صلب 15N20: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

فولاذ 15N20 هو فولاذ عالي الكربون ومنخفض السبائك معروف بصلابته الاستثنائية ومقاومة التآكل، ويستخدم أساسًا في تصنيع الأدوات والمكونات عالية الأداء. يصنف كفولاذ سبائكي متوسط الكربون، يحتوي على كميات كبيرة من النيكل والكروم، مما يعزز خصائصه الميكانيكية ومقاومته للتآكل. العناصر الرئيسية في سبائك فولاذ 15N20 هي:

• النيكل (Ni): يحسن الصلابة والليونة.
• الكروم (Cr): يعزز الصلابة ومقاومة التآكل.
• الكربون (C): يزيد من القوة والصلابة.

الخصائص والميزات

يتميز فولاذ 15N20 بإمكانية تقوية ممتازة، وقوة شد عالية، ومقاومة جيدة للإجهاد. يتم استخدامه غالبًا في التطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للتآكل والصلابة، مثل إنتاج الشفرات والزنبركات وغيرها من المكونات التي تتعرض للضغط العالي.

المزايا:
- مقاومة عالية للتآكل بسبب محتوى الكربون.
- صلابة ممتازة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات ذات الأحمال الصدمية.
- إمكانية تشكيل جيدة وقابلية للحام عند معالجته بشكل صحيح.

القيود:
- مقاومة محدودة للتآكل مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ.
- يتطلب معالجة حرارية دقيقة لتحقيق الخصائص الميكانيكية المرغوبة.

تاريخيًا، كان فولاذ 15N20 مهمًا في إنتاج السكاكين والأدوات عالية الجودة، خاصة في صناعة أدوات المطبخ، حيث تقدر خصائصه كثيرًا.

أسماء بديلة، معايير، ونظائر

المنظمة المعيارية	التسمية/الدرجة	الدولة/المنطقة الأصلية	ملاحظات/ملاحظات
UNS	G15N20	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب مكافئ لـ AISI 5160 مع اختلافات طفيفة.
AISI/SAE	15N20	الولايات المتحدة الأمريكية	يستخدم عادة في صناعة الأدوات.
ASTM	A681	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة لفولاذ الأدوات.
EN	1.6510	أوروبا	مماثل لـ AISI 15N20 مع اختلافات طفيفة في التركيب.
JIS	S15C	اليابان	خواص مشابهة ولكن بعناصر سبائكية مختلفة.

تتواجد الاختلافات بين هذه الدرجات غالبًا في النسب المحددة للعناصر السبائكية، والتي يمكن أن تؤثر على أداء الفولاذ في مختلف التطبيقات. على سبيل المثال، بينما كلا من 15N20 وAISI 5160 هما فولاذ عالى الكربون، فإن وجود النيكل في 15N20 يعزز صلابته مقارنة بـ 5160.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

العنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة (%)
C (الكربون)	0.75 - 0.85
Ni (النيكل)	1.50 - 2.00
Cr (الكروم)	0.50 - 1.00
Mn (المنغنيز)	0.40 - 0.60
Si (السيليكون)	0.15 - 0.30
P (الفوسفور)	≤ 0.030
S (الكبريت)	≤ 0.030

تشمل الوظيفة الرئيسية للعناصر السبائكية الرئيسية في فولاذ 15N20 ما يلي:

• الكربون: يزيد من الصلابة والقوة، وهو ضروري لمقاومة التآكل.
• النيكل: يعزز الصلابة والليونة، مما يسمح للفولاذ بتحمل الصدمات دون الانكسار.
• الكروم: يساهم في الصلابة ومقاومة التآكل، مما يحسن من أداء الفولاذ في البيئات الكاشطة.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الشرط/الحرارة	درجة الحرارة الاختبارية	القيمة/النطاق النموذجي (مترية - وحدات SI)	القيمة/النطاق النموذجي (وحدات إمبراطورية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مخمعة	درجة حرارة الغرفة	800 - 900 MPa	116,000 - 130,000 psi	ASTM E8
قوة الخضوع (0.2٪ انحراف)	مخمعة	درجة حرارة الغرفة	600 - 700 MPa	87,000 - 101,500 psi	ASTM E8
التمدد	مخمعة	درجة حرارة الغرفة	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
المتانة (Rockwell C)	مخمعة	درجة حرارة الغرفة	30 - 40 HRC	30 - 40 HRC	ASTM E18
قوة الكسر	مبرد ومتعامل	-20 °C	30 - 50 J	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

تجمع هذه الخصائص الميكانيكية تجعل فولاذ 15N20 مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب قوة وصلابة عالية، مثل تصنيع السكاكين وأدوات القطع. قدرته على الاحتفاظ بالصلابة مع الحفاظ على الليونة تسمح له بالأداء الجيد تحت الحمولة الميكانيكية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الشرط/درجة الحرارة	القيمة (مترية - وحدات SI)	القيمة (وحدات إمبراطورية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.85 g/cm³	0.284 lb/in³
نقطة الانصهار/النطاق	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
الموصلية الحرارية	درجة حرارة الغرفة	50 W/(m·K)	34.5 BTU/(hr·ft·°F)
سعة الحرارة النوعية	درجة حرارة الغرفة	0.46 J/(g·K)	0.11 BTU/(lb·°F)
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.00065 Ω·m	0.000038 Ω·in
معامل التمدد الحراري	درجة حرارة الغرفة	11.5 x 10⁻⁶ /K	6.4 x 10⁻⁶ /°F

تشمل الأهمية العملية للخصائص الفيزيائية لصلب 15N20 ما يلي:

• الكثافة: تساهم كثافة الفولاذ العالية نسبيًا في الوزن والتوازن العام للأدوات المصنوعة من هذا الفولاذ، وهو أمر حاسم في التطبيقات مثل صناعة السكاكين.
• الموصلية الحرارية: تتيح الموصلية الحرارية تبديد الحرارة بشكل فعال أثناء عمليات القطع، مما يقلل من خطر التلف الحراري لكل من الأداة وقطعة العمل.
• معامل التمدد الحراري: هذه الخاصية مهمة في التطبيقات التي تتطلب استقرارًا أبعادياً، حيث تؤثر على كيفية تصرف المادة تحت تقلبات درجات الحرارة.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	درجة المقاومة	ملاحظات
مياه مالحة	3.5%	25 °C / 77 °F	متوسطة	خطر تآكل النقاط.
حمض الأسيتيك	5%	20 °C / 68 °F	ضعيفة	عرضة للتآكل الناتج عن الضغط.
حمض الكبريتيك	10%	25 °C / 77 °F	ضعيفة	غير موصى به للاستخدام.
الكلوريدات	1%	30 °C / 86 °F	متوسطة	خطر التآكل الموضعي.

يظهر فولاذ 15N20 مقاومة متوسطة للتآكل، مما يجعله مناسبًا لبعض البيئات لكن ليس مثاليًا للتطبيقات المعرضة لعملاء تآكل قاسية. إنه معرض بشكل خاص للصدأ وتآكل الإجهاد في بيئات الكلوريد، مما يمكن أن يحد من استخدامه في التطبيقات البحرية.

عند مقارنته بدرجات فولاذ أخرى، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 440C وAISI 5160، يظهر 15N20 مقاومة تآكل أدنى ولكنه يملك صلابة ومقاومة تآكل أفضل. هذا يجعله الخيار المفضل للتطبيقات التي يتم فيها تفضيل الأداء الميكانيكي على مقاومة التآكل.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	الملاحظات
درجة حرارة الخدمة القصوى المستمرة	300 °C	572 °F	مناسب للتعرض المطول.
درجة حرارة الخدمة القصوى المتقطعة	400 °C	752 °F	تعرض قصير المدى فقط.
درجة حرارة التآكل	600 °C	1112 °F	خطر الأكسدة فوق هذه النقطة.

عند درجات حرارة مرتفعة، يحافظ فولاذ 15N20 على خصائصه الميكانيكية ولكنه يمكن أن يبدأ في الأكسدة إذا لم يتم حمايته بشكل صحيح. تجعل أداؤه في درجات الحرارة العالية مناسبًا لتطبيقات مثل أدوات العمل الحار، لكن يجب اتخاذ الحذر لتجنب التعرض المطول لدرجات حرارة تتجاوز حد الأكسدة الخاص به.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملحق الموصى به (تصنيف AWS)	الغاز الواقي/الفقاع النموذجي	ملاحظات
MIG	ER70S-6	خليط أرجون + CO2	نتائج جيدة مع التقنية الصحيحة.
TIG	ER80S-Ni	أرجون	يتطلب تسخينًا مسبقًا لتحقيق أفضل النتائج.
عصا اللحام	E7018	-	مناسب للأقسام السميكة.

يعتبر فولاذ 15N20 قابلًا للحام عمومًا، ولكن يُوصى بالتسخين المسبق لتقليل خطر التشقق. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية اللاحقة اللحام من الخصائص الميكانيكية له.

قابلية تشكيل المعادن

معامل القطع	فولاذ 15N20	فولاذ AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية القطع النسبي	60	100	فولاذ 15N20 أكثر صعوبة في القطع.
سرعة القطع النموذجية	30 m/min	50 m/min	عدل السرعات وفقًا للأدوات المستخدمة.

قابلية تشكيل فولاذ 15N20 متوسطة؛ يتطلب أدوات حادة وسرعات قطع مناسبة لتحقيق تشطيبات سطح جيدة. يمكن أن يكون ارتداء الأدوات ملموسًا بسبب صلابته.

قابلية التشكيل

يظهر فولاذ 15N20 قابلية تشكيل محدودة، خاصة في تطبيقات العمل البارد. يُفضل التشكيل الساخن لتجنب التشقق، ويجب الانتباه بعناية إلى أنصاف الزوايا لتفادي الفشل.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	الوقت النموذجي أثناء النقع	طريقة التبريد	الهدف الرئيسي / النتيجة المتوقعة
التمليس	700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F	1 - 2 ساعة	هواء	تقليل الصلابة، تحسين الليونة.
التبريد السريع	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30 دقيقة	زيت	زيادة الصلابة والقوة.
التمديد	200 - 300 °C / 392 - 572 °F	1 ساعة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين الصلابة.

تخضع المعالجة الحرارية لفولاذ 15N20 لتحولات معدنية كبيرة. يزيد التبريد السريع من الصلابة من خلال تكوين مارتنسيت، بينما يسمح التمديد للتعديل بين الصلابة والصلابة، مما يخلق توازنًا مناسبًا لمختلف التطبيقات.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	الخصائص الرئيسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (باختصار)
أدوات المطبخ	سكاكين عالية الأداء	صلابة عالية، صلابة	تحافظ على حافة حادة تحت الضغط.
صناعة السيارات	زنبركات	مقاومة إجهاد عالية	تتحمل دورات تحميل متكررة.
تصنيع الأدوات	أدوات القطع	مقاومة التآكل، صلابة	مناسبة لتطبيقات الضغط العالي.
الفضاء الجوي	مكونات الطائرات	نسبة القوة إلى الوزن	ضرورية للتطبيقات التي تتطلب الوزن.

تشمل التطبيقات الأخرى:

• • زنبركات عالية الأداء في صناعات السيارات والفضاء.
• • أدوات متخصصة لتطبيقات القطع والتشكيل.
• • مكونات في البيئات عالية الضغط، مثل القوالب والمكابس.

يتم اختيار فولاذ 15N20 لهذه التطبيقات بسبب مجموعته الفريدة من الصلابة، والصلابة، ومقاومة التآكل، مما يجعلها مثالية للمكونات التي يجب أن تتحمل ضغطًا ميكانيكيًا كبيرًا.

اعتبارات هامة، معايير الاختيار، والرؤى الإضافية

الميزة/الخاصية	فولاذ 15N20	فولاذ AISI 5160	فولاذ 440C المقاوم للصدأ	ملاحظة مختصرة عن المزايا/العيوب أو المقايضة
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	صلابة عالية	صلابة جيدة	صلابة عالية	يتفوق 15N20 في مقاومة الصدمات.
الجانب الرئيسي للتآكل	مقاومة متوسطة	مقاومة متوسطة	مقاومة ممتازة	فولاذ 15N20 أقل ملاءمة للبيئات التآكلية.
قابلية اللحام	جيدة	متوسطة	جيدة	يوصى بالتسخين المسبق لـ 15N20.
قابلية تشكيل المعادن	متوسطة	جيدة	متوسطة	يتطلب 15N20 دقة في عمليات التشكيل.
قابلية التشكيل	محدودة	جيدة	محدودة	التشكيل الساخن مفضل للفولاذ 15N20.
التكلفة النسبية التقريبية	متوسطة	متوسطة	أعلى	فعال من حيث التكلفة للتطبيقات عالية الأداء.
التوفر النموذجي	شائع	شائع	متوفر على نطاق واسع	فولاذ 15N20 متاح بسهولة للتطبيقات المتخصصة.

عند اختيار فولاذ 15N20، تشمل الاعتبارات خصائصه الميكانيكية، فعاليته من حيث التكلفة، وتوفره. بينما يقدم أداءً ممتازًا في تطبيقات محددة، يجب موازنة قيوده في مقاومة التآكل وقابلية التشكيل مع متطلبات الاستخدام المقصود.

باختصار، يعتبر فولاذ 15N20 مادة متعددة الاستخدامات تتألق في التطبيقات التي تتطلب صلابة ومقاومة للتآكل عالية، مما يجعله خيارًا مفضلًا في صناعات أدوات المطبخ وتصنيع الأدوات. تتيح خصائصه الفريدة، جنبًا إلى جنب مع المعالجة الدقيقة والعلاج، إنشاء مكونات عالية الأداء تلبي المعايير الهندسية الصارمة.