الفولاذ المقاوم للصدأ 420C: الخصائص والتطبيقات الرئيسية
شارك
Table Of Content
Table Of Content
الفولاذ المقاوم للصدأ 420C يصنف كفولاذ مقاوم للصدأ مارتينسيت، والذي يُعرف بقوته العالية ومقاومته المتوسطة للتآكل. تشمل العناصر الرئيسية في سبائك 420C الكروم (حوالي 12-14%)، الكربون (تقريبًا 0.15-0.40%)، وكميات أقل من المنغنيز، السيليكون، والفوسفور. تساعد وجودة الكروم في تعزيز مقاومة الفولاذ للتآكل، بينما يساهم الكربون في صلابته وقوته.
نظرة شاملة
يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ 420C بقدرته على تحقيق صلابة عالية من خلال المعالجة الحرارية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب مقاومة للتآكل. هيكله المارتينسيت يسمح بتحقيق توازن بين القوة والمتانة، وهو أمر ضروري في مختلف التطبيقات الهندسية. يمكن تشديد الفولاذ بشكل كبير، حيث يمكن أن تصل مستويات الصلابة إلى 58 HRC عند معالجته بشكل صحيح.
المزايا:
- صلابة عالية: القدرة على تحقيق مستويات صلابة عالية تجعل 420C مثاليًا لأدوات القطع والتطبيقات المقاومة للتآكل.
- مقاومة متوسطة للتآكل: رغم أنه ليس مقاومًا مثل الدرجات الأوستنيتية، إلا أنه يوفر حماية جيدة ضد التآكل في البيئات المتوسطة.
- خصائص ميكانيكية جيدة: يوفر توازنًا جيدًا بين القوة والمتانة، مما يجعله متعدد الاستخدامات لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
القيود:
- مقاومة أقل للتآكل: مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، فإن 420C أكثر عرضة للتآكل، خاصة في البيئات الغنية بالكلور.
- هشاشة عند درجات حرارة مرتفعة: قد تؤدي الصلابة إلى الهشاشة، خاصة إذا لم يتم تطعيمه بشكل صحيح.
- صعوبة في اللحام: يمكن أن يجعل محتوى الكربون العالي اللحام تحديًا، مما يتطلب غالبًا تسخينًا مسبقًا ومعالجة حرارية بعد اللحام.
تاريخيًا، تم استخدام 420C في تطبيقات مثل أدوات القطع، الأدوات الجراحية، ومكونات صناعية متنوعة، حيث تعتبر مجموعة خصائصه من الصلابة ومقاومة التآكل المتوسطة مفيدة.
أسماء بديلة، معايير ومكافئات
| المنظمة القياسية | التصنيف/الدرجة | البلد/المنطقة الأصلية | ملاحظات/ملاحظات |
|---|---|---|---|
| UNS | S42000 | الولايات المتحدة الأمريكية | أقرب مكافئ لـ AISI 420 |
| AISI/SAE | 420C | الولايات المتحدة الأمريكية | اختلافات تركيبية طفيفة عن AISI 420 |
| ASTM | A276 | الولايات المتحدة الأمريكية | مواصفة قياسية لقطاعات الفولاذ المقاوم للصدأ |
| EN | 1.4021 | أوروبا | مماثل لـ AISI 420، مع خصائص ميكانيكية محددة |
| JIS | SUS420J2 | اليابان | خصائص مشابهة ولكن مع اختلافات طفيفة في التركيب |
يمكن أن تؤثر الاختلافات بين هذه الدرجات على الأداء في تطبيقات محددة. على سبيل المثال، بينما تكون AISI 420 و420C متشابهتين، فإن محتوى الكربون الأعلى في 420C يمكن أن يعزز الصلابة ولكنه قد يقلل من المتانة.
الخصائص الرئيسية
التركيب الكيميائي
| العنصر (الرمز والاسم) | نطاق النسبة (%) |
|---|---|
| C (الكربون) | 0.15 - 0.40 |
| Cr (الكروم) | 12.0 - 14.0 |
| Mn (المنغنيز) | 0.5 - 1.0 |
| Si (السيليكون) | 0.1 - 1.0 |
| P (الفوسفور) | ≤ 0.04 |
| S (الكبريت) | ≤ 0.03 |
الدور الأساسي للكروم في 420C هو تعزيز مقاومة التآكل، بينما يساهم الكربون بشكل كبير في الصلابة والقوة. يعمل المنغنيز والسيليكون على تحسين قابلية تشديد الفولاذ والخصائص الميكانيكية العامة له.
الخصائص الميكانيكية
| الخاصية | الحالة/الحرارة | درجة الحرارة الخاصة بالاختبار | القيمة/النطاق النموذجي (مترية) | القيمة/النطاق النموذجي (إمبريالية) | المرجع القياسي لطريقة الاختبار |
|---|---|---|---|---|---|
| قوة الشد | مخمدة | درجة حرارة الغرفة | 520 - 700 ميجا باسكال | 75 - 102 كيلوجرام لكل بوصة مربعة | ASTM E8 |
| قوة العائد (0.2% إزاحة) | مخمدة | درجة حرارة الغرفة | 350 - 500 ميجا باسكال | 51 - 73 كيلوجرام لكل بوصة مربعة | ASTM E8 |
| التمدد | مخمدة | درجة حرارة الغرفة | 10 - 15% | 10 - 15% | ASTM E8 |
| الصلابة (HRC) | مخمدة ومطهرة | درجة حرارة الغرفة | 50 - 58 HRC | 50 - 58 HRC | ASTM E18 |
| قوة الصدمة | مخمدة ومطهرة | -20°C | 30 - 50 جول | 22 - 37 قدم-باوند | ASTM E23 |
يجعل الجمع بين قوة الشد وقوة العائد العالية 420C مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب مقاومة للتشويه تحت الحمل. تسمح صلابته بالاحتفاظ بحواف حادة في تطبيقات القطع.
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | الحالة/الحرارة | القيمة (مترية) | القيمة (إمبريالية) |
|---|---|---|---|
| الكثافة | درجة حرارة الغرفة | 7.75 جرام/سم³ | 0.28 رطل/بوصة³ |
| نقطة الانصهار | - | 1450 - 1510 °C | 2642 - 2750 °F |
| الموصلية الحرارية | درجة حرارة الغرفة | 25 واط/م·ك | 17.3 BTU·إنش/ساعة·قدم²·°F |
| السعة الحرارية النوعية | درجة حرارة الغرفة | 460 جول/كجم·ك | 0.11 BTU/رطل·°F |
| المقاومة الكهربائية | درجة حرارة الغرفة | 0.72 ميكروأوم·م | 0.0000143 أوم·إنش |
تشير كثافة 420C إلى مادة ثقيلة نسبيًا، مما يمكن أن يكون مفيدًا في التطبيقات التي تتطلب الاستقرار. نقطة انصهاره مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، بينما موصلية الحرارة معتدلة، مما يجعلها أقل مثالية لمبادلات الحرارة.
مقاومة التآكل
| العامل المسبب للتآكل | التركيز (%) | درجة الحرارة (°C/°F) | تصنيف المقاومة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| الكلوريدات | 3-5 | 20-60 °C / 68-140 °F | عادل | خطر تآكل تأكلي |
| الأحماض | 10-20 | 20-40 °C / 68-104 °F | ضعيف | عرضة للتآكل الناتج عن الضغط |
| المحاليل القلوية | 5-10 | 20-60 °C / 68-140 °F | جيد | مقاومة متوسطة |
يظهر 420C مقاومة متوسطة للتآكل في بيئات متنوعة، لكنه عرضة بشكل خاص للتآكل التأكلي في الظروف الغنية بالكلور. مقارنةً بالدرجات الأوستنيتية مثل 304 أو 316، فإن مقاومة التآكل للـ 420C أقل بشكل كبير، مما يجعله أقل ملاءمة للبيئات البحرية أو ذات التآكل العالي.
مقاومة الحرارة
| الخاصية/الحد | درجة الحرارة (°C) | درجة الحرارة (°F) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة المستمرة | 400 °C | 752 °F | مناسب للخدمة المتقطعة |
| الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة المتقطعة | 500 °C | 932 °F | مقاومة أكسدة محدودة |
| درجة حرارة التقشّر | 600 °C | 1112 °F | خطر من التقشّر بعد هذه الدرجة |
عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ 420C بقوته ولكن قد يتعرض للأكسدة والتقشر، مما يمكن أن يؤثر على أدائه في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية خصائصه، ولكن ينبغي الحرص لتجنب الهشاشة.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
| عملية اللحام | المعدن الملء الموصى به (تصنيف AWS) | الغاز الواقي/الفلور التقليدي | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| TIG | ER420 | أرجون | تسخين مسبق موصى به |
| MIG | ER420 | أرجون + CO2 | يتطلب معالجة حرارية بعد اللحام |
يمكن أن يكون لحام 420C تحديًا بسبب محتوى الكربون العالي، مما قد يؤدي إلى التشقق. عادةً ما تكون الحاجة إلى التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام ضرورية للتخفيف من هذه المشاكل وضمان سلامة اللحام.
قابلية التشغيل
| معامل التشغيل | 420C | AISI 1212 | ملاحظات/نصائح |
|---|---|---|---|
| مؤشر قابلية التشغيل النسبي | 60 | 100 | يتطلب أدوات حادة |
| سرعة القطع النموذجية | 30-50 م/د | 80-100 م/د | يجب التعديل وفقًا لارتداء الأداة |
يمتلك 420C قابلية تشغيل متوسطة، مما يتطلب اختيارًا دقيقًا لأدوات القطع والسرعات لتحقيق نتائج مثلى. يمكن أن تؤدي الصلابة العالية إلى زيادة ارتداء الأدوات، مما يستدعي تغييرات متكررة في الأدوات.
قابلية التشكيل
لا يعرف 420C بقابلية تشكيله بسبب هيكله المارتينسيت. يمكن تشكيله باردًا ولكنه قد يؤدي إلى صلابة العمل، بينما يكون تشكيله ساخنًا أكثر ملاءمة، ولكنه يتطلب التحكم الدقيق في درجات الحرارة لتجنب الهشاشة.
المعالجة الحرارية
| عملية المعالجة | نطاق درجات الحرارة (°C/°F) | الوقت النموذجي للنقع | طريقة التبريد | الهدف الأساسي / النتيجة المتوقعة |
|---|---|---|---|---|
| التخميل | 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F | 1-2 ساعة | هواء | تقليل الصلابة، تحسين الانسيابية |
| التشديد | 1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F | 30 دقيقة | زيت أو ماء | زيادة الصلابة |
| التطعيم | 200 - 600 °C / 392 - 1112 °F | ساعة واحدة | هواء | تقليل الهشاشة، تعزيز المتانة |
تؤثر المعالجة الحرارية بشكل كبير على التركيب المجهرى لـ 420C، مما يحوله من حالة أنعم إلى حالة مشددة عبر التشديد. التطعيم ضروري لتخفيف الضغوط وتحسين المتانة، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية
| الصناعة/القطاع | مثال على تطبيق محدد | الخصائص الرئيسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق | سبب الاختيار |
|---|---|---|---|
| أدوات المائدة | سكاكين المطبخ | صلابة عالية، احتفاظ بالحواف | حدة ومتانة |
| الأدوات الطبية | أدوات جراحية | مقاومة للتآكل، صلابة | التعقيم والدقة |
| السيارات | مكونات الصمامات | قوة، مقاومة للتآكل | المتانة تحت الضغط |
| الفضاء | مكونات تحت الهبوط | نسبة القوة إلى الوزن العالية | السلامة والموثوقية |
تشمل التطبيقات الأخرى:
* - شفرات صناعية
* - أعمدة المضخات
* - المثبتات
يتم اختيار 420C للتطبيقات التي تتطلب مزيجًا من الصلابة ومقاومة التآكل المتوسطة، مما يجعله مثاليًا للأدوات والمكونات التي يجب أن تتحمل التآكل وتحافظ على حدتها.
اعتبارات مهمة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية
| الميزة/الخاصية | 420C | AISI 440C | AISI 304 | ملاحظة مختصرة حول الإيجابيات والسلبيات أو التبادل |
|---|---|---|---|---|
| الخاصية الميكانيكية الرئيسية | صلابة عالية | صلابة أعلى | صلابة أقل | يوفر 440C مقاومة تآكل أفضل |
| الجانب الرئيسي لمقاومة التآكل | مقاومة متوسطة | مقاومة عادلة | مقاومة ممتازة | 304 أفضل للبيئات المسببة للتآكل |
| قابلية اللحام | صعبة | صعبة | جيدة | 304 أسهل في اللحام |
| قابلية التشغيل | متوسطة | متوسطة | جيدة | 304 أسهل في التشغيل |
| التكلفة النسبية التقريبية | متوسطة | أعلى | أقل | 304 أكثر فعالية من حيث التكلفة |
| التوافر النموذجي | شائع | أقل شيوعًا | شائع جدًا | 304 متوفر على نطاق واسع |
عند اختيار 420C، تشمل الاعتبارات توازنه بين الصلابة ومقاومة التآكل، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات محددة. ومع ذلك، يجب موازنة قيوده في قابلية اللحام ومقاومة التآكل مقارنةً بالدرجات الأوستنيتية مع متطلبات التطبيق المقصود. يمكن أن تؤثر فعالية التكلفة وتوافر الدرجات البديلة أيضًا على عملية اتخاذ القرار.
في الختام، يُعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ 420C مادة متعددة الاستخدامات بخصائص فريدة تجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، خاصة حيث تكون الصلابة العالية ومقاومة التآكل المتوسطة مطلوبة. فهم خصائصه، ومزاياه، وقيودهن أمر حاسم للمهندسين والمصممين عند اختيار المواد للتطبيقات المحددة.