أفضل المعادن لتطبيقات درجات الحرارة العالية

إذا كنت بحاجة إلى أجزاء معدنية مخصصة يمكن تشغيلها في درجات حرارة عالية، فيجب أن تعلم أن بعض المعادن مناسبة بشكل خاص لاحتياجاتك. وعادةً ما تكون هذه السبائك عبارة عن سبائك مقاومة للحرارة. تتمتع هذه السبائك بالقوة ومقاومة الزحف في درجات الحرارة العالية، مما يعني أنها لن تتشوه تحت الحرارة الشديدة والإجهاد. إن خصائص مقاومة الحرارة للسبائك المعدنية هي نتيجة مباشرة للمعالجة الحرارية، مما يجعلها تتحمل درجات حرارة تصل إلى 4000 درجة مئوية (7232 درجة فهرنهايت).

هناك عاملان يمكّنان السبائك المعدنية عالية المقاومة من تحمل مثل هذه الحرارة العالية: بنية السبائك (المكونات) والروابط بين الذرات. فيما يلي، سنقدم ستة من أفضل المعادن المقاومة لدرجات الحرارة العالية، مع تحديد تركيباتها وخصائصها وتطبيقاتها. باستخدام هذه المعلومات، ستتمكن من تحديد أي من هذه المعادن المقاومة للحرارة مناسبة لحلك بشكل أفضل.

• التيتانيوم

يستخدم هذا المعدن الرمادي الفضي عادة في تصنيع سبائك قوية وخفيفة الوزن ومقاومة للحرارة ومقاومة للتآكل. مع نقطة انصهار تبلغ 1668 درجة مئوية (3034 درجة فهرنهايت)، قد لا تكون نقطة انصهار التيتانيوم هي الأعلى بين السبائك المقاومة للحرارة، لكنها لا تزال عالية جدًا. على الرغم من اعتباره معدنًا نادرًا، إلا أنه يستخدم حاليًا كمادة قياسية للتصنيع والهندسة في العديد من التطبيقات الصناعية والاستهلاكية. يتم إنتاج التيتانيوم عادةً باستخدام عملية كرول، حيث يتعرض ثاني أكسيد التيتانيوم لغاز الكلور لإنتاج رباعي كلوريد التيتانيوم، والذي يتفاعل بعد ذلك مع المغنيسيوم لإزالة أي كلور متبقي. غالبًا ما يوصف التيتانيوم بأنه "إسفنجي" بسبب الثقوب المسامية المتكونة داخل بنيته أثناء تكوينه. يتمتع هذا المعدن بالعديد من الخصائص الهندسية المفيدة، وأكثرها شيوعًا: مقاومة الحرارة، والقوة العالية، ومقاومة التآكل، والكثافة المنخفضة، وخفة الوزن، والصلابة، والصلابة. خاصية رائعة أخرى هي قدرته على الاختلاط بسبائك أخرى، مما يضيف طبقة إضافية من قوة الشد ومقاومة الحرارة والصلابة إلى شكله النقي.نظرًا لسلامته البنيوية الممتازة، يُستخدم التيتانيوم في التطبيقات عالية الأداء مثل أجزاء السيارات (الصمامات، ونوابض الصمامات، والمثبتات، وقضبان التوصيل)، ومكونات الطيران (جسم الطائرة، وأدوات التثبيت، وعتاد الهبوط)، والبناء (مواد التسقيف، والمواد الخارجية)، والمعدات الرياضية (مضارب الجولف، ومضارب التنس، والدراجات)، والحفر البحري (الجسور البحرية، وأغطية الركائز)، والأجهزة الطبية (العظام الاصطناعية، وأجهزة تنظيم ضربات القلب، والأدوات الجراحية)، والصناعة العامة (مصافي التكرير، ومحطات تحلية المياه). ولأن التيتانيوم يمكنه تحمل درجات الحرارة العالية ومنع التآكل عند تعرضه للبوليمرات المقواة بألياف الكربون (CFRP)، فقد حل محل معظم مكونات الألومنيوم التي كانت تستخدم في المقام الأول في الطائرات قبل ستينيات القرن العشرين.

• التنغستن

مثل التيتانيوم، التنغستن هو معدن أبيض فضي. يأتي اسم "التنغستن" من الكلمتين السويديتين "tung" و"sten"، والتي تُترجم إلى "الحجر الثقيل". هذا الاسم مناسب لأن بنيته القوية ونقطة انصهاره العالية تجعل التنغستن أحد أقوى المواد على وجه الأرض. كما أن له أعلى نقطة انصهار لأي معدن أو عنصر على وجه الأرض (3422 درجة مئوية - 6192 درجة فهرنهايت)، بالإضافة إلى أعلى قوة شد (142000 رطل لكل بوصة مربعة). وبسبب هذا، غالبًا ما يستخدم لتشكيل سبائك المعادن الثقيلة، مثل الفولاذ عالي السرعة، لأدوات القطع المختلفة. يصعب تشكيل التنغستن النقي بسبب مظهره القاسي ونقطة انصهاره العالية، لذلك غالبًا ما يتم تحويله إلى مسحوق وخلطه مع معادن مسحوقة أخرى لإنتاج سبائك مختلفة، والتي تُستخدم بعد ذلك في تطبيقات مختلفة. يمكن خلط مسحوق التنغستن مع معادن مسحوقة مثل النيكل من خلال عملية التلبيد لإنتاج سبائك مختلفة ذات خصائص محسنة.تشمل الخصائص الرئيسية للتنغستن ما يلي: كثافة عالية (19.3 جم / سم مكعب)، نقطة انصهار عالية، قوة عالية في درجات الحرارة، قوة شد عالية، مقاومة عالية للتآكل (لا حاجة إلى حماية إضافية من الأكسدة أثناء التصنيع أو بعده)، أصعب معدن نقي، ضغط بخار منخفض (الأدنى بين جميع المعادن)، تمدد حراري منخفض، وصديق للبيئة (لا يتحلل). يعد التنغستن صعب التشكيل، لذلك يتم استخدامه في المقام الأول كمادة مضافة للمساعدة في تصنيع سبائك خاصة مختلفة. تشمل التطبيقات مكونات الطيران، وأجزاء السيارات، وأسلاك الفتيل (للإضاءة)، والباليستيات العسكرية، وسماعات الهاتف المحمول، ومعدات القطع والحفر والتثقيب، والتطبيقات الكيميائية، والأجهزة الكهربائية والأقطاب الكهربائية. في شكله النقي، يستخدم التنغستن أيضًا في العديد من التطبيقات الإلكترونية، مثل الأقطاب الكهربائية، والاتصالات، والصفائح، والأسلاك، والقضبان. بالإضافة إلى ذلك، يستخدمه صائغو المجوهرات غالبًا لصنع القلائد والخواتم بسبب كثافته، والتي هي نفس الذهب، ولكن مع لمعان أقل وبنية أكثر صلابة.

• الفولاذ المقاوم للصدأ

الفولاذ المقاوم للصدأ هو سبيكة مكونة من ثلاثة معادن مختلفة: الحديد والكروم والنيكل. يتم دمج هذه العناصر الثلاثة باستخدام عملية معالجة حرارية خاصة لتشكيل الفولاذ المقاوم للصدأ. يمكن تلخيص هذه العملية على النحو التالي: الصهر، الضبط/التحريك، التشكيل، المعالجة الحرارية، القطع/التشكيل/التشطيب. من بين خصائصه العديدة، فإن الخاصيتين الهندسيتين الأكثر شيوعًا للفولاذ المقاوم للصدأ هما مقاومته للتآكل وصديقته للبيئة. غالبًا ما يُشار إلى الفولاذ المقاوم للصدأ باسم "المادة الخضراء" لأنه يمكن إعادة تدويره إلى ما لا نهاية. أما بالنسبة لمقاومته للحرارة، فإن نقطة انصهار الفولاذ المقاوم للصدأ تتراوح من 1400 إلى 1530 درجة مئوية (2550 إلى 2790 درجة فهرنهايت). والسبب وراء هذا النطاق وليس الرقم الدقيق هو الكميات المختلفة من العناصر المختلطة، والتي تتحد لتكوين درجات مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ.تتمتع العناصر الثلاثة للفولاذ المقاوم للصدأ بنقاط انصهار مختلفة: الحديد (1535 درجة مئوية - 2795 درجة فهرنهايت)، والكروم (1890 درجة مئوية - 3434 درجة فهرنهايت)، والنيكل (1453 درجة مئوية - 2647 درجة فهرنهايت). اعتمادًا على كمية أي من العناصر الثلاثة المستخدمة، ستتأثر نقطة الانصهار النهائية بدرجة أعلى أو أقل. ومع ذلك، تكون نقطة الانصهار دائمًا تقريبًا بين القيم المتوسطة المذكورة أعلاه. نظرًا لأدائه التصنيعي والهندسي المثالي، يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ على نطاق واسع في العديد من التطبيقات، بما في ذلك مقاومة التآكل ومقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة وقوة الشد العالية والمتانة (تحت درجات الحرارة العالية والظروف القاسية) وسهولة التصنيع والتشكيل، وانخفاض الصيانة، والمظهر الجذاب، والود البيئي (قابل لإعادة التدوير بلا حدود). بمجرد استخدامه، لا يتطلب الطلاء أو المعالجة أو الطلاء، مما يجعل صيانته المنخفضة واحدة من أكثر صفاته شيوعًا.لذلك، يعد الفولاذ المقاوم للصدأ شائعًا جدًا، وخاصةً للتطبيقات التالية: المباني (الجدران الخارجية، وأسطح العمل، والدرابزين، والبلاط الخلفي)، والجسور، والسكاكين الفولاذية، والثلاجات والمجمدات (مواد التشطيب)، وغسالات الصحون (مواد التشطيب)، ووحدات تخزين الأغذية، والمكونات النفطية والغازية والكيميائية (خزانات التخزين، وخطوط الأنابيب، والمضخات، والصمامات)، ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي، ومحطات تحلية المياه، ومراوح السفن، ومكونات الطاقة (النووية، والحرارية الأرضية، والطاقة الشمسية، والطاقة الكهرومائية، وطاقة الرياح)، والتوربينات (البخار، والغاز). تزيد نقطة الانصهار العالية وقوة الشد العالية للفولاذ المقاوم للصدأ من مقاومة المنتج للإجهاد والحمل الهيكلي ودورة الحياة.

• الموليبدينوم

هذا المعدن الأبيض الفضي (رمادي اللون في شكل مسحوق) شديد اللدونة ومقاوم للتآكل بدرجة كبيرة. كما أن نقطة انصهاره ومقاومته للحرارة مرتفعتان للغاية. يتمتع الموليبدينوم بنقطة انصهار تبلغ 2623 درجة مئوية (4753 درجة فهرنهايت)، وهي خامس أعلى نقطة انصهار بين جميع المعادن. تسمح نقطة انصهاره العالية للمكونات المصنوعة من الموليبدينوم بالعمل بكفاءة في درجات حرارة عالية، وهو أمر مفيد للمنتجات التي تتطلب تزييتًا مقاومًا للحرارة. يستخدم ثنائي كبريتيد الموليبدينوم عادةً كمواد تشحيم جافة في الطلاءات والشحوم والمستحلبات الملتصقة لزيادة مقاومة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، إذا لزم الأمر، يمكن تحويل مسحوق الموليبدينوم إلى كتل معدنية صلبة من خلال عمليات مسحوق المعادن أو الصب القوسي. بعبارة أخرى، يمكن استخدام الأشكال الصلبة من الموليبدينوم للتطبيقات التي تتطلبها. ومع ذلك، لا يزال الموليبدينوم يستخدم بشكل أساسي في شكل مسحوق بسبب خصائصه المفيدة العديدة، بما في ذلك نقطة الانصهار العالية ومقاومة الحرارة والمرونة والخصائص غير المغناطيسية والمظهر الجذاب.توجد العديد من هذه الخصائص أيضًا في صورة صلبة. يستخدم الموليبدينوم أيضًا لإنتاج سبائك تجارية صلبة وقوية وموصلة ومقاومة للتآكل بدرجة كبيرة. تُستخدم هذه السبائك في تطبيقات مثل الأسلحة وأجزاء المحرك وشفرات المنشار وإضافات مواد التشحيم وحبر لوحات الدوائر وخيوط السخان الكهربائي والطلاءات الواقية (الغلايات) وحفازات البترول. على الرغم من وفرة الموليبدينوم في الطبيعة، إلا أنه لا يوجد بحرية (1.1 جزء في المليون). لذلك، تكون تكلفته أعلى قليلاً من المعادن الأخرى المقاومة للحرارة، خاصة عندما يكون الطلب على إنتاج الصلب مرتفعًا، حيث يتم استخدامه غالبًا في طلاء الصلب.

• النيكل

مثل العديد من المعادن الأخرى المقاومة للحرارة في هذه القائمة، فإن النيكل هو معدن انتقالي أبيض فضي معروف بنقطة انصهاره العالية (1455 درجة مئوية - 2651 درجة فهرنهايت) ومقاومته للتآكل. تجعل مقاومة النيكل العالية للتآكل مفيدة للطلاء الكهربائي وطلاء المعادن الأخرى، بالإضافة إلى تصنيع السبائك مثل الفولاذ المقاوم للصدأ. نقطة انصهار النيكل العالية هي نتيجة مباشرة لجذب أيوناته الموجبة والسالبة (البروتونات والإلكترونات) لبعضها البعض لتكوين روابط قوية تظل سليمة تحت ضغط وحرارة هائلين. نظرًا لأن النيكل معدن طبيعي، ويوجد بكثرة في رواسب الأرض، فإنه لا يتم إنتاجه من خلال أي عملية بل يتم استخراجه من طبقات الصخور (حديد المغنيسيوم فوق المافي والصخور النارية المافية) الموجودة بشكل أساسي في المناخات الاستوائية. من ناحية أخرى، يتم إنشاء سبائك النيكل عن طريق الجمع بين النيكل ومعادن أخرى مثل الألومنيوم والتيتانيوم والحديد والنحاس والكروم من خلال عملية معالجة حرارية بسيطة. ثم تُستخدم هذه السبائك لتصنيع منتجات مختلفة لصناعات مختلفة.حاليًا، هناك حوالي 3000 سبيكة أساسها النيكل قيد الاستخدام. تشمل الخصائص المشتركة التي تظهرها جميع أنواع سبائك النيكل القوة والصلابة والخصائص المغناطيسية اللينة ومقاومة التآكل ومقاومة الحرارة وسهولة التصنيع (قابلية اللحام الجيدة). كما ذكرنا سابقًا، تُستخدم سبائك النيكل في العديد من التطبيقات عبر الصناعات المختلفة، والقائمة طويلة جدًا. يمكن تلخيصها على النحو التالي: الأفران الكهربائية، ومحامص الخبز، والمحولات، والمحثات، والألواح المدرعة، وأعمدة الدفع البحرية، وشفرات التوربينات، والطلاءات الفولاذية، وسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ، والسبائك المقاومة للتآكل، والبطاريات (النيكل والكادميوم، والنيكل وهيدريد المعدن)، والمضخمات المغناطيسية، والدروع المغناطيسية، وأجهزة التخزين، وشمعات الإشعال، وأقطاب السيارات. يتمتع النيكل بمقاومة أكسدة قوية حتى في درجات الحرارة القصوى.

درجات الحرارة ويمكن أن تمنع التآكل الكهروكيميائي. لذلك، فهو خيار ممتاز لتصنيع السبائك المقاومة للحرارة والمقاومة للتآكل، والتي تعد ضرورية للتطبيقات التي تعمل في بيئات تآكلية وعالية الحرارة.

• التنتالوم

يُعرف هذا المعدن النادر ذو اللون الأزرق الرمادي ببنيته شديدة الصلابة ونقطة انصهاره العالية ومقاومته لجميع أشكال الأحماض المسببة للتآكل تقريبًا. نقطة انصهار التنتالوم (3020 درجة مئوية - 5468 درجة فهرنهايت) هي ثالث أعلى نقطة انصهار بين جميع العناصر. يوجد التنتالوم الخام عادةً في رواسب تسمى كولومبيت-تانتاليت (أو كولتان). بمجرد استخراجه، يتم فصله عن النيوبيوم والمعادن الأخرى الموجودة في المعادن بإحدى ثلاث طرق: التطبيق الكهربائي، أو اختزال فلوريد البوتاسيوم التنتالوم مع الصوديوم، أو تفاعل الكربيدات مع الأكاسيد. ربما تكون عملية اختزال الثرمايت باستخدام الصوديوم هي الطريقة الأكثر شيوعًا لإنتاج مسحوق التنتالوم، وهي مادة تستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الكهربائية. بالمقارنة مع مواد التصنيع الأخرى، يسمح التنتالوم بمجموعة أوسع من الاختلافات في الحبيبات، مما يساعد على تقليل التكاليف وتحسين قدرات التصميم والخصائص الميكانيكية.يتمتع التنتالوم بالعديد من الخصائص التي زادت من استخدامه في القرن الحادي والعشرين، بما في ذلك الاستقرار العالي والقوة العالية ومقاومة التآكل (لا تدهور كيميائي في درجات الحرارة المنخفضة) ومقاومة الحرارة ونقطة الانصهار العالية للغاية والتوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي وحماية طبقة الأكسيد (منع جميع أشكال التآكل، بما في ذلك الأكسدة والتآكل الحمضي) وسهولة التصنيع والليونة والكثافة والصلابة. غالبًا ما يتم دمج التنتالوم مع عناصر أخرى لإنتاج سبائك ذات نقاط انصهار أعلى وقوة شد. من حيث التطبيقات، يستخدم التنتالوم في المقام الأول لإنتاج مكونات لصناعة الطاقة. ومع ذلك، نظرًا لمقاومته العالية للحرارة والتآكل، فإنه يعتبر أيضًا مادة تصنيع مفيدة في صناعات الطائرات والدفاع والمواد الكيميائية. يستخدم التنتالوم بشكل شائع في تطبيقات مثل المكثفات الكهروليتية وأجزاء الفرن المفرغ والمكونات الإلكترونية (الدوائر والمكثفات والمقاومات) ومكونات المفاعل النووي ومعدات المعالجة الكيميائية وأجزاء الطائرات والأسلحة والأدوات الجراحية وعدسات الكاميرات ومعالجة أسطح الفولاذ (الطلاء) والمبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب.من بين جميع التطبيقات المذكورة، يعد التنتالوم الأكثر قيمة لاستخدامه في المكثفات الكهروليتية، القادرة على تخزين أعلى شحنة لكل وحدة من أي مكثف.

• خاتمة

المعادن المذكورة في الدليل أعلاه هي أفضل ستة مواد مقاومة للحرارة متاحة لتصنيع أجزاء معدنية مخصصة تتحمل درجات حرارة عالية. تتمتع بخصائص ميكانيكية وهندسية ممتازة، بما في ذلك مقاومة التآكل وقوة الشد وقوة التعب والصلابة العالية وسهولة التصنيع والصلابة. يعتمد اختيار المعدن المقاوم للحرارة المناسب لمشروعك على متطلباته. يمكن أن تساعدك المعلومات المذكورة أعلاه في اختيار المعدن المناسب. قبل اتخاذ قرارك النهائي، تذكر استشارة أحد مصنعي المعادن ذوي الخبرة والتجربة لمطابقة المادة المناسبة مع التطبيق المقصود.