تُعزى مقاومة التآكل لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 304 عالية الدقة بشكل أساسي إلى إضافة تركيز معين من الكروم إلى الفولاذ. فمن جهة، عندما يصل محتوى الكروم في مصفوفة الحديد إلى مستوى معين، يرتفع جهد قطب الحديد بشكل حاد؛ ومن جهة أخرى، يُشكّل الكروم طبقة أكسيد كثيفة على السطح، تحمي من التآكل في البيئة المحيطة. تُعدّ عملية الكربنة طريقة فعّالة لتقوية سطح أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 304 عالية الدقة، إلا أن عملية الكربنة التقليدية تُقلّل من مقاومتها للتآكل.
لماذا تُؤدي المعالجة التقليدية بالكربنة إلى تدمير مقاومة التآكل لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي؟ يعود ذلك إلى أنه عند درجات الحرارة العالية، تتحد ذرات الكروم في أنبوب الفولاذ بسهولة مع ذرات الكربون لتكوين كربيد الكروم، الذي يترسب أولًا على حدود حبيبات الأوستنيت في الطبقة المكربنة، مُشكلًا توزيعًا شبكيًا. ونظرًا لكبر نصف قطر ذرات الكروم، يصعب على الكروم الداخلي الانتشار إلى الطبقة السطحية الفقيرة بالكروم، مما يُؤدي إلى نقص موضعي في الكروم على السطح، كما تتضرر الطبقة الواقية من طبقة أكسيد الكروم الثلاثي الكثيفة (Cr₂O₃) للفولاذ المقاوم للصدأ.
لذا، ولضمان عدم تآكل أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ 304 عالي الدقة بفعل عملية الكربنة، من الضروري التأكد من عدم ترسب الكربيدات. وبما أن كربيدات الكروم تتشكل ضمن نطاق حراري معين في درجات الحرارة العالية، يجب إجراء عملية الكربنة ضمن نطاق حراري منخفض مناسب لتجنب تشكل الكربيدات وترسبها.
عند هذه الدرجة، ونظرًا لصغر نصف قطر ذرات الكربون وانتشارها عبر آلية الانتشار البيني، تستطيع ذرات الكربون الانتشار داخل شبكة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي وتكوين محلول صلب بعد عملية الكربنة. أما ذرات الحديد والكروم، فلها أنصاف أقطار أكبر، ولا يمكنها الانتشار إلا عبر آلية التبادل. وبدون طاقة تنشيط كافية للانتشار، لا تستطيع ذرات الحديد والكروم الحركة، مما يضمن عدم تكوّن كربيدات الكروم. تتشكل كربيدات الكروم عند 550 درجة مئوية، لذا ستُجرى معالجة الكربنة منخفضة الحرارة لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 304 الدقيقة عند درجة حرارة أقل من 550 درجة مئوية لتحسين قوة سطحها وخصائصها الأخرى دون الإضرار بمقاومة التآكل الأصلية للأنبوب.
تتلخص الخطوات الرئيسية للعملية فيما يلي: تُعالج سطح أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ عالية الدقة مسبقًا قبل المعالجة، وتُعرف هذه العملية بتنشيط سطح السبيكة. تستخدم عملية التنشيط مزيجًا من غازي حمض الهيدروكلوريك النقي والنيتروجين عند درجة حرارة 250 درجة مئوية لمدة ساعتين. يُزيل حمض الهيدروكلوريك بفعالية طبقة التخميل من أكسيد الكروم على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. أما إضافة النيتروجين فتهدف إلى تهيئة بيئة غير مؤكسدة تحت الضغط الجوي لضمان عدم تأكسد ذرات الكروم في المادة الأساسية وتجنب إعادة تكوّن طبقة التخميل.
بعد ذلك، يمكن الحصول على طبقة صلبة بعمق حوالي 70 ميكرون عن طريق الكربنة عند درجة حرارة 470 درجة مئوية لمدة 20 ساعة. وبالمقارنة مع المادة غير المعالجة، يتحسن أداء أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ 316 المعالج بتقنية LTCSS بشكل ملحوظ، حيث تزداد صلابة السطح من 400 إلى 1000 وحدة فيكرز، ويرتفع حد الإجهاد من 200 إلى 325 ميجا باسكال، أما من حيث مقاومة التآكل، فيزداد جهد التنقر الأنودي من +140 إلى +990 ملي فولت في محلول كلوريد الصوديوم بتركيز 0.6 مول/لتر.
باختصار، يؤدي الكربنة التقليدية إلى تدمير مقاومة التآكل لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 304 الدقيقة، ولكن بعد معالجة الكربنة في درجات حرارة منخفضة، لا يتم الحفاظ على مقاومة التآكل الأصلية فحسب، بل يتم أيضًا تحسين صلابة السطح ومقاومة التآكل بشكل كبير، مما يحسن بشكل فعال موثوقية وعمر خدمة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 304 الدقيقة.
تاريخ النشر: 18 يونيو 2024