذجية لهذه الدرجات؛ فهي ليست مصممة للاستجابة للتصلب المارتنسيت بسبب انخفاض الكربون وغياب عناصر التصلب. - يمكن أن يزيد التحكم الحراري الميكانيكي (الدرفلة المتحكم فيها والتبريد المعجل) القوة بشكل معتدل دون التضحية بالمرونة — عادةً ما تكون هذه طريقة للفولاذات HSLA بدلاً من SPHC/SPHD.

4. الخصائص الميكانيكية

فيما يلي مقارنة نوعية تعكس السلوك النموذجي لهذه الدرجات التجارية المدلفنة على الساخن وفقًا لمعيار JIS. يجب استخدام شهادات المطاحن المحددة ومواصفات الشراء لحسابات التصميم.

التفسير: العامل الحاسم في الاختيار هو قابلية التشكيل: يتم استهداف SPHD لتوفير تمدد أعلى وسلوك تشوه بلاستيكي متفوق (سحب عميق، انحناء شديد) مقارنةً بـ SPHC للاستخدام العام. عادةً ما تكون الفروق في القوة صغيرة ومتداخلة؛ نادرًا ما يكون اختيار SPHD متعلقًا بزيادة القوة ولكن يتعلق بالسلوك البلاستيكي المتوقع والمحسن أثناء التشكيل.

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام لكل من SPHC و SPHD جيدة عمومًا بسبب انخفاض محتوى الكربون والسبائك، ولكن يمكن أن تؤثر السبائك الدقيقة والمعالجة على القابلية للتشقق البارد وتصلب المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ).

معادلات تقييم قابلية اللحام الشائعة: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (معامل قابلية اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير (نوعي): - بالنسبة لهذه الدرجات منخفضة الكربون، تكون قيم $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ عادةً منخفضة، مما يشير إلى قابلية لحام جيدة بشكل عام مع مواد لحام فولاذية كربونية قياسية وإجراءات تسخين مسبق. - تقلل مرونة SPHD المحسنة من خطر التشوه والتشقق الناتج عن اللحام أثناء عمليات التشكيل، ولكن نظرًا لأن SPHD قد يتم تزويده بقوة خضوع أقل قليلاً ومرونة أعلى، يجب أن تأخذ ممارسات اللحام في الاعتبار إمكانية التشوه المتبقي في السماكات الرقيقة. - عادةً لا تكون هناك حاجة للتسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام للسماكات المتوسطة، ولكن يجب دائمًا اتباع مواصفات إجراءات اللحام (WPS) بناءً على السماكة والقيود وبيئة الخدمة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا يعتبر كل من SPHC و SPHD فولاذ مقاوم للصدأ؛ وهما عرضة للتآكل في البيئات الجوية والصناعية.
• الحمايات القياسية:
• التغليف بالغمس الساخن، أو الجلفنة الكهربائية، أو الأنظمة المطلية مسبقًا توفر حماية تضحوية أو حاجزية.
• الطلاءات العضوية (الدهانات، الطلاءات المسحوقة) شائعة للأجزاء النهائية.
• يمكن استخدام زيوت أو مثبطات صدأ مؤقتة أثناء التخزين والشحن.
• لا ينطبق PREN على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ. إذا كنت تقيم بدائل مقاومة للصدأ، يمكن استخدام مؤشر PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• تُحدد مخصصات التآكل (سماكة المادة، اختيار الطلاءات) بناءً على البيئة والعمر المتوقع؛ الجلفنة خيار اقتصادي شائع للتعرضات الهيكلية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: تم تحسين SPHD للتشكيل (السحب، السحب العميق، الانحناء المتعدد) وسيظهر عددًا أقل من الشقوق، ومقاومة أفضل للتجاعيد، وتمددًا موحدًا أعلى من SPHC عند تاريخ معالجة مكافئ.
• الانحناء: يتحمل SPHD أشعة انحناء أكثر ضيقًا وسحوبات أعمق مع تقليل خطر التشقق في الحواف.
• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين لهما قابلية تشغيل متوسطة؛ قد يكون SPHC بمحتوى كبريت أعلى قليلاً (إذا تم تحديده لتعزيز قابلية التشغيل) أسهل في التشغيل، ولكن الممارسة القياسية هي اختيار درجات فرعية محسنة لقابلية التشغيل عند الحاجة.
• القطع والضغط: كلاهما سهل الضغط؛ قد يعمل SPHD بشكل أفضل على المكابس عالية السرعة عندما تكون السحوبات المعقدة مطلوبة.
• يجب أن تأخذ العمليات الثانوية (التشكيل بعد اللحام، التسخين المستقيم) في الاعتبار الضغوط المتبقية؛ غالبًا ما تقلل مرونة SPHD الأعلى من تباين الارتداد في التشكيل.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر SPHC للتوافر الواسع، والتكلفة المنخفضة، وعندما تكون عمليات التشكيل بسيطة أو عندما قد تكون القوة الخضوع الأعلى مقبولة. - اختر SPHD عندما تتضمن العملية سحبًا عميقًا، أو انحناءً شديدًا، أو عمليات تشكيل عالية الشد حيث تكون السلوك البلاستيكي المتوقع والتمدد الأعلى مطلوبين.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون SPHC هي المنتج الأقل تكلفة، للاستخدام العام بسبب حجم الإنتاج الأوسع والتحكم الأقل صرامة في العمليات. قد تحمل SPHD علاوة معتدلة بسبب التحكم الأكثر دقة في الكيمياء والمعالجة ومقاييس القابلية للتشكيل المضمونة.
• التوافر: SPHC متاحة على نطاق واسع في العديد من السماكات واللفائف من عدة مطاحن. قد يكون توافر SPHD أكثر محدودية قليلاً حسب المطحنة والمنطقة، ولكن عادةً ما يتم تخزينها لسلاسل إمداد السيارات والأجهزة. يتفاوت توافر شكل المنتج (لفائف، صفائح، ألواح) حسب المطحنة والسوق؛ تأكد دائمًا من وقت التسليم مع الموردين.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص

التوصية: - اختر SPHC إذا كانت متطلباتك تعطي الأولوية للتوافر والتكلفة للأجزاء الهيكلية العامة والمطبوعة حيث لا تكون عمليات التشكيل العميقة والمرونة القصوى حرجة. - اختر SPHD إذا كانت أجزاءك تخضع لتشوه بلاستيكي كبير (سحب عميق، انحناء شديد، تشكيل متعدد المراحل) وتحتاج إلى تمدد متوقع أعلى وقابلية تشكيل محسنة حتى مع علاوة معتدلة.

ملاحظة ختامية: SPHC و SPHD هما درجات مدلفنة على الساخن منخفضة الكربون مع نقاط قوة متداخلة. القرار الهندسي الرئيسي يعتمد على قابلية التشكيل — اختر الدرجة المناسبة لشدة التشكيل، تحقق من شهادات المطاحن للحدود الكيميائية والميكانيكية، وحقق في إجراءات التشكيل واللحام على دفعات المواد التمثيلية قبل الإنتاج الكامل.