الفولاذ المقاوم للصدأ سبيكة 20: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

السبيكة 20، المعروفة أيضًا باسم كارپنتر 20 أو UNS N08020، هي سبيكة من النيكل والكروم والموليبدينوم مصممة لتوفير مقاومة ممتازة للتآكل، خاصة في بيئات حمض الكبريتيك. يتم تصنيفها على أنها فولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي، يتميز بمحتواه العالي من النيكل، مما يوفر مقاومة معززة للتآكل الناتج عن النقاط والشقوق. تشمل العناصر الرئيسية المضافة النيكل (Ni) والكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo)، حيث يساهم كل منها في الأداء العام والمتانة للسبيكة.

نظرة شاملة

تستخدم السبيكة 20 بشكل أساسي في التطبيقات حيث تكون المقاومة للبيئات التآكلية أمرًا بالغ الأهمية. عادة ما تتكون من حوالي 20% نيكل و20% كروم و2-3% موليبدينوم، مما يعزز معًا مقاومتها لمجموعة متنوعة من العوامل التآكلية، وخاصة حمض الكبريتيك. ويعمل محتوى النيكل العالي على تثبيت الهيكل الأستنيتي، مما يضمن قابلية جيدة للتشكيل والصلابة، بينما يوفر الكروم مقاومة للتأكسد ويحسن الموليبدينوم المقاومة للتآكل الناتج عن النقاط.

المميزات:
- مقاومة التآكل: مقاومة استثنائية لحمض الكبريتيك وغيره من البيئات التآكلية.
- قابلية التشكيل والصلابة: تحتفظ بخواصها الميكانيكية الجيدة حتى في درجات الحرارة المنخفضة.
- الملائمة للحام: مناسبة لعمليات اللحام المختلفة دون خطر كبير من التشقق.

القيود:
- التكلفة: يؤدي محتوى النيكل العالي إلى زيادة تكاليف المواد مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ القياسي.
- الصلابة الناتجة عن العمل: قد تكون من الصعب تشكيلها بسبب خصائص الصلابة الناتجة عن العمل.

تمتلك السبيكة 20 حضورًا مهمًا في صناعات مثل معالجة الكيميائيات والصناعات الدوائية وإنتاج الغذاء، حيث تكون مقاومة التآكل فيها بالغ الأهمية. تاريخيًا، كانت الخيار المفضل للتطبيقات التي تتضمن مواد كيميائية عدوانية، مما يجعلها عنصرًا أساسيًا في مجال علم المواد.

أسماء بديلة، معايير، ومكافئات

منظمة المعايير	التسمية/الدرجة	دولة/منطقة المنشأ	ملاحظات/تعليقات
UNS	N08020	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب مكافئ لـ AISI 316L ولكن مع مقاومة أفضل لحمض الكبريتيك.
ASTM	A387 Gr. 20	الولايات المتحدة الأمريكية	يستخدم لوعاء الضغط في البيئات التآكلية.
EN	2.4660	أوروبا	خصائص مشابهة ولكن قد تحتوي على اختلافات تركيبية طفيفة.
JIS	G 4305	اليابان	معادل لـ SUS 316L مع تحسين مقاومة التآكل.

تتواجد الاختلافات بين السبيكة 20 ومكافئاتها غالبًا في التركيب المحدد والأداء الناتج في بيئات معينة. على سبيل المثال، بينما توفر AISI 316L مقاومة جيدة للتآكل، فإن السبيكة 20 مصممة خصيصًا للأداء المتفوق في حمض الكبريتيك، مما يجعلها خيارًا أفضل لبعض التطبيقات.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

عنصر (الرمز)	نسبة المئوية (%)
النيكل (Ni)	19.0 - 21.0
الكروم (Cr)	19.0 - 21.0
الموليبدينوم (Mo)	2.0 - 3.0
الحديد (Fe)	الرصيد
الكربون (C)	≤ 0.03
المنغنيز (Mn)	≤ 2.0
السيليكون (Si)	≤ 1.0
الفوسفور (P)	≤ 0.045
الكبريت (S)	≤ 0.030

الدور الرئيسي للنيكل في السبيكة 20 هو تعزيز مقاومتها للتآكل واستقرار الهيكل الأستنيتي، بينما يساهم الكروم في مقاومة التأكسد. يعد الموليبدينوم فعالًا بشكل خاص في تحسين المقاومة للتآكل الناتج عن النقاط والشقوق، مما يجعل السبيكة 20 مناسبة للبيئات الكيميائية القاسية.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة	القيمة/النطاق النموذجي (مترية)	القيمة/النطاق النموذجي (إمبريالية)	معيار المرجعية
قوة الشد	مستقيم	620 - 750 ميجا باسكال	90 - 110 ksi	ASTM E8
قوة العائد (تغيير 0.2%)	مستقيم	310 - 450 ميجا باسكال	45 - 65 ksi	ASTM E8
الإطالة	مستقيم	40 - 50%	40 - 50%	ASTM E8
صلابة (روكويل ب)	مستقيم	85 - 95 HRB	85 - 95 HRB	ASTM E18
قوة الصدمة (تشربي)	-20 درجة مئوية	40 جول	30 قدم-رطل	ASTM E23

تجعل مجموعة من القوة العالية وقوة العائد، جنبًا إلى جنب مع الإطالة الجيدة، السبيكة 20 مناسبة للتطبيقات التي تتطلب كلًا من القوة والقابلية للتشكيل. تضمن قوتها على الصدمات عند درجات الحرارة المنخفضة موثوقية في البيئات الباردة، مما يجعلها خيارًا متعدد الاستخدامات لعديد من التطبيقات الهندسية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (مترية)	القيمة (إمبريالية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	8.0 جرام/سم³	0.289 رطل/بوصة³
درجة الانصهار	-	1370 - 1400 درجة مئوية	2500 - 2550 درجة فهرنهايت
التوصيل الحراري	درجة حرارة الغرفة	14 وات/م·ك	81 BTU·بوصة/قدم²·ساعة·درجة فهرنهايت
سعة الحرارة النوعية	درجة حرارة الغرفة	500 جول/كجم·ك	0.12 BTU/رطل·درجة فهرنهايت
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.7 ميكرو أوم·م	0.7 ميكرو أوم·بوصة

تشير كثافة السبيكة 20 إلى كتلها الكبيرة، مما يفيد في التطبيقات التي تتطلب المتانة. توصلها الحراري معتدل، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الحرارية دون فقدان حرارة مفرط. تشير سعتها الحرارية النوعية إلى أنها يمكن أن تمتص حرارة كبيرة دون تغييرات دراماتيكية في درجة الحرارة، وهو أمر مفيد في بيئات المعالجة الحرارية.

مقاومة التآكل

العامل التآكلي	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
حمض الكبريتيك	0 - 98	20 - 60	استثنائي	مقاومة عالية، تآكل ضئيل.
الكلوريدات	0 - 10	20 - 50	جيد	خطر التآكل عند التركيزات العالية.
حمض الأسيتيك	0 - 100	20 - 80	جيد	مقاوم بشكل عام، لكن ينبغي توخي الحذر في درجات الحرارة العالية.
مياه البحر	-	درجة حرارة محيطية	شبه جيد	عرضة للتآكل الموضعي.

تظهر السبيكة 20 مقاومة استثنائية لحمض الكبريتيك، مما يجعلها مثالية لتطبيقات معالجة الكيميائيات. ومع ذلك، من المهم أن نلاحظ أنه بينما تعمل بشكل جيد في العديد من البيئات، يمكن أن تكون عرضة للتآكل الموضعي في البيئات الغنية بالكلوريد، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة. بالمقارنة مع درجات مثل AISI 316L، تقدم السبيكة 20 أداءً متفوقًا في الظروف الحمضية لكنها قد لا تكون فعالة في البيئات القلوية.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
درجة حرارة الخدمة القصوى المستمرة	400 °C	752 °F	مناسبة للخدمة المستمرة في هذه الدرجة الحرارة.
درجة حرارة الخدمة القصوى المتقطعة	450 °C	842 °F	يمكن أن تتحمل درجات حرارة أعلى بشكل متقطع.
درجة حرارة التفلطح	600 °C	1112 °F	خطر التفلطح فوق هذه الدرجة الحرارة.

عند درجات الحرارة المرتفعة، تحافظ السبيكة 20 على خصائصها الميكانيكية ومقاومتها للتآكل، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب حرارة. ومع ذلك، يجب توخي الحذر لتجنب التعرض المطول لدرجات حرارة أعلى من 400 °C، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى التفلطح وتدهور الخصائص.

خصائص التصنيع

القدرة على اللحام

عملية اللحام	معدن التعبئة الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/فلكس الحماية النموذجي	ملاحظات
TIG	ERNiCr-3	أرجون	ممتاز للأجزاء الرقيقة.
MIG	ERNiCrMo-3	أرجون + CO2	جيد للأجزاء الأكثر سمكًا.
SMAW	E NiCrFe-3	-	مناسب للتطبيقات الميدانية.

السبيكة 20 قابلة للحام بدرجة عالية، مع خطر قليل من التشقق أثناء عمليات اللحام. عمومًا، لا يتطلب التسخين المسبق، لكن يمكن أن يزيد معالجة الحرارة بعد اللحام من خصائص التحام. يجب توخي الحذر عند اختيار المعادن المضافة المناسبة لضمان التوافق والأداء.

قابلية التشغيل

مؤشر التشغيل النسبي	السبيكة 20	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التشغيل النسبي	30%	100%	السبيكة 20 أكثر تحديًا في التشغيل.
سرعة القطع النموذجية (التحويل)	30 م/د	60 م/د	استخدم أدوات حادة واحتياطات مناسبة.

يمكن أن يكون تشغيل السبيكة 20 أكثر تحديًا من تشغيل الفولاذ الكربوني بسبب خصائص صلابة العمل. يفضل استخدام أدوات حادة وسرعات قطع مناسبة لتقليل تآكل الأدوات وتحقيق تشطيبات سطحية مرغوبة.

قابلية التشكيل

تظهر السبيكة 20 قابلية تشكيل جيدة، مما يسمح بعمليات التشكيل البارد والساخن. يمكن ثنيها وتشكيلها دون خطر كبير من التشقق، على الرغم من أنه يجب توخي الحذر لتجنب صلابة العمل المفرطة. يجب الالتزام بنصف القسوة الموصى بها، خاصة في تطبيقات التشكيل البارد.

معالجة الحرارة

عملية المعالجة	مدى درجة الحرارة (°C/°F)	زمن النقع النموذجي	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
التسخين بالحل	1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F	30 دقيقة	هواء	ذوبان الكربيدات، وتعزيز مقاومة التآكل.
تحرير الضغط	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 ساعة	هواء	تقليل الضغوط المتبقية.

تعد عمليات معالجة الحرارة مثل التسخين بالحل حاسمة لتحسين البنية المجهرية للسبيكة 20. تساعد هذه العملية على ذوبان الكربيدات وتعزز مقاومة السبيكة للتآكل، مما يضمن أداءً مثاليًا في البيئات العدوانية.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على تطبيق محدد	الخواص الفولاذية الرئيسية المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار
معالجة الكيميائيات	خزانات التخزين لحمض الكبريتيك	مقاومة التآكل، القوة	ضرورية للتعامل مع المواد الكيميائية العدوانية.
الصناعات الدوائية	المعدات في تصنيع الأدوية	قابلية النظافة، مقاومة التآكل	يضمن نقاء المنتج وسلامته.
معالجة الطعام	معدات المعالجة	مقاومة التآكل، النظافة	تلبية اللوائح الصحية الصارمة.

تشمل التطبيقات الأخرى:
- النفط والغاز: مكونات تتعرض للبيئات التآكلية.
- اللب والورق: معدات تتعامل مع عمليات اللب الحمضية.
- التطبيقات البحرية: مكونات في بيئات مياه البحر.

تم اختيار السبيكة 20 لهذه التطبيقات بسبب مقاومتها الفائقة للتآكل، خاصة في البيئات التي قد تفشل فيها الفولاذات المقاوم للصدأ الأخرى.

اعتبارات هامة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	السبيكة 20	AISI 316L	Hastelloy C-276	ملاحظة قصيرة حول المزايا/العيوب أو التبادل
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	قوة عالية	قوة معتدلة	قوة عالية	تقدم السبيكة 20 توازنًا بين القوة ومقاومة التآكل.
الجانب الرئيسي من مقاومة التآكل	استثنائي في الأحماض	جيد بشكل عام	استثنائي في البيئات القاسية	تتفوق السبيكة 20 في حمض الكبريتيك، بينما يعتبر Hastelloy أفضل للظروف المتطرفة.
قابلية اللحام	جيدة	ممتازة	جيدة	تعتبر السبيكة 20 مناسبة للعديد من عمليات اللحام.
قابلية التشغيل	معتدلة	جيدة	ضعيفة	السبيكة 20 أكثر تحديًا في التشغيل من 316L.
التكلفة النسبية التقريبية	مرتفعة	معتدلة	مرتفعة جدًا	تعتبر اعتبارات التكلفة ضرورية لميزانيات المشاريع.
الوفرة النموذجية	معتدلة	مرتفعة	منخفضة	قد تكون السبيكة 20 ذات فترات انتظار أطول مقارنة مع 316L.

عند اختيار السبيكة 20، تعتبر اعتبارات مثل التكلفة والوفرة ومتطلبات التطبيق المحددة حاسمة. تجعل خصائصها الفريدة منها مناسبة للتطبيقات المتخصصة، خصوصًا في البيئات التآكلية، بينما يجب تبرير تكلفتها الأعلى مقارنةً بالفولاذ المقاوم للصدأ القياسي من خلال احتياجات الأداء.

باختصار، تعتبر السبيكة 20 مادة متعددة الاستخدامات وفعالة للغاية للتطبيقات التي تتطلب مقاومة استثنائية للتآكل، خاصة في بيئات حمض الكبريتيك. تجعل خصائصها الميكانيكية، وقابلية اللحام، وقابلية التشكيل منها الخيار المفضل في العديد من الصناعات، على الرغم من تكلفتها الأعلى وتحديات التشغيل.