SUP10 مقابل SUP11 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً خيارًا بين درجات الصلب الكربوني المرتبطة ارتباطًا وثيقًا عند الموازنة بين التكلفة، وقابلية التشكيل، وقابلية اللحام، وقوة الخدمة. SUP10 وSUP11 هما تسميتان للصلب الكربوني موجهتان نحو JIS وغالبًا ما يتم النظر فيهما لمكونات الهيكل العام، والأجزاء الميكانيكية، والتجهيزات ذات الأحمال المتوسطة. تدور معضلة الاختيار عادةً حول المقايضات مثل قابلية اللحام مقابل القوة الشد، وقابلية التشغيل مقابل المتانة، وتكلفة الشراء مقابل هامش الأداء.
العامل الرئيسي المميز بين SUP10 وSUP11 هو استراتيجيات السبائك التي تركز على محتوى المنغنيز: يتم تحديد درجة واحدة بمستوى منغنيز أقل بينما يتم تحديد الأخرى بمستوى منغنيز أعلى. هذا الاختلاف المتعمد يؤثر على قابلية التصلب، والقوة، والاستجابة لمعالجة الحرارة، ولهذا السبب يتم مقارنة هاتين الدرجتين بشكل متكرر من قبل المصممين والمصنعين.
1. المعايير والتسميات
- JIS: SUP10، SUP11 — أسماء المعايير الصناعية اليابانية المستخدمة للصلب الكربوني العادي المخصص للاستخدامات الهيكلية والميكانيكية العامة.
- ASTM/ASME: المواد القابلة للمقارنة توجد عادةً بين تسميات الصلب الكربوني العادي (مثل سلسلة AISI/SAE)، لكن المراجع المباشرة تعتمد على حدود التركيب المحددة وليست دائمًا واحدة لواحدة.
- EN: تلعب الصلب الكربوني العادي من فئة EN C (مثل Cxx.x) أدوارًا مشابهة، ويتطلب الاختيار مطابقة الحدود الكيميائية والخصائص الميكانيكية.
- GB (الصين): توجد درجات مكافئة من الصلب الكربوني العادي في معايير GB؛ يتطلب المطابقة التحقق من المعايير الكيميائية والميكانيكية.
- الفئة: كل من SUP10 وSUP11 هما صلب كربوني عادي (ليس مقاومًا للصدأ، أو HSLA، أو صلب أدوات). قد يُعتبران أحيانًا صلبًا كربونيًا خفيفًا/متوسطًا اعتمادًا على محتوى الكربون المحدد والتطبيق المقصود.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | SUP10 (نسبي) | SUP11 (نسبي) |
|---|---|---|
| C (كربون) | منخفض–متوسط (نموذجي للصلب الكربوني العام) | منخفض–متوسط (أساس كربوني مشابه) |
| Mn (منغنيز) | مستوى منغنيز أقل | مستوى منغنيز أعلى (العامل المميز الرئيسي) |
| Si (سيليكون) | منخفض (مستوى إزالة الأكسدة) | منخفض (مشابه) |
| P (فوسفور) | شوائب مسيطر عليها (منخفضة) | شوائب مسيطر عليها (منخفضة) |
| S (كبريت) | مسيطر عليه؛ قد يكون أعلى إذا كان من النوع القابل للقطع الحر | مسيطر عليه؛ مشابه ما لم يُحدد أنه قابل للقطع الحر |
| Cr، Ni، Mo، V، Nb، Ti، B، N | لم يتم سباكتها عمدًا بكميات كبيرة؛ مستويات أثرية ممكنة | نفس الشيء: لم يتم سباكتها عمدًا؛ مستويات أثرية فقط |
ملاحظات: - كلتا الدرجتين هما صلب كربوني عادي من حيث فلسفة السبائك. الاختلاف الرئيسي المقصود هو محتوى المنغنيز: الدرجة ذات المنغنيز الأعلى ستظهر زيادة في قابلية التصلب وميول العمل الصلب. - أدوار السبائك: - الكربون: المساهم الرئيسي في القوة وقابلية التصلب. - المنغنيز: يزيد من قابلية التصلب، وقوة الشد، ونسبة الشد إلى العائد؛ يعمل أيضًا كعامل إزالة أكسدة ويعوض عن هشاشة الكبريت. - السيليكون: موجود عادةً بمستويات منخفضة لإزالة الأكسدة؛ تعزيز طفيف في الصلابة الصلبة. - العناصر الأثرية والشوائب (P، S) يتم التحكم فيها للحفاظ على المتانة وقابلية التشغيل.
3. التركيب المجهري واستجابة معالجة الحرارة
التركيب المجهري: - تحت ظروف التصنيع النموذجية والتطبيع، يتطور كل من SUP10 وSUP11 تركيبًا مجهرًا من الفريت–البرليت النموذجي للصلب الكربوني المنخفض إلى المتوسط. - الدرجة ذات محتوى المنغنيز الأعلى ستزيد من نسبة البرليت وتقوم بتنقيح المسافة بين الطبقات الفريتية/البرليتية قليلاً، مما يعطي قوة أعلى عند التشكيل/التصلب مقارنةً بالدرجة ذات المنغنيز الأقل.
استجابة معالجة الحرارة: - التطبيع: تستجيب كلتا الدرجتين للتطبيع من خلال إنتاج هيكل فريت–برليت أكثر تجانسًا؛ تحقق الدرجة ذات المنغنيز الأعلى صلابة وقوة أعلى قليلاً لنفس الدورة. - التبريد والتخمير: نظرًا لأن أيًا من الدرجتين ليست صلبًا عالي السبائك، فإن التصلب العميق محدود، لكن الدرجة ذات المنغنيز الأعلى تظهر زيادة في قابلية التصلب ويمكن أن تحقق قوة أعلى بعد دورات التبريد والتخمير مقارنةً بالنوع ذو المنغنيز الأقل. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: سيسلط التدوير أو التبريد المتحكم فيه الضوء على الاختلافات؛ الدرجة ذات المنغنيز الأعلى تحقق بسهولة مستويات أعلى من العائد والشد من نفس المعالجة بسبب تأثيرها الأقوى على قابلية التصلب والعمل الصلب.
4. الخصائص الميكانيكية
| خاصية | SUP10 (نسبي نموذجي) | SUP11 (نسبي نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | متوسطة | أعلى من SUP10 (بسبب المنغنيز الأعلى) |
| قوة العائد | متوسطة | أعلى من SUP10 |
| التمدد (المرونة) | مرونة أفضل (نسبيًا) | مرونة أقل قليلاً مقارنةً بـ SUP10 |
| صلابة التأثير | جيدة (مستوى الصلب الكربوني النموذجي) | قابلة للمقارنة أو أقل قليلاً إذا كان المنغنيز أعلى |
| الصلابة | أقل (لعملية معالجة حرارية مشابهة) | أعلى قليلاً (تحسين قابلية التصلب) |
تفسير: - يزيد محتوى المنغنيز الأعلى من القوة وقابلية التصلب، لذا ستقدم SUP11 عمومًا قوة شد وعائد أعلى في ظروف قابلة للمقارنة. وغالبًا ما يأتي هذا المكسب مع مقايضة متواضعة في التمدد وصلابة التأثير إذا كانت جميع العوامل الأخرى متساوية. - تعتمد أرقام الخصائص الميكانيكية الفعلية على التركيب الدقيق، وشكل المنتج (بار، لوح)، وتاريخ المعالجة/المعالجة الحرارية. للتوريد والقبول، حدد الخصائص الميكانيكية المطلوبة في مستندات الشراء بدلاً من الاعتماد على اسم الدرجة فقط.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على المعادل الكربوني ومساهمات الميكروسبائك/قابلية التصلب. تشمل المؤشرات الشائعة المستخدمة لتقييم خطر تشقق اللحام معادلة IIW للمعادل الكربوني وPcm المعدلة.
صيغ أمثلة: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
تفسير (نوعي): - يزيد المنغنيز الأعلى في SUP11 من مؤشرات المعادل الكربوني مقارنةً بـ SUP10، مما يشير إلى ميل أكبر للتصلب في منطقة التأثير الحراري (HAZ) وبالتالي خطر أكبر للتشقق البارد تحت ظروف لحام قابلة للمقارنة. - يمكن لحام كلتا الدرجتين عمومًا باستخدام إجراءات قياسية، لكن قد تتطلب SUP11 ممارسات لحام أكثر تحفظًا: تسخين مسبق، درجات حرارة متحكم فيها بين الطبقات، مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، أو معالجة حرارية بعد اللحام اعتمادًا على سمك القسم والقيود. - إن غياب العناصر السبائكية الكبيرة (Cr/Mo/Ni) يجعل كلتا الدرجتين أسهل في اللحام مقارنةً بالصلب السبائكي، لكن اختلافات المنغنيز تتحكم في خطر اللحام النسبي.
6. التآكل وحماية السطح
- هذه الدرجات هي صلب كربوني عادي (غير مقاوم للصدأ). مقاومة التآكل الجوي والمائي محدودة وتعتمد على حماية السطح.
- الحمايات النموذجية: الطلاء، الطلاء بالمسحوق، الغلفنة بالغمر الساخن، الطلاء الكهربائي، أو الزيت/الشحم للحماية المؤقتة.
- PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على الصلب الكربوني غير المقاوم للصدأ؛ للرجوع إليه في السبائك المقاومة للصدأ:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- استخدام PREN له معنى فقط للسبائك المقاومة للتآكل التي تحتوي على الكروم والموليبدينوم، وليس لـ SUP10/SUP11.
- إرشادات الاختيار: في البيئات التآكلية، اختر حماية السطح أو بديل مقاوم للصدأ/HSLA بدلاً من الاعتماد على الاختلافات بين SUP10 وSUP11.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: تتحكم بها بشكل أساسي محتويات الكبريت والرصاص (إذا كانت موجودة). لا تعتبر SUP10 ولا SUP11 بشكل جوهري درجة قابلة للقطع الحر ما لم يتم إنتاجها خصيصًا بمحتوى مرتفع من الكبريت/الرصاص. يمكن أن يقلل المنغنيز الأعلى قليلاً من قابلية التشغيل عن طريق زيادة العمل الصلب.
- قابلية التشكيل/الانحناء: ستشكل الدرجة ذات المنغنيز الأقل (SUP10) عمومًا وتنحني مع مشاكل أقل وهامش تمدد أفضل. قد تتطلب الدرجة ذات المنغنيز الأعلى (SUP11) أشعة انحناء أكبر أو إجهاد أقل لتجنب التشقق في عمليات التشكيل الضيقة.
- القطع والتشطيب: كلاهما يعمل بشكل جيد مع أدوات تقليدية؛ قد يتحسن عمر الأدوات بشكل متواضع على الدرجة ذات القوة الأقل. يعتمد إنهاء السطح والتحكم في الرقائق أكثر على محتوى الكبريت ومعلمات العملية بدلاً من اختلاف المنغنيز وحده.
8. التطبيقات النموذجية
| SUP10 (الاستخدامات النموذجية) | SUP11 (الاستخدامات النموذجية) |
|---|---|
| مكونات هيكلية عامة حيث يُفضل وجود مرونة جيدة وقابلية للحام (إطارات خفيفة، دعامات، تجهيزات) | مكونات ميكانيكية ذات أحمال ثقيلة حيث يُرغب في قوة/قابلية تصلب أعلى (أعمدة، محاور، تجهيزات ذات أحمال متوسطة) |
| أجزاء مشكّلة على البارد وتصنيع يهيمن عليه الانحناء | أجزاء ستخضع للتبريد/التخمير أو تحتاج إلى قوة أعلى عند التشكيل |
| تطبيقات حيث تكون التكلفة وسهولة اللحام/التشكيل هي الأولويات | تطبيقات حيث تتطلب زيادة في قوة الشد/العائد دون الانتقال إلى الصلب السبائكي |
مبررات الاختيار: - اختر الدرجة ذات المنغنيز الأقل عندما تكون قابلية التصنيع (اللحام، الانحناء، التشكيل) والمرونة حاسمة والأحمال متوسطة. - اختر الدرجة ذات المنغنيز الأعلى عندما تكون القوة المحسنة أو قابلية التصلب (للقسمات السميكة أو الأجزاء الأقوى عند المعالجة) مطلوبة، وعندما يتناول خطة التصنيع التحديات الطفيفة المتزايدة في اللحام/التشكيل.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: كلتا الدرجتين هما صلب كربوني عادي وعادة ما تكون اقتصادية. قد تكون الدرجة ذات المنغنيز الأعلى (SUP11) أغلى قليلاً في بعض الأسواق بسبب التحكم في السبائك والمعالجة، لكن الاختلافات عادة ما تكون متواضعة مقارنةً بالصلب عالي السبائك.
- التوافر: الأشكال الشائعة للمنتجات (البار، الألواح، الملفات) متاحة بسهولة لكلتا الدرجتين في الأسواق التي يتم تخزين درجات JIS فيها. يمكن أن يختلف التوافر حسب الجغرافيا؛ يجب على المشتري تأكيد الإمداد بالشكل المطلوب من المنتج والشهادة المطلوبة من المصنع.
- توقيتات التسليم وكميات الطلب الدنيا تعتمد أكثر على مخزونات المصنع المحلية والاختبارات/الشهادات المطلوبة بدلاً من الاختلافات التركيبية الصغيرة بين SUP10 وSUP11.
10. الملخص والتوصية
| السمة | SUP10 | SUP11 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (CE أقل) | متوسطة (CE أعلى؛ تحتاج إلى مزيد من التحكم) |
| توازن القوة–المتانة | مرونة ومتانة مواتية للاستخدام العام | قوة وقابلية تصلب أعلى؛ المتانة أقل قليلاً إذا لم يتم تعديلها |
| التكلفة | أقل قليلاً أو قابلة للمقارنة | أعلى قليلاً أو قابلة للمقارنة |
التوصيات: - اختر SUP10 إذا: - كانت أولوياتك هي سهولة اللحام، والتشكيل، ومرونة أعلى. - كان التطبيق يتضمن أقسامًا رقيقة، أو تصنيعًا معقدًا، أو حيث تكون إجراءات التسخين المسبق/ما بعد التسخين المرغوبة. - كنت ترغب في الحصول على أكثر درجات الصلب الكربوني العامة تسامحًا للاستخدامات الهيكلية أو التجميعات المصنعة.
- اختر SUP11 إذا:
- كنت بحاجة إلى قوة شد/عائد أعلى عند المعالجة أو قابلية تصلب محسنة للأقسام السميكة أو المكونات التي تتعرض لأحمال أعلى.
- سمح التصميم بإجراءات لحام متحكم فيها (تسخين مسبق، مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين) وربما معالجة حرارية بعد اللحام إذا لزم الأمر.
- كانت قابلية التشكيل المنخفضة مقبولة مقابل قوة أعلى دون الانتقال إلى الصلب السبائكي.
ملاحظة ختامية: SUP10 وSUP11 هما صلبان كربونيان عاديان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا؛ يجب أن يستند القرار بينهما إلى المتطلبات الميكانيكية المحددة وخطة التصنيع بدلاً من اسم الدرجة فقط. للتطبيقات الحرجة، حدد الخصائص الميكانيكية المطلوبة، وحالة المعالجة الحرارية، وإجراءات اللحام في مستندات الشراء واطلب شهادات المصنع للتحقق من التركيب والمعالجة.