درجات الفولاذ المقاوم للصدأ: الدليل النهائي

توفر المعلومات التالية فهماً شاملاً للدرجات المختلفة للفولاذ المقاوم للصدأ، مما يتيح لك اتخاذ قرار مستنير بشأن استخدامك المحدد.

في الوقت الحالي، يعد الصنفان 304 و316 أكثر أنواع الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ استخدامًا على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية. وتوفر هذه الدرجات توازنًا استثنائيًا بين مقاومة التآكل وقابلية التشكيل والخصائص الميكانيكية، مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من عمليات التصنيع.

يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ من الدرجة 304، الذي يشار إليه عادةً باسم الفولاذ المقاوم للصدأ 18/8، على حوالي 181 تيرابايت 3 تيرابايت من الكروم و81 تيرابايت 3 تيرابايت من النيكل. يُظهر مقاومة ممتازة للتآكل في بيئات مختلفة ويستخدم على نطاق واسع في معدات تجهيز الأغذية وأدوات المطبخ والتطبيقات المعمارية. يوفر البديل منخفض الكربون، الدرجة 304L، قابلية لحام محسنة ومقاومة فائقة للتآكل بين الخلايا الحبيبية ، وهو مفيد بشكل خاص في الهياكل الملحومة أو المكونات الخاضعة للخدمة في درجات الحرارة العالية.

تشتمل الرتبة 316 على الموليبدينوم (عادةً 2-3%)، مما يعزز بشكل كبير من مقاومته للتآكل، خاصةً ضد الكلوريدات والمواد الكيميائية العدوانية الأخرى. هذه الخاصية تجعلها مثالية للبيئات البحرية ومعدات المعالجة الكيميائية والصناعات الدوائية. يوفر متغير 316L، بمحتواه المنخفض من الكربون (≤0.03%)، قابلية لحام محسنة ومقاومة للتوعية أثناء اللحام أو الخدمة في درجات الحرارة العالية، وهو أمر بالغ الأهمية للحفاظ على السلامة الهيكلية في التطبيقات الصعبة.

من من منظور التكلفة، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ 304 أقل تكلفة بشكل عام من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 نظرًا لانخفاض محتواه من السبائك. ومع ذلك، فإن المتانة طويلة الأجل ومتطلبات الصيانة المنخفضة لـ 316 في البيئات الأكثر عدوانية غالبًا ما تبرر تكلفته الأولية الأعلى. يمكن أن يوفر تحليل شامل لتكلفة دورة الحياة، مع الأخذ في الاعتبار عوامل مثل تكرار الاستبدال ووقت التعطل، مقارنة أكثر دقة.

عند اختيار النوع المناسب من الفولاذ المقاوم للصدأ، ضع في اعتبارك العوامل الحاسمة التالية:

1. الظروف البيئية (على سبيل المثال، التعرض للكلوريدات أو الأحماض أو درجات الحرارة العالية)
2. متطلبات الخواص الميكانيكية (قوة الخضوع وقوة الشد والليونة والصلابة)
3. طرق التصنيع (اللحام، أو التشكيل، أو التشكيل الآلي، أو تقنيات التصنيع المتقدمة)
4. الامتثال التنظيمي (معايير سلامة الأغذية، أو ممارسات التصنيع الجيدة للأدوية، أو مواصفات الصناعة النووية)
5. تحليل تكلفة دورة الحياة، بما في ذلك تكلفة المواد الأولية، ونفقات التصنيع والصيانة طويلة الأجل
6. متطلبات تشطيب السطح والاعتبارات الجمالية
7. النفاذية المغناطيسية (مهمة لبعض التطبيقات)
8. خصائص التوصيل الحراري والكهربائي

درجات الفولاذ المقاوم للصدأ

يلخص هذا الجدول التالي السلاسل المختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ وأنواعها المحددة، إلى جانب خصائصها الرئيسية واستخداماتها النموذجية.

تصنيف الفولاذ المقاوم للصدأ

يمكن تصنيف الفولاذ المقاوم للصدأ بناءً على معايير مختلفة، بما في ذلك التركيب الكيميائي والخصائص والتطبيق والخصائص الوظيفية والبنية المعدنية. يساعد نظام التصنيف الشامل هذا في اختيار درجة الفولاذ المقاوم للصدأ الأنسب لتطبيقات صناعية محددة.

التركيب الكيميائي:

1. فولاذ الكروم المقاوم للصدأ (على سبيل المثال، 430، 446)
2. الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من الكروم والنيكل (مثل، 304، 316)
3. الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من الكروم والمنغنيز والنيتروجين (مثل 201، 202)
4. فولاذ الكروم والنيكل والموليبدينوم المقاوم للصدأ (مثل 316L، 317L)
5. الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض الكربون للغاية (على سبيل المثال، 304L، 316L)
6. الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الموليبدينوم (مثل 904L، 254 SMO)
7. الفولاذ المقاوم للصدأ عالي النقاء (مثل 316Ti، 321)

الخصائص والتطبيق:

1. فولاذ مقاوم للصدأ مقاوم لحمض النيتريك (درجة النيتريك)
2. فولاذ مقاوم للصدأ مقاوم للتآكل
3. فولاذ مقاوم للصدأ مقاوم للإجهاد ومقاوم للتآكل
4. فولاذ مقاوم للصدأ عالي القوة
5. فولاذ مقاوم للصدأ مقاوم للحرارة
6. فولاذ مقاوم للصدأ مقاوم للتآكل

الخصائص الوظيفية:

1. الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض الحرارة (مثل 304LN، 316LN)
2. الفولاذ المقاوم للصدأ غير المغناطيسي (مثل 304، 316)
3. فولاذ مقاوم للصدأ سهل القطع (قطع حر) (مثل 303، 416)
4. فولاذ مقاوم للصدأ فائق البلاستيك (مثل، 301، 304)
5. فولاذ مقاوم للصدأ مقاوم للحرارة العالية (على سبيل المثال، 309، 310)

الهيكل المعدني:

1. الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي (F) (على سبيل المثال، 430، 444)
2. الفولاذ المرتنزيتي (M) المقاوم للصدأ (مثل 410، 420)
3. الفولاذ الأوستنيتي (A) المقاوم للصدأ (مثل 304، 316)
4. الفولاذ الأوستنيتي-الفريتي (المزدوج) المقاوم للصدأ (A-F) (مثل 2205، 2507)
5. الفولاذ الأوستنيتي-المارتنسيتي المزدوج المقاوم للصدأ (A-M) (على سبيل المثال، 2304، 2101)
6. الفولاذ المقاوم للصدأ المقوى بالترسيب (PH) (على سبيل المثال، 17-4PH، 15-5PH)

ويُعد فهم هذه التصنيفات أمرًا بالغ الأهمية للمهندسين والمصنعين لاختيار أنسب درجة من الفولاذ المقاوم للصدأ بناءً على متطلبات محددة مثل مقاومة التآكل، والخصائص الميكانيكية، وقابلية التشكيل، وقابلية اللحام، وفعالية التكلفة. ويؤثر اختيار نوع الفولاذ المقاوم للصدأ بشكل كبير على الأداء وطول العمر والنجاح العام للتطبيقات الصناعية في مختلف القطاعات، بما في ذلك المعالجة الكيميائية والأغذية والمشروبات والفضاء والصناعات البحرية.

الخواص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ

مقارنة بين الخواص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ

يأخذ التصنيف أعلاه في الاعتبار بنية المصفوفة فقط.

وبالإضافة إلى الأنواع الثلاثة الأساسية من الفولاذ المقاوم للصدأ، فإنه يشمل أيضًا الفولاذ المقاوم للصدأ المركب، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت-الفريت والأوستنيت-الفريت، وكذلك الفولاذ المقاوم للصدأ الذي تصلب بالترسيب، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيت-الكربيد.

مقدمة مفصلة عن الفولاذ المقاوم للصدأ

يقدم هذا الجدول أدناه نظرة عامة موجزة عن كل نوع من أنواع الفولاذ، مع تسليط الضوء على ميزاتها الرئيسية وأمثلة عليها وتطبيقاتها النموذجية.

1. الفولاذ الحديدي

منخفضة الكربون فولاذ الكروم المقاوم للصدأ بمحتوى من الكروم يزيد عن 14%، والفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من الكروم بمحتوى من الكروم يبلغ 27% وما فوق، ومع عناصر إضافية مثل الموليبدينوم والتيتانيوم والنيوبيوم والسيليكون والألومنيوم والتنجستن والفاناديوم.

في التركيب الكيميائي، تحتل العناصر التي تشكل الفريت موقعًا مهيمنًا، ويكون تركيب المصفوفة قائمًا على الحديد بشكل أساسي.

هذا نوع الفولاذ يُعرف باسم الحديدي، ذو الشكل المروي (المحلول الصلب)، ويمكن ملاحظة كميات صغيرة من الكربيد والمركبات بين الفلزات في هياكل التلدين والشيخوخة.

ومن أمثلة هذا الفولاذ Cr17 و Cr17Mo2Ti و Cr25 و Cr25Mo3Ti و Cr28.

الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي مقاومًا للتآكل والأكسدة نسبيًا بسبب محتواه العالي من الكروم، ولكن خواصه الميكانيكية وقابليته للمعالجة ضعيفة.

يُستخدم في الغالب في التركيبات المضادة للأحماض وكصلب مضاد للأكسدة.

2. فولاذ فريت-مارتنسيتي

يكون هذا النوع من الفولاذ في الطور Y+A (أو δ) في درجات الحرارة العالية، ويتحول إلى الطور Y-M عندما يقترب من الظروف الباردة.

يحتفظ بالفريت ويوجد في صورة مارتينسيت وفريت في درجات الحرارة العادية.

يمكن أن تختلف كمية الفريت في الهيكل من بضعة في المائة إلى عدة عشرات في المائة، اعتمادًا على التركيب ودرجة حرارة التسخين.

ومن الأمثلة على هذا النوع من الفولاذ ما يلي: فولاذ 0Cr13، 1Cr13، 2Cr13 مع كروم قريب من الحد الأعلى وكربون قريب من الحد الأدنى، فولاذ Cr17Ni2، فولاذ Cr17W4، بالإضافة إلى العديد من أنواع الفولاذ المعدل 12% من الكروم عالي القوة على أساس 1Cr13 (والذي يعرف أيضًا بالفولاذ المقاوم للصدأ المقاوم للحرارة)، مثل Cr11MoV، Cr12WMoV، Cr12WMoV، Cr12W4MoV، 18Cr12WMoVNb، إلخ.

يمكن للصلب الحديدي المارتنسيتي أن يُظهر تصلبًا جزئيًا ويحصل على خواص ميكانيكية، ولكن هذه الخواص تتأثر بشكل كبير بمحتوى الفريت وتوزيعه.

يتراوح محتوى الكروم في هذا النوع من الصلب عادةً بين 12-14% و15-18%.

ويتمتع الأول بالقدرة على مقاومة الوسائط الجوية والوسائط الضعيفة المسببة للتآكل، ويتمتع بتخميد جيد ومعامل تمدد خطي صغير.

يتمتع النوع الأخير بمقاومة تآكل مماثلة للفولاذ الحديدي الحديدي الحديدي بنفس محتوى الكروم، ولكنه لا يزال يحتفظ ببعض عيوب الفولاذ الحديدي الحديدي العالي الكروم.

3. الفولاذ المرتنزيتي

في ظل درجات حرارة التبريد العادية، يكون الفولاذ المارتنسيتي في الطور Y، ولكن هذا الطور يظل مستقرًا فقط في درجات الحرارة العالية. وعادةً ما يكون الطور M مستقرًا عند حوالي 300 درجة مئوية ويتحول إلى مارتينسيت عند التبريد.

يشمل هذا النوع من الفولاذ 2Cr13، 2Cr13Ni2, 3Cr13، وبعض الفولاذ المقوى بالكروم 12% المعدل بالكروم المقوى على الساخن، مثل فولاذ 13Cr14NiWVBA و Cr11Ni2MoWVB.

الخواص الميكانيكية، ومقاومة التآكل، وأداء المعالجة، والخصائص الفيزيائية ل الفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ مماثلة لتلك الموجودة في الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من الفريت المارتنسيتي المصنوع من الكروم 2-14%.

ونظرًا لعدم وجود فريت حر في الهيكل، فإن أداءه الميكانيكي أعلى من الفولاذ المذكور أعلاه، ولكن حساسيته الحرارية للمعالجة الحرارية أقل.

4. فولاذ الكربيد المارتنسيت

تحتوي سبيكة Fe-C على 0.83% كربون.

في الفولاذ المقاوم للصدأ، تنزاح نقاط S إلى اليسار بسبب الكروم. ينتمي الصلب الذي يحتوي على 12% كروم و0.4% أو أكثر من الكربون، وكذلك الصلب الذي يحتوي على 18% كروم و0.3% أو أكثر من الكربون، إلى الصلب فائق الانصهار.

يتم تسخين هذا النوع من الفولاذ عند درجة حرارة التبريد العادية، ولا يمكن إذابة الكربيد الثانوي بالكامل في الأوستينيت، لذلك يتكون الهيكل المتصلب من المارتينسيت والكربيد.

لا توجد العديد من درجات الفولاذ المقاوم للصدأ التي تندرج تحت هذه الفئة، ولكن بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ذات الكربون العالي، مثل 4Cr13والصلب 9Cr18، و9Cr18MoV، و9Cr17MoVCo.

في حالة إخماده تحت درجة حرارة منخفضة، قد يكون للصلب 3Cr13 ذو الكربون القريب من الحد الأعلى مثل هذا الهيكل أيضًا.

نظرًا لمحتواها العالي من الكربون، على الرغم من أن درجات الفولاذ الثلاثة المذكورة أعلاه تحتوي على المزيد من الكروم، فإن مقاومتها للتآكل تعادل فقط مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ مع الكروم 12-14%.

يُستخدم هذا النوع من الفولاذ بشكل أساسي في الأجزاء التي تتطلب صلابة عالية ومقاومة جيدة للتآكل، مثل أدوات القطع والمحامل والنوابض والأدوات الطبية.

5. الصلب الأوستنيتي

يحتوي هذا النوع من الفولاذ على تركيز عالٍ من عناصر التثبيت ومنطقة واسعة من الطور Y في درجات الحرارة العالية.

عند التبريد، فإن الآنسة نقطة أقل من درجة حرارة الغرفة، مما ينتج عنه بنية أوستنيتيّة في درجات الحرارة العادية.

تشمل هذه الفئة الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من الكروم والنيكل مثل 18-8 و18-12 و25-20 و20-25Mo، بالإضافة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض النيكل الذي يستخدم المنجنيز بدلاً من بعض النيكل والنيتروجين، بما في ذلك Cr18Mni10Ni5 وCr13Ni4Mni9 وCr17Ni4Mni9N وCr14Ni3Mni14Ti.

يتميز الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ بالعديد من الفوائد، بما في ذلك إمكانية تقويته بطرق التشوه البارد من خلال تصلب الإجهاد، على الرغم من ضعف خصائص المعالجة الحرارية.

ومع ذلك، فهو أيضًا عرضة للتآكل بين البلورات والتآكل الإجهادي، والذي يمكن تخفيفه من خلال استخدام إضافات السبائك وإجراءات المعالجة.

6. الفولاذ الأوستنيتي - الفريتي

ونظرًا للكمية المحدودة من عناصر الأوستينيت المستقرة، لا يحتوي الفولاذ على بنية أوستنيتيّة نقية في درجة حرارة الغرفة أو درجات الحرارة المرتفعة، مما يؤدي إلى حالة طور الأوستنيتي-الفريت. يمكن أن يختلف تكوين وكمية الفريت اختلافًا كبيرًا حسب درجة حرارة التسخين.

تندرج العديد من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ضمن هذه الفئة، بما في ذلك الفولاذ منخفض الكربون 18-8 النيكل والكروم 18-8 النيكل والكروم مع تيتانيوموالنيوبيوم والموليبدينوم، حيث يظهر الفريت بشكل خاص في هيكل الصلب المصبوب.

تشمل الأمثلة الأخرى الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من الكروم والمنغنيز والكروم الذي يحتوي على أكثر من 14-15% من الكروم وأقل من 0.2% من الكربون (مثل Cr17Mn11) ومعظم الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع من الكروم والمنغنيز والنيتروجين الذي تمت دراسته وتطبيقه في الصناعة.

بالمقارنة مع الفولاذ الأوستنيتي النقي المقاوم للصدأ، يتميز هذا النوع من الفولاذ بالعديد من المزايا، بما في ذلك قوة الخضوع الأعلى، وزيادة مقاومة التآكل بين الخلايا الحبيبيةوانخفاض الحساسية للتآكل الإجهادي، وانخفاض الميل للتشقق الساخن أثناء اللحام، وسيولة جيدة للصب.

ومع ذلك، فإن لها أيضًا العديد من العيوب، مثل ضعف أداء المعالجة بالضغط، وقابلية عالية للتآكل، والميل إلى إظهار هشاشة الطور c وضعف المغناطيسية في ظل ظروف المجال المغناطيسي القوي.

ترتبط هذه المزايا والعيوب ارتباطًا مباشرًا بوجود الفريت في الهيكل.

7. الصلب الأوستنيتي المارتنسيتي

نقطة الصهر لهذا الفولاذ أقل من درجة حرارة الغرفة، مما يجعل من السهل تشكيل ولحام الأوستينيت بعد معالجة المحلول الصلب.

يمكن تحقيق التحول المارتنسيتي عادةً من خلال عمليتين.

• بعد المعالجة بالمحلول الصلب، يؤدي التسخين عند 700-800 ℃ إلى تحول الجسم الأوستنيتي إلى حالة مستقرة بسبب ترسيب الكروم المكربن. ثم ترتفع درجة الحرارة فوق درجة حرارة الغرفة، مما يؤدي إلى تحول الأوستينيت إلى مارتنسيت أثناء عملية التبريد.
• وينتج عن التبريد المباشر بين نقطتي MS و Mf بعد المعالجة بالمحلول الصلب تحول الأوستينيت إلى مارتينسيت أيضًا.

وتوفر الطريقة الثانية مقاومة أفضل للتآكل، ولكن يجب ألا تكون المعالجة بالمحلول الصلب والفاصل الزمني المبرد طويلًا جدًا، وإلا سيقل تأثير التقوية الباردة بسبب ثبات الأوستينيت المتقادم.

بعد المعالجة، يتم إجراء عملية تقادم عند درجة حرارة 400-500 درجة لتعزيز المركب بين الفلزات.

ومن أمثلة درجات الصلب التي تندرج تحت هذه الفئة: 17Cr-7Ni-A1 و15Cr-9ن-A1، و17Cr-5Ni-Mo، و15Cr-8Ni-Mo-A1.

الفولاذ الأوستنيتي المارتنسيتي، المعروف أيضًا باسم الفولاذ الأوستنيتي المارتنسيتي المقاوم للصدأ، هو نوع جديد من الفولاذ المقاوم للصدأ تم تطويره وتطبيقه بدءًا من خمسينيات القرن الماضي.

ويشار إليه أيضًا باسم الفولاذ المقاوم للصدأ نصف الأوستنيتي المتصلب بالترسيب بسبب وجود الفريت بالإضافة إلى الأوستينيت والمارتنسيت في بنيته.

يتميز هذا الفولاذ بقوته العالية (يمكن أن يصل C إلى 100-150) وأداءه الجيد في التقوية الحرارية، ولكن مقاومته للتآكل أقل من الفولاذ الأوستنيتي القياسي المقاوم للصدأ بسبب انخفاض محتوى الكروم وترسيب كربيد الكروم أثناء المعالجة الحرارية.

يتم الحصول على القوة العالية من خلال التضحية ببعض مقاومة التآكل والخصائص الأخرى، مثل عدم المغناطيسية.

يُستخدم الفولاذ الأوستينيت-مارتنسيتي في المقام الأول في صناعات الطيران والصواريخ الصاروخية، ولكنه لا يُستخدم على نطاق واسع في تصنيع الآلات، ويُصنَّف أحياناً كنوع من الفولاذ فائق القوة.