الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10: الخصائص والتطبيقات الرئيسية
شارك
Table Of Content
Table Of Content
الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10، المعروف أيضًا باسم AISI 304، هو درجة من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يُستخدم على نطاق واسع ويتميز بمقاومته الممتازة للتآكل وسهولة تشكيله. يتكون بشكل أساسي من الحديد والكروم (18%) والنيكل (10%)، والتي تسهم في خصائصه الفريدة. المحتوى من الكروم يعزز مقاومة التآكل من خلال تشكيل طبقة أكسيد سلبية على السطح، بينما يُحسن النيكل من اللدونة والصلابة، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
نظرة شاملة
ينتمي الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 إلى عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، المعروفة بخواصها غير المغناطيسية ومقاومتها العالية للتآكل. تلعب العناصر السبائكية الرئيسية، الكروم والنيكل، دورًا حاسمًا في تحديد خصائصه. يوفر الكروم مقاومة للأكسدة والتآكل، بينما يُستقر النيكل الهيكل الأوستنيتي، مما يُعزز من صلابة المادة ولدنتها.
الخصائص الرئيسية:
- مقاومة ممتازة للتآكل في مجموعة متنوعة من البيئات.
- خصائص ميكانيكية جيدة، بما في ذلك قوة شد عالية ولدونة.
- غير مغناطيسي في الحالة المعالجة حراريًا.
- قابلية جيدة لللحام والتشكيل.
المزايا:
- مقاومة عالية للتآكل الناتج عن النقاط والشقوق.
- مناسبة لمجموعة واسعة من درجات الحرارة والبيئات.
- تطبيقات متعددة في مختلف الصناعات، بما في ذلك معالجة المواد الغذائية، والصناعات الدوائية، والبناء.
القيود:
- عرضة للتآكل الناتج عن الإجهاد في بيئات الكلوريد.
- قوة أقل مقارنة ببعض درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأخرى، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي.
- غير مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية التي تتجاوز 870 درجة مئوية (1600 درجة فهرنهايت).
تاريخيًا، كان الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 حجر الزاوية في تطوير تطبيقات الفولاذ المقاوم للصدأ منذ تقديمه في أوائل القرن العشرين. يجعل استخدامه الواسع وتوفره اختيارًا شائعًا للمهندسين والمصممين.
أسماء بديلة، معايير، ومعادلات
| المنظمة القياسية | التصنيف/الدرجة | البلد/المنطقة الأصلية | ملاحظات/تعليقات |
|---|---|---|---|
| UNS | S30400 | الولايات المتحدة الأمريكية | معادل قريب لـ AISI 304 |
| AISI/SAE | 304 | الولايات المتحدة الأمريكية | تصنيف مستخدم بشكل شائع |
| ASTM | A240 | الولايات المتحدة الأمريكية | مواصفة معيارية لألواح الفولاذ المقاوم للصدأ |
| EN | 1.4301 | أوروبا | تصنيف معادل في أوروبا |
| DIN | X5CrNi18-10 | ألمانيا | تركيبة مشابهة مع اختلافات طفيفة |
| JIS | SUS304 | اليابان | معيار الصناعة اليابانية المعادل |
| GB | 06Cr19Ni10 | الصين | تصنيف معادل صيني |
| ISO | 304 | دولي | تصنيف معياري دولي |
ملاحظات/تعليقات: بينما يُعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 غالبًا ما يعادل درجات أخرى مثل AISI 316، من المهم ملاحظة أن 316 يحتوي على الموليبدينوم، الذي يعزز بشكل كبير من مقاومته للتآكل، خاصة في بيئات الكلوريد. يمكن أن تؤثر هذه الاختلافات على اختيار المواد بناءً على متطلبات التطبيق المحددة.
الخصائص الأساسية
التركيب الكيميائي
| عنصر (الرمز والاسم) | نطاق النسبة (%) |
|---|---|
| Fe (الحديد) | الرصيد |
| Cr (الكرووم) | 18.0 - 20.0 |
| Ni (النيكل) | 8.0 - 12.0 |
| C (الكربون) | ≤ 0.08 |
| Mn (المنغنيز) | ≤ 2.0 |
| Si (السيليكون) | ≤ 1.0 |
| P (الفوسفور) | ≤ 0.045 |
| S (الكبريت) | ≤ 0.03 |
دور العناصر السبائكية الرئيسية:
- الكروم (Cr): يُعزز مقاومة التآكل ويشكل طبقة أكسيد واقية.
- النيكل (Ni): يُحسن الصلابة واللدونة، مستقرًا الهيكل الأوستنيتي.
- الكربون (C): يؤثر على الصلابة والقوة؛ يقلل من محتوى الكربون من احتمال التعرض للتآكل بين الحبيبات.
خصائص ميكانيكية
| الخاصية | الحالة/الحرارة | القيمة/النطاق النموذجي (Metric - SI Units) | القيمة/النطاق النموذجي (Imperial Units) | المعيار المرجعي لطريقة الاختبار |
|---|---|---|---|---|
| قوة الشد | معالجة حراريًا | 520 - 750 MPa | 75 - 110 ksi | ASTM E8 |
| قوة العائد (إنحراف 0.2%) | معالجة حراريًا | 215 - 310 MPa | 31 - 45 ksi | ASTM E8 |
| التمدد | معالجة حراريًا | 40 - 50% | 40 - 50% | ASTM E8 |
| تقليل المساحة | معالجة حراريًا | 60 - 70% | 60 - 70% | ASTM E8 |
| الصلابة (روكويل ب) | معالجة حراريًا | 70 - 90 HRB | 70 - 90 HRB | ASTM E18 |
| قوة التأثير (تشاري) | -20°C (-4°F) | 40 J | 30 ft-lbf | ASTM E23 |
تفسير الخصائص الميكانيكية: تجعل الخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 مناسبًا لتطبيقات تتطلب قوة جيدة ولدونة. تشير نسبة التمدد العالية إلى قابليته الجيدة للتشكيل، مما يسمح بتشكيله إلى أشكال متنوعة دون حدوث تشققات. تضمن قوة العائد أنه يمكنه تحمل أحمال كبيرة دون تغيير دائم، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الإنشائية.
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | الحالة/درجة الحرارة | القيمة (Metric - SI Units) | القيمة (Imperial Units) |
|---|---|---|---|
| الكثافة | درجة حرارة الغرفة | 7.93 g/cm³ | 0.286 lb/in³ |
| نقطة/نطاق الانصهار | - | 1400 - 1450 °C | 2552 - 2642 °F |
| القدرة على التوصيل الحراري | درجة حرارة الغرفة | 16 W/m·K | 9.3 BTU·in/h·ft²·°F |
| قدرة الحرارة النوعية | درجة حرارة الغرفة | 500 J/kg·K | 0.12 BTU/lb·°F |
| المقاومة الكهربائية | درجة حرارة الغرفة | 0.72 µΩ·m | 0.0000013 Ω·in |
| معامل التمدد الحراري | 20 - 100 °C | 16.0 x 10⁻⁶ /K | 8.9 x 10⁻⁶ /°F |
| النفاذية المغناطيسية | درجة حرارة الغرفة | غير مغناطيسي | غير مغناطيسي |
أهمية الخصائص الفيزيائية: تجعل كثافة الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 خفيف الوزن نسبيًا، مما يجعله ميزة في التطبيقات التي تكون فيها الوزن أمرًا مهمًا. يسمح توصيله الحراري بتبديل الحرارة بشكل فعال، مما يجعله مناسبًا للمبادلات الحرارية. الخاصية غير المغناطيسية هي أمر حاسم في التطبيقات التي يجب فيها تقليل التداخل المغناطيسي، مثل المعدات الإلكترونية.
مقاومة التآكل
| المادة المسببة للتآكل | التركيز (%) | درجة الحرارة (°C/°F) | تصنيف المقاومة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| الكلوريدات | 3-10 | 20-60 °C (68-140 °F) | متوسط | عرضة للتآكل الناتج عن النقاط |
| حمض الكبريتيك | 10-30 | 20-40 °C (68-104 °F) | جيد | يتطلب التمرير السطحي |
| حمض الأسيتيك | 5-20 | 20-60 °C (68-140 °F) | جيد | مقاوم بشكل عام |
| مياه البحر | - | محیطی | ممتاز | مقاوم للغاية |
| الجو | - | محیطی | ممتاز | تشكل طبقة أكسيد واقية |
سرد مقاومة التآكل: يظهر الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 مقاومة ممتازة لمجموعة واسعة من البيئات التآكلية، مما يجعله اختيارًا مفضلًا لتطبيقات معالجة المواد الغذائية، ومعالجة المواد الكيميائية، والبيئات البحرية. ومع ذلك، فإنه عرضة للتآكل الناتج عن النقاط في البيئات الغنية بالكلوريد، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة. بالمقارنة مع AISI 316، الذي يحتوي على الموليبدينوم من أجل تعزيز المقاومة للكلوريدات، قد لا يعمل 18-10 بشكل جيد في ظروف تآكلية للغاية. في المقابل، يتفوق على الفولاذ الكربوني وبعض درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأقل جودة في معظم البيئات.
مقاومة الحرارة
| الخاصية/الحد | درجة الحرارة (°C) | درجة الحرارة (°F) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة المستمرة | 870 °C | 1600 °F | ملائم للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية |
| الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة المنقطعة | 925 °C | 1700 °F | تعرض قصير الأمد فقط |
| درجة حرارة التمعدن | 600 °C | 1112 °F | خطر الأكسدة بعد هذه الدرجة |
| تبدأ الاعتبارات المتعلقة بقوة الزحف | 600 °C | 1112 °F | قد يصبح الزحف مهمًا |
سرد مقاومة الحرارة: يحتفظ الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 بخصائصه الميكانيكية عند درجات حرارة مرتفعة، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات مثل المبادلات الحرارية ومكونات الأفران. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التعرض الطويل لدرجات حرارة تتجاوز 870 °C (1600 °F) إلى الأكسدة والتقشر، مما قد يضعف من سلامته. من الضروري مراعاة هذه العوامل في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية لتجنب الفشل المبكر.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
| عملية اللحام | الفلز المضاف الموصى به (تصنيف AWS) | الغاز/الفلور السدائي النموذجي | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| لحام TIG | ER308L | أرجون | نتائج جيدة مع التقنية الصحيحة |
| لحام MIG | ER308L | خليط أرجون/CO2 | يتطلب التحكم الدقيق في الحرارة |
| لحام بالعيار | E308L | - | ملائم للأجزاء السميكة |
يعد لحام الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 عادةً بسيطًا بفضل قابليته الجيدة للحام. لا يتطلب عادةً التسخين المسبق، ولكن التحكم في إدخال الحرارة أمر حاسم لتفادي التشوه وضمان لحام قوي. قد تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام ضرورية لتخفيف الجهود وتحسين مقاومة التآكل.
قابلية الآلة
| معلمة التشغيل | فولاذ 18-10 المقاوم للصدأ | فولاذ AISI 1212 (فولاذ مرجعي) | ملاحظات/نصائح |
|---|---|---|---|
| مؤشر قابلية التشغيل النسبي | 30% | 100% | يتطلب سرعات أبطأ وأعلاف أعلى |
| السرعة القطعية النموذجية (الدوران) | 30-50 م/دقيقة | 100-150 م/دقيقة | استخدم أدوات كربيد لتحقيق أفضل النتائج |
يمكن أن تكون عملية تشغيل الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 تحديًا بسبب خصائصه المتمثلة في صلابة العمل. من المستحسن استخدام أدوات حادة وسرعات قطع مناسبة لتقليل تآكل الأدوات وتحقيق إنهاء جيد للسطح.
قابلية التشكيل
يظهر الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 قابلية تشكيل ممتازة، مما يسمح بعمليات التشكيل البارد والساخن. تتيح لدونته العالية ثنيه وتشكيله دون حدوث تشققات، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات تتطلب أشكالًا معقدة. ومع ذلك، يجب توخي الحذر لتفادي الصلابة المفرطة، مما قد يؤدي إلى صعوبات في المعالجة اللاحقة.
معالجة حرارية
| عملية المعالجة | نطاق درجة الحرارة (°C/°F) | المدة الزمنية النموذجية للنقع | طريقة التبريد | الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة |
|---|---|---|---|---|
| التسخين | 1010 - 1120 °C (1850 - 2050 °F) | 1-2 ساعة | هواء أو ماء | تخفيف الضغوط، تحسين اللدونة |
| معالجة الحل | 1000 - 1100 °C (1832 - 2012 °F) | 30 دقيقة | التبريد السريع | استقرار الهيكل الأوستنيتي |
التحولات المعدنية: أثناء التسخين، يخضع الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 لتحول يخفف الجهود الداخلية ويُعزز من اللدونة. تذوب معالجة الحل الكربيدات وغيرها من الرواسب، مما يعزز هيكلًا دقيقًا موحدًا يُعزز مقاومة التآكل والخصائص الميكانيكية.
التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية
| الصناعة/القطاع | مثال على تطبيق محدد | خصائص الفولاذ الرئيسية المستخدمة في هذا التطبيق | سبب الاختيار (بإيجاز) |
|---|---|---|---|
| معالجة المواد الغذائية | معدات المطبخ | مقاومة التآكل، سهولة التنظيف | النظافة والمتانة |
| الصناعات الدوائية | المعدات والأنابيب | مقاومة التآكل، عدم التفاعل | السلامة والامتثال |
| البناء | الواجهات المعمارية | الجاذبية الجمالية، مقاومة الطقس | طول العمر والمظهر |
| معالجة المواد الكيميائية | خزانات التخزين | مقاومة التآكل، القوة | السلامة في التعامل مع المواد الكيميائية |
| التطبيقات البحرية | مكونات القوارب | مقاومة التآكل في مياه البحر | المتانة في البيئات القاسية |
- تشمل التطبيقات الأخرى:
- مكونات السيارات
- الأجهزة الطبية
- المبادلات الحرارية
- الأوعية الضاغطة
شرح التطبيق: يُختار الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 لمعدات معالجة المواد الغذائية بفضل مقاومته الممتازة للتآكل وسهولة تنظيفه، اللذان هما أمران حاسمان للحفاظ على معايير النظافة. في التطبيقات الدوائية، يضمن عدم تفاعله أنه لا يلوث المنتجات الحساسة. تُعد الجاذبية الجمالية والمتانة لهذا الفولاذ خيارات شائعة في التطبيقات المعمارية، في حين أن قوته ومقاومته للتآكل تعد ضرورية في معالجة المواد الكيميائية والبيئات البحرية.
اعتبارات مهمة، معايير الاختيار، ورؤية إضافية
| الميزة/الخاصية | فولاذ 18-10 المقاوم للصدأ | فولاذ 316 المقاوم للصدأ | الفولاذ الكربوني | ملاحظة مختصرة حول المزايا والعيوب أو مقارنة |
|---|---|---|---|---|
| الخاصية الميكانيكية الرئيسية | لدونة جيدة | قوة أعلى | متفاوتة | يقدم 316 مقاومة أفضل للتآكل |
| الجوانب الرئيسية للتآكل | متوسطة في الكلوريدات | ممتازة في الكلوريدات | ضعيفة | يفضل 316 في البيئات البحرية |
| قابلية اللحام | جيدة | جيدة | ممتازة | يكون 18-10 أسهل في اللحام في الأقسام الرقيقة |
| قابلية التشغيل | متوسطة | متوسطة | عالية | الفولاذ الكربوني أسهل في التشغيل |
| قابلية التشكيل | ممتازة | جيدة | متفاوتة | تكون 18-10 أكثر لدونة من العديد من الفولادات الكربونية |
| التكلفة النسبية التقريبية | متوسطة | أعلى | أقل | 18-10 فعّال من حيث التكلفة للعديد من التطبيقات |
| توفر النمطية | عالي | متوسط | عالي | 18-10 متاح على نطاق واسع في أشكال متنوعة |
المناقشة: عند اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10، تشتمل الاعتبارات على توازنه بين مقاومة التآكل، الخصائص الميكانيكية، والفعالية من حيث التكلفة. بينما هو مناسب للعديد من التطبيقات، قد تكون البدائل مثل AISI 316 ضرورية في البيئات شديدة التآكل. إن توفر الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 في أشكال متنوعة يجعله خيارًا عمليًا للمهندسين والمصممين. علاوة على ذلك، تعزز خصائصه غير المغناطيسية وجاذبيته الجمالية من desirability له في التطبيقات المتخصصة.
في الختام، يظل الفولاذ المقاوم للصدأ 18-10 مادة متعددة الاستخدامات ومستخدمة على نطاق واسع في مختلف الصناعات، بفضل دمجه الفريد من الخصائص التي تلبي متطلبات التطبيقات الهندسية الحديثة.