الفولاذ المقاوم للصدأ (ستانلس ستيل)هو اختصار للفولاذ المقاوم للأحماض، وتسمى درجات الفولاذ المقاومة للوسائط المسببة للتآكل الضعيفة مثل الهواء أو البخار أو الماء، أو التي تتمتع بخصائص الفولاذ المقاوم للصدأ، بالفولاذ المقاوم للصدأ.
على المدى "الفولاذ المقاوم للصدأ"لا يشير ببساطة إلى نوع واحد من الفولاذ المقاوم للصدأ، بل يشير إلى أكثر من مائة نوع من الفولاذ المقاوم للصدأ الصناعي، كل منها يتمتع بأداء جيد في مجال التطبيق المحدد الخاص به.
تحتوي جميعها على نسبة تتراوح بين 17 و22% من الكروم، كما تحتوي أنواع الفولاذ الأفضل على النيكل. ويمكن أن يؤدي إضافة الموليبدينوم إلى تحسين مقاومة التآكل الجوي، وخاصةً مقاومة التآكل في الأجواء المحتوية على الكلوريدات.
أولاً: تصنيف الفولاذ المقاوم للصدأ
1. ما هو الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ المقاوم للأحماض؟
الإجابة: الفولاذ المقاوم للصدأ هو اختصار للفولاذ المقاوم للأحماض، وهو مقاوم للمواد المسببة للتآكل الضعيفة مثل الهواء والبخار والماء. تُسمى أنواع الفولاذ المقاوم للتآكل بالفولاذ المقاوم للأحماض.
نظراً لاختلاف التركيب الكيميائي لكل منهما، تختلف مقاومتهما للتآكل. فالفولاذ المقاوم للصدأ العادي لا يقاوم التآكل الناتج عن الوسط الكيميائي، بينما الفولاذ المقاوم للأحماض مقاوم للتآكل بشكل عام.
2. كيف يتم تصنيف الفولاذ المقاوم للصدأ؟
الإجابة: وفقًا للحالة التنظيمية، يمكن تقسيمها إلى فولاذ مارتنسيتي، وفولاذ فيريتي، وفولاذ أوستنيتي، وفولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي-فيريتي (مزدوج)، وفولاذ مقاوم للصدأ مُقسّى بالترسيب.
(1) الفولاذ المارتنسيتي: قوة عالية، ولكن لدونة ضعيفة وقابلية ضعيفة للحام.
تُعدّ أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي الشائعة الاستخدام هي 1Cr13 و3Cr13، وذلك لاحتوائها على نسبة عالية من الكربون، مما يمنحها قوة وصلابة ومقاومة عالية للتآكل، إلا أن مقاومتها للتآكل الكيميائي ضعيفة نوعًا ما. وتُستخدم هذه الأنواع في صناعة بعض الأجزاء العامة، مثل النوابض وشفرات التوربينات البخارية وصمامات المكابس الهيدروليكية، نظرًا لخصائصها الميكانيكية العالية ومقاومتها للتآكل.
يُستخدم هذا النوع من الفولاذ بعد التبريد والتلطيف، ويتطلب التلدين بعد التشكيل والختم.
(2) الفولاذ الفريتي: يحتوي على نسبة كروم تتراوح بين 15% و30%. تزداد مقاومته للتآكل ومتانته وقابليته للحام مع زيادة نسبة الكروم، كما أن مقاومته للتآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد أفضل من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأخرى، مثل Cr17 وCr17Mo2Ti وCr25 وCr25Mo3Ti وCr28، إلخ.
بسبب محتواه العالي من الكروم، يتمتع هذا الفولاذ بمقاومة جيدة نسبياً للتآكل والأكسدة، إلا أن خصائصه الميكانيكية وخصائص تصنيعه ضعيفة. ويُستخدم في الغالب في الهياكل المقاومة للأحماض ذات الإجهاد المنخفض، وكفولاذ مضاد للأكسدة.
يتميز هذا النوع من الفولاذ بمقاومته للتآكل الناتج عن الغلاف الجوي وحمض النيتريك والمحاليل الملحية، كما يتمتع بمقاومة جيدة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية ومعامل تمدد حراري منخفض. يُستخدم في معدات مصانع حمض النيتريك والأغذية، ويمكن استخدامه أيضًا في صناعة الأجزاء التي تعمل في درجات حرارة عالية، مثل أجزاء التوربينات الغازية، وغيرها.
(3) الفولاذ الأوستنيتي: يحتوي على أكثر من 18% من الكروم، ونحو 8% من النيكل، وكمية ضئيلة من الموليبدينوم والتيتانيوم والنيتروجين وعناصر أخرى. يتميز بأداء عام جيد، ومقاومة عالية للتآكل في مختلف البيئات.
بشكل عام، يتم اعتماد المعالجة بالمحلول، أي يتم تسخين الفولاذ إلى 1050-1150 درجة مئوية، ثم يتم تبريده بالماء أو بالهواء للحصول على بنية أوستنيت أحادية الطور.
(4) الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي-الفريتي (المزدوج): يتميز بمزايا كل من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والفريتي، بالإضافة إلى خاصية اللدونة الفائقة. يشكل الأوستنيت والفريت ما يقارب نصف الفولاذ المقاوم للصدأ لكل منهما.
في حالة انخفاض نسبة الكربون، تتراوح نسبة الكروم بين 18% و28%، ونسبة النيكل بين 3% و10%. تحتوي بعض أنواع الفولاذ أيضاً على عناصر سبائكية مثل الموليبدينوم والنحاس والسيليكون والنيوبيوم والتيتانيوم والنيتروجين.
يتميز هذا النوع من الفولاذ بخصائص كل من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والفريتي. وبالمقارنة مع الفريت، يتمتع بمرونة وصلابة أعلى، ولا يعاني من الهشاشة عند درجة حرارة الغرفة، كما يتميز بمقاومة محسّنة بشكل ملحوظ للتآكل بين الحبيبات وأداء لحام أفضل، مع الحفاظ على خصائص الفولاذ المقاوم للصدأ الأساسي. يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ الأساسي بهشاشته عند 475 درجة مئوية، وموصليته الحرارية العالية، وخصائصه الفائقة في المرونة.
بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج بقوة عالية ومقاومة محسّنة بشكل ملحوظ للتآكل بين الحبيبات والتآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد. كما يتميز بمقاومة ممتازة للتآكل النُقري، وهو أيضاً من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الموفرة للنيكل.
(5) الفولاذ المقاوم للصدأ المُقسّى بالترسيب: تتكون بنيته الأساسية من الأوستنيت أو المارتنسيت، ومن أشهر أنواعه 04Cr13Ni8Mo2Al وغيرها. وهو فولاذ مقاوم للصدأ يمكن تقويته (تعزيزه) عن طريق التصليد بالترسيب (المعروف أيضًا بالتصليد بالتقادم).
بحسب التركيب، يتم تقسيمه إلى فولاذ مقاوم للصدأ من الكروم، وفولاذ مقاوم للصدأ من الكروم والنيكل، وفولاذ مقاوم للصدأ من الكروم والمنغنيز والنيتروجين.
(1) يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ المحتوي على الكروم بمقاومة معينة للتآكل (الأحماض المؤكسدة، والأحماض العضوية، والتجويف)، ومقاومة للحرارة، ومقاومة للتآكل، ويُستخدم عمومًا في صناعة معدات محطات الطاقة، والصناعات الكيميائية، والبترولية. مع ذلك، فإن قابليته للحام ضعيفة، لذا يجب مراعاة عملية اللحام وظروف المعالجة الحرارية بدقة.
(2) أثناء عملية اللحام، يتعرض الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من الكروم والنيكل لتسخين متكرر لترسيب الكربيدات، مما يقلل من مقاومة التآكل والخواص الميكانيكية.
(3) تتميز الفولاذ المقاوم للصدأ من الكروم والمنغنيز بالقوة والليونة والمتانة وقابلية التشكيل وقابلية اللحام ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل.
ثانيًا: مشاكل صعبة في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ، ومقدمة عن استخدام المواد والمعدات
1. لماذا يُعدّ لحام الفولاذ المقاوم للصدأ أمراً صعباً؟
الإجابة: (1) حساسية الفولاذ المقاوم للصدأ للحرارة قوية نسبياً، ويكون وقت الإقامة في نطاق درجة الحرارة من 450 إلى 850 درجة مئوية أطول قليلاً، وستنخفض مقاومة التآكل للحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة بشكل كبير؛
(2) عرضة للتشقق الحراري؛
(3) ضعف الحماية والأكسدة الشديدة في درجات الحرارة العالية؛
(4) معامل التمدد الخطي كبير، ومن السهل إنتاج تشوه كبير في اللحام.
2. ما هي التدابير التكنولوجية الفعالة التي يمكن اتخاذها للحام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي؟
الإجابة: (1) اختيار مواد اللحام بدقة وفقًا للتركيب الكيميائي للمعدن الأساسي؛
(2) اللحام السريع بتيار منخفض، وطاقة خطية منخفضة تقلل من مدخلات الحرارة؛
(3) سلك لحام ذو قطر رفيع، قضيب لحام، بدون تأرجح، لحام متعدد الطبقات متعدد المرور؛
(4) التبريد القسري لخط اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة لتقليل وقت الإقامة عند 450-850 درجة مئوية؛
(5) حماية الأرجون على الجزء الخلفي من لحام TIG؛
(6) يتم في النهاية لحام اللحامات الملامسة للوسط المسبب للتآكل؛
(7) معالجة التخميل لخط اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة.
3. لماذا يجب علينا اختيار سلك اللحام والإلكترود من سلسلة 25-13 للحام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، والفولاذ الكربوني، والفولاذ منخفض السبائك (لحام الفولاذ غير المتشابه)؟
الإجابة: عند لحام وصلات فولاذية غير متشابهة تربط الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بالفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك، يجب استخدام سلك لحام من سلسلة 25-13 (309، 309L) وقضيب لحام (أوستنيتي 312، أوستنيتي 307، إلخ) في معدن اللحام المترسب.
في حالة استخدام مواد لحام أخرى من الفولاذ المقاوم للصدأ، ستظهر بنية مارتنسيتية وشقوق باردة على خط الانصهار على جانب الفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك.
4. لماذا تستخدم أسلاك اللحام المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ الصلب غازًا واقيًا مكونًا من 98% أرجون و2% أكسجين؟
الإجابة: أثناء لحام MIG لسلك الفولاذ المقاوم للصدأ الصلب، إذا استُخدم غاز الأرجون النقي للحماية، يكون التوتر السطحي لحوض اللحام مرتفعًا، ويكون اللحام رديء التكوين، ويظهر بشكل محدب. إضافة 1 إلى 2% من الأكسجين يمكن أن يقلل من التوتر السطحي لحوض اللحام، ويصبح خط اللحام ناعمًا وجميلًا.
5. لماذا يتحول سطح سلك اللحام المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ الصلب إلى اللون الأسود عند لحامه بتقنية MIG؟ وكيف يمكن حل هذه المشكلة؟
الإجابة: تتميز عملية لحام MIG باستخدام سلك لحام الفولاذ المقاوم للصدأ الصلب بسرعة عالية نسبيًا (30-60 سم/دقيقة). عند وصول فوهة الغاز الواقي إلى منطقة حوض اللحام الأمامي، يكون خط اللحام لا يزال في حالة احمرار شديد، مما يجعله عرضة للأكسدة بفعل الهواء، فتتكون طبقة من الأكاسيد على السطح، ويصبح لون اللحام أسود. يمكن لطريقة التخليل والتخميل إزالة هذه الطبقة السوداء واستعادة اللون الأصلي لسطح الفولاذ المقاوم للصدأ.
6. لماذا يحتاج سلك اللحام المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ الصلب إلى استخدام مصدر طاقة نبضي لتحقيق انتقال النفث واللحام الخالي من الشرر؟
الإجابة: عند لحام MIG باستخدام سلك فولاذي صلب مقاوم للصدأ، وسلك لحام φ1.2، عندما يكون التيار I ≥ 260 ~ 280 أمبير، يمكن تحقيق انتقال النفث؛ أما عند قيمة أقل من هذه القيمة، فيحدث انتقال دائرة قصر للقطرات، ويكون التناثر كبيرًا، ولا يُنصح به عمومًا.
فقط باستخدام مصدر طاقة MIG مع النبض، يمكن أن تنتقل قطرة النبض من مواصفات صغيرة إلى مواصفات كبيرة (اختر القيمة الدنيا أو القصوى وفقًا لقطر السلك)، مما يؤدي إلى لحام خالٍ من الشرر.
7. لماذا يتم حماية سلك اللحام المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ والمحتوي على قلب من التدفق بواسطة غاز ثاني أكسيد الكربون بدلاً من مصدر طاقة نبضي؟
الإجابة: تُستخدم حاليًا أسلاك لحام الفولاذ المقاوم للصدأ ذات القلب المملوء بالتدفق (مثل 308 و309 وما إلى ذلك)، حيث يتم تطوير تركيبة التدفق في سلك اللحام وفقًا للتفاعل الكيميائي المعدني للحام تحت حماية غاز ثاني أكسيد الكربون، لذلك بشكل عام، لا حاجة إلى مصدر طاقة لحام القوس النبضي (يحتاج مصدر الطاقة النبضي بشكل أساسي إلى استخدام غاز مختلط)، إذا كنت ترغب في الدخول في مرحلة انتقال القطرات مسبقًا، يمكنك أيضًا استخدام مصدر طاقة نبضي أو نموذج لحام تقليدي محمي بالغاز مع لحام الغاز المختلط.
تاريخ النشر: 24 مارس 2023