Effect of Titanium Microalloying on the Microstructure, Wear, and Corrosion Behavior of ASTM A216 Cast Steel for Fishing Vessel Stern Tube Applications

تحت خط الماء مباشرةً، أسفل قاع قارب صيد، تعمل قطعة حيوية من الآلات بلا كلل لإبقاء السفينة في حالة حركة. هذا هو أنبوب الجزء الخلفي (stern tube)، وهو أسطوانة ثقيلة مجوفة تسمح لعمود المروحة بالمرور من غرفة المحرك داخل الهيكل إلى عرض البحر المفتوح. يجب أن يدعم هذا الجزء الوزن الهائل للعمود الدوار، ويمنع مياه البحر من إغراق المحرك، ويمنع تسرب زيت التشحيم إلى الخارج. وبالنسبة لسفينة صيد، التي غالباً ما تعمل لساعات طويلة في ظروف قاسية مع تغيرات متكررة في السرعة والاتجاه، يواجه هذا المكون مزيجاً وحشياً من التحديات. فالمعدن في الداخل يتعرض باستمرار للاحتكاك بفعل العمود الدوار، وهي عملية تُعرف باسم "التآكل الانزلاقي"، بينما يكون الجزء الخارجي مغموراً في مياه مالحة تنهش السطح عبر التآكل الكيميائي. وعندما تهاجم هاتان القوتان معاً، يمكنهما إتلاف المعدن بسرعة أكبر بكัง مما لو كان كل منهما بمفرده، مما يؤدي إلى تسريبات واهتزازات، وربما تعطل كامل في عرض البحر. لطالاً اعتمد المهندسون على نوع قياسي من الفولاذ المصبوب، يُعرف باسم ASTM A216، لبناء هذه الأجزاء لأنه قوي، وبأسعار معقولة، وسهل التشكيل. ومع ذلك، تساءل الباحثون عما إذا كان يمكن جعل هذه المادة القياسية أكثر متانة ومقاومة للبيئة البحرية القاسية دون تحويلها إلى سبيكة باهظة الثمن.

لقد شرع فريق من الباحثين من مصر في الإجابة على هذا السؤال عبر اختبار فكرة بسيطة: إضافة كمية ضئيلة من التيتانيوم إلى الفولاذ المنصهر قبل صبه في قالب. والتيتانيوم معدن معروف بقدرته على الارتباط بالكربون والنيتروجين، وغالباً ما يشكل جزيئات صغيرة صلبة يمكنها تغيير البنية الداخلية للفولاذ. أنشأ العلماء مجموعتين من عينات الفولاذ؛ الأولى كانت الفولاذ القياسي غير المعدل الذي يُستخدم كخط أساس، والأخرى كانت نفس الفولاذ ولكن مع إضافة محكومة للتيتانيوم تم إدخالها أثناء عملية الصهر. ثم قاموا بصب هذه المواد في أشكال تحاكي الهندسة المجوفة لأنبوب الجزء الخلفي الحقيقي. ولفهم ما يحدث داخل المعدن، فحصوا البنية المجهرية لكلا العينتين، باحثين في كيفية ترتيب حبيبات الحديد والكربون. كما أخضعوا العينات لسلسة من الاختبارات الصارمة؛ حيث قاموا بقياس صلابة المعدن، وكمية المادة المفقودة عندما يحتك دبوس مقابل قرص فولاذي دوار لمحاكاة التآكل، وكيف يتفاعل المعدن عند غمره في محلول ملحي مصمم لمحاكاة مياه البحر. حتى أنهم استخدموا محاكاة حاسوبية لمراقبة كيفية تبريد المعدن داخل القالب، وتتبع الأماكن التي احتبست فيها الحرارة وكيف قد يؤثر ذلك على البنية النهائية.

كشفت النتائج عن تحول واضح في الفولاذ المعدل بالتيتانيوم. فمن خلال المجهر، أظهر الفولاذ القياسي ترتيباً خشناً وغير منتظم لحبيباته الداخلية، في حين أظهر الفولاذ المضاف إليه التيتانيوم بنية أكثر دقة وتجانساً. لقد تقلصت الحبيبات الفردية للمعدن بشكل كبير، لتصبح أصغر وأكثر تكتلاً مع بعضها البعض. كما رصد الباحثون جزيئات صغيرة ومتميزة غنية بالتيتانيوم منتشرة في جميع أنحاء المعدن، والتي عملت مثل "المراسي" لتثبيت حدود الحبيبات في مكانها. وكان لهذا التحسين الهيكلي تأثير مباشر على قوة المادة؛ فقد كان الفولاذ المعدل أكثر صلابة بشكل ملموس من النسخة القياسية. وعند تعرضه لنفس ظروف الاحتكاك التي تحاكي احتكاك العمود الدوار، أصبح الفرق أكثر دراماتيكية؛ حيث فقد الفولاذ القياسي أكثر من ضعف وزن الفولاذ المعدل بالتيتانيوم خلال الاختبارات. وفي الواقع، عند أعلى سرعة تم اختبارها، تآكل الفولاذ القياسي بمعدل يقترب من عشرة أضعاف المعدل في النسخة المعدلة. لقد صمد المعدن المعالج بالتيتانيوم بشكل أفضل بكثير، مقاوماً إزالة المادة بفعالية أكبر.

كانت القصة لا تقل إثارة عندما نظر الباحثون في كيفية تعامل الفولاذ مع القوة المسببة للتآكل في الماء المالح. فعند وضعه في محلول ملحي، أظهر الفولاذ القياسي علامات تآكل نشط، مع تدفق معدل عالٍ للتيار الكهربائي مع بدء ذوبان المعدن. ومع ذلك، تصرف الفولاذ المعدل بالتيتانيوم كحاجز أكثر مقاومة؛ حيث طور طبقة سطحية مستقرة أبطأت التفاعل الكيميائي بشكل كبير. كانت المقاومة لهذا التآكل أعلى بنحو عشرين ضعفاً في الفولاذ المعدل مقارنة بالقياسي، وهذا يعني أنه في سيناريو واقعي، سيكون الجزء المعالج بالتيتانيوم أقل عرضة بكثير للمعاناة من النقر والتحلل الذي يصيب المكونات البحرية غالباً. وقد ساعدت المحاكاة الحاسوبية في شرح سبب سلوك المعدن بهذه الطريقة، حيث أظهرت أن أجزاء مختلفة من الصب تبرد بمعدلات متفاوتة، حيث تبقى الأجزاء السميكة ساخنة لفترة أطول. وهذا التبريد غير المتساوي هو جزء طبيعي من عملية الصب، لكن إضافة التيتانيوم ضمنت أنه حتى مع هذه الاختلافات الحرارية، تظل البنية المجهرية الناتجة متفوقة على النسخة غير المعدلة.

تخلص الدراسة إلى أن إضافة كمية صغيرة من التيتانيوم إلى هذا النوع الشائع من الفولاذ المصبوب تخلق مادة أكثر صلابة، وأقل تآكلاً، وأكثر مقاومة لتآكل المياه المالحة مقارنة بالنسخة القياسية. يأتي هذا التحسن من الطريقة التي يغير بها التيتيوين المشهد الداخلي للمعدن، مما يخلق بنية أدق وأكثر تجانساً قادرة على تحمل الهجوم المزدوج للاحتكاك والهجوم الكيميائي. وبينما أشار الباحثون إلى أن اختباراتهم أجريت في بيئة مخبرية مضبوطة، وأن الظروف الواقعية تتضمن العديد من المتغيرات الأخرى مثل التشحيم والمحاذا، فإن النتائج تقدم مساراً واعداً. وبالنسبة لسفن الصيد التي تعتمد على موثوقية أنظمة الدفع الخاصة بها، فإن هذا الفولاذ المعدل يقترح طريقة لإطالة عمر المكونات الحيوية وتقليل مخاطر الفشل في بيئة البحر المفتوح المنهكة. إن هذا العمل يثبت أن تعديلاً بسيطاً نسبياً في "وصفة" مادة قياسية يمكن أن يحقق فوائد كبيرة، مما يوفر أساساً أكثر متانة للآلات التي تبقي هذه السفن في حالة حركة.