التقنية الأساسية لأسلاك اللحام المقاومة للتآكل: كيف يعزز مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم مقاومة التآكل

أولاً: تحليل العوامل الرئيسية المؤثرة على مقاومة التآكل في أسلاك اللحام المقاومة للتآكل

1.1 تركيب وبنية مادة مصفوفة سلك اللحام

تُعدّ مادة المصفوفة في سلك اللحام أساسًا لسلك اللحام المقاوم للتآكل، ويؤثر تركيبها الكيميائي وبنيتها المجهرية تأثيرًا جوهريًا على مقاومة المعدن المترسب للتآكل. فمن منظور التركيب الكيميائي، لا تؤثر عناصر مثل الكربون والمنغنيز والسيليكون الموجودة في مادة المصفوفة على أداء عملية اللحام فحسب، بل تتفاعل أيضًا مع عناصر المادة المقوية لتنظيم تكوين وتوزيع أطوار التقوية في المعدن المترسب. فعلى سبيل المثال، يُمكن للكربون أن يُشكّل كربيدات مع عناصر مثل الكروم والتنغستن، بينما يُحسّن المنغنيز سيولة حوض اللحام المنصهر ويعزز تماسك الوصلات الملحومة. أما من حيث البنية المجهرية، فيُحدد حجم الحبيبات وتركيب الطور في مادة المصفوفة بشكل مباشر الخصائص الميكانيكية الأولية للمعدن المترسب. تتميز مادة المصفوفة ذات البنية الحبيبية الدقيقة عادةً بقوة ومتانة أعلى، مما يوفر حاملًا ممتازًا للتوزيع المنتظم لأطوار التقوية. علاوة على ذلك، تؤثر نسبة أطوار مثل البيرلايت والفريت في المصفوفة أيضًا على صلابة المعدن المترسب ومقاومته للتآكل. يُعد التنظيم العقلاني للبنية المجهرية للمادة أساسًا مهمًا لتحسين مقاومة التآكل.

1.2 أنواع وقواعد توزيع أطوار تقوية السبائك

تُعدّ مراحل تقوية السبيكة العناصر الأساسية لتحسين مقاومة التآكل في أسلاك اللحام المقاومة للتآكل، ويؤثر نوعها وكميتها وحجمها وحالة توزيعها بشكل مباشر على فعالية هذا التحسين. في المعدن المترسب على أسلاك اللحام المقاومة للتآكل، تشمل مراحل تقوية السبيكة الشائعة الكربيدات والنيتريدات والبوريدات، وغيرها. وتُستخدم مراحل الكربيدات على نطاق واسع نظرًا لصلابتها العالية وثباتها. وتختلف أنواع الكربيدات في صلابتها وثباتها. فعلى سبيل المثال، تصل صلابة Cr₇C₃ إلى 1800-2200 الجهد العالي، وهي أعلى بكثير من صلابة المادة الأساسية، مما يُؤثر بشكل كبير على تحسين مقاومة التآكل. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ توزيع مراحل تقوية السبيكة أمرًا بالغ الأهمية. إذ يُمكن لمراحل التقوية المُوزعة بانتظام أن تُعيق حركة جزيئات الكشط بشكل أكثر فعالية وتمنع التآكل الموضعي المُفرط. في المقابل، يُؤدي تكتل مراحل التقوية وانفصالها إلى أداء غير متجانس للمعدن المترسب، مما يُقلل من مقاومته للتآكل ومتانته. لذلك، فإن الاختيار العقلاني لنوع مراحل تقوية السبائك وتنظيم توزيعها المنتظم من خلال الوسائل التقنية يعتبران من الروابط الرئيسية لتحسين مقاومة التآكل لأسلاك اللحام المقاومة للتآكل.

1.3 آلية تنظيم عملية اللحام لمقاومة التآكل للمعدن المترسب

تُعدّ عملية اللحام إجراءً أساسيًا لربط سلك اللحام بالمادة الأساسية وتشكيل المعدن المُرسب. وتلعب معايير هذه العملية (مثل تيار اللحام، والجهد، وسرعة اللحام، ونوع غاز الحماية، إلخ) دورًا تنظيميًا هامًا في التركيب الكيميائي، والبنية المجهرية، ومقاومة التآكل للمعدن المُرسب. يؤثر مقدار تيار اللحام والجهد بشكل مباشر على كمية الحرارة المُدخلة، والتي بدورها تؤثر على درجة حرارة حوض اللحام المنصهر ومعدل تبريده. فزيادة كمية الحرارة المُدخلة ترفع درجة حرارة حوض اللحام المنصهر، وتؤدي إلى تضخم حبيبات المعدن المُرسب، وذوبان مفرط لأطوار التقوية، مما يُقلل من صلابته ومقاومته للتآكل. من ناحية أخرى، قد تؤدي انخفاض كمية الحرارة المُدخلة إلى لحام غير كافٍ، مما ينتج عنه عيوب مثل عدم اكتمال الاختراق ووجود شوائب الخبث، والتي تؤثر أيضًا على أداء المعدن المُرسب. تؤثر سرعة اللحام على جودة التشكيل ومعدل تبريد المعدن المُرسب؛ إذ تضمن سرعة اللحام المناسبة أن يكون للمعدن المُرسب سُمك منتظم وبنية كثيفة. يُستخدم نوع غاز الحماية ومعدل تدفقه بشكل أساسي لمنع أكسدة حوض اللحام المنصهر، وضمان استقرار عملية اللحام، وتجنب الآثار السلبية لمنتجات الأكسدة على أداء المعدن المترسب. لذا، يُعدّ تحسين معايير عملية اللحام لتحقيق تحكم دقيق في البنية المجهرية للمعدن المترسب ضمانةً مهمةً لتحسين مقاومة التآكل لأسلاك اللحام المقاومة للتآكل.

1.4 مؤشرات التقييم الأساسية وطرق الاختبار الموحدة لمقاومة التآكل

يُعدّ التقييم الدقيق لمقاومة التآكل لأسلاك اللحام المقاومة للتآكل أساسًا لتعزيز البحث والتطوير والتطبيق التكنولوجي. وقد وُضعت في الصناعة حاليًا سلسلة من مؤشرات التقييم الأساسية وطرق الاختبار المعيارية. تشمل مؤشرات التقييم الأساسية الصلابة، وفقدان الكتلة الناتج عن التآكل، ومقاومة التآكل النسبية، وغيرها. تُعدّ الصلابة مؤشرًا هامًا لقياس مقاومة المادة للتشوه الموضعي والتآكل، ويتم قياسها عادةً باستخدام طرق صلابة برينل (HB) أو صلابة روكويل (هيئة حقوق الإنسان) أو صلابة فيكرز (الجهد العالي). يتميز المعدن المُرسب ذو الصلابة العالية عمومًا بمقاومة تآكل أفضل. يشير فقدان الكتلة الناتج عن التآكل إلى فقدان كتلة أو حجم المادة في ظل ظروف تآكل معينة؛ وكلما قلّ فقدان الكتلة، كانت مقاومة التآكل للمادة أفضل. تُحسب مقاومة التآكل النسبية بمقارنة فقدان الكتلة الناتج عن التآكل للمادة المختبرة مع فقدان الكتلة الناتج عن التآكل للمادة القياسية، مما يعكس بشكل أوضح مزايا مقاومة التآكل للمادة المختبرة. تشمل طرق الاختبار المعيارية بشكل رئيسي اختبار التآكل الكاشط، واختبار التآكل الناتج عن الصدمات، واختبار التآكل الانزلاقي، وغيرها. تحاكي طرق الاختبار المختلفة ظروف تآكل متنوعة، مما يتيح تقييمًا شاملًا لمقاومة التآكل لأسلاك اللحام المقاومة للتآكل في ظل ظروف تشغيل مختلفة. على سبيل المثال، يحاكي اختبار التآكل الكاشط ظروف تشغيل آلات التعدين المعرضة للقطع الكاشط، بينما يحاكي اختبار التآكل الناتج عن الصدمات ظروف تشغيل الآلات الهندسية المعرضة للتأثير المشترك للصدمات والتآكل. من خلال طرق الاختبار المعيارية ومؤشرات التقييم، يمكن توفير بيانات موضوعية ودقيقة لدعم مقارنة الأداء والبحث والتطوير التكنولوجي لأسلاك اللحام المقاومة للتآكل.

ثانيًا: عملية تحضير وتقنية تكييف مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم في أسلاك اللحام المقاومة للتآكل

2.1 تحسين عملية تحضير أسلاك اللحام المقاومة للتآكل وطريقة إضافة مسحوق حديد الكروم عالي الكربون

2.1.1 تصميم النسبة وعملية الخلط المتجانس لمسحوق حديد الكروم عالي الكربون في سلك اللحام ذي القلب المتدفق

يُعد سلك اللحام ذو القلب المحشو بالتدفق أحد أكثر أنواع الأسلاك استخدامًا لنقل مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم. في عملية تحضيره، يُعد تصميم نسبة مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم وخلطه بشكل متجانس عنصرين أساسيين لضمان أداء سلك اللحام. فيما يتعلق بتصميم النسبة، من الضروري تحديد نسبة مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم والمكونات الأخرى (مثل مسحوق الحديد، والفيرومنجنيز، والفيروسليكون، والجرافيت، ومُكوِّن الخبث، إلخ) بشكل مناسب وفقًا لمقاومة التآكل المستهدفة، وأداء عملية اللحام، ومتطلبات الخواص الميكانيكية الشاملة لسلك اللحام. إذا كانت نسبة مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم منخفضة جدًا، فلن تتشكل أطوار الكربيد بشكل كافٍ، وسيكون تأثير التقوية ضئيلاً. أما إذا كانت النسبة عالية جدًا، فستنخفض صلابة المعدن المترسب، وستزداد قابليته للتشقق أثناء اللحام، كما سترتفع التكلفة. بشكل عام، يُنصح بالتحكم بنسبة مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم في سلك اللحام ذي القلب المحشو بالتدفق بين 20% و40%. ولضمان توزيع متجانس لمسحوق الحديد عالي الكربون والكروم داخل القلب المحشو بالتدفق، من الضروري استخدام معدات خلط فعّالة واتباع عمليات خلط مناسبة. تشمل معدات الخلط الشائعة الاستخدام حاليًا الخلاطات المخروطية والخلاطات الحلزونية المزدوجة. أثناء عملية الخلط، يجب التحكم في معايير مثل مدة الخلط وسرعة الدوران لتجنب الخلط غير المتجانس أو تكتل الجزيئات. إضافةً إلى ذلك، قبل الخلط، يجب تجفيف مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم والمكونات الأخرى لإزالة الرطوبة والشوائب، مما يضمن جودة الخلط وأداء عملية اللحام لسلك اللحام.

2.1.2 تقنية تحضير طلاء مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم على سطح سلك اللحام الصلب

بالإضافة إلى أسلاك اللحام ذات القلب المحشو بالتدفق، يُعد طلاء سطح سلك اللحام الصلب بطبقة تحتوي على مسحوق حديد الكروم عالي الكربون أحد أهم تطبيقات هذا المسحوق. تعتمد هذه التقنية على خلط مسحوق حديد الكروم عالي الكربون مع مواد رابطة وعناصر سبائكية أخرى لتحضير مواد الطلاء، ثم طلائها بشكل متجانس على سطح سلك اللحام الصلب، وتكوين طبقة ذات سماكة وقوة محددتين بعد التجفيف والتصلب. يكمن سر نجاح هذه التقنية في تصميم تركيبة مواد الطلاء وتحسين عمليات الطلاء. في تركيبة مادة الطلاء، يجب تعديل محتوى مسحوق حديد الكروم عالي الكربون بشكل مناسب وفقًا للأداء المطلوب. يجب أن تتمتع المادة الرابطة بقوة ربط جيدة وثبات حراري عالٍ لضمان عدم تساقط الطلاء أو تحلله أثناء عملية اللحام. أما بالنسبة لعمليات الطلاء، فتشمل الطرق الشائعة الطلاء بالغمس، والطلاء بالرش، والطلاء بالدرفلة، وغيرها. تتميز طريقة الطلاء بالغمس بسهولة العملية وانخفاض التكلفة، ولكنها تفتقر إلى تجانس سماكة الطلاء. تُتيح طريقة الطلاء بالرش الحصول على طبقة طلاء متجانسة السماكة، إلا أنها تتطلب تكاليف معدات عالية. أما طريقة الطلاء بالدرفلة، فتجمع بين مزايا سهولة العملية وتجانس سماكة الطلاء، ولذا فهي شائعة الاستخدام. إضافةً إلى ذلك، تُعدّ عمليتا تجفيف وتصلب الطلاء بالغتي الأهمية؛ إذ يجب التحكم بدرجة الحرارة والوقت لضمان قوة الطلاء وثباته، وتجنب العيوب أثناء عملية اللحام.

2.2 دراسة تجريبية حول تحسين كمية إضافة مسحوق الحديد الكرومي عالي الكربون

2.2.1 تأثير كمية الإضافة على كفاءة ترسيب سلك اللحام

لا تؤثر كمية مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم المضافة على مقاومة التآكل للمعدن المترسب فحسب، بل تؤثر أيضًا بشكل كبير على كفاءة ترسيب سلك اللحام. تُعد كفاءة الترسيب مؤشرًا هامًا لقياس أداء سلك اللحام، وهي نسبة كتلة المعدن المترسب إلى كتلة سلك اللحام المستهلك في وحدة الزمن. وقد أظهرت العديد من الدراسات التجريبية وجود علاقة غير خطية بين كمية مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم المضافة وكفاءة الترسيب. فعندما تكون الكمية المضافة قليلة، يكون تأثير مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم على كفاءة الترسيب ضئيلاً. ومع زيادة الكمية المضافة، تتحسن كفاءة الترسيب تدريجيًا لأن بعض العناصر الموجودة في مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم تُحسّن سيولة حوض المعدن المنصهر، مما يُعزز انصهار سلك اللحام وترسيبه. ومع ذلك، عندما تتجاوز الكمية المضافة حدًا معينًا، تبدأ كفاءة الترسيب في الانخفاض. ويعود ذلك إلى أن مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم يتميز بكثافة عالية؛ فالإضافة المفرطة تُبطئ من سرعة انصهار سلك اللحام. في الوقت نفسه، يؤدي تكوّن كميات زائدة من أطوار الكربيد إلى زيادة لزوجة المصهور، مما يعيق تدفق المعدن المترسب وتكوينه. لذا، من الضروري تحديد النطاق الأمثل لإضافة مسحوق حديد الكروم عالي الكربون من خلال تجارب التحسين لضمان مقاومة التآكل للمعدن المترسب مع مراعاة كفاءة الترسيب العالية.

2.2.2 قانون تطور مقاومة التآكل للمعادن المترسبة مع كميات إضافية مختلفة

تُظهر مقاومة التآكل للمعدن المُرسب تطورًا واضحًا مع اختلاف كميات مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم المُضاف. تُشير نتائج الاختبار إلى أنه مع زيادة كمية مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم المُضاف، يزداد عدد أطوار الكربيد في المعدن المُرسب تدريجيًا، وتزداد الصلابة ومقاومة التآكل تبعًا لذلك. عندما تصل كمية الإضافة إلى قيمة مُعينة، تصل صلابة المعدن المُرسب ومقاومته للتآكل إلى ذروتهما. إذا استمرت كمية الإضافة في الزيادة، فلن تتحسن صلابة المعدن المُرسب ومقاومته للتآكل، بل ستنخفض، وستنخفض المتانة بشكل ملحوظ أيضًا. يعود ذلك إلى أنه عندما تكون كمية الإضافة عالية جدًا، يصبح عدد أطوار الكربيد مُفرطًا، مما يؤدي إلى التكتل والانفصال، وهو ما ينتج عنه بنية مجهرية غير متجانسة للمعدن المُرسب وتركيز موضعي للإجهاد. أثناء عملية التآكل، تكون الشقوق عرضة للظهور، مما يُسرع من فشل التآكل. بالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة أطوار الكربيد تُقلل من أداء عملية اللحام للمعدن المُرسب وتزيد من خطر حدوث شقوق اللحام. لذلك، فإن تحديد الكمية المثلى المضافة من مسحوق الحديد الكروم عالي الكربون من خلال التجارب هو المفتاح لتحقيق التوازن بين مقاومة التآكل والخصائص الميكانيكية الشاملة للمعدن المترسب.

2.3 تقنية تنظيم التوافق بين مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم والمكونات الأخرى لسلك اللحام

تؤثر التوافقية بين مسحوق الحديد عالي الكربون والكروم ومكونات سلك اللحام الأخرى (مثل معدن المصفوفة، وعناصر السبائك الأخرى، ومكونات الخبث، ومزيلات الأكسدة، إلخ) بشكل مباشر على أداء عملية اللحام وسلك اللحام وجودة المعدن المترسب. لذلك، يلزم اعتماد تقنيات تنظيم فعالة لضمان توافقية جيدة. أولًا، فيما يتعلق باختيار المكونات، من الضروري اختيار المكونات الأخرى بشكل مناسب وفقًا للتركيب الكيميائي والخصائص الفيزيائية لمسحوق الحديد عالي الكربون والكروم. على سبيل المثال، يمكن استخدام الفيرومنجنيز والفيروسليكون، وما شابههما، كمزيلات للأكسدة ذات قدرة جيدة على إزالة الأكسجين، مما يساهم في إزالة الأكسجين من حوض اللحام المنصهر، وتجنب تكوّن الأكاسيد بين الأكسجين والكروم، ومنع التأثير على تكوين أطوار الكربيد. كما يضمن اختيار مكونات الخبث المناسبة تكوين خبث جيد أثناء عملية اللحام، وحماية حوض اللحام المنصهر وخط اللحام، والحد من ظهور العيوب. ثانيًا، فيما يتعلق بتنظيم النسب، من الضروري تحسين نسبة كل مكون من خلال التجارب لتجنب مشاكل التوافق الناتجة عن زيادة أو نقص كمية مكون معين. على سبيل المثال، قد تؤدي النسبة العالية جدًا من مُكوِّنات الخبث إلى زيادة الخبث، مما يؤثر على تشكيل المعدن المترسب؛ بينما لا تستطيع النسبة غير الكافية من مُزيلات الأكسدة إزالة العناصر الضارة بفعالية. إضافةً إلى ذلك، يمكن تحسين التفاعل بين المكونات المختلفة وتعزيز التوافق بإضافة كمية مناسبة من السبائك الرئيسية أو العناصر الأرضية النادرة. تتميز العناصر الأرضية النادرة بتأثيرات تنقية وتعديل جيدة، حيث يمكنها تكرير الحبيبات، وتحسين توزيع أطوار الكربيد، وتعزيز قوة الترابط بين المكونات المختلفة، وتحسين الأداء الشامل لسلك اللحام.