SUP7 مقابل SUP9 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا خيارًا بين درجات الصلب المرتبطة ارتباطًا وثيقًا للمكونات الهيكلية أو المحتوية على ضغط أو المعرضة للتآكل. تشمل سياقات القرار النموذجية موازنة القوة مقابل اللدونة، وقابلية اللحام مقابل قابلية التصلب، وتكلفة دورة الحياة (المواد بالإضافة إلى التصنيع والحماية) مقابل الأداء أثناء الخدمة.

تعتبر SUP7 وSUP9 درجات متجاورة في نفس العائلة وغالبًا ما يتم مقارنتها لأنها تستهدف مساحات تطبيق مشابهة ولكن مع تركيزات مختلفة من السبائك والمعالجة. الفرق العملي الرئيسي هو أن SUP9 يتم وضعها كعضو أعلى أداءً (محدث) من الزوج - مصممة لتقديم قوة وزيادة في قابلية التصلب من خلال خيارات إضافية من السبائك أو المعالجة - بينما تركز SUP7 على الأداء الأساسي مع قابلية تصنيع أفضل وتكلفة أقل. يفسر هذا العلاقة الاتجاهية لماذا يقوم المصممون بتقييم كلا الدرجتين عند اختيار المواد للأجزاء التي قد تتطلب توازنًا محسنًا بين الأداء الميكانيكي وقابلية التصنيع.

1. المعايير والتسميات

• أنظمة مرجعية شائعة: JIS (المعايير الصناعية اليابانية)، GB (المعايير الوطنية الصينية)، EN (الأوروبية)، وASTM/ASME (الأمريكية). غالبًا ما يُرى نظام تسمية سلسلة SUP في المعايير الآسيوية الشرقية وكتيبات الموردين.
• فئة المواد: كل من SUP7 وSUP9 هما فولاذان كربونيان منخفضا السبيكة/ميكروسبيكة (ليس فولاذ أدوات أو فولاذ مقاوم للصدأ). عادة ما يتم تصميمهما للتطبيقات الهيكلية والضغط وقد يتم توفيرهما في حالات طبيعية أو مقسية ومزودة أو مدلفنة حراريًا حسب المورد والاستخدام النهائي.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تتميز مجموعة SUP7–SUP9 بشكل أساسي بإضافات سبائكية وزيادات ميكروسبيكية تهدف إلى تغيير القوة وقابلية التصلب والصلابة. تستخدم الجدول أدناه أوصافًا نوعية (موجودة/أثر/غير نمطي) لتجنب تمثيل كميات الكتلة المحددة بشكل خاطئ؛ يجب الحصول على التركيبات الفعلية من المعيار المعني أو ورقة بيانات المورد للتصميم أو الشراء.

عنصر	SUP7 (دور نموذجي)	SUP9 (دور نموذجي)
C (الكربون)	منخفض إلى معتدل؛ تقوية أساسية وقابلية تصلب	معتدل؛ أعلى قليلاً لدعم قوة/قابلية تصلب أعلى
Mn (المنغنيز)	موجود؛ إزالة الأكسدة، القوة، الصلابة	موجود؛ غالبًا مشابه أو أعلى قليلاً للمساعدة في قابلية التصلب
Si (السيليكون)	موجود بكميات صغيرة لإزالة الأكسدة	موجود بكميات صغيرة
P (الفوسفور)	شوائب محكومة (محتفظ بها منخفضة)	شوائب محكومة (محتفظ بها منخفضة)
S (الكبريت)	محكومة؛ قد تكون موجودة بكميات منخفضة من ppm	محكومة؛ محتفظ بها منخفضة للخصائص الميكانيكية
Cr (الكروم)	قد يكون موجودًا بكميات أثرية/منخفضة للقوة/التصلب	غالبًا ما يكون موجودًا بمستويات أعلى من SUP7 لزيادة قابلية التصلب ومقاومة التصلب
Ni (النيكل)	ليس سائدًا؛ أثر أو غائب في العديد من المتغيرات	قد يكون موجودًا في بعض متغيرات SUP9 لتحسين الصلابة
Mo (الموليبدينوم)	عادة ليس إضافة أساسية؛ أثر في بعض المتغيرات	يستخدم بشكل متكرر في SUP9 لتحسين قابلية التصلب وقوة درجات الحرارة العالية
V (الفاناديوم)	إضافة ميكروسبيكية (أثر) ممكنة لتكرير الحبوب	إضافة ميكروسبيكية أكثر احتمالًا أو بمستويات أعلى قليلاً لتكرير الحبوب وزيادة القوة
Nb (النيوبيوم)	إضافة ميكروسبيكية أثرية ممكنة	قد يكون موجودًا في متغيرات SUP9 الميكروسبيكية
Ti (التيتانيوم)	أثر كمثبت في بعض الفولاذات	أثر في بعض المتغيرات
B (البورون)	ليس نمطيًا، ولكن يمكن استخدامه بكميات أثرية في المتغيرات ذات الصلابة العالية	البورون الأثري ممكن في متغيرات SUP9 لتعزيز قابلية التصلب
N (النيتروجين)	محكوم؛ يؤثر على تشكيل النيتريد والصلابة	محكوم؛ التحكم في التركيب مهم للصلابة وترسيب الميكروسبيكة

كيف تؤثر السبائك على الخصائص الرئيسية: - القوة ومقاومة التصلب: العناصر مثل Cr وMo وNi وV وNb تزيد من القوة ومقاومة التصلب عند درجات الحرارة المرتفعة. عادة ما تحتوي SUP9 على المزيد من هذه المساهمات. - قابلية التصلب: تزيد Cr وMo والإضافات الصغيرة مثل B من قابلية التصلب، مما يمكّن الأقسام السميكة من تحقيق صلابة أعلى عند التبريد. عادة ما يتم تصميم SUP9 لقابلية تصلب أعلى. - الصلابة والتحكم في الحبوب: تسمح العناصر الميكروسبيكية (V وNb وTi) والتحكم الأكثر دقة في التركيب بإنشاء هياكل دقيقة من الفريت/البرليت أو المارتنسيت المقسى لتحسين الصلابة. - مقاومة التآكل: لا أي من الدرجتين مقاومة للصدأ؛ تعتمد أداء مقاومة التآكل على الطلاءات والبيئة بدلاً من السبائك الجوهرية (باستثناء إضافات Cr/Ni التي تساعد بشكل طفيف).

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية عند التسليم: - SUP7: غالبًا ما يتم تسليمها في حالة طبيعية أو طبيعية ومقسية؛ تميل البنية المجهرية نحو الفريت–البرليت أو المارتنسيت المقسى حسب محتوى الكربون والمعالجة الحرارية. - SUP9: مصممة لتحقيق نسب أعلى من المارتنسيت المقسى أو المارتنسيت المقسى بعد التبريد والتقسية؛ متاحة أيضًا في حالات مدلفنة حراريًا للتحكم لتحقيق هياكل باينيتية دقيقة.

أثر المعالجة: - المعالجة الطبيعية: كلتا الدرجتين تقومان بتكرير حجم الحبوب وتوحيد الهيكل؛ تحسن المعالجة الطبيعية الصلابة والتجانس ولكن تعطي قوة أقل من التبريد والتقسية. - التبريد والتقسية: تستفيد SUP9 أكثر من التبريد والتقسية لأن سبائكها تزيد من قابلية التصلب ومقاومة التصلب، مما يمكّن من تحقيق قوة مقسية أعلى لحدة تبريد معينة. يمكن أن تكون SUP7 مقسية ولكن عادة ما تكون محدودة في نطاقات التصلب المنخفضة لتحقيق توازن بين الصلابة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (TMCP): عند تطبيقها، يمكن أن تنتج TMCP هياكل دقيقة في كلتا الدرجتين؛ يمكن تحسين متغيرات SUP9 لإنتاج هياكل قوية وصلبة دون الحاجة إلى معالجة حرارية متطرفة.

عواقب بنيوية: - تزيد الإضافات السبائكية والميكروسبيكية في SUP9 من المراحل الأكثر صلابة وقوة (المارتنسيت المقسى أو الباينيت) عند سماكات عملية، بينما تميل SUP7 نحو الفريت–البرليت الأكثر ليونة ما لم يتم معالجتها حراريًا بشكل مكثف.

4. الخصائص الميكانيكية

نظرًا لأن التركيب والمعالجة يؤثران بشكل قوي على الخصائص، يوفر الجدول التالي أوصافًا نوعية مقارنة بدلاً من أرقام مطلقة. للاستخدام في التصميم، استخدم بيانات اختبار المورد أو المعايير المعتمدة.

الخاصية	SUP7	SUP9
قوة الشد	معتدلة	أعلى (مصممة لزيادة قوة الشد)
قوة الخضوع	معتدلة	أعلى (زيادة الخضوع بسبب السبائك/الميكروسبيكات)
التمدد (اللدونة)	أعلى (أكثر ليونة في الحالة المعادلة)	أقل مقارنة بـ SUP7 عند مستوى القوة المعادل، ولكن مقبول عند تقسيته بشكل صحيح
صلابة التأثير	جيدة، خاصة عند المعالجة الطبيعية	مماثلة أو أفضل إذا تمت معالجتها حراريًا بشكل صحيح؛ قد تتطلب TMCP/Q&T لتحقيق صلابة منخفضة الحرارة مماثلة
الصلابة	منخفضة إلى معتدلة	قدرة أعلى بعد Q&T؛ إمكانيات صلابة أكبر عند التبريد

التفسير: تم تصميم SUP9 لتوفير قوة وقابلية تصلب أعلى؛ ومع ذلك، فإن تحقيق قوة عالية يقلل عادة من اللدونة ما لم يتم التخفيف من خلال التحكم في البنية المجهرية (TMCP، الميكروسبيكة). تفضل SUP7 قابلية التصنيع واللدونة في الظروف الأساسية.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني ووجود سبائك التصلب. تشمل الصيغ التنبؤية المفيدة (لا يوجد استبدال عددي هنا) ما يلي:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

و

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - SUP7: عادة ما تؤدي كميات الكربون الأقل والسبائك الأبسط إلى قيم أقل من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$، مما يشير إلى قابلية لحام أسهل مع تسخين مسبق أقل واحتمالية أقل للتشقق. - SUP9: تزيد إضافات Cr وMo والميكروسبيكة من قابلية التصلب وبالتالي تميل إلى زيادة $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$؛ وهذا يزيد من خطر تشكيل المارتنسيت في منطقة الحرارة المتأثرة ويزيد من القابلية للتشقق البارد ما لم يتم استخدام تسخين مسبق/معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) وضبط درجات الحرارة بين الطبقات ومطابقة المواد الاستهلاكية. - التوجيه العملي: بالنسبة لـ SUP9، توقع التخطيط لإجراءات لحام محكومة (تسخين مسبق، ضبط درجات حرارة بين الطبقات، وربما PWHT) للأقسام السميكة أو الوصلات المقيدة بشدة. بالنسبة لـ SUP7، غالبًا ما تكون ممارسات اللحام القياسية كافية للعديد من التطبيقات.

6. التآكل وحماية السطح

• لا SUP7 ولا SUP9 مقاومة للصدأ. مقاومتهما للتآكل في البيئات الجوية أو المائية متشابهة وتتحكم بها بشكل أساسي الحماية السطحية والبيئة.
• تدابير الحماية النموذجية: الغلفنة بالغمر الساخن، الطلاء الكهربائي، الطلاءات العضوية (الدهانات، الإيبوكسي)، التمعدن، أو الحماية الكاثودية للتطبيقات المدفونة/المغمورة.
• لا تنطبق مؤشرات نوع الفولاذ المقاوم للصدأ مثل PREN على هذه الفولاذات الكربونية منخفضة السبيكة؛ صيغة PREN ذات صلة فقط للسبائك المقاومة للصدأ:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• تحسن كميات صغيرة من Cr/Ni/Mo في متغيرات SUP9 بشكل طفيف من المقاومة للتآكل الموضعي مقارنة بـ SUP7، ولكن لا ينبغي اختيار أي من الدرجتين لمقاومة التآكل حيثما تكون الفولاذات المقاومة للصدأ مطلوبة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: الظروف ذات القوة المنخفضة والصلابة المنخفضة لـ SUP7 تكون عمومًا أسهل في التشغيل وتنتج تآكلًا أقل للأدوات. قد تقلل SUP9 في حالة القوة العالية أو المقسية من قابلية التشغيل وتزيد من قوى القطع ومخاوف عمر الأداة.
• قابلية التشكيل والانحناء: تقدم SUP7 قابلية تشكيل وانحناء أفضل في الظروف المعدنية المعادلة. قد تتطلب SUP9، عند تحديدها لقوة أعلى، زيادة في أنصاف أقطار الانحناء، أو تقليل الإجهاد أثناء التشكيل، أو خطوات تقسية متوسطة لتجنب التشقق.
• إنهاء السطح: تستجيب كلتا الدرجتين بشكل جيد لعمليات إنهاء شائعة (النفخ بالرصاص، الطحن، التشغيل). سيولد الطحن/التشغيل الصعب لـ SUP9 في حالة القوة العالية درجات حرارة أعلى وتآكلًا أكبر.
• تخطيط التصنيع: اختر هوامش التشكيل والتشغيل بناءً على حالة التصلب؛ بالنسبة لـ SUP9، ضع في اعتبارك تحديد حالات طبيعية أو مقسية تحقق التوازن الأمثل بين القوة عند التسليم وقابلية التصنيع.

8. التطبيقات النموذجية

SUP7 — الاستخدامات النموذجية	SUP9 — الاستخدامات النموذجية
مكونات هيكلية عامة حيث تكون القوة القياسية وقابلية اللحام/التشكيل الجيدة مطلوبة (العوارض، الحوامل، الألواح)	أعضاء هيكلية وأجزاء ذات مهام ثقيلة تتطلب قوة أعلى أو قابلية تصلب أفضل (أقسام أكثر سمكًا، أعمدة، أجزاء ضغط)
تجمعات مصنعة حيث تكون التكلفة وسهولة التصنيع من الأولويات	أجزاء تتعرض لأحمال أعلى، أو إجهاد، أو تآكل حيث تكون القوة المتزايدة مطلوبة
أنابيب خط أو تطبيقات ضغط حيث تكون القوة المعتدلة واللدونة العالية مطلوبة (حسب المواصفات)	أجزاء مصممة للتبريد والتقسية أو TMCP لتحقيق قوة أعلى لنفس الهندسة

مبررات الاختيار: - اختر SUP7 عندما تكون كفاءة التصنيع، والتكلفة المنخفضة، واللدونة من الأولويات وعندما تكون متطلبات القوة معتدلة. - اختر SUP9 عندما يتطلب التصميم قوة أعلى و/أو قابلية تصلب محسنة عبر السمك، وعندما يمكن تطبيق ممارسات اللحام والمعالجة الحرارية المناسبة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: عادة ما تكون SUP7 الخيار الأقل تكلفة بسبب السبائك الأبسط وتوافرها الأوسع في الأشكال القياسية. تميل SUP9، مع إضافات سبائكية وخيارات معالجة إضافية (Q&T، TMCP)، إلى أن تكون أكثر تكلفة.
• التوافر حسب شكل المنتج: عادة ما تكون SUP7 متاحة على نطاق واسع في الألواح، والأوراق، وأحجام القضبان القياسية. يعتمد توافر SUP9 على السوق وقدرات المطاحن؛ قد تكون المتغيرات المتخصصة المقسية والمقسية أو الميكروسبيكية متاحة حسب الطلب وفي نطاقات منتجات مختارة.
• اعتبارات الشراء: ضع في اعتبارك ليس فقط تكلفة المواد ولكن أيضًا التصنيع، والمعالجة الحرارية، وتأهيل إجراءات اللحام، والتفتيش عند مقارنة تكلفة دورة الحياة بين الدرجتين.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

السمة	SUP7	SUP9
قابلية اللحام	أفضل (CE/Pcm أقل)	تتطلب مزيدًا من التحكم (احتمالية CE/Pcm أعلى)
توازن القوة–الصلابة	لدونة جيدة عند قوة معتدلة	احتمالية قوة أعلى؛ تعتمد الصلابة على المعالجة
التكلفة	أقل (تكلفة المواد والمعالجة النموذجية)	أعلى (تكاليف السبائك والمعالجة الحرارية)

التوصية: - اختر SUP7 إذا: كنت بحاجة إلى فولاذ فعال من حيث التكلفة، سهل التصنيع مع لدونة جيدة وقوة مقبولة للتطبيقات الهيكلية العامة أو الضغط حيث لا تكون قابلية التصلب القصوى أو القوة المرتفعة مطلوبة. - اختر SUP9 إذا: كان تصميمك يتطلب قوة شد أو قوة خضوع أعلى، أو قابلية تصلب محسنة للأقسام الأكثر سمكًا، أو مقاومة تصلب مرتفعة، ويمكنك استيعاب ضوابط لحام أكثر صرامة، وPWHT محتمل، وتكلفة مواد أعلى قليلاً.

ملاحظة نهائية: تغطي SUP7 وSUP9 عائلة من متغيرات المنتجات وطرق المعالجة. استشر دائمًا المعيار المعني، وشهادة المطحنة، وورقة بيانات المورد للحصول على التركيب الكيميائي الدقيق، ونتائج الاختبار الميكانيكية المعتمدة، وممارسات اللحام/المعالجة الحرارية الموصى بها قبل الاختيار النهائي للمواد أو التأهيل.