الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستينيتي: الخصائص والتطبيقات الرئيسية
شارك
Table Of Content
Table Of Content
الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيني هو فئة بارزة من الفولاذ المقاوم للصدأ تتميز ببنيتها البلورية المكعبة المتمركزة وجهاً (FCC)، والتي توفر متانة ومرونة ممتازتين. يتم سبيكة هذه الفئة من الفولاذ بشكل أساسي مع الكروم (عادةً 16-26%) والنيكل (8-22%)، مع إضافة عناصر أخرى مثل الموليبدينوم والمنغنيز والنيتروجين لتحسين خصائص معينة. الهيكل الأوستنيني مستقر عند جميع درجات الحرارة، مما يجعله غير مغناطيسي ويسمح له بالحفاظ على قوته ومتانته حتى عند درجات الحرارة المنخفضة جداً.
نظرة شاملة
تصنف الفولاذات المقاوم للصدأ الأوستنينية تحت سلسلة 300 من نظام تصنيف AISI، مع كون الدرجات الأكثر شيوعًا هي 304 و316. تُعرف هذه الفولاذات بمقاومتها الممتازة للتآكل، وقوة تحملها عند درجات الحرارة العالية، وقدرتها الجيدة على اللحام. تلعب العناصر الأساسية للسبائك، الكروم والنيكل، دورًا حاسمًا في تحديد خصائص الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيني. يوفر الكروم مقاومة للتآكل عن طريق تشكيل طبقة أكسيد خاملة، بينما يعزز النيكل المرونة والمتانة.
المزايا والقيود
| المزايا | القيود |
|---|---|
| مقاومة ممتازة للتآكل | قوة أقل مقارنةً ببعض درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأخرى |
| مرونة ومتانة عالية | عرضة لتشقق التآكل الناتج عن الاجهاد في بيئات معينة |
| قدرة جيدة على اللحام والتشكيل | تكلفة أعلى مقارنةً بالفولاذ الكربوني |
| خصائص غير مغناطيسية | قوة محدودة عند درجات الحرارة العالية مقارنةً بالدرجات الفيريتية |
يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيني على نطاق واسع في مختلف الصناعات، بما في ذلك معالجة المواد الغذائية، ومعالجة المواد الكيميائية، والبناء، بسبب مرونته وموثوقيته. تاريخياً، لعبت دوراً مهماً في تطوير تطبيقات الفولاذ المقاوم للصدأ الحديثة، وأصبحت النوع الأكثر استخدامًا من الفولاذ المقاوم للصدأ.
أسماء بديلة، معايير، ومكافئات
| المنظمة القياسية | التعيين/الدرجة | الدولة/المنطقة الأصلية | ملاحظات/تعليقات |
|---|---|---|---|
| UNS | S30400 | الولايات المتحدة الأمريكية | معروفة بشكل شائع بالفولاذ المقاوم للصدأ 304 |
| UNS | S31600 | الولايات المتحدة الأمريكية | معروفة بالفولاذ المقاوم للصدأ 316، مع الموليبدينوم لتحسين مقاومة التآكل |
| AISI/SAE | 304 | الولايات المتحدة الأمريكية | معادلة لـ UNS S30400 |
| AISI/SAE | 316 | الولايات المتحدة الأمريكية | معادلة لـ UNS S31600 |
| ASTM | A240 | الولايات المتحدة الأمريكية | مواصفات قياسية لألواح الفولاذ المقاوم للصدأ |
| EN | 1.4301 | أوروبا | معادلة لـ AISI 304 |
| EN | 1.4401 | أوروبا | معادلة لـ AISI 316 |
| JIS | SUS304 | اليابان | معيار ياباني لفولاذ 304 المقاوم للصدأ |
| JIS | SUS316 | اليابان | معيار ياباني لفولاذ 316 المقاوم للصدأ |
والجدير بالذكر أنه على الرغم من أن درجات مثل 304 و316 غالبًا ما يعتبر أنها متكافئة، إلا أن وجود الموليبدينوم في 316 يوفر مقاومة محسنة للتآكل الناتج عن المظاهر والشقوق، خاصة في البيئات المحتوية على الكلوريد. هذه التمييز مهم عند اختيار المواد لمشاريع بحرية أو معالجة كيميائية.
الخصائص الرئيسية
التركيب الكيميائي
| عنصر (الرمز والاسم) | نطاق النسبة (%) |
|---|---|
| C (الكربون) | 0.08 كحد أقصى |
| Cr (الكروم) | 18.0 - 20.0 |
| Ni (النيكل) | 8.0 - 10.5 |
| Mo (الموليبدينوم) | 0.0 - 3.0 (لـ 316) |
| Mn (المنغنيز) | 2.0 كحد أقصى |
| Si (السيليكون) | 1.0 كحد أقصى |
| P (الفوسفور) | 0.045 كحد أقصى |
| S (الكبريت) | 0.03 كحد أقصى |
| N (النيتروجين) | 0.10 كحد أقصى (لبعض الدرجات) |
الدور الرئيسي للكروم في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيني هو تعزيز مقاومة التآكل من خلال تشكيل طبقة أكسيد واقية. يساهم النيكل في مرونة الفولاذ ومتانته، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات. يتحسن الموليبدينوم، وخاصة في الدرجة 316، مقاومة للتآكل الناتج عن المظاهر والشقوق، خاصة في البيئات الغنية بالكلوريد.
الخصائص الميكانيكية
| الخاصية | الحالة/الحرارة | درجة حرارة الاختبار | القيمة/النطاق النموذجي (مترية) | القيمة/النطاق النموذجي (إمبريالية) | المعيار المرجعي لطريقة الاختبار |
|---|---|---|---|---|---|
| قوة الشد | مفكوك | درجة حرارة الغرفة | 520 - 720 ميجا باسكال | 75 - 104 كيلو باوند لكل بوصة مربعة | ASTM E8 |
| قوة الخضوع (التعويض 0.2%) | مفكوك | درجة حرارة الغرفة | 210 - 310 ميجا باسكال | 30 - 45 كيلو باوند لكل بوصة مربعة | ASTM E8 |
| التمدد | مفكوك | درجة حرارة الغرفة | 40 - 60% | 40 - 60% | ASTM E8 |
| الصلابة (روكويل ب) | مفكوك | درجة حرارة الغرفة | 70 - 90 HRB | 70 - 90 HRB | ASTM E18 |
| قوة التأثير (شاربي) | مفكوك | -196 °C | 40 - 100 جول | 30 - 75 قدم-رطل | ASTM E23 |
تجعل الخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيني مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب قوة ومرونة عالية. تسمح له elongation الممتازة وقوة التأثير بتحمل الأحمال الديناميكية والضغوط، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الهيكلية.
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | الحالة/درجة الحرارة | القيمة (مترية) | القيمة (إمبريالية) |
|---|---|---|---|
| الكثافة | درجة حرارة الغرفة | 7.93 غرام/سم³ | 0.286 رطل/بوصة³ |
| نقطة الانصهار | - | 1400 - 1450 °C | 2550 - 2642 °F |
| موصلية حرارية | درجة حرارة الغرفة | 16 واط/م·ك | 9.3 BTU·إنش/ساعة·قدماً²·°F |
| سعة الحرارة النوعية | درجة حرارة الغرفة | 500 جول/كغ·ك | 0.12 BTU/رطل·°F |
| المقاومة الكهربائية | درجة حرارة الغرفة | 0.72 ميكرو أوم·م | 0.000014 أوم·إنش |
| معامل التمدد الحراري | درجة حرارة الغرفة | 16 × 10⁻⁶/ك | 9 × 10⁻⁶/°F |
تساهم كثافة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيني في وزنه ونزاهته الهيكلية، بينما تعتبر موصلية الحرارية وسعة الحرارة النوعية عوامل حاسمة في التطبيقات التي تتضمن نقل الحرارة. يعد معامل التمدد الحراري Significant في التطبيقات التي من المتوقع أن تحدث تغيرات في درجة الحرارة، حيث يؤثر على الاستقرار الأبعاد للمكونات.
مقاومة التآكل
| العامل المسبب للتآكل | التركيز (%) | درجة الحرارة (°C) | تصنيف المقاومة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| الكلوريدات | 3-10 | 20-60 | مقبول | خطر تآكل السطح |
| حمض الكبريتيك | 10-30 | 20-40 | ضعيف | غير موصى به لتركيزات عالية |
| حمض الأسيتيك | 10-20 | 20-60 | جيد | مقاوم بشكل عام |
| مياه البحر | - | 20-40 | جيد | مقاومة ممتازة |
| الأمونيا | - | 20-60 | ممتاز | مقاوم جداً |
تظهر الفولاذات المقاوم للصدأ الأوستنينية مقاومة ممتازة لمجموعة واسعة من البيئات المسببة للتآكل، خاصة في الظروف الجوية والبحرية. ومع ذلك، قد تكون عرضة لتآكل السطح في البيئات الغنية بالكلوريد، مما يجعل اختيار المواد بعناية أمرًا حيويًا للتطبيقات في مثل هذه الظروف. مقارنةً بالفولاذات الفيريتية، توفر الدرجات الأوستنينية عمومًا مقاومة أفضل للتآكل، خاصة في البيئات الحمضية.
مقاومة الحرارة
| الخاصية/الحد | درجة الحرارة (°C) | درجة الحرارة (°F) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة | 800 | 1472 | ملائمة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية |
| أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة | 870 | 1598 | يمكن أن تتحمل التعرض القصير الأجل |
| درجة حرارة التسوس | 900 | 1652 | تبدأ في الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة |
| اعتبارات قوة الزحف | 600 | 1112 | تقل مقاومة الزحف فوق هذه الدرجة |
تحافظ الفولاذات المقاوم للصدأ الأوستنينية على قوتها ومتانتها عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، قد يؤدي التعرض المطول لدرجات الحرارة فوق 800 °C إلى الأكسدة والتسوس، مما قد يهدد نزاهة المادة.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
| عملية اللحام | معدن التعبئة الموصى به (تصنيف AWS) | غاز/فلكس الحماية النموذجي | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| TIG | ER308L | الارغون | جيد للأقسام الرقيقة |
| MIG | ER308L | الارغون + CO2 | ملائم للأقسام السميكة |
| SMAW | E308L | - | تتطلب تسخين مسبق للأقسام السميكة |
تتميز الفولاذات المقاوم للصدأ الأوستنينية بقدرتها العالية على اللحام، مع إمكانية تطبيق عمليات لحام متنوعة. قد يكون من الضروري التسخين المسبق للأقسام السميكة لتجنب التشقق. يمكن أن يحسن العلاج الحراري بعد اللحام الخصائص الميكانيكية ويخفف الإجهاد المتبقي.
قابلية التشغيل
| معامل التشغيل | الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيني | AISI 1212 (الأساس) | ملاحظات/نصائح |
|---|---|---|---|
| مؤشر قابلية التشغيل النسبي | 30-40% | 100% | يتطلب أدوات حادة ومواد تبريد |
| سرعة القطع النموذجية (الدوران) | 30-50 م/دقيقة | 80-100 م/دقيقة | يُنصح باستخدام أدوات كربيد لتحقيق أفضل النتائج |
يمكن أن تكون المعالجة الآلية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيني تحديًا بسبب خصائصه في العمل الصلب. تعتبر سرع القطع والأدوات المثلى ضرورية لتحقيق اللمسات النهائية المطلوبة والدقة الأبعاد.
قابلية التشكيل
تظهر الفولاذات المقاوم للصدأ الأوستنينية قابلية جيدة للتشكيل، مما يسمح بعمليات التشكيل البارد والساخن. يمكن ثنيها وتشكيلها بسهولة دون التشقق، رغم أنه يجب توخي الحذر لتجنب العمل