304 مقابل 204Cu – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع مفاضلة عند الاختيار بين الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المعروف مثل 304 والبدائل ذات النيكل المنخفض مثل 204Cu. تشمل سياقات القرار النموذجية موازنة مقاومة التآكل مقابل تكلفة المواد، واختيار أفضل قابلية للحام والتشكيل للتصنيع، واختيار مستوى القوة المناسب للهياكل الحاملة للأحمال أو الهياكل الرقيقة.

التمييز الأساسي بين هذين الدرجتين هو استراتيجية السبائك: يعتمد 304 على محتوى نيكل أعلى لاستقرار الأوستنيت وتقديم مقاومة واسعة للتآكل وقابلية للتشكيل، بينما يقلل 204Cu من محتوى النيكل ويستخدم سبائك بديلة - لا سيما المنغنيز العالي والنحاس المضاف - للحفاظ على الأوستنيت وزيادة القوة. هذه الاختلافات تؤدي إلى سلوك متباين في أداء التآكل والخصائص الميكانيكية وقابلية اللحام والتكلفة.

1. المعايير والتسميات

• 304: تشمل التسميات الشائعة UNS S30400 / S30403 (304L)، EN 1.4301 (304)، ASTM A240 / A276 / A312 (تختلف حسب شكل المنتج)، JIS SUS304.
• الفئة: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (لأغراض عامة).
• 204Cu: تشمل التسميات الشائعة UNS S20430 (تُدرج أحيانًا كـ AISI 204Cu في أدبيات الموردين)؛ قد لا تكون التسميات المعادلة EN/JIS موحدة عبر جميع الموردين.
• الفئة: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، منخفض النيكل، يحتوي على النحاس (مصمم كبديل منخفض التكلفة لسلسلة 300).

ملاحظة: تعتمد أرقام المعايير الدقيقة وأشكال المنتجات المتاحة (ورقة، ملف، قضيب، أنبوب) على المنطقة والمورد؛ تحقق من المعيار القابل للتطبيق للمشتريات الحرجة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تظهر نطاقات التركيب النموذجية أدناه. تعتمد الحدود الدقيقة على المعيار أو المورد؛ الجدول يعطي نطاقات نموذجية تمثيلية مستخدمة في الممارسة التجارية.

العنصر	304 (نطاق نموذجي، wt%)	204Cu (نطاق نموذجي، wt%)
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	~5.5 – 7.5
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	18.0 – 20.0	18.5 – 20.0
Ni	8.0 – 10.5	~3.5 – 5.0
Mo	≤ 0.25 (trace)	≤ 0.25 (عادة لا يوجد)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
Cu	≤ 0.50 (trace)	~1.0 – 2.0
N	≤ 0.10	حتى ~0.20 (تختلف حسب المنتج)

كيف تؤثر السبائك على الأداء: - النيكل هو المثبت الكلاسيكي للأوستنيت ويمنح 304 مرونته الممتازة، وصلابته، ومقاومته للتآكل في العديد من البيئات. - في 204Cu يتم تعويض تقليل النيكل بواسطة المنغنيز العالي والنيتروجين المتحكم فيه؛ يتم إضافة النحاس للمساعدة في استقرار الأوستنيت وزيادة القوة من خلال تأثيرات الحل الصلب/العمل البارد ولتخفيف بعض أنماط التشقق. - يوفر محتوى الكروم في كلا الدرجتين سلبية أساسية ومقاومة للتآكل؛ غياب الموليبدينوم يحد من الملاءمة في البيئات الغنية بالكلور أو الشقوق مقارنة بالدرجات التي تحتوي على الموليبدينوم. - تؤثر مستويات المنغنيز والنيتروجين الأعلى على تصلب العمل والقوة الميكانيكية؛ يعدل النحاس السلوك الميكانيكي ويمكن أن يحسن المقاومة لبعض أنماط تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد ولكن لا يحل محل الأداء الواسع لمقاومة التآكل للسبائك ذات النيكل الأعلى في الظروف العدوانية.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

• 304: الميكروهيكل النموذجي هو أوستنيتي بالكامل (مرحلة γ) بعد معالجة التلدين القياسية (حوالي 1000–1100 °م، تبريد سريع). لا يمكن تقويته بواسطة طرق التبريد الحراري/التسخين (لا يوجد تحول مارتنسيت عند التبريد)، ولكن يتم تحقيق تقوية كبيرة من خلال العمل البارد الذي يزيد من كثافة العيوب ويزيد من قوة الخضوع/الشد.
• 204Cu: مصمم أيضًا ليكون أوستنيتي في حالة التلدين. يساعد المنغنيز العالي والنحاس بالإضافة إلى إضافات النيتروجين المحتملة في استقرار الأوستنيت دون الحاجة إلى النيكل العالي. الميكروهيكل تحت المعالجة القياسية هو أوستنيتي ولكن مع ميل أعلى لتصلب العمل. يبقى النحاس في الحل الصلب ويمكن أن يعدل قليلاً من طاقة العيب وتفاعلات العيوب.
• طرق المعالجة الحرارية:
• تلدين وحمض: يستعيد المرونة ومقاومة التآكل لكلا الدرجتين؛ ضروري بعد العمل البارد أو اللحام لتخفيف تصلب العمل وحل منتجات التحسس (التحسس هو في الأساس مشكلة مع الكربون والتعرض الحراري).
• المعالجة الحرارية الميكانيكية: ستزيد الدرفلة الباردة أو دورات التلدين المتحكم فيها من القوة عبر تصلب الإجهاد؛ عادةً ما تحقق 204Cu زيادات أعلى في القوة من العمل البارد مقارنةً بـ 304 بسبب توازن السبائك.
• لا يتم تقوية أي من الدرجتين بواسطة طرق الفولاذ التقليدية للتبريد والتسخين لأن كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ الأوستنيتي؛ لا ينطبق تصلب الترسيب.

4. الخصائص الميكانيكية

تختلف القيم حسب شكل المنتج (مدرفل على البارد مقابل تلدين، ورقة مقابل قضيب) والشركة المصنعة. فيما يلي نطاقات نموذجية مؤشِّرة للتلدين للصفائح/الملفات التجارية؛ تحقق من أوراق بيانات الموردين لمتطلبات الشراء الدقيقة.

الخاصية (تلدين، مؤشِّر)	304	204Cu
قوة الشد (ميغاباسكال)	~500 – 700	~550 – 750
قوة الخضوع (0.2% انحراف، ميغاباسكال)	~200 – 300	~250 – 350
التمدد (% في 50 مم)	~40 – 60	~30 – 50
صلابة التأثير (شاربي V، درجة حرارة الغرفة)	عالية، عادةً صلابة جيدة	بشكل عام جيدة؛ قد تكون أقل قليلاً عند المقارنة بنفس السماكة بسبب القوة الأعلى
الصلابة (HRB / HB)	~70 – 100 HRB (≈150 – 220 HB)	أعلى قليلاً في المتوسط بسبب السبائك/تصلب العمل

التفسير: - عادةً ما تكون 204Cu أقوى قليلاً في كل من قوة الخضوع وقوة الشد في حالة التلدين وخاصة بعد العمل البارد، بسبب كيمياء المنغنيز/النيتروجين/النحاس ومعدل تصلب العمل الأعلى. - عادةً ما تظهر 304 مرونة أعلى وصلابة أفضل قليلاً للسماكة والتاريخ المعالجين المتكافئين، مما يجعلها مفضلة حيث يتطلب الأمر تشكيلًا عميقًا أو تشكيلًا شديدًا. - تحتفظ كلا الدرجتين بصلابة جيدة في درجات الحرارة المحيطة؛ تعتمد صلابة درجات الحرارة المنخفضة والقيم التأثيرية المحددة على محتوى النيتروجين والمعالجة.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على التركيب (الكربون، المنغنيز، النيكل، النحاس، النيتروجين)، الدورات الحرارية، وتصميم الوصلات.

المؤشرات المهمة: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - المعادل الكرومي (Pcm) لمدى قابلية التشقق البارد: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 304: عادةً ما تعطي مستويات المنغنيز المنخفض والنيكل العالي قابلية لحام ممتازة، وانخفاض ميل التشقق الساخن، ومقاومة جيدة للتآكل بين الحبيبات إذا تم استخدام درجات الكربون المنخفضة (304L) أو ممارسات التلدين بعد اللحام المناسبة. - 204Cu: يزيد المنغنيز والنحاس العاليان من القيم في تعبيرات CE/Pcm ويمكن أن يرفعوا من قابلية التصلب ومخاطر التشقق في ظروف معينة؛ ومع ذلك، يتم إنتاج 204Cu عادةً وتصنيفه ليكون قابلًا للحام باستخدام الإجراءات القياسية (TIG، MIG، لحام المقاومة) عند استخدام المعادن الملائمة وتصميمات الوصلات المناسبة. عادةً ما لا تتطلب درجات الحرارة المسبقة ودرجات الحرارة بين الطبقات للقطع الرقيقة، ولكن يجب اختيار المواد الاستهلاكية وعلاج ما بعد اللحام بعناية. - ملاحظة عملية: نظرًا لأن 204Cu يحتوي على نيكل أقل، فإن اختيار المواد الملائمة والتحكم في التخفيف مهم للحفاظ على أداء التآكل والميكروهيكل الأوستنيتي في اللحام. حيث تكون الخدمة غنية بالكلور، قد يكون من المناسب استخدام معدن لحام من نوع 316 أو سبائك أعلى.

6. التآكل وحماية السطح

• 304: مقاومة جيدة للتآكل العام في البيئات الجوية، والكيماوية الخفيفة، وبيئات الطعام. عرضة للتآكل الناتج عن الكلور والتآكل في الشقوق في الوسائط الغنية بالكلور العدوانية؛ لا يُوصى به لمياه البحر أو البيئات الغنية بالكلور الحمضي دون تدابير وقائية.
• 204Cu: مصمم لتوفير مقاومة للتآكل مقارنة بـ 304 في العديد من البيئات الخفيفة إلى المعتدلة. نظرًا لأن النيكل قد تم تقليله، قد تكون مقاومة التآكل الناتجة عن الكلور والشقوق مشابهة ولكن تعتمد على مستويات الكروم/النيتروجين الدقيقة ووجود الموليبدينوم (عادةً غائب). يمكن أن يمنح النحاس تحسينات متواضعة في المقاومة ضد بعض تركيزات حمض الكبريتيك وقد يؤثر على المقاومة لتشقق التآكل الناتج عن الإجهاد في بعض الظروف، ولكنه لا يحل محل فوائد الدرجات ذات النيكل الأعلى في التطبيقات الشديدة الغنية بالكلور أو ذات درجات الحرارة العالية.

استخدام المؤشرات: - رقم مقاومة التآكل الناتج عن الكلور (PREN) مفيد عندما تختلف مستويات الموليبدينوم والنيتروجين: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - بالنسبة لكل من 304 و204Cu (Mo ≈ 0)، يتم دفع PREN بواسطة الكروم والنيتروجين؛ كلاهما عادةً ما يكون له قيم PREN متوسطة ولا يعتبر سبائك ذات مقاومة عالية للتآكل الناتج عن الكلور.

حماية السطح للإنهاءات غير المقاومة للصدأ: - إذا تم النظر في خيارات غير مقاومة للصدأ أو منخفضة السبائك، فإن التغطية بالزنك، والطلاء، أو الطلاءات البوليمرية هي المعايير. كلا من 304 و204Cu هما أنواع مقاومة للصدأ؛ إذا كانت هناك حاجة لحماية إضافية (مثل في الأجواء البحرية)، يُوصى باستخدام الطلاءات أو استخدام درجات أكثر مقاومة للتآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• التشكيل: 304 عمومًا متفوق في التشكيل العميق والتشكيل الشديد بسبب مرونته الأعلى ومعدل تصلب العمل المنخفض في العديد من ظروف التصلب. بينما يمكن تشكيل 204Cu، فإنه يظهر تصلب عمل أعلى، لذا قد تكون هناك حاجة إلى مزيد من القوة التشكيلية والتلدين الوسيط للأشكال الضيقة أو المعقدة.
• قابلية التشغيل: تعمل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي على تصلب العمل بسرعة؛ قد تقلل قوة 204Cu الأعلى وميل تصلب العمل من قابلية التشغيل مقارنة بـ 304. تعتبر الأدوات المناسبة، والإعدادات الصلبة، والتحكم في الرقائق ضرورية لكلاهما؛ قد تتطلب 204Cu معلمات قطع أكثر عدوانية أو أدوات كربيد لتحقيق تشغيل فعال.
• إنهاء السطح: كلاهما يأخذ التشطيبات القياسية (تلميع، فرشاة). يمكن أن يؤثر وجود النحاس في 204Cu قليلاً على اللون/المظهر وقد يؤثر على دورات النقش/التخليل؛ اتبع إرشادات الموردين للمعالجات الكيميائية.
• توصية التشكيل/التصنيع: للأجزاء ذات الحجم الكبير من الطباعة أو التشكيل العميق، يُفضل استخدام 304 ما لم تبرر مفاضلات التكلفة/القوة أو بيئة التآكل استخدام 204Cu. بالنسبة للتشكيل الهيكلي الثقيل حيث تكون القوة أولوية، يمكن أن تكون قوة 204Cu الأعلى مفيدة.

8. التطبيقات النموذجية

304 (الاستخدامات النموذجية)	204Cu (الاستخدامات النموذجية)
معدات معالجة الطعام، الأجهزة المنزلية، الأحواض، الأجهزة الطبية، الزخارف المعمارية	لوحات الأجهزة، مكونات HVAC، الزخارف الزخرفية، السلع الاستهلاكية حيث تكون التكلفة المنخفضة ومقاومة التآكل المعقولة كافية
مبادلات حرارية، معدات العمليات الكيميائية في البيئات الخفيفة	مبادلات حرارية وأنابيب في البيئات غير العدوانية، الأثاث والتجهيزات
المثبتات، الخزانات، والأنابيب في الخدمة غير الغنية بالكلور	التطبيقات التي يكون فيها تقليل محتوى النيكل مرغوبًا لأسباب تتعلق بالتكلفة أو الإمداد، مكونات هيكلية خفيفة

مبررات الاختيار: - اختر 304 حيث تكون مقاومة التآكل المثبتة، وقابلية التشكيل، وتاريخ التطبيق الواسع مطلوبة - خاصة حيث يحدث الاتصال مع الطعام، أو مواد التنظيف، أو التعرض المعتدل للكلور. - اختر 204Cu حيث يقلل محتوى النيكل المنخفض من التكلفة وحيث لا تكون البيئة غنية بالكلور العدواني، وحيث تكون القوة المعتدلة الأعلى والمظهر السطحي الجيد مطلوبين.

9. التكلفة والتوافر

• 304 هو واحد من أكثر الدرجات المقاومة للصدأ إنتاجًا وتخزينًا في جميع أنحاء العالم؛ التوافر في شكل ورقة، وملف، وطبق، وقضيب، وأنبوب ممتاز. ترتبط التكلفة ارتباطًا وثيقًا بأسعار سوق النيكل؛ عندما يكون النيكل مرتفعًا، يكون 304 بالتالي أكثر تكلفة.
• 204Cu هو بديل منخفض النيكل وعادةً ما يكون سعره أقل من 304 عندما تكون علاوات النيكل كبيرة. يتزايد التوافر ولكن قد يكون أكثر محدودية في بعض الأشكال أو الأحجام؛ يمكن أن تختلف أوقات التسليم وكميات الطلبات الدنيا حسب المورد والمنطقة.
• للمشتريات ذات الحجم الكبير، قم بتقييم الاتجاهات طويلة الأجل في سوق النيكل ومخزونات الموردين المحليين؛ قد تفضل الأشكال الصغيرة أو الخاصة 304 بسبب دعم الموردين الأوسع.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

المقياس	304	204Cu
قابلية اللحام	ممتازة (موصوفة جيدًا)	جيدة مع المواد الاستهلاكية والتحكم المناسب
توازن القوة–الصلابة	قوة معتدلة، مرونة عالية وصلابة	قوة أعلى، صلابة جيدة؛ أقل مرونة في نفس الحالة
التكلفة	أعلى (حساسة لسعر النيكل)	أقل (نيكل مخفض؛ النحاس يعوض)

اختتم بإرشادات الاختيار: - اختر 304 إذا كنت بحاجة إلى مقاومة تآكل مثبتة وواسعة (خاصة في البيئات الغذائية، الطبية، أو المعرضة للكلور)، وأقصى قابلية للتشكيل للتشكيل العميق، وأوسع توافر في السوق لأشكال المنتجات ومواد اللحام الاستهلاكية. - اختر 204Cu إذا كانت المشتريات حساسة للتكلفة أو كانت توافر النيكل قضية، وكانت بيئة الخدمة خفيفة إلى معتدلة (ظروف غير عدوانية غنية بالكلور). تقدم 204Cu قوة أعلى عند التصنيع ويمكن أن تكون بديلاً جيدًا للصفائح، واللوحات، والأجزاء الهيكلية الخفيفة حيث تكون متطلبات القابلية للتشكيل معتدلة وبيئة التآكل ليست شديدة.

ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين لهما أدوار مشروعة في التصنيع الحديث. للخدمات الحساسة للسلامة، المعرضة للكلور، أو شديدة التآكل، ضع في اعتبارك الدرجات المقاومة للصدأ ذات السبائك الأعلى أو التي تحتوي على الموليبدينوم (مثل 316 أو السوبر أوستنيتيك). تأكد دائمًا من الحدود الكيميائية والميكانيكية الدقيقة مع أوراق بيانات الموردين وقم بإجراء تأهيل محدد للتطبيق (تجارب اللحام، اختبارات التآكل، تجارب التشكيل) قبل الاختيار النهائي للمادة.