تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 416 في مصنع صلب صغير (الجزء الأول)

في العديد من التطبيقات، تفرض شروط تسليم المواد متطلبات صارمة للغاية على الخواص الميكانيكية مثل الصلابة الملدنة، والقوة تحت ظروف التبريد والتلطيف، بالإضافة إلى مقاومة التآكل ومقاومة الأكسدة. توضح هذه المقالة عملية صهر الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي AISI416، وهو الفولاذ الذي يتمتع بأعلى مستوى أداء تصنيع بين جميع أصناف الفولاذ المقاوم للصدأ. من خلال الصهر في فرن الحث وضبط معلمات العملية التشغيلية في عملية الحدادة، تم تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ AISI416 بنجاح. الفولاذ المقاوم للصدأ AISI416 مناسب للمعالجة الحرارية وسهل المعالجة، وبالتالي تقليل تكلفة التصنيع. يؤدي أداء الاحتكاك المنخفض لهذا الفولاذ إلى تقليل التآكل والتشويش، مما يعني أنه يعتبر أكثر أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ اقتصادًا في العديد من التطبيقات، وقد يحل محل AISI410 في العديد من التطبيقات المستقبلية.

ينتمي AISI416 إلى فولاذ الفريت والمارتنسيت، والذي يشبه إلى حد كبير AISI410. يزيد محتواه من الكروم بحوالي 0.5% عن AISI 410 ويحتوي على 0.15% على الأقل من الكبريت. يوفر الكربون القوة المطلوبة، ويحسن الكروم مقاومته للتآكل، ويحسن الكبريت أداء التشغيل الآلي. بسبب العديد من العوامل المؤثرة، مثل البنية المجهرية، وحجم الحبوب، والمعالجة الحرارية، والتركيب الكيميائي، والصلابة، والشد وقوة الخضوع، وغيرها من الخصائص الفيزيائية بما في ذلك معامل المرونة، والتوصيل الحراري، ومعامل التمدد الحراري، وخصائص تصلب العمل، فمن الصعب للتنبؤ بأداء الآلات. تشمل العوامل المؤثرة المهمة الأخرى أيضًا ظروف التشغيل، ومواد الأداة وهندستها، ومعلمات عملية التشغيل.

يذوب الكبريت تمامًا في الفولاذ على شكل FeS، مع نقطة انصهار تبلغ 1190 درجة مئوية، ولكن عند توازن درجة الحرارة المنخفضة، فإنه يشكل FeFeS سهل الانصهار مع نقطة انصهار تبلغ 983 درجة مئوية. لذلك، عند التسخين من أجل الحدادة، فإن هذا سهل الانصهار ذو درجة الحرارة المنخفضة سوف يترسب ويذوب عند حدود الحبوب، مما يتسبب في أن يصبح الفولاذ هشًا على الساخن. نوصي بتحويل FeS إلى MnS، حيث أن MnS قابل للذوبان تمامًا في Fe. يذوب MnS عند حوالي 1400 درجة مئوية، ولكن على عكس FeS، فإنه لا يشكل أي نقطة انصهار منخفضة عند حدود الحبوب عندما يكون محتوى الأكسجين في البركة المنصهرة مرتفعًا.

يشير الفولاذ المقتول إلى الفولاذ الذي تم إزالة الأكسدة منه بالكامل عن طريق إضافة مواد مضافة قبل الصب، بحيث لا يحدث أي ترسب للغاز أثناء عملية التصلب. ويتميز بالتجانس الكيميائي العالي وعدم وجود عيوب في المسامية. يُسمى هذا النوع من الفولاذ "الفولاذ المقتول" لأنه يتصلب بهدوء في القالب دون أن يحدث فقاعات. لسهولة التعرف عليها، يتم استخدام "K" كعلامة. في هذه الدراسة، يتم استخدام الألومنيوم كمزيل للأكسدة. يتفاعل الألومنيوم مع الغاز المذاب في الفولاذ لتكوين أكسيد الألومنيوم. يوفر ترسيب أكسيد الألومنيوم فوائد إضافية لتثبيت حدود الحبوب، مما يمنع نمو الحبوب أثناء المعالجة الحرارية.

AISI416 هو نوع من الفولاذ من الفريت والمارتنسيت، مع وجود كل من الفريت الدلتا والأوستينيت أثناء عملية الحدادة. يعد دلتا الفريت ضارًا بأداء العمل الساخن، خاصة في درجات الحرارة المنخفضة، لذا يجب أن يكون محتوى العناصر المكونة للفريت مثل Si وCr منخفضًا قدر الإمكان. ومع ذلك، للحفاظ على إنتاجية الكروم، يجب أن يبقى محتوى Si أعلى من 0.30%. يمكن إضافة الكبريت إلى الفولاذ باستخدام قضبان صهر الكبريت، أو FeS (البيريت)، أو MnS (البيروتيت). لا ينصح بالاستخدام المباشر للكبريت بسبب خطر تلوث الهواء والحرائق. تكتمل إضافة الكبريت في الوعاء الفولاذي، مع Al (تركيز Al في المجمع المنصهر هو 0.030%) لعملية إزالة الأكسدة المسبقة.

ونظرًا لصغر حجم أوعية صب الفولاذ في معظم مصانع الصلب الصغيرة، فقد قررنا إضافة نصف الكمية فقط في الفرن بعد الانتهاء من اختزال Al وقبل صب الفولاذ. إذا كانت المادة المضافة على شكل مسحوق، فيمكن وضعها في علبة رقيقة الجدران لسهولة إضافتها وامتصاصها. يحتوي كلا المستحضرين على نسبة كبريت تتراوح بين 35% إلى 45%. أنها لا تحتوي على أي شوائب ضارة يمكن اكتشافها. ومن المتوقع أن يصل معدل استخلاص الكبريت إلى 50% إلى 60%، ونظراً لغياب الخبث القلوي لإزالة الكبريت، فإن معدل استخلاص الكبريت قد يكون أقرب إلى الحد الأعلى. محتوى الكبريت المستهدف الأولي هو 0.35% (وليس 0.4%). سيتم تعديل محتوى الكبريت المستهدف إلى قيمة أقل في عملية الصب اللاحقة. تؤدي إضافة 1 كجم من FeS وMnS لكل طن من الفولاذ إلى خفض درجة حرارة الفولاذ بمقدار 0.2 درجة مئوية. ولتحقيق محتوى الكبريت بنسبة 0.4%، من المتوقع أن تنخفض درجة الحرارة بمقدار 0.8 درجة مئوية. خطوات العملية التفصيلية الموصى بها هي كما يلي.

(1) التحكم بالكروم عند الحد الأدنى للنطاق المحدد (12% إلى 14%)؛ (2) احتفظ بنسبة منخفضة من السيليكون ولكن لا تقل عن 0.30%. (3) احتفظ بالكبريت بنسبة 0.15% إلى 0.2%؛ (4) المنغنيز هو 1.10% إلى 1.21%؛ (5) آل ≥ 0.03٪؛ (6) يوصى بإضافة نصف كمية FeS أو MnS إلى الفرن بعد اختزال Al وقبل صب الفولاذ، مع إضافة الباقي إلى الوعاء الفولاذي. إذا كانت المادة المضافة في شكل مسحوق، ضعها في علبة صفيح رقيقة الجدران، ولكن يجب إضافة العملية الفعلية أثناء عملية صب الفولاذ؛ (7) بعد إزالة قالب الفولاذ، قم بتبريده بالهواء ووضعه بسرعة في الفرن للتليين.

لا يوجد رأي موحد حول الحد الأدنى لمحتوى المنغنيز. تسمح أدوات الضبط القياسية أيضًا بزيادة الحد الأقصى لمحتوى Mn إلى 1.25% ضمن نطاق معين. يمكن لمصانع الصلب أن تحافظ على نسبة Mn/S عند 5:1، أي أن تحافظ على محتوى S عند 0.20% إلى 0.25%، ومحتوى Mn عند 1.20% إلى 1.25%. من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، من المستحيل تقليل محتوى FeS إلى الصفر، ولكن يمكن التحكم فيه ضمن نطاق أقل. عندما يتم تسخين الفولاذ أو تبريده ببطء في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 950 إلى 1000 درجة مئوية، فإن حدود الحبوب FeS سوف تسيل (نقطة انصهارها هي 983 درجة مئوية). إذا تم الاحتفاظ بالفولاذ أو تسخينه/تبريده ببطء في نطاق درجة الحرارة هذا، فسوف تميل المادة إلى الوصول إلى حالة التوازن، وفي هذا الوقت، سوف يتشكل ذوبان FeS، مما سيدمر استمرارية المعدن. لذلك، يجب أن تمر بسرعة من خلال نطاق درجة الحرارة هذا. بعد إزالة قالب الفولاذ، يجب تبريده بالهواء ومن ثم وضعه بسرعة في الفرن للتليين. يجب أن تكون درجة حرارة الصلب أقل من 900