10# مقابل 20# – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

10# و 20# هما درجتان من الفولاذ الكربوني العادي المستخدمتان على نطاق واسع في التصنيع والبناء، وغالبًا ما يتم تحديدهما في سلاسل التوريد الصينية والإقليمية. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بوزن المزايا والعيوب بين التكلفة وقابلية اللحام وقابلية التشكيل والقوة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية ما إذا كانت المكونات تتطلب قابلية عالية للتمدد وسهولة في الانضمام (تفضل الخيار منخفض الكربون) أو قوة أعلى ومقاومة للتآكل (تفضل الخيار عالي الكربون).

التمييز الفني الرئيسي بين هاتين الدرجتين هو محتوى الكربون: الدرجة منخفضة الكربون تنتج مادة أكثر ليونة وقابلية للتمدد مع قابلية لحام وسلوك تشكيل متفوق، بينما تزيد الدرجة عالية الكربون من القوة وقابلية التصلب على حساب بعض القابلية للتمدد وسهولة اللحام. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذ الكربوني العادي مع عناصر تتبع مشابهة، يتم مقارنتهما عادةً للأجزاء التي يجب أن توازن بين قابلية التشغيل واستجابة المعالجة الحرارية والتكلفة.

1. المعايير والتسميات

• GB (الصين): 10# و 20# هما تسميات تقليدية للفولاذ الكربوني العادي في المعايير الصينية (غالبًا ما تستخدم في مواصفات المنتجات GB/T).
• JIS (اليابان): تستخدم الدرجات الاسمية المعادلة في JIS أسماء قائمة على الكربون (على سبيل المثال، S10C، S20C هي درجات قابلة للمقارنة شائعة).
• ASTM/ASME: تستخدم المعايير الأمريكية عمومًا تسميات درجات A36 و A106 أو SAE؛ لا توجد دائمًا معادلات مباشرة واحدة لواحدة لأن درجات ASTM تحدد متطلبات الخصائص الميكانيكية بدلاً من مجرد تسمية "10#".
• EN (أوروبا): تصنف درجات EN الفولاذ حسب المتطلبات الكيميائية والميكانيكية (على سبيل المثال، C10، C20 قابلة للمقارنة من الناحية المفاهيمية ولكن يجب الرجوع إليها).
• التصنيف: كل من 10# و 20# هما فولاذ كربوني عادي (ليس سبيكة، ليس مقاومًا للصدأ، ليس HSLA، ليس فولاذ أدوات). يتم استخدامهما عادةً كفولاذ منخفض الكربون (10#) وفولاذ كربون متوسط منخفض (20#) في التصنيع.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

عنصر	النطاق النموذجي لـ 10# (تقريبًا)	النطاق النموذجي لـ 20# (تقريبًا)
الكربون (C)	0.06–0.12 wt%	0.17–0.24 wt%
المنغنيز (Mn)	0.25–0.60 wt%	0.25–0.65 wt%
السيليكون (Si)	0.02–0.35 wt%	0.02–0.35 wt%
الفوسفور (P)	≤ 0.035 wt% (كحد أقصى)	≤ 0.035 wt% (كحد أقصى)
الكبريت (S)	≤ 0.035 wt% (كحد أقصى)	≤ 0.035 wt% (كحد أقصى)
الكروم (Cr)	عادةً ≤ 0.30 wt%	عادةً ≤ 0.30 wt%
النيكل (Ni)	عادةً ≤ 0.30 wt%	عادةً ≤ 0.30 wt%
الموليبدينوم (Mo)	عادةً ≤ 0.08 wt%	عادةً ≤ 0.08 wt%
الفاناديوم (V)	تتبع إن وجد	تتبع إن وجد
النيوبوم (Nb)	تتبع إن وجد	تتبع إن وجد
التيتانيوم (Ti)	تتبع إن وجد	تتبع إن وجد
البورون (B)	لا يضاف عادةً	لا يضاف عادةً
النيتروجين (N)	تتبع	تتبع

ملاحظات: هذه هي نوافذ التركيب النموذجية للفولاذ الكربوني العادي 10# و 20#؛ قد تحدد معايير المنتجات والمصنعون حدودًا مختلفة قليلاً. تركز استراتيجية السبائك لكلتا الدرجتين على مستويات منخفضة من عناصر السبائك: يتحكم الكربون بشكل أساسي في القوة وقابلية التصلب، ويعدل المنغنيز القوة وإزالة الأكسدة، ويعتبر السيليكون مزيل أكسدة يزيد قليلاً من القوة.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون: التحكم الأساسي في قوة الشد، الصلابة، وقابلية التصلب؛ يزيد الكربون العالي من القوة ومقاومة التآكل ولكنه يقلل من القابلية للتمدد وقابلية اللحام. - المنغنيز: يزيد من قوة الشد، قابلية التصلب، والصلابة؛ يخفف من الآثار الضارة للكبريت (يشكل MnS). - السيليكون: تقوية طفيفة في المحلول الصلب ومزيل أكسدة؛ يمكن أن يؤثر السيليكون الزائد على جودة السطح في بعض العمليات. - عناصر التتبع (Cr، Ni، Mo): عندما تكون موجودة بكميات صغيرة، فإنها تزيد بشكل طفيف من قابلية التصلب والقوة ولكنها ليست سمة مميزة لهذه الدرجات.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - 10#: في الحالة المدلفنة أو المعالجة الحرارية، تكون البنية المجهرية في الغالب من الفريت مع تشتت ناعم من البيرلايت. يحد محتوى الكربون المنخفض من نسبة البيرلايت ويمنع كميات كبيرة من المارتينسيت بعد معدلات تبريد معتدلة. - 20#: ينتج محتوى الكربون الأعلى نسبة أكبر من البيرلايت في الحالة المدلفنة ويزيد من إمكانية تشكيل المارتينسيت أو الباينيت تحت تبريد أسرع أو ترويح.

استجابات المعالجة الحرارية: - التخمير/التخمير الكامل: ستلين كلتا الدرجتين، وتقلل من الضغوط المتبقية، وتنتج خليطًا خشنًا من الفريت والبيرلايت. تصل 10# إلى حالة أكثر ليونة بسهولة وسرعة بسبب انخفاض الكربون. - التطبيع: ينتج بنية مجهرية أكثر دقة من الفريت والبيرلايت ويحسن الصلابة مقارنةً بالحالة المدلفنة؛ يفيد كلتا الدرجتين ولكنه يعطي قوى طبيعية أعلى لـ 20# بسبب محتواه الأعلى من الكربون. - التبريد والتخمير (Q&T): تستجيب 20# بشكل أكبر لـ Q&T لأن محتواها الأعلى من الكربون وقابلية التصلب الأعلى قليلاً يسمحان بتطوير هياكل مارتينسيتية عالية القوة بعد التبريد والتخمير المنضبط. تحتوي 10# على قابلية تصلب محدودة - إنتاج مارتينسيت عالي الصلابة بشكل موحد أكثر صعوبة وعادةً ليس فعالاً من حيث التكلفة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن تزيد الدرفلة المنضبطة والتبريد المعجل من القوة لكلتا الدرجتين؛ يحدد محتوى الكربون التركيبة القابلة للتحقيق من القوة والصلابة.

4. الخصائص الميكانيكية

الخاصية (نموذجية، تعتمد على المعالجة)	10# (نطاقات تقريبية)	20# (نطاقات تقريبية)
قوة الشد (ميغاباسكال)	~320–470	~380–540
قوة الخضوع (ميغاباسكال)	~140–310	~200–370
التمدد (%)	~20–40	~12–30
صلابة التأثير (شاربي V-notch، J)	عادةً أعلى عند درجات حرارة منخفضة لـ 10# (تعتمد على المعالجة)	أقل من 10# عند نفس المعالجة، ولكن يمكن تحسينها من خلال المعالجة
الصلابة (HB أو HRC)	أقل في الحالة الاسمية (أكثر ليونة)	أعلى في الحالة الاسمية (أكثر صلابة)

ملاحظات: القيم توضيحية وتتأثر بشدة بشكل المنتج (لوح، قضيب، سلك)، السماكة، والتاريخ الحراري-الميكانيكي. بشكل عام، تظهر 20# قوة شد وقوة خضوع أعلى بسبب محتواها الأعلى من الكربون ونسبة البيرلايت الأكبر؛ تقدم 10# قابلية تمدد أكبر وعادةً صلابة أفضل عند درجات حرارة منخفضة عند معالجتها بشكل مشابه.

التفسير: - القوة: 20# > 10# بسبب الكربون الأعلى وزيادة تقوية البيرلايت/البنية المجهرية. - الصلابة/القابلية للتمدد: 10# > 20# في ظروف قابلة للمقارنة لأن الكربون المنخفض يقلل من المراحل الهشة ويسمح بمزيد من الفريت. - الصلابة/مقاومة التآكل: 20# عادةً أكثر صلابة وأفضل للأجزاء المعرضة للتآكل بعد الحد الأدنى من المعالجة الحرارية.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية لحام الفولاذ الكربوني بشكل رئيسي على محتوى الكربون، الكربون المعادل (قابلية التصلب) والعناصر المتبقية. اثنان من المؤشرات التجريبية المستخدمة بشكل شائع هما المعادل الكربوني IIW ومعامل Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

التفسير النوعي: - سيكون لدى 10# $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ أقل بسبب انخفاض الكربون، مما يشير إلى قابلية لحام ممتازة عمومًا مع متطلبات تسخين مسبق منخفضة ومخاطر ضئيلة من التشقق البارد عند استخدام الإجراءات المناسبة. - تحتوي 20# على كربون أعلى، مما يزيد من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ وبالتالي يزيد من خطر تصلب المارتينسيت في منطقة التأثير الحراري (HAZ). بالنسبة للأقسام الأكثر سمكًا أو الوصلات المقيدة، قد يُوصى بالتسخين المسبق، والتحكم في درجات حرارة التداخل، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). - تؤثر السبائك الدقيقة والمنغنيز الأعلى بشكل معتدل على قابلية التصلب؛ ومع ذلك، نادرًا ما تحتوي هذه الدرجات من الفولاذ الكربوني العادي على ما يكفي من السبائك لتغيير إجراءات اللحام بشكل جذري بخلاف تلك التي تحددها محتويات الكربون وسمك القسم.

أفضل الممارسات: استخدم إدخال حرارة أقل وتبريد منضبط لـ 20# في الأقسام الأكثر سمكًا، وحدد التسخين المسبق أو PWHT وفقًا لمواصفات إجراءات اللحام عند تجاوز عتبات المعادل الكربوني.

6. التآكل وحماية السطح

• كل من 10# و 20# هما فولاذ كربوني غير مقاوم للصدأ؛ مقاومة التآكل الجوهرية محدودة ومتشابهة بين الدرجتين. يجب أن يفترض الاختيار بينهما الحاجة إلى تدابير وقائية في البيئات التآكلية.
• التخفيف النموذجي: الجلفنة، الطلاءات الواقية (الدهانات، الطلاء المسحوق)، الطلاء، أو المثبطات الخاصة بالتطبيق. بالنسبة للأجزاء الهيكلية الخارجية، تعتبر الجلفنة بالغمر الساخن أو أنظمة الطلاء القوية شائعة.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على الفولاذ الكربوني العادي؛ إنه ذو صلة بالدرجات المقاومة للصدأ:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• يجب أن تستند مخصصات التآكل، والحماية الكاثودية، واختيار نظام الطلاء إلى البيئة، والعمر المتوقع، ونظام الفحص بدلاً من الاختلافات الصغيرة في التركيب بين 10# و 20#.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع والتشغيل: 20# أكثر صلابة وعادةً ما تتطلب قوى قطع أعلى وقد تقلل من عمر الأداة مقارنةً بـ 10#. ومع ذلك، فإن الاختلافات متواضعة لنطاق الكربون المنخفض؛ يجب تعديل استراتيجيات الأدوات والسرعات لزيادة محتوى الكربون.
• التشكيل والانحناء: 10# متفوقة في التشكيل البارد، والسحب العميق، والانحناء ذو الزوايا الضيقة بسبب قابلية التمدد الأعلى. 20# أكثر عرضة للارتداد وتتطلب زوايا انحناء أكبر أو مزيد من القوة.
• الانضمام والتثبيت: 10# أسهل في تشكيل الخيوط الباردة والانضمام عن طريق اللحام؛ 20# يسمح بتثبيت أقوى ولكن قد يتطلب معالجة حرارية بعد الانضمام في التطبيقات الحرجة وعالية القوة.
• إنهاء السطح: تقبل كلتا الدرجتين عمليات إنهاء نموذجية (الطحن، التلميع، الطلاء)؛ قد تظهر 20# تصلب عمل أعلى مما يؤثر على جودة النهاية النهائية للت tolerances الضيقة جدًا.

8. التطبيقات النموذجية

10# (كربون منخفض)	20# (كربون أعلى)
مكونات مشكّلة باردة، أجزاء هيكلية عامة، لوحات داخلية للسيارات، حوامل خفيفة، تجميعات ملحومة مصنوعة حيث تهم القابلية للتمدد وقابلية اللحام	أعمدة، محاور، مسامير، براغي (حيث تكون القوة الأعلى أو مقاومة التآكل مطلوبة)، أعضاء هيكلية ذات متطلبات تحميل أعلى، أجزاء آلات تستفيد من الفولاذ القابل للتصلب
أعمدة منخفضة الضغط، وصلات مثبتة أو ملولبة، أنابيب منخفضة الضغط (غير حرجة)	أجزاء مخصصة للمعالجة الحرارية لزيادة القوة (مبردة/مخمرة أو معالجة حرارية)
أسلاك مسحوبة، أنابيب مشكّلة، مثبتات تتطلب تشكيلًا كبيرًا	أجزاء معرضة للتآكل (بعد المعالجة الحرارية المناسبة)، مكونات مطروقة متوسطة القوة

مبررات الاختيار: - اختر 10# عندما تكون سهولة التشكيل، اللحام، وإنهاء السطح هي الأولويات ومتطلبات القوة متواضعة. - اختر 20# عندما تكون القوة الأعلى عند التصنيع أو إمكانية زيادة القوة من خلال المعالجة الحرارية مطلوبة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: كلتا الدرجتين هما فولاذ كربوني عادي من السلع وهما من بين الخيارات الأقل تكلفة. عادةً ما تكون 10# أرخص قليلاً بسبب انخفاض الكربون والمعالجة الأكثر بساطة قليلاً، ولكن أسعار السوق تتأثر بمزيج منتجات مصانع الصلب والطلب بدلاً من تكلفة الدرجة الجوهرية.
• التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في القضبان، القضبان، الألواح، وأشكال الأسلاك. تمتلك 10# و 20# سلاسل توريد واسعة في المناطق التي تستخدم تسميات GB/JIS. عادةً ما تكون أوقات التسليم قصيرة للأحجام القياسية؛ قد تزيد الأشكال الخاصة (قضبان ذات قطر كبير، قضبان ذات tolerances ضيقة، أو تقارير اختبار مصنع معتمدة) من التكلفة ووقت التسليم.

10. الملخص والتوصية

السمة	10#	20#
قابلية اللحام	ممتازة (CE أقل)	جيدة إلى متوسطة (تتطلب تسخين مسبق/PWHT في الأقسام الأكثر سمكًا)
توازن القوة والصلابة	قوة أقل، قابلية تمدد/صلابة أعلى	قوة أعلى، أقل قابلية للتمدد ما لم تتم معالجتها بشكل خاص
التكلفة النسبية	أقل قليلاً أو قابلة للمقارنة	أعلى قليلاً أو قابلة للمقارنة

التوصيات: - اختر 10# إذا كنت بحاجة إلى قابلية تشكيل متفوقة، لحام أسهل، قابلية تمدد أعلى، خطر أقل من تشقق HAZ، أو تصنيع عالي الحجم حساس للتكلفة حيث تكون المعالجة بعد اللحام غير مرغوبة. - اختر 20# إذا كنت بحاجة إلى قوة شد وقوة خضوع أعلى عند التصنيع، مقاومة تآكل محسنة، أو خيار معالجة حرارية للمكونات لزيادة مستويات القوة، وخطة التصنيع تستوعب التسخين المسبق، والتبريد المنضبط، أو PWHT.

ملاحظة نهائية: يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار هندسة الجزء، وسمك القسم، والأحمال المتوقعة، وطريقة الانضمام، وأي معالجة حرارية مطلوبة بعد التصنيع. عند الشك، حدد متطلبات خصائص المواد (قوة الشد، قوة الخضوع، التمدد، الصلابة) والقيود التصنيعية بدلاً من اسم الدرجة فقط، واستشر شهادات المصنع أو بيانات المعادن المؤهلة للتطبيقات الحرجة.