فولاذ إنفار: الخصائص والتطبيقات الرئيسية المفسرة

صلب إنفار، المعروف أيضًا باسم سبائك الحديد والنيكل، هو نوع خاص من الصلب يتكون بشكل أساسي من الحديد والنيكل، وعادة ما يحتوي على حوالي 36% نيكل. تصنيف هذا التركيب الفريد يجعل إنفار سبائك ذات تمدد منخفض، مما يجعله ذا قيمة خاصة في التطبيقات التي تتطلب استقرارًا أبعادياً كبيراً. يؤثر العنصر السبائكي الأساسي، وهو النيكل، بشكل كبير على خصائص تمدد المادة الحرارية، مما يؤدي إلى معامل تمدد حراري يقارب الصفر ضمن نطاق حرارة معين.

نظرة شاملة

تتضمن الخصائص الأكثر أهمية لإنفار استقراره الأبعاد الاستثنائي، ومعدل تمدده الحراري المنخفض، وخصائصه الميكانيكية الجيدة في درجة حرارة الغرفة. تجعل هذه الصفات منه مثاليًا للأدوات الدقيقة، وتطبيقات الطيران، والمكونات التي تتطلب دقة أبعاد عالية.

مزايا صلب إنفار:
- تمدد حراري منخفض: الميزة الرئيسية لإنفار هي تمدده الحراري الأدنى، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي يمكن أن تؤدي تقلبات الحرارة فيها إلى تغييرات أبعاد كبيرة.
- قابلية جيدة للتصنيع: يمكن معالجة إنفار بدقة عالية، وهو أمر ضروري في هندسة الدقة.
- قوة عالية: يحتفظ بقدرته الجيدة على التحمل والمتانة في درجة حرارة الغرفة.

قيود صلب إنفار:
- التكلفة: محتوى النيكل العالي يجعل إنفار أكثر تكلفة من الفولاذ القياسي.
- أداء محدود عند درجات حرارة عالية: بينما يعمل بشكل جيد عند درجة حرارة الغرفة، يمكن أن تتدهور خصائصه الميكانيكية عند درجات حرارة مرتفعة.
- مقاومة التآكل: إنفار ليس مقاومًا للتآكل مثل بعض الفولاذ المقاوم للصدأ، مما قد يقيد استخدامه في بيئات معينة.

تاريخيًا، تم تطوير إنفار في أواخر القرن التاسع عشر ومنذ ذلك الحين وجد تطبيقات في مجالات متنوعة، بما في ذلك الطيران، وأدوات القياس الدقيقة، والأجهزة العلمية، نظرًا لخصائصه الفريدة.

أسماء بديلة، معايير، ونظراء

منظمة المعايير	التسمية/الدرجة	الدولة/المنطقة الأصلية	ملاحظات/تعليقات
UNS	K93600	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب مثيل لإنفار 36
ASTM	A 320	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة قياسية لإنفار
EN	1.3912	أوروبا	اختلافات طفيفة في التركيب ينبغي الانتباه لها
JIS	G 4303	اليابان	مكافئ لإنفار 36 مع بعض الاختلافات الطفيفة
GB	0Cr18Ni9	الصين	خصائص مشابهة لكن مقاومة تآكل مختلفة

في عمود 'ملاحظات/تعليقات'، من المهم تسليط الضوء على أنه على الرغم من أن هذه الدرجات غالبًا ما تعتبر مكافئة، إلا أن الفروق الطفيفة في التركيب يمكن أن تؤثر على الأداء، خصوصًا في التمدد الحراري ومقاومة التآكل.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

عنصر (الرمز والاسم)	نسبة التركيب (%)
Fe (الحديد)	الباقي
Ni (النيكل)	36.0 - 38.0
C (الكربون)	0.03 كحد أقصى
Mn (المنغنيز)	0.5 كحد أقصى
Si (السيليكون)	0.5 كحد أقصى
S (الكبريت)	0.01 كحد أقصى
P (الفوسفور)	0.01 كحد أقصى

الدور الرئيسي للنيكل في إنفار هو تقليل معامل التمدد الحراري، وهو أمر حاسم للتطبيقات التي تتطلب استقرارًا أبعادياً عاليًا. يساعد الكربون، على الرغم من كمياته القليلة، في تعزيز قوة السبيكة، في حين يساهم المنغنيز والسيليكون في المتانة العامة وقابلية التصنيع.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	درجة حرارة الاختبار	القيمة/النطاق النموذجي (المترية - وحدات SI)	القيمة/النطاق النموذجي (الوحدات الإمبراطورية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مخلوطة	درجة حرارة الغرفة	480 - 600 MPa	70 - 87 ksi	ASTM E8
قوة العائد (0.2% اضافة)	مخلوطة	درجة حرارة الغرفة	220 - 350 MPa	32 - 51 ksi	ASTM E8
التمدد	مخلوطة	درجة حرارة الغرفة	30 - 40%	30 - 40%	ASTM E8
الصلابة (روكويل B)	مخلوطة	درجة حرارة الغرفة	80 - 90 HRB	80 - 90 HRB	ASTM E18
قوة التأثير (شاربي)	مخلوطة	-20°C	30 J	22 ft-lbf	ASTM E23

تشكيل هذه الخصائص الميكانيكية يجعل إنفار مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومتانة، خصوصًا تحت ظروف التحميل الميكانيكي. يتم تعويض قوته العائدة المنخفضة مقارنة بالمركبات عالية القوة باستقرار أبعاده الممتاز.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (المترية - وحدات SI)	القيمة (الوحدات الإمبراطورية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	8.0 g/cm³	0.289 lb/in³
نقطة الانصهار	-	1450 °C	2642 °F
موصلية حرارية	درجة حرارة الغرفة	13 W/m·K	75 BTU·in/h·ft²·°F
القدرة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	0.46 kJ/kg·K	0.11 BTU/lb·°F
مقاومة كهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.5 µΩ·m	0.5 µΩ·in
معامل التمدد الحراري	20-100 °C	1.2 x 10⁻⁶ /K	0.67 x 10⁻⁶ /°F

يعد معامل التمدد الحراري المنخفض ذا أهمية كبيرة للتطبيقات المتعلقة بالأدوات الدقيقة، حيث يمكن أن تؤدي التغييرات البسيطة في الأبعاد إلى أخطاء كبيرة.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكليوريدات	3%	25°C / 77°F	عادلة	خطر النقر
حمض الكبريتيك	10%	20°C / 68°F	ضعيف	غير موصى به
حمض النيتريك	20%	25°C / 77°F	جيد	مقاوم بشكل عام
ماء البحر	-	25°C / 77°F	عادلة	خطر تآكل موضعي

يظهر إنفار مقاومة معتدلة للتآكل، خصوصًا في البيئات الحمضية. إنه عرضة للنقر في البيئات الغنية بالكلوريد، مما يجعله أقل ملائمة للتطبيقات البحرية مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ. عند مقارنته بدرجات مثل AISI 304 أو AISI 316، تكون مقاومة إنفار للتآكل inferior، خصوصًا في البيئات الغنية بالكلوريد، حيث يبرع الفولاذ المقاوم للصدأ.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة للخدمة المستمرة	300 °C	572 °F	قد تتدهور الخصائص فوق هذه الدرجة
أقصى درجة حرارة للخدمة المتقطعة	400 °C	752 °F	تعرض قصير فقط
درجة حرارة القشور	600 °C	1112 °F	خطر الأكسدة

يحافظ إنفار على خصائصه الميكانيكية حتى درجات الحرارة المعتدلة، ولكن بعد 300 °C، يمكن أن يتعرض لتدهور كبير. مقاومته للأكسدة محدودة، ويجب اتخاذ الحيطة في التطبيقات عالية الحرارة لتجنب القشور.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملحق الموصى به (تصنيف AWS)	الغاز/الفلكس الحامي النموذجي	ملاحظات
TIG	ERNi-1	أرجون	من المستحسن التسخين المسبق
MIG	ERNi-1	أرجون	قد يكون من الضروري معالجة حرارية بعد اللحام

بشكل عام، يمكن لحام إنفار باستخدام عمليات TIG وMIG، ولكن يُوصى غالبًا بالتسخين المسبق لتقليل خطر التشقق. يمكن أن تساعد المعالجة الحرارية بعد اللحام في تخفيف الضغوط وتحسين سلامة اللحام العامة.

قابلية التصنيع

معامل التصنيع	صلب إنفار	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التصنيع النسبي	50%	100%	يتطلب سرعات أبطأ
سرعة القطع النموذجية (التدوير)	30 m/min	60 m/min	استخدم أدوات كربيد

يمتلك إنفار قابلية تصنيع معتدلة، تتطلب سرعات قطع أبطأ وأدوات متخصصة لتحقيق نتائج مثالية. يمكن أن يؤدي وجود النيكل إلى تآكل الأدوات، مما يستدعي اختيارًا دقيقًا لمعاملات القطع.

قابلية التشكيل

يظهر إنفار قابلية جيدة للتشكيل، سواء في عمليات التشكيل البارد أو الساخن. ومع ذلك، بسبب خصائصه في تصلب العمل، يجب التحكم بعناية في عملية التشكيل لتجنب التشقق. يجب أن تكون أشعة الانحناء أكبر من تلك المستخدمة عادة للفولاذ القياسي لاستيعاب خصائصه الفريدة.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجات الحرارة (°C/°F)	وقت النقع النموذجي	طريقة التبريد	الغرض الرئيسي / النتيجة المتوقعة
التسخين المسبق	800 - 1000 °C / 1472 - 1832 °F	1 - 2 ساعة	هواء	تليين، تحسين الليونة
علاج الحل	1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F	ساعة واحدة	ماء	توحيد البنية الدقيقة

يمكن أن تؤدي عمليات المعالجة الحرارية مثل التسخين المسبق إلى تغيير كبير في البنية الدقيقة لإنفار، مما يعزز ليونته وقابليته للتصنيع. يمكن أن تؤدي التحولات المعدنية أثناء هذه المعالجات إلى توزيع أكثر انتظامًا للمراحل، وهو أمر حاسم للحفاظ على الخصائص المطلوبة.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	الخصائص الرئيسية للصلب المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (بإيجاز)
الطيران	مكونات الطائرات	تمدد حراري منخفض، قوة عالية	الدقة والاستقرار
القياس	أدوات قياس دقيقة	استقرار أبعاد، قابلية تصنيع	الدقة في القياسات
الإلكترونيات	دوائر كهربائية	تمدد حراري منخفض، خصائص كهربائية	استقرار تحت تغيرات الحرارة
العلمية	معدات المختبر	مقاومة التآكل، تمدد منخفض	موثوقية في التجارب

تشمل التطبيقات الأخرى:
- الأجهزة البصرية
- الساعات والمشغلات
- أدوات عالية الدقة

يتم اختيار إنفار لهذه التطبيقات بسبب تمدده الحراري المنخفض، وهو أمر حاسم في البيئات التي يمكن أن تؤدي فيها تقلبات الحرارة إلى أخطاء قياس كبيرة.

اعتبارات مهمة ومعايير الاختيار وأفكار إضافية

الميزة/الخاصية	صلب إنفار	AISI 304	AISI 316	ملاحظة إيجابية/سلبية أو تعويض مختصر
الميزة الميكانيكية الرئيسية	معتدلة	عالية	عالية	إنفار أقل قوة من الفولاذ المقاوم للصدأ
الجوانب الرئيسية للتآكل	عادلة	ممتازة	ممتازة	إنفار أقل مقاومة للكلوريدات
قابلية اللحام	معتدلة	جيدة	جيدة	يتطلب إنفار اعتبارات خاصة
قابلية التصنيع	معتدلة	عالية	عالية	يتطلب إنفار سرعات أبطأ
قابلية التشكيل	جيدة	ممتازة	ممتازة	لإنفار متطلبات انحناء محددة
التكلفة التقريبية النسبية	عالية	معتدلة	معتدلة	محتوى النيكل في إنفار يدفع التكلفة
التوافر النموذجي	محدود	عالي	عالي	إنفار أقل توفرًا بشكل شائع

عند اختيار إنفار لتطبيق معين، يجب وزن اعتبارات مثل التكلفة، والتوافر، والخصائص الميكانيكية والحرارية المحددة المطلوبة مقابل البدائل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ. تجعل الخصائص الفريدة لإنفار منه لا يقدر بثمن في التطبيقات المتخصصة، خصوصًا في هندسة الدقة وقطاع الطيران، حيث يكون استقرار الأبعاد أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك، فإن تكلفته العالية ومقاومته المحدودة للتآكل مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ قد تقيد استخدامه في تطبيقات أكثر عمومية.