الفولاذ المقاوم للصدأ 420: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

الفولاذ المقاوم للصدأ 420 هو فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيني معروف بقوته العالية ومقاومته المتوسطة للتآكل وقدرته على التصلب من خلال المعالجة الحرارية. يتم تصنيفه تحت فئة الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيني، والذي يتميز بمحتواه العالي من الكربون ووجود الكروم كعنصر سبيكة رئيسي. يتكون التركيب النموذجي للفولاذ المقاوم للصدأ 420 من حوالي 12-14% من الكروم و0.15-0.4% من الكربون، مما يؤثر بشكل كبير على خصائصه.

نظرة شاملة

الفولاذ المقاوم للصدأ 420 يُستخدم بشكل أساسي في التطبيقات التي تتطلب صلابة عالية ومقاومة متوسطة للتآكل. تلعب عناصر السبائك في 420، وخاصة الكروم والكربون، أدوارًا حاسمة في تحديد خصائصه. يُعزز الكروم من مقاومة التآكل ويساهم في صلابة الفولاذ، بينما يزيد الكربون من القوة ومقاومة التآكل.

مزايا الفولاذ المقاوم للصدأ 420:
- صلابة عالية: بعد المعالجة الحرارية، يمكن أن تصل صلابة 420 إلى مستوى يصل إلى 50 HRC، مما يجعلها مناسبة للأدوات الحادة والشفرات.
- مقاومة جيدة للتآكل: يوفر محتوى الكربون العالي مقاومة ممتازة للتآكل، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات التي تتضمن الاحتكاك.
- مقاومة متوسطة للتآكل: على الرغم من أنه ليس مقاومًا كما هو الحال في درجات الفولاذ الأوستنيتي، إلا أنه يؤدي بشكل جيد في البيئة التآكلية الخفيفة.

قيود الفولاذ المقاوم للصدأ 420:
- صلابة أقل: بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، فإن 420 يملك صلابة أقل، مما يجعله أقل ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للصدمات.
- مقاومة محدودة للتآكل: في البيئات العالية التآكل، مثل التطبيقات البحرية، قد لا يؤدي بشكل كافٍ دون طلاءات واقية.

تاريخيًا، كان للفولاذ المقاوم للصدأ 420 دور كبير في تصنيع أدوات المائدة، والأدوات الجراحية، ومختلف التطبيقات الصناعية بسبب توازنه بين الصلابة ومقاومة التآكل. وقد تم تأسيس موقفه في السوق بشكل جيد، لاسيما في قطاعات تصنيع أدوات المائدة والأدوات.

أسماء بديلة، معايير، وما يعادلها

المنظمة المعيارية	الاسم/الدرجة	البلد/المنطقة الأصل	ملاحظات/تعليقات
UNS	S42000	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب معادل لـ AISI 420
AISI/SAE	420	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية مستخدمة بشكل شائع
ASTM	A276	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة معيارية لبار الفولاذ المقاوم للصدأ
EN	1.4021	أوروبا	تسمية معادلة في أوروبا
JIS	SUS420J2	اليابان	خصائص مشابهة مع اختلافات طفيفة في التركيب

تُبرز جدول المعادلة أنه على الرغم من أن هذه الدرجات تُعتبر غالبًا قابلة للتبادل، لكن الاختلافات الدقيقة في التركيب يمكن أن تؤثر على الأداء في تطبيقات معينة. على سبيل المثال، يحتوي SUS420J2 على نسبة كربون أعلى قليلاً، مما قد يعزز الصلابة ولكنه قد يقلل أيضًا من مقاومة التآكل.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

العنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
C (الكربون)	0.15 - 0.40
Cr (الكروم)	12.0 - 14.0
Mn (المنغنيز)	1.0 كحد أقصى
Si (السيليكون)	1.0 كحد أقصى
P (الفوسفور)	0.04 كحد أقصى
S (الكبريت)	0.03 كحد أقصى

تشمل العناصر الرئيسية في سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ 420 الكروم، الذي يوفر مقاومة للصدأ و صلابة، والكربون، الذي يعزز القوة ومقاومة التآكل. يتواجد المنغنيز والسيليكون بكميات ضئيلة لتحسين الصلابة وإزالة الأكسدة أثناء صناعة الفولاذ.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	درجة حرارة الاختبار	القيمة/النطاق النموذجي (متري)	القيمة/النطاق النموذجي (إمبراطوري)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
صلابة الشد	ملدن	درجة حرارة الغرفة	520 - 700 ميغاباسكال	75 - 102 كيسى	ASTM E8
صلابة العائد (0.2% إزاحة)	ملدن	درجة حرارة الغرفة	350 - 500 ميغاباسكال	51 - 73 كيسى	ASTM E8
التمدد	ملدن	درجة حرارة الغرفة	12 - 20%	12 - 20%	ASTM E8
الصلابة (روكويل C)	مبرد ومقسى	درجة حرارة الغرفة	40 - 50 HRC	40 - 50 HRC	ASTM E18
صلابة التأثير	مبرد ومقسى	-20 درجة مئوية (-4 درجة فهرنهايت)	30 جول	22 قدم-رطل	ASTM E23

تجعل الخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ 420 مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية وصلابة. تشير صلابة الشد وصلابة العائد إلى قدرته على تحمل أحمال كبيرة، بينما تعكس نسبة التمدد مرونته، التي تعتبر كافية للعديد من التطبيقات. تجعل قيم الصلابة التي يتم تحقيقها من خلال المعالجة الحرارية مثالية للأدوات الحادة والتطبيقات المقاومة للتآكل.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (متري)	القيمة (إمبراطوري)
الكثافة	-	7.75 جرام/سم³	0.28 رطل/بوصة³
نقطة الانصهار	-	1450 - 1510 درجة مئوية	2642 - 2750 درجة فهرنهايت
التوصيل الحراري	20 درجة مئوية	25.4 واط/م·ك	17.5 BTU·إنش/ساعة·قدم²·درجة فهرنهايت
السعة الحرارية النوعية	20 درجة مئوية	500 جول/كجم·ك	0.12 BTU/رطل·درجة فهرنهايت
المقاومة الكهربائية	20 درجة مئوية	0.73 ميكروأوم·م	0.00000073 أوم·م
معامل التمدد الحراري	20 - 100 درجة مئوية	15.5 ميكرو متر/م·ك	8.6 ميكرو إنش/إنش·درجة فهرنهايت

تشير كثافة الفولاذ المقاوم للصدأ 420 إلى أنه مادة ثقيلة نسبيًا، مما يساهم في قوتها. تعتبر نقطة الانصهار مهمة للتطبيقات التي تتضمن درجات حرارة عالية، بينما يكون التوصيل الحراري والسعة الحرارية النوعية ضروريين للإدارة الحرارية في التطبيقات الهندسية. يعتبر معامل التمدد الحراري حاسمًا في التطبيقات التي من المتوقع أن تحدث فيها تقلبات في درجات الحرارة.

مقاومة التآكل

العنصر المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تقييم المقاومة	ملاحظات
الكلوريدات	3-10	20-60 درجة مئوية (68-140 درجة فهرنهايت)	عادلة	خطر الحفر
حمض الكبريتيك	10-30	20-50 درجة مئوية (68-122 درجة فهرنهايت)	رديء	لا يُوصى به
حمض الأسيتيك	5-20	20-40 درجة مئوية (68-104 درجة فهرنهايت)	جيد	مقاومة متوسطة
الجو	-	-	جيد	مناسب للتعرض الخفيف

يظهر الفولاذ المقاوم للصدأ 420 مقاومة متوسطة للتآكل، خاصة في الظروف الجوية وفي وجود حمض الأسيتيك. ومع ذلك، فهو عرضة للتآكل النقطي في بيئات الكلوريد وينبغي تجنبه في التطبيقات التي تتضمن أحماض قوية مثل حمض الكبريتيك. بالمقارنة مع الدرجات الأوستنيتية مثل 304 أو 316، فإن مقاومته للتآكل أقل، مما يجعله أقل ملاءمة للبيئات البحرية أو ذات التآكل العالي.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة للخدمة المستمرة	400 درجة مئوية	752 درجة فهرنهايت	مناسب للخدمة المتقطعة
أقصى درجة حرارة للخدمة المتقطعة	500 درجة مئوية	932 درجة فهرنهايت	مقاومة محدودة للأكسدة
درجة حرارة التقشير	600 درجة مئوية	1112 درجة فهرنهايت	خطر التقشير في درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ الفولاذ المقاوم للصدأ 420 بقوته ولكنه قد يتعرض للأكسدة. تشير أقصى درجة حرارة للخدمة المستمرة إلى قدرته في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، بينما تسلط درجة حرارة التقشير الضوء على خطر تدهور السطح. ينبغي توخي الحذر لتجنب التعرض المطول لدرجات حرارة تتجاوز هذه الحدود.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن المضاف الموصى به (تصنيف AWS)	الغاز/الفلوس العادي	ملاحظات
TIG	ER420	أرجون	يُوصى بالتسخين المسبق
MIG	ER420	أرجون + CO2	قد تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام ضرورية

يمكن لحام الفولاذ المقاوم للصدأ 420 باستخدام عمليات TIG وMIG، ولكن غالبًا ما يُوصى بالتسخين المسبق لمنع حدوث تشققات. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية بعد اللحام خصائص وصلبة اللحام، مما يضمن أداءً أفضل أثناء الخدمة.

قابلية التشغيل

معامل التشغيل	[الفولاذ المقاوم للصدأ 420]	[AISI 1212]	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التشغيل النسبي	50%	100%	استخدم أدوات الكربيد لتحقيق أفضل النتائج
سرعة القطع النموذجية	30-50 م/دقيقة	60-80 م/دقيقة	عدل حسب تآكل الأداة

يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ 420 بقابلية تشغيل متوسطة، والتي يمكن تحسينها بالأدوات الصحيحة وظروف القطع. يُنصح باستخدام أدوات الكربيد لتشغيله لتحقيق تشطيبات سطحية أفضل وعمر أطول للأدوات.

قابلية التشكيل

الفولاذ المقاوم للصدأ 420 ليس قابلاً للتشكيل بشكل كبير بسبب هيكله المارتنسيني، مما يجعله أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب القطع والتشكيل بدلاً من التشكيل الواسع. يمكن أن يكون التشكيل البارد ممكنًا ولكن قد يؤدي إلى تقوية العمل، مما يتطلب مراقبة دقيقة للعملية.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	زمن النقع النموذجي	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
تليين	800 - 900 درجة مئوية (1472 - 1652 درجة فهرنهايت)	1-2 ساعات	هواء	تقليل الصلابة، تحسين المرونة
تسقيط	1000 - 1100 درجة مئوية (1832 - 2012 درجة فهرنهايت)	30 دقيقة	زيت أو ماء	زيادة الصلابة
تخفيف	150 - 300 درجة مئوية (302 - 572 درجة فهرنهايت)	ساعة واحدة	هواء	تقليل الهشاشة، تعزيز الصلابة

تؤثر عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير على التركيب الدقيق وخصائص الفولاذ المقاوم للصدأ 420. يزيد التبريد من الصلابة، بينما يقلل التخفيف من الهشاشة، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على تطبيق محدد	خصائص الفولاذ الرئيسية المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار
أدوات المائدة	سكاكين المطبخ	صلابة عالية، مقاومة للتآكل	احتفاظ الحافة
الطب	الأدوات الجراحية	مقاومة للتآكل، صلابة	التعقيم والمتانة
السيارات	مكونات الصمامات	قوة، مقاومة متوسطة للتآكل	الأداء تحت الضغط
الفضاء	مكونات معدات الهبوط	قوة عالية، مقاومة للتعب	السلامة والموثوقية

يستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ 420 بشكل شائع في صناعات أدوات المائدة والطب بسبب صلابته وقدرته على الحفاظ على حافة حادة. في تطبيقات السيارات والفضاء، تجعل قوته ومقاومته للتعب خيارًا مناسبًا لمكونات هامة.

اعتبارات هامة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	الفولاذ المقاوم للصدأ 420	الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 304	الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 316	ملاحظة موجزة حول المزايا/العيوب أو التبادل
الخاصية الميكانيكية الأساسية	صلابة عالية	مرونة جيدة	مقاومة ممتازة للصدأ	420 أكثر صلابة لكنه أقل مرونة
الجانب الأساسي لمقاومة التآكل	مقاومة متوسطة	مقاومة جيدة	مقاومة ممتازة	420 أقل مناسبة للبيئات القاسية
قابلية اللحام	متوسطة	جيدة	جيدة	420 يتطلب تسخين مسبق
قابلية التشغيل	متوسطة	جيدة	عادلة	420 أصعب في التشغيل
قابلية التشكيل	رديئة	جيدة	عادلة	420 غير مناسبة للتشكيل الواسع
التكلفة التقريبية النسبية	متوسطة	أعلى	أعلى	420 غالبًا ما تكون أكثر فعالية من حيث التكلفة
توفر النموذج	شائع	شائع جدا	شائع	420 متاح على نطاق واسع

عند اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ 420، تشمل الاعتبارات خصائصه الميكانيكية، مقاومته للتآكل، وملاءمته للحام والتشغيل. على الرغم من تقديمه مزايا في الصلابة ومقاومة التآكل، ينبغي تقييم قيوده في الصلابة ومقاومة التآكل بعناية مقابل متطلبات التطبيق المحددة.

باختصار، يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ 420 مادة متعددة الاستخدامات تجد مكانها في التطبيقات التي تتطلب توازنًا بين الصلابة ومقاومة التآكل المتوسطة. إن أهميته التاريخية وموقفه الراسخ في السوق يجعله خيارًا موثوقًا للعديد من الصناعات.