304 مقابل 2205 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً التوازن بين مقاومة التآكل والأداء الميكانيكي والتكلفة عند اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ لمعدات العمليات والأنابيب والمكونات الهيكلية. يتم استخدام الدرجة 304 على نطاق واسع حيث تكون القابلية للتشكيل وقابلية اللحام ومقاومة التآكل المعتدلة هي المتطلبات الأساسية؛ يتم اختيار الدرجة 2205 (فولاذ مقاوم للصدأ مزدوج) عندما تكون القوة العالية ومقاومة التآكل المحلية المحسنة مطلوبة.
التمييز المعدني الأساسي هو أن إحدى الدرجات هي سبيكة أوستنيتية بالكامل بينما الأخرى هي سبيكة ثنائية الطور (فريت + أوستنيت). هذا الاختلاف يؤدي إلى تفاوتات في القوة والصلابة وسلوك اللحام والقدرة على تشكيل الطور بين المعادن، ولهذا السبب يتم مقارنة هاتين الدرجتين بشكل متكرر في قرارات التصميم والتصنيع.
1. المعايير والتسميات
- 304
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (304، 304L المتغيرات)
- EN: EN 1.4301 (304)، EN 1.4306 (304L)
- JIS: SUS304
- GB: 0Cr18Ni9 (تسمية تقريبية)
- التصنيف: مقاوم للصدأ — أوستنيتي
- 2205
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32205 / S31803 تاريخياً)
- EN: EN 1.4462
- أخرى: UNS S32205، أحيانًا تُسمى Duplex 2205
- التصنيف: مقاوم للصدأ — مزدوج (فريت + أوستنيت)
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
نطاقات التركيب النموذجية (قيم تمثيلية للدرجات التجارية القياسية). الحدود الدقيقة تعتمد على المعيار المحدد وشكل المنتج.
| عنصر | 304 (نموذجي) | 2205 (نموذجي) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 0.8 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.02 wt% |
| Cr | 17.0–19.0 wt% | 21.0–23.0 wt% |
| Ni | 8.0–10.5 wt% | 3.0–5.5 wt% |
| Mo | ~0 wt% | 2.5–3.5 wt% |
| V | trace / not specified | trace / not specified |
| Nb | — | typically very low / none |
| Ti | — | typically very low / none |
| B | — | trace if any |
| N | ~0.03–0.10 wt% | 0.14–0.20 wt% (significant) |
استراتيجية السبائك وتأثيراتها: - 304: النيكل هو المثبت الرئيسي للأوستنيت؛ الكروم يوفر السلبية لمقاومة التآكل. الحد الأدنى من الكربون يقلل من ترسيب الكربيد ويحسن قابلية اللحام (النوع 304L يقلل الكربون أكثر). - 2205: زيادة الكروم والموليبدينوم والنيتروجين تزيد من مقاومة التآكل الناتج عن التآكل والتآكل في الشقوق وتعزز القوة العالية. انخفاض النيكل يقلل التكلفة ويثبت توازن الطور المزدوج (فريت + أوستنيت). الموليبدينوم والنيتروجين هما المفتاح لمقاومة التآكل المحلية وزيادة قوة العائد.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- 304 (أوستنيتي):
- البنية المجهرية: أوستنيتية بالكامل (FCC) في حالة المعالجة الحرارية بالحل.
- المعالجة الحرارية: معالجة حرارية بالحل (~1010–1100°C) تليها تبريد سريع تحافظ على الأوستنيت أحادي الطور؛ لا يوجد تقوية عن طريق التبريد/التخمير. يمكن أن يحدث ترسيب الكربيد (الحساسية) في نطاق 450–850°C إذا تم الاحتفاظ به، مما يؤدي إلى تآكل بين الحبيبات؛ الدرجات منخفضة الكربون (304L) أو الدرجات المستقرة (304H، 321/347) تعالج هذا.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية: العمل البارد يزيد من القوة عن طريق تصلب الإجهاد ويقلل من اللدونة؛ يحدث إعادة بلورة أثناء التلدين.
- 2205 (مزدوج):
- البنية المجهرية: مزيج من الفريت (α، BCC) والأوستنيت (γ، FCC) حوالي 40–60% فريت في ظروف متوازنة. يوفر الفريت القوة ومقاومة لتصدع التآكل الناتج عن الإجهاد؛ يوفر الأوستنيت الصلابة واللدونة.
- المعالجة الحرارية: معالجة حرارية بالحل (~1020–1100°C) تليها تبريد سريع تستعيد توازن الطور وتذيب المعادن البينية الضارة. التعرض المطول في نطاق 600–1000°C يعزز طور سيغما والمعادن البينية الأخرى التي تجعل المادة هشة وتقلل من مقاومة التآكل؛ لذلك، فإن الدورات الحرارية المنضبطة والتبريد السريع أمران حاسمان.
- طرق المعالجة الحرارية الميكانيكية: العمل الساخن والتبريد المنضبط يؤثران على توازن الطور؛ العمل البارد المفرط يزيد من الإجهاد وقد يتطلب التلدين لاستعادة الصلابة.
التطبيع، التبريد والتخمير: هذه مصطلحات قياسية للفولاذ الكربوني والسبائكي. بالنسبة لـ 304 و2205، فإن "التبريد والتخمير" غير قابل للتطبيق كطرق تقوية؛ المعالجة الحرارية بالحل والتبريد المنضبط هي العمليات الحرارية ذات الصلة.
4. الخصائص الميكانيكية
الخصائص الميكانيكية النموذجية في الظروف المعالجة حرارياً/المعالجة بالحل. القيم تختلف حسب شكل المنتج (ورقة، لوح، أنبوب) والمعيار.
| الخاصية | 304 (معالجة حرارية) | 2205 (معالجة حرارية بالحل) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~490–750 | ~630–900 |
| قوة العائد 0.2% (ميغاباسكال) | ~200–300 | ~450–550 |
| التمدد (% في 50 مم) | ~40–60 | ~20–35 |
| صلابة التأثير (شاربي، J) | عالية، تحتفظ بالصلابة عند درجات حرارة منخفضة | جيدة، ولكن أقل من 304 في بعض الاتجاهات؛ ممتازة عند درجة حرارة الغرفة |
| الصلابة (HRB/HRc تقريباً) | ~70–100 HRB | عادةً أعلى، ~100–150 HRB |
التفسير: - 2205 لديه قوة عائد أعلى بكثير وغالبًا قوة شد أعلى من 304 بسبب الطور الفريتي وسبائك النيتروجين/الموليبدينوم. - 304 يقدم لدونة أعلى وعادةً صلابة أفضل في الأقسام الثقيلة المعالجة بالبرد؛ 2205 يحتفظ بصلابة جيدة لقوته ولكنه لديه تمدد أقل. - يجب أن تأخذ الاختيار في الاعتبار متطلبات القوة مقابل احتياجات القابلية للتشكيل والصلابة.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني وتوازن الطور والقدرة على التصدع أو تشكيل المعادن البينية.
مؤشرات قابلية اللحام الشائعة: - CE IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - 304: قابلية لحام ممتازة في معظم الظروف؛ الكربون المنخفض (خصوصًا 304L) يقلل من خطر الحساسية. الهيكل الأوستنيتي يقاوم التصدع البارد؛ لا يتطلب عادةً تسخينًا مسبقًا، ونادرًا ما تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام ضرورية. - 2205: قابل للحام ولكن أكثر تطلبًا. يتطلب التحكم في إدخال الحرارة ودرجات حرارة التداخل للحفاظ على نسبة متوازنة من الفريت والأوستنيت في منطقة اللحام. يمكن أن يؤدي إدخال حرارة مفرط أو تبريد بطيء إلى إنتاج معادن بينية (سيغما) أو لحامات فريتية مفرطة تكون هشة أو ذات مقاومة تآكل ضعيفة. استخدام معدن تعبئة مزدوج مطابق وإجراءات مناسبة يعطي نتائج جيدة؛ تُستخدم أحيانًا المعالجة الحرارية بالحل بعد اللحام للتطبيقات الحرجة، على الرغم من أنها ليست دائمًا عملية للتجمعات الكبيرة.
ملاحظات عملية: - بالنسبة لـ 2205، يساعد مطابقة التعبئة والتحكم الدقيق في الحرارة على تحقيق توازن الطور المطلوب (عادةً 40–60% فريت). تجنب إدخال حرارة عالية وأوقات احتفاظ طويلة في نافذة تشكيل طور السيغما. - بالنسبة لـ 304، فإن اختيار التعبئة بسيط (مثل ER308/ER308L)؛ احترس من الحساسية إذا كان من المتوقع خدمة في درجات حرارة عالية.
6. التآكل وحماية السطح
- سلوك مقاوم للصدأ:
- استخدم رقم مقاومة التآكل الناتج عن التآكل (PREN) لمقارنة المقاومة للتآكل الناتج عن التآكل في بيئات الكلوريد: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- مثال تقريبي (تركيبات متوسطة): 304 (Cr ≈ 18، Mo ≈ 0، N صغير) يعطي PREN ≈ 18؛ 2205 (Cr ≈ 22، Mo ≈ 3.0، N ≈ 0.17) يعطي PREN ≈ 34–35. هذا يوضح لماذا يعتبر Duplex 2205 أكثر مقاومة بشكل ملحوظ للتآكل الناتج عن التآكل والشقوق في بيئات تحتوي على الكلوريد.
- الفولاذ غير المقاوم للصدأ: بالنسبة للفولاذ الكربوني أو الفولاذ منخفض السبائك (ليس الحال هنا)، فإن الجلفنة والطلاء والحماية الكاثودية هي أمور شائعة؛ بالنسبة لـ 304/2205، عادةً لا تكون حماية السطح مطلوبة عندما يتطابق اختيار الدرجة مع البيئة.
- القيود:
- 304 عرضة للهجوم المحلي (التآكل، الشقوق) في البيئات الغنية بالكلوريد ولتصدع التآكل الناتج عن الإجهاد في درجات حرارة معينة وكيمياء الكلوريد.
- 2205 يقاوم تصدع التآكل الناتج عن الإجهاد الناتج عن الكلوريد بشكل أفضل بكثير بسبب محتوى الفريت الأعلى وPREN الأعلى، ولكنه حساس للهشاشة الناتجة عن الطور البيني إذا تمت معالجته بشكل غير صحيح.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، والقابلية للتشكيل
- قابلية التشغيل:
- 304: قابلية تشغيل عادلة؛ الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يتصلب ويتطلب إعدادات صارمة، أدوات حادة، وسرعات قطع كافية. تساعد الإدخالات والتغذية المنضبطة.
- 2205: أكثر صعوبة في التشغيل من 304 بسبب القوة الأعلى وتصلب العمل؛ توقع قوى قطع أعلى وارتداء أسرع للأدوات. أدوات الكربيد واستراتيجيات تقليل عمق القطع شائعة.
- القابلية للتشكيل:
- 304: قابلية تشكيل باردة ممتازة وقدرة على السحب العميق؛ تدعم اللدونة العالية عمليات التشكيل المعقدة.
- 2205: قابلية تشكيل باردة محدودة مقارنة بـ 304؛ قد يتطلب التشكيل مستويات إجهاد أقل أو تلدينًا وسيطًا. يجب أن تكون أنصاف أقطار الانحناء أكبر وارتداد الربيع أعلى.
- تشطيب السطح:
- يمكن تلميع كلا الدرجتين وتخميلهما؛ يتطلب 2205 عناية لتجنب تلون الحرارة وترسيبات المعادن البينية أثناء اللحام؛ استعادة الأكسيدات السطحية تتم عن طريق النقع والتخميل.
8. التطبيقات النموذجية
| 304 — الاستخدامات النموذجية | 2205 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| معدات معالجة الطعام، أدوات المطبخ، مكونات HVAC، زينة معمارية داخلية، أنابيب عمليات كيميائية مع خدمة خفيفة | مبادلات حرارية كيميائية وبترولية، أنابيب مياه البحر، معدات النفط والغاز في السطح، تحلية، فلنجات وتركيبات معرضة للكلوريدات |
| زينة السيارات، مسامير، خزانات غذائية | الهياكل البحرية، المكونات تحت الأرض، البيئات الغنية بالكلوريد، أوعية الضغط التي تتطلب قوة أعلى |
| أنابيب للأغراض العامة، معدات صحية | خزانات كريوجينية وتطبيقات هيكلية حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن أعلى |
مبررات الاختيار: - اختر 304 عندما تكون القابلية للتشكيل وسهولة اللحام ومقاومة التآكل في البيئات غير العدوانية هي الأولويات وعندما تكون الحساسية للتكلفة كبيرة. - اختر 2205 عندما تكون القوة ومقاومة التآكل الناتج عن التآكل والشقوق في وسائل الكلوريد، وانخفاض الحساسية لتصدع التآكل الناتج عن الإجهاد مطلوبة، وعندما تكون تكاليف المواد الأعلى مبررة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة:
- 304 عمومًا أقل تكلفة بسبب محتوى النيكل الأعلى من بعض الدرجات الفريتية ولكن أقل من الموليبدينوم والنيتروجين من المزدوج؛ يتم إنتاجه بكميات كبيرة جدًا، مما يحافظ على الأسعار تنافسية.
- 2205 أغلى لكل كجم من 304 بسبب محتوى الموليبدينوم والنيتروجين المنضبط ومتطلبات المعالجة الأكثر تعقيدًا.
- التوافر:
- 304 متوفر في أشكال ورقة، لوح، قضيب، أنبوب، ومسامير ومخزون في جميع أنحاء العالم.
- 2205 متوفر على نطاق واسع ولكنه أقل انتشارًا؛ شائع في الأنابيب والتركيبات والألواح والقضبان للأسواق الصناعية. قد تحدث أوقات تسليم طويلة ومصادر مطحنة محدودة للأشكال الكبيرة أو الغريبة.
10. الملخص والتوصية
| الخاصية | 304 | 2205 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة، متسامحة | جيدة مع التحكم؛ تحتاج إلى تعبئة مطابقة والتحكم في الحرارة |
| القوة – الصلابة | قوة معتدلة، لدونة عالية | قوة عالية، صلابة جيدة بالنسبة للقوة |
| التكلفة | أقل (أكثر اقتصادية) | أعلى (سبائك متميزة، معالجة) |
إرشادات ختامية: - اختر 304 إذا كنت بحاجة إلى قابلية تشكيل ممتازة وقابلية لحام، وتكلفة أقل، وخدمة في بيئات متآكلة قليلاً (طعام، معمارية، خطوط عمليات عامة). - اختر 2205 إذا كان التصميم يتطلب قوة عائد وقوة شد أعلى، ومقاومة متفوقة للتآكل الناتج عن التآكل والشقوق الناتجة عن الكلوريد، أو توفير الوزن/المساحة من خلال أقسام أرق — ويمكنك قبول تكاليف المواد والتصنيع الأعلى.
إذا كانت بيئة التآكل أو القوة أو حساسية SCC هي دافع تصميم حاسم، قم بإجراء دراسة مركزة لاختيار المواد (بما في ذلك حسابات PREN، تأهيل إجراءات اللحام، واختبارات التآكل) لتأكيد أفضل اختيار للخدمة المحددة.