301 مقابل 304 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع الاختيار بين نوعين شائعين جدًا من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي: 301 و304. عادة ما تدور القرار حول التوازن بين التكلفة ومقاومة التآكل وقابلية التشكيل والقوة الممكن تحقيقها بعد التصنيع (على سبيل المثال، ما إذا كان من المرغوب فيه أن يكون هناك تصلب عمل مرتفع). في العديد من سياقات الإنتاج - تشكيل الصفائح المعدنية، والمكونات الهيكلية، والمنتجات الاستهلاكية - يتم تحديد الاختيار بناءً على كيفية استجابة المادة للعمل البارد مقابل كيفية مقاومتها للبيئات التآكلية.

التمييز الأساسي بين هذين النوعين يكمن في توازن سبائكهما والاستجابة الميكانيكية الناتجة عن التشوه: تم صياغة 301 ليظهر قدرة أعلى على تصلب الشد (يمكن أن يكتسب قوة كبيرة من خلال العمل البارد)، بينما تم تحسين 304 لسلوك أوستنيتي مستقر، مما يزيد من مقاومة التآكل والليونة في الحالة المعالجة حراريًا. نظرًا لأن كلاهما متاح على نطاق واسع واقتصادي، غالبًا ما يتم مقارنتهما عند تصميم الأجزاء التي تتطلب مزيجًا من التشكيل، واللحام، ومقاومة التآكل، والتحكم في التكلفة.

1. المعايير والتسميات

• ASTM/ASME:
• 301: AISI 301 (مراجع ASTM A240/A666 للصفائح/الأنابيب/الألواح)
• 304: AISI 304 (ASTM A240/A666)
• EN (الأوروبية):
• 301 يتوافق عادة مع EN 1.4310 / 1.4311 أحيانًا؛ توجد متغيرات
• 304 يتوافق مع EN 1.4301 (304)
• JIS (اليابانية): توجد مكافئات (مثل SUS301 / SUS304)
• GB (الصين): توجد مكافئات (مثل 301، 304 في معايير GB/T)

التصنيف: كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. ليسا من الفولاذ الكربوني أو السبائكي أو الفولاذ الأدوات أو HSLA - بل ينتميان إلى عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ (الأوستنيتي).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

الفروق التركيبية متواضعة ولكنها مدروسة: 304 أغنى بالنيكل وأعلى قليلاً في الكروم، مما يعزز مقاومة التآكل ويستقر المرحلة الأوستنيتية؛ 301 يقلل من النيكل ويحافظ على مستوى كافٍ من الكروم، مما يزيد من الميل لتشكيل المارتنسيت الناتج عن التشوه وزيادة تصلب الشد.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يوفر الكروم (Cr) الفيلم الأكسيدي السالب الذي يمنح مقاومة التآكل؛ تحسين الكروم العالي يعزز الأداء المقاوم للتآكل في العديد من البيئات. - النيكل (Ni) يستقر المرحلة الأوستنيتية، ويحسن المتانة والليونة، ويقلل من الميل لتشكيل المارتنسيت تحت التشوه. - يزيد الكربون من القوة ولكنه يمكن أن يقلل من مقاومة التآكل (خطر التحسس) ويزيد قليلاً من قابلية التصلب. - المنغنيز والسيليكون هما مزيلات الأكسدة ويمكن أن تؤثر على الخصائص الشد بشكل متواضع؛ كما أن المنغنيز يساعد أحيانًا في استقرار الأوستنيت. نظرًا لأن 301 يحتوي على نيكل أقل وكروم مشابه، فإنه أكثر عرضة لتحويل المارتنسيت الناتج عن الشد وتصلب العمل الأقوى مقارنة بـ 304.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

كلا من 301 و304 هما أوستنيتيان في درجة حرارة الغرفة في الحالة المعالجة حراريًا (مكعب مركزي الوجه، FCC). السلوكيات المجهرية الرئيسية واستجابات المعالجة:

• الحالة المعالجة حراريًا:
• 301: أوستنيتي بالكامل (لكن مع تركيب يجعلها أكثر عدم استقرار). هيكل الحبيبات نموذجي للصفائح الفولاذية المدرفلة على البارد والمعالجة حراريًا.

• 304: أوستنيت مستقر مع ليونة ومتانة ممتازة.

• العمل البارد والتحويل الناتج عن الشد:

• 301: مصمم ليظهر تحولًا كبيرًا ناتجًا عن الشد إلى المارتنسيت (α′) أثناء التشوه البلاستيكي (التشكيل، الانحناء، التثقيب). هذا التحول يزيد من القوة والصلابة محليًا وعامًا (تصلب العمل)، ولكنه يقلل من الليونة وقد يؤثر على سلوك التآكل حيث يتعرض المارتنسيت.

• 304: ميل أقل بكثير لتشكيل المارتنسيت الناتج عن التشوه؛ يحتفظ بالهيكل الأوستنيتي والليونة بعد العمل البارد المماثل، مع معدل تصلب عمل أقل من 301.

• المعالجة الحرارية:

• لا يمكن لأي من النوعين أن يتصلب عن طريق المعالجة الحرارية بالتبريد والتسخين (هما أوستنيتيان، وليس فولاذ مارتنسيت). تُستخدم المعالجة الحرارية (مثل التسخين إلى حوالي 1000–1100 درجة مئوية تليها تبريد سريع) لإذابة الكربيدات واستعادة الليونة. تعيد المعالجة الحرارية بعد التصنيع قابلية التشكيل وتخفف من تصلب العمل.
• تُستخدم المعالجات الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المتحكم بها، العمل البارد بالإضافة إلى المعالجة الحرارية) صناعيًا لإنتاج صفائح أو شرائط مع تركيبات قوة/ليونة مصممة؛ يمكن أن تُدرفل متغيرات 301 إلى قوى أعلى من 304 قبل المعالجة الحرارية.

4. الخصائص الميكانيكية

تقوم الجدول أدناه بمقارنة السلوك الميكانيكي النموذجي نوعيًا (كما تم تصنيعه، المعالج حراريًا، وبعد العمل البارد). تعتمد القيم الدقيقة على شكل المنتج (ورقة، شريط، قضيب)، والمعالجة، والمواصفات؛ استشر بيانات المصنع للحصول على أرقام حرجة للمشروع.

لماذا: محتوى النيكل المنخفض في 301 يجعل الأوستنيت أقل استقرارًا تحت الشد؛ التحول الميكانيكي يحول بعض الأوستنيت إلى مارتنسيت، مما يزيد من القوة والصلابة (مفيد في الأجزاء التي تحتاج إلى قوة أعلى دون معالجة حرارية). النيكل الأعلى في 304 يستقر الأوستنيت، مما يحافظ على الليونة والمتانة على حساب حجم تصلب الشد.

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام لكلا النوعين جيدة عمومًا للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، ولكن هناك اعتبارات:

• محتوى الكربون: يزيد الكربون العالي من خطر التحسس (ترسيب كربيد الكروم) أثناء التبريد البطيء، خاصة بالنسبة لـ 304 مع متغيرات C الأعلى (304H). توجد متغيرات منخفضة الكربون (304L، 301L) لتقليل خطر التحسس.
• قابلية التصلب والتحول: الميل الأعلى لـ 301 لتشكيل المارتنسيت الناتج عن التشوه لا يؤثر مباشرة على مناطق اللحام المنصهرة (التي هي أوستنيت معاد تسخينها/متصلبة)، ولكن المناطق المجاورة المعالجة باردة قد تحتوي على هياكل مجهرية مختلطة تؤثر على الإجهاد المتبقي والتشوه.
• توافق المواد المالئة والتحكم في درجة حرارة التداخل هي مخاوف نموذجية لكلا النوعين.
• استخدام متغيرات مستقرة أو منخفضة الكربون (مثل 304L) هو أمر شائع حيث يكون اللحام بدون معالجة حرارية بعد اللحام مطلوبًا.

مؤشرات قابلية اللحام الشائعة (تفسير نوعي؛ لا توجد مدخلات عددية مقدمة هنا): - المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - صيغة Pcm الألمانية: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير: - يشير ارتفاع $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ إلى زيادة خطر التصلب أو التشقق أو تقليل قابلية اللحام في الفولاذ حيث يمكن تشكيل المارتنسيت. بالنسبة لـ 301 مقابل 304، الفروق العددية في هذه المؤشرات صغيرة لأن كلاهما يحتوي على كربون منخفض ومحتوى سبائك مشابه؛ قد يحتوي 301 على كربون أعلى قليلاً أو نيكل أقل في بعض القضبان، مما يؤثر بشكل طفيف على المؤشرات. بشكل عام، يُعتبر كلاهما قابلًا للحام بسهولة وفقًا لممارسات اللحام القياسية للفولاذ المقاوم للصدأ.

6. التآكل وحماية السطح

• السلوك المقاوم للصدأ: كلا من 301 و304 يشكلان أفلامًا سلبية غنية بالكروم. نظرًا لأن 304 يحتوي عادةً على كمية أكبر قليلاً من الكروم والنيكل، فإنه يوفر مقاومة عامة للتآكل أفضل قليلاً ويعتبر الخيار الأكثر شيوعًا حيث تكون مخاوف التآكل ذات أولوية (معالجة الطعام، معدات المطبخ، التطبيقات المعمارية).
• التآكل المحلي (التآكل النقري/الشقوق): لا يحتوي أي من النوعين على مو؛ بالنسبة للبيئات الغنية بالكلوريد، لا يعتبر أي من 301 أو 304 مقاومًا كما هو الحال في الدرجات التي تحتوي على مو (مثل 316). استخدام التصميم الواقي والتشطيب السطحي أمر حاسم في البيئات العدوانية.
• PREN (لتقييم مقاومة التآكل النقري في الفولاذ المقاوم للصدأ مع مو وN): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ التفسير:
• PREN ليس مميزًا مفيدًا بين 301 و304 لأن كلاهما يحتوي على مو تقريبًا ولا يحتوي على N؛ لذلك فإن قيم PREN منخفضة ومتقاربة.
• حماية السطح للفولاذ غير المقاوم للصدأ (غير قابلة للتطبيق هنا) ستشمل الجلفنة أو الطلاءات؛ بالنسبة لـ 301/304، فإن التمرير، والتلميع الكهربائي، والتلميع الميكانيكي يحسن من مقاومة التآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• التشكيل والتثقيب:
• 301: قابلية تشكيل ممتازة في الحالة المعالجة حراريًا؛ نظرًا لأنها تتصلب بسرعة، يمكن استخدامها لإنتاج أجزاء تكتسب القوة أثناء التشكيل (يجب أخذ سلوك الارتداد في الاعتبار).
• 304: قابلة للتشكيل بدرجة عالية وأكثر تحملًا لعمليات السحب العميق؛ يقلل تصلب العمل من تعقيد توقعات التشكيل.
• قابلية التشغيل:
• كلاهما يعمل بشكل أسوأ من الفولاذ الكربوني؛ الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يتكتل ويتصلب عند القطع. تميل 301 إلى التصلب بشكل أسرع، مما يعقد التشغيل (يتطلب أدوات حادة، إعدادات صلبة، كاسرات رقائق، وسرعات قطع معتدلة). 304 أسهل قليلاً في التشغيل في العديد من الظروف ولكن لا يزال يتطلب أدوات مبسطة ومواد تبريد.
• التشطيب:
• تشطيب السطح، التمرير، والتلميع متشابهة لكلا النوعين. لاحظ أن 301 المعالجة باردة قد تحتوي على مناطق مارتنسيت تستجيب بشكل مختلف للتخريش/التلميع.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر 301 عندما يتم تشكيل الأجزاء بشكل كبير بالعمل البارد ويريد المصممون الاستفادة من تصلب الشد للوصول إلى قوة أعلى أثناء الخدمة دون معالجة حرارية. - اختر 304 عندما تكون مقاومة التآكل، والليونة، وقابلية اللحام في الحالة المعالجة حراريًا هي أولويات أعلى.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادة ما تكون 304 أغلى قليلاً من 301 بسبب محتوى النيكل الأعلى. تختلف أسعار السوق مع أسعار النيكل الفورية والإمدادات الإقليمية؛ غالبًا ما يتم اختيار 301 كبديل اقتصادي عندما لا تكون مقاومة التآكل الكاملة لـ 304 مطلوبة.
• التوافر: 304 هو أكثر سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي شيوعًا في جميع أنحاء العالم ومتاحة في أوسع نطاق من أشكال المنتجات (ورقة، لوح، قضيب، أنبوب، مسامير). 301 متاحة على نطاق واسع ولكنها أقل انتشارًا؛ شائعة في الشرائط، والصفائح، وبعض الأشكال الهيكلية.

10. الملخص والتوصية

التوصية: - اختر 301 إذا كنت بحاجة إلى أجزاء سيتم تشكيلها باردًا ثم الاعتماد على تصلب الشد لزيادة القوة أثناء الخدمة (المشابك، النوابض، الأجزاء الهيكلية المشكلة)، أو عندما يكون الفولاذ المقاوم للصدأ منخفض التكلفة مع مقاومة معقولة للتآكل مقبولًا. - اختر 304 إذا كانت أولويتك هي مقاومة التآكل المستمرة، والليونة العالية والمتانة في الحالة المعالجة حراريًا، والتوافر الواسع، وسلوك التشكيل/اللحام الأبسط لبيئات الإنتاج حيث تكون الخصائص الأوستنيتية المتوقعة والمستقرة مطلوبة.

ملاحظة ختامية: لأي مواصفة حرجة، اطلب شهادات اختبار المصنع وبيانات المورد للشكل الدقيق للمنتج، واعتبر المتغيرات منخفضة الكربون أو المستقرة (304L، 301L، 301LN) عندما تكون اللحام، أو جدول المعالجة الحرارية، أو محتوى النيتروجين حاسمة للأداء.