إضافة الكروم ، عادةً بحد أدنى 10.5٪ ، يضفي مقاومة تآكل ملحوظة على السبيكة ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في البيئات القاسية. يمكن إرجاع تطور الفولاذ المقاوم للصدأ إلى أوائل القرن العشرين ، مع اختراع 20-20 الفولاذ المقاوم للصدأ من قبل علماء المعادن الألمان بينو شتراوس وإدوارد مورير. منذ ذلك الحين ، تم تطوير العديد من أنواع ودرجات الفولاذ المقاوم للصدأ ، ولكل منها تركيبات كيميائية مميزة وخصائص فيزيائية مصممة لتطبيقات محددة. يتم تعزيز تنوع الفولاذ المقاوم للصدأ من خلال قابليته للحام وسهولة التصنيع ومجموعة واسعة من التشطيبات والمعالجات السطحية. علاوة على ذلك ، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ صديق للبيئة ، حيث أنه قابل لإعادة التدوير بدرجة عالية وله تأثير بيئي منخفض. أكثر درجات الفولاذ المقاوم للصدأ شيوعًا هي 7 و 304 ، والتي تختلف بشكل أساسي في محتوى الموليبدينوم ، مما يؤثر على مقاومتها للتآكل والتطبيقات (Strauss & Maurer ، 316XX ؛ Spotblue.com ، nd).

تاريخ وتطور الفولاذ المقاوم للصدأ

يعود تاريخ الفولاذ المقاوم للصدأ إلى أوائل القرن العشرين عندما اخترع عالما المعادن الألمان بينو شتراوس وإدوارد مورير أولاً مادة سابقة للفولاذ المقاوم للصدأ الحديث ، المعروف باسم الفولاذ المقاوم للصدأ 20-20. احتوت هذه السبيكة المبكرة على 7٪ من الكروم و 18٪ من النيكل ، مما أدى إلى تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ 8/18 المستخدم على نطاق واسع ، والمعروف أيضًا باسم الفولاذ المقاوم للصدأ 8. أدت إضافة الكروم والنيكل إلى السبائك القائمة على الحديد إلى تحسين مقاومتها للتآكل بشكل كبير ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات المختلفة في صناعات مثل البناء والسيارات والفضاء. على مر السنين ، أدت التطورات في علم المعادن إلى تطوير العديد من درجات الفولاذ المقاوم للصدأ ، ولكل منها خصائص فريدة مصممة لتطبيقات محددة. على سبيل المثال ، أدت إضافة الموليبدينوم لإنتاج 304 فولاذ مقاوم للصدأ إلى زيادة مقاومة التآكل ، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في البيئات القاسية. اليوم ، يظل الفولاذ المقاوم للصدأ مادة حيوية في مختلف الصناعات نظرًا لتعدد استخداماته ومتانته ومقاومته للتآكل (Strauss and Maurer ، 316 ؛ المنتدى الدولي للفولاذ المقاوم للصدأ ، 1912).

أنواع ودرجات الفولاذ المقاوم للصدأ

الفولاذ المقاوم للصدأ مادة متعددة الاستخدامات مع مجموعة واسعة من التطبيقات نظرًا لمزيجها الفريد من الخصائص ، بما في ذلك مقاومة التآكل والقوة والليونة. يوجد أكثر من 150 نوعًا ودرجة مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ ، والتي يمكن تصنيفها على نطاق واسع إلى خمس مجموعات: الأوستنيتي ، والحديد ، والمارتينسيتي ، والمزدوج ، والمتصلب بالترسيب. يعتبر الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ ، مثل الدرجات 304 و 316 ، الأكثر استخدامًا نظرًا لقابليته الممتازة للتشكيل ومقاومة التآكل. يُعرف الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي ، مثل الصف 430 ، بمقاومته الجيدة للتآكل وخصائصه المغناطيسية ، ولكنه يتمتع بقوة أقل وليونة. يوفر الفولاذ المرتنزيتي المقاوم للصدأ ، مثل درجة 420 ، قوة وصلابة عالية ولكن لديه مقاومة تآكل أقل. يجمع الفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين ، مثل درجة 2205 ، بين خصائص الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والحديد ، مما يوفر قوة عالية ومقاومة ممتازة للتآكل. يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ الذي يصلب بالترسيب ، مثل 17-4 PH ، مزيجًا فريدًا من القوة العالية ومقاومة التآكل من خلال المعالجة الحرارية. يحتوي كل نوع ودرجة من الفولاذ المقاوم للصدأ على خصائص محددة تجعله مناسبًا لمختلف التطبيقات ، من أدوات المطبخ إلى مكونات الفضاء (ASM International ، 2017 ؛ المنتدى الدولي للفولاذ المقاوم للصدأ ، 2021).

التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ

يختلف التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ حسب الدرجة والنوع المحددين. بشكل عام ، يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على 10.5٪ من الكروم على الأقل ، مما يضفي عليه خصائص مقاومة التآكل. الدرجة الأكثر شيوعًا ، 304 الفولاذ المقاوم للصدأ ، تتكون من 18٪ كروم و 8٪ نيكل ، ومن هنا اسمها البديل ، 18/8 الفولاذ المقاوم للصدأ. تشمل العناصر الأخرى الموجودة في الفولاذ المقاوم للصدأ الكربون والمنغنيز والسيليكون والفوسفور والكبريت والنيتروجين. في بعض الدرجات ، تتم إضافة عناصر إضافية مثل الموليبدينوم أو التيتانيوم أو النيوبيوم لتعزيز خصائص معينة. على سبيل المثال ، تعمل إضافة 2-3٪ من الموليبدينوم في الفولاذ المقاوم للصدأ 316 على تحسين مقاومته للتآكل والتآكل الشقوق في بيئات الكلوريد. يتم تنظيم التركيب الكيميائي الدقيق للفولاذ المقاوم للصدأ وفقًا لمعايير دولية مختلفة ، مثل ASTM و AISI و EN ، لضمان الجودة والأداء المتسقين عبر التطبيقات المختلفة (Strauss & Maurer ، 2018 ؛ ASTM International ، 2020 ؛ اللجنة الأوروبية للتوحيد القياسي ، 2017 ).

الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ

تعتبر الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ من العوامل الحاسمة التي تحدد مدى ملاءمتها للتطبيقات المختلفة. يُظهر الفولاذ المقاوم للصدأ قوة عالية ، ليونة ، وصلابة ، والتي تمكنه من تحمل الظروف القاسية ومقاومة التشوه. كثافة الفولاذ المقاوم للصدأ 304 ، على سبيل المثال ، هي 7,930 كجم / م 3 (0.286 رطل / بوصة 3) (المادة العالمية). قوة الخضوع عند 0.2٪ بحد أدنى 30 ksi (205 ميجا باسكال) ، في حين أن قوة شدها بحد أدنى 75 ksi (515 MPa) (المادة العالمية). هذه الخصائص تجعل الفولاذ المقاوم للصدأ مادة مثالية للبناء والسيارات وصناعات الطيران.

علاوة على ذلك ، يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ بخصائص حرارية ممتازة ، مثل التمدد الحراري المنخفض والتوصيل الحراري العالي ، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. تعتبر مقاومته للتآكل خاصية مهمة أخرى ، حيث يمكنه تحمل التعرض لمختلف البيئات المسببة للتآكل ، بما في ذلك المحاليل الحمضية والقلوية والكلوريد. ترجع هذه المقاومة بشكل أساسي إلى وجود الكروم ، والذي يشكل طبقة أكسيد سلبية على السطح ، مما يحمي المادة من المزيد من التآكل. يمكن أن تؤدي إضافة عناصر أخرى ، مثل النيكل والموليبدينوم ، إلى تعزيز مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ ، كما يتضح من المقارنة بين الدرجتين 304 و 316 (بقعة زرقاء). بشكل عام ، تجعل الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ مادة متعددة الاستخدامات وموثوقة لمجموعة واسعة من التطبيقات.

مقاومة التآكل والتطبيقات

تُعزى مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل بشكل أساسي إلى محتواه من الكروم ، والذي يشكل طبقة أكسيد سلبية على السطح عند تعرضه للأكسجين. تمنع هذه الطبقة الواقية المزيد من الأكسدة والتآكل ، مما يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ مادة مثالية لمختلف التطبيقات. تختلف مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل حسب درجته وتركيبه الكيميائي. على سبيل المثال ، يتم استخدام الدرجة 304 ، التي تحتوي على 18٪ كروم و 8٪ نيكل ، على نطاق واسع نظرًا لمقاومتها الممتازة للتآكل في بيئات مختلفة (Strauss & Maurer ، nd). من ناحية أخرى ، توفر الدرجة 316 ، مع إضافة 2-3٪ موليبدينوم ، مقاومة معززة لتآكل الكلوريد ، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات المعالجة البحرية والكيميائية (Spotblue.com، nd).

أدت مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل إلى استخدامه على نطاق واسع في العديد من الصناعات ، بما في ذلك البناء والسيارات والفضاء والصناعات الطبية. في البناء ، يتم استخدامه للمكونات الهيكلية ، والكسوة ، والسقوف ، بينما في صناعة السيارات ، يتم استخدامه لأنظمة العادم ، وخزانات الوقود ، ومكونات القطع. يستخدم قطاع الطيران الفولاذ المقاوم للصدأ لمكونات الطائرات ، ويستخدمه المجال الطبي للأدوات الجراحية ، والغرسات ، والمعدات (المنتدى الدولي للفولاذ المقاوم للصدأ ، 2021).

عملية إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ

تتضمن عملية إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ عدة مراحل ، بدءًا من ذوبان المواد الخام ، مثل خام الحديد والكروم والنيكل وعناصر السبائك الأخرى. يتم صهر هذه المواد معًا في فرن القوس الكهربائي (EAF) أو محول نزع الكربنة بالأكسجين من الأرجون (AOD) ، مما ينتج عنه خليط مصهور من الفولاذ المقاوم للصدأ. يتم بعد ذلك تكرير الفولاذ المصهور لإزالة الشوائب وتحقيق التركيب الكيميائي المطلوب (Lefebvre et al. ، 2016).

بعد عملية التكرير ، يتم صب الفولاذ المصهور في أشكال نصف منتهية ، مثل الألواح ، أو الإزهار ، أو القضبان ، والتي يتم دلفتها على الساخن إلى منتجات مسطحة أو طويلة. تخضع هذه المنتجات لمزيد من المعالجة ، بما في ذلك الدرفلة على البارد ، والتليين ، والتخليل ، لتحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة وإنهاء السطح (Davis ، 1994). أخيرًا ، يتم قطع وتشكيل وتصنيع منتجات الفولاذ المقاوم للصدأ إلى مكونات وهياكل مختلفة ، مثل الأنابيب والألواح والقضبان ، لاستخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات (Sedriks ، 1996).

باختصار ، تتضمن عملية إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ صهر المواد الخام ، وتكرير الفولاذ المصهور ، والصب في أشكال نصف منتهية ، والدرفلة على الساخن والبارد ، والتليين ، والتخليل ، والتصنيع. تضمن هذه العملية المعقدة أن يعرض الفولاذ المقاوم للصدأ الخصائص المطلوبة ، مثل مقاومة التآكل والقوة والليونة ، مما يجعله مادة متعددة الاستخدامات وقيمة في العديد من الصناعات.

لحام وتصنيع الفولاذ المقاوم للصدأ

يتضمن لحام وتصنيع الفولاذ المقاوم للصدأ سلسلة من العمليات لمعالجة المواد إلى الأشكال والهياكل المرغوبة. تبدأ عملية التصنيع بقطع الفولاذ المقاوم للصدأ إلى أبعاد محددة ، والتي يمكن تحقيقها من خلال طرق مختلفة مثل القطع بالليزر أو القطع بالبلازما أو القطع بنفث الماء. بمجرد قطع المادة ، يتم تشكيلها بعد ذلك بالشكل المطلوب باستخدام تقنيات مثل الثني أو الدحرجة أو الختم.

يعتبر اللحام خطوة حاسمة في عملية التصنيع ، حيث أنه يجمع مكونات الفولاذ المقاوم للصدأ معًا. هناك العديد من طرق اللحام المستخدمة للفولاذ المقاوم للصدأ ، بما في ذلك لحام القوس بالتنغستن بالغاز (GTAW) ولحام القوس المعدني بالغاز (GMAW) ولحام القوس المعدني المحمي (SMAW). كل طريقة لها مزاياها وقيودها ، اعتمادًا على عوامل مثل نوع وسماكة الفولاذ المقاوم للصدأ ، وجودة اللحام المطلوبة ، والتطبيق المحدد. قد تكون معالجات ما بعد اللحام ، مثل المعالجة الحرارية أو التخليل ، ضرورية لتعزيز مقاومة التآكل والخصائص الميكانيكية لمكونات الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة. في النهاية ، يعتمد اختيار تقنيات اللحام والتصنيع على المتطلبات المحددة للمشروع وخبرة المصنِّع (ASM International ، 1999 ؛ Davis ، 1994).

التشطيبات والمعالجات السطحية

تتوفر أنواع مختلفة من التشطيبات والمعالجات للأسطح للفولاذ المقاوم للصدأ لتحسين مظهره ومقاومته للتآكل والأداء العام. يمكن تصنيف هذه التشطيبات على نطاق واسع إلى معالجات ميكانيكية وكيميائية. تشمل التشطيبات الميكانيكية عمليات مثل الطحن والتلميع والتنظيف بالفرشاة ، والتي تغير نسيج السطح ومظهره. على سبيل المثال ، اللمسة النهائية رقم 4 هي تشطيب مصقول شائع يوفر سطحًا أملسًا غير عاكس. من ناحية أخرى ، تشمل المعالجات الكيميائية تطبيق المواد الكيميائية أو العمليات الكهروكيميائية لتعديل خصائص السطح. التخميل ، على سبيل المثال ، هو معالجة كيميائية تزيل الملوثات السطحية وتشكل طبقة أكسيد واقية ، وبالتالي تحسين مقاومة التآكل.

المعالجة الكيميائية الأخرى المستخدمة على نطاق واسع هي التلميع الكهربائي ، والتي تعمل على تنعيم السطح وإشراقه عن طريق إزالة طبقة رقيقة من المواد. لا تعمل هذه العملية على تحسين المظهر فحسب ، بل تعمل أيضًا على تحسين مقاومة التآكل وتنظيف الفولاذ المقاوم للصدأ. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تطبيق الطلاءات المتخصصة ، مثل السيراميك أو الأفلام القائمة على البوليمر ، لزيادة تحسين أداء ومتانة الفولاذ المقاوم للصدأ في تطبيقات محددة. في الختام ، يعتمد اختيار تشطيب السطح ومعالجته على المتطلبات الجمالية والوظيفية والبيئية المطلوبة للمنتج النهائي (ASM International، 2013؛ British Stainless Steel Association، nd).

التأثير البيئي وإعادة تدوير الفولاذ المقاوم للصدأ

يعد التأثير البيئي لإنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ منخفضًا نسبيًا مقارنة بالمواد الأخرى ، حيث يتطلب موارد طبيعية أقل ويولد نفايات أقل. تتضمن عملية الإنتاج استخدام الخردة المعدنية ، والتي تمثل ما يقرب من 60٪ من مدخلات المواد الخام ، مما يقلل الحاجة إلى التعدين واستخراج المواد الخام (صندوق الشركات الناشئة والمؤسسات الصغيرة والمتوسطة الابتكارية ، 2021). علاوة على ذلك ، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ قابل لإعادة التدوير بدرجة كبيرة ، مع معدل إعادة تدوير يقدر بأكثر من 85٪ (Eurofer ، 2020). تساهم قابلية إعادة التدوير العالية هذه في الاقتصاد الدائري ، حيث يمكن إعادة استخدام المواد عدة مرات دون خسارة كبيرة في الجودة أو الأداء.

ومع ذلك ، فإن عملية الإنتاج لا تنبعث منها غازات الدفيئة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى الطبيعة كثيفة الاستهلاك للطاقة لصهر المعدن وتنقيته. وتشمل الجهود المبذولة للتخفيف من هذه الانبعاثات استخدام مصادر الطاقة المتجددة وتطبيق تقنيات موفرة للطاقة في مرافق الإنتاج. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل الصناعة باستمرار على تحسين ممارسات إدارة النفايات وتقليل البصمة البيئية لإنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ (ISSF ، 2021).

في الختام ، في حين أن إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ له بعض التأثير البيئي ، فإن قابلية إعادة التدوير العالية والتزام الصناعة بالممارسات المستدامة يساهمان في تقليل هذه التأثيرات.

معايير ومواصفات الفولاذ المقاوم للصدأ

تعتبر معايير ومواصفات الفولاذ المقاوم للصدأ ضرورية لضمان جودة المواد وأدائها وأمانها في مختلف التطبيقات. يتم تطوير هذه المعايير والحفاظ عليها من قبل منظمات مثل الجمعية الأمريكية للاختبارات والمواد (ASTM) والمنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO) واللجنة الأوروبية للتوحيد القياسي (CEN). على سبيل المثال ، تحدد ASTM A240 و A276 مواصفات ألواح وألواح وقضبان الفولاذ المقاوم للصدأ ، بينما توفر ISO 15510 التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ للاستخدام العام.

درجات مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ ، مثل 304 و 316 ، لها معايير ومواصفات محددة بناءً على تركيبها الكيميائي ، وخصائصها الميكانيكية ، ومقاومتها للتآكل. تساعد هذه المعايير المصنعين والمصنعين والمستخدمين النهائيين على اختيار الدرجة المناسبة من الفولاذ المقاوم للصدأ لمتطلباتهم الخاصة. علاوة على ذلك ، يضمن الالتزام بهذه المعايير أن أداء المواد متسق وموثوق به في مختلف الصناعات ، بما في ذلك البناء والسيارات والفضاء وتصنيع المعدات الطبية.

في الختام ، تلعب معايير ومواصفات الفولاذ المقاوم للصدأ دورًا مهمًا في الحفاظ على جودة وأداء المواد ، مما يتيح استخدامها على نطاق واسع في تطبيقات متنوعة (ASTM ، 2021 ؛ ISO ، 2021 ؛ CEN ، 2021).

مقارنة درجات الفولاذ المقاوم للصدأ: 304 مقابل 316

درجات الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و 316 كلاهما من سبائك الكروم والنيكل الأوستنيتي ، مع الاختلاف الأساسي هو إضافة الموليبدينوم في الدرجة 316. هذه الإضافة من 2-3٪ موليبدينوم تعزز مقاومة التآكل لـ 316 ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في البيئات الأكثر قسوة ، مثل الصناعات البحرية والكيميائية. في المقابل ، فإن الدرجة 304 ، التي تحتوي على 18٪ كروم و 8٪ نيكل ، تستخدم بشكل أكثر شيوعًا في تطبيقات الأغراض العامة نظرًا لتكلفتها المنخفضة ومقاومتها الكافية للتآكل.

تختلف الخصائص الميكانيكية لهذين النوعين أيضًا ، حيث يُظهر 316 قوة أعلى ومقاومة زحف أفضل في درجات الحرارة المرتفعة. مقاومة الخضوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 عند 0.2٪ بحد أدنى 30 ksi (205 ميجا باسكال) ، في حين أن مقاومة الشد هي 75 ksi (515 MPa) كحد أدنى. من ناحية أخرى ، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ 316 لديه قوة خضوع أعلى وقوة شد ، مما يجعله أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب أداء ميكانيكيًا أعلى. ومع ذلك ، من الضروري مراعاة المتطلبات المحددة لكل تطبيق عند اختيار درجة الفولاذ المقاوم للصدأ المناسبة ، حيث قد تؤثر عوامل مثل التكلفة والتوافر وطرق التصنيع أيضًا على القرار (Strauss & Maurer، nd؛ Spotblue.com، nd) .