Q370R مقابل Q420R – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

Q370R و Q420R هما أسماء تستخدم في تسمية الفولاذ المستخدم في الأوعية الضاغطة في الصين للدلالة على الفولاذ الهيكلي غير المقاوم للصدأ عالي القوة المخصص للمعدات التي تحتوي على ضغط. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً معضلة اختيار بين هذين الدرجة: اختيار درجة أقل قوة مع تصنيع ولحام أسهل نسبيًا، أو اختيار درجة أعلى قوة تسمح بأقسام أرق وتوفير الوزن ولكن يمكن أن تفرض ضوابط أكثر صرامة على المعالجة الحرارية واللحام.

التوازن الأساسي بين هاتين الدرجتين هو فعليًا توازن بين القوة التصميمية القابلة للتحقيق مقابل قابلية اللحام وإدارة المتانة في التصنيع. نظرًا لأن كلا الدرجتين تستخدمان في مجالات تطبيق مشابهة (الأوعية الضاغطة، والغلايات، والمكونات الهيكلية الثقيلة)، فإن فهم اختلافاتهما في استراتيجية السبائك، واستجابة البنية المجهرية للمعالجة الحرارية، والسلوك الميكانيكي، وآثار التصنيع أمر ضروري لاختيار المواد الأمثل.

1. المعايير والتسميات

• النظام الوطني الأساسي: المعايير الوطنية الصينية GB. يشير اللاحقة "R" في هذه التسميات إلى قابلية التطبيق على المعدات المحتفظة بالضغط.
• لا يوجد تطابق مباشر واحد لواحد في أنظمة ASTM/ASME أو EN؛ يجب أن يتم الاختيار وفقًا للمعايير الدولية من خلال مطابقة الخصائص الميكانيكية والمتانة المطلوبة بدلاً من الاستبدال المباشر للدرجات.
• التصنيف: كل من Q370R و Q420R هما فولاذان غير مقاومين للصدأ، عاليي القوة من الكربون والمنغنيز (سبائك منخفضة) يتم تصنيفهما عادةً كفولاذات من نوع HSLA للاستخدام في الأوعية الضاغطة بدلاً من فولاذات الأدوات أو الفولاذ المقاوم للصدأ.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تلخص الجدول التالي العناصر التركيبية النموذجية ذات الأهمية للمقارنة. تختلف نطاقات التركيب الكيميائي المضمونة بالضبط حسب المنتج والمعيار؛ يستخدم الجدول عمدًا مؤشرات نوعية بدلاً من القيم العددية لتجنب التمثيل الخاطئ.

كيف تؤثر السبائك على السلوك: - الكربون والمنغنيز هما العنصران الرئيسيان لتعزيز القوة؛ زيادة كمياتهما ترفع من قوة الخضوع والشد ولكنها تزيد أيضًا من قابلية التصلب والميول لتشكيل المارتنسيت الصلب في مناطق التأثير الحراري (HAZ). - توفر عناصر السبائك الدقيقة (Nb، V، Ti) تعزيزًا من خلال الترسيب وتحسين الحبيبات، مما يمكّن من تحقيق قوة أعلى دون زيادة مفرطة في الكربون وتحسين المتانة عند المعالجة بشكل صحيح. - يمكن أن تؤدي الإضافات الصغيرة من Mo أو Cr إلى زيادة قابلية التصلب والقوة عند درجات الحرارة العالية ولكنها تؤثر سلبًا على قابلية اللحام إذا لم تتم إدارتها بعناية.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - تحت المعالجة التقليدية، يميل Q370R نحو بنية مجهرية من الفريت واللؤلؤ أو الفريت مع الباينيت، مصممة لتحقيق توازن جيد بين اللدونة والمتانة. - يعتمد Q420R، الذي يهدف إلى خصائص أعلى من قوة الخضوع/الشد، غالبًا على الفريت ذو الحبيبات الدقيقة مع مكونات باينيتية أو مارتنسيتية مقسية في الأقسام الأثقل أو عند استخدام المعالجات الحرارية الميكانيكية. تعتبر السبائك الدقيقة والدرفلة/التطبيع المتحكم فيه أدوات لتحقيق القوة دون محتوى كربون مفرط.

آثار المعالجة الحرارية والمعالجة: - يعمل التطبيع (التبريد بالهواء بعد التسخين) على تحسين حجم الحبيبات ويمكن أن ي homogenize البنية المجهرية لكلا الدرجتين، مما يحسن المتانة. - التبريد والتقسية (Q&T) أقل شيوعًا لصفائح الأوعية الضاغطة الكبيرة ولكن يمكن تطبيقها على المكونات التي تتطلب قوة أعلى ومتانة متحكم فيها؛ من المرجح أن يتم إنتاج أو إنهاء Q420R من خلال الدرفلة الحرارية أو التطبيع بالإضافة إلى التبريد المتحكم فيه للوصول إلى القيم المحددة. - يمكن أن ينتج المعالجة الحرارية الميكانيكية المتحكم فيها (TMCP) مع التبريد المعجل بنى مجهرية من باينيتية/فريتية دقيقة تحسن القوة والمتانة في نفس الوقت - وهو مفيد بشكل خاص لـ Q420R حيث تكون أهداف القوة أعلى.

4. الخصائص الميكانيكية

نظرًا لأن الضمانات العددية تختلف حسب المواصفات والشركة المصنعة، فإن المقارنة أدناه نوعية، تشير إلى التوقعات النسبية ضمن حدود المواصفات المقصودة.

التفسير: - تم تصميم Q420R لتقديم قوة أعلى من قوة الخضوع والشد؛ للحفاظ على متانة كافية، يعتمد المنتجون على السبائك الدقيقة والمعالجة الحرارية الميكانيكية المتحكم فيها بدلاً من الزيادات البسيطة في الكربون. - إذا لم تكن المعالجة وضوابط الجودة صارمة، يمكن أن تظهر الدرجات الأعلى قوة انخفاضًا في اللدونة وزيادة في الحساسية لآليات الكسر الهش، خاصة في الأقسام السميكة أو في الخدمة عند درجات حرارة منخفضة.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على محتوى الكربون، والسبائك الفعالة لقابلية التصلب، ومستويات الشوائب المتبقية. هناك مؤشرين تجريبيين شائعين يستخدمان لتقييم قابلية اللحام:

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

• Pcm (مؤشر أكثر تحفظًا لعرضة تشقق اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - عادةً ما يكون لدى Q370R معادل كربون فعال أقل من Q420R، مما يؤدي إلى متطلبات تسخين مسبق/بعد اللحام أسهل وخطر أقل من تصلب HAZ والتشقق البارد. - Q420R، بسبب هدف قوته الأعلى وإضافات السبائك الدقيقة المحتملة أو المنغنيز الأعلى قليلاً، عادةً ما يكون لديه CE أو Pcm أعلى وبالتالي يمكن أن يتطلب إجراءات لحام أكثر صرامة: درجات حرارة بينية متحكم فيها، تسخين مسبق، معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) في بعض الحالات، أو مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين. - تعتبر مواد اللحام المحددة بشكل صحيح، والتحكم في إدخال الحرارة، والتحكم في الهيدروجين ضرورية لـ Q420R للحفاظ على متانة HAZ وتجنب الكسر الهش. يجب إجراء تأهيل إجراءات اللحام مع سمك تمثيلي.

6. التآكل وحماية السطح

• كل من Q370R و Q420R هما فولاذان غير مقاومان للصدأ من الكربون/سبائك منخفضة - لا يوفران مقاومة تآكل جوهرية مثل الدرجات المقاومة للصدأ.
• استراتيجيات الحماية القياسية: أنظمة الطلاء/التغطية، الجلفنة (الغمر الساخن أو الكهربائي)، مثبطات التآكل، أو التكسية/التبطين حسب بيئة الخدمة.
• رقم مقاومة التآكل (PREN) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ؛ للمرجع، فإن المعادلة الشائعة لـ PREN المستخدمة للسبائك المقاومة للصدأ هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• يجب أن يركز الاختيار للبيئات التآكلية على أنظمة الحماية المناسبة أو اختيار التكسية المقاومة للصدأ/المزودة حيثما كان ذلك ضروريًا.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: ستقطع كلا الدرجتين بشكل مشابه باستخدام عمليات الأكسجين الحديثة، أو البلازما، أو الليزر، ولكن قد يتطلب Q420R قوة أكبر قليلاً وينتج شقوق/بقايا أصعب.
• الانحناء والتشكيل: يتحمل Q370R عمومًا التشكيل البارد والانحناء بشكل أفضل بسبب قوة الخضوع الأقل قليلاً؛ يتطلب Q420R تحكمًا أكثر دقة في أنصاف أقطار الانحناء وقد يتطلب تسهيلات أكبر للتشكيل أو تشكيل دافئ للأقسام السميكة.
• قابلية التشغيل: كلاهما قابل للتشغيل بشكل معقول في شكل صفائح، ولكن الفولاذات عالية القوة المسبوكة الدقيقة (Q420R) يمكن أن تسرع من تآكل الأدوات؛ يجب تعديل درجة الأداة ومعلمات القطع وفقًا لذلك.
• التشطيب: لا تختلف المعالجات السطحية (النفخ بالرصاص، الطحن) بشكل ملحوظ، على الرغم من أن الصلابة الأعلى في Q420R يمكن أن تؤثر على أوقات المعالجة.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر Q370R عندما تكون سرعة التصنيع، وإجراءات اللحام الأبسط، والمتانة المثبتة في الصفائح السميكة هي الأولويات القصوى. - اختر Q420R عندما تتطلب قيود التصميم إجهادات مسموح بها أعلى أو تقليل الوزن، ويمكن أن يستوعب المشروع إجراءات لحام أكثر صرامة وضوابط جودة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: Q420R عمومًا أكثر تكلفة على أساس كل كيلوغرام من Q370R بسبب معالجة القوة الأعلى، وإضافات السبائك الدقيقة المحتملة، وضوابط الجودة الأكثر صرامة. ومع ذلك، يمكن أن تعوض وفورات الوزن من استخدام أقسام Q420R الأرق تكلفة المواد في التكلفة الإجمالية للمكونات.
• التوافر: يتم إنتاج كلا الدرجتين عادةً في شكل صفائح للمعدات الضاغطة في الأسواق التي يتم فيها توفير الدرجات الصينية؛ سيعتمد التوافر المحلي على إنتاج المصنع وسلاسل الإمداد الإقليمية. يمكن أن تتأثر أوقات التسليم بالسمك، والحرارة، ومتطلبات الاختبار.

10. الملخص والتوصية

التوصيات الختامية: - اختر Q370R إذا كنت تعطي الأولوية لإنتاجية التصنيع، وإجراءات اللحام الأبسط، والمتانة القوية لأعمال الأوعية الضاغطة التقليدية حيث تكون السماكات والمعايير مقبولة. - اختر Q420R إذا كانت تصميمك يتطلب إجهادًا مسموحًا به أعلى أو تحتاج إلى تقليل الوزن/السمك ويمكنك فرض ضوابط أكثر صرامة على المشتريات/المعالجة، وتحديد إجراءات لحام مؤهلة، وضمان قدرة المورد على معالجة المتانة وسلوك HAZ.

ملاحظة نهائية: يجب دائمًا أن يكون اختيار الدرجة قائمًا على متطلبات الكود المحددة، وجداول الخصائص المعتمدة على السمك، ومؤهلات إجراءات اللحام للمشروع. عند الشك، اطلب شهادات المواد من المصنع، وحدد حدود الطاقة التأثيرية والصلابة المطلوبة، وأجرِ اختبارات إجراءات اللحام والتأهيل التي تمثل سمك المكونات وتكوين الوصلات.