St13 مقابل St14 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
St13 و St14 هما أقارب قريبون في عائلة الفولاذ الهيكلي منخفض الكربون المستخدم عادةً في الألواح، الشرائط، والأجزاء المشكّلة على البارد. يقوم المهندسون، ومديرو المشتريات، ومخططو التصنيع غالبًا بوزن التبادلات بين التكلفة، وقابلية التشكيل، والقوة عند الاختيار بين هذين الدرجتين للمكونات المطبوعه، والتجهيزات الملحومة، أو الألواح الهيكلية العامة. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار درجة للسحب العميق مقابل واحدة محسّنة للقوة الهيكلية الأساسية، أو اختيار مادة توازن بين سهولة التصنيع والقدرة على تحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة بعد المعالجة.
التمييز الفني الرئيسي بين الدرجتين هو أن إحدى الدرجتين تم تصميمها لتقديم قابلية تشكيل محسّنة تحت عمليات العمل البارد الشائعة بينما تمثل الأخرى الخيار التقليدي الأكثر شيوعًا من الفولاذ الهيكلي منخفض الكربون. نظرًا لأن كيميائياتهما وطرق المعالجة متشابهة، غالبًا ما يتم مقارنة الدرجتين أثناء اختيار المواد لعمليات التصنيع حيث تكون أداء التشكيل، وقابلية اللحام، والتكلفة جميعها مهمة.
1. المعايير والتسميات
- تشمل المعايير الشائعة وأنظمة التسمية في الصناعة:
- ASTM / ASME (الولايات المتحدة)
- EN (الأوروبية)
- JIS (المعايير الصناعية اليابانية)
- GB (المعايير الوطنية الصينية)
- مواصفات المطاحن الوطنية والخاصة
- التصنيف:
- St13 — فولاذ كربوني (فولاذ هيكلي منخفض الكربون / فولاذ شرائط)
- St14 — فولاذ كربوني (فولاذ هيكلي منخفض الكربون / فولاذ شرائط، تمت معالجته لتحسين قابلية التشكيل)
- ملاحظة: يظهر البادئة "St" في بعض التسميات الإقليمية وتسمية الموردين للفولاذ الهيكلي. يعتمد المطابقة الدقيقة لأرقام الكتالوج ASTM/EN/JIS/GB على المعيار الصادر أو شهادة المطحنة؛ يجب على المستخدمين دائمًا طلب التسمية القياسية المحددة وشهادة الكيمياء/الميكانيكا من الموردين.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
- بدلاً من اقتباس النسب الدقيقة (التي تختلف حسب المعيار والمطحنة)، تلخص الجدول أدناه استراتيجية السبائك النموذجية والوجود النسبي للعناصر الرئيسية لكل درجة.
| عنصر | St13 (استراتيجية نموذجية) | St14 (استراتيجية نموذجية) |
|---|---|---|
| C (الكربون) | محتوى كربون منخفض (مستوى هيكلي عام) | كربون منخفض، غالبًا ما يكون مستهدفًا أقل قليلاً أو مضبوطًا بدقة لتعزيز اللدونة |
| Mn (المنغنيز) | موجود كعنصر رئيسي للقوة/المعالجة (معتدل) | مضبوط؛ قد يتم تعديله لدعم قابلية التشكيل دون التضحية بالقوة |
| Si (السيليكون) | إضافة صغيرة من مزيل الأكسدة (أثر–منخفض) | مضبوط، وغالبًا ما يتم تقليله لتحسين جودة السطح وقابلية التشكيل |
| P (الفوسفور) | محتفظ به منخفضًا (حد الشوائب المتبقية) | منخفض بالمثل؛ يمكن أن يحسن التحكم الصارم اللدونة |
| S (الكبريت) | منخفض؛ يتم التحكم فيه أحيانًا لتحسين قابلية التشغيل | محتفظ به منخفضًا لتجنب الهشاشة أثناء التشكيل |
| Cr, Ni, Mo | عادةً لا يتم إضافتها عمدًا | عادةً غائبة أو موجودة فقط كشوائب أثرية |
| V, Nb, Ti | ليس شائعًا كسبائك دقيقة عمدية | قد تكون موجودة بكميات صغيرة جدًا مضبوطة في بعض المتغيرات للتحكم في حجم الحبيبات |
| B | ليس شائعًا | ليس شائعًا |
| N (النيتروجين) | أثر | أثر؛ يتم التحكم فيه في بعض طرق الإنتاج لإدارة سلوك الترسيب |
التفسير: كلا الدرجتين هما في الأساس فولاذ منخفض الكربون. تركز استراتيجية السبائك للدرجة التي تركز على قابلية التشكيل على التحكم الأكثر دقة في الكربون والفراغات، والتعديلات في Mn و Si، والتحكم الدقيق في النظافة لإنتاج بنية مجهرية وحالة سطحية تسهل التشكيل البارد. لا تعتبر السبائك الدقيقة (Nb، Ti، V) ميزة محددة لأي من الدرجتين ولكن، عند استخدامها، يتم إدخالها للتحكم في حجم الحبيبات والصلابة بدلاً من زيادة القابلية للتصلب.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - St13: بنية مجهرية مهيمنة من الفريت–البرليت بعد الدرفلة الساخنة التقليدية والتبريد في الهواء؛ حبيبات فريت نسبياً خشنة تعتمد على ممارسة الدرفلة والتجعيد. - St14: قاعدة مشابهة من الفريت–البرليت، ولكن تم إنتاجها مع تحكم أكثر دقة في التبريد، وفي بعض ممارسات المطاحن، معالجة حرارية ميكانيكية لتحسين بنية الحبيبات وإنتاج مصفوفة فريت أكثر تجانسًا ودقة تعزز اللدونة.
استجابات المعالجة الحرارية والمعالجة: - التلدين / تلدين إعادة التبلور: تستجيب كلا الدرجتين للتلدين بتليين وزيادة اللدونة. تستفيد St14 بشكل أكثر وضوحًا من دورات التلدين المضبوطة التي تقلل من الضغوط المتبقية وتحسن قابلية السحب. - التطبيع: يزيد القوة بشكل معتدل عن طريق تحسين حجم الحبيبات؛ أقل شيوعًا في درجات الألواح ولكن يمكن استخدامه لأشكال المنتجات ذات القوة العالية. - التخمير بعد التبريد: ليس شائعًا لهذه الدرجات من الألواح منخفضة الكربون؛ التبريد والتخمير هو مسار للفولاذ عالي القوة ولكنه غير ضروري لتطبيقات St13/St14 العامة. - الدرفلة الحرارية الميكانيكية: حيث يتم تنفيذها، يمكن أن تنتج حجم حبيبات أدق وتحسين قابلية التشكيل لمتغيرات St14 دون عقوبة كبيرة في القوة.
تعتبر خيارات المعالجة (درجة حرارة التجعيد، التخفيض لكل تمريرة، معدل التبريد) مؤثرة مثل الكيمياء الاسمية في تحديد البنية المجهرية النهائية وسلوك التشكيل.
4. الخصائص الميكانيكية
- بدلاً من الأرقام الثابتة (التي تختلف حسب السماكة، والصلابة، والمعيار)، فإن المقارنة أدناه نوعية وتعكس السلوك النموذجي في أشكال المنتجات المدرفلة على الساخن أو المدرفلة على البارد + الملدنة.
| الخاصية | St13 (نموذجي) | St14 (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | معتدلة (مستوى منخفض الكربون القياسي) | مماثلة أو أقل قليلاً في حالة الملدنة لتعزيز اللدونة |
| قوة العائد | معتدلة | أقل قليلاً في العديد من درجات المطاحن لزيادة قابلية التشكيل |
| التمدد (موحد/إجمالي) | جيد | محسن (تمدد أعلى وقابلية تشكيل محلية أفضل) |
| صلابة التأثير | كافية عند درجات حرارة الغرفة | مماثلة؛ يمكن أن تكون الصلابة المحسنة ممكنة بسبب البنية المجهرية الأكثر دقة |
| الصلابة | منخفضة إلى معتدلة | منخفضة إلى معتدلة — مماثلة ولكن الحالة المقدمة تميل إلى أن تكون أكثر ليونة للتشكيل |
التفسير: عادةً ما تكون St14 مضبوطة لتوفير لدونة أعلى وأداء أفضل في عمليات التشكيل، وغالبًا ما يتم تحقيق ذلك من خلال التحكم الأكثر دقة في التركيب ومعالجة المطاحن المحسّنة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل طفيف في قيم العائد والشد المقدمة ولكن يمكّن من استيعاب أكبر للتمدد أثناء التثقيب أو السحب العميق. إذا كانت القوة الأعلى مطلوبة بعد التشكيل، يجب النظر في التحويل من خلال المعالجة المناسبة أو اختيار متغيرات ذات قوة أعلى.
5. قابلية اللحام
تركز اعتبارات قابلية اللحام للفولاذ منخفض الكربون على محتوى الكربون، والقابلية للتصلب، والسبائك المتبقية. التقييم النوعي النموذجي: - يمكن لحام كل من St13 و St14 بسهولة بواسطة طرق الانصهار والمقاومة الشائعة بسبب محتويات الكربون المنخفضة والسبائك القليلة القابلية للتصلب. - حيث توجد سبائك دقيقة أو يتم استخدام Mn أعلى، قد تظهر منطقة التأثير الحراري (HAZ) زيادة في القابلية للتصلب؛ قد تكون هناك حاجة إلى ضوابط إجراءات اللحام. - يجب أن يعتمد استخدام التسخين المسبق/التسخين اللاحق والتحكم في إدخال الحرارة على سمك المكون وتصميم الوصلة، وليس فقط على اسم الدرجة.
مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (للتفسير فقط): - عرض مثال على معادل الكربون: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - مؤشر آخر: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ التفسير: القيم المنخفضة لهذه المؤشرات تتنبأ بانخفاض خطر صلابة HAZ والتشقق البارد. نظرًا لأن كلا الدرجتين منخفضتا الكربون ومنخفضتا السبيكة، فإن الأرقام المحسوبة لمعادلات الكربون ستكون عمومًا منخفضة، مما يشير إلى قابلية لحام جيدة. إذا كان متغير عملية St14 يستخدم أي سبائك دقيقة لتحسين الحبيبات، يجب أن تأخذ إجراءات اللحام في الاعتبار احتمال التصلب المحلي.
6. التآكل وحماية السطح
- لا يعتبر كل من St13 و St14 فولاذًا مقاومًا للصدأ؛ مقاومتهما للتآكل تحت الظروف الجوية والرطبة متشابهة ومعتدلة.
- استراتيجيات الحماية الشائعة:
- التغليف بالغمس الساخن أو الجلفنة الكهربائية للبيئات الخارجية أو البيئات المتآكلة بشكل معتدل.
- الطلاءات العضوية: البرايمرات، والدهانات، والطلاء المسحوق للحماية الزخرفية والحاجزية.
- طلاءات التحويل (فوسفات) لالتصاق الطلاء والحماية المؤقتة قبل التشكيل أو اللحام.
- PREN (رقم مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الدرجات غير المقاومة للصدأ ولكن، للمرجع، يتم إعطاء PREN للفولاذ المقاوم للصدأ بواسطة: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- ملاحظة: تعتبر حالة السطح والنظافة حاسمة لقابلية التشكيل؛ بعض عمليات الطلاء يمكن أن تقلل من قابلية التشكيل أو تؤدي إلى تشقق الطلاء أثناء التشكيل — اختر الطلاءات المتوافقة مع عمليات التشكيل المقصودة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: يمكن تشغيل كلا الدرجتين بسهولة؛ قد تكون St14 أسهل قليلاً في القطع في بعض الظروف المعالجة على البارد بسبب القوة الأقل قليلاً في الحالة الملدنة. عادةً ما لا تكون إضافات الكبريت التي تحسن قابلية التشغيل جزءًا من هذه الدرجات.
- التشكيل والانحناء:
- تم تصميم St14 لتحسين قابلية التشكيل (سحب أعمق، انحناءات أكثر ضيقًا، وأداء أفضل في تمدد الحواف) بفضل التحكم الأكثر دقة في الفراغات والبنية المجهرية.
- تؤدي St13 بشكل جيد في التشكيل العام ولكن قد تتطلب انحناءات أكبر أو أعماق سحب أخف لتحقيق موثوقية مكافئة.
- تشطيب السطح والتعامل مع الملفات: غالبًا ما تحتوي متغيرات St14 المخصصة للتشكيل على درجات حرارة المطاحن وحالات سطحية تقلل من الخدوش وتزيد من الانزلاق المتسق أثناء التثقيب.
8. التطبيقات النموذجية
| St13 — الاستخدامات النموذجية | St14 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| ألواح هيكلية عامة (قابلية تشكيل غير حرجة) | أجزاء مسحوبة عميقًا: أدوات المطبخ، الألواح الداخلية للسيارات |
| تجهيزات ملحومة بسيطة وأعضاء هيكلية خفيفة | مكونات مطبوعة معقدة تتطلب إجهادًا عاليًا (ألواح الأبواب، خزانات الوقود) |
| مقاطع مشكّلة على البارد حيث تكفي اللدونة القياسية | مكونات ستخضع لانحناءات شديدة، أو تجعيد، أو تشكيل تمدد |
| تطبيقات صفائح معدنية اقتصادية | أجزاء مشكّلة بكميات كبيرة حيث تكون معدلات الرفض المنخفضة مطلوبة |
مبررات الاختيار: اختر الدرجة التي تتوافق فيها قدرة التشكيل، والمعالجة اللاحقة المطلوبة، والتكلفة مع تصميم المنتج. إذا كان التصميم يتطلب تشوهًا بلاستيكيًا شديدًا أثناء التصنيع، فإن الدرجة الموجهة نحو قابلية التشكيل غالبًا ما تقلل من تآكل الأدوات والرفض.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: كلا الدرجتين منخفضتا التكلفة مقارنة بالفولاذات السبيكية أو عالية القوة. قد تحمل الدرجة المحسّنة لقابلية التشكيل علاوة صغيرة بسبب المعالجة الأكثر دقة والتحكم في الجودة.
- التوافر: متاحة على نطاق واسع في الألواح، والملفات، والأطوال المقطوعة من المطاحن والموزعين الإقليميين. قد تكون هناك أوقات تسليم محددة للدرجات السطحية المحددة (مثل السحب العميق الإضافي، السحب العميق الإضافي + تمرير الجلد)؛ يجب على المشتريات تحديد الدرجة المطلوبة، وحالة السطح، ومتطلبات الشهادة.
10. الملخص والتوصية
| المقياس | St13 | St14 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة جدًا | جيدة جدًا |
| توازن القوة–الصلابة | توازن منخفض الكربون القياسي | توازن مماثل؛ محسّن لللدونة |
| التكلفة | أقل / أساسي | علاوة طفيفة في بعض الدرجات |
| قابلية التشكيل | جيدة | محسّنة (مصممة لزيادة إجهادات التشكيل) |
اختر St13 إذا: - كان تطبيقك هو الألواح الهيكلية العامة أو التجهيزات الملحومة حيث يكون الأداء القياسي منخفض الكربون كافيًا. - كانت تقليل التكلفة أولوية وكانت عمليات التشكيل معتدلة في الشدة. - كنت بحاجة إلى فولاذ عام متاح على نطاق واسع للأجزاء ذات التعقيد التشكيل المعتدل.
اختر St14 إذا: - كانت عملية التصنيع تتضمن سحبًا عميقًا، أو انحناءات ضيقة، أو تجعيد، أو عمليات تشكيل باردة أخرى ذات إجهاد عالي. - كانت معدلات الرفض المنخفضة وسلوك السطح المحسن أثناء التشكيل أمرًا حاسمًا لكفاءة الإنتاج. - كنت تفضل درجات حرارة المطاحن وظروف السطح المحسّنة للتشكيل، حتى مع علاوة صغيرة في التكلفة.
ملاحظة ختامية: اطلب دائمًا شهادة اختبار المطحنة وتأكيد النطاقات الكيميائية والميكانيكية الدقيقة، وحالة السطح، والصلابة من الموردين. بالنسبة للمكونات الملحومة أو المشكّلة بشكل كبير، قم بإجراء تجارب عملية مع الملف/الصلابة المحددة، وقم بتحديث مواصفات إجراءات اللحام حسب الحاجة، واعتبر تجارب التشكيل للتحقق من أداء القالب وخصائص الجزء النهائي.