معرفة

باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 كهدف بحثي، دُرست تأثيرات محتوى النيكل المختلف على البنية الدقيقة والخصائص الشاملة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 باستخدام المجهر المعدني، واختبارات الصلابة والشد في درجة حرارة الغرفة. أظهرت نتائج البحث أن الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 يمكن أن يكتسب بنية مارتنسيتية كاملة بعد الدرفلة الساخنة في منطقة الأوستينيت أحادية الطور والتبريد الهوائي. عندما تكون نسبة w[Ni] 0.1%، تكون شرائح المارتنسيت خشنة نسبيًا. مع زيادة w[Ni] إلى 0.3%، تزداد الصلابة بعد المعالجة الحرارية بمقدار 10HRC، وتزداد قوة الخضوع وقوة الشد والاستطالة بعد الكسر من 614 ميجا باسكال و748 ميجا باسكال و30% إلى 670 ميجا باسكال و797 ميجا باسكال و33% على التوالي. يمكن تعديل الخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 عن طريق زيادة درجة حرارة التبريد ووقت الإمساك لتلبية متطلبات الطلبات المختلفة.

 

1 مقدمة

يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 بصلابة جيدة. ومن خلال تقنية المعالجة الحرارية بالتبريد والتسخين، يحقق توازنًا بين القوة والمتانة ومقاومة التآكل، مما يجعله يُستخدم على نطاق واسع في تصنيع الأجزاء التي تعمل في ظروف التآكل والصدمات، مثل شفرات محركات السفن وأنابيب النفط وأنابيب نقل الغاز الطبيعي. مع التقدم السريع في صناعة الطاقة، وخاصةً في تطوير الآبار العميقة والعميقة جدًا في حقول النفط في البيئات التآكلية، أصبحت متطلبات أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ أكثر صرامة. تُحدد الخصائص الميكانيكية ومقاومة التآكل للأنابيب المعدنية بشكل أساسي من خلال التركيب الكيميائي والبنية المجهرية للمادة نفسها. لذلك، من خلال تنظيم التركيب الكيميائي وعملية المعالجة الحرارية للمادة، يمكن تحسين عمر خدمة الفولاذ بشكل كبير.

 

النيكل عنصر تثبيت رئيسي للأوستنيت، إذ يمكنه إلى حد ما منع ترسب فيريت δ أثناء التشوه في درجات الحرارة العالية وزيادة نقطة Ms، مما يوسع بشكل غير مباشر نطاق تكوين طور الأوستينيت ويحسن بشكل كبير من قابلية تصلب المادة. بالإضافة إلى ذلك، يُعد اختيار معلمات عملية المعالجة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية. يمكن أن يوفر تحسين نظام المعالجة الحرارية مراجع تقنية لتحسين الخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13. حلل يانغ شون تشن وآخرون تأثير أنظمة التقسية على البنية الدقيقة والأداء الشامل للفولاذ المارتنسيتي 1Cr13، ووجدوا أن قوة الشد والصلابة تنخفض مع زيادة درجة حرارة التقسية. درس تشاكرابورتي وآخرون آلية تكوين الكربيدات في الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي AISI410 أثناء التقسية في درجات الحرارة المتوسطة والعالية. أظهرت النتائج أن ترسيب M23C6 كان أكثر حساسية في درجات الحرارة العالية، وكان التقصف أشد عند 550 درجة مئوية. طور Zhang Xiaoke و Wei Zhengyan وآخرون بشكل منهجي نافذة عملية المعالجة الحرارية المثلى للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي المحتوي على النيكل. أظهرت نتائج الاختبار أن عمليات التبريد والتسخين في درجات الحرارة العالية يمكن أن تُحسّن الحبيبات بشكل كبير وتحسن الخصائص الميكانيكية الشاملة للمادة، وتمنع هشاشة التلطيف. في السنوات الأخيرة، أجرى الباحثون دراسات مكثفة حول البنية الدقيقة وتكنولوجيا التحكم في الأداء للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي، وذلك باستخدام السبائك الدقيقة بشكل أساسي لضبط اتساق البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية للمادة. لذلك، أصبح البحث في تأثير أنواع وكميات عناصر السبائك في المادة على البنية الدقيقة والأداء بعد المعالجة الحرارية مهمًا بشكل خاص. سيتم تحليل البنية الدقيقة والأداء لدفعتين من أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 مع w[Ni] بنسبة 0.1٪ و 0.3٪ على التوالي بعد الإطفاء والتهدئة لتحديد تأثير محتوى عنصر السبائك ومعلمات عملية المعالجة الحرارية على البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية، مما يوفر البيانات الأساسية والتوجيه التحليلي النظري للإنتاج في الخطوط الأمامية.

 

2. المواد والطرق التجريبية

كانت المواد التجريبية عبارة عن كتل فولاذية بأبعاد 310 مم × 310 مم. صُبّت الكتل في فرن كهربائي بسعة 90 طنًا، وبلغ وزن الكتل الناتجة 1.16 طن. سُخّنت إلى 1240 درجة مئوية في فرن حلقي، ثم ثُقبت، ودحرجت باستمرار (كانت درجة حرارة الدرفلة النهائية 850 درجة مئوية)، وحُدّد حجمها، وشُقّت، وقوّمت. كانت المنتجات النهائية عبارة عن أنابيب فولاذية مارتنسيتية بقطر خارجي 244.48 مم وسمك جدار 11.99 مم.

 

بالنسبة لأنابيب الفولاذ المدرفلة على الساخن المذكورة أعلاه، يُجرى التسخين بالإخماد أولًا عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية، ثم يُعتمد التبريد الهوائي بعد إخراجها من الفرن للحصول على بنية مارتنسيتية. بعد ذلك، تُجرى أبحاث على درجة حرارة التصلب. تستخدم عملية التصلب فرن تسخين متدرج، مقسم إلى ثلاثة أقسام: قسم التسخين المسبق، وقسم التسخين، وقسم التثبيت. تخضع أنابيب الفولاذ المُخمّدة لعملية تصلب عالية الحرارة تتراوح بين 785 و800 درجة مئوية، مع مدة تثبيت تبلغ 75 دقيقة لكل عملية تصلب. بعد التصلب عالي الحرارة، تخضع أنابيب الفولاذ لعملية تقويم ساخنة، وفحص الأبعاد الهندسية، وفحص العيوب بالموجات فوق الصوتية، وذلك لتلبية معايير المنتج المطلوبة. متطلبات الخصائص الميكانيكية لأنابيب الفولاذ هي: قوة الخضوع 557~650 ميجا باسكال، قوة الشد ≥ 655 ميجا باسكال، الاستطالة ≥ 23%، وصلابة روكويل 14~23HRC.

 

 

نظرًا للتقلبات الكبيرة في الخصائص الميكانيكية للقضيب بعد المعالجة الحرارية الناتجة عن التباين في محتوى النيكل، والذي لم يستوف متطلبات الطلب، أجريت سلسلة من الدراسات حول تأثير تغيرات محتوى النيكل على البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13. أولاً، تم حساب مخطط طور التوازن للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 باستخدام برنامج التحليل الديناميكي الحراري JMatPro. بعد ذلك، تم إجراء المعالجة الحرارية لأنابيب الفولاذ غير الملحومة المدرفلة، تليها ملاحظة البنية الدقيقة، واختبار الصلابة، واختبار أداء الشد أحادي المحور. أجريت اختبارات الأداء على ثلاث عينات، وتم أخذ القيمة المتوسطة. تم طحن المستحضر المعدني وتلميعه، ثم تآكل باستخدام كاشف كرول لمدة 40 ثانية. تم إكمال ملاحظة البنية المعدنية والتصوير الفوتوغرافي باستخدام مجهر بصري من Zeiss. في الوقت نفسه، تمت دراسة عملية التقسية لنوعي أنابيب الفولاذ بمحتويات مختلفة من النيكل. في المخطط 1، خضع أنبوب الفولاذ غير الملحوم للمعالجة الحرارية عند درجة حرارة 785 درجة مئوية لمدة 70 دقيقة، ثم برّد بالهواء. في المخطط 2، رُفعت درجة حرارة المعالجة الحرارية إلى 800 درجة مئوية، مع الحفاظ على زمن التماسك عند 70 دقيقة. وأخيرًا، أُخذت عينات خضعت لعمليات معالجة حرارية مختلفة للمراقبة، واختبار الصلابة، واختبار أداء الشد. اختُبرت الخواص الميكانيكية لثلاث عينات، وحُسب متوسط ​​القيمة. أُجريت قياسات الصلابة باستخدام جهاز روكويل لاختبار الصلابة، وقيست ثلاث مناطق مختلفة من كل عينة لتحديد صلابتها. أُجري اختبار الشد في درجة حرارة الغرفة باستخدام جهاز اختبار إلكتروني عالمي بسرعة شد 3 مم/دقيقة.

 

3. النتائج التجريبية والتحليل

3.1 تأثير محتوى النيكل على البنية الدقيقة والخصائص بعد الإطفاء

يوضح الشكل 1 مخطط طور التوازن للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13، المحسوب بواسطة برنامج JMatPro. ويتضح أن نطاق درجة حرارة طور الأوستينيت أحادي الطور يتراوح بين 955 و1212 درجة مئوية. وعند تجاوز هذا النطاق، يتشكل الفريت، بينما عند انخفاضه، يتكون M23C6.

لذلك، عند دحرجة المادة عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية، تكون في منطقة الأوستينيت أحادية الطور وتتمتع بقدرة جيدة على التشوه البلاستيكي. بعد التشوه، يمكن الحصول على بنية مارتنسيت عن طريق الإخماد، مما يضمن الخصائص الميكانيكية للأنبوب الفولاذي. وبالتالي، فإن درجة حرارة تسخين الإخماد المختارة في هذه الورقة هي 1200 درجة مئوية. يوضح الشكل 2 البنية الدقيقة لمحتويات النيكل من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 بعد الدحرجة عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية والتبريد الهوائي. يمكن ملاحظة من الشكل أن المادة يمكن أن تحصل على بنية مارتنسيت كاملة بعد التبريد الهوائي من منطقة الأوستينيت أحادية الطور، ولكن لا يزال هناك عدد كبير من خطوط التدفق الدرفلة في البنية. لا يمكن رؤية الفرق في محتوى النيكل من البنية الدقيقة منخفضة التكبير الموضحة في الشكلين 2(أ) و2(ب). ومع ذلك، يمكن رؤية مورفولوجيا مارتنسيت اللات من خلال البنية المجهرية عالية التكبير الموضحة في الشكلين 2(ج) و2(د). مارتنسيت اللات في الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13، الذي يحتوي على 0.1% نيكل، يكون خشنًا، ويكون حجم الحبيبات في الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13، الذي يحتوي على 0.3% نيكل، أصغر. عندما يزيد محتوى النيكل من 0.1% إلى 0.3%، ينخفض ​​حجم الحبيبات بعد المعالجة الحرارية من 17.3 ميكرومتر إلى 9.8 ميكرومتر. ويرجع ذلك على الأرجح إلى تحسين الحبيبات الناتج عن إضافة النيكل. يبلغ متوسط ​​صلابة 2Cr13، الذي يحتوي على 0.1% نيكل، 47HRC، بينما يبلغ متوسط ​​صلابة 2Cr13، الذي يحتوي على 0.3% نيكل، 50HRC. إن الزيادة الطفيفة في قيمة الصلابة تعود إلى تحسين الحبوب وتحسين القدرة على الصلابة الناتجة عن النيكل.

 

يوضح الشكل 3 البنية الدقيقة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 مع وجود محتوى نيكل مزدوج بعد عملية التصلب. يوضح الشكلان 3(أ) و3(ب) البنية الدقيقة بعد عملية التصلب نفسها (785 درجة مئوية، 70 دقيقة، تبريد هوائي). يحتفظ كلا الشكلين بمورفولوجيا بعض مارتنسيت اللات ويترسب كمية معينة من الكربيدات، وهي أقرب إلى بنية تروستيت المُعالج. ووفقًا لمخطط طور التوازن السابق، يمكن أيضًا التحقق من إنتاج كربيدات من نوع M23C6 أثناء التصلب في هذا النطاق من درجات الحرارة. لا تزال معظم الحبيبات تحتفظ بخصائص اتجاه حزم مارتنسيت اللات، والحبيبات في الشكل 3(ب) أدق بكثير، حوالي 10.4 ميكرومتر، وهو ما يتوافق مع حجم حبيبات المادتين بعد الإخماد في النص السابق. تُظهر نتائج صلابة روكويل أن قيمة صلابة الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 مع محتوى نيكل 0.3٪ أعلى، عند 31HRC، بينما قيمة صلابة الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 مع محتوى نيكل 0.1٪ هي 21HRC فقط. وبالتالي، يمكن ملاحظة أن تأثير تقوية النيكل النزرة يكون أكثر وضوحًا بعد التهدئة. لتلبية متطلبات الطلب، تم ضبط عملية التهدئة لـ 2Cr13 مع محتوى نيكل 0.3٪ على 800 درجة مئوية، 70 دقيقة، تبريد الهواء. يُظهر التركيب المجهري الناتج أن مورفولوجيا المارتنسيت تختفي بشكل أساسي، وتزداد الكربيدات الحبيبية، مما يقدم بنية سوربيت مخففة عالية الحرارة مميزة، كما هو موضح في الشكل 3 (ج). في الوقت نفسه، بعد عملية التهدئة هذه، تنخفض قيمة الصلابة إلى 23HRC. يرجع ذلك إلى أنه أثناء عملية التلطيف المعدلة، تكون درجة حرارة التلطيف الأعلى مواتية لانتشار السبائك، مما يقلل بشكل أكبر من درجة تشبع المارتنسيت، ويوجد السبائك في شكل تكوين كربيد، وبالتالي تقليل قيمة صلابة المادة.

​​​​​​​

تم الحصول على الخواص الميكانيكية لنوعين من فولاذ 2Cr13 بمحتوى مختلف من النيكل بعد المعالجة الحرارية من خلال اختبارات الشد أحادية المحور في درجة حرارة الغرفة. مع زيادة محتوى النيكل من 0.1% إلى 0.3%، زادت قوة الخضوع، وقوة الشد، والاستطالة بعد كسر فولاذ 2Cr13 المقاوم للصدأ المارتنسيتي المُعالج عند درجة حرارة 785 درجة مئوية لمدة 70 دقيقة من 614 ميجا باسكال، و748 ميجا باسكال، و30% إلى 670 ميجا باسكال، و797 ميجا باسكال، و33% على التوالي. وتحسنت قيم القوة بشكل ملحوظ. عند ضبط عملية المعالجة الحرارية للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13، المُحتوي على 0.3% نيكل، على درجة حرارة 800 درجة مئوية لمدة 70 دقيقة، بلغت قوة الخضوع، وقوة الشد، والاستطالة 619 ميجا باسكال، و755 ميجا باسكال، و31% على التوالي، مما يُمكّن من الحصول على مؤشرات خواص ميكانيكية تُضاهي مؤشرات الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 المُحتوي على 0.1% نيكل. وقد أدت درجة الحرارة الحرارية العالية إلى انخفاض قوة الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13 إلى حد ما.

 

بالإضافة إلى ذلك، تُظهر نتائج اختبار الشد أنه عند تغيير محتوى النيكل أو درجة حرارة المعالجة الحرارية بشكل مناسب، لا يتغير استطالة عينات 2Cr13 بشكل كبير، ويبقى ضمن نطاق 30% إلى 33%. يشير هذا إلى أن المادة ليست حساسة للاستطالة في ظل ظروف تغير محتوى النيكل أو درجة حرارة المعالجة، ولكن مؤشرات القوة ستتغير بشكل كبير. باختصار، لمحتوى النيكل تأثير كبير على البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr13. فهو لا يعزز قابلية المادة للتصلب ويقلل حجم الحبيبات فحسب، بل يغير أيضًا من قوتها ومتانتها، مما يحسن أدائها العام [15]. يمكن أن تزيد إضافة سبائك معينة من قوة المادة، ولكن غالبًا على حساب لدونتها ومتانتها. أظهرت بعض الدراسات أيضًا أن إضافة كميات مناسبة من النيكل والموليبدينوم وسبائك أخرى يمكن أن يحسن بشكل كبير الخصائص الميكانيكية ومقاومة تآكل ثاني أكسيد الكربون للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr2. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي من نوع 13Cr2، يمكن تحقيق تأثير التعزيز والتصلب من خلال إضافة النيكل من خلال التعديلات في عملية المعالجة الحرارية.

 

الاستنتاجات 4

١) بعد الدرفلة على درجات حرارة عالية، يمكن للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 1Cr2 الحصول على بنية مارتنسيتية كاملة من خلال التبريد الهوائي. النيكل عنصر مُكَوِّن للأوستينيت. زيادة محتواه تُعزز استقرار الأوستينيت في الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 13Cr2 عند درجات الحرارة العالية، وتُحسّن قابلية المادة للتصلب، وتُقلل حجم الحبيبات. عندما تزيد نسبة النيكل من ٠٫١٪ إلى ٠٫٣٪، ينخفض ​​حجم الحبيبات بعد التبريد من ١٧٫٣ ميكرومتر إلى ٩٫٨ ميكرومتر.

٢) مع زيادة محتوى النيكل من ٠٫١٪ إلى ٠٫٣٪، لا تتغير قيمة صلابة الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 2Cr0.1 بشكل ملحوظ بعد المعالجة الحرارية. ومع ذلك، بعد المعالجة الحرارية عند ٧٨٥ درجة مئوية لمدة ٧٠ دقيقة، تزداد قيمة الصلابة من ٢١HRC إلى ٣١HRC، وتزداد قوة الخضوع، وقوة الشد، والاستطالة بعد الكسر من ٦١٤ ميجا باسكال، و٧٤٨ ميجا باسكال، و٣٠٪ إلى ٦٧٠ ميجا باسكال، و٧٩٧ ميجا باسكال، و٣٣٪ على التوالي.

٣) يمكن تعديل الخواص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 3Cr2 من خلال عمليات المعالجة الحرارية. لتلبية متطلبات الطلب، يجب ضبط درجة حرارة المعالجة الحرارية ومدة الاحتفاظ للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي بنسبة ٠.٣٪ نيكل إلى ٨٠٠ درجة مئوية و٧٠ دقيقة على التوالي. الخواص الميكانيكية لهذا الفولاذ مماثلة لخصائص الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي 13Cr0.3 بنسبة ٠.١٪ نيكل.

 

إذا كان لديك أي سؤال أو طلب أو أجزاء جديدة من الصب والقطع الفولاذية المقاومة للصدأ تحتاج إلى التطوير أو تحسين سلسلة التوريد الخاصة بك، فلا تتردد في الاتصال بنا info@castings-forging.com