لحام الفولاذ المقاوم للصدأ

لحام الفولاذ المقاوم للصدأ

1. قابلية اللحام

تكمن المشكلة الرئيسية في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ في أن طبقة الأكسيد المتكونة على السطح تؤثر بشكل كبير على ترطيب وانتشار اللحام. تحتوي أنواع مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ على كمية كبيرة من الكروم، وبعضها يحتوي أيضًا على النيكل والتيتانيوم والمنغنيز والموليبدينوم والنيوبيوم وعناصر أخرى، والتي يمكن أن تُشكّل أنواعًا مختلفة من الأكاسيد، أو حتى أكاسيد مركبة، على السطح. ومن بين هذه الأكاسيد، يُعدّ أكسيد الكروم (Cr₂O₃) وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) من أكاسيد الكروم والتيتانيوم مستقرة للغاية ويصعب إزالتها. عند اللحام في الهواء، يجب استخدام مُساعد لحام نشط لإزالتها؛ أما عند اللحام في جو واقٍ، فلا يمكن تقليل طبقة الأكسيد إلا في جو عالي النقاء ذي نقطة ندى منخفضة ودرجة حرارة عالية كافية؛ وفي اللحام الفراغي، من الضروري توفير فراغ ودرجة حرارة كافيين لتحقيق نتائج لحام جيدة.

من المشاكل الأخرى في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ أن درجة حرارة التسخين تؤثر بشكل كبير على بنية المعدن الأساسي. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة تسخين لحام الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ 1150 درجة مئوية، وإلا سيزداد حجم الحبيبات بشكل ملحوظ. إذا كان الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ لا يحتوي على عنصري التيتانيوم أو النيوبيوم المستقرين، ويحتوي على نسبة عالية من الكربون، فيجب تجنب اللحام ضمن نطاق درجة حرارة التحسس (500-850 درجة مئوية) لمنع انخفاض مقاومة التآكل نتيجة ترسب كربيد الكروم. أما اختيار درجة حرارة اللحام للفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ فهو أكثر دقة. يتمثل أحد المعايير في مطابقة درجة حرارة اللحام مع درجة حرارة التبريد السريع، وذلك لدمج عملية اللحام مع عملية المعالجة الحرارية. كما يجب أن تكون درجة حرارة اللحام أقل من درجة حرارة التلدين لمنع تليين المعدن الأساسي أثناء اللحام. إن مبدأ اختيار درجة حرارة اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ المتصلب بالترسيب هو نفسه مبدأ اختيار درجة حرارة اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي، أي أن درجة حرارة اللحام يجب أن تتناسب مع نظام المعالجة الحرارية للحصول على أفضل الخصائص الميكانيكية.

إضافةً إلى المشكلتين الرئيسيتين المذكورتين أعلاه، ثمة ميلٌ لحدوث تشققات إجهادية عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، لا سيما عند استخدام معدن حشو من النحاس والزنك. ولتجنب هذه التشققات، يجب معالجة قطعة العمل حراريًا لتخفيف الإجهاد قبل اللحام، كما يجب تسخينها بشكل متجانس أثناء عملية اللحام.

2. مواد اللحام

(1) وفقًا لمتطلبات استخدام اللحامات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، تشمل معادن الحشو المستخدمة بشكل شائع في اللحامات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ معدن الحشو المصنوع من القصدير والرصاص، ومعدن الحشو المصنوع من الفضة، ومعدن الحشو المصنوع من النحاس، ومعدن الحشو المصنوع من المنغنيز، ومعدن الحشو المصنوع من النيكل، ومعدن الحشو المصنوع من المعادن الثمينة.

يُستخدم لحام القصدير والرصاص بشكل أساسي في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ، ويُفضل أن يحتوي على نسبة عالية من القصدير. كلما زادت نسبة القصدير في اللحام، تحسنت قابليته للترطيب على الفولاذ المقاوم للصدأ. يوضح الجدول 3 قوة القص لوصلات الفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr18Ni9Ti الملحومة بعدة أنواع شائعة من لحام القصدير والرصاص. ونظرًا لضعف قوة هذه الوصلات، فإنها تُستخدم فقط في لحام الأجزاء ذات قدرة التحمل المنخفضة.

الجدول 3: قوة القص لوصلة الفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr18Ni9Ti الملحومة بالقصدير والرصاص

تُعدّ معادن الحشو القائمة على الفضة الأكثر شيوعًا في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ. ومن بينها، تُستخدم معادن حشو الفضة والنحاس والزنك، والفضة والنحاس والزنك والكادميوم على نطاق واسع، نظرًا لتأثير درجة حرارة اللحام الطفيف على خصائص المعدن الأساسي. يوضح الجدول 4 قوة وصلات الفولاذ المقاوم للصدأ ICr18Ni9Ti الملحومة بعدة أنواع شائعة من اللحام القائم على الفضة. نادرًا ما تُستخدم وصلات الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة باللحام القائم على الفضة في بيئات شديدة التآكل، وعادةً لا تتجاوز درجة حرارة تشغيل هذه الوصلات 300 درجة مئوية. عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ الخالي من النيكل، ولتجنب تآكل الوصلة الملحومة في البيئات الرطبة، يُنصح باستخدام معدن حشو يحتوي على نسبة أعلى من النيكل، مثل b-ag50cuzncdni. أما عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي، ولتجنب تليين المعدن الأساسي، يُنصح باستخدام معدن حشو لا تتجاوز درجة حرارة لحامه 650 درجة مئوية، مثل b-ag40cuzncd. عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ في جو واقٍ، يُمكن استخدام مُساعد لحام ذاتي يحتوي على الليثيوم، مثل b-ag92culi و b-ag72culi، لإزالة طبقة الأكسيد السطحية. أما عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ في الفراغ، وللحفاظ على قابلية التبلل الجيدة لمعدن الحشو حتى في حال عدم احتوائه على عناصر سريعة التبخر مثل الزنك والكادميوم، فيُمكن اختيار معدن حشو فضي يحتوي على عناصر مثل المنغنيز والنيكل والراديوم.

الجدول 4: قوة وصلة الفولاذ المقاوم للصدأ ICr18Ni9Ti الملحومة بمعدن حشو أساسه الفضة

تُستخدم معادن حشو اللحام النحاسية في لحام أنواع مختلفة من الفولاذ، وتتكون أساسًا من النحاس النقي، والنحاس والنيكل، والنحاس والمنغنيز والكوبالت. يُستخدم النحاس النقي بشكل رئيسي في اللحام تحت غطاء غازي أو في الفراغ. لا تتجاوز درجة حرارة تشغيل وصلة الفولاذ المقاوم للصدأ 400 درجة مئوية، إلا أن هذه الوصلة تتميز بمقاومة ضعيفة للأكسدة. يُستخدم النحاس والنيكل بشكل أساسي في اللحام باللهب واللحام بالحث. يوضح الجدول 5 قوة وصلة الفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr18Ni9Ti الملحومة، حيث يتضح أنها تتمتع بنفس قوة المعدن الأساسي، مع درجة حرارة تشغيل عالية. يُستخدم النحاس والمنغنيز والكوبالت بشكل أساسي في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي في جو واقٍ. تتشابه قوة الوصلة ودرجة حرارة تشغيلها مع تلك الملحومة باستخدام معدن حشو ذهبي. على سبيل المثال، فإن وصلة الفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr13 الملحومة باستخدام لحام b-cu58mnco لها نفس الأداء مثل وصلة الفولاذ المقاوم للصدأ نفسها الملحومة باستخدام لحام b-au82ni (انظر الجدول 6)، ولكن تكلفة الإنتاج تنخفض بشكل كبير.

الجدول 5: قوة القص لوصلة الفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr18Ni9Ti الملحومة بمعدن حشو نحاسي عالي الحرارة

الجدول 6: قوة القص لوصلة اللحام المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr13

تُستخدم معادن الحشو القائمة على المنغنيز بشكل أساسي في اللحام المحمي بالغاز، ويتطلب ذلك نقاءً عالياً للغاز. ولتجنب نمو حبيبات المعدن الأساسي، يُنصح باختيار معدن حشو مناسب بدرجة حرارة لحام أقل من 1150 درجة مئوية. ويمكن الحصول على نتائج لحام مرضية لوصلات الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة باستخدام لحام قائم على المنغنيز، كما هو موضح في الجدول 7. ويمكن أن تصل درجة حرارة تشغيل الوصلة إلى 600 درجة مئوية.

الجدول 7: قوة القص لوصلة الفولاذ المقاوم للصدأ lcr18ni9fi الملحومة بمعدن حشو أساسه المنغنيز

عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام معدن حشو أساسه النيكل، يتميز الوصل بأداء جيد في درجات الحرارة العالية. يُستخدم هذا المعدن عادةً في اللحام المحمي بالغاز أو اللحام الفراغي. وللتغلب على مشكلة تكوّن مركبات هشة في الوصلة الملحومة أثناء تشكيلها، مما يقلل بشكل كبير من قوتها ومرونتها، يجب تقليل فجوة الوصلة لضمان انتشار العناصر سهلة التكوين للطور الهش في اللحام بشكل كامل في المعدن الأساسي. ولمنع نمو حبيبات المعدن الأساسي نتيجةً لطول مدة التثبيت عند درجة حرارة اللحام، يمكن اتخاذ تدابير عملية تتضمن تثبيتًا قصير المدة ومعالجة الانتشار عند درجة حرارة منخفضة (مقارنةً بدرجة حرارة اللحام) بعد اللحام.

تشمل معادن الحشو المستخدمة في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ معادن حشو أساسها الذهب ومعادن حشو تحتوي على البلاديوم، ومن أكثرها شيوعًا B-Au82Ni وB-AG54CUPD وB-Au82Ni، والتي تتميز بقابلية ترطيب جيدة. يتميز وصلة الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة بقوة عالية عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة للأكسدة، حيث تصل درجة حرارة التشغيل القصوى إلى 800 درجة مئوية. يتميز B-AG54CUPD بخصائص مشابهة لـ B-Au82Ni، كما أن سعره منخفض، لذا يُستخدم غالبًا كبديل لـ B-Au82Ni.

(2) يحتوي سطح الفولاذ المقاوم للصدأ في جو الفرن ووسط الصهر على أكاسيد مثل Cr2O3 وTiO2، والتي لا يمكن إزالتها إلا باستخدام مادة صهر ذات فعالية عالية. عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام لحام القصدير والرصاص، فإن مادة الصهر المناسبة هي محلول حمض الفوسفوريك المائي أو محلول أكسيد الزنك في حمض الهيدروكلوريك. نظرًا لقصر مدة فعالية محلول حمض الفوسفوريك المائي، يجب اعتماد طريقة اللحام بالتسخين السريع. يمكن استخدام مواد الصهر Fb102 أو fb103 أو fb104 للحام الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام معادن حشو فضية. أما عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام معادن حشو نحاسية، فيُستخدم الصهر fb105 نظرًا لارتفاع درجة حرارة اللحام.

عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ في الفرن، يُستخدم عادةً جوٌّ مفرغ من الهواء أو جوٌّ واقٍ مثل الهيدروجين أو الأرجون أو الأمونيا الناتجة عن التحلل. أثناء اللحام في جوٍّ مفرغ من الهواء، يجب ألا يتجاوز ضغط الفراغ 10⁻² باسكال. عند اللحام في جوٍّ واقٍ، يجب ألا تتجاوز درجة تكثف الغاز -40 درجة مئوية. إذا لم تكن نقاوة الغاز كافية أو لم تكن درجة حرارة اللحام مرتفعة، يمكن إضافة كمية صغيرة من غاز مساعد للحام، مثل ثلاثي فلوريد البورون، إلى الجوّ.

2. تقنية اللحام بالنحاس

يجب تنظيف الفولاذ المقاوم للصدأ بدقة أكبر قبل اللحام لإزالة أي شحوم أو طبقات زيتية. من الأفضل إجراء اللحام مباشرة بعد التنظيف.

يمكن استخدام طرق التسخين باللهب والحث والتسخين داخل الفرن في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ. يجب أن يحتوي فرن اللحام على نظام تحكم دقيق في درجة الحرارة (بحيث لا يتجاوز انحراف درجة حرارة اللحام ± 6 درجات مئوية) وأن يكون سريع التبريد. عند استخدام الهيدروجين كغاز واقٍ في اللحام، تعتمد متطلباته على درجة حرارة اللحام وتركيب المعدن الأساسي؛ فكلما انخفضت درجة حرارة اللحام، زادت نسبة المثبتات في المعدن الأساسي، وانخفضت درجة تكثف الهيدروجين المطلوبة. على سبيل المثال، بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي مثل 1Cr13 وCr17Ni2T، عند اللحام عند 1000 درجة مئوية، يجب أن تكون درجة تكثف الهيدروجين أقل من -40 درجة مئوية؛ أما بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ 18-8 من الكروم والنيكل الخالي من المثبتات، فيجب أن تكون درجة تكثف الهيدروجين أقل من 25 درجة مئوية عند اللحام عند 1150 درجة مئوية. مع ذلك، بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr18Ni9Ti المحتوي على مثبت التيتانيوم، يجب أن تكون نقطة تكثف الهيدروجين أقل من -40 درجة مئوية عند اللحام عند 1150 درجة مئوية. عند اللحام مع حماية الأرجون، يلزم أن تكون نقاوة الأرجون أعلى. في حال طلاء سطح الفولاذ المقاوم للصدأ بالنحاس أو النيكل، يمكن تقليل متطلبات نقاوة غاز الحماية. لضمان إزالة طبقة الأكسيد من سطح الفولاذ المقاوم للصدأ، يمكن إضافة غاز BF3 كعامل مساعد، كما يمكن استخدام لحام ذاتي التدفق يحتوي على الليثيوم أو البورون. عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ في الفراغ، تعتمد متطلبات درجة الفراغ على درجة حرارة اللحام. مع ارتفاع درجة حرارة اللحام، يمكن تقليل الفراغ المطلوب.

تتمثل العملية الرئيسية للفولاذ المقاوم للصدأ بعد اللحام في تنظيف بقايا التدفق ومثبط التدفق، وإجراء معالجة حرارية لاحقة عند الضرورة. وبحسب نوع التدفق المستخدم وطريقة اللحام، يمكن غسل بقايا التدفق بالماء، أو تنظيفها ميكانيكيًا أو كيميائيًا. في حال استخدام مواد كاشطة لتنظيف بقايا التدفق أو طبقة الأكسيد في المنطقة المسخنة قرب الوصلة، يُنصح باستخدام الرمل أو جزيئات دقيقة أخرى غير معدنية. تحتاج الأجزاء المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي والفولاذ المقاوم للصدأ المُقسّى بالترسيب إلى معالجة حرارية وفقًا لمتطلبات المادة الخاصة بعد اللحام. غالبًا ما تُعالج وصلات الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة بمعدن حشو من النيكل والكروم والبورون (NiCrB) والنيكل والكروم والسيليكون (NiCrSi) بمعالجة حرارية انتشارية بعد اللحام لتقليل فجوة اللحام وتحسين البنية المجهرية وخواص الوصلات.