ZF100 مقابل ZF140 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

ZF100 و ZF140 هما درجات فولاذ تجارية تُستخدم في سلاسل التوريد لمكونات الهندسة، والتصنيع الثقيل، وأجزاء التحمل أو التحميل. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً معضلة الاختيار بين فولاذ منخفض السبيكة، سهل التصنيع، وفولاذ أكثر سبيكة، عالي القوة حيث يبرر الطلب أثناء الخدمة التكلفة الإضافية. تشمل سياقات القرار النموذجية موازنة قابلية اللحام مقابل القوة، وتكلفة الإنتاج مقابل عمر الخدمة، وسهولة المعالجة الحرارية مقابل القابلية للتحسين.

التمييز الفني الأساسي بين الدرجتين يكمن في استراتيجية السبيكة: تم صياغة ZF140 بمعدل أعلى من إضافات السبيكة لزيادة القابلية للتحسين والقوة المرتفعة، بينما تم تحديد ZF100 بالقرب من تركيبة منخفضة السبيكة، سهلة اللحام. بسبب ذلك، يقارن المصممون بينهما بشكل متكرر عندما تكون المقايضات بين القوة، والصلابة، وقابلية اللحام، والتكلفة حرجة.

1. المعايير والتسميات

• المواصفات الفولاذية الدولية الرئيسية التي تُستخدم لتصنيف أو تقييم الفولاذات المماثلة:
• ASTM / ASME (الولايات المتحدة)
• EN / EN ISO (أوروبا)
• JIS (اليابان)
• GB (الصين)
• ISO (دولي)
• ملاحظة حول المعادلات المباشرة: ZF100 و ZF140 هما تسميات منتجات خاصة بالمورد أو إقليمية بدلاً من أن تكون أسماء موحدة عالمياً. يجب على المشترين طلب شهادات اختبار المصنع وبيانات كيميائية/ميكانيكية للرجوع إليها بدقة إلى درجات ASTM أو EN أو JIS أو GB.
• التصنيف (عام):
• ZF100: يُسوق عادةً كفولاذ هيكلي/هندسي سبيكي أو متوسط السبيكة (قابل للمعالجة الحرارية، وليس مقاومًا للصدأ).
• ZF140: يُسوق عادةً كفولاذ هيكلي/هندسي عالي السبيكة مع قابلية تحسين وقوة معززة (فولاذ سبيكي قابل للمعالجة الحرارية).
• لا يُصنف أي منهما عادةً كفولاذ مقاوم للصدأ؛ ليسا فولاذ أدوات بحد ذاتهما، ولكن يمكن استخدامهما في تطبيقات التبريد والتقسية المشابهة لفولاذ HSLA/السبيكة حسب التركيبة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

فيما يلي مقارنة نوعية للتركيب. نظرًا لأن تسميات ZF خاصة بالمورد وتتفاوت نطاقات التركيب حسب المصدر، تستخدم الجدول أوصاف مستوى نسبية (أثر / منخفض / متوسط / مرتفع / ملحوظ) بدلاً من النسب المطلقة.

عنصر	الدور النموذجي	ZF100 (نسبي)	ZF140 (نسبي)
C (الكربون)	القوة، قابلية التحسين، مقايضة قابلية اللحام	متوسط	متوسط–مرتفع
Mn (المنغنيز)	القوة، إزالة الأكسدة، قابلية التحسين	متوسط	متوسط–مرتفع
Si (السيليكون)	إزالة الأكسدة، القوة	منخفض–متوسط	منخفض–متوسط
P (الفوسفور)	شوائب؛ خطر الهشاشة	أثر–منخفض	أثر–منخفض
S (الكبريت)	قابلية التشغيل (إذا تمت إضافته) ولكن خطر الهشاشة	أثر	أثر
Cr (الكروم)	قابلية التحسين، التآكل، مقاومة الصدأ	منخفض	متوسط
Ni (النيكل)	الصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة	أثر–منخفض	أثر–منخفض
Mo (الموليبدينوم)	قابلية التحسين، مقاومة الزحف	أثر–منخفض	منخفض–متوسط
V (الفاناديوم)	تحسين الحبيبات، مقاومة التقسية	أثر	أثر–منخفض
Nb/Ti/B (السبائك الدقيقة)	تحكم الحبيبات، تقوية الترسيب	أثر (ممكن)	أثر–منخفض (ممكن)
N (النيتروجين)	القوة عبر النيتريدات إذا كانت مضافة	أثر	أثر

كيف تؤثر السبيكة على الأداء - زيادة الكربون والمنغنيز ترفع القوة وقابلية التحسين ولكن تقلل من قابلية اللحام والليونة إذا لم يتم التحكم فيها. - الكروم، الموليبدينوم، والفاناديوم تزيد من قابلية التحسين والقوة عند درجات الحرارة العالية وتحسن مقاومة التقسية - وهو مفيد للأقسام السميكة التي تحتاج إلى تقسية موحدة. - العناصر الدقيقة (Nb، Ti، V) تحسن حجم الحبيبات وتزيد من الصلابة دون عقوبات كبيرة على الكربون. - المحتوى الكلي الأعلى من السبيكة في ZF140 يوفر قابلية تحسين أفضل وقوة أعلى عند التبريد؛ بينما ZF100 يركز على الخصائص المتوازنة مع تحسين خصائص التصنيع.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية - ZF100: عند التطبيع، ينتج مزيجًا من الفريت والبيرلايت أو هياكل باينيتية مصقولة حسب التبريد. عند التبريد والتقسية، يشكل مارتنسيت مقسى أو باينيت مقسّى مع ليونة وصلابة ملائمة إذا كان محتوى الكربون معتدلاً. - ZF140: مع سبيكة أعلى وقابلية تحسين، ينتج التبريد بشكل أكثر موثوقية هيكل مارتنسيت أو مارتنسيت-باينيت حتى في الأقسام السميكة. بعد التقسية، من المتوقع أن يكون مارتنسيت مقسى مع قوة محتفظ بها أعلى ومقاومة للتقسية.

طرق المعالجة الحرارية وتأثيراتها - التطبيع: تستجيب كلتا الدرجتين للتطبيع مع تحسين الحبيبات؛ محتوى السبيكة في ZF140 يبطئ من حركية التحول، مما ينتج باينيت/مارتنسيت أدق عند نفس معدلات التبريد مقارنة بـ ZF100. - التبريد والتقسية: ZF140 تحقق قابلية تحسين أعلى؛ في ظروف التبريد المعادلة، ستحقق ZF140 عادةً صلابة أعلى عند التبريد وبالتالي قوة مقسّاة أعلى. تحتاج ZF100 إلى تبريد أقل شدة أو درجات حرارة تقسية أقل للوصول إلى قوى معتدلة مع تحسين الليونة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن ينتج الدرفلة الساخنة مع التبريد المنضبط (TMCP) هياكل مجهرية باينيتية دقيقة في كلتا الدرجتين؛ التأثيرات تكون أكثر وضوحًا في ZF140 بسبب التحكم في التحول المدعوم بالسبيكة.

4. الخصائص الميكانيكية

نظرًا لأن المواصفات تختلف بين الموردين، يوفر الجدول أدناه أوصافًا مقارنة بدلاً من القيم المطلقة.

الخاصية	ZF100 (نموذجي)	ZF140 (نموذجي)
قوة الشد	متوسطة	أعلى
قوة العائد	متوسطة	أعلى
التمدد (الليونة)	أفضل (أعلى)	أقل-متوسطة
صلابة التأثير	جيدة (خصوصًا عند التقسية)	جيدة ولكن قد تتطلب تقسية منضبطة لتجنب الهشاشة
الصلابة (HRC/HB نسبي)	متوسطة	أعلى

التفسير - تم تصميم ZF140 لتحقيق قوة وصلابة أعلى بسبب محتوى السبيكة الأكبر وقابلية التحسين. مما يجعلها مفضلة حيث تكون سعة التحميل، ومقاومة التآكل، أو الأقسام عالية القوة المعالجة حراريًا مطلوبة. - تقدم ZF100 عمومًا ليونة متفوقة وسهولة في تحقيق الصلابة عبر مجموعة من المعالجات الحرارية، مما يجعلها متسامحة في التصنيع والتجمعات الملحومة.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني، والسبيكة، وسمك القسم، والتحكم الحراري قبل/بعد اللحام. المؤشرات التمثيلية المستخدمة من قبل المهندسين:

• المعادل الكربوني (شكل IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

التفسير النوعي - ZF100: عادةً ما يؤدي المحتوى العام المنخفض من السبيكة إلى انخفاض $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$، مما يترجم إلى قابلية لحام أفضل ومتطلبات أقل للتسخين المسبق/المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) للأقسام الرقيقة إلى المتوسطة. - ZF140: يزيد السبيكة الأعلى من كل من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$؛ مما يزيد من خطر التشقق البارد الناتج عن الهيدروجين وصلابة معدن اللحام المارتنسيت. من المرجح أن تكون هناك حاجة للتسخين المسبق، ودرجات حرارة تمرير منضبطة، ومواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، وPWHT - خاصة للأقسام السميكة.

إرشادات عملية - احسب دائمًا المعادل الكربوني ذي الصلة من كيمياء المصنع وقيمه حسب سمك القسم. - حدد مؤهلات إجراءات اللحام (WPS/PQR) وحدود قياس الهيدروجين لـ ZF140 في الظروف الصعبة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا ZF100 ولا ZF140 مقاومان للصدأ وفقًا للصيغ القياسية؛ تأتي مقاومة التآكل من المعالجات السطحية.
• استراتيجيات الحماية الشائعة:
• التغليف بالغمس الساخن للحماية من الغلاف الجوي.
• الطلاءات العضوية (الدهان، الطلاء المسحوق) للحماية الزخرفية ومقاومة التآكل.
• التغليف أو الطلاء لمقاومة التآكل والتآكل المحلي.
• عندما تكون السبائك المقاومة للصدأ أو المقاومة للتآكل مطلوبة، فإنها ليست بدائل. لا تستخدم مؤشرات مقاومة الصدأ مثل PREN ما لم يحتوي الفولاذ على سبيكة مقاومة للصدأ مقصودة: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• ملاحظة: عادةً ما لا ينطبق PREN على ZF100/ZF140 ما لم يقدم المورد كيمياء من درجات مقاومة للصدأ بشكل صريح.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: ZF100 عادةً ما تكون أسهل في التشغيل بسبب انخفاض الصلابة ومحتوى السبيكة. قد تتطلب ZF140، مع صلابة أعلى وسبيكة، أدوات أقوى، وسرعات قطع أقل، وتغيير أدوات أكثر تكرارًا.
• قابلية التشكيل: تقدم ZF100 قدرة أفضل على التشكيل البارد بفضل الليونة الأعلى. قد تتطلب ZF140 تشكيلًا ساخنًا أو إجراءات انحناء منضبطة، ويجب أخذ سلوك الارتداد في الاعتبار.
• التشطيب: الطحن، والرش بالكرات، والتشطيب السطحي تستهلك المزيد من الموارد على ZF140 بسبب الصلابة الأكبر؛ كما أن التحكم في الإجهاد السطحي أثناء المعالجة يكون أكثر أهمية.

8. التطبيقات النموذجية

ZF100 – الاستخدامات النموذجية	ZF140 – الاستخدامات النموذجية
أجزاء هيكلية عامة، أعمدة متوسطة، إطارات، تجميعات ملحومة حيث تكون تكلفة التصنيع وقابلية اللحام مهمة	أعمدة عالية القوة، تروس، مكونات تحمل تآكل ثقيل، أجزاء تم تبريدها وتقسيها حيث تكون قابلية التحسين والقوة الأعلى مطلوبة
مكونات تتطلب ليونة جيدة وصلابة تأثير بعد المعالجة الحرارية القياسية	مكونات في أقسام سميكة حيث تكون التقسية العميقة مطلوبة دون شدة تبريد مفرطة
أجزاء آلات متوسطة وأقواس سيتم حمايتها بطلاءات	أجزاء معرضة لإجهاد ميكانيكي مرتفع، تآكل معتدل، أو تحميل إجهاد متطلب

مبررات الاختيار - اختر الدرجة التي تتناسب مع المتطلبات الوظيفية بدلاً من القوة الاسمية فقط. ZF100 مناسبة عندما تهيمن سرعة التصنيع، وقابلية اللحام، وكفاءة التكلفة. يتم اختيار ZF140 حيث تكون القوة الخدمية الأعلى، ومقاومة التآكل، أو القدرة على تحقيق صلابة موحدة في الأقسام السميكة أمرًا إلزاميًا.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: ZF140 عادةً ما تكون أكثر تكلفة لكل طن بسبب محتوى السبيكة الأعلى وضوابط المعالجة/المعالجة الحرارية الأكثر صرامة. تميل ZF100 إلى أن تكون الخيار الأقل تكلفة.
• التوافر: قد تكون كلتا الدرجتين متاحة في الألواح، والبار، والمسبوكات من مصانع متخصصة؛ ومع ذلك، فإن نظائر ZF100 تكون مخزنة بشكل أوسع. قد يتم إنتاج ZF140 حسب الطلب أو يكون لها أوقات تسليم أطول حسب المنتج والمعالجة الحرارية المطلوبة.
• نصائح الشراء: اطلب حالة المعالجة الحرارية، وشهادات اختبار المصنع (كيميائية وميكانيكية)، وحالة التسليم، وشكل الإمداد (لوح، بار، صب). تفاوض على أوقات التسليم وكميات الطلب الدنيا للدرجات غير القياسية.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي)

المعايير	ZF100	ZF140
قابلية اللحام	أفضل (CE أقل)	متوسطة–تحدي (CE أعلى)
توازن القوة–الصلابة	صلابة جيدة وليونة عند قوة معتدلة	قوة أعلى مع صلابة جيدة إذا تم تقسيته بشكل صحيح
التكلفة	أقل	أعلى

الاستنتاج - اختر ZF100 إذا: - كانت سرعة التصنيع، وقابلية اللحام، وانخفاض تكلفة المواد هي المحركات الأساسية. - كانت الأجزاء رقيقة إلى متوسطة حيث لا تكون قابلية التحسين العالية مطلوبة. - كانت الليونة والصلابة الممتصة للطاقة مهمة.

• اختر ZF140 إذا:
• كانت القوة العالية عبر السمك ومقاومة التآكل ضرورية.
• يجب أن تحقق المكونات قوة مرتفعة عند التبريد والتقسية في الأقسام السميكة.
• يمكن أن يستوعب المشروع إجراءات لحام أكثر تطلبًا، وتسخين مسبق/PWHT، وتكلفة مواد أعلى لعمر خدمة ممتد.

ملاحظة نهائية للشراء: احصل دائمًا على البيانات الكيميائية والميكانيكية الدقيقة من المصنع للدفعة المحددة من ZF100 أو ZF140 التي يتم النظر فيها. استخدم حسابات المعادل الكربوني والتحقق من WPS/PQR لتأهيل إجراءات اللحام، وحدد المعالجة الحرارية بعد اللحام حيثما تطلبت ظروف الخدمة.