في عالم تصنيع المعادن، يُعد فهم خصائص عملية مواد الصفائح المعدنية الشائعة الاستخدام أمرًا أساسيًا لتحقيق نتائج عالية الجودة. خلال خبرتي في هذا المجال، تعلمتُ أن كل مادة تتميز بخصائص فريدة تؤثر على كل شيء بدءًا من تشكيل والقطع إلى اللحام والتشطيب. في هذه المقالة، سأستكشف هذه الخصائص، مُسلِّطًا الضوء على كيفية تأثيرها على عمليات التصنيع. سواءً كنتَ محترفًا متمرسًا أو جديدًا في هذا المجال، فإنَّ فهم هذه المواد سيُمكِّنك من اتخاذ قرارات مدروسة، ويُعزِّز نجاح مشاريعك بشكل عام.

بالإضافة إلى شكل ودقة القطعة المراد معالجتها والمعدات الهيكلية المتاحة للشركة، ترتبط عملية معالجة القطعة ارتباطًا وثيقًا بالمادة المستخدمة فيها. لذلك، من المهم تحليل وفهم خصائص معالجة المواد المختلفة، لما لذلك من أهمية بالغة في عملية معالجة قطع الصفائح المعدنية وتطوير مواصفات عمليات الإنتاج. 

خصائص عملية تصنيع الفولاذ الهيكلي الكربوني العادي

بشكل عام، تُصنع أجزاء الصفائح المعدنية من الفولاذ الهيكلي الكربوني العادي (مثل Q195، Q215، Q235، إلخ) والفولاذ الهيكلي الكربوني عالي الجودة (مثل 08، 10F، 20، إلخ)، وهما النوعان الأكثر استخدامًا. هناك قيود قليلة على التشكيل، باستثناء أن زيادة السُمك محدودة بمعدل التشوه، وأن التسخين محدود بحد أقصى لدرجة الحرارة. 

في معالجة مادة اللوحة السميكة، من أجل زيادة درجة تشوه مادة اللوحة، والحد من مقاومة تشوه مادة اللوحة، وأكثر مع التشكيل الساخن أو التسخين الجزئي لعملية السحب العميق والتشكيل، ولكن يجب تجنب التسخين في مناطق درجة حرارة معينة، مثل الفولاذ الكربوني المسخن إلى 200 ~ 400 ℃، لأن تأثير الشيخوخة (الشوائب في شكل هطول الأمطار في هطول الأمطار على سطح انزلاق حدود الحبوب) لتقليل اللدونة، وزيادة مقاومة التشوه، ويسمى هذا النطاق من درجات الحرارة منطقة هشة زرقاء تسمى هذه النطاق من درجات الحرارة منطقة هشة زرقاء، عندما يصبح أداء الفولاذ سيئًا، من السهل كسر هش، يكون الكسر أزرق. وفي نطاق 800 ~ 950 ℃، وسوف تظهر منطقة هشة ساخنة، بحيث يتم تقليل اللدونة، وبالتالي، في عملية عملية السحب العميق للوحة الساخنة، يجب إيلاء اهتمام خاص للتشوه الفعلي لدرجة حرارة الضغط الساخن لا ينبغي أن تكون في منطقة هشة زرقاء ومنطقة هشة ساخنة. في العملية، يجب أن تأخذ في الاعتبار معدات التدفئة والضغط بين موقع تشوه درجة حرارة الضغط الساخن، والاستخدام الدقيق لمعدات النفخ التبريد لتجنب حدوث الهشاشة الزرقاء والهشاشة الساخنة. 

خصائص عملية الفولاذ السبائكي

الفولاذ السبائكي المستخدم عادة في تصنيع أجزاء الهياكل المعدنية هو عادة 16Mn و 15MnV والفولاذ السبائكي العالي القوة الآخر، وخصائص عملية التصنيع الخاصة بهم هي كما يلي. 

● فولاذ 16Mn. يُنتج فولاذ 16Mn عادةً بالدرفلة الساخنة، دون الحاجة إلى معالجة حرارية، خاصةً للفولاذ المدرفل الذي يقل سمكه عن 20 مم، نظرًا لخصائصه الميكانيكية العالية، لذلك يُستخدم الضغط الساخن مباشرةً بعده. أما بالنسبة للصفائح الفولاذية التي يزيد سمكها عن 20 مم، فيمكن استخدامها بعد المعالجة التطبيعية لتحسين قوة الخضوع ومتانة الفولاذ في درجات الحرارة المنخفضة. 

بالإضافة إلى ذلك، يتميز هذا الفولاذ بأداء قطع الغاز المماثل للفولاذ الهيكلي منخفض الكربون العادي. حافة قطع الغاز 1 مم ضمن نطاق التصلب، ولكن نظرًا لضيق منطقة التصلب، يمكن التخلص منها باللحام. لذلك، لا تتطلب حافة قطع الغاز لهذا الفولاذ معالجة ميكانيكية، ويمكن لحامها مباشرةً. 

أداء تسوية الغاز بقوس الكربون مماثل لأداء الفولاذ الهيكلي العادي منخفض الكربون. على الرغم من وجود ميل للتصلب في حافة التسوية الغازية، إلا أن منطقة التصلب ضيقة جدًا ويمكن التخلص منها باللحام. لذلك، لا تتطلب حافة التسوية الغازية لهذا النوع من الفولاذ معالجة ميكانيكية، ويمكن لحامها مباشرةً. والنتيجة هي نفس صلابة المنطقة المتأثرة بالحرارة تقريبًا كما هو الحال عند اللحام بعد التشغيل الآلي. 

بالمقارنة مع Q 235، تتجاوز قوة خضوع فولاذ 16Mn 345 ميجا باسكال، أي أعلى من Q 235، لذا فإن قوة التشكيل على البارد أكبر من فولاذ Q 235. بالنسبة للسماكات الكبيرة من الفولاذ المدرفل على الساخن، يمكن تحسين خصائص التشكيل على البارد بشكل كبير عن طريق التطبيع أو التلدين. ومع ذلك، عندما يصل سمك الصفيحة إلى سمك معين (t ≥ 32)، يجب تشكيلها على البارد بعد المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد. 

عند تسخينه إلى أكثر من 800 درجة مئوية، يمكن الحصول على خصائص تشكيل ساخنة جيدة، ولكن لا ينبغي أن تتجاوز درجة حرارة تسخين الفولاذ 16Mn 900 درجة مئوية، وإلا، من السهل ظهور منظمة ارتفاع درجة الحرارة، مما يقلل من صلابة الفولاذ. 

بالإضافة إلى ذلك، فإن الفولاذ 16Mn بثلاثة أضعاف تسخين اللهب العظمي وتبريد الماء بعد الخصائص الميكانيكية لا يوجد تغيير كبير، مع المادة الأساسية الأصلية بنفس مقاومة الضرر الهش، وبالتالي، يمكن أن يكون الفولاذ مقاومًا للحريق المائي، ولكن هيكل الحمل الديناميكي غير مناسب لمقاومة الحريق المائي. 

●15MnV. صفيحة فولاذية رقيقة من 15MnV و15MnTi، تتشابه في خصائص القص والتدحرج على البارد مع فولاذ 16Mn، ولكن سمك الصفيحة ≥ 25 مم، يسهل إخفاء الشقوق الصغيرة في حافة القص بسبب قص التصلب البارد. قد يكون هذا الشق قد حدث قبل مصنع الفولاذ. لذلك، يجب تعزيز فحوصات الجودة، ولكن في حال اكتشافه، يجب إزالته بعد القطع بالغاز أو المعالجة الميكانيكية للحافة المتشققة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيع صفيحة الفولاذ 15MnV السميكة والمدرفلة على الساخن، والتي تُسبب كسورًا سهلة الدرفلة على البارد، عند درجة حرارة تتراوح بين 930 و1000 درجة مئوية لتحسين لدونتها ومتانتها، وتحسين أداء الدرفلة على البارد. 

بالإضافة إلى ذلك، هذا النوع من تشكيل الصلب الساخن والأداء العظمي الساخن، درجة حرارة التسخين من 850 ~ 1100 ℃ تشكيل ساخن، والتسخين المتعدد على تأثير قوة الخضوع ليست كبيرة؛ وأداء قطع الغاز الجيد، وأداء التخطيط لغاز قوس الكربون هو أيضا جيد، والتخطيط لغاز قوس الكربون على أداء المفاصل الملحومة دون آثار سلبية. 

مع نفس أداء عملية الفولاذ من فئة 15MnV يشمل أيضًا 15MnTi، و15MnVCu، و15MnVRE، و15MnNTiCu، وما إلى ذلك. 

●09Mn2Cu، 09Mn2. هذا النوع من الفولاذ لديه أداء ختم بارد أفضل. عملية الدرفلة الباردة لصفائح الفولاذ السميكة 09Mn2Cu، 09Mn2، 09Mn2Si، عملية الضغط الساخن، القطع بالغاز، التخطيط بالغاز القوسي الكربوني، تقويم اللهب و Q235 أيضًا. 

●18MnMoNb. يتميز هذا النوع من الفولاذ بحساسية عالية للقطع، ويميل قطع الغاز باللهب إلى التصلب. ولمنع التشقق عند الانحناء، يُنصح بقطع صفيحة الفولاذ بالغاز باستخدام عزل حراري عند درجة حرارة 580 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، مع استخدام التلدين لتخفيف الإجهاد. 

أداء عملية الفولاذ المقاوم للصدأ

هناك أنواع عديدة من الفولاذ المقاوم للصدأ، ويمكن تقسيمها وفقًا لتركيبها الكيميائي إلى فئتين: فولاذ الكروم وفولاذ النيكل-الكروم. يحتوي فولاذ الكروم على كميات كبيرة من الكروم أو كميات صغيرة من النيكل والتيتانيوم وعناصر أخرى؛ بينما يحتوي فولاذ النيكل-الكروم على كميات كبيرة من الكروم والنيكل أو كميات صغيرة من التيتانيوم والموليبدينوم وعناصر أخرى. وفقًا للمنظمات المعدنية المختلفة، تُصنف الفولاذ المقاوم للصدأ إلى عدة فئات، مثل الأوستنيتي والفريتي والمارتنسيتي. نظرًا لاختلاف التركيب الكيميائي والتنظيم المعدني، تختلف الخصائص الميكانيكية والكيميائية والفيزيائية لأنواع الفولاذ المقاوم للصدأ المختلفة اختلافًا كبيرًا، مما يزيد من صعوبة عملية استخدام مواد الفولاذ المقاوم للصدأ. 

هناك نوعان من درجات الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدمة بشكل شائع. 

الفئة أ: فولاذ الكروم المارتنسيتي، مثل 1Cr 13، 2Crl 3، 3Crl 3، 4Crl 3، إلخ. 

الفئة ب: تنتمي إلى الفولاذ الأوستنيتي المصنوع من النيكل والكروم، مثل 1Cr18Ni9Ti، 1Cr18Ni9، إلخ. 

يتمتع النوعان المذكوران أعلاه من الفولاذ المقاوم للصدأ بخصائص المعالجة التالية. 

للحصول على مرونة جيدة، يجب معالجة المادة في حالة لينة. المعالجة الحرارية لتليين الفولاذ المقاوم للصدأ من الفئة أ هي التلدين، بينما المعالجة الحرارية لتليين الفولاذ المقاوم للصدأ من الفئة ب هي الإخماد. 

●في الحالة الناعمة، تتمتع الخواص الميكانيكية لنوعي الفولاذ المقاوم للصدأ بقابلية معالجة جيدة، وخاصةً مع قابلية معالجة تشوه الختم الجيدة، وهي مناسبة لتشوه العملية الأساسية للختم، ولكن خصائص مادة الفولاذ المقاوم للصدأ مقارنة بالفولاذ الكربوني العادي مختلفة تمامًا، حتى لو كانت مادة الفولاذ المقاوم للصدأ للسحب العميق، فإن اللدونة الرأسية لخصائص متباينة الخواص أقل بكثير من الفولاذ الكربوني العادي، وفي الوقت نفسه، نظرًا لنقطة الخضوع العالية، فإن تصلب العمل البارد خطير، لذلك ليس من السهل إنتاج التجاعيد في عملية السحب العميق فحسب، بل إن مادة اللوحة في زاوية القالب المقعرة من تشوه الانحناء والانحناء العكسي الناجم عن الارتداد، وغالبًا ما تشكل انخفاضًا أو انحرافًا في الجدار الجانبي للأجزاء. لذلك، بالنسبة للسحب العميق للفولاذ المقاوم للصدأ، هناك حاجة إلى قوة ضغط عالية جدًا، وتتطلب تعديلًا دقيقًا للقالب. 

بسبب ظاهرة التصلب البارد للفولاذ المقاوم للصدأ قوية جدًا، فإن السحب العميق سهل لإنتاج التجاعيد، لذلك في عملية التشغيل الفعلية، لاتخاذ بعض التدابير التالية من أجل ضمان التشغيل السلس للسحب العميق: بشكل عام في كل سحب عميق بعد التلدين المتوسط، لا يشبه الفولاذ المقاوم للصدأ الفولاذ الناعم يمكن أن يكون بعد 3 ~ 5 مرات للتلدين المتوسط، عادة بعد كل سحب عميق إلى التلدين المتوسط؛ تشوه أجزاء السحب العميق الكبيرة، والنهائي بعد السحب العميق والتشكيل، يتبعه القضاء على المعالجة الحرارية للإجهاد الداخلي المتبقي، وإلا فإن أجزاء السحب العميق ستنتج شقوقًا، إلى الإجهاد الداخلي لمواصفات المعالجة الحرارية هي درجة حرارة تسخين الفولاذ المقاوم للصدأ من 250 ~ 400 ℃، درجة حرارة تسخين الفولاذ المقاوم للصدأ من 350 ~ 450 ℃، ثم في درجة الحرارة أعلاه العزل 1 ~ 3 ساعات؛ يمكن استخدام طريقة السحب الحراري للحصول على نتائج تقنية واقتصادية أفضل. على سبيل المثال، بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr18Ni9 المسخن إلى 80 ~ 120 درجة مئوية، يمكن تقليل تصلب معالجة المواد والإجهاد الداخلي المتبقي، وتحسين درجة تشوه السحب العميق، وتقليل معامل السحب. أما الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المسخن إلى درجة حرارة أعلى (300 ~ 700 درجة مئوية)، فلا يمكنه تحسين عملية الختم بشكل أكبر. عند السحب العميق للأجزاء المعقدة، يجب اختيار استخدام مكابس هيدروليكية، ومكابس هيدروليكية عادية، ومعدات أخرى، بحيث لا تكون سرعة السحب العميق عالية (0.15 ~ 0.25 متر/ثانية أو نحو ذلك) تحت التشوه، ويمكن الحصول على نتائج أفضل. 

بالمقارنة مع الفولاذ الكربوني أو المعادن غير الحديدية، يتميز ختم الفولاذ المقاوم للصدأ بقوة تشوه عالية وارتداد مرن كبير. لذلك، لضمان دقة حجم وشكل القطع المختومة، يلزم أحيانًا زيادة عمليات التشذيب والتصحيح والمعالجة الحرارية اللازمة. 

●تختلف قوة خضوع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بشكل كبير بين الأنواع المختلفة، لذلك، في عملية القص والتشكيل، انتبه إلى سعة معدات المعالجة. 

أداء عملية المعادن غير الحديدية والسبائك

بالنسبة للمعادن غير الحديدية والسبائك في عملية تشكيل الاتصال بالمعدات، فإن نعومة سطح القوالب لها متطلبات أعلى. 

النحاس وسبائكه. من بين أنواع النحاس وسبائكه الشائعة النحاس النقي والنحاس الأصفر والبرونز. يتميز النحاس النقي ودرجات النحاس الأصفر H62 وH68 بعملية ختم جيدة، مقارنةً بدرجات H62، حيث تكون عملية التصلب على البارد أكثر كثافة من H68. 

يُستخدم البرونز لمقاومة التآكل، والزنبركات، والأجزاء المقاومة للاهتراء، ويختلف أداؤه اختلافًا كبيرًا باختلاف الدرجات. بشكل عام، يُعدّ البرونز أقلّ صلابةً من النحاس الأصفر في الختم، بينما يتطلّب البرونز صلابةً متوسطةً من النحاس الأصفر، مما يتطلب عمليات تلدين متكررة. 

معظم النحاس والبرونز في الحالة الساخنة (600 ~ 800 ℃ أدناه) لديه عملية ختم جيدة، ولكن التسخين سوف يجلب الكثير من الإزعاج للإنتاج، والنحاس والعديد من سبائك النحاس في حالة 200 ~ 400 ℃، ولكن اللدونة من درجة حرارة الغرفة لديها انخفاض كبير، وبالتالي عموما لا تستخدم ختم الحالة الساخنة. 

سبائك الألومنيوم. سبائك الألومنيوم المستخدمة عادةً في مكونات الصفائح المعدنية هي بشكل رئيسي الألومنيوم الصلب، والألومنيوم المقاوم للصدأ، والألومنيوم المطاوع. 

الألومنيوم المقاوم للصدأ هو في الغالب سبيكة ألومنيوم-منغنيز أو ألومنيوم-مغنيسيوم، وأثر المعالجة الحرارية عليه ضعيف جدًا، ولا يُحسّن متانته إلا بالتصلب البارد، حيث يتميز بقوة متوسطة ومرونة ممتازة ومقاومة ممتازة للتآكل. الألومنيوم الصلب والألومنيوم المطاوع هما سبائك ألومنيوم قابلة للتقوية بالمعالجة الحرارية. معظم الألومنيوم المطاوع هو سبيكة ألومنيوم-مغنيسيوم-سيليكون، تتميز بقوة عالية في الحالة الساخنة، وتأثير تقوية ضعيف بالمعالجة الحرارية، ومرونة جيدة في الحالة الملدنة، وهي مناسبة للختم والتشكيل. الألومنيوم الصلب هو سبيكة ألومنيوم-نحاس-مغنيسيوم ذات قوة عالية وتأثير تقوية جيد بالمعالجة الحرارية. 

يمكن تلدين الألومنيوم المقاوم للصدأ للحصول على أقصى قدر من اللدونة، كما يمكن تلدين الألومنيوم الصلب والمطروق وتبريدهما للحصول على أقصى قدر من اللدونة. تتميز هذه المواد بلدونة أعلى في حالة التبريد، وخصائص ميكانيكية أفضل للختم، مما يجعل عملية الختم أفضل من حالة التلدين. 

الألمنيوم الصلب والألمنيوم المطاوع هما سبائك ألمنيوم قابلة للمعالجة الحرارية، وتتميز بخاصية التقوية التدريجية بعد الإخماد مع مرور الوقت، وتُسمى هذه الظاهرة "التقوية بالشيخوخة". تتميز التقوية بالشيخوخة بعملية تطور محددة، وتختلف سرعتها من نوع إلى آخر. ونظرًا لخصائص التقوية بالشيخوخة، يجب إتمام عملية الختم قبل اكتمال عملية التقوية بالشيخوخة، وعادةً ما تتطلب الورشة إتمام هذه العملية في غضون ساعة ونصف من الإخماد. 

في سبائك الألومنيوم، تتمتع سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم (معظمها من الألومنيوم المقاوم للصدأ) بصلابة أكبر على البارد، لذا عند استخدام هذه المواد في تصنيع أجزاء معقدة، عادةً ما تُجرى عملية التلدين المتوسط من مرة إلى ثلاث مرات. بعد السحب العميق والتشكيل، تُجرى عملية التلدين النهائي لإزالة الإجهاد الداخلي. 

لتحسين قابلية المعالجة، يُستخدم الختم أيضًا في إنتاج سبائك الألومنيوم في الحالة الدافئة. يُستخدم الختم الدافئ غالبًا للمواد المُصلَّبة على البارد. بعد التسخين (حوالي ١٠٠-٢٠٠ درجة مئوية)، تحتفظ المادة ببعض صلابتها الباردة وتُحسِّن لدونتها، مما يُحسِّن درجة تشوه الختم ودقة أبعاد الأجزاء المُختمة. 

عند الختم الحراري، يجب التحكم بدقة في درجة حرارة التسخين، إذ أن انخفاضها الشديد قد يُسبب تشققات في الأجزاء المطبوعة، بينما يؤدي ارتفاعها الشديد إلى انخفاض حاد في المتانة وظهور الشقوق. أثناء عملية الختم، يميل القالب المحدب إلى السخونة الزائدة، وعند تجاوز درجة حرارة معينة، يُسبب تليينًا شديدًا لمادة الختم، مما يُؤدي إلى كسر الجزء المسحوب بعمق. يُحسّن الحفاظ على درجة حرارة القالب المحدب عند أقل من 50 إلى 75 درجة مئوية من درجة تشوه السحب الحراري العميق. في الختم الحراري، يجب استخدام مواد تشحيم خاصة مقاومة للحرارة. 

التيتانيوم وسبائكه. يتميز التيتانيوم وسبائكه بصلابة أقل، وقوة تشوه أعلى، وتصلد قوي بالمعالجة الباردة، ويُستخدمان غالبًا في الختم الساخن، باستثناء بعض الدرجات التي يمكن طبعها على البارد لأجزاء ذات تشوه طفيف. درجة حرارة التسخين للختم الساخن عالية (300-750 درجة مئوية) وتختلف باختلاف الدرجة. ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط يجعل المادة هشة، ولا تُناسب الختم. ولأن التيتانيوم عنصر نشط كيميائيًا، فإن درجة الحرارة المطلوبة لتفاعل الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين ليست عالية، والمركبات الناتجة عن الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين هي العوامل الرئيسية التي تُسبب الهشاشة، لذلك، فإن تسخين التيتانيوم وسبائكه محدود للغاية. عند الحاجة إلى معالجة بدرجة حرارة عالية، يجب إجراؤها في غاز واقي أو في عبوة محمية بالكامل وخالية من التسرب للتسخين المتكامل. عند تشغيل الأجزاء المختومة من التيتانيوم وسبائكه، يجب استخدام أقل سرعة ممكنة للختم. 

بالإضافة إلى ذلك، يمكن قطع التيتانيوم بالطرق الميكانيكية، مثل النشر، وقطع المياه تحت الضغط العالي، والمخرطة، وأدوات آلة قطع الأنابيب، وما إلى ذلك، يجب أن تكون سرعة النشر بطيئة، ولا تستخدم أبدًا الأكسجين - لهب الأسيتيلين والغازات الأخرى للقطع من خلال التسخين، ولكن يجب أيضًا عدم استخدام قطع المنشار الدائري، لتجنب منطقة الشق المتأثرة بالحرارة بسبب تلوث الغاز، وفي الوقت نفسه، يكون الشق في النتوء كبيرًا جدًا، ولكن أيضًا لزيادة عملية معالجة النتوء. 

يمكن ثني أنابيب التيتانيوم وسبائك التيتانيوم على البارد، لكن ظاهرة الارتداد واضحة، وعادةً ما تكون في درجة حرارة الغرفة ضعف أو ثلاثة أضعاف الفولاذ المقاوم للصدأ، لذا، يجب معالجة الانحناء البارد لأنابيب التيتانيوم بكمية الارتداد، بالإضافة إلى ذلك، يجب ألا يقل نصف قطر الانحناء البارد لأنابيب التيتانيوم عن 3.5 أضعاف القطر الخارجي للأنبوب. لمنع ظهور الشكل البيضاوي أو ظاهرة التجعد، يمكن ملء الأنبوب برمال نهرية جافة ودكه بمطرقة خشبية أو مطرقة نحاسية. عند الثني البارد، يجب إضافة عمود. عند الثني الساخن، يجب أن تكون درجة حرارة التسخين المسبق من 200 إلى 300 درجة مئوية. 

للحصول على حواف بزاوية 90 درجة، يجب استخدام ثلاث مجموعات من القوالب المضغوطة على مراحل لتجنب الشقوق.