الفولاذ المقاوم للصدأ 400 سلسلة: الخصائص والتطبيقات الرئيسية
شارك
Table Of Content
Table Of Content
سلسلة الفولاذ المقاوم للصدأ 400 هي فئة من الفولاذ المقاوم للصدأ التي تتكون بشكل أساسي من الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتية والمارتينسيتية. تتميز هذه الدرجات بمحتواها العالي من الكروم، والذي يتراوح عادةً بين 11% إلى 30%، مما يوفر مقاومة ممتازة للتآكل وقوة عالية عند درجات الحرارة المرتفعة. تشمل العناصر السبائكية الرئيسية في سلسلة 400 الكروم والكربون، وفي بعض الحالات، النيكل. وجود الكروم ضروري لأنه يشكل طبقة خاملة على سطح الفولاذ، مما يعزز مقاومته للأكسدة والتآكل.
نظرة عامة شاملة
تصنف سلسلة 400 إلى نوعين رئيسيين: الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتية والمارتينسيتية. تُعرف الدرجات الفيريتية، مثل 430، بمقاومتها الجيدة للتآكل وبنيتها الجيدة، بينما تقدم الدرجات المارتينسيتية، مثل 410 و420، قوة وصلابة أعلى ولكنها أقل مقاومة للتآكل. يؤثر توازن الكروم والكربون في هذه الفولاذات على خصائصها الميكانيكية، مما يجعلها مناسبة لمختلف التطبيقات.
الخصائص الهامة:
- مقاومة التآكل: جيدة بشكل عام، ولكن تختلف حسب الدرجة المحددة.
- القوة والصلابة: تظهر الدرجات المارتينسيتية قوة وصلابة أعلى بسبب محتواها من الكربون.
- قابلية اللحام: تختلف بشكل كبير؛ الدرجات الفيريتية أكثر قابلية للحام من الدرجات المارتينسيتية.
- الخصائص المغناطيسية: الدرجات الفيريتية مغناطيسية، بينما يمكن أن تكون الدرجات المارتينسيتية مغناطيسية اعتمادًا على معالجتها الحرارية.
المزايا:
- قوة وصلابة عالية (خاصة الدرجات المارتينسيتية).
- مقاومة جيدة للأكسدة والتقشير عند درجات الحرارة المرتفعة.
- تكلفة فعالة مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي.
القيود:
- مقاومة محدودة للتآكل مقارنةً بالدرجات الأوستنيتية.
- عرضة لصدع التآكل الناتج عن الضغط في بيئات معينة.
- أقل مرونة ومتانة، خاصةً في الدرجات المارتينسيتية.
تاريخيًا، كانت سلسلة 400 مهمة في التطبيقات التي تتطلب مقاومة متوسطة للتآكل وقوة عالية، مثل مكونات السيارات، وأدوات المطبخ، والمعدات الصناعية.
أسماء بديلة، معايير ومكافئات
| المنظمة القياسية | التسمية/الدرجة | البلد/المنطقة الأصلية | ملاحظات/تعليقات |
|---|---|---|---|
| UNS | S41000 | الولايات المتحدة الأمريكية | مارتيتستيك، صلابة جيدة |
| AISI/SAE | 410 | الولايات المتحدة الأمريكية | يستخدم عادةً في أدوات المائدة |
| ASTM | A240 | الولايات المتحدة الأمريكية | مواصفة قياسية للصفائح الفولاذية المقاومة للصدأ |
| EN | 1.4006 | أوروبا | درجة فيريتي، شكلية جيدة |
| DIN | X20Cr13 | ألمانيا | مشابه لـ AISI 410، مع اختلافات تركيبية طفيفة |
| JIS | SUS410 | اليابان | معادل لـ AISI 410 |
| GB | 0Cr13 | الصين | معادل لـ AISI 410 |
يمكن أن تؤثر الاختلافات بين هذه الدرجات على الاختيار بناءً على متطلبات الأداء المحددة. على سبيل المثال، بينما تعد UNS S41000 و AISI 410 معادلة من حيث الخصائص الميكانيكية، يمكن أن تؤدي المعالجة المحددة والمعالجة الحرارية إلى اختلافات في الأداء.
الخصائص الرئيسية
التكوين الكيميائي
| العنصر (الرمز والاسم) | نطاق النسبة المئوية (%) |
|---|---|
| Cr (كروم) | 11.5 - 13.5 |
| C (كربون) | 0.08 كحد أقصى |
| Ni (نيكل) | 0.75 كحد أقصى |
| Mn (منغنيز) | 1.0 كحد أقصى |
| Si (سيليكون) | 1.0 كحد أقصى |
| P (فسفور) | 0.04 كحد أقصى |
| S (كبريت) | 0.03 كحد أقصى |
يعتبر الكروم هو العنصر السبائكي الرئيسي الذي يعزز مقاومة التآكل ومقاومة الأكسدة. يزيد الكربون من الصلابة والقوة، خصوصًا في الدرجات المارتينسيتية. بينما يتواجد النيكل بكميات قليلة، يمكن أن يحسن المتانة والمرونة.
الخصائص الميكانيكية
| الخاصية | الحالة/الحرارة | درجة الحرارة للاختبار | القيمة/النطاق المعتاد (مترية) | القيمة/النطاق المعتاد (إمبراطوري) | المعيار المرجعي لطريقة الاختبار |
|---|---|---|---|---|---|
| قوة الشد | مخمد | درجة حرارة الغرفة | 480 - 620 ميجا باسكال | 70 - 90 كيلوباوند/بوصة مربعة | ASTM E8 |
| قوة العائد (0.2% انزياح) | مخمد | درجة حرارة الغرفة | 275 - 410 ميجا باسكال | 40 - 60 كيلوباوند/بوصة مربعة | ASTM E8 |
| التمدد | مخمد | درجة حرارة الغرفة | 20 - 30% | 20 - 30% | ASTM E8 |
| الصلابة (روكويل C) | مخمد | درجة حرارة الغرفة | 20 - 30 HRC | 20 - 30 HRC | ASTM E18 |
| قوة الصدمة | مخمد | -20°C (-4°F) | 30 - 50 جول | 22 - 37 قدم-رطل | ASTM E23 |
تجعل مجموعة هذه الخصائص الميكانيكية سلسلة 400 مناسبة للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومقاومة متوسطة للتآكل، مثل في صناعة السيارات والطيران.
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | الحالة/درجة الحرارة | القيمة (مترية) | القيمة (إمبراطورية) |
|---|---|---|---|
| الكثافة | درجة حرارة الغرفة | 7.75 جرام/سم³ | 0.28 رطل/بوصة³ |
| نقطة/نطاق الانصهار | - | 1400 - 1450 °C | 2550 - 2642 °F |
| الموصلية الحرارية | درجة حرارة الغرفة | 25 واط/م·ك | 14.5 وحدة حرارية بريطانية·بوصة/ساعة·قدم²·°F |
| السعة الحرارية النوعية | درجة حرارة الغرفة | 500 جول/كغ·ك | 0.12 وحدة حرارية بريطانية/رطل·°ف |
| المقاومة الكهربائية | درجة حرارة الغرفة | 0.73 ميكروأوم·م | 0.0000013 أوم·بوصة |
| معامل التمدد الحراري | 20 - 100 °C | 10.5 x 10⁻⁶/ك | 5.8 x 10⁻⁶/°ف |
تعتبر الخصائص الفيزيائية الرئيسية مثل الكثافة ونقطة الانصهار مهمة للتطبيقات التي تتضمن بيئات عالية الحرارة. تشير الموصلية الحرارية إلى مدى قدرة المادة على تفريق الحرارة، وهو أمر حاسم في تطبيقات مثل أنظمة العادم.
مقاومة التآكل
| الفاعل المسبب للتآكل | التركيز (%) | درجة الحرارة (°C/°F) | تصنيف المقاومة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| كلوريدات | 3-10 | 20-60 / 68-140 | متوسطة | خطر البقع |
| حمض الكبريتيك | 10-20 | 20-40 / 68-104 | ضعيفة | غير موصى بها |
| حمض الأسيتيك | 5-10 | 20-60 / 68-140 | جيدة | مقاومة متوسطة |
| الجو | - | - | ممتازة | مقاومة جيدة |
تظهر سلسلة 400 درجات متفاوتة من مقاومة التآكل اعتمادًا على البيئة. بينما تؤدي جيدًا في الظروف الجوية، فهي عرضة لتآكل الحفر في بيئات الكلور ويجب تجنبها في الظروف الحمضية. مقارنةً بالدرجات الأوستنيتية مثل 304، تتمتع سلسلة 400 بمقاومة أقل للعوامل المسببة للتآكل، مما يجعلها أقل ملاءمة للبيئات القاسية.
مقاومة الحرارة
| الخاصية/الحد | درجة الحرارة (°C) | درجة الحرارة (°F) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة | 815 | 1500 | مناسبة للتطبيقات ذات الحرارة المرتفعة |
| أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة | 870 | 1600 | تعارض قصيرة فقط |
| درجة حرارة التقشير | 600 | 1112 | خطر التقشير فوق هذه الحرارة |
| قوة الزحف | 600 | 1112 | تبدأ بالتدهور عند هذه الحرارة |
عند درجات الحرارة المرتفعة، تحافظ سلسلة 400 على قوتها ولكن يمكن أن تتعرض للأكسدة والتقشير. تشير درجة حرارة الخدمة المستمرة القصوى إلى الحد الأعلى للتعرض المستمر، بينما تسلط درجة حرارة التقشير الضوء على خطر تلف السطح.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
| عملية اللحام | المعدن الملحق الموصى به (تصنيف AWS) | غاز/فلز الحماية المعتاد | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| TIG | ER410 | أرجون | يفضل التسخين المسبق |
| MIG | ER308L | أرجون + CO2 | جيد للقطع الرقيقة |
| Stick | E410 | - | مناسب للعمل في الهواء الطلق |
تختلف قابلية اللحام بشكل كبير داخل سلسلة 400. تعتبر الدرجات الفيريتية بشكل عام أكثر قابلية للحام من الدرجات المارتينسيتية، والتي قد تتطلب تسخينًا مسبقًا لتجنب التشقق. يمكن أن تحسن المعالجة الحرارية بعد اللحام من خصائص اللحام.
قابلية التشغيل الآلي
| معلمة التشغيل الآلي | [سلسلة 400] | AISI 1212 | ملاحظات/نصائح |
|---|---|---|---|
| مؤشر قابلية التشغيل النسبي | 60 | 100 | قابلية تشغيل أقل من 1212 |
| سرعة القطع المعتادة (التدوير) | 30 م/دقيقة | 50 م/دقيقة | ضبط الأدوات لأداء أفضل |
تعتبر قابلية التشغيل الآلي متوسطة في سلسلة 400، مع كون الدرجات المارتينسيتية أكثر صعوبة في التشغيل بسبب صلابتها. تعتبر الأدوات المناسبة وسرعات القطع ضرورية لتحقيق الأداء الأمثل.
قابلية التشكيل
تظهر سلسلة 400 قابلية تشكيل محدودة، خاصةً في الدرجات المارتينسيتية، والتي تكون عرضة للتشقق أثناء العمل البارد. تقدم الدرجات الفيريتية قابلية تشكيل أفضل ويمكن تشكيلها بالبرودة باستخدام تقنيات مناسبة.
المعالجة الحرارية
| عملية المعالجة | نطاق درجات الحرارة (°C/°F) | مدة النقع المعتادة | طريقة التبريد | الغرض الرئيسي / النتيجة المتوقعة |
|---|---|---|---|---|
| التخميل | 800 - 900 / 1472 - 1652 | 1 - 2 ساعة | هواء | تخفيف الضغط، تحسين المرونة |
| التصلب | 1000 - 1100 / 1832 - 2012 | 30 دقيقة | زيت | زيادة الصلابة والقوة |
| التمليس | 400 - 600 / 752 - 1112 | 1 ساعة | هواء | تقليل الهشاشة، تحسين المتانة |
تؤثر عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير على التركيب الدقيق وخصائص سلسلة 400. يمكن أن تعزز عملية التخميل المرونة، بينما يزيد التصلب من القوة، مما يجعل اختيار المعالجة المناسبة أمرًا ضروريًا بناءً على التطبيق المرغوب.
التطبيقات والنهايات النموذجية
| الصناعة/القطاع | مثال على تطبيق محدد | الخصائص الأساسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق | سبب الاختيار (بختصار) |
|---|---|---|---|
| صناعة السيارات | أنظمة العادم | قوة عالية عند درجات الحرارة المرتفعة، مقاومة للتآكل | متانة وأداء |
| أواني المطبخ | أدوات المائدة | صلابة، احتفاظ الحواف | حدة وطول العمر |
| النفط والغاز | مكونات الصمامات | قوة، مقاومة لدرجات الحرارة العالية | موثوقية في البيئات القاسية |
| البناء | المثبتات | قوة عالية، مقاومة متوسطة للتآكل | سلامة هيكلية |
تتضمن التطبيقات الأخرى:
- المعدات الصناعية
- المعدات البحرية
- التطبيقات المعمارية
يعود اختيار سلسلة 400 لهذه التطبيقات غالبًا إلى توازنها بين القوة والصلابة ومقاومة التآكل المتوسطة، مما يجعلها مناسبة للبيئات التي تكون فيها هذه الخصائص حاسمة.
اعتبارات هامة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية
| الميزة/الخاصية | [سلسلة 400] | [AISI 304] | [AISI 316] | ملاحظة قصيرة عن الإيجابيات/السلبيات أو التكلفة |
|---|---|---|---|---|
| الخاصية الميكانيكية الرئيسية | متوسطة | عالية | عالية | 304 و316 توفران مقاومة أفضل للتآكل |
| الجانب المهم في التآكل | متوسط | ممتازة | ممتازة | سلسلة 400 أقل مقاومة للكلوريدات |
| قابلية اللحام | متوسطة | جيدة | جيدة | قد تتطلب سلسلة 400 تسخين مسبق |
| قابلية التشغيل الآلي | متوسطة | جيدة | متوسطة | سلسلة 400 أصعب في التشغيل |
| قابلية التشكيل | محدودة | جيدة | جيدة | الدرجات الفيريتية أكثر قابلية للتشكيل |
| التكلفة النسبية التقريبية | أدنى | أعلى | أعلى | فعالة من حيث التكلفة للتطبيقات المتوسطة |
| التوفر المعتاد | شائع | شائع جدًا | شائع | سلسلة 400 متاحة على نطاق واسع |
عند اختيار سلسلة 400، تشمل الاعتبارات الفعالية من حيث التكلفة، والتوافر، ومتطلبات مقاومة معينة ميكانيكية وتآكلاً. بينما قد لا تتفوق على أداء الدرجات الأوستنيتية في البيئات التآكلية، إلا أن قوتها وصلابتها تجعلها مناسبة للعديد من التطبيقات حيث تكون هذه الخصائص ذات أهمية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون الخصائص المغناطيسية للدرجات الفيريتية مفيدة في بعض التطبيقات، مثل في المكونات الكهربائية.
في الختام، تقدم سلسلة الفولاذ المقاوم للصدأ 400 مجموعة فريدة من الخصائص التي تجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الهندسية. توازنها بين القوة والصلابة ومقاومة التآكل المتوسطة، جنبًا إلى جنب مع فعاليتها من حيث التكلفة، تجعلها مادة قيمة في عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ.