شرح سبائك الصلب المطروق، ST 37، الحلقات المطروقة وصلابة الفولاذ المقاوم للصدأ 416

ما هو سبائك الصلب مزورة

سبائك الصلب المطروقة هي عبارة عن فولاذ تم تشكيله من خلال تطبيق قوة الضغط - ضربات المطرقة أو الضغط بالقالب - في درجات حرارة مرتفعة، والتي تشتمل تركيبتها على إضافات متعمدة لعناصر صناعة السبائك بما يتجاوز الصيغة الأساسية للحديد والكربون. تشمل الإضافات الشائعة للسبائك الكروم والموليبدينوم والنيكل والفاناديوم والمنغنيز، حيث يساهم كل منها في تحسينات محددة على الخواص الميكانيكية مثل القوة والمتانة والصلابة ومقاومة التآكل أو مقاومة التآكل.

عملية الحدادة نفسها لا تقل أهمية عن كيمياء السبائك. عندما يتم تشغيل الفولاذ الساخن تحت قوة الضغط، فإن البنية الحبيبية المصبوبة - التي تحتوي على فراغات، وفصل شجيري، وشوائب مصطفة في اتجاهات عشوائية - يتم تكسيرها وصقلها. تتم إعادة بلورة الحبوب إلى بنية أكثر دقة وأكثر اتساقًا، وتتوافق خطوط تدفق المواد (وتسمى أيضًا تدفق الحبوب) مع شكل الحدادة. يعد هيكل الحبوب الموجه هذا هو الميزة الميكانيكية الأساسية لسبائك الفولاذ المطروقة على نظائرها المصبوبة أو المصنعة من القضبان : الأجزاء المطروقة تقاوم التشقق الناتج عن الإجهاد، وتحميل الصدمات، والضغط في الاتجاهات التي تكون فيها أحمال الخدمة أعلى.

تغطي سبائك الفولاذ المطروقة مجموعة واسعة من درجات المواد. يعد الفولاذ منخفض السبائك مثل AISI 4140 (الكروم الموليبدينوم) وAISI 4340 (النيكل والكروم والموليبدينوم) بمثابة أدوات عمل في تطبيقات السيارات والنفط والغاز والآلات الثقيلة. يتم أيضًا إنتاج فولاذ الأدوات عالي السبائك، وفولاذ القالب، والدرجات المقاومة للصدأ كمطروقات عندما يتطلب التطبيق سلامة البنية المجهرية التي لا يمكن أن يوفرها الصب وحده بشكل موثوق.

ما هو الفولاذ ST 37؟

ST 37 عبارة عن تسمية فولاذية هيكلية من نظام DIN القياسي الألماني السابق، حيث يشير "ST" إلى الفولاذ الهيكلي ويشير "37" إلى الحد الأدنى من قوة الشد 370 ميجا باسكال . الدرجة تعادل S235 بموجب المعيار الأوروبي الحالي EN 10025 ويمكن مقارنتها على نطاق واسع بـ ASTM A36 في النظام الأمريكي، على الرغم من أن التكافؤ الدقيق يعتمد على درجة فرعية محددة وحالة المعالجة الحرارية.

ST 37 عبارة عن فولاذ هيكلي منخفض الكربون وغير مخلوط. يبلغ محتوى الكربون النموذجي أقل من 0.17%، مما يمنحه قابلية جيدة للحام والتشكيل ولكنه يحد من قوته مقارنة بالسبائك أو الدرجات المعالجة بالحرارة. قوة الخضوع عادة ما تكون حولها 235 ميجا باسكال والاستطالة عند الكسر تبلغ حوالي 26%، مما يعكس مادة محسنة للليونة وسهولة التصنيع بدلاً من القدرة القصوى لتحمل الحمولة.

تطبيقات ش 37 / س 235 هي في المقام الأول في التصنيع الهيكلي العام: إطارات البناء والجسور وهياكل الدعم وقواعد الآلات والمكونات الهندسية العامة حيث يكون التحميل معتدلاً وقابلية اللحام هي الأولوية. إنه ليس فولاذًا قابلاً للتصلب ولا يستخدم عادةً في التطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للتعب أو صلابة السطح. عند الحاجة إلى قوة أعلى، يتم استبدالها بـ S355 (ST 52 سابقًا) أو بدرجات سبائك مثل 4140.

حلقات فولاذية مزورة : العملية والأنواع والتطبيقات

الحلقات الفولاذية المطروقة عبارة عن مكونات حلقية يتم إنتاجها من خلال دحرجة الحلقات - وهي عملية تزوير متخصصة يتم فيها وضع قطعة فولاذية مثقوبة ومسخنة على شياق ولفها تدريجيًا بين الشياق واللفة المدفوعة، مما يقلل من سمك الجدار ويزيد القطر مع الحفاظ على مقطع عرضي متحكم فيه. يمكن أن تنتج العملية حلقات يتراوح حجمها من بضعة سنتيمترات إلى أكثر قطرها 9 أمتار ، حسب قدرة المعدات.

تنتج عملية دحرجة الحلقة تدفقًا مستمرًا ومحيطيًا للحبيبات يتبع هندسة الحلقة. يعد هذا التوجه أمرًا بالغ الأهمية للأداء: تعمل الضغوط في الآلات الدوارة، وأوعية الضغط، وسباقات التحمل بشكل محيطي، ويقاوم هيكل الحبوب المحاذي لهذه الضغوط بشكل أكثر فعالية من حلقة مقطوعة من لوحة أو قضيب، حيث يسير تدفق الحبوب في اتجاه خطي ثابت لا علاقة له بهندسة الجزء.

أنواع الحلقات الفولاذية المزورة

يتم إنتاج الحلقات المزورة في فئتين رئيسيتين من المقاطع العرضية:

• الحلقات المسطحة (المقطع العرضي المستطيل): النوع الأكثر شيوعًا، يستخدم كالفلنجات، وفراغات التروس، وسباقات التحمل، والحلقات الهيكلية. بعد دحرجة الحلقة، تتم معالجة الحلقات المسطحة عادةً بالحرارة ثم يتم تشكيلها آليًا للوصول إلى الأبعاد النهائية.
• حلقات ملفوفة على شكل كفاف (مقطع عرضي محدد): يتم إنتاجه باستخدام الشياق المشكلة والبكرات المحورية لإنشاء شكل جانبي قريب من الشبكة - الشفاه أو الدرجات أو الأخاديد أو التناقص التدريجي - أثناء عملية اللف نفسها. يقلل الدرفلة الكنتورية من كمية المعالجة المطلوبة، ويقلل من هدر المواد، ويمكن أن يحسن تدفق الحبوب من خلال القسم الحرج من المظهر الجانبي.

درجات الصلب المشتركة للخواتم المزورة

يعتمد اختيار المواد للحلقة الفولاذية المطروقة على بيئة التشغيل والمتطلبات الميكانيكية:

• الفولاذ الكربوني (AISI 1045، 1020): تستخدم في الفلنجات ذات الأغراض العامة والحلقات الهيكلية حيث لا يتطلب محتوى عالي من السبائك.
• سبائك الفولاذ (AISI 4140، 4340، 8620): الاختيارات القياسية للخواتم المعرضة للضغط العالي، أو تحميل التعب، أو التي تتطلب تصلبًا كاملاً. شائع في معدات النفط والغاز والتعدين وتوليد الطاقة.
• الفولاذ المقاوم للصدأ (304، 316، 17-4 ف): تُستخدم عندما تكون مقاومة التآكل مطلوبة - معدات المعالجة الكيميائية والبحرية والمواد الغذائية والصيدلانية.
• فولاذ الأدوات وفولاذ التحمل (52100، H13): يتم إنتاجها كحلقات مطروقة لسباقات التحمل، ومكونات القالب، والتطبيقات عالية التآكل التي تتطلب ملفات تعريف صلابة محددة.

حيث يتم استخدام الحلقات الفولاذية المزورة

تظهر الحلقات الفولاذية المطروقة في كل قطاع من قطاعات الصناعة الثقيلة تقريبًا حيث تكون المكونات الحلقية الدوارة أو المحتوية على الضغط أو الحاملة مطلوبة. تشمل مجالات التطبيق الرئيسية ما يلي:

• توربينات الرياح: فلنجات البرج، فلنجات العمود الرئيسي، وحلقات تحمل الميل والانعراج. قد تحتوي توربينة الرياح الكبيرة الواحدة على أكثر من 20 حافة حلقية مطروقة. إن متطلبات عمر الكلال لهذه المكونات - المصممة لمدة 20 عامًا من التحميل الدوري - تجعل المواد المطروقة هي المواصفات القياسية.
• النفط والغاز: حواف رؤوس البئر، وفوهات أوعية الضغط، وحلقات التوصيل تحت سطح البحر، وفلنجات خطوط الأنابيب. إن تقييمات الضغط وصلابة المواد في درجات الحرارة المنخفضة (لتطبيقات القطب الشمالي أو المياه العميقة) هي التي تدفع إلى اختيار المكونات المصبوبة المزورة.
• الفضاء الجوي: أغلفة المحرك وحلقات التوربينات والإطارات الهيكلية. يتم أيضًا دحرجة حلقات السبائك الفائقة من التيتانيوم والنيكل بشكل دائري لمكونات القسم الساخن للمحرك النفاث، باتباع نفس مبادئ العملية مثل الفولاذ.
• التعدين والآلات الثقيلة: قطع حلقة الدوران، ومكونات الكسارة، وفراغات التروس الكبيرة للحفارات والمطاحن.
• الطاقة النووية: حلقات أوعية ضغط المفاعل ومكونات مولد البخار، حيث تكون إمكانية تتبع المواد والاختبار غير المدمر وإجراءات التشكيل الخاضعة للرقابة إلزامية.

416 صلابة الفولاذ المقاوم للصدأ: الخصائص والاعتبارات العملية

AISI 416 عبارة عن فولاذ مقاوم للصدأ مصنوع من مادة المارتنسيتية يمكن تصنيعه مجانًا - وهو الأكثر قابلية للتصنيع من بين جميع درجات الفولاذ المقاوم للصدأ - ويتم تحقيقه من خلال إضافة الكبريت (0.15% كحد أدنى) إلى التركيبة القياسية من الكروم المارتنسيتي بنسبة 12-13%. يشكل الكبريت شوائب كبريتيد المنغنيز التي تعمل كقواطع للرقائق أثناء التشغيل الآلي، مما يقلل بشكل كبير من تآكل الأداة وأوقات الدورات مقارنة بالدرجات مثل 410 أو 420. وتتمثل المقايضة في تقليل مقاومة التآكل وصلابة أقل قليلاً مقارنة بدرجات المارتنسيت الخالية من الكبريت.

صلابة في حالة صلب

في الحالة الملدنة (الملينة)، يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ 416 بصلابة برينل النموذجية 185-200 غيغابايت ، قوة شد تبلغ حوالي 515 ميجا باسكال، ومقاومة خضوع حوالي 275 ميجا باسكال. هذه هي الحالة التي يتم فيها توريد المادة وتصنيعها بشكل شائع - حيث تؤدي إضافة الكبريت إلى قطعها بحرية في حالة التلدين، ويتم تشكيل معظم المكونات الدقيقة قبل تطبيق أي معالجة حرارية.

صلابة بعد المعالجة الحرارية

416 غير القابل للصدأ هو درجة قابلة للتصلب. من خلال الأوستنيت عند 925-1010 درجة مئوية متبوعة بالتبريد والتلطيف بالزيت، يمكن رفع المادة إلى مستويات صلابة أعلى بكثير:

• الحالة المكافئة لـ H900 (درجة حرارة منخفضة، ~175 درجة مئوية): يحقق صلابة تصل إلى 38-42 لجنة حقوق الإنسان (حوالي 370-400 HB)، قوة الشد أعلى من 1200 ميجاباسكال.
• درجة حرارة متوسطة المدى (400-500 درجة مئوية): صلابة تقريبا 28-35 لجنة حقوق الإنسان ، مع صلابة محسنة ومقاومة أفضل للتآكل مقارنة بحالة الصلابة العالية.
• درجة حرارة عالية للتلطيف (600-650 درجة مئوية): صلابة تقع على 22-26 لجنة حقوق الإنسان ، تعظيم الليونة والمتانة على حساب القوة. يستخدم عندما تكون مقاومة التأثير أكثر أهمية من الصلابة.

يعد اختيار درجة حرارة التقسية أمرًا بالغ الأهمية لأن 416، مثل جميع أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي، يكون عرضة للتقصف في نطاق 425-595 درجة مئوية. يؤدي التقسية داخل هذه النافذة إلى إنتاج مادة ذات صلابة تأثير ضعيفة على الرغم من قراءات الصلابة المقبولة. وينبغي تجنب هذا النطاق ; يؤدي التقسية إلى أقل من 200 درجة مئوية أو أعلى من 600 درجة مئوية إلى إنتاج أداء ميكانيكي أفضل بشكل عام.

التطبيقات النموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ 416

إن الجمع بين قابلية التصنيع والصلابة يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ 416 هو الاختيار القياسي للمكونات عالية الحجم والمُصنعة بدقة والتي تتطلب مقاومة معتدلة للتآكل ومستوى صلابة محدد بعد المعالجة الحرارية:

• مكونات الأسلحة النارية: مجموعات الزناد والمسامير ومكونات العمل حيث تكون دقة الأبعاد والصلابة ومقاومة التآكل مطلوبة في وقت واحد ويكون حجم المعالجة مرتفعًا.
• المسامير والصواميل والمسامير: أدوات التثبيت التي تتطلب مقاومة للتآكل تتجاوز الفولاذ الكربوني ولكنها يتم إنتاجها على آلات لولبية أوتوماتيكية حيث توفر إمكانية التصنيع المعززة بالكبريت كفاءة الإنتاج.
• مهاوي المضخة وسيقان الصمامات: التطبيقات التي تتطلب صلابة السطح، ودقة الأبعاد، والمقاومة المعتدلة للوسائط الخفيفة المسببة للتآكل.
• التروس والبطانات: حيث تكون هناك حاجة إلى مقاومة التآكل والصلابة في البيئات غير الشديدة بما يكفي لتتطلب درجات أكثر مقاومة للتآكل مثل 316 أو الفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين.

أحد القيود المهمة: إضافات الكبريت 416 تقلل من مقاومتها للتآكل مقارنة بدرجات المارتنسيت غير الآلية. لا ينبغي أن يكون محددًا للتعرض للبيئات التي تحتوي على الكلوريد أو الأحماض أو الغمر لفترة طويلة في الماء دون طلاء واقي. عندما تكون هناك حاجة إلى مقاومة أعلى للتآكل في درجة الفولاذ المقاوم للصدأ التي يمكن تصنيعها مجانًا، فإن 303 (الأوستنيتي) هو البديل الشائع - على الرغم من أنه لا يمكن تقويته بالمعالجة الحرارية.