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

مقدمة

301 و 304 هما من أكثر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي شيوعًا في التصنيع، والسيارات، والأجهزة، والأعمال المعمارية. يقوم المهندسون وفرق الشراء بوزن التبادلات بين مقاومة التآكل، وقابلية التشكيل، وقابلية اللحام، والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار درجة لمكونات مصنوعة على البارد حيث تهم زيادة القوة من خلال العمل الشاق، أو اختيار مادة للتعرض للغذاء أو المواد الكيميائية أو المعمارية حيث تكون مقاومة التآكل والاستقرار على المدى الطويل أمرًا بالغ الأهمية.

التمييز الوظيفي الأساسي بين 301 و 304 هو كيفية استجابتهما للتشوه البارد: 301 يتصلب أكثر من 304، مما يسمح بزيادة كبيرة في القوة بعد العمل البارد ولكن على حساب اللدونة وأحيانًا الاستقرار الأبعاد. هذا السلوك - جنبًا إلى جنب مع الاختلافات في محتوى الكروم والنيكل - يدفع أدائهما المقارن في التطبيقات الحرجة من حيث التشكيل، والإجهاد، والتآكل.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الدولية الشائعة:
• ASTM/ASME: A240/A666 (صفائح/ألواح/لفائف)، A276 (قضبان)، وغالبًا ما يتم الإشارة إليها لكل من 301 و 304.
• EN: سلسلة EN 10088 للفولاذ المقاوم للصدأ (مثل أرقام عائلة EN 1.4310/1.4301).
• JIS: JIS G4303 / G4305 والمعايير المتعلقة بالمنتجات في اليابان.
• GB: معايير GB/T للفولاذ المقاوم للصدأ في الصين.
• التصنيف:
• كلا من 301 و 304 هما فولاذان مقاومان للصدأ من نوع الأوستنيتي.
• هما ليسا فولاذًا كربونيًا، أو فولاذ أدوات، أو درجات HSLA؛ بل ينتميان إلى عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ التي تتميز بمحتوى عالٍ من الكروم وكمية كبيرة من النيكل.
• توجد متغيرات (مثل 301LN، 301Ti، 304L، 304H) التي تضيف النيتروجين، أو التيتانيوم، أو كربون أقل للتحكم في الخصائص المحددة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

ملاحظات: - 301 يستخدم استراتيجية نيكل أقل وكروم أقل قليلاً مقارنةً بـ 304؛ هذا يقلل التكلفة ويزيد من القابلية للتحول تحت العمل البارد، وهو ما يتم استغلاله عندما تكون القوة بعد التشكيل أعلى مطلوبة. - تؤثر عناصر السبائك على ثلاثة سلوكيات أساسية: مقاومة التآكل (تسيطر عليها Cr و Ni)، استقرار الأوستنيت والصلابة (Ni يثبت الأوستنيت)، وسلوك العمل الشاق (تؤثر التركيبة وطاقة العيب المتراكم على التحول المارتنسيت الناتج عن الإجهاد).

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

• الميكروهيكل كما هو مصنّع:
• كلا من 301 و 304 هما في الغالب أوستنيتيان عند درجة حرارة الغرفة عندما يكونا في حالة معالجة حرارية محلولية.
• 301 لديه استقرار أوستنيتي أقل من 304؛ تحت العمل البارد الكبير، يمكن أن يتحول 301 جزئيًا إلى مارتنسيت ناتج عن الإجهاد أو يظهر كثافة تشوه أعلى وتوأمة تشوه اعتمادًا على متغير السبيكة ودرجة الحرارة.
• استجابة للعمل البارد والمعالجة الحرارية:
• تُعيد المعالجة الحرارية (المعالجة المحلولية) كلا الدرجتين إلى هيكل لدن، أوستنيتي بالكامل.
• لا يوجد تقوية تقليدية عن طريق التبريد والتلطيف لهذه الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية كما هو الحال مع الفولاذات الفيريتية/المارتنسيتية؛ تُستخدم المعالجات الحرارية بشكل رئيسي لتخفيف الإجهاد، والمعالجة الحرارية المحلولية، أو لتثبيت الكربيدات (مع إضافات Ti أو Nb).
• المعالجة الحرارية الميكانيكية: غالبًا ما يتم دحرجة 301 على البارد لتحقيق عائد أعلى وقوة شد من خلال العمل الشاق؛ 304 سيتصلب أيضًا ولكن إلى حد أقل ويحتفظ بلدونة أعلى في الحالة المعالجة حراريًا.
• التطبيق العملي: يتم استغلال ميل 301 للعمل الشاق (وتشكيل المارتنسيت في بعض الظروف) لشرائط النوابض، وإطارات المقاعد، والأجزاء المصنوعة عالية القوة؛ يُفضل 304 حيث تكون الاستقرار الأبعاد ومقاومة التآكل المتسقة مطلوبة.

4. الخصائص الميكانيكية

تفسير: - يمكن أن تصل 301 إلى قوى أعلى من 304 من خلال التشوه البارد لأن توازن سبيكتها (نيكل أقل، طاقة عيب متراكم مختلفة قليلاً) يعزز تراكم العيوب بشكل أسرع، وفي بعض الحالات، مارتنسيت ناتج عن التشوه. وهذا يؤدي إلى زيادة في قوة الشد وقوة العائد بعد التشكيل، وهو ما يعد ميزة للنوابض والأجزاء المصنوعة عالية القوة. - يحتفظ 304 بلدونة متسقة ممتازة وصلابة أكثر اتساقًا في التطبيقات التي يكون فيها الحد الأدنى من العمل البارد موجودًا أو حيث يجب الحفاظ على إجهادات التشكيل منخفضة للحفاظ على مقاومة التآكل أو التشطيب السطحي.

5. قابلية اللحام

• كلا من 301 و 304 يلتحمان بسهولة مع عمليات اللحام الشائعة للفولاذ المقاوم للصدأ (TIG، MIG، لحام المقاومة). تعتبر اعتبارات قابلية اللحام الأساسية هي محتوى الكربون (خطر التحسس)، وجود المثبتات (Ti/Nb)، والإجهادات المتبقية.
• الكربون وقابلية التصلب: يزيد الكربون الأعلى من خطر التحسس (ترسيب كربيد الكروم) في منطقة التأثير الحراري عند التبريد البطيء، خاصةً بالنسبة للدرجات ذات الكربون الأعلى. تقلل المتغيرات منخفضة الكربون (مثل 304L، 301L) من هذا الخطر.
• استخدام مؤشرات قابلية اللحام:
• معادلة التكافؤ الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ تفسير $CE_{IIW}$ نوعيًا: القيم الأعلى تشير إلى خطر أكبر من التشقق المرتبط بقابلية التصلب في الفولاذ؛ بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، تساعد المؤشر في تحديد القابلية على الرغم من أن الأوستنيتي عادةً ما يتصرف بشكل مختلف عن الفولاذ الفيريتي.
• معادلة Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ تفسير $P_{cm}$ نوعيًا: القيم الأعلى تشير إلى مزيد من القلق بشأن التشقق البارد وسلوك منطقة التأثير الحراري للحام؛ بالنسبة لـ 301 و 304، تكون القيم عمومًا منخفضة مقارنةً بالفولاذات عالية السبيكة، ولكن يبقى التحكم في الكربون واختيار المواد المالئة مهمين.
• إرشادات عملية للحام:
• استخدم درجات منخفضة الكربون أو مستقرة للحام في خدمات التآكل الحرجة أو للأقسام الثقيلة حيث يحدث التبريد البطيء.
• استخدم مواد مالئة متطابقة أو ذات نيكل أعلى قليلاً للوصلات الحرجة من حيث التآكل؛ بالنسبة لـ 301، اختر مواد مالئة تحافظ على اللدونة ومقاومة التآكل بعد العمل البارد واللحام.

6. التآكل وحماية السطح

• سلوك مقاوم للصدأ:
• يوفر الكروم الفيلم السالب؛ يثبت النيكل الهيكل الأوستنيتي ويعزز المقاومة للتشقق الناتج عن إجهاد الكلور في بعض السياقات.
• استخدم مؤشر PREN لتقييم مقاومة التآكل حيثما كان ذلك ممكنًا: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ملاحظة: PREN هو الأكثر تطبيقًا لتقييم مقاومة التآكل للدرجات الأكثر سبيكة (مثل، الدوبلكس، السوبر أوستنيتيك)؛ عادةً ما تسجل 301 و 304 درجات منخفضة على PREN لأن أي منهما لا يحتوي على Mo.
• مقارنة مقاومة التآكل:
• يقدم 304 عمومًا مقاومة أفضل للتآكل العام من 301 بسبب محتواه الأعلى من الكروم والنيكل.
• حيث يكون هناك خطر من تآكل الكلور الشديد أو تآكل الشقوق، لا يعتبر أي من 301 أو 304 مثاليًا؛ تفضل الدرجات المحتوية على Mo (مثل 316) أو الدرجات الدوبلكس.
• بدائل غير مقاومة للصدأ وحماية السطح:
• بالنسبة للفولاذات غير المقاومة للصدأ، تُستخدم طرق مثل الجلفنة، والطلاء، أو الطلاءات المطلية؛ هذه خارج نطاق 301/304 ولكنها ذات صلة عندما تفرض التكلفة الاستبدال.
• يؤثر التشطيب السطحي، والعمل البارد، والإجهادات المتبقية على أداء التآكل. يمكن أن يتسبب العمل البارد الثقيل في 301 في تغييرات محلية في السلوك الكهروكيميائي؛ قد تُستخدم المعالجة السطحية أو التلدين بعد التشكيل لاستعادة مقاومة التآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل:
• غالبًا ما يتم تحديد 301 للتطبيقات التي تتطلب تحكمًا عاليًا في الارتداد وزيادة القوة بعد التشكيل لأنه يتصلب بقوة؛ ومع ذلك، يمكن أن يتسبب التشكيل الثقيل في تقليل اللدونة وزيادة خطر التشقق إذا تم العمل بشكل مفرط.
• يقدم 304 قابلية تشكيل ممتازة في الحالة المعالجة حراريًا، مع خصائص ممتازة في التمدد، والسحب العميق، والانحناء.
• قابلية التشغيل:
• كلاهما له قابلية تشغيل ضعيفة نسبيًا مقارنة بالفولاذات الكربونية؛ قد يكون 301 أكثر صعوبة في التشغيل في الحالة المعالجة على البارد بسبب زيادة الصلابة.
• اختيار الأدوات، وسرعات القطع، واستراتيجيات التبريد أمر مهم.
• التشطيب السطحي والتشطيب:
• يمكن أن يتسبب العمل البارد في 301 في تشوه السطح أو علامات الإجهاد؛ تعتبر معالجة التلميع والتخميل شائعة لاستعادة المظهر ومقاومة التآكل.
• يكون 304 عمومًا أسهل في التشطيب إلى سطح تجميلي في الحالة المعالجة حراريًا.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر 301 عندما تكون القوة العالية بعد التشكيل البارد وحساسية التكلفة (نيكل أقل) أولوية، وعندما يتحمل التطبيق مقاومة تآكل أقل قليلاً أو عندما سيتم معالجة الأجزاء بعد التشكيل. - اختر 304 عندما تكون مقاومة التآكل المتسقة، وقابلية التشكيل، والتطبيق الواسع في الخدمة الصحية أو المعمارية هي المتطلبات الأساسية.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة:
• عادةً ما تكون تكلفة سبيكة 301 أقل من 304 بسبب محتوى النيكل الأقل؛ مما يجعلها جذابة حيث تكون حساسية سعر النيكل وزيادة القوة من خلال التشكيل أولوية.
• 304 أكثر تكلفة من 301 على أساس محتوى السبيكة ولكنها تظل واحدة من أكثر درجات الفولاذ المقاوم للصدأ المخزنة شيوعًا في جميع أنحاء العالم.
• التوافر:
• كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في منتجات الصفائح، واللفائف، والشرائط، والقضبان، والأنابيب الملحومة. عادةً ما يكون لدى 304 تغطية أوسع من حيث أشكال المنتجات وعمق مخزون أكبر بسبب وضعها كمنتج عام.
• قد تحتوي المتغيرات الخاصة أو المنتجات ذات التحمل الضيق على أوقات تسليم؛ حدد شهادات المصنع وشكل المنتج مبكرًا في عملية الشراء.

10. الملخص والتوصية

الخلاصة: - اختر 301 إذا كنت بحاجة إلى قوة أعلى من التشكيل البارد (مثل النوابض، والأجزاء المصنوعة عالية القوة)، وترغب في تقليل تكلفة المواد باستخدام محتوى نيكل أقل، ويمكنك إدارة أي معالجة ضرورية بعد التشكيل للحفاظ على أداء مقاومة التآكل. - اختر 304 إذا كانت مقاومة التآكل، واللدونة المتسقة، وقابلية اللحام الواسعة، والتطبيق العام هي المتطلبات الأساسية - خاصةً للطعام، والأدوية، والمعمارية، والعديد من التطبيقات الكيميائية.

إذا كانت متطلبات المشروع تشمل التعرض الشديد للكلور، أو خدمة درجات حرارة مرتفعة، أو مقاومة صارمة للتآكل، فكر في درجات سبيكة أعلى (مثل 316، الفولاذ المقاوم للصدأ الدوبلكس) بدلاً من الاختيار بين 301 و 304.