لحام الفولاذ والنيكل وسبائك النيكل، الأسئلة الشائعة

مقدمة

عند تصنيع المعدات الكيميائية والبترولية، من أجل توفير النيكل باهظ الثمن، يتم في كثير من الأحيان لحام الفولاذ بالنيكل والسبائك.

المشاكل الرئيسية في اللحام

عند اللحام، يكون الحديد والنيكل المكونان الرئيسيان فيه، وهما قابلان للذوبان المتبادل بشكل لا نهائي، ولا يُشكلان مركبات بين معدنية. بشكل عام، يكون محتوى النيكل في اللحام مرتفعًا نسبيًا، لذا لا تتشكل طبقة انتشار في منطقة الانصهار في المفصل الملحوم. تكمن المشكلة الرئيسية في اللحام في ميله إلى تكوين مسامية وشقوق ساخنة فيه.

1.المسامية

الفولاذ والنيكل وسبائكه عند اللحام، فإن العوامل الرئيسية التي تؤثر على تشكيل المسامية في اللحام هي الأكسجين والنيكل وعناصر السبائك الأخرى.

① تأثير الأكسجين. أثناء اللحام، قد يذوب المعدن السائل كمية أكبر من الأكسجين، وعند درجات الحرارة العالية وأكسدة النيكل، يتشكل أكسيد النيكل (NiO)، الذي يتفاعل مع الهيدروجين والكربون في المعدن السائل، مُولِّدًا بخار الماء وأول أكسيد الكربون في تصلب حوض المنصهر، مما يُؤدي إلى تأخر خروجه، وبقاياه في اللحام، وتكوين المسامية. في لحام النيكل النقي وقوس Q235-A المغمور للحديد والنيكل، لا يتغير محتوى النيتروجين والهيدروجين كثيرًا، فكلما زاد محتوى الأكسجين في اللحام، زاد عدد المسام فيه.

② تأثير النيكل. في لحام الحديد والنيكل، تختلف ذائبية الأكسجين في الحديد والنيكل، إذ تكون ذائبية الأكسجين في النيكل السائل أكبر منها في الحديد السائل، بينما تكون ذائبية الأكسجين في النيكل الصلب أقل منها في الحديد الصلب، وبالتالي، تكون ذائبية الأكسجين في تبلور النيكل المفاجئ أكثر وضوحًا منها في تبلور الحديد المفاجئ. لذلك، يكون ميل المسامية في اللحام عند نسبة النيكل بين 15% و30% صغيرًا، وعندما تكون نسبة النيكل كبيرة، يزداد ميل المسامية إلى 60% و90%، مما يؤدي إلى انخفاض كمية الفولاذ المذاب، مما يؤدي إلى زيادة ميل المسامية.

③ تأثير عناصر السبائك الأخرى. عند احتواء لحام الحديد والنيكل على المنغنيز والكروم والموليبدينوم والألمنيوم والتيتانيوم وعناصر سبائك أخرى، أو عند استخدام السبائك نفسها، يُمكن تحسين مقاومة اللحام للمسامية. ويرجع ذلك إلى دور المنغنيز والتيتانيوم والألمنيوم، وما إلى ذلك، في إزالة الأكسجين، بينما يُحسّن الكروم والموليبدينوم قابلية ذوبان اللحام في المعدن الصلب. لذا، فإن لحام النيكل والفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr18Ni9Ti يتميز بمقاومة للمسامية مقارنةً بلحام النيكل والفولاذ Q235-A. كما يُمكن للألمنيوم والتيتانيوم تثبيت النيتروجين في مركبات مستقرة، مما يُحسّن مقاومة اللحام للمسامية.

2. التكسير الحراري

في حالة الفولاذ والنيكل وسبائكهما، يُعزى السبب الرئيسي للتشقق الحراري إلى ارتفاع نسبة النيكل في اللحام ذي التنظيم الشجيري، وتركز عدد من البلورات المشتركة منخفضة درجة الانصهار على حافة الحبيبات الخشنة، مما يُضعف الترابط بين الحبيبات، ويقلل من مقاومة معدن اللحام للتشقق. كما أن ارتفاع نسبة النيكل في معدن اللحام يمنعه من إحداث التشقق الحراري، مما يؤثر بشكل كبير على لحام الحديد والنيكل، بالإضافة إلى أن الأكسجين والكبريت والفوسفور والشوائب الأخرى تؤثر بشكل كبير على قابلية اللحام للتشقق الحراري.

عند استخدام تدفق خالٍ من الأكسجين، تنخفض جودة الأكسجين والكبريت والفوسفور والشوائب الضارة الأخرى في اللحام، وخاصةً انخفاض محتوى الأكسجين، مما يقلل من التشقق بشكل كبير. وبسبب تبلور حوض المنصهر، يمكن للأكسجين والنيكل تكوين Ni + NiO في درجة حرارة انصهار تبلغ 1438 درجة مئوية، ويمكن للأكسجين أيضًا أن يعزز الآثار الضارة للكبريت. لذلك، عندما يكون محتوى الأكسجين في اللحام مرتفعًا، يكون احتمال التشقق الحراري أكبر.

يمكن لعناصر السبائك الأخرى مثل Mn وCr وMo وTi وNb تحسين مقاومة الشقوق في معدن اللحام. Mn وCr وMo وTi وNb هي عوامل متحولة، يمكنها تحسين تنظيم اللحام، ويمكنها تعطيل اتجاه تبلوره. Al وTi هو أيضًا عامل مزيل للأكسدة قوي، يمكن أن يقلل من كمية الأكسجين في اللحام. يمكن أن يشكل Mn مركبات مقاومة للحرارة مع S وMnS، مما يقلل من التأثيرات الضارة للكبريت.

الخصائص الميكانيكية للمفاصل الملحومة

ترتبط الخواص الميكانيكية لمفاصل لحام الحديد والنيكل بمواد المعدن المستخدم ومعاملات اللحام. عند لحام النيكل النقي والفولاذ منخفض الكربون، عندما تكون نسبة مكافئ النيكل في اللحام أقل من 30%، سيظهر هيكل مارتنسيت في اللحام تحت التبريد السريع، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في مرونة وصلابة المفصل. لذلك، لتحسين مرونة وصلابة المفصل، يجب أن تكون نسبة مكافئ النيكل في لحام الحديد والنيكل أكبر من 30%.