الفولاذ المقاوم للصدأ ليس مادة واحدة ولكنه اسم لعائلة من الفولاذ المقاوم للتآكل.
مثل العديد من الاكتشافات العلمية، تكمن أصول الفولاذ المقاوم للصدأ في حادثة مفاجئة. في عام 1913 في شيفيلد، إنجلترا، كان هاري بريرلي يحقق في تطوير سبائك فولاذية جديدة لاستخدامها في براميل البنادق. لاحظ أن بعض عينات له لم تصدأ وكان من الصعب حفرها. كانت هذه السبائك تحتوي على حوالي 13% من الكروم.
كان التطبيق الأول لهذه الفولاذ في أدوات المائدة التي اشتهرت بها شيفيلد لاحقًا في جميع أنحاء العالم. أدى العمل المتزامن في فرنسا إلى تطوير أول الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي.
يزداد الطلب العالمي على الفولاذ المقاوم للصدأ بمعدل حوالي 5% سنويًا. يبلغ الاستهلاك السنوي الآن أكثر من 20 مليون طن ويتزايد في مجالات مثل صناعة البناء والأجهزة المنزلية. يتم باستمرار اكتشاف استخدامات جديدة للمظهر الجذاب، ومقاومة التآكل، وانخفاض الصيانة، وقوة الفولاذ المقاوم للصدأ. الفولاذ المقاوم للصدأ أغلى من درجات الفولاذ القياسية ولكنه يتمتع بمقاومة أكبر للتآكل، ويتطلب صيانة قليلة، ولا يحتاج إلى طلاء أو أي طلاءات واقية أخرى. هذه العوامل تعني أن الفولاذ المقاوم للصدأ يمكن أن يكون أكثر جدوى اقتصاديًا بمجرد النظر في العمر الافتراضي وتكاليف دورة الحياة.
عائلات الفولاذ المقاوم للصدأ
على الرغم من أن مقاومة التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ تأتي من وجود الكروم، إلا أنه يتم إضافة عناصر أخرى لتعزيز خصائص أخرى. هذه العناصر تغير البنية المجهرية للفولاذ.
تصنف الفولاذ المقاوم للصدأ إلى عائلات بناءً على بنبتها المجهرية المعدنية. قد تتكون البنية المجهرية من الأوستينيت أو الفريت المستقرين، أو خليط “مزدوج” من هذين النوعين، أو المارتنسيت، أو بنية مقسّاة تحتوي على مكونات دقيقة مترسبة.
الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي
تحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي على ما لا يقل عن 16% من الكروم و 6% من النيكل. تتراوح من الدرجات الأساسية مثل 304 إلى الفولاذ الأوستنيتي الفائق مثل 904L و 6% من الموليبدينوم.
عن طريق إضافة عناصر مثل الموليبدينوم أو التيتانيوم أو النحاس، يمكن تعديل خصائص الفولاذ. يمكن لهذه التعديلات أن تجعل الفولاذ مناسبًا للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية أو تزيد من مقاومته للتآكل. يصبح معظم الفولاذ هشًا في درجات الحرارة المنخفضة، ولكن النيكل في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يجعله مناسبًا للتطبيقات في درجات الحرارة المنخفضة أو المبردة.
الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي غير مغناطيسي بشكل عام. لا يمكن تقسيتها بالمعالجة الحرارية. تتصلب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بسرعة عن طريق التشغيل على البارد. على الرغم من أنها تتصلب أثناء التشغيل، إلا أنها الأكثر قابلية للتشكيل بين الفولاذ المقاوم للصدأ.
تنطبق العناصر الأساسية التي تدخل في تركيب سبيكة الفولاذ أحيانًا في اسمه. الاسم الشائع للفولاذ المقاوم للصدأ 304 هو 18/8، والذي يشير إلى 18% من الكروم و 8% من النيكل.
تطبيقات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي
تشمل تطبيقات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي:
- مغاسل مطبخ
- تطبيقات معمارية مثل التسقيف والواجهات
- تسقيف ومزاريب
- أبواب ونوافذ
- دربزين
- مقاعد ومناطق تحضير الطعام
- معدات معالجة الأغذية
- المبادلات الحرارية
- أفران
- خزانات كيميائية
الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي
تشمل الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي درجات مثل 430 وتحتوي على الكروم فقط كعنصر سبائك رئيسي. تتراوح كمية الكروم الموجودة من 10.5 إلى 18%.
تُعرف بمقاومتها المعتدلة للتآكل وخصائص تصنيعها الضعيفة. يمكن تحسين خصائص التصنيع عن طريق تعديلات السبيكة وهي مرضية في درجات مثل 434 و 444. لا يمكن تصليد الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي عن طريق المعالجة الحرارية ويستخدم دائمًا في الحالة الملدنة.
الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي مغناطيسي. كما أنه غير معرض للتصدع بالجهد التأكلي. قابلية اللحام مقبولة في المقاطع الرقيقة ولكنها تتناقص مع زيادة سماكات المقاطع.
تطبيقات الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي
- تُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي عادة في:
- عوادم المركبات
- خطوط الوقود
- أدوات مطبخ
- زخارف معمارية
- أجهزة منزلية
الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج
تمتلك الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج محتوى عالي من الكروم ومنخفض من النيكل. يمنح هذا الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج بنى مجهرية تشمل كلاً من الأطوار الأوستنيتية والفريتية. وهي تشمل سبائك مثل 2304 و 2205. تم تسمية هذه السبائك بهذه الأسماء بسبب تركيباتها على التوالي - 23% كروم، 4% نيكل و 22% كروم، 5% نيكل.
بفضل احتواء الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج على كل من الأوستينيت والفريت في المجهرية، فإنه يتمتع بخصائص كلتا الفئتين. على الرغم من أنه حل وسط بين النوعين ‘النقيين’، إلا أن الدرجات المزدوجة يمكن أن توفر بعض حلول الخصائص الفريدة. الدرجات المزدوجة مقاومة للتآكل الإجهادي، ولكن ليس بنفس مستوى الدرجات الفريتية. متانة الدرجات المزدوجة تفوق متانة الدرجات الفريتية - ولكنها أقل من متانة الدرجات الأوستينيتية.
والأهم من ذلك، أن مقاومة الفولاذ المزدوج للتآكل مساوية أو متفوقة على الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و 316. وهذا ينطبق بشكل خاص على الهجوم بالكلوريد.
أعمال اللحام للدرجات المزدوجة سهلة. كما أن لديها قوة شد عالية.
تطبيقات الفولاذ المقاوم للصدأ الدوبلكس
عادةً ما تجد الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج التطبيقات في مجالات مثل:
- المبادلات الحرارية
- تطبيقات بحرية
- محطات تحلية المياه
- مصانع تخليل الأطعمة
- منشآت النفط والغاز البحرية
- مصنع كيميائي وبتروكيماوي
صلب ستانلس ستيل مارتنسيتي
محتوى الكربون العالي والكروم المنخفض هي السمات المميزة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي عند مقارنته بالفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي.
تشمل الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 410 و 416. لا يمكن تشكيل الفولاذ المارتنسيتي المقوى بالتشكيل على البارد بنجاح. إنه مغناطيسي، وله مقاومة معتدلة للتآكل وضعف في قابلية اللحام.
تطبيقات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي
- تُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي عادةً لـ:
- شفرات السكين
- أدوات مائدة
- أدوات جراحية
- السحابات
- أعمدة
- ينابيع
الفولاذ المقاوم للصدأ المقسى بالترسيب
درجات تصلب الترسيب تحتوي على كل من الكروم والنيكل. وهي تطور قوى شد عالية جدًا مع المعالجة الحرارية. يتم توريد درجات تصلب الترسيب عادة في حالة “معالجة بالمحلول” تسمح بتشغيل الفولاذ. بعد التشغيل أو التشكيل، يمكن معالجة الفولاذ بالتقادم في عملية معالجة حرارية بدرجة حرارة منخفضة. نظرًا لأن المعالجة الحرارية تتم في درجات حرارة منخفضة، لا يحدث تشوه في قطعة العمل.
630 هو الأكثر شيوعًا في درجات تصلب الترسيب. تُعرف هذه الدرجة أيضًا باسم 17-4 بسبب تركيبة% كروم بنسبة 17%، و% نيكل بنسبة 4%، و% نحاس بنسبة 4%، و% نيوبيوم بنسبة 0.3%.
تطبيقات التقسية بالترسيب
تُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ المقوى بالترسيب عادةً في:
- معدات صناعة لب الورق والورق
- تطبيقات الفضاء الجوي
- شفرات التوربين
- حاويات النفايات النووية
- مكونات ميكانيكية
الخصائص
يمكن رؤية الخصائص المفيدة للفولاذ المقاوم للصدأ عند مقارنته بالفولاذ الكربوني العادي. على الرغم من أن الفولاذ المقاوم للصدأ لديه مجموعة واسعة من الخصائص، بشكل عام، عند مقارنته بالفولاذ العادي، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ يتمتع بـ:
- مقاومة أعلى للتآكل
- صلابة تبريد فائقة
- معدل تصلب بالعمل أعلى
- مقاومة حرارية أعلى
- ليونة أعلى
- قوة وصلابة أعلى
- مظهر أكثر جاذبية
- صيانة أقل
مقاومة التآكل
جميع الفولاذ المقاوم للصدأ عبارة عن سبائك تعتمد على الحديد تحتوي على ما لا يقل عن حوالي 10.5% من الكروم. يشكل الكروم في السبيكة طبقة أكسيد واقية شفافة ذاتية الإصلاح. تمنح طبقة الأكسيد هذه الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومته للتآكل. تعني الطبيعة ذاتية الإصلاح لطبقة الأكسيد أن مقاومة التآكل تظل سليمة بغض النظر عن طرق التصنيع. حتى لو تم قطع سطح المادة أو تلفه، فإنه سيصلح نفسه وسيتم الحفاظ على مقاومة التآكل.
على العكس من ذلك، يمكن حماية الفولاذ الكربوني العادي من التآكل بالطلاء أو غيره من الطلاءات مثل الجلفنة. أي تعديل للسطح يكشف الفولاذ الأساسي ويمكن أن يحدث التآكل.
يختلف تآكل درجات مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ مع البيئات المختلفة. تعتمد الدرجات المناسبة على بيئة الخدمة. حتى الكميات الضئيلة من بعض العناصر يمكن أن تغير مقاومة التآكل بشكل ملحوظ. يمكن أن يكون للكلوريدات على وجه الخصوص تأثير سلبي على مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ.
تُظهر سبائك الكروم والموليبدينوم والنيكل مقاومة عالية للتآكل.
مقاومة درجات الحرارة المنخفضة
تقاس المقاومة المبردة بالمرونة أو المتانة في درجات حرارة أقل من الصفر. عند درجات الحرارة المبردة، تكون قوة الشد للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أعلى بكثير مما هي عليه في درجات الحرارة المحيطة. كما أنها تحافظ على متانة ممتازة.
لا ينبغي استخدام الفولاذ الفريتي والمارتنسيتي والفولاذ المقوى بالترسيب عند درجات حرارة أقل من الصفر. تنخفض متانة هذه الدرجات بشكل كبير في درجات الحرارة المنخفضة. في بعض الحالات، يحدث هذا الانخفاض بالقرب من درجة حرارة الغرفة
التصلد الانفعالي
تتمتع درجات الفولاذ المقاوم للصدأ التي يمكن تقويتها بالعمل بِميزة إمكانية تحقيق زيادات كبيرة في قوة المعدن ببساطة من خلال العمل على البارد. يمكن استخدام مزيج من مراحل العمل على البارد والتلدين لإعطاء المكون المصنع قوة محددة.
مثال نموذجي لذلك هو سحب الأسلاك. سيتم تقوية الأسلاك التي ستستخدم كزنابرك لشد معين. إذا تم استخدام نفس السلك كسلك ربط مرن، فسيتم تلدينه، مما ينتج عنه مادة أكثر ليونة.
قوة التحمل الحراري
تحتفظ الدرجات الأوستنيتية بقوة عالية في درجات الحرارة المرتفعة. ينطبق هذا بشكل خاص على الدرجات التي تحتوي على مستويات عالية من الكروم و/أو مستويات عالية من السيليكون والنيتروجين والعناصر الترابية النادرة (مثل الدرجة 310 و S30815). يمكن لدرجات الفريت العالية الكروم مثل 446 أن تظهر أيضًا قوة حرارية عالية.
يساعد المحتوى العالي من الكروم في الفولاذ المقاوم للصدأ أيضًا على مقاومة التقشر عند درجات الحرارة المرتفعة.
المطاطية
المطيلية يتم التعبير عنها عادةً بـ % الاستطالة أثناء اختبار الشد. نسبة الاستطالة في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مرتفعة جدًا. المطيلية العالية ومعدلات التصلب بالتشوه العالية تسمح بتشكيل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي باستخدام عمليات قاسية مثل السحب العميق.
قوة عالية
مقارنة بالصلب المعتدل، تميل الفولاذ المقاوم للصدأ إلى أن تكون لديها قوة شد أعلى. تتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج بقوى شد أعلى من الفولاذ الأوستنيتي.
تُرى أعلى قوة شد في درجات المارتنسيت (431) ودرجات التقوية بالترسيب (17-4). يمكن أن تكون قوة هذه الدرجات ضعف قوة الأنواع 304 و 316، وهي الفولاذ المقاوم للصدأ الأكثر استخدامًا.
استجابة مغناطيسية
الاستجابة المغناطيسية هي انجذاب الفولاذ للمغناطيس. الدرجات الأوستنيتية بشكل عام ليست مغناطيسية على الرغم من أنه يمكن إحداث استجابة مغناطيسية في الدرجات الأوستنيتية المنخفضة عن طريق العمل البارد. الدرجات العالية النيكل مثل 316 و 310 ستبقى غير مغناطيسية حتى مع العمل البارد.
جميع الدرجات الأخرى ممغنطة.
تصنيفات قياسية
لا يزال نظام الترميز القديم المؤلف من ثلاثة أرقام للفولاذ المقاوم للصدأ AISI (مثل 304 و 316) مستخدماً على نطاق واسع. يتم تعريف الدرجات الجديدة ضمن نظام SAE و ASTM الذي يستخدم رقماً من حرف واحد وخمسة أرقام UNS. مثال على ذلك هو المصطلح الجديد لـ 304، وهو S30400. تشمل التعيينات الأخرى الأرقام القديمة BS مثل 304S31 والأرقام الطارئة القديمة أحيانًا خلال الحرب مثل ‘EN’ 58E.
بعض الدرجات لا تغطيها الأرقام القياسية ويمكن أن تكون درجات خاصة أو مسماة باستخدام معايير لمنتجات متخصصة مثل أسلاك اللحام.
اختيار الصف
عملية اختيار الدرجة للصلب المقاوم للصدأ هي حل وسط بين الخصائص المطلوبة للمنتج النهائي.
عند اختيار درجة معينة من الفولاذ المقاوم للصدأ، من الضروري مراعاة الخصائص الأساسية المطلوبة، مثل مقاومة التآكل ومقاومة الحرارة. يجب أيضًا إيلاء اهتمام كبير للخصائص الثانوية، مثل الخصائص الفيزيائية والميكانيكية. ستحدد هذه الخصائص عوامل أخرى مثل سهولة تصنيع أي درجات مرشحة.
إذا لم تكن الخصائص الثانوية كافية، فقد لا يكون من الممكن إنتاج المنتج المطلوب بطريقة قابلة للتطبيق واقتصادية.
مثال على ذلك هو الفولاذ المقاوم للصدأ 303. يتميز بقابلية تشغيل ممتازة بسبب إضافة الكبريت. ومع ذلك، فإن الكبريت يمنح الفولاذ 303 أيضًا ضعفًا في قابلية اللحام، ومقاومة التآكل، والتشكيل.
سيضمن اختيار الدرجة الصحيحة أن يتمتع المنتج بعمر طويل وخالٍ من المشاكل، إلى جانب تصنيع وتركيب فعال من حيث التكلفة.
