الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8، المعروف أيضًا باسم AISI 304، هو درجة من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي تُستخدم على نطاق واسع وتتميز بمحتواها العالي من الكروم والنيكل. تحتوي هذه الدرجة من الفولاذ عادة على حوالي 18% من الكروم و8% من النيكل، مما يسهم في مقاومتها الممتازة للتآكل، وملاءمتها للتصنيع، وقابليتها للحام. كفولاذ أوستنيتي، يحتفظ بتركيب بلوري مكعب مركزي الوجوه (FCC) مما يمنحه متانة جيدة ومرونة في درجات الحرارة العادية والمرتفع.

نظرة شاملة

يتم تصنيف الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 بشكل أساسي كفولاذ أوستنيتي مقاوم للصدأ، المعروف بخصائصه غير المغناطيسية ومقاومته الممتازة للتآكل. العناصر الأساسية المضافة في الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 هي الكروم (Cr) والنيكل (Ni)، حيث يوفر الكروم مقاومة للأكسدة ويعزز النيكل المتانة والمرونة. تؤثر وجود هذه العناصر بشكل كبير على الأداء العام للفولاذ في بيئات مختلفة.

الخصائص الرئيسية والخصائص

• مقاومة التآكل: مقاومة ممتازة لمجموعة واسعة من البيئات التآكلية، بما في ذلك الظروف الجوية، ومعالجة المواد الغذائية، والتطبيقات الكيميائية.
• الخصائص الميكانيكية: قوة شد جيدة وقوة مطلوبة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الهيكلية.
• قابلية التشكيل: يسمح المرونة العالية بتشكيل العمليات بسهولة.
• قابلية اللحام: قابلة للحام بسهولة باستخدام تقنيات قياسية، على الرغم من أنه يجب اتخاذ الاحتياطات لتجنب التحسس.

المزايا والقيود

المزايا	القيود
مقاومة ممتازة للتآكل	عرضة للتآكل النقطي في بيئات الكلوريد
خصائص ميكانيكية جيدة	قوة أقل مقارنة ببعض الفولاذات الأخرى المقاومة للصدأ
مرونة عالية وقابلية التشكيل	غير مناسبة للتطبيقات ذات الحرارة العالية التي تتجاوز 870 درجة مئوية (1600 درجة فهرنهايت)
سهولة اللحام	قد تكون عرضة لصدع التآكل بسبب الضغط في بعض البيئات

يمتلك الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 مكانة كبيرة في السوق بسبب مرونته واستخدامه على نطاق واسع في مختلف الصناعات، بما في ذلك معالجة المواد الغذائية، والمعالجة الكيميائية، والبناء. يعود تاريخه التاريخي إلى أوائل القرن العشرين عندما تم تطويره كفولاذ مقاوم للصدأ للاستخدام العام.

الأسماء البديلة، والمعايير، والمكافئات

المنظمة القياسية	التسمية/الدرجة	البلد/المنطقة المنشأ	ملاحظات
UNS	S30400	الولايات المتحدة الأمريكية	المكافئ الأقرب لـ AISI 304
AISI/SAE	304	الولايات المتحدة الأمريكية	التسمية المستخدمة بشكل شائع
ASTM	A240	الولايات المتحدة الأمريكية	المواصفة القياسية لصفائح الفولاذ المقاوم للصدأ
EN	1.4301	أوروبا	التسمية المكافئة في المعايير الأوروبية
DIN	X5CrNi18-10	ألمانيا	تركيب مشابه، اختلافات طفيفة
JIS	SUS304	اليابان	المواصفة القياسية الصناعية اليابانية المكافئة
GB	06Cr19Ni10	الصين	التسمية المكافئة الصينية
ISO	304	دولي	التسمية القياسية الدولية

توجد الفروق الدقيقة بين هذه الدرجات المكافئة عادة في تحمل التركيب المحدد والخصائص الميكانيكية، والتي يمكن أن تؤثر على الأداء في تطبيقات معينة. على سبيل المثال، بينما يكون AISI 304 وEN 1.4301 بشكل عام متكافئين، قد يكون لدى الأخير حدود صارمة على بعض الشوائب.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

العنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
Cr (كروم)	18.0 - 20.0
Ni (نيكل)	8.0 - 12.0
C (كربون)	≤ 0.08
Mn (منغنيز)	≤ 2.0
Si (سيليكون)	≤ 1.0
P (فسفور)	≤ 0.045
S (كبريت)	≤ 0.03

الدور الرئيسي للكروم في الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 هو تعزيز مقاومة التآكل من خلال تكوين طبقة أكسيد خاملة على السطح. يساهم النيكل في متانة الفولاذ ومرونته، مما يسمح له بتحمل التشوه دون انكسار. يساعد المنغنيز والسيليكون في تحسين قوة الفولاذ ومتانته، بينما يتم التحكم في الفوسفور والكبريت لتقليل آثارها الضارة على المرونة.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	القيمة النموذجية/النطاق (الوحدات المتريّة - وحدات النظام الدولي)	القيمة النموذجية/النطاق (الوحدات الإمبراطورية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مقوى	520 - 750 ميغاباسكال	75 - 109 كيلو باوند لكل بوصة مربعة	ASTM E8
قوة الخضوع (إزاحة 0.2%)	مقوى	210 - 310 ميغاباسكال	30 - 45 كيلو باوند لكل بوصة مربعة	ASTM E8
طول الشكل	مقوى	40 - 50%	40 - 50%	ASTM E8
تقليص المساحة	مقوى	60 - 70%	60 - 70%	ASTM E8
الصلابة (روكويل B)	مقوى	70 - 90 HRB	70 - 90 HRB	ASTM E18
قوة الصدمة	-20 درجة مئوية (-4 درجة فهرنهايت)	40 - 60 جول	30 - 45 قدم-باوند	ASTM E23

يجعل الجمع بين هذه الخصائص الميكانيكية الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب قوة جيدة ومرونة، مثل المكونات الهيكلية وأنظمة الأنابيب. تتيح قوته النسبية السماح له بتحمل أحمال كبيرة، بينما تشير قيمته في الإطالة إلى جودة ملاءمة التشكل.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/الحرارة	القيمة (الوحدات المتريّة - وحدات النظام الدولي)	القيمة (الوحدات الإمبراطورية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	8.0 غرام/سم³	0.289 رطل/بوصة³
درجة الانصهار/النطاق	-	1400 - 1450 درجة مئوية	2550 - 2642 درجة فهرنهايت
الموصلية الحرارية	درجة حرارة الغرفة	16 واط/م·ك	92 وحدة حرارية بريطانية·بوصة/(ساعة·قدم²·درجة فهرنهايت)
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	500 جول/كجم·ك	0.12 وحدة حرارية بريطانية/رطل·درجة فهرنهايت
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.72 ميكرو أوم·م	0.0000013 أوم·بوصة
معامل التمدد الحراري	20 - 100 درجة مئوية	16.0 x 10⁻⁶ /ك	9.0 x 10⁻⁶ /درجة فهرنهايت
النفاذية المغناطيسية	درجة حرارة الغرفة	غير مغناطيسي	غير مغناطيسي

تشير كثافة الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 إلى أنه ثقيل نسبيًا مقارنة بالمواد الأخرى، وهو اعتبار مهم في التطبيقات حيث يكون الوزن عاملًا. إن موصلية الحرارية معتدلة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة للحرارة دون نقل حراري مفرط. كما أن الخاصية غير المغناطيسية مفيدة بشكل خاص في التطبيقات التي يجب فيها تقليل التداخل المغناطيسي.

مقاومة للتآكل

العامل التآكلي	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكلوريدات	3-10	20-60 (68-140)	متوسط	خطر التآكل النقطي
حمض الكبريتيك	10-30	20-40 (68-104)	جيد	مقاومة متوسطة
حمض الأسيتيك	10-50	20-60 (68-140)	جيد	عرضة لصدع التآكل بسبب الضغط
هيدروكسيد الصوديوم	10-50	20-60 (68-140)	ممتاز	مقاوم للقلويات
الجو	-	-	ممتاز	مقاومة عامة للتآكل

يظهر الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 مقاومة ممتازة للتآكل الجوي، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الخارجية. ومع ذلك، فهو عرضة للتآكل النقطي في بيئات الكلوريد، مثل المناطق الساحلية أو في المعالجة الكيميائية التي تتضمن الكلوريدات. بالمقارنة مع درجات الصلب المقاوم للصدأ الأخرى، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 316، الذي يحتوي على مولبيدينوم لزيادة مقاومة التآكل النقطي، قد لا يؤدي 18-8 بشكل جيد في البيئات التآكلية الشديدة.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحدود	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة	870	1600	مناسب للتطبيقات ذات الحرارة العالية
أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة	925	1700	يمكن أن يتحمل التعرض القصير الأجل
درجة حرارة التصدع	600	1112	خطر الأكسدة فوق هذه الدرجة الحرارة
تبدأ اعتبارات قوة الزحف	600	1112	تنخفض مقاومة الزحف بشكل كبير

عند درجات حرارة مرتفعة، يحتفظ الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 بقوته ومتانته، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات في البيئات ذات الحرارة العالية. ومع ذلك، فإن التعرض المطول لدرجات حرارة تتجاوز 870 درجة مئوية (1600 درجة فهرنهايت) قد يؤدي إلى التآكل والتصدع، مما قد يضر بالسلامة الهيكلية له. من الضروري النظر بعناية في ظروف الخدمة لتجنب التدهور.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملحق الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/فلكس الحماية النموذجي	ملاحظات
TIG	ER308L	الأرجون	جيد للأقسام الرقيقة
MIG	ER308L	مزيج أرجون + ثاني أكسيد الكربون	مناسب للأقسام السميكة
عصا (SMAW)	E308L	-	يتطلب تسخين مسبق للأقسام السميكة

يُعرف الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 بقابلية لحامه الممتازة، مما يجعله مناسبًا لعمليات اللحام المتنوعة. ومع ذلك، من المهم تجنب التحسس أثناء اللحام، مما يمكن أن يؤدي إلى تآكل بين الحبيبات. قد يكون من الضروري التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام للأقسام السميكة لتقليل خطر التصدع.

قابلية الماكينة

معامل التشغيل	فولاذ 18-8 المقاوم للصدأ	فولاذ AISI 1212 (فولاذ مرجعي)	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التشغيل النسبي	30%	100%	يتطلب سرعات قطع أبطأ
سرعة القطع النموذجية	30-50 م/دقائق	60-90 م/دقائق	استخدم أدوات من فولاذ عالي السرعة

يمكن أن يكون تشغيل الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 تحديًا بسبب خصائصه في العمل الصلب. ينصح باستخدام أدوات من فولاذ عالي السرعة أو كربيد والحفاظ على سرعات قطع أقل لتحقيق نتائج مثلى. يمكن أن تُحسن التزييت المناسب من عمر الأداة وجودة السطح.

قابلية التشكيل

يظهر الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 قابلية تشكيل ممتازة، مما يسمح له بالتشكيل بسهولة إلى مكونات مختلفة. يمكن عمله على البارد لتحقيق الأشكال المطلوبة، ولكن يجب اتخاذ الحيطة لتجنب العمل الصلب المفرط، مما قد يؤدي إلى التصدع. عادةً ما تكون أقل دائرة انحناء لتشكيل الباردة 1.5 مرة من سمك المادة.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق الحرارة (°C/°F)	زمن النقع النموذجي	طريقة التبريد	الهدف الأساسي / النتيجة المتوقعة
التسخين الأولي	1010 - 1120 / 1850 - 2050	1-2 ساعة	هواء أو ماء	تخفيف الضغوط، تحسين المرونة
علاج الحل	1000 - 1100 / 1830 - 2010	30 دقيقة	ماء	تذويب الكربيدات، تعزيز مقاومة التآكل

تعتبر عمليات المعالجة الحرارية مثل التسخين الأولي وعلاج الحل حيوية لتحسين البنية الدقيقة لفولاذ 18-8 المقاوم للصدأ. يُخفف التسخين الأولي من الضغوط الداخلية ويعزز المرونة، بينما يساعد علاج الحل على إذابة الكربيدات وتحسين مقاومة التآكل.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على تطبيق معين	الخصائص الرئيسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (باختصار)
معالجة المواد الغذائية	معدات المطبخ	مقاومة التآكل، سهولة التنظيف	النظافة والمتانة
المعالجة الكيميائية	خزانات التخزين	مقاومة التآكل، القوة	طويلة الأمد
البناء	مكونات هيكلية	القوة، قابلية اللحام	متعددة الاستخدامات وقوية
صناعة السيارات	أنظمة العادم	مقاومة للحرارة العالية، قابليتها للتشكيل	الأداء والمتانة
الأجهزة الطبية	الأدوات الجراحية	التوافق الحيوي، مقاومة التآكل	السلامة والموثوقية

في صناعة معالجة المواد الغذائية، يُفضل الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 لمقاومته للتآكل وسهولة تنظيفه، مما يجعله مثاليًا لمعدات المطبخ وتخزين الطعام. في المعالجة الكيميائية، تجعل قوته ومتانته مناسبة لخزانات التخزين ونظم الأنابيب. وتستخدم هذه الفولاذ في صناعة السيارات في أنظمة العادم بسبب قدرته على تحمل درجات الحرارة العالية.

اعتبارات هامة ومعايير الاختيار ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	فولاذ 18-8 المقاوم للصدأ	فولاذ 316 المقاوم للصدأ	فولاذ 430 المقاوم للصدأ	ملاحظات مختصرة حول المزايا/العيوب أو المقايضات
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	مرونة جيدة	قوة أعلى	قوة متوسطة	316 يوفر مقاومة أفضل للتآكل
الجوانب الرئيسية للتآكل	متوسط في الكلوريدات	ممتاز	جيدة في البيئات المعتدلة	تفضل 316 للتطبيقات البحرية
قابلية اللحام	ممتازة	جيدة	متوسطة	يسهل لحام 18-8 أكثر من 430
قابلية التشغيل	متوسطة	متوسطة	جيدة	430 أسهل في التشغيل نظرًا لانخفاض محتوى السبائك
قابلية التشكيل	ممتازة	جيدة	متوسطة	18-8 أكثر تنوعًا في التشكيل
التكلفة النسبية التقريبية	متوسطة	أعلى	أقل	18-8 ذو تكلفة فعالة للعديد من التطبيقات
التوفر النموذجي	متوفر على نطاق واسع	شائع	متاح بسهولة	18-8 هو خيار قياسي في العديد من الصناعات

عند اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8، تشمل الاعتبارات تكلفته الفعالة وتوفره ومدى ملاءمته للتطبيقات المحددة. في حين أنه يقدم مقاومة ممتازة للتآكل وخصائص ميكانيكية، قد تكون البدائل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 316 مفضلة في البيئات شديدة التآكل. بالإضافة إلى ذلك، قد يتم اختيار الفولاذ 430 في التطبيقات التي تتطلب خصائص مغناطيسية، على الرغم من مقاومته الأقل للتآكل.

في الختام، يعد الفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 مادة متعددة الاستخدامات وشائعة الاستخدام تقدم توازنًا بين القوة ومقاومة التآكل وقابلية التشكيل. تمتد تطبيقاته عبر مجموعة متنوعة من الصناعات، مما يجعله مادة حيوية في الهندسة والتصنيع الحديثين.