12Cr1MoV مقابل 15CrMo – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع خيارًا بين الفولاذات منخفضة السبائك المرتبطة ارتباطًا وثيقًا عند تحديد المكونات لمعدات الضغط والأنابيب والتطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة. تدور المعضلات النموذجية للاختيار حول تحقيق التوازن بين القوة ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة العالية مقابل قابلية اللحام وسهولة التصنيع والتكلفة. مقارنة شائعة هي بين 12Cr1MoV و 15CrMo، وكلاهما يستخدم في الغلايات، وأوعية الضغط، وأجزاء الهيكل المعرضة للحرارة.

الفرق الأساسي بين هذين الفولاذين هو استراتيجيات السبائك الخاصة بهما: تتضمن إحدى الدرجات عناصر سبائكية أقوى تشكل الكربيدات التي تزيد من القابلية للتصلب والقوة عند درجات الحرارة العالية، بينما تم صياغة الأخرى لتكون ذات تركيبة أبسط وسهولة أكبر في التصنيع. هذا الاختلاف يؤدي إلى مقايضات في الأداء الميكانيكي وإجراءات اللحام والملاءمة للخدمة عند درجات حرارة أعلى.

1. المعايير والتسميات

• 12Cr1MoV
• يظهر عادة في المعايير الوطنية لفولاذات أوعية الضغط والغلايات (على سبيل المثال، معايير صينية وأوروبية شرقية متنوعة). يتم تصنيفه كفولاذ منخفض السبائك مصمم للخدمة عند درجات حرارة مرتفعة (فولاذ ضغط/غلاية).
• 15CrMo
• يظهر في المواصفات الأوروبية والدولية التقليدية لفولاذات منخفضة السبائك المستخدمة في الغلايات وأوعية الضغط (تاريخيًا في تسميات مرتبطة بـ EN/BS). كما أنه درجة فولاذ منخفضة السبائك ومقاومة للحرارة.

التصنيف لكليهما: فولاذ ضغط/غلاية منخفض السبائك (فيريتيك) (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، ليس فولاذ أدوات، ليس HSLA بالمعنى الحديث للسبائك الدقيقة، على الرغم من أن العناصر الدقيقة قد تكون موجودة).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تستخدم الدرجتان استراتيجيات سبائك مختلفة: واحدة تركز على إضافات صغيرة من العناصر الدقيقة (مكونة للكربيدات/النترات) لتحسين القوة عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف، بينما الأخرى هي سبيكة كروم-موليبدينوم أبسط مصممة لتحقيق صلابة جيدة وسهولة أكبر في اللحام.

جدول — الوجود النوعي لعناصر السبائك | العنصر | 12Cr1MoV (وجود نوعي) | 15CrMo (وجود نوعي) | |---|---:|---:| | C (الكربون) | منخفض إلى معتدل (يؤثر على القوة) | منخفض إلى معتدل | | Mn (المنغنيز) | موجود (يساعد في القوة/الصلابة) | موجود | | Si (السيليكون) | موجود بكميات صغيرة (إزالة الأكسدة) | موجود بكميات صغيرة | | P (الفوسفور) | متبقي/مراقب (محتفظ به منخفضًا) | متبقي/مراقب (محتفظ به منخفضًا) | | S (الكبريت) | آثار/مراقب | آثار/مراقب | | Cr (الكروم) | معتدل (يحسن الأكسدة والقوة) | معتدل (سبائك أساسية) | | Ni (النيكل) | عمومًا غائب أو آثار | عمومًا غائب أو آثار | | Mo (الموليبدينوم) | موجود (يحسن قوة الزحف والقابلية للتصلب) | موجود (لكن عادةً بمحتوى أقل من الدرجة الأكثر سبائكًا) | | V (الفاناديوم) | إضافة صغيرة من السبيكة الدقيقة (تشكل الكربيدات/النترات) | عادةً غائب أو فقط آثار | | Nb (النيوبيوم) | عادةً غائب أو آثار | عادةً غائب أو آثار | | Ti (التيتانيوم) | آثار ممكنة (إزالة الأكسدة/التثبيت) | آثار ممكنة | | B (البورون) | ليس نموذجيًا | ليس نموذجيًا | | N (النيتروجين) | آثار (يؤثر على تشكيل الكربيدات/النترات الدقيقة) | آثار |

كيف تؤثر السبائك على الخصائص - يرفع الكروم والموليبدينوم القوة عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة الزحف، والقابلية للتصلب؛ كما أنهما يقللان قليلاً من قابلية اللحام إذا كانت المحتويات كبيرة. - يساهم الفاناديوم (وعناصر السبيكة الدقيقة الأخرى مثل النيوبيوم) في تعزيز القوة من خلال ترسبات الكربيدات/النترات الدقيقة وتنقية الحبوب؛ هذا يعزز قوة العائد ومقاومة الزحف ولكنه يزيد من القابلية للتصلب وخطر تشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير الحراري (HAZ) أثناء اللحام. - يتحكم الكربون في القوة الأساسية والقابلية للتصلب؛ يتم الاحتفاظ به منخفضًا إلى معتدل في هذه الدرجات للحفاظ على قابلية اللحام والصلابة. - يعتبر المنغنيز والسيليكون بشكل أساسي مزيلات للأكسدة ويساهمان بشكل معتدل في القوة والصلابة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية - كلا الدرجتين لهما بنى مجهرية فيريتيك-لؤلؤية أو فيريتيك عادية في الحالة المسلمة عندما تكون عادية أو عادية ومزودة. بالنسبة لفولاذات أوعية الضغط النموذجية، فإن البنية المجهرية المستهدفة هي بنية باينيتية أو فيريتيك/لؤلؤية دقيقة حسب المعالجة الحرارية ومعدل التبريد. - 12Cr1MoV، بسبب السبيكة الدقيقة (الفاناديوم) والموليبدينوم، يميل إلى إنتاج ترسبات أدق ويمكن أن يطور بنية مارتنسيت/فيريتك دقيقة في المناطق المبردة بشدة؛ هذا ينتج عنه قوة أعلى ومقاومة زحف محسنة. - 15CrMo عادةً ما يكون له بنية فيريتيك/لؤلؤية عادية مصممة لتحقيق الصلابة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة.

استجابة المعالجة الحرارية - التطبيع: تستجيب كلا الفولاذين للتطبيع مع تنقية الحبوب وتحسين الصلابة؛ تساعد العناصر الدقيقة في 12Cr1MoV على استقرار الحبوب الدقيقة تحت دورات التطبيع المناسبة. - التبريد والتسخين: يمكن تبريد كلاهما وتسخينه، لكن وجود الفاناديوم وارتفاع القابلية للتصلب في الدرجة الأكثر سبائكًا يتطلب التحكم الدقيق في شدة التبريد والتسخين لتجنب صلابة HAZ المفرطة ولتحقيق الصلابة المطلوبة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: تستفيد 12Cr1MoV أكثر من المعالجة الحرارية الميكانيكية/الدرفلة المنضبطة لأن ترسبات السبيكة الدقيقة تساعد في تثبيت حدود الحبوب، مما يحسن القوة والصلابة عند درجة الحرارة.

4. الخصائص الميكانيكية

توفير خصائص ميكانيكية مقارنة نوعيًا يتجنب الأرقام الدقيقة المضللة بينما يجعل الفروق واضحة.

جدول — السلوك الميكانيكي المقارن (نوعي) | الخاصية | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | قوة الشد | ميل أعلى (بسبب السبيكة الدقيقة والموليبدينوم) | معتدل | | قوة العائد | ميل أعلى | معتدل | | الاستطالة (المرونة) | جيدة، قد تكون أقل قليلاً من 15CrMo إذا كانت سبائكها ثقيلة/مفرطة التسخين | جيدة، عمومًا أكثر مرونة في الحالة القياسية | | صلابة التأثير | جيدة مع المعالجة الحرارية المناسبة؛ حساسة لظروف HAZ | عمومًا جيدة جدًا، غالبًا ما تكون صلابة HAZ متفوقة تحت نفس ممارسة اللحام | | الصلابة | يمكن أن تصل إلى صلابة أعلى بعد التبريد والتسخين | أقل في الظروف المقارنة |

تفسير - تم تصميم 12Cr1MoV لتقديم قوة أعلى عند درجات الحرارة ومقاومة زحف من خلال السبيكة الدقيقة وارتفاع الموليبدينوم؛ لذلك عادةً ما تحقق قوة شد وقوة عائد أعلى بعد المعالجة الحرارية المناسبة. - تميل 15CrMo، مع إضافات سبيكة دقيقة أقل، إلى أن تكون أسهل في المعالجة واللحام، مع مرونة محتفظ بها قليلاً أفضل وصلابة HAZ في العديد من سيناريوهات التصنيع. - القيم الميكانيكية الفعلية تعتمد على المواصفات الدقيقة، وطريق المعالجة الحرارية، وشكل المنتج؛ يجب على المهندسين الرجوع إلى شهادات الموردين لضمان الحد الأدنى.

5. قابلية اللحام

تتحكم قابلية اللحام في المعادلة المكافئة للكربون، وعناصر السبائك التي تزيد من القابلية للتصلب، وعناصر السبيكة الدقيقة التي تشكل كربيدات/نترات مستقرة.

مؤشرات تجريبية مفيدة (للتفسير النوعي) - المعادلة المكافئة للكربون (صيغة IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - صيغة Pcm لعرض قابلية التشقق اللحامي: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي - تشير القيم الأعلى من $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ إلى زيادة القابلية للتصلب وزيادة الحاجة إلى التسخين المسبق، ودرجات حرارة بينية مسيطر عليها، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT). - عادةً ما تعطي 12Cr1MoV مساهمات أعلى في $CE$/$P_{cm}$ بسبب الموليبدينوم والفاناديوم، لذا يجب أن تأخذ إجراءات اللحام في الاعتبار زيادة القابلية للتصلب في HAZ: التسخين المسبق، والتحكم في إدخال الحرارة، وPWHT مطلوبة عادةً لتصنيع أوعية الضغط. - 15CrMo، مع عناصر سبيكة دقيقة أقل، عادةً ما يكون له قيم CE وPcm محسوبة أقل وعادةً ما يكون أكثر تسامحًا أثناء اللحام — على الرغم من أن التسخين المسبق وPWHT لا تزال مطلوبة غالبًا للأقسام السميكة ومعدات الضغط.

إرشادات عملية - تتطلب كلا الدرجتين المستخدمة في معدات الضغط عادةً إجراءات لحام مؤهلة وPWHT لاستعادة الصلابة وتخفيف الضغوط المتبقية. - عند الاختيار بين الاثنين، ضع في اعتبارك تعقيد دورة PWHT المطلوبة وإنتاجية اللحام. تتطلب الفولاذات ذات السبائك الثقيلة تحكمًا أكثر دقة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا 12Cr1MoV ولا 15CrMo مقاومان للصدأ؛ مقاومة التآكل هي تلك الخاصة بالفولاذات الفيريتيك منخفضة السبائك. يجب أن يفترض الاختيار الحاجة إلى طلاءات واقية أو حماية كاثودية حيثما كانت التآكل مصدر قلق.
• التدابير الوقائية النموذجية: أنظمة الطلاء، طلاءات الإيبوكسي/الفينول، التكسية (تغطية اللحام)، أو الغلفنة بالغمر الساخن للظروف المحيطة حيث تكون الحماية الجلفانية مناسبة.
• بالنسبة للفولاذات غير المقاومة للصدأ بالكامل، فإن PREN غير قابلة للتطبيق؛ ومع ذلك، بالنسبة للفولاذات السبائكية حيث يساهم الموليبدينوم في مقاومة التآكل المحلية في بيئات خاصة، فإن مؤشر PREN ذو صلة فقط إذا كان الفولاذ يحتوي على كميات كبيرة من الكروم والموليبدينوم بالإضافة إلى نيتروجين قابل للقياس — وهذا ليس هو الحال بالنسبة لدرجات 12Cr1MoV أو 15CrMo القياسية.
• حيثما تكون مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة مهمة، فإن محتويات الكروم والموليبدينوم الأعلى (كما في الدرجة الأكثر سبائكًا) تعطي أداءً أفضل، لكن هذه الفولاذات لا تزال ليست بدائل للفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك درجات الحرارة العالية.

مثال على صيغة PREN (غير قابلة للتطبيق عادةً على هذه الدرجات): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلا الفولاذين قابلان للتشغيل بشكل معقول في الظروف العادية أو المعالجة الحرارية. قد تؤدي الصلابة الأعلى قليلاً وتقوية الترسبات في 12Cr1MoV إلى تقليل عمر الأداة مقارنةً بـ 15CrMo.
• قابلية التشكيل: تميل 15CrMo إلى أن تكون أسهل قليلاً في التشكيل البارد والانحناء بسبب البنية المجهرية الأبسط والصلابة المنخفضة قليلاً في الظروف المسلمة.
• الانضمام والتصنيع: تتطلب 12Cr1MoV تحكمًا أكثر دقة في إدخال الحرارة والتحكم في الهيدروجين (أقطاب نظيفة، تسخين مسبق) بسبب القابلية للتصلب الأعلى من الموليبدينوم والفاناديوم. من الضروري استخدام المعادن المالئة المؤهلة المصنفة لـ PWHT وخصائص ميكانيكية متطابقة.
• إنهاء السطح: كلاهما يقبل الطحن القياسي، والتشغيل، والتحضير السطحي للطلاءات. يمكن أن تسبب ترسبات الكربيد في الفولاذات الدقيقة صلابة محلية تؤثر على عمليات الانتهاء.

8. التطبيقات النموذجية

جدول — الاستخدامات النموذجية حسب الدرجة | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---| | أنابيب الغلايات ذات درجات الحرارة العالية والرؤوس حيث تكون مقاومة الزحف المحسنة مطلوبة | أنابيب الغلايات وأوعية الضغط للخدمة عند درجات حرارة معتدلة | | مكونات أوعية الضغط التي تتطلب قوة أعلى على المدى الطويل عند درجات حرارة مرتفعة | قشور أوعية الضغط العامة، والشفة، والتجهيزات حيث تكون سهولة التصنيع هي الأولوية | | مكونات حيث تكون الاستقرار الحبيبي المحسن ومقاومة الزحف عبر السبيكة الدقيقة مفيدة | التطبيقات التي تتطلب لحامًا متكررًا وحاجة أعلى لصلابة HAZ الجيدة وسهولة التأهيل | | أنابيب البخار والرؤوس التي تعمل عند درجات حرارة/ضغوط أعلى (حسب المواصفات) | أنابيب وأجزاء هيكلية اقتصادية لدرجات حرارة منخفضة إلى معتدلة |

مبررات الاختيار - اختر الدرجة الأكثر سبائكًا عندما تكون مدة التصميم عند درجات حرارة مرتفعة، وقوة الزحف، واستقرار الحبوب هي الأهم ويمكن أن يتكيف ميزانية المشروع وضوابط اللحام مع إجراءات أكثر صرامة. - اختر سبيكة الكروم-موليبدينوم الأبسط حيث تكون سرعة التصنيع، وانخفاض حساسية اللحام، والكفاءة من حيث التكلفة هي الأكثر أهمية ودرجات الحرارة الخدمية معتدلة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عمومًا، ستكون الدرجة التي تحتوي على عناصر سبيكة إضافية (الفاناديوم، والموليبدينوم الأعلى قليلاً) أكثر تكلفة على أساس كل طن من الدرجة الأبسط من الكروم-موليبدينوم بسبب تكلفة عناصر السبيكة والتحكمات المحتملة الأكثر دقة في المعالجة.
• التوافر: يتم إنتاج كلا الدرجتين عادةً في أشكال منتجات قياسية (ألواح، أنابيب، سبائك) لسوق الغلايات/أوعية الضغط. يختلف التوافر إقليميًا — تحقق من المطاحن والموزعين المحليين لمعرفة أوقات التسليم. الأشكال والأحجام القياسية متاحة بشكل أكثر سهولة للنوع الأبسط 15CrMo في بعض الأسواق.

10. الملخص والتوصية

جدول — مقارنة موجزة | المعيار | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | قابلية اللحام | عادلة — تتطلب تحكمًا أكثر صرامة في التسخين المسبق/PWHT | جيدة — أكثر تسامحًا في اللحام | | توازن القوة-الصلابة | قوة أعلى عند درجات الحرارة العالية؛ صلابة جيدة مع المعالجة الحرارية الصحيحة | صلابة جيدة ومرونة؛ قوة معتدلة | | التكلفة | أعلى (بسبب السبيكة الدقيقة والمعالجة) | أقل (أكثر اقتصادية) |

التوصية - اختر 12Cr1MoV إذا: كان يجب أن يتحمل مكونك درجات حرارة أعلى أو عمر زحف أطول، تحتاج إلى استقرار حبيبي أفضل وقوة أعلى على المدى الطويل، ويمكنك تنفيذ إجراءات لحام أكثر صرامة، وتسخين مسبق، وPWHT. - اختر 15CrMo إذا: كانت التطبيق هو معدات ضغط أو أنابيب ذات درجات حرارة معتدلة حيث تكون سرعة التصنيع، وسهولة اللحام، وانخفاض تكلفة المواد هي المحركات الأساسية، ولا يتطلب التصميم قوة الزحف المحسنة للفولاذات الدقيقة.

ملاحظة نهائية: تأكد دائمًا من المتطلبات الكيميائية والميكانيكية الدقيقة مقابل مواصفات المشروع وشهادات المطحنة. يجب أن يتم تحديد تأهيل إجراءات اللحام، وجداول PWHT، ومعايير القبول الميكانيكي بناءً على الدرجة المختارة، والسماكة، ودرجة حرارة الخدمة المقصودة.