StW22 مقابل StW24 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

تُعتبر درجات StW22 وStW24 من الفولاذ الكربوني الإنشائي المرتبط ارتباطًا وثيقًا، ويُنظر إليهما عادةً في مكونات التشكيل البارد والملحومة في التطبيقات الميكانيكية والإنشائية. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بموازنة التنازلات بين التكلفة، القوة، القابلية للتشكيل، وقابلية اللحام عند الاختيار بينهما. وعادةً ما تتضمن سياقات القرار اختيار درجة لأجزاء السحب العميق، التجميعات الملحومة، أو العناصر الإنشائية ذات الأحمال الثقيلة حيث تكون حدود التشكيل وتكاليف المعالجة اللاحقة مهمة.

الفرق الرئيسي بين StW22 وStW24 يكمن في توازنهم الميكانيكي: فدرجة StW24 مُركبة ومعالجة لتحقيق قوة وصلابة أعلى قليلاً، بينما تم تصميم StW22 لتوفير لدونة أكبر وقدرة على التشكيل بالتمدد. ونظرًا لأن كلا الدرجتين تندرجان ضمن نفس العائلة وبمواقع متجاورة، يعتمد الاختيار غالبًا على ما إذا كان المشروع يُعطي أولوية لزيادة الاستطالة/القابلية للتشكيل أو زيادة متواضعة في القوة مع قابلية تصنيع مماثلة.

1. المعايير والتسميات

• تظهر مسميات "StW" عادة في معايير وطنية وإقليمية مشتقة من تسميات ألمانية قديمة حسب معايير DIN وما يعادلها في EN/ISO وأنظمة وطنية أخرى. قد تقوم المواصفات الحديثة بربط هذه الأسماء القديمة بتسميات محددة في EN أو ISO؛ لذلك يُنصح دائمًا بالتحقق من إصدار المعيار الدقيق عند شراء المواد.
• التصنيف:
• StW22 — فولاذ إنشائي كربوني منخفض غير سبائكي مخصص للتشكيل البارد.
• StW24 — فولاذ إنشائي منخفض السبائك أو ميكروسبائكي يتميز بقوة وصلابة أعلى قليلاً من StW22 (يُعامل عمومًا كفولاذ كربوني/منخفض السبائك).
• ملاحظة: لأغراض الشراء، تأكد من المعيار المعمول به (مثلاً، ورقة البيانات الخاصة بالمورد، رقم معيار EN) بدلاً من الاعتماد فقط على أسماء الدرجات القديمة. بعض المعايير الوطنية أو مصانع الصلب قد تستخدم تسميات مشابهة مع اختلافات بسيطة في التركيب أو الخواص.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائكية

تلخص الجدول التالي استراتيجية السبائكية المعتادة للدرجتين من حيث الوجود والدور العام للعناصر وليس القيم الحرفية. للاختيار الدقيق في المشاريع الحرجة، يُنصح بطلب شهادة المصنع التي تبين النسب الدقيقة لكل عنصر بالوزن.

توضيح: - كلا الدرجتين فولاذ كربوني منخفض؛ يتم التحكم في سلوكهم الميكانيكي بشكل رئيسي عبر مستويات الكربون والمنجنيز، وبكميات ضئيلة من السبائك الدقيقة في StW24 لتعزيز القوة دون فقدان كبير في اللدونة. - تُستخدم السبائك الدقيقة (V, Nb, Ti) بشكل شائع لزيادة مقاومة الخضوع عن طريق تقوية الترسيب وتنقية حجم الحبيبات بدلاً من رفع محتوى الكربون الذي قد يؤثر سلباً على قابلية اللحام والتشكيل.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

تعتمد البنى المجهرية النموذجية على طريقة المعالجة (مدرفلة على الساخن، مدرفلة على البارد، معالجة مُطبّعة حراريًا، أو مُعالجة حرارية ميكانيكية):

• StW22:
• في الحالة المدرفلة أو المعالجة حراريًا: هيكل فيرتيتي أساسي مع جزر من البيرليت إذا تواجد الكربون؛ يهيمن الفريت الناعم بسبب انخفاض الكربون.
• رد الفعل على المعالجة المطبّعة: مزيج أكثر تجانسًا من الفريت والبيرليت مع حبيبات محسنة قليلًا؛ يحتفظ بلدونة عالية.
• التطبيع والتقسية: لا يُطبق عادةً لأن الدرجة مصممة للقابلية للتشكيل بدلاً من القوة العالية المتصلدة.

• المعالجة الحرارية الميكانيكية المُتحكم بها (TMCP): تنقي حجم الحبيبات، مما يحسن المتانة دون فقدان اللدونة.

• StW24:

• في الحالة المدرفلة: بنية فيرتيت-بيرليت مماثلة لكن مع محتوى بيرليت أو بانيتيك أعلى قليلاً إذا كانت ميكروسبائكية أو معدلات التبريد أعلى.
• TMCP أو السبائكية الدقيقة تؤدي إلى بنية حبيبات فيرتيت دقيقة مع ترسيبات كربيدات/نترات، مما يزيد مقاومة الخضوع والصلادة.
• يمكن تطبيق التقسية والتلدين على بعض الأنواع المختارة للوصول إلى درجات قوة أعلى، لكن StW24 التجاري الأساسي غالبًا ما يُورد في حالة مدرفلة على الساخن أو البارد.

الاستنتاج العملي: يسمح تركيب وعمليات معالجة StW24 بزيادة متواضعة في القوة والصلادة مع تعقيد معالجة حرارية مماثل، بينما يحافظ StW22 على الاستطالة وقدرة التشكيل.

4. الخصائص الميكانيكية

نظرًا لاعتماد القيم الفعلية على الكيمياء الدقيقة وطرق المعالجة، يعرض الجدول التالي السلوك النموذجي المقارن (وصفي).

توضيح: - تم تصميم StW24 ليقدم زيادة متواضعة في قوة الشد والخضوع غالبًا على حساب الاستطالة النهائية. التغيير الصافي مقصود للسماح بأجزاء أخف وزنًا أو أصغر حجمًا مع الحفاظ على قابلية التصنيع. - المتانة ضد الصدمات عند درجة حرارة الغرفة مقبولة بشكل عام لكلا الدرجتين عند تصنيع ومعالجة صحيحة؛ يجب التحقق من متانة درجات الحرارة المنخفضة حسب تقارير اختبار المورد.

5. قابلية اللحام

تتأثر قابلية اللحام بمحتوى الكربون، عناصر زيادة الصلادة، والشوائب المتبقية. وأشهر المؤشرات التجريبية هما ما يُعرف بمعامل التكافؤ الكربوني وفق IIW وصيغة Pcm:

• استخدم معامل التكافؤ الكربوني IIW لتقييم سريع: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$

• للفتحات الأثخن وتقييم اللحام الإنشائي: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

تفسير (نوعي): - كلا الدرجتين تحتويان عادةً على كربون منخفض وسبائك محكومة، مما يمنح قابلية لحام مناسبة لعمليات اللحام الانصهاري والمقاوم الشائعة. - StW22، بسبب عناصر تسبّب تصلب أقل قليلاً، تقدم بشكل عام سهولة أكبر في اللحام مع متطلبات تسخين أولي منخفضة جداً وخطر أقل لحدوث تشقق بارد. - StW24، نتيجة لاحتواء أعلى قليلاً من Mn وربما سبائك دقيقة، قد تمتلك تصلباً أعلى؛ للمقاطع السميكة أو الوصلات ذات القيود العالية، قد يكون من المستحسن التسخين القبلي أو التحكم في كمية الحرارة المدخلة. استخدم إرشادات التسخين القبلي والمعالجة الحرارية بعد اللحام التي يحددها المورد، وراجع التحكم بالهيدروجين واختيار مواد اللحام المناسبة. - توصية عملية: عند الشك، قم بإجراء تجارب لحام واستشر بيانات قابلية اللحام من المصنع واحتساب CE/Pcm باستخدام البيانات الفعلية من شهادة التحليل.

6. مقاومة التآكل وحماية السطح

• هذه الدرجات ليست من الفولاذ المقاوم للصدأ؛ مقاومة التآكل فيها مشابهة لفولاذ الكربون العادي.
• طرق الحماية القياسية:
• التغليف بالزنك بالغمس الساخن للتعرضات الهيكلية الخارجية.
• الطلاءات العضوية (الأساسات والطبقات العلوية) للبيئات الجمالية والمعتدلة في التآكل.
• الطلاءات التحويلية الواقية والحماية الكاثودية عند الضرورة.
• قيمة PREN (مقابل مقاومة التآكل الحُفري) غير مطبقة على الفولاذ الهيكلي غير المقاوم للصدأ، ولكن للمرجعية: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• هذا المؤشر ينطبق على عائلات الفولاذ المقاوم للصدأ (الأوستنيتي/الدوبلكس)، وليس على فولاذ StW.
• للبيئات الجوية أو ذات التآكل الخفيف، يعتمد الاختيار على فئة التعرض وتكلفة دورة الحياة: عادةً ما يكفي التغليف بالزنك أو الطلاء؛ في حالة التعرض البحري أو الكيميائي، يجب اختيار درجة ستانلس أو توفير حماية إضافية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل:
• StW22: أداء ممتاز في التشكيل بالشد والسحب العميق بفضل استطالة أعلى؛ مفضل للأشكال المعقدة وعمليات التشكيل القاسية.
• StW24: قادر على التشكيل لكنه يمتلك سعة أقل للانفعال الحقيقي؛ قد يكون الانعراج الربيعي مختلفًا بسبب مقاومة الخضوع الأعلى.
• قابلية التشغيل:
• كلاهما قابلان للتشغيل عموماً في الحالة المعالجة حرارياً (المُنعّمة أو المُعاد تنسيقها). القوة الأعلى قليلاً في StW24 قد تزيد من تلف الأدوات وتتطلب قوى قطع أكبر.
• أنواع القطع المجانية المجهزة بالكبريت تنتمي لعائلة منتج مختلفة؛ درجات StW القياسية تفضل التشكيل على إضافة عناصر لتحسين التشغيل.
• التشطيب:
• جودة السطح، التنظيف والتطهير، وأي التزام بالطلاء تتطلب عناية متساوية للطريقتين. قد تؤثر المعالجة الحرارية أو العمل البارد على الصلادة وبالتالي على معايير التشطيب.

8. التطبيقات النموذجية

مبرر الاختيار: - اختر StW22 عندما تكون تعقيدات التشكيل والاستطالة حرجة ومستوى الأحمال معتدل. - اختر StW24 عندما تحتاج إلى تقليل المقطع العرضي أو الكتلة لحمولة معينة، ومتطلبات التشكيل معتدلة إلى خفيفة.

9. التكلفة والتوفر

• التكلفة: عادةً ما يكون StW24 أغلى قليلاً من StW22 بسبب التحكم الأدق في التركيب الكيميائي وربما السبائك الدقيقة أو معالجة TMCP. تختلف الزيادة حسب المصنع، حجم الطلب، وشكل المنتج.
• التوفر: كلا الدرجتين تُعرضان عادةً كلفائف/ألواح مدلفنة على الحار والبارد وقطع هيكلية من الموردين الرئيسيين. التوفر في الأشكال القياسية الدقيقة يعتمد على سلاسل الإمداد الإقليمية وما إذا كانت مرادفات EN/ISO الحديثة محددة؛ راجع أوقات التسليم للسماكات وحالات السطح المحددة.

10. الملخص والتوصية

اختر StW22 إذا: - يتطلب تصميمك أقصى قابلية للتشكيل، السحب العميق، أو الثني والتشكيل المعقد. - التجميعات الملحومة بسيطة وتفضل سهولة اللحام مع تسخين أولي أقل. - الأولوية للتكلفة وسهولة التصنيع على زيادة القوة الطفيفة.

اختر StW24 إذا: - تحتاج إلى زيادة معتدلة في مقاومة الشد والخضوع لتقليل حجم المقطع أو تحقيق خفض وزن. - متطلبات التصنيع والتشكيل معتدلة ويمكن تحمل انخفاض قليلاً في الاستطالة. - تقبل تكلفة مادية أعلى قليلاً مقابل تحسين نسبة القوة إلى الوزن.

ملاحظة نهائية: تحقق دائماً من شهادة التركيب الكيميائي والميكانيكي الدقيقة من المصنع للدفعة التي تنوي استخدامها. الفروق الصغيرة في التركيب وطرق المعالجة (المُنعّمة، المعاد تنسيقها، TMCP) تؤثر بشكل كبير على التشكيل، اللحام، وأداء الخدمة؛ وعند الشك، اطلب عينات للاختبار الميكانيكي، التشكيل، واللحام قبل الالتزام بالإنتاج الكامل.