هو الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدية?

السؤال الأساسي في علوم المواد والتطبيقات الصناعية هو: هو الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدية? الجواب يتوقف على تعريف المعادن الحديدية وفهم تفصيلي للتركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ, الهيكل البلوري, ومعايير تصنيف المواد.

في جوهرها, الفولاذ المقاوم للصدأ هو أ سبائك حديدية- يحتوي على الحديد (الحديد) كمكون أساسي، ومع ذلك فهو الكروم الفريد (كر) المحتوى يميزه عن الفولاذ الكربوني والحديد الزهر, ومنحها مقاومة التآكل التي أحدثت ثورة في الصناعات من البناء إلى الأجهزة الطبية.

1. ماذا تعني كلمة "الحديدية" في هندسة المواد

في الهندسة والمعادن هذا المصطلح فيروس يشير إلى المعادن والسبائك التي المكون الأساسي هو الحديد.

تشمل المواد الحديدية النموذجية الفولاذ المطاوع, يلقي الحديد, الحديد المطاوع والسبائك القائمة على الحديد مثل الفولاذ المقاوم للصدأ.

على النقيض من ذلك, غير محرك المعادن هي تلك التي عنصرها الأساسي ليس الحديد (أمثلة: الألومنيوم, نحاس, التيتانيوم, سبائك ذات قاعدة النيكل).

النقطة الرئيسية: التصنيف تركيبي (على أساس الحديد) بدلا من وظيفية (على سبيل المثال, هل يصدأ؟?"). الفولاذ المقاوم للصدأ عبارة عن سبائك قائمة على الحديد، وبالتالي تقع بشكل مباشر في عائلة الحديد.

2. لماذا يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ حديديًا - التركيب والمعايير

• الحديد هو عنصر التوازن. يتكون الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد كعنصر المصفوفة; تتم إضافة عناصر صناعة السبائك الأخرى للحصول على الخصائص المطلوبة.
  تحتوي الدرجات الصناعية النموذجية على أ غالبية الحديد مع الكروم, النيكل, الموليبدينوم والعناصر الأخرى موجودة كإضافات صناعة السبائك المتعمدة.
• متطلبات الكروم. التعريف الفني القياسي للفولاذ المقاوم للصدأ هو سبيكة تحتوي على الحديد على الأقل ≈10.5% كروم بالكتلة, الذي يضفي السلبي, فيلم سطح مقاوم للتآكل (cr₂o₃).
  يتم تدوين عتبة الكروم هذه في المعايير السائدة (على سبيل المثال, مجموعة وثائق ASTM/ISO).
• تصنيف المعايير. تصنف المعايير الدولية الفولاذ المقاوم للصدأ على أنه فولاذ (أي., سبائك أساسها الحديد).
  بالنسبة للمشتريات والاختبار، يتم التعامل معها ضمن إطار معايير المواد الحديدية (التحليل الكيميائي, الاختبارات الميكانيكية, إجراءات المعالجة الحرارية وما إلى ذلك).

باختصار: غير القابل للصدأ = سبيكة أساسها الحديد تحتوي على كمية كافية من الكروم للتخميل; وبالتالي غير القابل للصدأ = الحديدية.

3. الكيمياء النموذجية – الدرجات التمثيلية

يوضح الجدول التالي الكيمياء التمثيلية لتوضيح أن الحديد هو المعدن الأساسي (القيم هي نطاقات نموذجية; تحقق من أوراق بيانات التقدير لمعرفة حدود المواصفات الدقيقة).

"التوازن" يعني أن باقي السبيكة عبارة عن حديد بالإضافة إلى العناصر النزرة.

4. الهياكل البلورية وفئات البنية المجهرية - لماذا البنية ≠ غير الحديدية

يتم تقسيم الفولاذ المقاوم للصدأ من الناحية المعدنية حسب تركيبها البلوري السائد في درجة حرارة الغرفة:

• الأوستنيتي (γ-لجنة الاتصالات الفيدرالية) — على سبيل المثال, 304, 316. غير مغناطيسية في حالة صلب, صلابة ممتازة ومقاومة للتآكل, ارتفاع النيكل يستقر الأوستينيت.
• الحديدي (α-BCC) — على سبيل المثال, 430. مغناطيسي, صلابة أقل في درجات حرارة منخفضة للغاية, مقاومة جيدة للتشقق الناتج عن الإجهاد والتآكل في بعض البيئات.
• مارتنسيتي (BCT مشوهة / مارتنسيت) — على سبيل المثال, 410, 420. تصلب عن طريق المعالجة الحرارية; تستخدم لأدوات المائدة, الصمامات والأعمدة.
• دوبلكس (خليط أ + ج) - الفريت والأوستينيت المتوازن لتحسين القوة ومقاومة الكلوريد.

مهم: تصف هذه الاختلافات في البنية البلورية ترتيب الذرات, وليس العنصر الأساسي.

بغض النظر عن كونها الأوستنيتي, الحديدي أو المارتنسيتي, يبقى الفولاذ المقاوم للصدأ على أساس الحديد السبائك — وبالتالي الحديدية.

5. التمييز الوظيفي: "المقاوم للصدأ" لا يعني "غير حديدي" أو "غير مغناطيسي"

• يشير مصطلح "المقاوم للصدأ" إلى مقاومة التآكل الناتجة عن السلبية الناتجة عن الكروم (فيلم cr₂o₃). إنه كذلك لا تغيير حقيقة أن المعدن يعتمد على الحديد.
• السلوك المغناطيسي لا مؤشر موثوق للتكوين الحديدية: بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي تكون في الأساس غير مغناطيسية في الحالة الصلبة, لكنها لا تزال سبائك حديدية. قد تصبح متغيرات العمل البارد أو النيكل الأقل مغناطيسية.
• سلوك التآكل (مقاومة "الصدأ") يعتمد على محتوى الكروم, البنية المجهرية, البيئة وحالة السطح - وليس على التصنيف الحديدي/غير الحديدي وحده.

6. الممارسة الصناعية وآثار اختيار المواد

• المواصفات والمشتريات. يتم تحديد الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام معايير ودرجات الفولاذ (أستم, في, هو, غيغابايت, إلخ.).
  الاختبارات الميكانيكية, تأهيل إجراءات اللحام, والمعالجة الحرارية تتبع ممارسات المعادن الحديدية.
• اللحام والتصنيع. يتطلب الفولاذ المقاوم للصدأ نفس الاحتياطات الأساسية مثل المعادن الحديدية الأخرى (التسخين المسبق/التسخين اللاحق حسب الدرجة, السيطرة على الكربون لتجنب التحسس في سلسلة 300, اختيار معدن الحشو المتوافق).
• المغناطيس و NDT. NDT القائم على المغناطيسي (جسيم ماج) يعمل مع درجات الحديد/المارتنسيت ولكن ليس مع الدرجات الأوستنيتي بالكامل ما لم يتم تقويتها بالعمل; تعد اختبارات الموجات فوق الصوتية واختبارات اختراق الصبغة شائعة بين العائلات.
• تصميم: يستغل المهندسون عائلات مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ لتلبية احتياجات محددة (الأوستنيتي لقابلية التشكيل ومقاومة التآكل; الحديد حيث يجب التقليل من النيكل; مزدوج للقوة العالية ومقاومة الكلوريد).

7. مزايا الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي

يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديديك عائلة مهمة ضمن عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ.

وهي سبائك ذات أساس حديدي تتميز بوجود مكعب مركزي في الجسم (α-الحديد) هيكل بلوري في درجة حرارة الغرفة ومحتوى عالي نسبيًا من الكروم مع القليل من النيكل أو بدونه.

مقاومة التآكل في البيئات المؤكسدة والعدوانية بشكل معتدل

• تحتوي الحديديك عادة على ~12-30% كروم, الذي ينتج أكسيد الكروم المستمر (cr₂o₃) فيلم سلبي. وهذا يعطي مقاومة عامة جيدة للتآكل والأكسدة في الهواء, العديد من البيئات الجوية وبعض وسائط العمليات العدوانية إلى حد ما.
• إنهم يؤدون أداءً جيدًا بشكل خاص حيث تكسير الإجهاد والتآكل بالكلوريد (SCC) هو مصدر قلق: الدرجات الحديديك هي أقل عرضة للإصابة بـ SCC الناجم عن الكلوريد من العديد من الدرجات الأوستنيتي,
  مما يجعلها مناسبة لبعض التطبيقات البتروكيماوية والبحرية حيث يجب تقليل مخاطر SCC.

كفاءة التكلفة واقتصاد السبائك

• لأن الدرجات الحديديك تحتوي على القليل أو لا يوجد النيكل, هم أقل حساسية لتقلبات أسعار النيكل وبشكل عام انخفاض التكلفة من الأوستنيتي (ني تحمل) الفولاذ المقاوم للصدأ لمقاومة التآكل المكافئة في العديد من البيئات.
  تعتبر ميزة التكلفة هذه مهمة بالنسبة للتطبيقات كبيرة الحجم أو الحساسة للسعر.

الاستقرار الحراري ومقاومة الكربنة/التقصف عند درجة حرارة مرتفعة

• الحفاظ على الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي الهياكل الحديدية الدقيقة المستقرة على نطاق واسع من درجات الحرارة وهي أقل عرضة للحساسية (ترسيب كربيد الكروم بين الحبيبات) من الأوستنيتي.
• العديد من الحديديك لديهم مقاومة جيدة للأكسدة في درجات الحرارة العالية وتستخدم في أنظمة العادم, أسطح المبادلات الحرارية وغيرها من تطبيقات درجات الحرارة المرتفعة.
  بعض الدرجات الحديدية (على سبيل المثال, 446, 430) تم تحديدها للخدمة المستمرة في درجات حرارة مرتفعة لأنها تشكل قشور أكسيد متينة.

انخفاض معامل التمدد الحراري (مرض الاعتلال الدماغي المزمن)

• قيم CTE النموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد هي ≈10–12 × 10⁻⁶ / درجة مئوية, أقل بكثير من الدرجات الأوستنيتي المشتركة (≈16–18 × 10⁻⁶ / درجة مئوية).
• يقلل التمدد الحراري المنخفض من التشوه الحراري وضغوط عدم التطابق عندما تقترن الحديد بمواد منخفضة التمدد أو تستخدم في الخدمة الدورية ذات درجة الحرارة العالية (أنظمة العادم, مكونات الفرن).

الموصلية الحرارية أفضل

• الدرجات الحديدية لها عموما الموصلية الحرارية أعلى (تقريبا 20-30 واط/م·ك) من الدرجات الأوستنيتي (~15–20 وات/م·ك).
  يعتبر تحسين نقل الحرارة مفيدًا في أنابيب المبادل الحراري, مكونات الفرن وتطبيقاته حيث يكون إزالة الحرارة بسرعة أمرًا مرغوبًا فيه.

الخصائص المغناطيسية والفائدة الوظيفية

• الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي هو مغناطيسي في الدولة الصلب. هذه ميزة عندما تكون الاستجابة المغناطيسية مطلوبة (المحركات, التدريع المغناطيسي, أجهزة الاستشعار) أو عند الفصل المغناطيسي, يعد الفحص والمناولة جزءًا من عملية التصنيع/التجميع.

مقاومة جيدة للتآكل واستقرار السطح

• تظهر بعض الدرجات الحديدية مقاومة جيدة للتآكل والأكسدة والحفاظ على تشطيب السطح في الأجواء المؤكسدة ذات درجات الحرارة المرتفعة.
  هذا يجعلها مناسبة مشعبات العادم, مكونات المداخن, والعناصر المعمارية الزخرفية التي تواجه ركوب الدراجات الحرارية.

التصنيع والتشكيل (الجوانب العملية)

• تقدم العديد من السبائك الحديدية ليونة كافية وقابلية التشكيل لأعمال الألواح والشرائط ويمكن تشكيلها على البارد دون نفس درجة الزنبرك المرتبطة بالسبائك ذات القوة الأعلى.
  عندما يكون الرسم العميق أو التشكيل المعقد مطلوبًا, اختيار الصف المناسب (انخفاض الكروم, المزاج الأمثل) يعطي نتائج جيدة.
• بسبب البنية المجهرية الحديدية البسيطة, الحديديك لا تتطلب التلدين بمحلول ما بعد اللحام لاستعادة مقاومة التآكل بنفس الطريقة التي تفعلها أحيانًا الأوستنيتات الحساسة للحساسية - على الرغم من أن التحكم في إجراءات اللحام لا يزال مهمًا.

القيود ومحاذير الاختيار

يجب أن تعترف الرؤية الهندسية المتوازنة بالقيود حتى لا يتم إساءة استخدام المواد:

• صلابة أقل في درجات حرارة منخفضة للغاية: تمتلك الحديديك بشكل عام صلابة تأثير أقل في درجات الحرارة المبردة من الأوستنيتيات.
  تجنب استخدام الحديد في التطبيقات الهيكلية الحرجة ذات درجات الحرارة المنخفضة ما لم تكن مؤهلة على وجه التحديد.
• قيود قابلية اللحام: بينما اللحام روتيني, نمو الحبوب وهشاشتها يمكن أن يحدث في الحديديات عالية الكروم إذا لم يتم التحكم في إدخال الحرارة وتبريد ما بعد اللحام;
  تعاني بعض الحديديات من سلوك هش في المنطقة المتأثرة بالحرارة ما لم يتم استخدام الإجراءات المناسبة.
• انخفاض القابلية للتشكيل لبعض الدرجات عالية الكروم: محتوى الكروم العالي للغاية يمكن أن يقلل من الليونة والقابلية للتشكيل; يجب أن يتطابق اختيار الدرجة مع عمليات التشكيل.
• ليس متفوقًا عالميًا في تأليب الكلوريد: على الرغم من أن الحديد يقاوم SCC, تأليب / تأليب المقاومة في البيئات العدوانية الحاملة للكلوريد غالبًا ما يتم التعامل معها بشكل أفضل باستخدام الأوستنيتيات ذات المولية العالية أو الدرجات المزدوجة;
  تقييم تأليب المقاومة أرقام مكافئة (خشب) حيث يكون التعرض للكلوريد كبيرًا.

8. مقارنة مع البدائل غير الحديدية

عندما يفكر المهندسون في استخدام مواد للتطبيقات المقاومة للتآكل, الفولاذ المقاوم للصدأ هو الاختيار الحديدي الرائد.

لكن, المعادن والسبائك غير الحديدية (آل, سبائك النحاس, ل, سبائك ني القاعدة, ملغ, الزنك) غالبًا ما يتنافسون على الوزن, الموصلية, مقاومة التآكل محددة, أو قابلية المعالجة.

9. الاستدامة وإعادة التدوير

• قابلية إعادة التدوير: يعد الفولاذ المقاوم للصدأ من بين أكثر المواد الهندسية المعاد تدويرها; يتم دمج الخردة بسهولة في المصهورات الجديدة ذات المحتوى المعاد تدويره العالي.
• دورة الحياة: عمر الخدمة الطويل والصيانة المنخفضة غالبًا ما يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ اقتصاديًا, اختيار منخفض التأثير على مدى عمر المكون على الرغم من التكلفة الأولية المرتفعة مقارنة بالفولاذ الكربوني العادي.
• الرموز البيئية والانتعاش: يستخدم إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ بشكل متزايد أفران القوس الكهربائي والمواد الأولية المعاد تدويرها لتقليل كثافة الطاقة والانبعاثات.

10. مفاهيم مغلوطة وتوضيحات

• "غير قابل للصدأ" ≠ "مقاوم للصدأ إلى الأبد". في ظل الظروف القاسية (تكسير الإجهاد والتآكل بالكلوريد, أكسدة درجة حرارة عالية, الهجمات الحمضية, تآكل الشق, إلخ.), الفولاذ المقاوم للصدأ يمكن أن يتآكل; فهي لا تصبح غير حديدية بحكم كونها مقاومة للصدأ.
• مغناطيسي ≠ حديدي: عدم المغناطيسية في بعض درجات الفولاذ المقاوم للصدأ لا يجعلها غير حديدية. السمة المميزة هي الكيمياء القائمة على الحديد, وليس الاستجابة المغناطيسية.
• سبائك النيكل العالية مقابل الفولاذ المقاوم للصدأ: بعض السبائك ذات قاعدة النيكل (إنكونيل, هاستيلوي) هي مواد غير حديدية وتستخدم في حالة فشل الفولاذ المقاوم للصدأ; فهي ليست من "الفولاذ المقاوم للصدأ" حتى لو كانت مقاومة للتآكل بالمثل.

11. خاتمة

الفولاذ المقاوم للصدأ هو فيروس المواد حسب التركيب والتصنيف. فهي تجمع بين الحديد كعنصر أساسي مع الكروم وعناصر صناعة السبائك الأخرى لإنشاء سبائك تقاوم التآكل في العديد من الظروف.

هيكل كريستال (الأوستنيتي, الحديدي, مارتنسيتي, دوبلكس) يحدد الخصائص الميكانيكية والمغناطيسية, ولكن ليست الحقيقة الأساسية وهي أن الفولاذ المقاوم للصدأ يعتمد على الحديد.

ولذلك، ينبغي عند اختيار المواد التعامل مع الفولاذ المقاوم للصدأ كعضو في عائلة الحديد واختيار عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ والدرجة المناسبة لتتناسب مع بيئة الخدمة, متطلبات التصنيع وأهداف دورة الحياة.

 

الأسئلة الشائعة

هل خاصية "الفولاذ المقاوم للصدأ" التي يتميز بها الفولاذ المقاوم للصدأ تعني أنه ليس معدنًا حديديًا?

تنبع الخاصية "المقاومة للصدأ" للفولاذ المقاوم للصدأ من طبقة سلبية كثيفة من أكسيد الكروم (cr₂o₃) تتشكل على السطح عندما يكون محتوى الكروم ≥10.5%; هذا لا علاقة له بمحتوى الحديد.

بغض النظر عن سلوكه المقاوم, طالما أن الحديد هو المكون الأساسي, يتم تصنيف المادة على أنها أ فيروس معدن.

هل يفقد الفولاذ المقاوم للصدأ طبيعته الحديدية عند درجات الحرارة المرتفعة؟?

يتم تحديد التصنيف كمعدن حديدي حسب التركيب الكيميائي, لا درجة الحرارة.

حتى لو حدثت تحولات الطور عند درجة حرارة عالية (على سبيل المثال, درجة الأوستنيتي تتحول إلى الفريت عند درجة حرارة مرتفعة), يبقى العنصر الأساسي الحديد, لذلك يبقى معدن حديدي.

هل تؤثر مغناطيسية الفولاذ المقاوم للصدأ على ما إذا كان حديديًا؟?

ترتبط المغناطيسية بالبنية البلورية: عادةً ما يكون الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد والمارتنسيتي مغناطيسيًا, في حين أن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الملدن عادة ما يكون غير مغناطيسي.

لكن, المغناطيسية هي لا معيار كونها حديدية - محتوى الحديد هو. ما إذا كانت درجة الفولاذ المقاوم للصدأ مغناطيسية أم لا, إذا كان الحديد هو العنصر الرئيسي فهو معدن حديدي.

هل ترتبط إمكانية إعادة تدوير الفولاذ المقاوم للصدأ بطبيعته الحديدية؟?

نعم. لأن الفولاذ المقاوم للصدأ يعتمد على الحديد, يشبه تيار إعادة التدوير الخاص به المعادن الحديدية الأخرى.

تتم إعادة صهر الخردة غير القابلة للصدأ بسهولة; يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ بمعدلات إعادة تدوير عالية جدًا وعادةً ما تكون طاقة إعادة التدوير جزءًا صغيرًا (بنسبة 20-30%) من طاقة الإنتاج الأولية.

وهذا يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ مادة قيمة لتطبيقات الاقتصاد المستدام والدائري.

إذا تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي في بعض البيئات, هل هذا يعني أنها ليست حديدية?

لا. يعتمد أداء التآكل على البيئة والتكوين; قد تتآكل بعض درجات الفولاذ المقاوم للصدأ في وسائط معينة, ولكن هذا لا يغير وضعها كمعادن حديدية.

على سبيل المثال, قد يُظهر الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد مقاومة أضعف في تقليل الوسائط بقوة ولكنه يؤدي أداءً ممتازًا في البيئات المؤكسدة.

يؤدي اختيار الدرجة المناسبة ومعالجة السطح إلى تحسين مقاومة التآكل للخدمة المقصودة.