ما هو بالضبط التآكل بين الخلايا الحبيبية في الفولاذ المقاوم للصدأ، ولماذا من المهم جدًا السيطرة عليه؟ يهاجم هذا الشكل الخبيث من التآكل على طول الحدود الحبيبية للمعدن، وغالبًا ما يؤدي إلى أعطال كارثية دون وجود علامات تحذيرية مرئية. في هذه المقالة، سنستكشف الآليات الكامنة وراء التآكل بين الحبيبات والظروف البيئية التي تؤدي إلى تفاقمه، وأفضل الممارسات لمنعه. ستحصل على فهم شامل لكيفية حماية الهياكل المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يضمن طول عمرها وموثوقيتها.
تتطلب اللوائح الفنية الموحدة عمومًا أن أوعية الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ المستخدمة في البيئات التي قد تسبب التآكل بين الخلايا الحبيبية يجب أن تخضع لمحلول صلب أو معالجة التثبيت بعد اللحام. هذا الشرط معقول.
ومع ذلك، حتى إذا قام المصمم بتضمين هذا الشرط في المواصفات الفنية للرسم، فغالبًا ما يكون من الصعب على الشركة المصنعة تلبية المعايير المثالية بسبب التحديات في التحكم في معايير عملية المعالجة الحرارية وغيرها من الصعوبات غير المتوقعة. في الواقع، تُستخدم معظم معدات الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدمة اليوم دون الخضوع للمعالجة الحرارية بعد اللحام.
وهذا يطرح السؤال التالي: ما هي آلية التآكل بين الخلايا الحبيبية التي تُعد أكثر أشكال التآكل شيوعًا في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ؟ ما هي الظروف البيئية التي يمكن أن تؤدي إلى التآكل بين الخلايا الحبيبية؟ ما هي الطرق الرئيسية لمنع التآكل بين الخلايا الحبيبية والتحكم فيه؟ هل المعالجات الحرارية ضرورية لأوعية الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ المستخدمة في البيئات التي قد تسبب التآكل بين الخلايا الحبيبية بعد اللحام؟
ستستكشف هذه المقالة هذه الأسئلة من خلال الرجوع إلى المعايير والمواصفات والدراسات ذات الصلة، ومن خلال تقديم آراء شخصية تستند إلى تجربة الإنتاج.
التآكل بين الحبيبات هو نوع من التآكل الموضعي الذي يحدث على طول حدود الحبيبات أو بالقرب من حدود حبيبات المعدن أو السبيكة. ويتميز هذا التآكل بحد أدنى من التآكل داخل الحبيبات وتآكل كبير على طول حدود الحبيبات مما يضعف الرابطة بين الحبيبات.
إذا كان التآكل بين الخلايا الحبيبية شديدًا، فيمكن أن يقلل من قوة المعدن وليونته، مما يؤدي إلى فشله تحت الأحمال العادية. النظريتان الرئيسيتان وراء التآكل بين الخلايا الحبيبية هما نظرية المحتوى المنخفض من الكروم ونظرية الذوبان الانتقائي للشوائب عند حدود الحبيبات.
عادةً ما يحدث التآكل بين الخلايا الحبيبية للفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ شائع الاستخدام في البيئات المؤكسدة أو المؤكسدة بشكل ضعيف بسبب التسخين غير السليم أثناء المعالجة أو الاستخدام. يشير التسخين غير السليم إلى تسخين الفولاذ أو تبريده ببطء خلال نطاق درجة حرارة يتراوح بين 450 و850 درجة مئوية، مما يجعله عرضة للتآكل بين الخلايا الحبيبية. ولذلك يعتبر نطاق درجة الحرارة هذا خطراً على الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ.
ويخضع الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ للمعالجة بالمحلول قبل خروجه من المصنع. وتتضمن المعالجة بالمحلول تسخين الفولاذ إلى 1050-1150 درجة مئوية ثم تبريده بسرعة لتكوين محلول صلب متجانس. يحتوي الفولاذ الأوستنيتي على كمية صغيرة من الكربون، وتتناقص قابلية ذوبانه الصلب مع انخفاض درجة الحرارة. على سبيل المثال، تبلغ قابلية الذوبان الصلب للكربون في 0Cr18Ni9Ti حوالي 0.2% عند 1100 درجة مئوية وحوالي 0.02% عند 500-700 درجة مئوية.
وبالتالي فإن الكربون في الفولاذ المعالج بالمحلول يكون مفرط التشبع. عندما يتم تسخين الفولاذ أو تبريده خلال 450-850 درجة مئوية، يمكن أن يترسب الكربون من الأوستينيت وتتوزع على طول حدود الحبيبات على شكل (Fe، Cr) 23C6 (Fe، Cr). محتوى الكروم في (Fe, Cr) 23C6 (Fe, Cr) 23C6 أعلى بكثير من محتوى المصفوفة الأوستنيتيّة، ويستهلك ترسيبه كمية كبيرة من الكروم بالقرب من حدود الحبيبات التي لا يمكن تجديدها في الوقت المناسب من خلال الانتشار. يؤدي الانتشار البطيء للكروم إلى انخفاض محتوى الكروم بالقرب من حدود الحبيبات إلى أقل من حد 12% Cr المطلوب للتخميل، مما يخلق منطقة فقيرة بالكروم ويضر بالحالة السلبية.
ومع ذلك، لا تزال الحبيبات نفسها تحتفظ بحالة سلبية ذات إمكانات عالية. تُشكّل الحبيبات وحدود الحبيبات بطارية جلفانية صغيرة، مع وجود كاثود كبير وأنود صغير، مما يؤدي إلى التآكل في منطقة حدود الحبيبات.
في الممارسة الإنتاجية، لاحظنا أن الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ يمكن أن يتعرض أيضًا للتآكل بين الخلايا الحبيبية في الوسائط المؤكسدة القوية (مثل حمض النيتريك المركز)، ولكن طبيعة التآكل تختلف عن طبيعة التآكل في الوسائط المؤكسدة أو الضعيفة التأكسد. عادةً ما يحدث التآكل بين الخلايا الحبيبية في الوسائط المؤكسدة القوية في الفولاذ المعالج بالمحلول الصلب، ولكنه لا يحدث في الفولاذ المحسّس.
إذا وصلت الشوائب، مثل الفوسفور أو السيليكون، إلى 100 جزء في المليون أو 1000-2000 جزء في المليون على التوالي في المحلول الصلب، فسوف تنفصل على طول حدود الحبيبات. سوف تذوب هذه الشوائب تحت تأثير الوسائط المؤكسدة القوية، مما يسبب التآكل بين الحبيبات.
عندما يتحسس الفولاذ، فإن تكوين (MP) 23C6 مع الفوسفور أو الفصل الأول للكربون يزيل أو يقلل من فصل الشوائب عند حدود الحبيبات وبالتالي يزيل أو يضعف حساسية الفولاذ للتآكل بين الخلايا الحبيبية.
تنطبق هاتان النظريتان حول آلية التآكل بين الخلايا الحبيبية على الحالة الهيكلية لسبائك ووسط معين، ولا تستبعد إحداهما الأخرى، بل تكمل إحداهما الأخرى. في الممارسة الإنتاجية، تحدث غالبية حالات التآكل بين الخلايا الحبيبية في الوسائط المؤكسدة أو المؤكسدة الضعيفة، وبالتالي يمكن تفسيرها بنظرية الكروم المنخفض.
هناك نوعان رئيسيان من الوسائط التي تسبب التآكل بين الخلايا الحبيبية في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ. النوع الأول هو وسائط مؤكسدة أو مؤكسدة ضعيفة، والنوع الثاني هو وسائط مؤكسدة قوية، مثل حمض النيتريك المركز. النوع الأول من الوسائط أكثر شيوعًا.
فيما يلي قائمة بالبيئات المتوسطة الشائعة التي تسبب التآكل بين الخلايا الحبيبية في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ:
يسرد "مخطط بيانات التآكل" الذي أعده G A. Nelson الوسائط الشائعة التي تسبب التآكل بين الخلايا الحبيبية في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ:
عند استخدام الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ في بيئة قد تسبب تآكلًا بين الخلايا الحبيبية ، يجب إجراء اختبار ميل التآكل بين الخلايا الحبيبية وفقًا لطرق الاختبار GB4334.1 إلى GB4334 للتآكل بين الخلايا الحبيبية للفولاذ المقاوم للصدأ. يجب أن تستوفي متطلبات الاختيار والتأهيل لطرق اختبار ميل التآكل بين الخلايا الحبيبية للفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ المعايير التالية:
(1) يجب اختبار الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ والفولاذ المقاوم للصدأ الخاص بحمض النيتريك المركز المستخدم في حمض النيتريك بدرجة حرارة 60 درجة مئوية أو أعلى وتركيز 5% أو أعلى وفقًا لطريقة الاختبار GB4334.3 لاختبار تآكل حمض النيتريك 65% للفولاذ المقاوم للصدأ. يجب ألا يتجاوز متوسط معدل التآكل على مدى خمس دورات أو ثلاث دورات 0.6 جم/م2ح (أو ما يعادل 0.6 مم/ساعة). يمكن أن تكون العينة قيد الاستخدام أو حساسة.
(2) الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المصنوع من النيكل والكروم (مثل 0Cr18Ni10Ti، 0Cr18Ni9، 00Cr19Ni10، والفولاذ المماثل): المتطلبات العامة: وفقًا لطريقة اختبار تآكل كبريتات النحاس بحمض الكبريتيك GB4334.5 للفولاذ المقاوم للصدأ، يجب ألا يكون هناك شقوق تآكل بين الخلايا الحبيبية على سطح العينة بعد اختبار الانحناء. متطلبات أعلى: يجب ألا يتجاوز متوسط معدل التآكل 1.1 جم/م2ح طبقًا لطريقة اختبار تآكل كبريتات الحديديك بحمض الكبريتيك GB4334.2 للفولاذ المقاوم للصدأ.
(3) الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ المحتوي على الموليبدينوم (مثل 0Cr18Ni12Mo2Ti، 00Cr17Ni14Mo2، والفولاذ المماثل): المتطلبات العامة: وفقًا لطريقة اختبار تآكل كبريتات النحاس بحمض الكبريتيك GB4334.5 للفولاذ المقاوم للصدأ، يجب ألا يكون هناك شقوق تآكل بين الخلايا الحبيبية على سطح العينة بعد اختبار الانحناء. المتطلبات الأعلى: يجب ألا تتجاوز نسبة التآكل 1.5 وفقًا لطريقة اختبار تآكل حمض النيتريك وحمض الهيدروفلوريك GB4334.4 للفولاذ المقاوم للصدأ. يجب ألا يتجاوز متوسط معدل التآكل 1.1 جم/متر2ح طبقًا لطريقة اختبار تآكل كبريتات الحديديك بحمض الكبريتيك GB4334.2 للفولاذ المقاوم للصدأ.
(4) إذا كان للوسيط متطلبات خاصة، يمكن إجراء اختبارات التآكل بين الخلايا الحبيبية بخلاف تلك المحددة أعلاه، ويجب تحديد متطلبات التأهيل المقابلة.
ووفقًا لآلية التآكل، يمكن اتخاذ التدابير التالية لمنع التآكل بين الخلايا الحبيبية في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ والسيطرة عليه:
(1) يمكن أن يساعد استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض الكربون للغاية في خفض محتوى الكربون إلى أقل من 0.03%.
على سبيل المثال، يمكن اختيار 00Cr17Ni14Mo2 لمنع تكوين (Fe، Cr) 23C6 (Fe، Cr) في الفولاذ وحدوث منطقة فقيرة بالكروم، وبالتالي تجنب التآكل بين الخلايا الحبيبية.
عادة، بالنسبة للمكونات ذات القوة المنخفضة والإجهاد المنخفض واللدونة الجيدة، يمكن اختيار 0Cr18Ni9 للمكونات ذات القوة المنخفضة والإجهاد المنخفض واللدونة الجيدة لفعاليته من حيث التكلفة.
(2) يشير الفولاذ المقاوم للصدأ المستقر إلى الفولاذ المقاوم للصدأ الذي يحتوي على تيتانيوم والنيوبيوم.
أثناء إنتاج الفولاذ، تتم إضافة كمية محددة من التيتانيوم والنيوبيوم، ولهذين العنصرين تقارب قوي مع الكربون، مما يشكل تيك أو إن بي سي داخل الفولاذ.
وبالإضافة إلى ذلك، فإن قابلية الذوبان الصلبة ل tic أو NBC أقل بكثير من قابلية ذوبان (Fe، Cr) 23C6 الصلبة وغير قابلة للذوبان تقريبًا في الأوستينيت عند درجة حرارة المحلول الصلب.
وبهذه الطريقة، حتى إذا لم يتم ترسيب (Fe، Cr) 23C6 (Fe، Cr) على حدود الحبيبات عند الوصول إلى درجة حرارة التحسيس، تقل احتمالية التآكل بين الخلايا الحبيبية في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ إلى حد كبير.
على سبيل المثال، يمكن أن يعمل الفولاذ مثل 1Cr18Ni9Ti و1Cr18Ni9Nb في نطاق درجة حرارة تتراوح بين 500-700 درجة مئوية دون التعرض للتآكل بين الخلايا الحبيبية.
(3) عند لحام الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ بقوس كهربائي، يمكن أن تصل درجة حرارة حوض القوس إلى 1300 درجة مئوية، وتنخفض درجة الحرارة على جانبي اللحام مع زيادة المسافة، مما يخلق منطقة درجة حرارة التحسس.
من المثالي تسخين الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ وتبريده ببطء قدر الإمكان ضمن نطاق درجة حرارة التحسس.
في حالة ميول التآكل بين الخلايا الحبيبية يجب تسخين الفولاذ غير المستقر غير القابل للصدأ إلى 1000-1120 درجة مئوية لمدة 1-2 دقيقة لكل مليمتر ثم إخماده.
بالنسبة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ المستقر، يوصى بالتسخين إلى 950-1050 درجة مئوية.
بعد الخضوع للمعالجة بالمحلول، من المهم منع تسخين الفولاذ عند درجة حرارة التحسيس، لأن ذلك قد يتسبب في ترسيب كربيد الكروم على طول حدود الحبيبات مرة أخرى.
(4) من المهم اختيار طريقة اللحام الصحيحة لتقليل حساسية الوصلات الملحومة للتآكل بين الخلايا الحبيبية. إذا ظلت العملية دون تغيير أو مواد اللحام سميكة جدًا، يزيد وقت اللحام الأطول من فرص البقاء داخل منطقة درجة الحرارة الحساسة.
لتقليل حساسية الوصلات الملحومة، من الضروري تقليل مدخلات طاقة الخط أثناء اللحام.
بشكل عام, اللحام بقوس الأرغون لديه طاقة خط إدخال أقل مقارنة باللحام بالقوس الكهربائي، مما يجعله خيارًا أفضل للحام والإصلاح.
بالنسبة لأجزاء اللحام، يوصى باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض الكربون للغاية أو الفولاذ المقاوم للصدأ مع عناصر التثبيت مثل التيتانيوم والنيوبيوم. بالإضافة إلى ذلك، يوصى باستخدام قضبان اللحام منخفضة الكربون للغاية أو قضبان اللحام المحتوية على النيوبيوم.
عند استخدام الأرجون اللحام بالقوس الكهربائي، لتجنب ارتفاع درجة حرارة وصلة اللحام، يجب أن تكون العملية سريعة ويجب تبريد المعدن الأساسي على جانبي اللحام بسرعة بعد اللحام لتقليل الوقت المستغرق في نطاق درجة حرارة التحسس.
المعالجة الحرارية بعد اللحام ليست دائمًا أولوية في منطقة اللحام.
وعادةً ما تتم المعالجة بالمحلول الصلب عند درجة حرارة تتراوح بين 1100-1150 درجة مئوية لمدة معينة ثم يتم إخمادها. يجب أن يكتمل التبريد في نطاق 925-540 درجة مئوية في غضون ثلاث دقائق، يليه التبريد السريع إلى أقل من 425 درجة مئوية.
بالنسبة للمعالجة المستقرة، يجب تبريد قطعة العمل بالهواء بعد تثبيتها في درجة حرارة تتراوح بين 850-880 درجة مئوية لعدة ساعات.
تعتمد فعالية المعالجة الحرارية لما بعد اللحام اعتمادًا كبيرًا على معلمات العملية الرئيسية مثل درجة حرارة الفرن، ومعدل ارتفاع درجة الحرارة، وفرق درجة الحرارة بين الأجزاء المختلفة من قطعة العمل أثناء ارتفاع درجة الحرارة، وجو الفرن، وزمن الاحتفاظ، وفرق درجة الحرارة بين الأجزاء المختلفة أثناء الحفاظ على الحرارة، ومعدل التبريد، ودرجة حرارة الفرن.
بالنسبة لأوعية الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ التي قد تسبب تآكلًا بين الخلايا الحبيبية، يمكن إجراء المعالجة بالمحلول أو المعالجة المستقرة للأجزاء العامة. ومع ذلك، فإن المعالجة الحرارية لما بعد اللحام للوعاء بأكمله (عادةً ما يكون مبادل حراري) تمثل العديد من الصعوبات.
هذا النوع من المعالجة ليس معالجة حرارية موضعية بعد اللحام بل معالجة حرارية بعد اللحام للأجزاء أو الوعاء الملحوم بالكامل.
ونظرًا للهيكل والشكل المعقد لمعظم الأوعية الكيميائية، مثل المبادل الحراري الأنبوبي والصدفي شائع الاستخدام، فإن التحكم في معلمات العملية الرئيسية للمحلول الصلب بعد اللحام أو المعالجة المستقرة للمبادل الحراري الأنبوبي والصدفي بأكمله يكاد يكون مستحيلًا، ناهيك عن ضمان جودة المعالجة الحرارية بعد اللحام.
في العديد من الحالات، قد تؤدي هذه المعالجة إلى نتائج عكسية، حيث لا تفشل فقط في تحسين هيكل اللحام بل قد تؤدي أيضًا إلى تدهور الهيكل المعدني الأساسي دون داعٍ.
ولذلك، لا تزال أكثر من 90% من الأوعية الكيميائية المصنوعة من الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ المستخدمة في بيئات التآكل بين الخلايا الحبيبية تستخدم في حالة ما بعد اللحام بدلاً من الخضوع للمعالجة الحرارية بعد اللحام.
يُعد الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ المصنوع من النيكل والكروم والنيكل الأوستنيتي أكثر المواد المقاومة للتآكل استخدامًا، والتآكل بين الخلايا الحبيبية هو أكثر أشكال الفشل شيوعًا في أوعية الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ المصنوع من النيكل والكروم والنيكل.
يؤدي التآكل بين الحبيبات إلى إضعاف الرابطة بين الحبيبات بشكل كبير، وفي الحالات الشديدة، يمكن أن يقضي تمامًا على القوة الميكانيكية. ويظل سطح الفولاذ المقاوم للصدأ الذي تعرض لهذا النوع من التآكل ساطعًا ولكن يمكن أن يتكسر بسهولة إلى جزيئات دقيقة مع النقر برفق.
من الصعب اكتشاف التآكل بين الخلايا الحبيبية الذي يمكن أن يؤدي إلى تلف مفاجئ في المعدات ويجب أخذه على محمل الجد.
عادةً ما يتم تشكيل أوعية الفولاذ الأوستنيتي الأوستنيتي المصنوعة من النيكل والكروم والنيكل المقاوم للصدأ من خلال اللحام، ويكون جانبا الوصلة الملحومة عبارة عن مناطق حساسة للتآكل بين الخلايا الحبيبية والتي تكون أكثر عرضة للتآكل مقارنةً بالمعدن الأساسي.
يمكن أن تحسن المعالجة الحرارية بعد اللحام من مقاومة التآكل بين الخلايا الحبيبية في منطقة اللحام إلى نفس مستوى المعدن الأساسي. وهذا هو الهدف النهائي للمعالجة الحرارية بعد اللحام.
ومع ذلك، في الممارسة العملية، هناك العديد من العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار، مثل الهيكل والشكل العام المعقد للحام، مما يجعل من الصعب ضمان معلمات عملية المعالجة الحرارية بعد اللحام.
ونتيجة لذلك، يتم استخدام معظم أنواع الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ المصنوع من النيكل والكروم والنيكل أثناء الخدمة بعد اللحام.
لا يمكن تعميم ما إذا كانت منطقة اللحام في وعاء من الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ المصنوع من النيكل والكروم والنيكل المستخدم لمقاومة التآكل بين الخلايا الحبيبية يخضع لمعالجة بالمحلول الصلب أو المعالجة المستقرة. يجب تحليل الشكل الهيكلي للوعاء لتحديد ما إذا كان يمكن إجراء المعالجة الحرارية بفعالية. وبخلاف ذلك، حتى إذا كانت المعالجة الحرارية بعد اللحام مطلوبة، فقد يكون لها آثار ضارة، ليس فقط لعدم تحقيق النتيجة المرجوة ولكن أيضًا للتأثير على الهيكل المعدني الأساسي.
لتعزيز مقاومة التآكل بين الخلايا الحبيبية لأوعية الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المصنوعة من النيكل والكروم والنيكل الأوستنيتي، من الضروري اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض الكربون للغاية والفولاذ المقاوم للصدأ المستقر بناءً على بيئة وآلية التآكل المحددة، واختيار طريقة اللحام الصحيحة أثناء اللحام، والجمع بين تدابير الوقاية والتحكم المذكورة سابقًا بشكل صحيح لتحقيق نتائج جيدة.
لا يكفي الاعتماد على المحلول الصلب أو معالجة التثبيت بعد اللحام.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR