الفولاذ المقاوم للصدأ: لماذا نسميه غير القابل للصدأ؟

الفولاذ المقاوم للصدأ الحديث واستخداماته

ما نسميه الآن الفولاذ المقاوم للصدأ يأتي في أربع عائلات تشير على نطاق واسع إلى بنيتها البلورية المجهرية ومراحلها المعدنية المتنوعة:

الفولاذ الأوستنيتي: يتكون الفولاذ المقاوم للصدأ في مرحلة الأوستينيت من النيكل والموليبدينوم كعناصر صناعة السبائك الرئيسية، وله هيكل بلوري مكعب محوره الوجه. تؤدي إضافة النيكل إلى زيادة مقاومته للتآكل وليونته، بينما يعمل الموليبدينوم على تحسين مقاومة التآكل في الظروف الحمضية. الدرجات الشائعة من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي هي 304 و316.
الاستخدامات الشائعة: يعتبر هذا النوع من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومًا للحرارة ويستخدم بشكل شائع لإنتاج المبادلات الحرارية والغلايات والأفران. التطبيقات الشائعة الأخرى للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي هي مكونات الطيران والإلكترونيات وأجزاء القاطرة والخزانات الكيميائية. الفولاذ المقاوم للصدأ من سلسلة 200 ينتمي أيضًا إلى عائلة الأوستنيتي، ولكن يحتوي على المنجنيز كعنصر إضافي في صناعة السبائك.

 

الفولاذ المارتنسيتي: تستخدم عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ في مرحلة مارتنسيت الكربون والكروم كعناصر صناعة السبائك الرئيسية. عند التركيزات العالية من الكربون، تحتوي المادة على هيكل بلوري رباعي الزوايا يتمحور حول الجسم؛ تشكل تركيزات الكربون المنخفضة بنية بلورية تتمحور حول الجسم. يتشكل المارتينسيت عندما يتم إخماد الأوستينيت بسرعة في درجة حرارة الغرفة. يُعرف الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي عمومًا بسلسلة 400 من الفولاذ المقاوم للصدأ، مثل الدرجات 410 و420 و440.
الاستخدامات الشائعة: يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي بشكل شائع في التطبيقات التي تتطلب الصلابة والمتانة، مثل أدوات المائدة والأدوات وشفرات التوربينات والمثبتات والتروس.

 

الفولاذ الحديدي: الفولاذ المقاوم للصدأ بمرحلة الفريت غير مغناطيسي وله هيكل بلوري مكعب يتمحور حول الجسم. مكوناته الرئيسية هي الكروم والحديد (ومن هنا جاء اسم الحديدي) وتركيز منخفض من الكربون. وبالتالي فإن الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد أكثر ليونة، ولكنه يتمتع أيضًا بقدرة أكبر على الليونة وقابلية تشكيل محسنة - ولكن لا يمكن معالجته بالحرارة. ومن أمثلة الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي درجات سلسلة 400 الأخرى، مثل 409 و430 و446.
الاستخدامات الشائعة: يعد الفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد خيارًا شائعًا لأدوات المطبخ ومكونات السيارات والآلات الصناعية.

 

فولاذ مزدوج: الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج عبارة عن خليط من الفولاذ الأوستينيت والفريت.
الاستخدامات الشائعة: غالبًا ما يستخدم الفولاذ المزدوج في صناعات النفط والغاز والورق والصناعات الكيماوية.

أصول الفولاذ المقاوم للصدأ: الأساس في القرن التاسع عشر

إن تاريخ الفولاذ المقاوم للصدأ مليء بالفضائح، على غرار قصة عالمي المفضل نيكولا تيسلا ومنافسه توماس إديسون. مثل قصتهم المثيرة (المقصود من التورية)، جاء الفولاذ المقاوم للصدأ من العديد من الرجال الذين حصلوا على الفضل في عمل رجل آخر. هناك دول بأكملها لا تزال تتجادل حتى يومنا هذا حول من هو "مخترع" الفولاذ المقاوم للصدأ.

في حين يؤكد البعض أن الفولاذ المقاوم للصدأ كان يستخدم من قبل الحدادين في الهند القديمة وسريلانكا وشبه الجزيرة العربية والصين قبل الثورة الصناعية، إلا أن تلك التواريخ لم يتم تسجيلها بشكل جيد. ما نعرفه هو أنه في أوائل القرن التاسع عشر، لاحظ العلماء في العديد من البلدان ظاهرة باستخدام السبائك المعدنية التي تحتوي على الكروم والحديد، حيث كانت قادرة على مقاومة التآكل الحمضي.

يُنسب إلى عالم المعادن الفرنسي، بيير بيرتييه، باعتباره أول من اكتشف في عام 1821 إمكانية تصنيع سبيكة فولاذية مقاومة للتآكل عن طريق إضافة الكروم إلى الحديد. في حين توصل علماء المعادن إلى هذا الاستنتاج، إلا أنهم لم يعرفوا بعد أهمية الحد من محتوى الكربون في تلك السبائك نفسها لمنع التآكل بين الحبيبات والكسر بسبب الهشاشة. لكنهم بدأوا بداية جيدة من خلال التعرف على كيفية تغيير الكروم للخصائص الفيزيائية لسبائك معدنية.

في إنجلترا عام 1872، قدم جون كلارك وجون وودز أول براءة اختراع رسمية لما نعتبره الآن الفولاذ المقاوم للصدأ. لقد أطلقوا على منتجهم اسم السبائك المقاومة للماء وكان مشابهًا بشكل ملحوظ للسبائك الحديثة، لكن المادة لا تزال تحتوي على الكثير من الكربون.

كان أول من اعترف رسميًا بمسألة الكربون هو الباحث المعروف باسم بروستلين في عام 1875. وقد أثار اكتشافه عدة عقود من الأبحاث لتطوير الخليط الأمثل من المعادن وطريقة الإنتاج لتطوير الفولاذ منخفض الكربون. في حين أن لدينا اليوم عمليات حديثة لإنشاء السبائك المعدنية، إلا أن العلم في ذلك الوقت كان بدائيًا. كان العثور على طريقة لفصل الكروم عن الكربون الموجود به بشكل طبيعي هو العقبة الرئيسية أمام إنتاج الفولاذ منخفض الكربون المعتمد على الكروم.
بعد حوالي عقدين من اكتشاف بروستلين للكربون المنخفض، قام هانز جولدشميت في عام 1895 بتطوير عملية تفاعل الألمنيوم الحراري لإنتاج/تكرير الكروم ليكون خاليًا من الكربون. وكانت هذه نقطة التحول التي مكنت من تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ الحديث. التفاعل الكيميائي لما يعرف أيضًا بطريقة اختزال الألومنيوم لإنتاج معدن الكروم موضح أدناه.

سجل تجاري₂O₃+ 2آل → 2Cr + آل₂O₃

طريقة تخفيض الألمنيوم لإنتاج الكروم

إنها عملية تتم فيها إضافة أكسيد الكروم (وأي شوائب موجودة معه بشكل طبيعي مثل السيليكون أو الكبريت أو الكربون) والألومنيوم إلى حاوية فولاذية مبطنة إما بمادة رابطة عضوية أو ألومينا أو أكسيد المغنيسيوم والحرارة. يتم إشعال الخليط باستخدام بيروكسيد الباريوم لإنشاء تفاعل طارد للحرارة - مما يعني أن هناك إطلاقًا صافيًا للطاقة (الحرارة) عند إنتاج الكروم والخبث الناتج.

واليوم، لا تزال هذه العملية تُستخدم لإنتاج كل من الكروم "النقي" وأكسيد الألومنيوم لمختلف تطبيقات ما بعد المعالجة. يمكن تعديل التركيزات المكونة للتفاعل الكيميائي لإنتاج مستويات نقاء مختلفة للمعادن الناتجة.

تطورات الفولاذ المقاوم للصدأ في القرن العشرين

جلبت أوائل القرن العشرين العديد من الاكتشافات المهمة في تطوير عائلة سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ:

- في عام 1904 اكتشف ليون جيليه عدة سلسلة 400، سبائك الحديد والكروم والفولاذ المقاوم للصدأ وأجرى أبحاثًا عن سلسلة 300، سبائك الحديد والنيكل والكروم - على الرغم من أنه لم يدرك أن المعادن كانت مقاومة للتآكل.

- اكتشف P. Monnartz وW. Brochure أن إضافة الكروم إلى السبيكة المعدنية يزيد من مقاومتها للتآكل، وقدرا الحد الأدنى لتركيز الكروم بـ 10.5%. لقد عملوا أيضًا على تفصيل وبحث المقاومة المتزايدة للتآكل التي تأتي مع إضافة الموليبدينوم.

لماذا نسميها الفولاذ المقاوم للصدأ

حدث التقدم الرئيسي التالي في عام 1913 عندما اشتهر هاري برييرلي باكتشاف الفولاذ المقاوم للصدأ رسميًا في محاولة لإنشاء فولاذ مقاوم للتآكل. الآن، ربما يكون هاري بريرلي هو الإجابة الصحيحة على سؤال تافه حول من اخترع الفولاذ المقاوم للصدأ، ولكن الحقيقة ليست بهذه البساطة. لقد جرب إضافة الكروم إلى الفولاذ، لكن بقية قصته مليئة بالأسطورة.

يقول البعض إن بريرلي ألقى سبيكة معدنية تجريبية في سلة المهملات، فقط ليخرجها لاحقًا ويدرك أن الفولاذ لم يتلطخ أو لم يصدأ. ويدعي آخرون أنه اضطر إلى حفر عينته بحمض النيتريك لفحصها مجهريا، لكنه وجد أن المعدن لا يصدأ عند تعرضه لأحماض النيتريك وغيرها من الأحماض أو عوامل الاختزال. رأى هاري إمكانية استخدام السبيكة الخاصة به في صناعة شفرات السكاكين، لكن لم يكن مدعومًا من قبل أصحاب العمل، ولم يتمكن من جعل السبيكة مقاومة للصدأ أو التلطخ لفترات طويلة من الزمن.

لذلك، في خطوات صديقه إرنست ستيوارت، الذي وجد أن تصلب شفرات السكين أدى إلى تحسين مقاومتها للصدأ والبقع. أراد بريرلي أن يطلق على المادة اسم "الفولاذ المقاوم للصدأ"، لكن ستيوارت أطلق عليها اسم "الفولاذ المقاوم للصدأ" نظرًا لقدرتها على مقاومة التلطخ بعد تعرضها لمحلول الخل.

أيضًا، بينما يدعي بريرلي اكتشاف الفولاذ المقاوم للصدأ، يُقال أن آخرين اكتشفوه قبله، بما في ذلك:

في عام 1908، طورت شركة Kupp Iron Works سبيكة كروم ونيكل للاستخدامات البحرية.

في عام 1911، ابتكر إلوود هاينز فولاذًا مقاومًا للتآكل ليحل محل شفرات الحلاقة الصدئة.

من 1911-1914، قام Becket وDantsizen بإنشاء عدد قليل من سبائك الفولاذ الحديدي.

في عام 1912، ادعى ماكس مورمان أنه صنع الفولاذ المقاوم للصدأ، ولكن من المحتمل أنه ابتكر فقط طريقة إنتاج قابلة للتطبيق للفولاذ المقاوم للصدأ. وقد قدم براءة اختراع لهذه العملية، ولكن كانت محل نزاع في ذلك الوقت، ولم يتم الاعتراف به كمخترع للفولاذ المقاوم للصدأ إلا بعد وفاته.

يرجع التاريخ الغني للفولاذ المقاوم للصدأ وتطوير الدرجات المختلفة للمادة إلى جهود العديد من العلماء والباحثين وعلماء المعادن والمهندسين. على مدار القرن الماضي، تحسنت جميع أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ وطرق الإنتاج وطرق إعادة التدوير. يمكننا الآن تسخير واحتكار الظواهر الطبيعية لأكسدة الفولاذ المقاوم للصدأ.

من بداياته المثيرة للجدل إلى حاضره المتطور للغاية والمثير للاهتمام من الناحية المعدنية، يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ معدنًا قويًا ومتعدد الاستخدامات بشكل لا يصدق ومناسبًا حتى لمشاريعك الأكثر تعقيدًا.