Q235NH مقابل Q355NH – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

Q235NH و Q355NH هما نوعان من الفولاذ الهيكلي الصيني المحدد على نطاق واسع، يستخدمان في الأوعية الضاغطة، والغلايات، والتطبيقات الهيكلية العامة التي تتطلب معالجة حرارية طبيعية (N) وأحيانًا أداء تأثير محسّن (H). يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً خيارًا بين هذين الدرجة عند الموازنة بين التكلفة، وقابلية اللحام، والحاجة إلى قوة أعلى أو متانة محسّنة. تشمل سياقات القرار النموذجية ما إذا كان يجب إعطاء الأولوية لتكلفة المواد المنخفضة وسهولة التصنيع (مفضلًا الدرجة ذات القوة المنخفضة) أو تقليل سمك القسم والوزن من خلال مادة ذات قوة أعلى (مفضلًا الدرجة ذات القوة العالية).

الفرق العملي بين الاثنين هو في الأساس تبادل مستوى الأداء: يوفر Q355NH قوة عائد مضمونة أعلى من Q235NH، مع عواقب على متطلبات السمك والوزن والمتانة. نظرًا لأن كلاهما فولاذ كربوني (غير مقاوم للصدأ) مع معالجة طبيعية في طرق معالجتهما، يتم مقارنتهما بشكل متكرر للتطبيقات التي يجب فيها موازنة القوة، ومتطلبات متانة الشق، وسلوك التصنيع.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة حيث تظهر هذه الفولاذات:
• GB/T (الصين): Q235NH و Q355NH هما تسميتان في المعايير الوطنية الصينية للفولاذات الهيكلية/الأوعية الضاغطة.
• EN (أوروبا): تقابل تقريبًا عائلات S235 و S355 (الفولاذ الهيكلي)، لكن الاستبدال المباشر يتطلب مراجعة جميع متطلبات الخصائص.
• ASTM/ASME: درجات ASME/ASTM المعادلة ليست مطابقة مباشرة؛ فولاذ الأوعية الضاغطة ASME مثل SA-516 Grade 70 هي مواصفات منفصلة مع كيمياء ومتطلبات متانة مختلفة.

• JIS: الدرجات اليابانية مختلفة؛ يحتاج الاستبدال إلى التحقق.

• التصنيف:

• كلا من Q235NH و Q355NH هما فولاذات كربونية/سبائك منخفضة (غير مقاومة للصدأ)، عادة ما يتم تصنيفها كفولاذات هيكلية أو فولاذات للأوعية الضاغطة بدلاً من فولاذات الأدوات أو الفولاذ المقاوم للصدأ. يُعتبر Q355NH عمومًا فولاذًا هيكليًا من نوع HSLA ذو قوة أعلى (مستوى أداء أعلى ضمن العائلة الهيكلية).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

ملاحظات: - يشير اللاحقة "NH" إلى الحالة الطبيعية ومتطلبات متانة التأثير أو خاصية معالجة حرارية أخرى بدلاً من إضافات سبائكية كبيرة. تركز استراتيجية السبائك لكلا الدرجتين على تعديلات الكربون والمنغنيز وحدود الشوائب الصارمة (P، S) لضمان المتانة وقابلية اللحام. يحقق Q355NH قوة عائد أعلى بشكل أساسي من خلال التركيب والمعالجة المراقبة بدلاً من إضافة سبائك ثقيلة.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون والمنغنيز هما المساهمان الرئيسيان في القوة: زيادة C و Mn تزيد من القوة وقابلية التصلب ولكن تقلل من قابلية اللحام والليونة إذا لم يتم التحكم فيها. - السيليكون هو مزيل أكسدة وله تأثير تقوية معتدل. - تزيد عناصر السبائك الدقيقة (V، Nb، Ti)، عند وجودها حتى في مستويات منخفضة من ppm، من قوة العائد عن طريق تنقيح حجم الحبيبات وترسيب الكربيدات/النترات، مما يحسن القوة دون تقليل المتانة بشكل متناسب. - الشوائب (P و S) تجعل المادة هشة وتقلل من المتانة، وبالتالي يتم تحديدها بدقة في هذه الدرجات الهيكلية/الأوعية الضاغطة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - الحالة الطبيعية (N): يتم عادةً معالجة كلا الدرجتين بشكل طبيعي (تسخين إلى الأوستينيت، ثم تبريد في الهواء) لتطوير بنية دقيقة نسبيًا من الفريت واللؤلؤة. - Q235NH: ينتج عن المعالجة الطبيعية بنية فريت ولؤلؤة مع محتوى لؤلؤة خشن نسبيًا مقارنة بالفولاذات ذات القوة الأعلى. تدعم البنية المجهرية ليونة جيدة ومتانة مقبولة عند درجات حرارة معتدلة. - Q355NH: تعطي المعالجة الطبيعية مع كيمياء مختلفة قليلاً وربما دحرجة/تنقية محكومة بنية فريت ولؤلؤة ذات حبيبات أدق وكثافة تشوه أعلى وأحيانًا ترسيبات سبائك دقيقة. وهذا يؤدي إلى قوة عائد وقوة شد أعلى مع الحفاظ على المتانة.

طرق المعالجة الحرارية والاستجابات: - المعالجة الطبيعية (المعيار لتسمية "N"): تحسن المتانة من خلال تنقيح الحبيبات وتوفر خصائص ميكانيكية متسقة. فعالة لكلا الدرجتين، خاصة حيث تكون متانة التأثير عند درجات حرارة منخفضة مهمة. - التبريد والتخمير (Q&T): لا يتم تطبيقها عادةً على هذه الدرجات في الممارسة القياسية لفولاذ الأوعية الضاغطة؛ سيؤدي Q&T إلى زيادة القوة بشكل كبير ولكنه سيغير أيضًا المتانة وهو فئة مواد مختلفة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية المحكومة (TMCP): تستخدم غالبًا لفولاذات فئة Q355 للحصول على قوة أعلى مع متانة جيدة من خلال الجمع بين الدحرجة المحكومة والتبريد المعجل؛ هذه هي طريقة إنتاج بدلاً من معالجة حرارية في المتجر وتساعد على تحقيق الأهداف المطلوبة من القوة العالية دون إضافة سبائك مفرطة.

4. الخصائص الميكانيكية

تفسير: - Q355NH هو الدرجة الأقوى من حيث التصميم: يسمح الحد الأدنى الأعلى من القوة وحدود قوة الشد الأعلى بأقسام أرق لنفس الحمل الهيكلي. التبادل هو ليونة أقل بشكل معتدل وحساسية أكبر محتملة للهياكل الدقيقة الصلبة الناتجة عن اللحام ما لم يتم استخدام إجراءات لحام صحيحة. - تعتمد المتانة على السمك، والمعالجة الطبيعية، ومراقبة الجودة. عند المعالجة الطبيعية والإنتاج وفقًا للمواصفات، يمكن لكلا الدرجتين تلبية متطلبات التأثير؛ غالبًا ما يكون لدى Q355NH تحكم أكثر صرامة في العمليات لتلبية تركيبات القوة العالية + المتانة.

5. قابلية اللحام

اعتبارات قابلية اللحام: - تتحكم محتويات الكربون والصلابة المجمعة في متطلبات التسخين المسبق، ودرجة حرارة التداخل، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). - تؤثر إضافة السبائك ومحتوى المنغنيز على الصلابة وخطر التشقق البارد في منطقة التأثير الحراري.

مؤشرات الكربون المكافئ والسبائك المفيدة (تفسيرية؛ تطبق على التقييم النوعي): - مكافئ الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (للتعرض للتشقق البارد، تفسير نوعي): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير (نوعي): - تستهدف كلا الدرجتين قيم $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ المنخفضة إلى المعتدلة مقارنة بالفولاذات المعالجة بالتبريد، لذا تعتبر عمومًا قابلة للحام مع المواد الاستهلاكية القياسية وممارسات التسخين المسبق. - Q235NH، مع قوة أقل عادةً ومحتوى كربون مكافئ أقل قليلاً، يعتبر عمومًا أكثر تسامحًا في اللحام - أقل تسخين مسبق وأقل خطر من تشقق منطقة التأثير الحراري. - Q355NH، على الرغم من تصميمه لقابلية اللحام، قد يتطلب ممارسة لحام أكثر تحفظًا (تحكم في إدخال الحرارة، تسخين مسبق محتمل للأقسام الأكثر سمكًا، ومواد تعبئة متطابقة) لأن قوته الأعلى وزيادة طفيفة في الصلابة يمكن أن تزيد من حساسيته للهياكل الدقيقة الصلبة في منطقة التأثير الحراري إذا لم يتم لحامه بشكل صحيح.

6. التآكل وحماية السطح

• كلا من Q235NH و Q355NH هما فولاذات كربونية غير مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل الجوهرية محدودة.
• طرق الحماية النموذجية:
• التغليف بالغمس الساخن (لحماية التآكل الجوي).
• الدهانات، والمركبات، والطلاءات (أنظمة الإيبوكسي، والبولي يوريثين) للبيئات العدوانية.
• الحماية الكاثودية والتغليف (مثل التغليف المقاوم للصدأ) للخدمات الكيميائية حيث تكون مقاومة التآكل حرجة.
• معادلة PREN (عدد مقاومة التآكل): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• PREN هو مؤشر تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ ولا ينطبق على Q235NH/Q355NH لأن هذه ليست سبائك مقاومة للصدأ ولا تعتمد على الأفلام السلبية القائمة على Cr/Mo/N.
• توضيح: بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة التآكل، مثل الأوعية الضاغطة أو التطبيقات الكيميائية، يجب النظر في البطانة، أو التغليف، أو اختيار سبائك مقاومة للصدأ أو مقاومة للتآكل بدلاً من الاعتماد على Q235NH/Q355NH.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: كلا الدرجتين تقطع باستخدام طرق الأكسجين والوقود القياسية، أو البلازما، أو الليزر؛ قد يتطلب Q355NH معلمات معدلة قليلاً بسبب القوة والصلابة الأعلى.
• قابلية التشغيل: Q235NH عادة ما يكون أسهل في التشغيل بسبب القوة والصلابة الأقل. Q355NH يمكن تشغيله بشكل مقبول ولكن يمكن أن يكون تآكل الأدوات أعلى؛ يجب أن تأخذ اختيار الأدوات والتغذية في الاعتبار القوة/الصلابة الأعلى.
• قابلية التشكيل/الانحناء: يوفر Q235NH قابلية تشكيل أفضل ونصف قطر انحناء أكبر عند سمك معين. يمكن تشكيل Q355NH ولكن قد يحتاج إلى نصف قطر انحناء أكبر أو معلمات تشكيل محكومة لتجنب التشقق، خاصة إذا زادت إضافة السبائك الدقيقة من القوة.
• إنهاء السطح: كلاهما يقبل الطلاء، والتغليف، والطلاء بشكل جيد بعد التحضير السطحي المناسب.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر Q235NH عندما تكون حساسية التكلفة، والليونة العالية، وسهولة التصنيع/اللحام هي المحركات الرئيسية. - اختر Q355NH عندما تسمح القوة العالية بتقليل سمك القسم، مما يوفر الوزن وتوفير المواد، أو عندما تتطلب الرموز/التصميم مستوى أداء أعلى.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: Q235NH عادة ما يكون أقل تكلفة