201 مقابل 304 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 201 و304 من بين الدرجات الأكثر شيوعًا التي يأخذها المصممون وفرق الشراء والمصنعون في الاعتبار عند موازنة مقاومة التآكل، وقابلية التشكيل، والأداء الميكانيكي، والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية: تقليل تكلفة المواد للبيئات الزخرفية أو ذات التآكل الخفيف مقابل ضمان مقاومة التآكل على المدى الطويل في التطبيقات الغذائية أو الكيميائية أو الخارجية؛ واختيار بين تشكيل بارد أسهل أو أفضل متانة وأداء لحام على المدى الطويل.
التمييز العملي الأساسي هو أن النوع 201 يستخدم عمدًا محتوى نيكل مخفض وإضافات أعلى من المنغنيز/النيتروجين كاستراتيجية استبدال مدفوعة بالتكلفة، بينما يحتفظ النوع 304 بمستويات أعلى من النيكل والكروم لتعظيم استقرار الأوستنيت ومقاومة التآكل. بسبب استراتيجية الاستبدال تلك، غالبًا ما يتم مقارنة 201 و304 حيث يتم التوازن بين التكلفة ومقاومة التآكل وقابلية التشكيل في اختيار المكونات.
1. المعايير والتسميات
- 304: موحد على نطاق واسع كـ ASTM/ASME A240 (لوح، ورقة)، A312 (أنبوب)، وما يعادلها في أنظمة أخرى؛ الرقم الأوروبي EN الذي يتم اقتباسه عادةً هو 1.4301 (غالبًا X5CrNi18-10)؛ التسمية JIS SUS304؛ المعادلات الصينية GB (تدرج عادةً تحت سبائك Cr–Ni). التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي.
- 201: يتم الإشارة إليه عادةً بواسطة UNS S20100 وفي بعض مواصفات المنتجات كـ ASTM/AISI النوع 201 أو SUS201 في JIS؛ تختلف المعايير الإقليمية والتسميات من البائعين. التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي (مخفض النيكل، مستقر بالمنغنيز والنيتروجين).
ملاحظة: كلاهما درجات مقاومة للصدأ (أوستنيتي) بدلاً من الفولاذ الكربوني أو السبائكي أو أدوات أو HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوفر الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية (وزن%) لفولاذ 201 و304 المقاوم للصدأ التجاري. يتم تقديم القيم كنطاقات تمثيلية للصناعة؛ يجب استشارة المعايير المحددة أو شهادات المصنع للحصول على تسامحات دقيقة.
| عنصر | النوع 201 (نطاق نموذجي، وزن%) | النوع 304 (نطاق نموذجي، وزن%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.15 | ≤ 0.08 |
| Mn | 5.5 – 7.5 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.06 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 18.0 – 20.0 |
| Ni | 3.5 – 5.5 | 8.0 – 10.5 |
| Mo | — (عادة 0) | — (عادة 0 لـ 304؛ Mo موجود في 316) |
| N | 0.1 – 0.25 (يستخدم كمثبت للأوستنيت) | ≤ 0.10 |
| أخرى (V، Nb، Ti، B) | عادة لا تضاف عمدًا | عادة لا تضاف عمدًا |
آثار السبائك (باختصار): - يوفر الكروم (Cr) الفيلم الأكسيدي السالب الذي يمنح الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومته للتآكل. - يثبت النيكل (Ni) الهيكل المكعب المركزي (الأوستنيتي)، مما يحسن اللدونة والمتانة ومقاومة التحسس؛ كما أن النيكل الأعلى يحسن أيضًا المتانة عند درجات الحرارة المنخفضة. - يستخدم المنغنيز (Mn) والنيتروجين (N) في 201 لاستبدال بعض النيكل، مما يثبت الأوستنيت ولكنه يغير السلوك الميكانيكي وأداء التآكل. - يؤثر الكربون (C) على القوة والقدرة على التفاعل مع ترسيب الكربيد (التحسس) أثناء التعرض الحراري؛ تقلل المتغيرات ذات الكربون المنخفض (مثل 304L) من التآكل بين الحبيبات بعد اللحام.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية (كما تم إنتاجها، معالجة حرارية): كلا من 201 و304 تكون عادةً أوستنيتية بالكامل عند درجة حرارة الغرفة عندما تكون معالجة حراريًا. يتم الحفاظ على استقرار الأوستنيت في 201 من خلال ميزانية أعلى من المنغنيز + النيتروجين بدلاً من النيكل. نتيجة لذلك، يكون 201 أكثر عرضة لتشكيل المارتينسيت الناتج عن التشوه أثناء العمل البارد الثقيل مقارنةً بـ 304 في بعض الظروف، لأن الأوستنيت الخاص به يمكن أن يكون أقل استقرارًا تحت الضغط.
- المعالجة الحرارية: لا يمكن تقسية 201 أو 304 بواسطة المعالجة الحرارية التقليدية (هما درجات أوستنيتية غير قابلة للتقسية). الممارسة النموذجية للتسخين هي تسخين المحلول عند حوالي 1010–1120 درجة مئوية تليها تبريد سريع (تسخين بالماء أو تبريد هواء سريع) لإذابة الكربيدات واستعادة مقاومة التآكل واللدونة.
- العمل البارد والمعالجة الحرارية: تزداد القوة في كلا الدرجتين بشكل أساسي من خلال العمل البارد. يزيد العمل البارد من قوة الخضوع وقوة الشد ويقلل من الاستطالة؛ عادةً ما يتصلب 201 بشكل أسرع.
- التحسس: يمكن أن تعاني كلا الدرجتين من ترسيب كربيد الكروم إذا تعرضت في نطاق درجة حرارة التحسس (حوالي 500–800 درجة مئوية) لفترات طويلة، مما يؤدي إلى تآكل بين الحبيبات. تستخدم المتغيرات منخفضة الكربون (مثل 304L) أو الدرجات المستقرة (مع إضافات Ti أو Nb) عند اللحام أو عندما يكون التعرض لدرجات الحرارة العالية مصدر قلق.
4. الخصائص الميكانيكية
يقارن الجدول السلوك الميكانيكي نوعيًا (أشكال المنتجات النموذجية، المعالجة الحرارية). تعتمد القيم الدقيقة على شكل المنتج (ورقة، لوح، أنبوب)، والمعالجة، وبيانات المورد.
| خاصية | النوع 201 | النوع 304 |
|---|---|---|
| قوة الشد | أعلى قليلاً (بسبب Mn/N والعمل البارد الشائع) | متوسطة (توازن جيد بين القوة واللدونة) |
| قوة الخضوع | أعلى (يميل إلى أن يكون له عائد أعلى في المعالجات المماثلة) | أقل (لدونة عائد أكبر) |
| الاستطالة (اللدونة) | أقل (استطالة مخفضة مقابل 304 في الحالة المعالجة حراريًا) | أعلى (لدونة وقابلية تشكيل أفضل) |
| متانة التأثير | جيدة عند درجة حرارة الغرفة؛ أقل من 304 في بعض المعالجات | متانة ممتازة عند درجات حرارة الغرفة ومنخفضة |
| الصلابة | أعلى قليلاً (وتزداد أكثر مع العمل البارد) | أقل في الحالة المعالجة حراريًا؛ تزداد مع العمل البارد |
التفسير: غالبًا ما يوفر النوع 201 قوة وصلابة أعلى عند الاستلام لنفس مسار المعالجة، ولكن على حساب اللدونة وأحيانًا المتانة. يوفر النوع 304 مزيجًا أفضل من اللدونة والمتانة، مما يفيد في التشكيل وموثوقية الخدمة في العديد من التطبيقات الهيكلية والتآكلية.
5. قابلية اللحام
تعتبر قابلية اللحام لكلا الدرجتين جيدة عمومًا مقارنة بالفولاذ الكربوني لأن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لا يتصلب بواسطة التحول المارتينسيت عند التبريد. الاعتبارات:
- يمكن تقدير مكافئات الكربون ومخاطر تشقق اللحام باستخدام صيغ تجريبية مقبولة. اثنان من المؤشرات المستخدمة بشكل شائع هما:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- التفسير (نوعي): يقلل النيكل المنخفض في 201 من استقرار الأوستنيت مقارنةً بـ 304، مما يمكن أن يؤثر على وضع التصلب، وقابلية التشقق الساخن، ودرجة المارتينسيت الناتج عن الضغط في منطقة التأثير الحراري (HAZ) تحت بعض الظروف. يمكن أن يغير المنغنيز والنيتروجين الأعلى في 201 أيضًا اختيار المعدن الملئ وتركيب معدن اللحام.
- إرشادات عملية:
- استخدم المعادن الملئة المناسبة. بالنسبة لمعدن الأساس 304 الملحوم إلى 304، فإن الملء 308/308L شائع. بالنسبة لـ 201، يختار العديد من المصنعين الملء الذي يستعيد محتوى نيكل أعلى في معدن اللحام لتحسين مقاومة التآكل واللدونة.
- عادةً لا يتطلب التسخين المسبق؛ لا يتم استخدام المعالجة الحرارية بعد اللحام عادةً للفولاذ الأوستنيتي في التطبيقات العادية.
- للحامات المقاومة للتآكل الحرجة، اختر كيمياء الملء لضمان تلبية معدن اللحام وHAZ لاحتياجات مقاومة التآكل.
6. التآكل وحماية السطح
- السلوك المقاوم للصدأ: تشكل كلا الدرجتين فيلمًا سالبًا غنيًا بالكروم؛ ومع ذلك، تختلف مقاومة التآكل العامة.
- PREN (مفيد بشكل رئيسي لتقييم مقاومة التآكل في البيئات الغنية بالكلور عندما يكون Mo وN موجودين) يتم حسابه كالتالي:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- ملاحظة: بالنسبة للنوع 304 (Mo ≈ 0) يتم السيطرة على PREN بواسطة Cr وN؛ بالنسبة للنوع 201، يؤدي انخفاض Cr وN المختلف إلى انخفاض PREN مقارنةً بـ 304، لذا فإن مقاومة التآكل في الكلور عادةً ما تكون أقل.
- الجوانب العملية:
- يمتلك النوع 304 مقاومة عامة للتآكل أفضل في العديد من البيئات المائية والجوّية وهو الحد الأدنى المفضل للتلامس مع الطعام، والمعدات الطبية، والعديد من التعرضات الكيميائية.
- يؤدي النوع 201 بشكل كافٍ في البيئات الداخلية ذات التآكل الخفيف (الألواح الزخرفية، معدات المطبخ في ظروف منخفضة الكلور، الأجهزة) ولكنه غير موصى به للتطبيقات التي تتعرض لجرعات كبيرة من الكلور (البيئات الساحلية، أملاح إزالة الجليد) أو حيث يتطلب الأمر استقرارًا سلبيًا على المدى الطويل.
- الحماية غير المقاومة للصدأ: إذا كان يتم مقارنة فولاذ غير مقاوم للصدأ، فإن الحمايات السطحية الشائعة تشمل الجلفنة، والطلاء، أو الطلاء - ولكن هذه لا تحل محل السلوك المقاوم للصدأ. بالنسبة لكل من 201 و304، يمكن أن تؤثر التشطيبات السطحية (التلميع الكهربائي، علاجات التمرير) بشكل كبير على أداء التآكل.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- التشكيل والسحب العميق: يقدم النوع 304 عمومًا قابلية تشكيل وتمدد أفضل في الحالة المعالجة حراريًا بسبب محتوى النيكل الأعلى واللدونة الأكبر. يمكن تشكيل النوع 201، ولكن الارتداد أكبر ويتصلب المعدن بشكل أسرع؛ يجب أن تأخذ أدوات المعالجة ومعلمات العملية ذلك في الاعتبار.
- الانحناء وتشوه اللحام: يقلل اللدونة الأفضل لـ 304 من مخاطر التشقق أثناء التشكيل الشديد؛ قد يتطلب 201 مزيدًا من القوة وتحكمًا أكثر دقة في العملية.
- قابلية التشغيل: تعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عمومًا أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني. يميل النوع 201 إلى العمل على الصلابة بسرعة، مما يمكن أن يقلل من قابلية التشغيل؛ تُستخدم أدوات بزاوية ريك أعلى، وإعدادات صلبة، ومعدلات تغذية أبطأ بشكل شائع. كما أن 304 لزج ويتطلب أدوات مناسبة، ولكن يجد العديد من الميكانيكيين أن 304 أسهل قليلاً في التشغيل في المعالجات المماثلة.
- التشطيب السطحي: يمكن تلميع كلا الدرجتين إلى تشطيبات عالية. بسبب حساسيتها الأعلى للتآكل الموضعي في البيئات العدوانية، قد يظهر 201 تلوينًا في وقت مبكر إذا لم يكن التشطيب السطحي والتمرير كافيين.
8. التطبيقات النموذجية
| النوع 201 | النوع 304 |
|---|---|
| تقليم زخرفي، ألواح معمارية داخلية، ألواح أجهزة منزلية، تقليم خارجي لأواني الطهي منخفضة التكلفة، أنابيب خفيفة في بيئات غير عدوانية | معدات معالجة الطعام، أحواض وم countertops للمطبخ، مكونات عملية كيميائية (غير Mo)، أنابيب، مبادلات حرارية، أجهزة طبية (غير زراعة)، مسامير في البيئات الخارجية والقريبة من البحر |
| مبررات الاختيار: | |
| - اختر 201 عندما تهيمن قيود الميزانية وعندما تكون بيئة الخدمة معتدلة (داخلية، منخفضة الكلور)، أو عندما تكون القوة المستلمة الأعلى والتشطيب السطحي اللامع لهما الأولوية. | |
| - اختر 304 عندما تكون مقاومة التآكل، والنظافة، وقابلية اللحام مع دعم صناعي واسع، والموثوقية على المدى الطويل في بيئات متنوعة مطلوبة. |
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: عادةً ما يكون النوع 201 أقل تكلفة من النوع 304 بسبب محتوى النيكل المنخفض بشكل كبير. النيكل هو المحرك الرئيسي للتكلفة في الفولاذ المقاوم للصدأ؛ يقلل استبدال النيكل بالمنغنيز والنيتروجين من حساسية تكلفة المواد تجاه أسواق النيكل.
- التوافر: النوع 304 متوفر في جميع أنحاء العالم في أشكال ورقة، لوح، ملف، أنبوب، وقضيب وعادة ما يكون من الأسهل الحصول عليه في ظروف المواد المعتمدة للتطبيقات الحرجة. النوع 201 شائع إقليميًا ومتوافر على نطاق واسع لأشكال المنتجات السلع، ولكن قد تكون بيانات المصنع المعتمدة وبعض أشكال المنتجات أقل توفرًا من 304 في بعض الأسواق.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي):
| خاصية | النوع 201 | النوع 304 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة، ولكن قد تحتاج إلى تعديل اختيار الملء | جيدة جدًا، ممارسات ملء موحدة على نطاق واسع |
| توازن القوة–المتانة | قوة أعلى، لدونة/متانة أقل | توازن القوة مع لدونة ومتانة متفوقة |
| التكلفة | أقل (مخفض النيكل) | أعلى (محتوى نيكل قياسي) |
التوصيات: - اختر النوع 201 إذا: - كان المشروع حساسًا للتكلفة وكان التعرض محدودًا لبيئات معتدلة، داخلية، أو منخفضة الكلور. - كانت القوة المستلمة الأعلى وتوفير التكلفة تفوق الحاجة إلى أقصى مقاومة للتآكل. - كانت المظهر السطحي والتكلفة المنخفضة في المنتجات الاستهلاكية لهما الأولوية. - اختر النوع 304 إذا: - من المتوقع مقاومة التآكل على المدى الطويل، أو الخدمة الصحية، أو التعرض للكلور. - كانت قابلية التشكيل، وقابلية اللحام، وشهادة المواد المعتمدة مهمة. - يجب أن يلبي التطبيق المعايير الصناعية الشائعة للتلامس مع الطعام، أو الأدوية، أو التعرض الخارجي.
ملاحظة نهائية: يجب دائمًا التحقق من اختيار المواد ضد الظروف البيئية المحددة، والأحمال الميكانيكية، وتسلسلات اللحام والتشكيل، وقيود الشراء/التوريد للمشروع. للتطبيقات الحرجة، استشر شهادات المصنع وأجرِ اختبارات التآكل أو تقييمات هندسية لتأكيد ملاءمة 201 مقابل 304 للخدمة المقصودة.