دليل لأداء الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عالي الأداء -- نظرة عامة على المعادن

1. أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ

الفولاذ المقاوم للصدأ هو سبيكة قائمة على الحديد لا تقل نسبة الكروم فيها عن 10.5 بالمائة. يستخدم على نطاق واسع بسبب مقاومته الجيدة للتآكل وأداء درجات الحرارة العالية. عندما يصل محتوى الكروم إلى 10.5 بالمائة ، يتم تكوين طبقة من أكسيد الكروم الغني بالكروم على سطح الفولاذ ، والتي تسمى طبقة التخميل أو طبقة التخميل. يحمي هذا الفيلم الفولاذ المقاوم للصدأ من الصدأ مثل الفولاذ العادي. هناك العديد من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ، ولكن يجب أن يفي كل الفولاذ المقاوم للصدأ بالحد الأدنى من متطلبات محتوى الكروم.

ينقسم الفولاذ المقاوم للصدأ إلى خمس فئات: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ، والفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي ، والفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين (بهيكل مختلط من الفريت والأوستينيت) ، والفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي والفولاذ المقاوم للصدأ المقوى بالترسيب. يرتبط تصنيف هذه الفئات بالبنية البلورية (الترتيب الذري) والمعالجة الحرارية للفولاذ المقاوم للصدأ. تسمى مجموعة البلورات التي لها نفس التركيب البلوري في المعدن بالطور. هناك ثلاث مراحل رئيسية في الفولاذ المقاوم للصدأ: الأوستينيت والفريت والمارتينسيت. يمكن تحديد نوع وكمية الهيكل المعدني للفولاذ المقاوم للصدأ من خلال عملية فحص المعادن القياسية والميكروسكوب البصري المعدني.

إن خاصية الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ هي أن الهيكل المعدني يتكون بشكل أساسي من الأوستنيتي. التركيب البلوري لمرحلة الأوستينيت هو هيكل مكعب محوره الوجه (fcc) ، أي توجد ذرة في كل زاوية ومركز كل وجه من وجه المكعب. على النقيض من ذلك ، فإن التركيب البلوري لمرحلة الفريت هو هيكل مكعب محوره الجسم (bcc) ، مع ذرة واحدة في كل زاوية ووسط المكعب. التركيب البلوري لمرحلة مارتينسيت هو هيكل رباعي الزوايا محوره الجسم عالي الإجهاد.

التركيبة البلورية لمرحلة الأوستينيت عبارة عن شعرية مكعبة محورها الوجه (fcc) ، ومرحلة الفريت عبارة عن شعرية مكعبة محورها الجسم (bcc) ، وطور مارتينسيت هو شكل رباعي الزوايا (bct) محوره الجسم.

 

1.1 الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي:

لا يحتوي الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ على المغناطيسية ، وقوة الخضوع المتوسطة ، ومعدل تصلب العمل العالي ، وقوة الشد العالية ، واللدونة الجيدة ، والمتانة الممتازة في درجات الحرارة المنخفضة. على عكس أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأخرى ، تقل صلابة الفولاذ الأوستنيتي ببطء مع انخفاض درجة الحرارة. لا يحتوي الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ على درجة حرارة انتقالية محددة للكسر المطيل (DBTT) ، لذا فهو مادة مثالية لتطبيقات درجات الحرارة المنخفضة.

رسم تخطيطي لدرجة حرارة التحول الهش المطيل (DBTT) من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والحديدي والمزدوج (الأوستنيتي - الفريتي). يعتمد DBTT الفعلي على سمك المقطع والتركيب الكيميائي وحجم الحبوب. يتراوح DBTT للفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي بشكل عام من 20 إلى - 30 درجة مئوية (70 إلى - 22 درجة فهرنهايت).

 

يتمتع الفولاذ الأوستنيتي بقدرة لحام جيدة ويمكن تصنيعه بأشكال معقدة مختلفة. لا يمكن تقوية هذه السلسلة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو تقويتها بالمعالجة الحرارية ، ولكن يمكن تقويتها عن طريق التشكيل البارد أو التصلب أثناء العمل (انظر ASTM A666). الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ ، وخاصة الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ القياسي ، له عيب محتمل ، أي مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي والفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج ، فهو عرضة للتكسير الناتج عن تآكل الكلوريد.

تحتوي السلسلة 300 أو الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي القياسي بشكل عام على 8 في المائة ~ 11 في المائة من النيكل و 16 في المائة إلى 20 في المائة من الكروم. يتكون الهيكل المعدني للفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ القياسي بشكل أساسي من حبيبات الأوستنيتي ويحتوي على كمية صغيرة (بشكل عام 1 ~ 5 بالمائة) من طور الفريت (الشكل 3). بسبب وجود طور الفريت ، فإن هذا الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ له القليل من المغناطيسية.

يتكون الهيكل المعدني النموذجي للفولاذ المقاوم للصدأ 304L من حبيبات الأوستنيتي وحبيبات الشريط الفردية © TMR Stainless.

 

بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ 300 سلسلة ، يحتوي الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ فئة 200 على محتوى نيكل أقل ، ولكن محتوى أعلى من Mn و N. معامل تصليب القوة والانفعال للفولاذ المقاوم للصدأ فئة 200 أعلى من معامل الفولاذ المقاوم للصدأ فئة 300. بسبب محتوى النيكل المنخفض ، يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ فئة 200 في بعض الأحيان كبديل رخيص للفولاذ المقاوم للصدأ فئة 300.

إن البنية المجهرية للفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ عالي الأداء هي كلها طور أوستنيتي بدون مغناطيسية حديدية (الشكل 4). بالمقارنة مع الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ القياسي ، يحتوي الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ عالي الأداء على المزيد من عناصر النيكل والكروم والموليبدينوم ، ويحتوي بشكل عام على النيتروجين. يتمتع هذا الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومة قوية للتآكل في البيئات المسببة للتآكل مثل الأحماض القوية والقلويات القوية والوسائط عالية الكلوريد ، بما في ذلك المياه قليلة الملوحة ومياه البحر والمياه المالحة. بالمقارنة مع الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ القياسي ، فإن الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ ذو الأداء العالي يتمتع بدرجة قوة أعلى ومقاومة أفضل للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي.

هيكل معدني بنسبة 6 بالمائة Mo من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عالي الأداء ، وكلها مكونة من حبيبات الأوستنيتي © TMR Stainless.

 

1.2 الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي:

البنية المجهرية للفولاذ المقاوم للصدأ الفريتية هي مرحلة الفريت. يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي على محتوى نيكل منخفض أو معدوم وهو ذو مغنطيسية حديدية. لا يمكن تصلبها بالمعالجة الحرارية. الخصائص المغناطيسية لهذا النوع من الفولاذ المقاوم للصدأ مماثلة لتلك الخاصة بالفولاذ الكربوني. الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي لديه قوة جيدة ومقاومة للتكسير الناتج عن إجهاد الكلوريد أفضل بكثير من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي القياسي من سلسلة 300. ومع ذلك ، فإن قابليتها للتشكيل وقابلية اللحام ضعيفة. صلابتها ليست جيدة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ، وسوف تنخفض مع زيادة سمك المقطع. مع انخفاض درجة الحرارة ، سيظهر الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي انتقالًا واضحًا هشًا للدكتايل. وبسبب هذه العوامل ، يقتصر استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي عادةً على المنتجات ذات سماكة جدار أرق ، مثل الألواح الرقيقة والشرائط والأنابيب الرقيقة الجدران.

 

1.3 الفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين:

يتكون الفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين من طور الفريت وطور الأوستينيت ، كل منهما يمثل حوالي النصف. يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين على العديد من خصائص الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والحديد. على الرغم من أن المعالجة الحرارية لا يمكن أن تصلب مثل هذا الفولاذ ، إلا أن قوة الخضوع الخاصة بها عادة ما تكون ضعف قوة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي القياسي ، وجاذبيتها المغناطيسية تتناسب مع حجم الكسر في طور الفريت. الخاصية المزدوجة للهيكل المعدني للفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين تجعل مقاومته للتكسير الناتج عن الإجهاد أفضل من مقاومة الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ القياسي.

 

1.4 الفولاذ المرتنزيتي المقاوم للصدأ:

البنية المجهرية للفولاذ المارتينسيت المقاوم للصدأ هي أساسًا مارتينسيت ، والتي قد تحتوي على كمية صغيرة من الأطوار الثانوية مثل الفريت والأوستينيت والكربيد. يعتبر الفولاذ المرتنزيتي المقاوم للصدأ مغناطيسيًا مغناطيسيًا ويشبه الفولاذ الكربوني. تعتمد الصلابة النهائية على المعالجة الحرارية المحددة. يتميز الفولاذ المرتنزيتي المقاوم للصدأ بقوة عالية ، ومقاومة تآكل جيدة ، وصلابة ضعيفة ودرجة حرارة انتقال عالية هشاشة الدكتايل. يصعب لحامها وتتطلب عمومًا معالجة حرارية بعد اللحام. لذلك ، يقتصر استخدام الفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ بشكل عام على تطبيقات غير اللحام. محتوى الكروم من الفولاذ المقاوم للصدأ مارتينسيتي ليس مرتفعًا جدًا. تترسب بعض عناصر الكروم على شكل كربيدات ، مما يؤدي إلى مقاومة منخفضة للتآكل ، أقل عمومًا من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 304 / 304L القياسي. نظرًا لضعف صلابته ومقاومته للتآكل ، يستخدم الفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ بشكل عام للتطبيقات التي تتطلب قوة وصلابة عالية ، مثل الأدوات والمثبتات والأعمدة.

 

1.5 الفولاذ المقاوم للصدأ المقوى بالترسيب:

يمكن أيضًا تقوية الفولاذ المقاوم للصدأ (PH) الذي يصلب بالترسيب عن طريق المعالجة الحرارية. الميزة الأساسية لهذا النوع من الفولاذ المقاوم للصدأ هي أن تقويته الجزئية يتم تحقيقها بواسطة آلية الترسيب. يتم إنتاج رواسب بين المعادن الدقيقة عن طريق المعالجة الحرارية للتصلب بالشيخوخة لتحسين القوة. نظرًا لارتفاع محتوى الكروم ، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ الذي يصلب بالترسيب يتمتع بمقاومة تآكل أفضل من الفولاذ المقاوم للصدأ مارتينسيتي ، وهو مناسب للتطبيقات عالية القوة التي تتطلب مقاومة جيدة للتآكل. يستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ المصلب بالترسيب بشكل أساسي في الينابيع ، والمثبتات ، وأجزاء الطائرات ، والأعمدة ، والتروس ، والمنافخ ، وأجزاء المحرك النفاث.

 

2. تكوين المرحلة:

تؤثر عناصر صناعة السبائك على علاقة توازن الطور ولها تأثير قوي على استقرار مراحل الأوستينيت والفريت والمارتينسيت. يمكن تقسيم العناصر المضافة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ إلى عناصر تشكيل طور الفريت أو عناصر تشكيل طور الأوستينيت. يعتمد توازن الطور على التركيب الكيميائي ودرجة حرارة التلدين ومعدل التبريد للصلب. تتأثر مقاومة التآكل والقوة والمتانة وقابلية اللحام والقابلية للتشكيل بتوازن الطور.

تساهم عناصر تشكيل الفريت في تكوين طور الفريت ، بينما تعزز عناصر تشكيل الأوستينيت تكوين طور الأوستينيت. يسرد الجدول 3 عناصر تشكيل طور الفريت والأوستنيت المشترك. تحدد درجة الفولاذ المقاوم للصدأ وتطبيقه توازن الطور المطلوب. تحتوي معظم أنواع الفولاذ الأوستنيتي القياسي على كمية صغيرة من طور الفريت تحت التلدين بالمحلول. التلدين بالمحلول يمكن أن يحسن قابلية اللحام والمتانة في درجات الحرارة العالية. ومع ذلك ، إذا كان محتوى طور الفريت مرتفعًا جدًا ، فسيتم تقليل الخصائص الأخرى مثل مقاومة التآكل والمتانة. تم تصميم الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ عالي الأداء وفقًا لجميع الأطوار الأوستنيتي تحت ظروف التلدين بالمحلول.

 

للتحكم في تكوين الطور للصلب وبالتالي خصائص الفولاذ ، من الضروري الحفاظ على توازن عناصر السبائك. يعكس مخطط هيكل Schaeffler (الشكل 5) العلاقة بين التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ وهيكل الطور المتوقع في حالة التصلب ، كما يتضح من البنية المجهرية للحام. بهذه الطريقة ، يمكن للمستخدمين التنبؤ بتوازن الطور بناءً على التركيب الكيميائي المحدد. احسب "مكافئ النيكل" و "مكافئ الكروم" من التركيب الكيميائي وارسمهما في الشكل. صيغة المعلمات المشتركة للمخطط الهيكلي لشيفلر هي كما يلي:

النيكل المكافئ {{0} بالمائة Ni زائد 30 بالمائة C زائد 0.5 بالمائة Mn زائد 30 بالمائة N

مكافئ الكروم {{0} بالمائة Cr بالإضافة إلى بالمائة Mo بالإضافة إلى 1.5 بالمائة Si بالإضافة إلى 0.5 بالمائة Nb

يحتوي الفولاذ الأوستنيتي النموذجي عالي الأداء على حوالي 2 0 في المائة كروم ، و 6 في المائة مو ، و 20 في المائة نيكل و 0.2 في المائة نيتروجين ، والذي يقع في منطقة الطور الأوستنيتي أحادي الطور في الشكل ، بالقرب من "الحديد" "خط بمكافئ نيكل يبلغ حوالي 24 وما يعادل الكروم حوالي 26. وعلى النقيض من ذلك ، فإن التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ القياسي (مثل 304) يتوافق مع منطقة الازدواج من الأوستينيت بالإضافة إلى الفريت (A زائد F) بكمية صغيرة من الفريت مرحلة. يقع الفولاذ الفريتي في منطقة الطور الحديدي في الشكل ، والفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين في منطقة الطباعة المزدوجة الأوستينيت بالإضافة إلى الفريت (A plus F).