4116 الفولاذ المقاوم للصدأ: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

الفولاذ المقاوم للصدأ 4116 هو سبيكة عالية الأداء معروفة بمزيجها الفريد من القوة ومقاومة التآكل ومقاومة البلى. مصنفة كفولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيت، تتكون بشكل أساسي من الحديد والكروم والكربون، مع عناصر سبائك إضافية تعزز من خصائصها. تشمل عناصر السبائك الأساسية في 4116:

• الكروم (Cr): عادة حوالي 12-14%، يوفر الكروم مقاومة ممتازة للتآكل ويساهم في صلابة الفولاذ.
• الكربون (C): مع محتوى كربون حوالي 0.4-0.5%، يزيد الكربون من الصلابة والقوة من خلال المعالجة الحرارية.
• الموليبدينوم (Mo): موجود عادة بكميات صغيرة (حوالي 0.5-1%)، يعزز الموليبدينوم مقاومة التآكل والأداء العام.

الخصائص الرئيسية

يتميز فولاذ 4116 المقاوم للصدأ بقوة شد عالية، ومرونة جيدة، ومقاومة ممتازة للبلى. غالباً ما يستخدم في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومقاومة متوسطة للتآكل.

المزايا (الإيجابيات):
- قوة وصلابة عالية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات المتطلبات الصعبة.
- مقاومة جيدة للبلى، مثالية لأدوات القطع والتطبيقات الصناعية.
- مقاومة متوسطة للتآكل، مناسبة لمجموعة متنوعة من البيئات.

القيود (السلبيات):
- أقل مقاومة للتآكل من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، مما يحد من استخدامها في البيئات ذات التآكل العالي.
- تتطلب معالجة حرارية دقيقة لتحقيق الخصائص المثلى، مما يمكن أن يعقد التصنيع.

تاريخياً، تم استخدام 4116 في مجموعة متنوعة من التطبيقات، لا سيما في تصنيع السكاكين، والأدوات الجراحية، وغيرها من الأدوات حيث تكون مجموعة من الصلابة ومقاومة التآكل ضرورية.

الأسماء البديلة والمعايير والمعادلات

منظمة المعايير	التسمية/الدرجة	الدولة/المنطقة الأصلية	ملاحظات/تعليقات
UNS	S41160	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب معادل AISI 440C
AISI/SAE	4116	الولايات المتحدة الأمريكية	مماثل لـ AISI 420 مع محتوى كربون أعلى
ASTM	A276	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة قياسية لشرائط الفولاذ المقاوم للصدأ
EN	1.4116	أوروبا	معادل لـ X105CrMo17
JIS	SUS 440C	اليابان	يوجد اختلافات تركيبية طفيفة يجب الانتباه إليها

تكمن الاختلافات بين هذه الدرجات غالبًا في محتوى الكربون وعمليات المعالجة الحرارية، التي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على خصائصها الميكانيكية ومقاومة التآكل.

الخصائص الرئيسية

التكوين الكيميائي

عنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
C (كربون)	0.4 - 0.5
Cr (كروم)	12.0 - 14.0
Mo (موليبدينوم)	0.5 - 1.0
Mn (منغنيز)	0.5 - 1.0
Si (سيليكون)	0.5 كحد أقصى
P (الفوسفور)	0.04 كحد أقصى
S (الكبريت)	0.03 كحد أقصى

تتمثل الوظيفة الأساسية للكروم في تعزيز مقاومة التآكل، بينما يزيد الكربون من الصلابة والقوة. يحسن الموليبدينوم مقاومة التآكل ويعزز القوة، مما يجعل 4116 مناسبًا لمجموعة من التطبيقات.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	درجة حرارة الاختبار	القيمة/النطاق القياسي (مترية)	القيمة/النطاق القياسي (إمبريالية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	معلجة حرارياً	درجة حرارة الغرفة	700 - 900 ميغاباسكال	101.5 - 130 كيلي	ASTM E8
قوة العطاء (0.2% تحريف)	معلجة حرارياً	درجة حرارة الغرفة	450 - 600 ميغاباسكال	65.5 - 87.0 كيلي	ASTM E8
التمدد	معلجة حرارياً	درجة حرارة الغرفة	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
الصلابة (HRC)	معلجة حرارياً	درجة حرارة الغرفة	30 - 40	30 - 40	ASTM E18
قوة الصدمة	معلجة حرارياً	-20 درجة مئوية	30 - 50 جول	22 - 37 قدم-رطل	ASTM E23

يجعل الجمع بين قوة الشد العالية وقوة العطاء الفولاذ 4116 المقاوم للصدأ مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب تحميلًا ميكانيكيًا عاليًا وسلامة هيكلية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (مترية)	القيمة (إمبريالية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.75 غرام/سم³	0.28 رطل/إنش³
نقطة الانصهار	-	1450 - 1500 درجة مئوية	2642 - 2732 درجة فهرنهايت
التوصيل الحراري	درجة حرارة الغرفة	25 واط/م·ك	14.5 وحدة حرارية بريطانية·إنش/ساعة·قدم²·درجة فهرنهايت
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	500 جول/كغ·ك	0.12 وحدة حرارية بريطانية/رطل·درجة فهرنهايت
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.72 ميكروأوم·م	0.0000013 أوم·إنش

تشير الكثافة ونقطة الانصهار الخاصة بـ 4116 إلى ملاءمته للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، بينما تعتبر التوصيل الحراري والسعة الحرارية النوعية مهمة للإدارة الحرارية في مجموعة متنوعة من التطبيقات الهندسية.

مقاومة التآكل

الوكيل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكانيات	3-10	20-60 / 68-140	جيد	خطر تآكل البقع
حمض الكبريتيك	10-30	20-40 / 68-104	ضعيف	لا يُوصى به
حمض الأسيتيك	5-20	20-60 / 68-140	جيد	مقاومة متوسطة

يظهر الفولاذ المقاوم للصدأ 4116 مقاومة متوسطة للتآكل، خاصة في البيئات ذات الكانيات. إنه عرضة لتآكل البقع وتشققات إجهاد التآكل (SCC) في البيئات الغنية بالكلور. بالمقارنة مع الدرجات الأوستنيتية مثل 304 أو 316، فإن 4116 لديه مقاومة أقل للتآكل ولكنه يقدم صلابة وتآكل أعلى.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
درجة حرارة الخدمة المستمرة القصوى	400	752	ملائم لدرجات الحرارة العالية
درجة حرارة الخدمة المتقطعة القصوى	600	1112	يمكن أن يتحمل التعرض القصير الأمد
درجة حرارة التكلس	800	1472	خطر الأكسدة بعد هذا الحد

عند درجات حرارة عالية، يحتفظ الفولاذ المقاوم للصدأ 4116 بقوته ولكنه قد يكون عرضة للأكسدة. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية أدائه في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن المُضاف الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/فلتر الحماية النموذجي	ملاحظات
TIG	ER410	الأرجون	يوصى بالتسخين المسبق
MIG	ER410	الأرجون + CO2	قد تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام مطلوبة

يمكن لحام الفولاذ المقاوم للصدأ 4116 باستخدام طرق تقليدية، ولكن يُوصى عادة بالتسخين المسبق لتجنب التشقق. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية بعد اللحام الخصائص الميكانيكية للحام.

قابلية المعالجة

معامل المعالجة	4116	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية المعالجة النسبي	60	100	قابلية معالجة متوسطة
سرعة القطع النموذجية	30-50 م/دقيقة	80-120 م/دقيقة	استخدم أدوات الكاربيد للحصول على أفضل النتائج

يتطلب معالجة 4116 مراعاة دقيقة لسرعات القطع والأدوات. بشكل عام، فإن من الصعب معالجته أكثر من الفولاذ منخفض الكربون.

قابلية التشكيل

يمتلك الفولاذ المقاوم للصدأ 4116 قابلية تشكيل محدودة بسبب قوته وصلابته العالية. التشكيل البارد ممكن، ولكن يُوصى بالتشكيل الساخن لتقليل مخاطر التشقق. يجب حساب الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء بعناية لتجنب فشل المادة.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	الوقت النموذجي للتشبع	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
التخميش	800 - 900 / 1472 - 1652	1-2 ساعات	هواء	تليين، تحسين المرونة
التصلب	1000 - 1100 / 1832 - 2012	30 دقيقة	زيت أو هواء	زيادة الصلابة والقوة
التمسيح	400 - 600 / 752 - 1112	ساعة واحدة	هواء	تقليل الهشاشة، تعزيز القوة

تؤثر عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير على التركيب المجهري للفولاذ المقاوم للصدأ 4116، مما يحوله من حالة أكثر ليونة إلى حالة مصنوعة مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	خصائص الفولاذ الرئيسية المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (باختصار)
الطب	الأدوات الجراحية	صلابة عالية، مقاومة للتآكل	التحمل والتعقيم
السيارات	أدوات القطع	مقاومة للبلى، قوة	الأداء تحت الضغط
الفضاء	مكونات المحرك	قوة عالية، مقاومة للحرارة	السلامة والموثوقية

تشمل التطبيقات الأخرى:
- سكاكين وشفرات
- مكونات الآلات الصناعية
- روابط وتوصيلات

سبب اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ 4116 في هذه التطبيقات هو توازنه الممتاز بين الصلابة ومقاومة التآكل، مما يجعله مثاليًا للبيئات التي تكون فيها كلا الخاصيتين حاسمتين.

الاعتبارات المهمة، ومعايير الاختيار، ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	4116	AISI 440C	AISI 420	ملاحظة مختصرة حول الإيجابيات/السلبيات أو التوازن
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	قوة عالية	مقاومة تآكل أعلى	قوة متوسطة	يوفر 4116 مقاومة أفضل للبلى
جانب مقاومة التآكل الرئيسي	مقاومة متوسطة	مقاومة ممتازة	مقاومة جيدة	440C أفضل للبيئات المسببة للتآكل
قابلية اللحام	متوسطة	ضعيفة	متوسطة	يوفر 4116 قابلية لحام أفضل من 440C
قابلية المعالجة	متوسطة	منخفضة	متوسطة	أسهل في المعالجة من 440C
قابلية التشكيل	محدودة	محدودة	متوسطة	420 لديها قابلية أفضل للتشكيل
التكلفة النسبية التقريبية	متوسطة	أعلى	أقل	التكلفة تختلف حسب الطلب في السوق
التوفر النموذجي	شائع	أقل شيوعًا	شائع	متاحة على نطاق واسع

عند اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ 4116، تشمل الاعتبارات خصائصه الميكانيكية، ومقاومته للتآكل، وخصائص التصنيع. تجعل تكلفته المتوسطة وتوافره خيارًا عمليًا للعديد من التطبيقات، رغم أن أدائه في البيئات المسببة للتآكل العالية قد يتطلب النظر في درجات بديلة.

باختصار، يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ 4116 مادة متعددة الاستخدامات تتوازن بين القوة، ومقاومة البلى، ومقاومة التآكل المتوسطة، مما يجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.