15-5 الفولاذ المقاوم للصدأ: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

الفولاذ المقاوم للصدأ 15-5 PH هو فولاذ مقاوم للصدأ يعمل على التقسية بالتساقط، يجمع بين القوة العالية ومقاومة التآكل مع قابلية تصنيع جيدة. يصنف كفولاذ مقاوم للصدأ مارثني، يحتوي على كميات كبيرة من الكروم والنيكل، بالإضافة إلى النحاس، مما يعزز استجابته للتقسية. تشمل العناصر السبائكية الرئيسية:

• الكروم (Cr): يوفر مقاومة للتآكل ويساهم في صلابة الفولاذ.
• النيكل (Ni): يعزز المتانة والليونة، مما يحسن الأداء العام للفولاذ.
• النحاس (Cu): يساعد في التقسية بالتساقط، مما يزيد من القوة دون المساس بمقاومة التآكل.

الخصائص والخواص

يظهر الفولاذ 15-5 PH عدة خصائص ملحوظة:

• قوة عالية: يحقق قوة شد وقوة عائد عالية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الصعبة.
• مقاومة للتآكل: يوفر مقاومة ممتازة لمجموعة متنوعة من البيئات المسببة للتآكل، بما في ذلك الظروف الجوية وبعض البيئات الحمضية.
• قابلية تصنيع جيدة: يمكن معالجته ولحامه بسهولة، وهو ما يعد ميزة في عمليات التصنيع.

المزايا والقيود

المزايا	العيوب
نسبة قوة إلى وزن عالية	أداء محدود في درجات الحرارة العالية
مقاومة ممتازة للتآكل	قد يتطلب معالجة حرارية بعد اللحام
قابلية جيدة للمعالجة واللحام	تكلفة أعلى مقارنة ببعض الفولاذات المقاومة للصدأ الأخرى

تاريخيًا، تم استخدام 15-5 PH على نطاق واسع في صناعات الطيران والمعالجة الكيميائية وغيرها من الصناعات حيث تعتبر القوة العالية ومقاومة التآكل أمرين حاسمين. إن موقعه في السوق قوي، لا سيما في التطبيقات التي تتطلب مزيجًا من الخصائص الميكانيكية ومقاومة البيئات القاسية.

أسماء بديلة، معايير، ومكافئات

المنظمة القياسية	التسمية/الدرجة	البلد/المنطقة الأصلية	ملاحظات/ملاحظات
UNS	S15500	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب معادل لـ AISI 630
AISI/SAE	15-5 PH	الولايات المتحدة الأمريكية	درجة التقسية بالتساقط
ASTM	A564	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة للفولاذ المقاوم للصدأ القاسي بالتساقط
EN	1.4545	أوروبا	خصائص مماثلة ولكن قد تحتوي على اختلافات تركيبية طفيفة
JIS	SUS630	اليابان	درجة قابلة للمقارنة مع اختلافات طفيفة

تتواجد الاختلافات بين هذه الدرجات المعادلة غالبًا في تركيباتها المحددة وخصائصها الميكانيكية، وهو ما يمكن أن يؤثر على أدائها في تطبيقات معينة. على سبيل المثال، بينما يُعتبر UNS S15500 وAISI 630 متشابهين، يمكن أن تؤثر الاختلافات الطفيفة في محتوى النيكل والنحاس على مقاومة التآكل والقوة.

الخصائص الرئيسية

تركيب كيميائي

عنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
الكروم (Cr)	15.0 - 17.5
النيكل (Ni)	3.0 - 5.0
النحاس (Cu)	3.0 - 5.0
المنغنيز (Mn)	1.0 كحد أقصى
السيليكون (Si)	1.0 كحد أقصى
الكربون (C)	0.07 كحد أقصى
الفوسفور (P)	0.04 كحد أقصى
الكبريت (S)	0.03 كحد أقصى

الدور الأساسي للكروم هو تعزيز مقاومة التآكل، بينما يعزز النيكل المتانة والليونة. يلعب النحاس دورًا حاسمًا في عملية التقسية بالتساقط، مما يزيد بشكل كبير من قوة الفولاذ دون المساس بمقاومته للتآكل.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	درجة الحرارة الاختبارية	القيمة/نطاق القيم النموذجية (الوحدات المترية - وحدات SI)	القيمة/نطاق القيم النموذجية (الوحدات الإمبراطورية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مخمرة	درجة حرارة الغرفة	930 - 1,100 ميجا باسكال	135 - 160 ksi	ASTM E8
قوة العائد (0.2% انزياح)	مخمرة	درجة حرارة الغرفة	620 - 850 ميجا باسكال	90 - 123 ksi	ASTM E8
التمدد	مخمرة	درجة حرارة الغرفة	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
الصلابة (روكويل)	مخمرة	درجة حرارة الغرفة	30 - 40 HRC	30 - 40 HRC	ASTM E18
قوة الصدمة	تم تشديدها وتلطيفها	-40°C	40 Joules	29.5 قدم-رطل	ASTM E23

يجعل الجمع بين قوة الشد وقوة العائد العالية من 15-5 PH مناسبًا لتطبيقات تتطلب سلامة هيكلية تحت الحمل الميكانيكي. تشير قيم التمدد الجيدة إلى أنه يمكن تحمل التشوه دون الكسر، وهو أمر ضروري في التطبيقات الديناميكية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (الوحدات المترية - وحدات SI)	القيمة (الوحدات الإمبراطورية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.8 غرام/سم³	0.283 رطل/بوصة³
نقطة الانصهار	-	1,400 - 1,500 °C	2,552 - 2,732 °F
التوصيل الحراري	درجة حرارة الغرفة	16 W/m·K	92 BTU·بوصة/قدم²·ساعة·°F
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	500 J/kg·K	0.12 BTU/رطل·°F
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.73 ميكرو أوم·م	0.0000013 أوم·بوصة

تجعل كثافة 15-5 PH منه خيارًا خفيف الوزن للتطبيقات التي تكون فيها توفير الوزن أمرًا حاسمًا. تعتبر موصلية حرارته معتدلة، وهو أمر مفيد في التطبيقات التي تكون فيها تبديد الحرارة ضروريًا، بينما تشير سعة حرارته النوعية إلى استقرار حراري جيد.

مقاومة التآكل

الوكيل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
كلوريدات	3.5%	25°C/77°F	جيد	خطر التآكل
حمض الكبريتيك	10%	25°C/77°F	عادل	عرضة لتصدع التآكل الناتج عن الضغط
حمض الأسيتيك	5%	25°C/77°F	ممتاز	مقاوم للتآكل المحلي
جوي	-	-	ممتاز	جيد للتطبيقات الخارجية

يظهر الفولاذ 15-5 PH مقاومة ممتازة للتآكل الجوي وهو مناسب للبيئات البحرية. ومع ذلك، فهو عرضة للتآكل في البيئات الغنية بالكلوريد ولتصدع التآكل الناتج عن الضغط في وجود حمض الكبريتيك. بالمقارنة مع درجات مثل 304 و316 من الفولاذ المقاوم للصدأ، يقدم 15-5 PH قوة متفوقة ولكن قد تكون مقاومته لبعض العوامل المسببة للتآكل أقل، خاصة في البيئات عالية الكلوريد.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة	300°C	572°F	مناسب للتطبيقات عالية الحرارة
أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة	400°C	752°F	يمكن أن يتحمل التعرض لفترات قصيرة لدرجات حرارة أعلى
درجة حرارة التقشر	600°C	1,112°F	يبدأ في فقدان الخصائص الميكانيكية

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحافظ الفولاذ 15-5 PH على مقاومة جيدة للأكسدة ولكن قد يشهد انخفاضًا في الخصائص الميكانيكية. يجب الحذر في التطبيقات التي تتضمن التعرض المطول لدرجات حرارة عالية، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى انخفاض القوة ونقص محتمل.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن المضاف الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/فلكس الحماية النموذجي	ملاحظات
TIG	ER 630	الأرجون	يوصى بالتسخين المسبق
MIG	ER 630	الأرجون	قد يتطلب معالجة حرارية بعد اللحام

يعتبر الفولاذ 15-5 PH قابلاً للحام عموماً، لكن غالباً ما يكون التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام ضروريين لتجنب التصدع وضمان الخصائص الميكانيكية المثلى. الاستخدام المناسب للمعادن المضافة أمر حاسم للحفاظ على مقاومة التآكل والقوة في منطقة اللحام.

قابلية المعالجة

معامل المعالجة	[15-5 PH]	[AISI 1212]	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية المعالجة النسبي	60%	100%	يتطلب سرعات قطع أبطأ
سرعة القطع النموذجية (تدوير)	30 م/دقيقة	50 م/دقيقة	استخدم أدوات كربيد للحصول على أفضل النتائج

قابلية المعالجة معتدلة، وبينما يمكن معالجتها بفعالية، فإن السرعات البطيئة وأدوات خاصة موصى بها لتحقيق نتائج مثلى ومنع تآكل الأدوات.

قابلية التشكيل

يمكن تشكيل 15-5 PH بالبرودة، ولكن قد تحد خصائص تصلب العمل من مدى التشويه. كما يمكن تشكيلها بالحرارة، ولكن يجب توخي الحذر لتجنب درجات الحرارة المفرطة التي قد تؤدي إلى فقدان الخصائص الميكانيكية.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	الوقت النموذجي للنقع	طريقة التبريد	الغرض الرئيسي / النتيجة المتوقعة
التخمير بالحل	1,000 - 1,100°C / 1,832 - 2,012°F	1 ساعة	تبريد بالهواء	يذوب الترسبات
شيخوخة	480 - 620°C / 896 - 1,148°F	4 - 8 ساعات	تبريد بالهواء	يزيد من القوة من خلال التقسية بالتساقط

تشمل عملية المعالجة الحرارية تخمير بالحل متبوعًا بعملية الشيخوخة، والتي تعزز قوة الفولاذ من خلال تكوين ترسبات دقيقة. تغير هذه العملية التركيب المجهري بشكل كبير، مما يؤدي إلى تحسين الخصائص الميكانيكية.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	الخصائص الرئيسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (بإيجاز)
صناعة الطيران	مكونات الطائرات	قوة عالية، مقاومة للتآكل	حاسم للسلامة والأداء
المعالجة الكيميائية	أجسام الصمامات	مقاومة للتآكل	ضروري للبيئات القاسية
النفط والغاز	أعمدة المضخات	قوة عالية، متانة	مطلوبة في الظروف القاسية
الأجهزة الطبية	أدوات جراحية	التوافق الحيوي، مقاومة للتآكل	السلامة والموثوقية ذات أهمية قصوى

تتضمن التطبيقات الأخرى:

• • الأجهزة البحرية
• • معدات معالجة الأغذية
• • مكونات السيارات

يتم اختيار 15-5 PH للتطبيقات التي تتطلب مزيجًا من القوة العالية ومقاومة التآكل، لا سيما في البيئات التي تكون فيها السلامة الهيكلية أمرًا حاسمًا.

اعتبارات مهمة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	[15-5 PH]	[AISI 304]	[AISI 316]	ملاحظة موجزة عن المزايا/العيوب أو معادلة
خاصية ميكانيكية رئيسية	قوة عالية	قوة معتدلة	قوة معتدلة	يوفر 15-5 PH قوة متفوقة
جانب رئيسي لمقاومة التآكل	جيد في العديد من البيئات	ممتاز في معظمها	ممتاز في الكلوريدات	قد يتآكل 15-5 PH في الكلوريدات
قابلية اللحام	معتدلة	جيدة	جيدة	يتطلب 15-5 PH حرصًا خاصًا
قابلية المعالجة	معتدلة	جيدة	جيدة	يعتبر 15-5 PH أقل قابلية للمعالجة
قابلية التشكيل	معتدلة	جيدة	جيدة	يعتبر 15-5 PH أقل قابلية للتشكيل
التكلفة النسبية التقريبية	أعلى	معتدلة	معتدلة	تعكس التكلفة الفوائد الآداء
توفر النموذجية	معتدلة	مرتفعة	مرتفعة	15-5 PH أقل شيوعًا

عند اختيار 15-5 PH، تشمل الاعتبارات فعالية التكلفة، التوفر، ومتطلبات الأداء المحددة. في حين أنه قد يكون أغلى من الفولاذات المقاومة للصدأ الأخرى، فإن مزيجه الفريد من الخصائص غالبًا ما يبرر الاستثمار، خاصة في التطبيقات العالية الأداء. تعتبر السلامة والموثوقية ذات أهمية قصوى في الصناعات مثل الطيران والطب، حيث يمكن أن تؤثر خصائص 15-5 PH بشكل كبير على الأداء والمتانة.

باختصار، الفولاذ المقاوم للصدأ 15-5 PH هو مادة متعددة الاستخدامات تتفوق في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومقاومة للتآكل، مما يجعلها خيارًا مفضلًا في البيئات الصعبة.