لحام الفولاذ والنيكل وسبائك النيكل، الأسئلة الشائعة

مقدمة

عند تصنيع المعدات الكيميائية والبترولية، ولتوفير النيكل باهظ الثمن، غالباً ما يتم لحام الفولاذ بالنيكل والسبائك.

المشاكل الرئيسية في اللحام

عند اللحام، يكون الحديد والنيكل المكونين الرئيسيين في منطقة اللحام، وهما يتمتعان بقابلية ذوبان متبادلة عالية ولا يشكلان مركبات بين فلزية. وعادةً ما يكون محتوى النيكل في منطقة اللحام مرتفعًا نسبيًا، لذا لا تتشكل طبقة انتشار في منطقة الانصهار. وتكمن المشكلة الرئيسية في اللحام في ميل منطقة اللحام إلى إنتاج مسامية وتشققات ساخنة.

1. المسامية

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

٢- تأثير الأكسجين: أثناء اللحام، قد يذوب المزيد من الأكسجين في المعدن السائل، وعند درجات الحرارة العالية، يتأكسد النيكل، مُكَوِّنًا أكسيد النيكل (NiO). يتفاعل أكسيد النيكل مع الهيدروجين والكربون في المعدن السائل مُوَلِّدًا بخار الماء وأول أكسيد الكربون. عند تصلب حوض اللحام، قد لا يتمكن المعدن المنصهر من الخروج، مما يؤدي إلى تكوّن مسامية في منطقة اللحام. في لحام النيكل النقي ولحام الحديد والنيكل بالقوس المغمور باستخدام سبيكة Q235-A، وفي حال عدم تغير محتوى النيتروجين والهيدروجين بشكل كبير، فإن زيادة محتوى الأكسجين في منطقة اللحام تؤدي إلى زيادة عدد المسامات فيها.

٢- تأثير النيكل. في لحام الحديد والنيكل، تختلف ذوبانية الأكسجين في الحديد والنيكل؛ فذوبانية الأكسجين في النيكل السائل أكبر منها في الحديد السائل، بينما ذوبانية الأكسجين في النيكل الصلب أقل منها في الحديد الصلب. لذلك، تكون ذوبانية الأكسجين في النيكل أثناء التبلور المفاجئ أكثر وضوحًا منها في الحديد أثناء التبلور المفاجئ. وعليه، يكون ميل المسامية في اللحام ضئيلاً عندما تتراوح نسبة النيكل بين ١٥٪ و٣٠٪، وعندما ترتفع نسبة النيكل، يزداد ميل المسامية ليصل إلى ٦٠٪ إلى ٩٠٪، ويقلّ مقدار الفولاذ المذاب، مما يؤدي إلى زيادة ميل المسامية.

٣- تأثير عناصر السبائك الأخرى. عند إضافة المنغنيز والكروم والموليبدينوم والألومنيوم والتيتانيوم وعناصر سبائك أخرى إلى لحام الحديد والنيكل، أو عند وجودها ضمن هذه العناصر، تتحسن مقاومة اللحام للمسامية. ويعود ذلك إلى دور المنغنيز والتيتانيوم والألومنيوم في إزالة الأكسجين، بينما يُحسّن الكروم والموليبدينوم من ذوبانية اللحام في المعدن الصلب. لذا، فإن لحام النيكل والفولاذ المقاوم للصدأ 1Cr18Ni9Ti يتميز بمقاومة مسامية أعلى من لحام النيكل والفولاذ Q235-A. كما يُساهم الألومنيوم والتيتانيوم في تثبيت النيتروجين في مركبات مستقرة، مما يُحسّن بدوره مقاومة اللحام للمسامية.

2. التكسير الحراري

في لحام الفولاذ والنيكل وسبائكه، يكمن السبب الرئيسي للتشقق الحراري في ارتفاع نسبة النيكل في اللحام ذي البنية الشجرية، حيث يتركز عدد من البلورات المشتركة ذات درجة الانصهار المنخفضة على حواف الحبيبات الخشنة، مما يُضعف الترابط بين الحبيبات ويقلل من مقاومة معدن اللحام للتشقق. إضافةً إلى ذلك، فإن ارتفاع نسبة النيكل في معدن اللحام بشكل كبير يُؤثر بشكل ملحوظ على التشقق الحراري في لحام الحديد والنيكل. كما أن وجود الأكسجين والكبريت والفوسفور والشوائب الأخرى يُؤثر بشكل كبير على ميل اللحام للتشقق الحراري.

عند استخدام التدفق الخالي من الأكسجين، ونظرًا لانخفاض نسبة الأكسجين والكبريت والفوسفور والشوائب الضارة الأخرى في اللحام، وخاصةً انخفاض محتوى الأكسجين، تقلّ احتمالية حدوث التشققات بشكل كبير. وبسبب تبلور حوض اللحام المنصهر، يمكن للأكسجين والنيكل تكوين خليط يوتكتيكي Ni + NiO، بدرجة حرارة 1438 درجة مئوية، كما يُعزز الأكسجين التأثيرات الضارة للكبريت. لذا، عندما يكون محتوى الأكسجين في اللحام مرتفعًا، تزداد احتمالية حدوث التشققات الحرارية.

يمكن لعناصر السبائك مثل المنغنيز والكروم والموليبدينوم والتيتانيوم والنيوبيوم وغيرها تحسين مقاومة معدن اللحام للتشقق. تعمل هذه العناصر كعوامل تحويلية، حيث تُحسّن بنية اللحام وتُغيّر اتجاه تبلوره. كما يُعدّ كل من الألومنيوم والتيتانيوم من عوامل إزالة الأكسدة القوية، مما يُقلل من كمية الأكسجين في اللحام. يُمكن للمنغنيز تكوين مركبات حرارية مع الكبريت، مثل كبريتيد المنغنيز، مما يُقلل من الآثار الضارة للكبريت.

الخواص الميكانيكية للوصلات الملحومة

تعتمد الخواص الميكانيكية لوصلات اللحام بين الحديد والنيكل على مواد معدن الحشو ومعايير اللحام. عند لحام النيكل النقي والفولاذ منخفض الكربون، إذا كانت نسبة مكافئ النيكل في اللحام أقل من 30%، فإنه مع التبريد السريع للحام، ستظهر بنية مارتنسيتية، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في لدونة وصلابة الوصلة. لذلك، وللحصول على لدونة وصلابة أفضل، يجب أن تكون نسبة مكافئ النيكل في لحام الحديد والنيكل أكبر من 30%.