الدليل الشامل لطرق المعالجة الحرارية للفولاذ المقاوم للصدأ: العمليات، علم الفلزات، والمعايير

مقدمة: الضروري الحراري من الفولاذ المقاوم للصدأ

تصنيع الفولاذ المقاوم للصدأ هو ممارسة في تحقيق التوازن بين الاستقرار الحراري الديناميكي مع الضرورة الميكانيكيةحيث أن المعالجة الحرارية هي في الغالب آلية للسيطرة على القسوة وقوة الشدفي المقابل، فإن المعالجة الحرارية للصلب المقاوم للصدأ تخدم غرضًا مزدوجًا وغالباً ما يتعارض: تعزيز الخصائص الميكانيكية والحفاظ على مقاومة التآكل.يقدم هذا التقرير نظرة شاملة، تحليل على مستوى الخبراء لمنهجيات المعالجة الحرارية المطبقة على العائلات الخمس الرئيسية من الفولاذ المقاوم للصدأ ‬Austenitic و Martensitic و Ferritic و Duplex و Precipitation Hardening (PH).

الفولاذ المقاوم للصدأ ليس مادة واحدة ولكن عائلة واسعة من السبائك القائمة على الحديد تحتوي على 10.5٪ على الأقل من الكروم. يتفاعل هذا الكروم مع الأكسجين لتشكيل طبقة أكسيد الكروم السلبية ($Cr_2O_3$) ، وهو فيلم يصلح نفسه يمنح المادة خصائصها "غير المقاومة للصدأ".¹يؤثر المعالجة الحرارية بشكل عميق على سلامة هذه الطبقة السلبية. يمكن أن تؤدي الدورات الحرارية غير الصحيحة إلى هبوط الكربيدات التي تنقص الكروم المحلي (التحسس) ،تشكيل مراحل بين المعادن الهشة (مرحلة سيجما)، أو تسبب تقليص السطح الذي يعرض الركيزة للخطر.³وبالتالي، فإن المعالجة الحرارية من الفولاذ المقاوم للصدأ تتطلب فهمًا مفصلًا لرسومات المراحل وحركات التبريد والتحكم في جو الفرن.

هذه الوثيقة بمثابة دليل شامل للمهندسين وعلماء المعادن.البحوث الأكاديمية حول التطور الميكروهيكلي، والمبادئ التوجيهية العملية لاختيار المعدات.دورات الشيخوخة الدقيقة المطلوبة للسبائك الصلبة بالتساقط مثل 17-4 PH، والمتطلبات الحساسة لتهدئة الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج لتجنب الهشاشة.وهو يتناول مواضيع متقدمة مثل المعالجة الباردة للاستقرار المارتنسيتيك والفعالية المقارنة للفراغ مقابل معالجة حمام الملح.

الأساسيات المعدنية وتأثيرات السبائك

للتقني في المعالجة الحرارية للصلب المقاوم للصدأ، يجب أولاً تشريح التفاعلات على المستوى الذري التي تحدد استجابتها للطاقة الحرارية.الهيكل البلورى للصلب (أو أوستينيت مكعب مركز الوجه، فيرريت مكعب مركز الجسم (BCC) ، أو مارتنسيت تيتراگونال مركز الجسم (BCT) يحدد نوافذ المعالجة الحرارية المتاحة والخصائص الميكانيكية الناتجة.

2.1 دور عناصر السبائك في المعالجة الحرارية

المزيج المحدد من عناصر السبائك في فولاذ غير المقاوم للصدأ يحدد حدود استقرار المراحل وتفاعلها مع التدفئة والتبريد.

• الكروم (Cr):العنصر المحدد. إنه مُثبت قوي للفيرريت. في المعالجة الحرارية، سلوك الكروم أمر بالغ الأهمية بسبب صلة الكربون به. في نطاق درجة الحرارة من 425 درجة مئوية إلى 870 درجة مئوية، يحتوي الكروم على نسبة عالية من الكربون.الكروم يتفاعل مع الكربون لتشكيل الكربيدات المعقدة (e.غ،$M_{23}C_6$هذا يزيل الكروم من المصفوفة المجاورة، مما يقلل التركيز المحلي إلى أقل من عتبة 10.5٪ المطلوبة للاستحواذ، وهي ظاهرة تعرف باسم الحساسية.¹

• النيكل (ني):المثبت الأساسي لأوستنيت. إضافة النيكل (كما هو الحال في سلسلة 300) يقمع التحول من الأوستنيت عالي درجة الحرارة إلى الفيريت / المارتنسيت منخفض درجة الحرارة.هذا يجعل سبائك عالية النيكل غير قابلة للتصلب عن طريق التخفيفكما يحسن النيكل صلابة ومرونة، وهي خصائص يتم تعظيمها من خلال التسخين.¹

• الكربون (ج):محلول متداخل يعمل كعامل تصلب أساسي في الدرجات المارتنسيتية. في الدرجات مثل 440C ، يسمح الكربون المرتفع (0.95 ٪ ٪ 1.20) بقسوة شديدة (HRC 60 +) عند التخفيف. ومع ذلك ،في الصفات الأوستنيتية، الكربون عادة ما يكون نجاة يجب تقليصها إلى أدنى حد ممكن (< 0.03٪ في درجات "L") لمنع الحساسية أثناء الدورة الحرارية أو اللحام.⁸

• الموليبدينوم (Mo):إضافة لتحسين مقاومة الحفر (كما هو الحال في 316 أو 2205). ومع ذلك ، فإن الموليبدينوم يعزز تشكيل مراحل بين المعادن الضارة ، مثل سيجما ("سيجما") و Chi ($شـي$) ، وخاصة في الفولاذ المزدوج والفولاذ الأوستنيتي ذو السبائك العالية المعرضة لدرجات حرارة تتراوح بين 700 و 1000 درجة مئوية. وهذا يتطلب معدلات تبريد سريعة بعد التسخين بالحلول.⁴

• النيتروجين (N):مستقر قوي للاوستنيت ومعزز للحلول الصلبة. في الصفوف الحديثة للدوبلكس والسوبر أوستنيتيك ، يزيد النيتروجين من قوة العائد ومقاومة الخنادق (PREN).كما أنه يرفع درجة الحرارة التي تسقط فيها المراحل الضارة، تشديد النافذة الآمنة لمعالجة الحرارة ولكن تحسين استقرار مرحلة أوستنيت.⁷

• التيتانيوم (Ti) والنيوبيوم (Nb):هذه هي "المستقيمات" لديها صلة أعلى بالكربون من الكروم في درجات مثل 321 (تي) و 347 (نيب)هذه العناصر تخلص الكربون خلال المعالجة الحرارية لتشكيل الكربيدات المستقرة (TiC أو NbC)، وترك الكروم في محلول للحفاظ على مقاومة التآكل. وهذا يسمح لهذه الدرجات أن تكون مخففة من الإجهاد أو تستخدم في خدمة درجات الحرارة العالية دون حساسية.¹²

آليات تحويل المراحل

الاختلاف الأساسي في المعالجة الحرارية للعائلات المختلفة من المقاوم للصدأ يكمن في تحويلات المراحل (أو عدم وجودها).

• التحويل التناسلي (آلية التصلب):في الفولاذ المارتنسيتيك ، فإن المواد تنتقل من بنية BCC (ferrite + carbide) في درجة حرارة الغرفة إلى بنية FCC (austenite) في درجات حرارة عالية (austenitizing).عند التبريد السريع (الإطفاء)، يتم احتجاز الكربون في محلول ، ويقطع الشبكة إلى بنية BCT عالية التوتر تسمى مارتنسيت. هذه هي آلية التشديد.¹⁴

• تغيرات في الذوبان (آلية هطول الأمطار):في الفولاذ PH (مثل 17-4) ، لا يأتي تعزيز في المقام الأول من تغيير المرحلة نفسها ،ولكن من هطول الجسيمات دون المجهر (مثل هطولات غنية بالنحاس) أثناء معالجة حرارية ثانوية "شيخوخة"المصفوفة تتقلص حول هذه السباتات مما يعيق حركة الانحراف ويزيد من القوة³

• إعادة التبلور (آلية التخمير):بالنسبة للفولاذ الأوستنيتي والفيريتي غير القابل للتصلب ، توفر المعالجة الحرارية الطاقة للحبوب الجديدة الخالية من التوتر لتكون النواة وتنمو ، واستبدال الحبوب المشوهة الناجمة عن العمل البارد.كما أنه يذوب المستنقع مرة أخرى في محلول صلب.¹

اعتبارات التوصيل الحراري والتوسع

الفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصة الصفات الأوستنيتية، تمتلك خصائص مادية متميزة تعقد المعالجة الحرارية.

• التوصيل الحراري المنخفض:يحقق الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الحرارة ببطء كبير من الفولاذ الكربوني. وهذا يتطلب أوقات امتصاص أطول لضمان وصول قلب المكون إلى درجة الحرارة المستهدفة.

• التوسع الحراري العالي:معدل التوسع الحراري للصلب الأوستنيتي أعلى بنحو 50٪ من الصلب الكربوني ، مما يزيد من خطر التشوه الحراري والتشقق عند التخفيف.لذلك فإن التثبيت والتسخين المتساوي أكثر أهمية للصلب المقاوم للصدأ للحفاظ على التسامحات الأبعاد.²

أساليب المعالجة الحرارية العامة

قبل الغوص في وصفات خاصة بالصفات ، من الضروري تحديد الفئات الأربعة الأساسية من المعالجة الحرارية المستخدمة في الفولاذ المقاوم للصدأ:ومعالجة السطح.

عمليات التخمير

التسخين هو المصطلح الواسع لدورات التسخين والتبريد المصممة لترقية المادة وتحسين مرونتها وتحسين مقاومة التآكل.

• محلول التسخين:هذا هو المعالجة القياسية للصلب الأوستنيتي (سلسلة 300) ، الدبلكس ، و PH (الحالة A).يتم تسخين المادة إلى درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية (عادة > 1040 درجة مئوية) لحل جميع كربيدات الكروم والمرحلة بين المعادن في مصفوفة الأوستنيتأساسا، يجب أن يتبع ذلكالتطفيء السريع(ماء أو غاز عالي الضغط) لـ "تجميد" هذا الهيكل المتجانس.³

• عملية التهوية (تحت الحرجة):تستخدم في المقام الأول للصفات الفيرريتية والمارتنسيتية لترقية المادة للعمل البارد أو المعالجة دون إحداث تحول كامل في المرحلة. يتم الحفاظ على درجات الحرارة أقل بقليل من الحرجة$A_{c1}$درجة حرارة عالية (عادة 760-830 درجة مئوية) ، مما يؤدي إلى كروية الكربيدات بدلاً من إذابتها.¹²

• التشويش الساطع:هذا هو عملية التسخين المتخصصة التي يتم إجراؤها في جو خاضع للرقابة، عادة الأمونيا المنفصلة (75%-أجل.، 25%$N_2$يجب أن يكون للجو نقطة الندى منخفضة للغاية (عادة < 50 درجة مئوية) لمنع تكوين أكسيدات الكروم.السطح العاكس الذي لا يتطلب تحلية أو تلميع لاحق.²⁰

  • نظرة ثاقبةالصفوف الفيرريتية المستقرة بالتيتانيوم (مثل 409، 439) من الصعب جداً إصلاحها لأنه يتأكسد التيتانيوم حتى في الهيدروجين عالي النقاء إذا كان هناك وجود رطوبة.مطلوب أجواء متخصصة لتشكيل النتريدات الداخلية بدلاً من الأكسيدات الخارجية.²²

الصقل (التقليد والتجمد)

باستثناء الصفات المارتنسيتية و PH ، يتضمن التشديد التسخين إلى نطاق الاستينيتيزة تليها التخفيف.

• إطفاء:يجب أن يكون معدل التبريد سريعًا بما فيه الكفاية لتفوت "أنف" منحنى الوقت-درجة الحرارة-التحول (TTT) ، مما يمنع تشكيل اللؤلؤ أو البينيت.العديد من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتية لديها صلابة عالية ويمكن أن تكون "الهواء الصلبةمما يعني أنها سوف تشكل مارتينزيت حتى مع تبريد الهواء بطيئة نسبيا.هذا مفيد للحد من التشوه بالمقارنة مع النفط العدواني أو الطفاء بالماء المطلوبة للفولاذ الكربوني العادي.⁶

• تثبيت:الـ مارتنسيت المطفأة صلبة للغاية ولكنها هشة ومتضايقة للغايةيتضمن التشديد إعادة تسخين الفولاذ إلى درجة حرارة أقل (150-650 درجة مئوية) لتخفيف ضغوط الشبكة وتساقط الكربيدات الدقيقةهذا يتبادل بعض القسوة مقابل الصلابة الضرورية والمرونة. اختيار درجة حرارة التكيف هو المقياس الأساسي لتحديد الخصائص الميكانيكية النهائية.³

تخفيف الضغط

يهدف تخفيف الإجهاد إلى تقليل الإجهادات الجاذبية المتبقية الناجمة عن المعالجة أو اللحام أو التشكيل البارد.وبالتالي تحسين استقرار الأبعاد وتقليل خطر تشق التآكل من الإجهاد.

• معضلة الاستينيت:تخفيف التوترات من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي معقد لأن درجات الحرارة الأكثر فعالية لتخفيف التوترات (800-900 درجة مئوية) تتزامن مع نطاق الحساسية.أداء تخفيف التوتر القياسية على 304 الفولاذ المقاوم للصدأ يمكن أن تدمر مقاومة التآكلولذلك، غالبا ما يفضل تخفيف التوتر في درجة حرارة منخفضة (< 450 درجة مئوية) أو التسخين المكتمل للمحلول.⁶

تصلب السطح

من الصعب تشغيل الكربون القياسي للصلب المقاوم للصدأ لأن طبقة أكسيد السلبية تمنع انتشار الكربون.

• التشبع الزائد الضخم منخفض الحرارة:العمليات الحديثة (مثل Kolsterising®) تدخل الكربون أو النيتروجين في درجات حرارة منخفضة (<450 درجة مئوية أو <900 درجة فهرنهايت).يبقى الكربون/النيتروجين في محلول صلب، وتوسيع شبكة الأوستينيت وخلق ضغط ضغط شديد. وهذا يؤدي إلى مستويات صلابة السطح من 1000-1200 HV دون المساس بمقاومة التآكل.²⁴

المعالجة الحرارية للصلب المقاوم للصدأ الأوستنيتي (سلسلة 300)

سلسلة 300 (304، 316، 321، 347) تمثل غالبية تطبيقات الفولاذ المقاوم للصدأ.والتي هي مستقرة من درجات الحرارة الباردة إلى نقطة الذوبانونتيجة لذلك،لا يمكن تصلبها بمعالجة حراريةفقط عن طريق العمل البارد. المعالجة الحرارية لهذه الدرجات هي صارمة لترقية (التشويش) ، التجانس، وتخفيف الضغط.

تبرئة الحل: زر إعادة التثبيت

التسخين بالحلول هو الدورة الحرارية الأساسية للصفات الأوستنيتية. إنه يخدم لإعادة تبلور الهيكل الدقيق بعد العمل البارد ، والأهم من ذلك ،لذوبان الكربيدات الكرومية والمرحلة السيغما التي قد تكونت أثناء اللحام أو المعالجة غير السليمة.

• نطاق الحرارة:النطاق القياسي هو1040°C إلى 1175°C (1900°F~2150°F).

  • بالنسبة لـ 304/304L: 1040~1100 درجة مئوية هي النموذجية.

  • بالنسبة لـ 316/316L: نطاق مماثل ، ولكن يتم تفضيل الطرف العلوي لحل المراحل الغنية بالموليبدينوم.³

  • بالنسبة للأوزتينيتيات ذات السبائك العالية (على سبيل المثال ، 904L ، 6Mo): غالباً ما تكون هناك حاجة إلى درجات حرارة أعلى (حتى 1150 درجة مئوية) لحل الرواسب بين المعادن الأكثر استقراراً التي تتميز بهذه الكيمياء المعقدة.¹⁹

• وقت الغسيل:قاعدة الإبهام هي حوالي 30 إلى 60 دقيقة لكل بوصة من سمك المادة لضمان أن يصل المقطع العرضي بأكمله إلى درجة الحرارة.يجب تجنب الرطوبة المفرطة لمنع نمو الحبوب، والتي يمكن أن تنتج "قشرة برتقالية" النهاية السطحية خلال عمليات التشكيل اللاحقة.¹²

• أرسل استفسارك مباشرة إلينا

  أرسلي الآن