Q390 مقابل Q420 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

الدرجتان Q390 و Q420 هما من درجات الفولاذ الإنشائي عالي القوة المستخدمة بشكل شائع في مجالات البناء، والآلات الثقيلة، وصناعات التصنيع. يختار المهندسون وفرق المشتريات بين هاتين الدرجتين عند الموازنة بين متطلبات القوة، وتعقيد عمليات التصنيع، وتكلفة دورة الحياة: على سبيل المثال، اختيار درجة أقل تكلفة مع قابلية لحام أسهل مقابل درجة أعلى قوة تقلل من حجم القطاع والوزن.

الفرق التقني الرئيسي هو أن Q420 محددة بقوة خضوع دنيا أعلى من Q390، وتحقيق هذه القوة الأعلى عادةً ما يتطلب تحكمًا أدق في التركيب الكيميائي واستراتيجيات تقوية ودُهْن (hardenability) أقوى، مما قد يؤثر على قابلية اللحام وسلوك التشكيل. لذلك تُقارن هاتان الدرجتان عندما يضطر المصممون إلى الموازنة بين القوة الأعلى (وفرص تقليل الوزن) مقابل سهولة التصنيع وأداء المتانة.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة التي تشير إلى هذه الدرجات تشمل:
• المعيار الصيني GB/T 1591 — فولاذ هيكلي منخفض السبائك عالي القوة (ومن هنا نشأت تسمية Q).
• قد يتم اعتماد مكافئات أو نظائر إقليمية في وثائق المشاريع، لكن Q390 و Q420 هما تسميات مبنية على مقاومة الخضوع وفق نمط GB وليسا أسماء ASTM.
• التصنيف:
• كلا الدرجتين Q390 و Q420 هما فولاذ كربوني منخفض السبائك عالي القوة (HSLA) مصمم أساسًا للتطبيقات الهيكلية (ليسا من الفولاذ المقاوم للصدأ أو فولاذ الأدوات).
• ليسا من الفولاذ المقاوم للصدأ؛ فهما فولاذان هيكليان مع سبائكات دقيقة وتركيب كيميائي مضبوط.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائكة

• كلا الدرجتين تستخدم قاعدة كربون منخفض مع سبائكات متحكم بها وقد تشمل عناصر سبائكية دقيقة (V, Nb, Ti, B) أو إضافات صغيرة من Cr/Mo في بعض الأنواع المزودة. تختلف الحدود الدقيقة حسب إصدار المعيار والمنتج؛ ويجب دائمًا مراجعة شهادات المصنع.

التفسير: استراتيجة السبائكة الرئيسية لـ Q390 و Q420 هي الحفاظ على كربون منخفض واستخدام سبائكات دقيقة (V, Nb, Ti، وأحيانًا B) مع عمليات ميكانيكية حرارية (TMCP) للحصول على مقاومة خضوع مطلوبة مع متانة وقابلية لحام ملائمة. الأنواع من Q420 المصممة للوفاء بمتطلبات الخضوع الأعلى قد تعتمد قليلاً أكثر على السبائكة الدقيقة أو التحكم الميكانيكي الحراري، مما قد يزيد من قابلية التصلب مقارنة بـ Q390.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• البنى المجهرية النموذجية:
• منتجات مصقولة أو TMCP (المعالجة الميكانيكية الحرارية المُحكمة): بنية دقيقة من الفريت والبيرلايت أو الفريت مع نسب مضبوطة من البيانيتيك حسب معدلات التبريد والإضافات السبائكية الدقيقة.
• غالبًا ما تحقق Q390 القوة المطلوبة ببنية فريتية دقيقة منتشرة مع ترسبات Nb/V/Ti.
• قد تشمل Q420 نسبة أعلى من منتجات التحول منخفضة الحرارة (بيانيت دقيق أو جزر مارتنسيت مطهوة) في بعض طرق المعالجة للوصول إلى مقاومة الخضوع الأعلى.
• استجابة المعالجة الحرارية:
• المعايرة (Normalizing): تقلل حجم حبيبات الأوستينيت السابقة ويمكن أن تحسن المتانة؛ تتفاعل كلتا الدرجتين مع المعالجة بشكل أفضل متناسق، لكن المكاسب تعتمد على السماكة والتركيب.
• التبريد والتعويم (Quenching & tempering): لا تستخدم عادةً في درجات Q القياسية (لأسباب التكلفة وتشويه الشكل)، ولكن التعويم تحت الحرج/التبريد المتحكم يمكن أن ينتج قوة ومتانه أعلى إذا دعت الحاجة.
• TMCP: الطريق الأكثر شيوعًا — لف حَدَدي متبوع بتبريد متسارع ينتج بنى حبيبية دقيقة وتقوية بالترسيب؛ فعالة للدرجتين لكن جداول معالجة Q420 محكمة لتحقق مقاومة خضوع أعلى دون التضحية بمتانة الصدم.

4. الخواص الميكانيكية

ملاحظة: تعتمد الخواص الميكانيكية على السماكة، والمعالجة (TMCP، المعايرة)، ودرجة حرارة الاختبار. قيمة الخضوع في اسم الدرجة تمثل الحد الأدنى المضمون لقوة الخضوع بوحدة MPa وفقًا لشروط الاختبار المحددة.

التفسير: Q420 أقوى بشكل مقصود حسب المواصفة، وعندما تتحقق القوة أساسًا بواسطة السبائكة الدقيقة والمعالجة المحكمة، يمكن الحفاظ على المتانة في مستويات مقبولة. ومع ذلك، يستهدف مقاومة خضوع أعلى نافذة معالجة أضيق: قد تزيد Q420 من قابلية التصلب، مما قد يقلل من اللحام الداخلي واللدونة إذا لم يُعوَّض عنه بتصميم سبيكة دقيق ومعالجة حرارية مناسبة.

5. قابلية اللحام

• تتركز اعتبارات اللحام على محتوى الكربون، المكافئ الكربوني، ووجود عناصر السبائكة الدقيقة أو التي تزيد من قابلية التصلب.
• المؤشرات المفيدة:
• المكافئ الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• المعامل Pcm (معامل قابلية 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:
• انخفاض الكربون وقيم CE الأقل تدل على قابلية لحام أسهل مع احتياج أقل لتسخين مسبق وتقليل خطر التشققات الباردة.
• Q390، التي صممت بقوة مطلب أقل قليلاً، غالبًا ما تملك قيمة CE أقل من بعض أنواع Q420 التي تُنتج مع مزيد من السبائكة الدقيقة أو منغنيز أعلى، مما يجعل Q390 أسهل للحام مع تسخين مسبق أقل.
• يمكن لحام Q420 بنجاح، لكنه قد يتطلب درجات حرارة تسخين مسبق / تسخين بين اللحامات أكثر تحفظًا، والتحكم بالهيدروجين، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) في القطع السميكة لتجنب مناطق مارتنسيت صلبة وتشقق الهيدروجين البارد.
• التوصيات العملية:
• استخدام مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين وتسخين مسبق حسب السماكة و CE/Pcm المحسوبة.
• للتطبيقات الحرجة، اطلب بيانات قابلية اللحام من المصنع واعتبر إجراءات تأهيل اللحام على سماكات ممثلة.

6. مقاومة التآكل والحماية السطحية

• هذه فولاذات كربونية منخفضة السبائك عالية القوة — ليست مقاومة للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ.
• طرق الحماية النموذجية: التغطية بالغمس الساخن بالزنك، الطلاء الكهربائي بالزنك (حيثما ينطبق)، الطلاءات العضوية (بادئات / طبقات علوية)، وطلاءات متخصصة للبيئات البحرية أو الصناعية العدوانية.
• رقم معادل مقاومة التآكل التثقبي (PREN) غير قابل للتطبيق على درجات Q لأنها ليست فولاذ مقاوم للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• هذا المؤشر ينطبق فقط على سبائك مقاومة الصدأ التي تحتوي على نسب كبيرة من Cr, Mo, و N؛ ولا ينبغي استخدامه مع Q390/Q420.
• نقطة الاختيار: إذا كان مقاومة التآكل من عوامل الدفع للمشروع، حدد أنظمة الحماية أو فكر في استخدام سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ أو الدوبلكس بدلاً من الاعتماد فقط على كيمياء الفولاذ الأساسي.

7. التصنيع، سهولة التشغيل، وسهولة التشكيل

• سهولة التشغيل:
• كلا الدرجتين قابلتان للتشغيل باستخدام الممارسات القياسية؛ القوة الأعلى (Q420) عادة ما تزيد من تآكل الأدوات وقد تتطلب تعديل معدلات التقديم/السرعات.
• سهولة التشكيل والثني:
• الفولاذ ذو مقاومة الخضوع الأقل (Q390) يكون بشكل عام أسهل في التشكيل والثني إلى أنصاف أقطار ضيقة دون تشقق؛ بينما قد يتطلب Q420 أنصاف أقطار ثني أكبر أو طرق تشكيل محكمة.
• القص والعمليات الحرارية:
• القص الحراري (بلازما/يد الأكسجين) متشابه لكلا الدرجتين، ولكن يجب مراعاة حالة الحواف بعد القص ومناطق التأثير الحرارية بالنسبة للإجهادات اللاحقة أو اللحامات.
• التشطيب السطحي:
• بالنسبة للدهن أو الطلاء الكهربائي، تكون نظافة السطح والمعالجة الأولية مماثلة؛ الأسطح القاسية في Q420 قد تؤثر على أداء التشطيب الكاشط.

8. التطبيقات النموذجية

مبرر الاختيار: اختر Q390 عندما تكون سهولة التصنيع، التكلفة الأقل، وصلابة جيدة هي الأولوية. اختر Q420 عندما تكون هناك حاجة لقوة أعلى لكل وحدة مساحة وتوفير في الوزن/المساحة، وعندما يسمح مخطط التصنيع بسيطرة أكثر صرامة على اللحام والتشكيل.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية:
• عادةً ما يكون Q420 بسعر أعلى قليلاً من Q390 بسبب مقاومة الخضوع المضمونة الأعلى وربما سيطرة أكثر تشدداً على التركيب والمعالجة.
• التوافر:
• كلا الدرجتين تنتجان على نطاق واسع في شكل ألواح ولفائف من قبل المطاحن الكبرى في المناطق التي تستخدم معايير GB بشكل شائع. التوافر حسب شكل المنتج (لوح، لفائف، مقطع) قد يختلف حسب السوق والسماكة.
• ملاحظات الشراء:
• للمشاريع الكبيرة، حدد معيار التسليم المطلوب، ومعايير قبول الخواص الميكانيكية، وشكل التوريد مبكراً لضمان أفضل أوقات التسليم والأسعار.

10. الخلاصة والتوصيات

الاستنتاج: - اختر Q390 إذا كنت تفضل سهولة التصنيع واللحام، صلابة جيدة مع تكلفة مادية أقل قليلاً، وعندما يسمح التصميم بحجم مقطع يطابق مقاومة الخضوع الأقل. - اختر Q420 إذا كنت بحاجة إلى قوة تصميم أعلى لتقليل حجم المقطع أو الوزن، ويمكنك تحمل متطلبات اللحام والتشكيل والسيطرة الحرارية الأكثر انضباطاً أثناء التصنيع.

ملاحظة عملية أخيرة: اطلب دائماً شهادة المطحنة من المورد، سجل المعالجة الحرارية، وإرشادات اللحام للدُفعة الموردة. للإنشاءات الحرجة، يتطلب لحام تأهيل على سماكة وعمليات ممثلة، وفكر في تحديد طاقة الصدم وحدود الصلابة عند درجة حرارة الخدمة لضمان الأداء الميداني.