2205 مقابل 2507 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

تستخدم الفولاذات المقاومة للصدأ المزدوجة 2205 و2507 (المعروفة عادةً باسم "سوبر ديوبلكس") على نطاق واسع حيث تتطلب قوة أعلى ومقاومة محسنة للتآكل مقارنةً بالدرجات الأوستنيتية. يواجه المهندسون وفرق الشراء عادةً مفاضلة بين التكلفة وقابلية اللحام ومستوى مقاومة التآكل المحلية المطلوبة للخدمة في الوسائط الحاوية على الكلوريد. يجب على مخططي التصنيع موازنة صعوبة التشكيل والآلات مقابل التوفير الناتج عن تقليل سمك المقطع بسبب القوة الأعلى.

التمييز الفني الرئيسي هو أن 2507 يحتوي على كميات أعلى من الكروم والموليبدينوم والنيتروجين مقارنةً بـ 2205، مما ينتج عنه مقاومة أكبر للتآكل الناتج عن الحفر والشقوق وقوة عائد/شد أعلى على حساب تقليل قابلية التشكيل وتكلفة المواد. هذه الاستراتيجية التركيبية - رفع Cr وMo وN مع الحفاظ على توازن مزدوج بين الفريت والأوستنيت - هي السبب في مقارنة هذين الدرجتين في البيئات العدوانية والتطبيقات الحرجة من حيث الحمل.

1. المعايير والتسميات

• 2205: يُشار إليه عادةً بـ UNS S32205 / S32266؛ محدد في ASTM/ASME (مثل A240، A182 للمنتجات المدرفلة والمزورة)، EN (1.4462)، JIS وGB معادلات موجودة.
• 2507: يُشار إليه عادةً بـ UNS S32750؛ محدد في ASTM/ASME وEN (1.4410 غالبًا ما يستخدم للسوبر ديوبلكس) ومعايير إقليمية أخرى.

التصنيف: - كل من 2205 و2507 هما فولاذات مقاومة للصدأ (تحديدًا فولاذات مقاومة للصدأ مزدوجة). ليست فولاذات كربونية أو فولاذات أدوات أو درجات HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تلخص الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية لهذين الدرجتين المزدوجتين (تختلف النطاقات المعتمدة من المصنع حسب المعيار والشركة المصنعة). العناصر غير المدرجة عادةً ما تكون موجودة كحديد متوازن أو بمستويات ضئيلة.

عنصر	2205 (نطاق نموذجي، wt%)	2507 (نطاق نموذجي، wt%)
C	≤ 0.03	≤ 0.03
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.03	≤ 0.03
S	≤ 0.02	≤ 0.02
Cr	22.0–23.0	24.0–26.0
Ni	4.5–6.5	6.0–8.0
Mo	3.0–3.5	3.5–4.5
V	عادةً ما تكون ضئيلة/غير موجودة	عادةً ما تكون ضئيلة/غير موجودة
Nb / Ti	عادةً لا توجد	عادةً لا توجد
B	عادةً لا توجد	عادةً لا توجد
N	0.14–0.20	0.24–0.32
Fe	توازن	توازن

كيف تؤثر السبائك على الخصائص - الكروم: المساهم الرئيسي في تشكيل الفيلم السالب ومقاومة الحفر؛ زيادة Cr تعزز مقاومة التآكل العامة وتزيد القوة قليلاً في الدرجات المزدوجة. - الموليبدينوم: يعزز مقاومة الحفر والشقوق في الوسائط الحاوية على الكلوريد. - النيتروجين: يثبت مرحلة الأوستنيت ويزيد بشكل كبير من قوة العائد ومقاومة الحفر (حسب PREN)، كما يحسن مقاومة التآكل الناتج عن الإجهاد في العديد من الدرجات المزدوجة. - النيكل: يوازن بين نسبة الفريت والأوستنيت؛ يساعد ارتفاع Ni في 2507 على الحفاظ على بنية مزدوجة على الرغم من ارتفاع Cr وMo. - يقلل الكربون المنخفض من ترسيب الكربيد وقابلية التآكل بين الحبيبات.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهياكل النموذجية - كلا الدرجتين مزدوجتان - مزيج متساوي تقريبًا من الفريت (δ) والأوستنيت (γ) في الحالة المعالجة. الهدف من نسبة الحجم عادةً ما يكون قريبًا من 50/50 ولكنه يختلف حسب شكل المنتج والتاريخ الحراري. - 2205: ميكروهيكل مزدوج مستقر مع أوستنيت يتكون من تقسيم Cr–Ni–N؛ متوازن لتحقيق متانة جيدة ومقاومة للتآكل. - 2507: ميكروهيكل مزدوج بمستويات سبائك أعلى؛ يتطلب التحكم الدقيق في الدورات الحرارية لتجنب الفريت الزائد أو المراحل البينية الضارة.

آثار العمليات الحرارية - المعالجة الحرارية بالحل (عادةً ~1020–1100 °م لفولاذات مقاومة للصدأ المزدوجة) تليها تبريد سريع تستعيد التوازن المزدوج وتذوب الترسيبات البينية. تستفيد كلا الدرجتين من المعالجة الحرارية المناسبة بعد التشكيل الساخن أو اللحام الثقيل لاستعادة الخصائص. - التبريد البطيء أو التعرض المطول في نطاق 600–950 °م يعزز تشكيل مراحل سيغما أو كاي أو غيرها من المراحل البينية، مما يجعل المادة هشة ويقلل من مقاومة التآكل. هذه مسألة أكبر بالنسبة لـ 2507 لأن محتوى Cr وMo الأعلى يزيد من القوة الديناميكية الحرارية لتشكيل المراحل البينية. - العمل البارد يزيد من القوة من خلال تصلب العمل ويغير توازن الفريت والأوستنيت؛ غالبًا ما يتم إنتاج الفولاذات المزدوجة في سمك ثقيل أو لوح مع معالجة حرارية ميكانيكية مضبوطة لتحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة. - على عكس الفولاذات الكربونية، لا تُطبق دورات التبريد والتسخين النموذجية على فولاذات مقاومة للصدأ المزدوجة؛ يتم التحكم فيها بشكل أساسي من خلال المعالجة الحرارية بالحل والعمل البارد.

4. الخصائص الميكانيكية

القيم أدناه هي نطاقات نموذجية لأشكال المنتجات المعالجة (لوح، ورقة، أنبوب) وتختلف حسب المصنع والمعالجة الحرارية. استخدم دائمًا شهادات المصنع للتصميم.

خاصية	2205 (نموذجي، معالج)	2507 (نموذجي، معالج)
قوة الشد (ميغاباسكال)	~620–880	~800–1000
0.2% إثبات / عائد (ميغاباسكال)	~450–650	~620–800
التمدد (%)	~20–35	~10–25
صلابة التأثير (شاربي V، درجة حرارة الغرفة)	جيدة عمومًا، غالبًا ≥40 جول	جيدة عمومًا ولكن أقل من 2205 في بعض الظروف
الصلابة (HRC/HB)	متوسطة	أعلى بسبب زيادة القوة

التفسير - القوة: 2507 عادةً ما تكون أقوى في كل من قوة العائد وقوة الشد بسبب زيادة النيتروجين وإضافات السبائك. هذا يسمح بتصاميم موفرة للوزن من خلال تقليل سمك المقطع لنفس مقاومة الحمل. - المتانة والليونة: 2205 عادةً ما تقدم ليونة وقابلية تشكيل أكبر؛ 2507 تتبادل بعض الليونة مقابل قوة أعلى. يمكن أن يكون لكلاهما صلابة تأثير ممتازة عند معالجتهما بشكل صحيح، ولكن 2507 أكثر حساسية للتاريخ الحراري وترسيب المراحل البينية. - يجب على المصممين التحقق من المتانة للخدمة في درجات الحرارة المنخفضة أو المكونات الحرجة من حيث التأثير.

5. قابلية اللحام

تتعلق اعتبارات قابلية اللحام لفولاذات مقاومة للصدأ المزدوجة بمحتوى الكربون والنيتروجين وتأثير عناصر السبائك على القدرة على التصلب وتوازن المراحل.

• الكربون منخفض في كلا الدرجتين، مما يحد من تشكيل الكربيد ويحسن قابلية اللحام.
• النيتروجين يثبت الأوستنيت؛ فقدان النيتروجين في بركة اللحام (عن طريق إزالة الغازات) يمكن أن يغير توازن الفريت والأوستنيت، لذا فإن كيمياء الحشو المناسبة وغاز الحماية مهمان.
• زيادة Cr/Mo في 2507 تزيد من خطر تشكيل المراحل البينية في منطقة التأثير الحراري (HAZ) إذا كانت معدلات التبريد بطيئة أو كانت كمية الحرارة المدخلة بعد اللحام مفرطة. لذلك، تتطلب 2507 تحكمًا أكثر صرامة في كمية الحرارة المدخلة ودرجة حرارة التداخل مقارنةً بـ 2205.

مؤشرات قابلية اللحام الشائعة (استخدام نوعي) - يمكن استخدام المعادل الكربوني (IIW) وPcm لتقييم القابلية للتشقق البارد الناتج عن الهيدروجين. صيغ الأمثلة: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - استخدم هذه الصيغ بشكل نوعي: كلا الدرجتين عادةً ما تكون لهما CE/Pcm منخفض مقارنةً بالفولاذات عالية الكربون، ولكن محتوى السبائك الأعلى في 2507 يزيد من CE/Pcm مقارنةً بـ 2205.

ملاحظات عملية - التسخين المسبق عادةً ما يكون ضئيلاً لفولاذات مقاومة للصدأ المزدوجة؛ تجنب التسخين المسبق المفرط وحافظ على درجات حرارة التداخل المناسبة لمنع تشكيل السيغما. - استخدم المعادن الحشوة المتطابقة أو المفرطة السبائك لاستعادة توازن السبائك في معدن اللحام. المعالجة الحرارية بعد اللحام نادرًا ما تكون عملية للهياكل الكبيرة المصنوعة ولكن يمكن استخدامها للمكونات الحرجة. - يُوصى بإجراء اختبارات ميكانيكية واختبارات تآكل (مثل مقاومة الحفر أو ASTM G48) للمجموعات الحرجة، خاصةً لـ 2507.

6. التآكل وحماية السطح

بالنسبة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة، فإن الحماية السطحية القياسية من خلال التشطيب والتخميل فعالة؛ لا ينطبق الجلفنة على الدرجات المقاومة للصدأ.

عدد مقاومة الحفر المكافئ (PREN) - يُستخدم PREN عادةً لتقدير المقاومة للحفر الناتج عن الكلوريد: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ - نظرًا لأن 2507 يحتوي على كميات أعلى من Cr وMo وN مقارنةً بـ 2205، فإنه يمتلك PREN أعلى وبالتالي مقاومة متفوقة للحفر والتآكل الناتج عن الشقوق في البيئات الحاوية على الكلوريد. يُعتبر PREN دليلًا - كما أن الميكروهيكل والشوائب وحالة السطح تؤثر أيضًا على الأداء في العالم الحقيقي.

عندما لا يكون PREN قابلًا للتطبيق - يستهدف PREN مقاومة الحفر في الوسائط الحاوية على الكلوريد؛ بالنسبة للتآكل العام، لا يمكن استنتاج معدلات التآكل المتجانسة في الأحماض المؤكسدة أو المحاليل القلوية فقط من PREN. تعتمد مقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد (SCC) على الحالة المعدنية، وحالة الإجهاد والبيئة؛ عادةً ما تكون الفولاذات المزدوجة أكثر مقاومة لـ SCC من الدرجات الأوستنيتية ولكن سلوك SCC يمكن أن يختلف.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين تتصلبان أثناء القطع. تجعل القوة الأعلى ومحتوى السبائك في 2507 من الصعب بعض الشيء تشغيلها - مما يتطلب إعدادات صارمة، أدوات حادة، عمق قطع مخفض، وغالبًا معدلات تغذية أبطأ. تعتبر مواد الأدوات واختيار المبرد مهمة.
• التشكيل/الانحناء: 2205 أسهل في التشكيل من 2507 بسبب الليونة الأعلى. قد تتطلب 2507 أشعة انحناء أكبر، وتقليل التشوه لكل تمريرة، وخطوات تخميل أكثر تكرارًا للتشكيل الشديد.
• تشطيب السطح: التلميع الميكانيكي والكيميائي متشابه في كلا الدرجتين، ولكن قد تتطلب 2507 طرقًا أكثر عدوانية لإزالة التشوه تحت السطحي الناتج عن التشغيل الآلي.

8. التطبيقات النموذجية

2205 (التطبيقات)	2507 (التطبيقات)
مبادلات حرارية، أنابيب وتركيبات في المصانع الكيميائية والبترولية	مكونات تحت الماء وفوق السطح في حقول النفط والغاز العميقة
أنظمة مياه البحر، مكونات تحلية بمستويات متوسطة من الكلوريد	بيئات كلويدية عالية العدوانية، مثل الآبار الغنية بالكلوريد، والمياه المالحة عالية الحرارة
أوعية ضغط، خزانات تخزين حيث تكون القوة العالية ومقاومة التآكل مطلوبة ولكن الميزانية محدودة	فلنجات حرجة، حبال، صمامات ومجمعات تتطلب أعلى مقاومة للحفر والشقوق
مفاعلات لب الورق ومعدات المعالجة	تطبيقات حيث يتطلب تقليل سمك المقطع بسبب الأحمال العالية والوسائط التآكلية

مبررات الاختيار - اختر 2205 حيث يتطلب توازن بين القوة والمتانة ومقاومة التآكل في تعرض معتدل للكلوريد وحيث تكون كفاءة التشكيل واللحام أولوية. - اختر 2507 حيث تكون البيئة عدوانية بشكل خاص (كلوريد عالي، حرارة عالية)، حيث يسمح الإجهاد المسموح به الأعلى بتقليل السمك، أو حيث تكون مقاومة الحفر/الشقوق القصوى مطلوبة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 2507 أغلى باستمرار من 2205 بسبب محتوى السبائك الأعلى (خاصة Ni وMo وN) وضوابط المعالجة الأكثر صرامة. يمكن أن تكون الفروق في تكلفة المواد كبيرة ويجب موازنتها مع فوائد دورة الحياة والتوفير المحتمل في السمك.
• التوافر: 2205 متاحة على نطاق واسع في الألواح والأنابيب والتركيبات والمثبتات. 2507 متاحة تجاريًا ولكنها أقل انتشارًا؛ قد تكون أوقات التسليم طويلة لبعض أشكال المنتجات أو الأحجام المخصصة. يجب على مخططي الشراء مراعاة أوقات التسليم ومتطلبات اختبار المصنع عند تحديد 2507.

10. الملخص والتوصية

المعيار	2205	2507
قابلية اللحام	أفضل (أكثر تحملًا)	جيدة ولكن تتطلب تحكمًا أكثر صرامة في كمية الحرارة المدخلة
توازن القوة والمتانة	قوة عالية مع ليونة جيدة	قوة أعلى، ليونة أقل قليلاً
التكلفة	أقل (أكثر اقتصادية)	أعلى (متميزة)

اختر 2205 إذا: - كنت بحاجة إلى درجة مزدوجة قوية مع مقاومة جيدة للتآكل العام وSCC، وقابلية تشكيل أفضل ولحام أسهل، وتكلفة مواد أقل. - تتضمن الخدمة تعرضًا معتدلاً للكلوريد حيث تكون PREN وميكروهيكل 2205 كافيين.

اختر 2507 إذا: - كانت البيئة عدوانية للغاية (كلوريد عالي، درجات حرارة أعلى، أو ظروف شق ضيقة) وكانت أعلى مقاومة للحفر/الشقوق مطلوبة. - كنت بحاجة إلى قوة عائد/شد أعلى لتقليل سمك المقطع أو تلبية متطلبات الحمل الصارمة ومستعدًا لقبول تكاليف مواد أعلى وضوابط تصنيع أكثر صرامة.

ملاحظة نهائية: تعتبر شهادات المصنع، شكل المنتج الفعلي، تاريخ التصنيع، واختبارات الخدمة في الموقع (مثل اختبارات تآكل الحفر/الشقوق على الوصلات الملحومة) مدخلات أساسية لتحديد اختيار الدرجة النهائية. تحقق دائمًا من قيم التصميم مقابل بيانات المورد والمعايير ذات الصلة للمكونات الحرجة من حيث السلامة.