مواد التروس: دليل شامل للاختيار والخصائص والتطبيقات

تلعب مواد التروس دورًا حيويًا في أداء الآلات وطول عمرها. يعد اختيار المادة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لضمان الكفاءة والمتانة والفعالية من حيث التكلفة في التطبيقات المختلفة. في هذا الدليل الشامل، سنستكشف الأنواع المختلفة من مواد التروس المعدنية والبلاستيكية والمركبة، ونتعمق في خصائصها وخصائصها الفريدة.

سنقدم لك مقارنة متعمقة لخصائص مواد التروس، مما يساعدك على اتخاذ قرارات مستنيرة عند اختيار المادة الأكثر ملاءمة لمتطلباتك المحددة.

أنواع مواد التروس المعدنية

سبائك الصلب

يُعد الفولاذ المادة الأكثر شيوعًا في صناعة التروس نظرًا لتعدد استخداماته وقوته وفعاليته من حيث التكلفة. تشمل سبائك الفولاذ المستخدمة في التروس ما يلي:

• الفولاذ الكربوني: يحتوي هذا الفولاذ على الكربون كعنصر أساسي في السبائك. وهو يوفر قوة جيدة ومقاومة للتآكل بتكلفة منخفضة نسبيًا. ويتراوح محتوى الكربون من 0.2% إلى 0.8%، حيث توفر مستويات الكربون الأعلى صلابة وقوة متزايدة. ومع ذلك، فإن الفولاذ عالي الكربون أقل قابلية للسحب وأكثر صعوبة في التصنيع.
• الفولاذ السبائكي: يحتوي هذا الفولاذ على عناصر سبائكية إضافية مثل النيكل والكروم والموليبدينوم لتحسين خصائص معينة. على سبيل المثال، يزيد النيكل من الصلابة ومقاومة الصدمات، بينما يعزز الكروم مقاومة التآكل والصلابة. يتم معالجة الفولاذ السبائكي بالحرارة لتحقيق التركيبة المرغوبة من القوة والصلابة ومقاومة التآكل.
• الفولاذ المقاوم للصدأ: يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على ما لا يقل عن 10.5% من الكروم، والذي يشكل طبقة أكسيد واقية على السطح، مما يوفر مقاومة ممتازة للتآكل. يتم استخدامها في التروس للتطبيقات التي تتطلب مقاومة البيئات المسببة للتآكل، مثل معالجة الأغذية والصناعات البحرية. يمكن تقسيم الفولاذ المقاوم للصدأ إلى درجات أوستنيتية وفريتية ومارتنسيتية، ولكل منها خصائص فريدة.
• فولاذ الأدوات: تم تصميم هذه الفولاذات عالية السبائك لتكون ذات صلابة عالية ومقاومة للتآكل ومتانة. وهي تستخدم في التروس التي تعمل في ظروف قاسية، مثل الأحمال العالية ودرجات الحرارة العالية. يتم معالجة فولاذ الأدوات بالحرارة لتحقيق خصائصه المثالية ويمكنه الحفاظ على صلابته حتى في درجات الحرارة المرتفعة.

الحديد الزهر

الحديد الزهر هو مادة شائعة أخرى للتروس، وخاصة في التطبيقات الكبيرة منخفضة السرعة. وهو غير مكلف نسبيًا وله مقاومة جيدة للتآكل وخصائص التخميد. أكثر أنواع الحديد الزهر شيوعًا المستخدمة في التروس هي:

• الحديد الزهر الرمادي: تحتوي هذه المادة على رقائق الجرافيت المنتشرة في مصفوفة الفريت، مما يوفر قابلية تشغيل جيدة وخصائص تخميد. ومع ذلك، فإن قوتها ومتانتها أقل مقارنة بالفولاذ.
• الحديد الزهر المطاوع (العقيدي): في هذا النوع من الحديد الزهر، يوجد الجرافيت في شكل عقيدات، مما يؤدي إلى قوة وصلابة أعلى من الحديد الزهر الرمادي. تُستخدم تروس الحديد الزهر المطاوع في التطبيقات التي تتطلب مزيجًا من مقاومة التآكل وقدرة تحمل الصدمات.

سبائك النحاس

تُستخدم سبائك النحاس، مثل النحاس الأصفر والبرونز، في التروس نظرًا لمقاومتها الممتازة للتآكل وخصائص الاحتكاك المنخفضة ومقاومتها للتآكل. تُستخدم عادةً في دودة التروس والتطبيقات التي تتطلب التزييت الذاتي. السبائك النحاسية الرئيسية المستخدمة في التروس هي:

• النحاس الأصفر: النحاس الأصفر عبارة عن سبيكة من النحاس والزنك، ويتراوح محتوى الزنك فيها عادة من 5% إلى 40%. ويتميز بسهولة التشغيل ومقاومة التآكل والتوصيل الكهربائي. وغالبًا ما تُستخدم التروس النحاسية في الآلات والساعات والتطبيقات الزخرفية.
• البرونز: البرونز عبارة عن سبيكة من النحاس والقصدير، مع إضافة عناصر أخرى أحيانًا لتحسين خصائص معينة. هناك نوعان شائعان من البرونز المستخدم في التروس:
• البرونز الفوسفوري: يحتوي هذا السبائك على كمية صغيرة من الفوسفور، مما يحسن مقاومة التآكل وقوة التعب. تُستخدم تروس البرونز الفوسفوري في التطبيقات عالية التحميل والمنخفضة السرعة.
• برونز الألومنيوم: يحتوي هذا السبائك على الألومنيوم، الذي يعزز القوة ومقاومة التآكل. تُستخدم تروس برونز الألومنيوم في البيئات البحرية وغيرها من البيئات المسببة للتآكل.

سبائك الألومنيوم

سبائك الألومنيوم هي مواد خفيفة الوزن تستخدم في التروس للتطبيقات التي تتطلب تقليل الوزن، مثل صناعات الطيران والسيارات. تتمتع بنسبة قوة إلى وزن جيدة ومقاومة ممتازة للتآكل. ومع ذلك، تتمتع سبائك الألومنيوم بمقاومة تآكل وصلابة أقل مقارنة بالفولاذ. لتحسين هذه الخصائص، غالبًا ما يتم طلاء تروس الألومنيوم بأكسيد صلب أو طلائها بمواد مقاومة للتآكل.

أنواع مواد التروس البلاستيكية والمركبة

البلاستيكية الحرارية

المواد البلاستيكية الحرارية عبارة عن بوليمرات يمكن صهرها وإعادة تشكيلها بشكل متكرر دون تدهور كبير في خصائصها. تُستخدم عادةً في التروس نظرًا لتكلفتها المنخفضة وسهولة تصنيعها وخصائصها ذاتية التشحيم. المواد البلاستيكية الحرارية الرئيسية المستخدمة في التروس هي:

• النايلون: يعد النايلون خيارًا شائعًا للتروس نظرًا لقوته العالية ومقاومته للتآكل وخصائصه ذاتية التشحيم. ويمكن تشغيله بدون تزييت خارجي في العديد من التطبيقات، مما يقلل من متطلبات الصيانة. تُستخدم تروس النايلون في التطبيقات ذات الأحمال المنخفضة إلى المتوسطة، مثل السيارات والأجهزة المنزلية.
• الأسيتال (POM): الأسيتال، المعروف أيضًا باسم بولي أوكسي ميثيلين (POM)، هو مادة ترموبلاستيكية عالية الأداء ذات ثبات أبعادي ممتاز واحتكاك منخفض ومقاومة عالية للتآكل. يتمتع بخصائص ميكانيكية أفضل من النايلون وغالبًا ما يستخدم في التروس الدقيقة للتطبيقات مثل الطابعات والأجهزة الطبية ومعدات معالجة الأغذية.
• المواد البلاستيكية الهندسية الأخرى: تُستخدم العديد من المواد البلاستيكية الهندسية الأخرى في التروس لخصائصها المحددة:
• بولي إيثير إيثير كيتون (PEEK): PEEK عبارة عن مادة ترموبلاستيكية عالية الأداء ذات خصائص ميكانيكية وحرارية ممتازة. تتمتع بقوة وصلابة ومقاومة عالية للزحف، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات عالية الأحمال ودرجات الحرارة العالية.
• البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE): UHMWPE عبارة عن مادة شديدة المقاومة للتآكل ومنخفضة الاحتكاك تستخدم في التروس للتطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للتأثير والتشحيم الذاتي، مثل أنظمة النقل ومعدات معالجة الأغذية.

المواد المركبة

تتكون المواد المركبة من مادتين أو أكثر ذات خصائص فيزيائية أو كيميائية مختلفة بشكل كبير. وعند دمجها، تنتج مادة ذات خصائص فريدة تختلف عن المكونات الفردية. توفر التروس المركبة العديد من المزايا، مثل نسبة القوة إلى الوزن العالية ومقاومة التآكل وتخميد الاهتزاز. بعض المواد المركبة الشائعة المستخدمة في التروس هي:

• البلاستيك المقوى بالألياف (FRP): يتكون البلاستيك المقوى بالألياف من مصفوفة بوليمر معززة بألياف، مثل الزجاج أو الكربون أو الأراميد. توفر الألياف القوة والصلابة، بينما تعمل مصفوفة البوليمر على تثبيت الألياف معًا وتوزيع الحمل. تتميز تروس البلاستيك المقوى بالألياف بأنها خفيفة الوزن وتتمتع بمقاومة جيدة للتعب، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في صناعات الطيران والبحرية والسيارات.
• المركبات المعدنية المركبة (MMC): تتكون المركبات المعدنية المركبة من مصفوفة معدنية، مثل الألومنيوم أو التيتانيوم، معززة بجزيئات أو ألياف سيراميكية. وهي تجمع بين ليونة وصلابة المعادن والقوة العالية وصلابة السيراميك. تُستخدم تروس MMC في التطبيقات عالية الأداء التي تتطلب مزيجًا من خفة الوزن والقوة العالية ومقاومة التآكل.
• المركبات المصنوعة من مصفوفة سيراميكية (CMC): تتكون المركبات المصنوعة من مصفوفة سيراميكية، مثل كربيد السيليكون أو الألومينا، معززة بألياف سيراميكية. وهي توفر قوة وصلابة ومقاومة عالية لدرجات الحرارة، مما يجعلها مناسبة لظروف التشغيل القاسية. تُستخدم تروس CMC في مجال الطيران وغيرها من التطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة.

خصائص المواد: مقارنة شاملة

الممتلكات	سبائك الصلب	الحديد الزهر	سبائك النحاس	سبائك الألومنيوم	البلاستيكية الحرارية	المركبة
قوة الشد (MPa)	400-2000	150-400	200-800	90-600	20-200	50-1500
قوة العائد (MPa)	250-1800	100-350	100-500	50-500	10-100	30-1200
صلابة (hrc)	20-65	20-60	60-200 (HB)	20-150 (HB)	10-40 (الشاطئ د)	-
ارتداء المقاومة	مرتفع	معتدل	معتدل	منخفض - متوسط	منخفض-مرتفع*	متوسط ​​مرتفع
قوة التعب (ميغاباسكال)	200-1200	100-300	100-400	50-300	10-50	50-800
مقاومة التأثير (جول/سم)	10-200	5-50	10-100	10-150	1-50	10-500
المقاومة للتآكل	منخفض-مرتفع*	منخفض	متوسط ​​مرتفع	مرتفع	مرتفع	مرتفع
الكثافة (جم / سم ^ 3)	7.8-8.1	7.0-7.3	8.4-8.9	2.7-2.8	0.9-1.5	1.1-2.0
الموصلية الحرارية (W / (m · K))	20-50	45-55	50-120	120-240	0.2-0.5	0.2-50
التشحيم الذاتي	منخفض	منخفض	منخفض - متوسط	منخفض	منخفض-مرتفع*	منخفض - متوسط