SAE1010 مقابل SAE1020 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
SAE1010 و SAE1020 هما نوعان من الفولاذ منخفض الكربون المستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التصنيعية، والتشغيل الآلي، والهياكل. غالبًا ما يختار المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بينهما عند الموازنة بين القوة، والمرونة، وقابلية التشكيل، والتكلفة، والعمليات اللاحقة مثل اللحام أو تصلب السطح. تشمل سياقات القرار النموذجية ما إذا كان يجب إعطاء الأولوية لسهولة التشكيل الأكبر وقابلية اللحام (كربون أقل) مقابل زيادة القوة ومقاومة التآكل (كربون أعلى)، أو ما إذا كانت القطعة ستتلقى تصلب السطح أو ستبقى في حالة الدرفلة/التسخين.
الفرق الأساسي بين هذين النوعين هو محتوى الكربون: يحتوي SAE1010 على كربون أقل بكثير من SAE1020. هذا التغيير في التركيب يؤثر على توازن البنية المجهرية، والخصائص الميكانيكية، واستجابات المعالجة - ومن ثم يتم مقارنتهما بشكل متكرر في قرارات التصميم والتصنيع.
1. المعايير والتسميات
- SAE/AISI: SAE1010، SAE1020 (يشار إليهما عادةً باسم AISI 1010 / 1020 في الأدبيات القديمة).
- ASTM/ASME: يتم تغطية هذه الفولاذات بمواصفات المنتجات العامة للفولاذ الكربوني (مثل ASTM A1008 للدرفلة الباردة، ASTM A1011 للملفات المدرفلة على الساخن، ومواصفات هيكلية/منتجات مختلفة حسب شكل المنتج).
- EN: مقارنة بسلسلة الفولاذات منخفضة الكربون EN 1.03xx (مثل 1.0337 تقارب 1010؛ 1.0332/1.0422 قد تكون قابلة للمقارنة مع متغيرات 1020 - المعادلات الدقيقة تعتمد على مواصفات المنتج والتفاوتات).
- JIS/GB: توجد معادلات محلية لدرجات الفولاذ الطري منخفض الكربون؛ تطابق الكيمياء والمتطلبات الميكانيكية بدلاً من اسم الدرجة.
- التصنيف: كلاهما فولاذ كربوني عادي (غير سبائكي، غير مقاوم للصدأ). ليسا فولاذ HSLA أو أدوات أو فولاذ مقاوم للصدأ.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | SAE1010 (نطاق نموذجي، wt%) | SAE1020 (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C (كربون) | 0.08 – 0.13 | 0.18 – 0.23 |
| Mn (منغنيز) | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.60 |
| Si (سيليكون) | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| P (فوسفور) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S (كبريت) | ≤ 0.05 | ≤ 0.05 |
| Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N | عادة ≤ 0.03 (أثر أو غائب) | عادة ≤ 0.03 (أثر أو غائب) |
ملاحظات: - هذه هي نطاقات التركيب التمثيلية للفولاذ SAE 1010 و SAE 1020 كما يتم إنتاجها للتشكيل العام، والتشكيل، والتشغيل الآلي. قد تحتوي الكيميائيات الخاصة بالمنتج - مثل الدرفلة الباردة، والسحب البارد، أو متغيرات تصلب السطح - على حدود أكثر صرامة أو معدلة. - استراتيجية السبائك لكلا الدرجتين هي الحد الأدنى عمدًا: الكربون يعدل القوة وقابلية التصلب؛ يتم الحفاظ على المنغنيز للمساعدة في القوة وإزالة الأكسدة؛ يتم التحكم في السيليكون والفوسفور والكبريت لسهولة المعالجة.
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكربون: التحكم الأساسي في القوة والصلابة (المزيد من الكربون → قوة/صلابة أعلى، مرونة أقل، قابلية تصلب أعلى). - المنغنيز: يزيد القوة، يحسن قابلية التصلب وإزالة الأكسدة؛ المنغنيز الزائد يزيد CE ويؤثر على قابلية اللحام. - السيليكون: يزيد القوة بشكل معتدل ويعمل كعامل إزالة أكسدة. - السبائك الدقيقة (إذا كانت موجودة) يمكن أن تؤثر على حجم الحبيبات والصلابة ولكنها ليست سمة مميزة للفولاذ 1010/1020 القياسي.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - SAE1010: في الحالة المعالجة حراريًا أو المعالجة العادية، يتكون هذا السبيكة بشكل أساسي من الفريت مع نسبة صغيرة من البيرلايت. ينتج عن محتوى الكربون المنخفض مصفوفة فريتية ناعمة ومرنة بشكل أساسي مع تعزيز بيرليتي محدود. - SAE1020: تحتوي على نسبة بيرلايت أعلى من 1010 تحت تاريخ حراري مشابه (معالجة حرارية/عادية)، مما ينتج بنية مجهرية أقوى ولكن أقل مرونة - فريت + المزيد من البيرلايت.
استجابات المعالجة الحرارية والمعالجة: - المعالجة الحرارية/التطبيع: كلاهما يستجيب بشكل مشابه - المعالجة الحرارية تخفف وتحسن المرونة؛ التطبيع ينقي بنية الحبيبات قليلاً ولكن تبقى قابلية التصلب منخفضة. - التبريد والتلطيف: كلاهما لهما قابلية تصلب منخفضة ولا يمكن تصلبهما بشكل فعال في أحجام مقاطع عادية. ينتج عن محتوى الكربون الأعلى في 1020 صلابة أعلى قليلاً يمكن تحقيقها بعد التبريد والتلطيف مقارنة بـ 1010، لكن لا تعتبر أي من الدرجتين مثالية عندما يكون التصلب الكامل مطلوبًا. - الكربنة/تصلب السطح: يمكن أن يتم تصلب السطح للفولاذات منخفضة الكربون مثل 1010 و 1020 (الكربنة) لتوفير سطح مقاوم للتآكل مع نواة مرنة؛ غالبًا ما تتلقى 1020 الكربنة بشكل أوسع لأن محتوى الكربون الأساسي الأعلى يدعم قوة نواة أفضل بعد المعالجة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية والتشكيل البارد: يزيد العمل البارد من كثافة الانزياح وقوة العائد/الشد لكلاهما؛ عمومًا، سيقبل 1010 تشكيلًا أكبر قبل التصدع.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية للحالات المعالجة حراريًا/العادية (نطاقات تمثيلية؛ الخصائص تختلف حسب شكل المنتج والمعالجة الحرارية/الميكانيكية).
| الخاصية | SAE1010 (نموذجي، معالجة حرارية/عادية) | SAE1020 (نموذجي، معالجة حرارية/عادية) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~300 – 450 | ~400 – 550 |
| قوة العائد (0.2% انزياح، ميغاباسكال) | ~180 – 350 | ~250 – 400 |
| التمدد (% في 50 مم أو 2 بوصة) | ~30 – 40 | ~20 – 30 |
| صلابة التأثير (شاربي V، نوعية) | عادة أعلى في درجات الحرارة المنخفضة (أكثر مرونة) | أقل من 1010 في ظروف مشابهة (المزيد من البيرلايت يقلل من الصلابة) |
| الصلابة (HB) | ~70 – 120 | ~100 – 160 |
التفسير: - SAE1020 أقوى عمومًا ويمكن أن تحقق صلابة أعلى بسبب محتوى البيرلايت الأكبر الناتج عن مستوى الكربون الأعلى. SAE1010 أكثر مرونة ولديه قابلية تشكيل وأداء تأثير أفضل في العديد من الظروف المعالجة. يعتمد التبادل الدقيق بشكل كبير على المعالجة (العمل البارد، المعالجة الحرارية، تصلب السطح).
5. قابلية اللحام
تعتمد اعتبارات قابلية اللحام على محتوى الكربون وقابلية التصلب الفعالة. يوفر استخدام معادلات الكربون المكافئ مؤشرًا نوعيًا على قابلية اللحام.
التعبيرات الشائعة للكربون المكافئ: - الكربون المكافئ IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - المعامل المركب الدولي للحام: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - الكربون المطلق المنخفض في 1010 يعطي $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ أقل من 1020، مما يشير إلى قابلية لحام أفضل ومخاطر أقل من المارتنسيت الهش في مناطق التأثير الحراري للحام (HAZ). - يزيد SAE1020، مع الكربون الأعلى، من قابلية التصلب بشكل معتدل وبالتالي يزيد من خطر تصلب HAZ والتصدع البارد تحت القيود أو إجراءات التسخين/التبريد غير الصحيحة. - يتم تصنيف كلا الدرجتين على أنهما قابلتان للحام بسهولة مع عمليات اللحام الشائعة (MIG، TIG، SMAW) عند اتباع الاحتياطات القياسية. بالنسبة لـ 1020، قد يتم استخدام التسخين المسبق أو التحكم في إدخال الحرارة للأقسام السميكة أو عندما يكون هناك قيود عالية. - يجب أن تستند اختيار المعدن الملء والمعالجة الحرارية بعد اللحام إلى هندسة القطعة، والقيود، ومتطلبات الخدمة بدلاً من اسم الدرجة فقط.
6. التآكل وحماية السطح
- لا SAE1010 ولا SAE1020 مقاومان للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل الجوي العام ويتطلبان حماية سطحية في البيئات التآكلية.
- استراتيجيات الحماية الشائعة: الغلفنة بالغمر الساخن، الطلاء الكهربائي، الطلاءات التحويلية، الطلاءات العضوية (الدهانات، الطلاءات المسحوقة)، وإغلاق البيئة المتحكم بها. يعتمد الاختيار على بيئة الخدمة وتكلفة دورة الحياة.
- PREN (رقم مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على الفولاذ الكربوني العادي؛ معادلة PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ تتعلق بالسبائك المقاومة للصدأ ولا ينبغي استخدامها لتقييم الفولاذ الكربوني 10xx.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل: SAE1010، مع كربون أقل ومصفوفة فريتية أكثر نعومة، أسهل في الانحناء، والضغط، والتشكيل البارد مع ارتداد أقل وخطر أقل من التصدع. SAE1020 أقل قابلية للتشكيل وقد تتطلب أنصاف انحناءات أكبر أو معالجة حرارية متوسطة للتشكيل الشديد.
- قابلية التشغيل: الكربون الأعلى عمومًا يحسن عمر الأداة إلى حد ما نظرًا لأن المواد الأكثر صلابة تقطع بشكل مختلف؛ ومع ذلك، يمكن أن تزيد القوة والصلابة المعتدلة لـ 1020 من قوى القطع وتآكل الأداة مقارنة بـ 1010. بالنسبة للتشغيل الآلي عالي الحجم، يجب تحسين الأدوات والتغذية وفقًا لحالة المنتج المحددة (معالجة حرارية مقابل سحب بارد).
- تشطيب السطح: كلاهما يقبل عمليات التشطيب القياسية (الطحن، والتلميع، والطلاء). يعتبر تصلب السطح (الكربنة) خيارًا جذابًا عندما تكون هناك حاجة لسطح صلب ونواة مرنة؛ غالبًا ما ينتج 1020 نواة أقوى قليلاً بعد المعالجة مقارنة بـ 1010.
8. التطبيقات النموذجية
| SAE1010 – الاستخدامات النموذجية | SAE1020 – الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| قطع مشكّلة باردة، مكونات مسحوبة عميقًا، ختمات صغيرة، منتجات سلكية، مسامير، وأجزاء هيكلية منخفضة القوة حيث تكون المرونة وقابلية التشكيل مطلوبة | أعمدة، دبابيس، محاور، تروس (حمل منخفض)، مسامير، قطع مصنعة لأغراض عامة، قطع تصلب السطح الكربوني |
| مكونات زخرفية أو مطلية مع تحميل ميكانيكي محدود | قطع تتطلب قوة أعلى أو مقاومة أفضل للتآكل في الحالة المعالجة أو بعد تصلب السطح |
| تجمعات مصنعة مع لحام مكثف حيث تكون أقصى قابلية للحام مطلوبة | مكونات سيتم تصلب سطحها (الكربنة) للحصول على مقاومة للتآكل مع نواة أكثر صلابة |
منطق الاختيار: - اختر 1010 عندما يكون التشكيل، وقابلية العمل البارد، أو أقصى قابلية للحام في الأقسام الرقيقة هي الأولوية. يقلل من خطر التصدع ويبسط التصنيع. - اختر 1020 عندما تكون قوة المادة الأساسية ومقاومة التآكل (أو فعالية تصلب السطح) أكثر أهمية ويكون الجهد الإضافي المعتدل في التشغيل أو التحكم في المعالجة الحرارية مقبولًا.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: كلا الدرجتين هما فولاذان منخفضا الكربون من السلع الأساسية ويتم إنتاجهما بكميات كبيرة. الفروق السعرية ضئيلة وتدفعها بشكل أساسي تقلبات السوق بدلاً من تكلفة الدرجة الجوهرية. قد يحمل SAE1020 علاوة صغيرة في بعض أشكال المنتجات بسبب الكربون الأعلى قليلاً والمعالجة لأشكال المنتجات عالية القوة، لكن هذا ليس مهمًا بشكل عام.
- التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في أشكال المدرفلة على الساخن، والمدرفلة على البارد، والسحب البارد، والصفائح، والبار، والملفات. يعتمد العرض الإقليمي على خطوط إنتاج المطاحن والمعايير؛ يجب أن تحدد المشتريات الكيمياء الدقيقة ومتطلبات الخصائص الميكانيكية لتجنب التباينات.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي/نسبي):
| الخاصية | SAE1010 | SAE1020 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة (أقل CE) | جيدة جدًا (CE أعلى من 1010؛ قد يُوصى بالتسخين المسبق في بعض الحالات) |
| توازن القوة والصلابة | قوة أقل، مرونة/صلابة أعلى | قوة أعلى، مرونة أقل (المزيد من البيرلايت) |
| التكلفة | متشابهة جدًا؛ تسعير سلع أساسية بشكل عام | متشابهة جدًا؛ أعلى قليلاً في بعض أشكال العرض |
التوصيات: - اختر SAE1010 إذا: - كانت القطعة تتطلب تشكيلًا باردًا واسعًا، أو سحبًا عميقًا، أو مستويات عالية من المرونة. - كانت بساطة اللحام وتقليل خطر تصلب HAZ أولوية. - لم تكن هناك حاجة لصلابة السطح، أو كانت القطعة ستنضم/تُنهى بدلاً من أن تتعرض للتآكل.
- اختر SAE1020 إذا:
- كانت هناك حاجة لقوة المادة الأساسية الأعلى ومقاومة التآكل في الحالة المعالجة.
- كانت القطعة مخصصة لتصلب السطح (الكربنة) أو واجب تآكل معتدل مع نواة مرنة.
- كانت الصلابة الأعلى قليلاً والتمدد المنخفض مقبولة للتصميم.
ملاحظة نهائية: يجب أن يتم الاختيار بين SAE1010 و SAE1020 بناءً على الخصائص الميكانيكية المحددة في شكل المنتج المطلوب والمسار التصنيعي المتوقع (التشكيل، اللحام، المعالجة الحرارية). حيث تكون هوامش الأداء ضيقة، اطلب شهادات المطحنة مع الكيمياء الدقيقة ونتائج الاختبارات الميكانيكية، واعتبر التصنيع التجريبي للتحقق من سلوك التشكيل، واللحام، والتشطيب للدرجة المختارة.