SUP9 مقابل SUP10 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

SUP9 و SUP10 هما درجات فولاذ كربوني هيكلي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا وغالبًا ما يتم النظر فيهما في التصنيع الثقيل، ومكونات الآلات، والأجزاء المعالجة حراريًا. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بوزن المزايا والعيوب بين قابلية اللحام، والصلابة، وقابلية التشغيل، والقوة الممكن تحقيقها عند الاختيار بينهما. التمييز العملي الرئيسي هو زيادة متعمدة ومعتدلة في محتوى الكربون في SUP10 مقارنةً بـ SUP9، مما يحول الأداء نحو قابلية تصلب أعلى وقوة على حساب بعض اللدونة وقابلية اللحام. غالبًا ما تتم مقارنة هاتين الدرجتين حيث يجب على المصممين تحقيق توازن بين قدرة تحمل الحمل للمكونات ومقاومة التآكل مقابل سهولة التصنيع وتكلفة المعالجة الحرارية.

1. المعايير والتسميات

• المعايير النموذجية حيث تظهر عائلات درجات مماثلة: ASTM/ASME (الفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك)، EN (الفولاذ الهيكلي الأوروبي والفولاذ المعالج بالتبريد)، JIS (المعايير الصناعية اليابانية)، GB/T (المعايير الصينية).
• التصنيف: كل من SUP9 و SUP10 هما فولاذ كربوني أو فولاذ منخفض السبائك غير مقاوم للصدأ (ليس فولاذ أدوات أو فولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي). يتم تصنيفهما عمومًا كفولاذ كربوني أو فولاذ منخفض السبائك مخصص للأجزاء التي قد يتم تطبيعها، أو معالجتها بالتبريد والتسخين، أو معالجة حرارية أخرى للتحكم في القوة/الصلابة. ليست درجات فولاذ مقاوم للصدأ عالية النيكل ولا HSLA مع سبائك دقيقة كبيرة بشكل افتراضي، على الرغم من أن بعض المتغيرات الخاصة بالمطاحن قد تشمل إضافات سبائك دقيقة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

ملاحظات: بدلاً من الاختلافات الجذرية في مجموعة السبائك، فإن النهج التصميمي لـ SUP10 هو زيادة محتوى الكربون لرفع الصلابة والقوة القابلة للتحقيق بعد المعالجة الحرارية مع الاحتفاظ بوصفة سبائك بسيطة نسبيًا. يتم استخدام Mn و Si تقليديًا لإزالة الأكسدة والتحكم في القوة. قد تظهر السبائك الدقيقة (V، Nb، Ti) في منتجات المطاحن المحددة لتخصيص الصلابة دون زيادة كبيرة في الكربون.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون: المحدد الرئيسي للصلابة ونسبة المارتنسيت المعالج بالتبريد؛ يزيد الكربون الأعلى من القوة ولكنه يقلل من اللدونة وقابلية اللحام. - المنغنيز والموليبدينوم: يزيدان من قابلية التصلب والقوة؛ يعتدلان من حساسية معدل التبريد. - عناصر السبائك الدقيقة (V، Nb، Ti): تصقل الحبيبات، تزيد من تعزيز الترسيب، ويمكن أن تحسن الصلابة دون زيادات كبيرة في الكربون.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - SUP9 (كربون أقل): في الحالة المعالجة، تميل إلى تشكيل مصفوفة من الفريت والبرلايت مع برلايت أكثر خشونة نسبيًا اعتمادًا على التبريد. بعد التبريد والتسخين، من المتوقع أن تكون بنية المارتنسيت المعالجة / الباينيت عند مستويات تصلب معتدلة. - SUP10 (كربون أعلى): المزيد من البرلايت في الحالة المدرفلة أو المعالجة؛ عند التبريد، تتشكل نسبة أعلى من المارتنسيت عند معدلات تبريد مماثلة، مما ينتج عنه صلابة وقوة أعلى.

طرق المعالجة الحرارية: - التطبيع: يصقل الحبيبات وينتج الفريت والبرلايت؛ ينتج عن الكربون الأعلى في SUP10 هيكل مطبع أكثر صلابة من SUP9 لنفس مسار التبريد. - التبريد والتسخين: تستجيب الدرجتان بتشكيل المارتنسيت عند التبريد السريع. تصل SUP10 إلى صلابة أعلى عند التبريد وتحتاج إلى جداول تسخين تقلل من الهشاشة مع الحفاظ على قوة أعلى. يجب أن تأخذ وصفات التسخين في الاعتبار زيادة الكربون لتجنب مناطق هشاشة التسخين. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن ينتج عن الدرفلة الخاضعة للرقابة أو TMCP مع التبريد المعجل خلطات دقيقة من الباينيت أو المارتنسيت-الفريت. يمكن أن تحقق المتغيرات المسبوكة من أي درجة صلابة محسنة مع أحجام حبيبات أدق.

الآثار المعدنية: - يزيد الكربون الأعلى من حساسية درجة حرارة بدء المارتنسيت (Ms) ويزيد من الصلابة المحتملة بعد التبريد، ولكنه يزيد أيضًا من خطر تشكيل بنى مارتنسيت هشة إذا كانت المعالجة غير كافية. - تقلل عناصر السبائك التي تزيد من قابلية التصلب (Mn، Mo) من الحاجة إلى تبريد سريع للغاية ولكن يجب أن تكون متوازنة للحفاظ على قابلية اللحام.

4. الخصائص الميكانيكية

تفسير: تزيد الزيادة المدفوعة بالكربون في SUP10 من إمكانات قوة الشد والخضوع تحت ظروف معالجة حرارية مماثلة. التبادل هو انخفاض اللدونة والصلابة ما لم يتم استخدام التسخين أو السبائك الدقيقة أو المعالجات الحرارية بعد اللحام للتخفيف من الهشاشة. يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار التوازن المطلوب بين القوة الثابتة والصلابة الديناميكية.

5. قابلية اللحام

تؤكد اعتبارات قابلية اللحام على محتوى الكربون، وقابلية التصلب، والسبائك الدقيقة بمستويات ppm.

مؤشرات مفيدة: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (للفولاذ الذي يتضمن تأثيرات سبائكية أخرى): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

تفسير نوعي: - يزيد الكربون الأعلى في SUP10 من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ مقارنةً بـ SUP9، مما يشير إلى زيادة القابلية للتشقق البارد، ومتطلبات تسخين أكبر، والحاجة إلى التحكم في درجات الحرارة بين الطبقات. - إذا تم رفع Mn/Mo جنبًا إلى جنب مع الكربون للحفاظ على توازن قابلية التصلب، يمكن أن يتعزز التأثير على قابلية اللحام لأن هذه العناصر تزيد من مقاييس المعادل الكربوني. - التخفيف العملي: تسخين مسبق ودرجات حرارة بين الطبقات تحت السيطرة، وعمليات لحام منخفضة الهيدروجين، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT)، والمعادن المالئة المصممة لتناسب متطلبات الصلابة.

بشكل عام: SUP9 أسهل عمومًا في اللحام ويتطلب تسخينًا مسبقًا / PWHT أقل صرامة من SUP10 لأشكال المكونات المماثلة.

6. التآكل وحماية السطح

• كل من SUP9 و SUP10 هما فولاذ كربوني غير مقاوم للصدأ؛ يعتمدون على حماية السطح لمقاومة التآكل.
• استراتيجيات الحماية النموذجية: الغلفنة بالغمر الساخن، الطلاء الكهربائي بالزنك، الطلاءات العضوية (الدهانات، الإيبوكسيات)، وطلاءات التحويل المتخصصة. بالنسبة للمكونات التي تتطلب مقاومة طويلة الأمد للتعرض، فإن الأنظمة المزدوجة (غلفنة + طلاء) شائعة.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على الفولاذ الكربوني العادي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا المؤشر ينطبق على سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ؛ نظرًا لأن محتويات Cr و Mo منخفضة أو غائبة في SUP9/SUP10، يجب أن توفر الطلاءات مقاومة التآكل بدلاً من السبائك الداخلية.

7. التصنيع، وقابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: تزيد صلابة SUP10 الأعلى ومحتوى الكربون من تآكل الأدوات وقد تتطلب تغذية أبطأ أو درجات أدوات أكثر صلابة. عمومًا، سيكون من الأسهل تشغيل SUP9، خاصة في الظروف المعالجة أو المطبوعة.
• قابلية التشكيل: تجعل اللدونة الأعلى في SUP9 أفضل لعمليات التشكيل (الانحناء، السحب العميق) دون تشقق. SUP10 أقل تسامحًا في التشكيل وقد تتطلب معالجة متوسطة.
• القطع والتشطيب: مقاومة التآكل الكاشطة أعلى لـ SUP10 عند معالجتها لصلابة أعلى، مما يجعلها مفضلة للأجزاء المعرضة للتآكل ولكنها أكثر تحديًا لعمليات التشطيب.
• بشكل عام: اختر حالة التوريد (معالجة، تطبيع، تبريد وتسخين) لتناسب عمليات التشكيل والتشغيل اللاحقة.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر SUP9 عندما تكون تعقيدات التصنيع، وقابلية اللحام، وصلابة الشقوق حرجة ولا يتطلب التصميم أعلى قوة صلابة مطلقة. - اختر SUP10 عندما يتطلب التصميم قوة أعلى بعد المعالجة الحرارية، أو مقاومة للتآكل، أو أحجام مكونات أصغر حيث تقلل القوة الأعلى من حجم المقطع أو الوزن.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تحمل SUP10 تكلفة مواد متساوية أو أعلى قليلاً مدفوعة بالمعالجة الحرارية الإضافية والسيطرة الأكثر صرامة المطلوبة للمتغيرات ذات الكربون الأعلى. إذا كانت SUP10 تتطلب PWHT أكثر صرامة أو معادن مالئة خاصة للحام، فإن تكلفة التصنيع على مدى الحياة ترتفع.
• التوافر: تتوفر الدرجتان عادةً في أشكال منتجات قياسية (قضبان، ألواح، سبائك) من الموردين العامين للصلب. قد تكون متغيرات SUP9 مخزنة بشكل أوسع للتطبيقات الهيكلية العامة؛ قد يتم إنتاج SUP10 حسب الطلب في ظروف معالجة حرارية محددة أو تتطلب أوقات تسليم أطول إذا تم طلب كيميائيات أو سبائك دقيقة خاصة.
• ملاحظة الشراء: اطلب شهادات المطاحن وسجلات المعالجة الحرارية لتأكيد التركيب الكيميائي، والصلابة، وحالة المعالجة الحرارية عند تحديد أي درجة.

10. الملخص والتوصية

التوصية: - اختر SUP9 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ أسهل في اللحام والتصنيع، ويتطلب صلابة جيدة وقابلية تشكيل في المكون النهائي، أو عندما تكون تقليل تكلفة التصنيع وتعقيدها أولوية. - اختر SUP10 إذا كان التصميم يتطلب قوة أعلى بعد التبريد والتسخين أو صلابة سطح أعلى لمقاومة التآكل ويمكنك استيعاب ضوابط لحام أكثر صرامة ومعالجات تسخين/PWHT مناسبة.

إرشادات عملية نهائية: - حدد حالة التوريد المطلوبة (معالجة، تطبيع، تبريد وتسخين) والخصائص الميكانيكية المستهدفة بدلاً من مجرد اسم الدرجة. اطلب من البائعين التركيب المعتمد وسجلات اختبار الصلابة/التأثير. إذا كان اللحام مطلوبًا، قم بتضمين تعليمات التسخين المسبق وPWHT في مواصفات التصنيع واعتبر تحديد المعادن المالئة وضوابط الهيدروجين للتخفيف من خطر التشقق.