لقد تأكدت من تصنيع الأجزاء وفقًا للمواصفات. الآن، تأكد من اتخاذك الخطوات اللازمة لحماية هذه الأجزاء في الظروف التي يتوقعها عملاؤك.
تُعدّ عملية التخميل خطوةً حاسمةً في تعزيز مقاومة التآكل الأساسية للأجزاء والمجموعات المصنّعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. فهي تُحدث فرقًا جوهريًا بين الأداء المُرضي والفشل المُبكر. وإذا لم تُنفّذ بشكل صحيح، فقد تُسبّب عملية التخميل التآكل.
التخميل هو أسلوب ما بعد التصنيع الذي يزيد من مقاومة التآكل الكامنة في سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ التي تنتج قطعة العمل. وهو ليس معالجة لإزالة القشور، ولا هو طلاء.
لا يوجد إجماع عام حول الآلية الدقيقة لكيفية عمل التخميل. لكن من المؤكد وجود طبقة أكسيد واقية على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ المُخَمَّل. يُعتقد أن هذه الطبقة غير المرئية رقيقة للغاية، إذ يقل سمكها عن 0.0000001 بوصة، أي ما يعادل 1/100000 من سمك شعرة الإنسان!
ستكتسب قطعة الفولاذ المقاوم للصدأ النظيفة والمصنعة حديثًا والمصقولة أو المعالجة كيميائيًا طبقة أكسيد تلقائيًا نتيجة تعرضها للأكسجين الجوي. في الظروف المثالية، تغطي طبقة الأكسيد الواقية هذه جميع أسطح القطعة بالكامل.
لكن عملياً، يمكن أن تنتقل الملوثات مثل أوساخ الورشة أو جزيئات الحديد من أدوات القطع إلى سطح أجزاء الفولاذ المقاوم للصدأ أثناء عملية التشغيل. وإذا لم تتم إزالة هذه الأجسام الغريبة، فقد تقلل من فعالية طبقة الحماية الأصلية.
أثناء عملية التشغيل، قد تتآكل كميات ضئيلة من الحديد الحر من أداة القطع وتنتقل إلى سطح قطعة العمل المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. في بعض الحالات، قد تظهر طبقة رقيقة من الصدأ على القطعة. وهذا في الواقع تآكل للفولاذ بفعل أداة القطع، وليس للمعدن الأساسي. أحيانًا، قد تتسبب شقوق جزيئات الفولاذ المتراكمة من أدوات القطع أو نواتج تآكلها في تآكل القطعة نفسها.
وبالمثل، قد تلتصق جزيئات صغيرة من أوساخ الورشة الحديدية بسطح القطعة. وعلى الرغم من أن المعدن قد يبدو لامعًا في حالته المصنعة، إلا أنه بعد تعرضه للهواء، يمكن أن تتسبب جزيئات الحديد الحر غير المرئية في صدأ السطح.
قد تُشكل الكبريتيدات المكشوفة مشكلةً أيضاً. فهي تنتج عن إضافة الكبريت إلى الفولاذ المقاوم للصدأ لتحسين قابليته للتشغيل. تزيد الكبريتيدات من قدرة السبيكة على تكوين رقائق أثناء التشغيل، والتي قد تُزال تماماً من أداة القطع. ما لم تُعالج الأجزاء بشكل صحيح، يُمكن أن تُصبح الكبريتيدات نقطة انطلاق لتآكل سطح المنتجات المصنعة.
في كلتا الحالتين، تُعدّ عملية التخميل ضرورية لتعزيز مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل الطبيعي. فهي تزيل الملوثات السطحية، مثل جزيئات الأوساخ الحديدية وجزيئات الحديد الموجودة في أدوات القطع، والتي قد تُسبب الصدأ أو تُصبح نقطة انطلاق للتآكل. كما تُزيل عملية التخميل الكبريتيدات الموجودة على سطح سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ سهلة القطع.
يوفر إجراء من خطوتين أفضل مقاومة للتآكل: 1. التنظيف، وهو إجراء أساسي ولكنه يتم تجاهله في بعض الأحيان؛ 2. حمام حمضي أو معالجة التخميل.
يجب أن تكون النظافة أولوية قصوى. يجب تنظيف الأسطح جيدًا من الشحوم وسوائل التبريد وغيرها من مخلفات الورشة لتحقيق أفضل مقاومة للتآكل. يمكن مسح مخلفات التشغيل أو الأوساخ الأخرى بعناية من القطعة. يمكن استخدام مزيلات الشحوم أو المنظفات التجارية لإزالة زيوت العمليات أو سوائل التبريد. قد يلزم إزالة المواد الغريبة، مثل أكاسيد الحرارة، بطرق مثل التجليخ أو التخليل.
قد يتجاهل مشغل الآلة أحيانًا التنظيف الأساسي، معتقدًا خطأً أن التنظيف والتخميل سيحدثان في آنٍ واحد بمجرد غمر قطعة مشبعة بالشحم في حمام حمضي. هذا لن يحدث. بل على العكس، يتفاعل الشحم الملوث مع الحمض مكونًا فقاعات هوائية. تتجمع هذه الفقاعات على سطح قطعة العمل وتعيق عملية التخميل.
ومما يزيد الأمر سوءًا، أن تلوث محاليل التخميل، التي تحتوي أحيانًا على تركيزات عالية من الكلوريدات، يمكن أن يتسبب في "الوميض". على عكس الحصول على طبقة الأكسيد المطلوبة بسطح لامع ونظيف ومقاوم للتآكل، يمكن أن يؤدي الحفر السريع إلى سطح محفور بشدة أو داكن - وهو تدهور في السطح تم تصميم التخميل لتحسينه.
تُقسّى الأجزاء المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي [مغناطيسي، مقاوم للتآكل بشكل معتدل، قوة خضوع تصل إلى حوالي 280 كيلوباسكال (1930 ميجاباسكال)] عند درجات حرارة مرتفعة، ثم تُخفّف لضمان الصلابة والخواص الميكانيكية المطلوبة. أما السبائك القابلة للتصليد بالترسيب، والتي تتمتع بقوة ومقاومة للتآكل أفضل من السبائك المارتنسيتية، فيمكن معالجتها بالمحلول، وتشكيلها جزئيًا، وتعتيقها عند درجات حرارة منخفضة، ثم تشطيبها.
في هذه الحالة، يجب تنظيف القطعة جيدًا بمزيل للشحوم أو منظف لإزالة أي آثار لسائل التبريد قبل المعالجة الحرارية. وإلا، فإن سائل التبريد المتبقي على القطعة قد يتسبب في أكسدة مفرطة. هذه الحالة قد تؤدي إلى انبعاج القطع ذات الأبعاد غير المطلوبة بعد إزالة الطبقة المتكونة باستخدام الأحماض أو المواد الكاشطة. إذا تُرك سائل التبريد على القطع المصقولة اللامعة، كما هو الحال في أفران التفريغ أو في بيئة واقية، فقد يحدث تكربن سطحي، مما يؤدي إلى فقدان مقاومة التآكل.
بعد التنظيف الدقيق، يمكن غمر أجزاء الفولاذ المقاوم للصدأ في حمام حمضي للتخميل. يمكن استخدام أي من ثلاث طرق: التخميل بحمض النيتريك، والتخميل بحمض النيتريك مع ثنائي كرومات الصوديوم، والتخميل بحمض الستريك. يعتمد اختيار الطريقة على نوع الفولاذ المقاوم للصدأ ومعايير القبول المحددة.
يمكن معالجة أنواع الكروم والنيكل الأكثر مقاومة للتآكل بطبقة واقية في حمام من حمض النيتريك بتركيز 20% (حجم/حجم) (الشكل 1). وكما هو موضح في الجدول، يمكن معالجة الفولاذ المقاوم للصدأ الأقل مقاومة بطبقة واقية بإضافة ثنائي كرومات الصوديوم إلى حمام حمض النيتريك، مما يجعل المحلول أكثر أكسدة وقادرًا على تكوين طبقة واقية على سطح المعدن. وثمة خيار آخر لاستبدال حمض النيتريك بكرومات الصوديوم، وهو زيادة تركيز حمض النيتريك إلى 50% حجمًا. يقلل كل من إضافة ثنائي كرومات الصوديوم وزيادة تركيز حمض النيتريك من احتمالية حدوث تآكل غير مرغوب فيه.
تختلف عملية تخميل الفولاذ المقاوم للصدأ سهل التشغيل (الموضحة أيضًا في الشكل 1) نوعًا ما عن تلك الخاصة بأنواع الفولاذ المقاوم للصدأ غير سهل التشغيل. ويرجع ذلك إلى أنه أثناء التخميل في حمام حمض النيتريك النموذجي، تتم إزالة بعض أو كل كبريتيدات النوع القابل للتشغيل المحتوية على الكبريت، مما يؤدي إلى حدوث فواصل مجهرية في سطح الجزء المشغل.
حتى عملية الشطف بالماء الفعالة بشكل عام يمكن أن تترك بقايا حمضية في هذه الفجوات بعد التخميل. وسيقوم هذا الحمض بمهاجمة سطح الجزء ما لم يتم تحييده أو إزالته.
لتحقيق تخميل فعال للفولاذ المقاوم للصدأ سهل التشغيل، طورت شركة كاربنتر عملية AAA (قلوي-حمضي-قلوي)، التي تُعادل الحمض المتبقي. يمكن إتمام هذه العملية في أقل من ساعتين. إليكم الخطوات التفصيلية:
بعد إزالة الشحوم، انقع القطع في محلول هيدروكسيد الصوديوم بنسبة 5% عند درجة حرارة تتراوح بين 71 و82 درجة مئوية (160 إلى 180 درجة فهرنهايت) لمدة 30 دقيقة. ثم اشطف القطع جيدًا بالماء. بعد ذلك، اغمر القطعة لمدة 30 دقيقة في محلول حمض النيتريك بنسبة 20% (حجم/حجم) يحتوي على 22 غ/لتر من ثنائي كرومات الصوديوم عند درجة حرارة تتراوح بين 49 و60 درجة مئوية (120 إلى 140 درجة فهرنهايت). بعد إخراج القطعة من المحلول، اشطفها بالماء ثم اغمرها في محلول هيدروكسيد الصوديوم لمدة 30 دقيقة أخرى. اشطف القطعة مرة أخرى بالماء وجففها، وبذلك تكون قد أكملت طريقة AAA.
أصبحت عملية التخميل بحمض الستريك شائعة بشكل متزايد بين المصنّعين الذين يرغبون في تجنب استخدام الأحماض المعدنية أو المحاليل التي تحتوي على ثنائي كرومات الصوديوم، فضلاً عن مشاكل التخلص منها ومخاوف السلامة المتزايدة المرتبطة باستخدامها. يُعتبر حمض الستريك صديقًا للبيئة من جميع النواحي.
رغم أن التخميل بحمض الستريك يوفر مزايا بيئية جذابة، إلا أن الورش التي حققت نجاحًا باستخدام التخميل بالأحماض غير العضوية ولا تعاني من أي مخاوف تتعلق بالسلامة قد ترغب في الاستمرار على النهج المتبع. فإذا كانت هذه الورش نظيفة، والمعدات بحالة جيدة ونظيفة، وسائل التبريد خالٍ من رواسب الحديد، والعملية تُنتج نتائج جيدة، فقد لا تكون هناك حاجة حقيقية لإجراء تغييرات.
أثبتت عملية التخميل في حمام حمض الستريك فعاليتها لمجموعة واسعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، بما في ذلك عدة درجات مختلفة منه، كما هو موضح في الشكل 2. ولتسهيل الأمر، تم تضمين طريقة التخميل التقليدية باستخدام حمض النيتريك الموضحة في الشكل 1. تجدر الإشارة إلى أن تركيبات حمض النيتريك القديمة مُعبر عنها بنسبة حجمية، بينما تُعبر تركيزات حمض الستريك الأحدث بنسبة وزنية. من المهم ملاحظة أنه عند تطبيق هذه الإجراءات، يُعد التوازن الدقيق بين مدة النقع ودرجة حرارة الحمام وتركيزه أمرًا بالغ الأهمية لتجنب ظاهرة "الوميض" المذكورة سابقًا.
تختلف معالجات التخميل وفقًا لمحتوى الكروم وخصائص التشغيل لكل درجة. لاحظ الأعمدة التي تشير إما إلى العملية 1 أو العملية 2. كما هو موضح في الشكل 3، تتضمن العملية 1 خطوات أقل من العملية 2.
أظهرت الاختبارات المعملية أن عملية التخميل بحمض الستريك أكثر عرضة للتآكل السريع من عملية حمض النيتريك. تشمل العوامل المساهمة في هذا التآكل ارتفاع درجة حرارة الحمام، وطول مدة النقع، وتلوث الحمام. تتوفر منتجات حمض الستريك التي تحتوي على مثبطات التآكل ومواد مضافة أخرى مثل عوامل الترطيب تجاريًا، وقد ثبت أنها تقلل من قابلية التآكل السريع.
يعتمد الاختيار النهائي لطريقة التخميل على معايير القبول التي يفرضها العميل. راجع معيار ASTM A967 لمزيد من التفاصيل. يمكن الوصول إليه عبر الموقع الإلكتروني www.astm.org.
تُجرى الاختبارات عادةً لتقييم سطح الأجزاء المُخَمَّلة. والسؤال الذي يجب الإجابة عليه هو: "هل يُزيل التخميل الحديد الحر ويُحسِّن مقاومة التآكل للدرجات سهلة القطع؟"
من المهم أن تتناسب طريقة الاختبار مع الدرجة التي يتم تقييمها. الاختبارات الصارمة للغاية ستؤدي إلى رسوب مواد جيدة تمامًا، بينما الاختبارات المتساهلة للغاية ستؤدي إلى اجتياز أجزاء غير مرضية.
يُفضل تقييم الفولاذ المقاوم للصدأ من سلسلة 400، الذي يتميز بالتصليد بالترسيب وسهولة التشغيل، في خزانة قادرة على الحفاظ على رطوبة بنسبة 100% (العينة مبللة) لمدة 24 ساعة عند درجة حرارة 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت). غالبًا ما يكون المقطع العرضي هو السطح الأكثر أهمية، خاصةً بالنسبة للأنواع سهلة القطع. أحد أسباب ذلك هو أن الكبريتيد يمتد في اتجاه الماكينة، متقاطعًا مع هذا السطح.
ينبغي وضع الأسطح الحساسة للأعلى، ولكن بزاوية تتراوح بين 15 و20 درجة عن الوضع الرأسي للسماح بفقدان الرطوبة. المواد المعالجة بشكل صحيح نادراً ما تصدأ، على الرغم من أنها قد تظهر عليها بعض البقع الطفيفة.
يمكن أيضًا تقييم درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عن طريق اختبار الرطوبة. عند إجراء هذا الاختبار، يجب أن تكون قطرات الماء موجودة على سطح العينة، مما يشير إلى وجود حديد حر من خلال وجود أي صدأ.
تتطلب إجراءات التخميل للفولاذ المقاوم للصدأ سهل القطع وغير سهل القطع، المستخدمة عادةً، في محاليل حمض الستريك أو حمض النيتريك، عمليات مختلفة. يوضح الشكل 3 أدناه تفاصيل اختيار العملية.
(أ) اضبط الرقم الهيدروجيني باستخدام هيدروكسيد الصوديوم. (ب) انظر الشكل 3. (ج) يمثل Na2Cr2O7 محلولًا يحتوي على 22 غ/ل من ثنائي كرومات الصوديوم في حمض النيتريك بنسبة 20%. بديلًا لهذا المحلول، يمكن استخدام حمض النيتريك بنسبة 50% بدون ثنائي كرومات الصوديوم.
هناك طريقة أسرع وهي استخدام المحلول المذكور في معيار ASTM A380، "الممارسة القياسية لتنظيف وإزالة الترسبات وتخميل أجزاء ومعدات وأنظمة الفولاذ المقاوم للصدأ". يتضمن الاختبار مسح الجزء بمحلول كبريتات النحاس/حمض الكبريتيك، وتركه رطبًا لمدة 6 دقائق، ثم مراقبة ظهور طبقة نحاسية. كبديل، يمكن غمر الجزء في المحلول لمدة 6 دقائق. إذا ذاب الحديد، تتكون طبقة نحاسية. لا ينطبق هذا الاختبار على أسطح أجزاء تصنيع الأغذية. كما لا يُنصح باستخدامه مع الفولاذ المارتنسيتي من سلسلة 400 أو الفولاذ الفريتي منخفض الكروم، لاحتمالية ظهور نتائج إيجابية خاطئة.
تاريخياً، تم استخدام اختبار رذاذ الملح بنسبة 5% عند درجة حرارة 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) لتقييم العينات المعالجة بالتخميل. هذا الاختبار صارم للغاية بالنسبة لبعض الدرجات، ولا يُشترط عموماً تأكيد فعالية التخميل.
تجنب استخدام كميات زائدة من الكلوريدات، لأنها قد تسبب حرائق مفاجئة ضارة. إن أمكن، استخدم فقط مياه عالية الجودة تحتوي على أقل من 50 جزءًا في المليون من الكلوريد. عادةً ما يكون ماء الصنبور كافيًا، ويمكنه تحمل ما يصل إلى عدة مئات من أجزاء المليون من الكلوريد في بعض الحالات.
من المهم استبدال محلول الحمام بانتظام للحفاظ على فعالية التخميل، مما قد يؤدي إلى حدوث صواعق كهربائية وتلف الأجزاء. يجب الحفاظ على درجة حرارة المحلول مناسبة، لأن ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط قد يسبب تآكلًا موضعيًا.
من المهم الالتزام بجدول زمني محدد لتغيير المحلول خلال فترات الإنتاج المكثفة لتقليل احتمالية التلوث. تم استخدام عينة مرجعية لاختبار فعالية الحمام. إذا تضررت العينة، فقد حان وقت استبدال الحمام.
يرجى تحديد أن بعض الآلات تصنع الفولاذ المقاوم للصدأ فقط؛ استخدم نفس سائل التبريد المفضل لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ، باستثناء جميع المعادن الأخرى.
تُعالج أجزاء رفوف DO بشكل منفصل لتجنب التلامس بين المعادن. وهذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ سهل التشغيل، حيث يلزم استخدام محاليل التخميل والتنظيف سهلة التدفق لتشتيت منتجات تآكل الكبريتيد وتجنب تكوين جيوب حمضية.
لا تقم بتخميل أجزاء الفولاذ المقاوم للصدأ المعالجة بالكربنة أو النتردة. قد تنخفض مقاومة التآكل للأجزاء المعالجة بهذه الطريقة إلى درجة أنها ستتعرض للتآكل في حمام التخميل.
لا تستخدم الأدوات الحديدية في بيئة ورشة عمل غير نظيفة تمامًا. يمكن تجنب حبيبات الفولاذ باستخدام أدوات الكربيد أو السيراميك.
لا تنسَ أن التآكل قد يحدث في حمام التخميل إذا لم تتم معالجة القطعة حرارياً بشكل صحيح. يجب تقوية درجات المارتنسيت عالية الكربون والكروم لمقاومة التآكل.
تتم عملية التخميل عادة بعد عملية التقسية اللاحقة باستخدام درجات حرارة تحافظ على مقاومة التآكل.
لا تتجاهل تركيز حمض النيتريك في حمام التخميل. يجب إجراء فحوصات دورية باستخدام إجراء المعايرة البسيط الذي توفره شركة كاربنتر. لا تقم بتخميل أكثر من قطعة واحدة من الفولاذ المقاوم للصدأ في المرة الواحدة. هذا يمنع حدوث أخطاء مكلفة ويتجنب التفاعلات الجلفانية.
نبذة عن المؤلفين: تيري أ. ديبولد متخصص في البحث والتطوير في مجال سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ، وجيمس دبليو مارتن متخصص في علم المعادن في شركة كاربنتر للتكنولوجيا (ريدينغ، بنسلفانيا).
في عالم تتزايد فيه صرامة مواصفات تشطيب الأسطح، لا تزال قياسات "الخشونة" البسيطة مفيدة. دعونا نلقي نظرة على سبب أهمية قياس السطح وكيف يمكن التحقق منه في ورشة العمل باستخدام أجهزة قياس محمولة متطورة.
هل أنت متأكد من أن لديك أفضل أداة إدخال لهذه العملية الخراطة؟ افحص الشريحة، خاصةً إذا تُركت دون مراقبة. يمكن أن تخبرك خصائص الشريحة بالكثير.