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

المقدمة

يواجه المهندسون والمحترفون في الشراء بشكل روتيني معضلة شائعة في اختيار المواد: هل يجب إعطاء الأولوية لمقاومة التآكل وقابلية اللحام بتكلفة اقتصادية، أم الاستثمار في سبيكة عالية القوة تقاوم التآكل المحلي في بيئات الكلور العدوانية. غالبًا ما تظهر النوع 304 (الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستخدم على نطاق واسع) و2205 (الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج، ذو الطور المختلط) كبدائل لمعدات العمليات، والأنابيب، والمبادلات الحرارية، والمكونات الهيكلية حيث الأداء المقاوم للصدأ مطلوب.

التمييز المعدني الأساسي بين هذه الدرجات هو تركيبها الطوري: واحدة هي في الأساس فولاذ أوستنيتي مستقر بالنيكل ذو طور واحد؛ والأخرى هي سبيكة ذات طورين مع توازن متعمد بين الفريت والأوستنيت. هذا الاختلاف يؤدي إلى تباينات في القوة، ومقاومة التآكل في الكلوريدات، والسلوك الحراري، وخصائص التصنيع - لذا غالبًا ما يتم مقارنتها مباشرة أثناء التصميم، والشراء، وتخطيط التصنيع.

1. المعايير والتسميات

• النوع 304
• المعايير الشائعة: ASTM A240 / ASME SA-240 (لوح/ورقة)، ASTM A276 (قضبان)، ASTM A312 (أنابيب)، EN 1.4301 / X5CrNi18-10، JIS SUS304، GB 06Cr19Ni10.
• التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ - أوستنيتي (غير مغناطيسي في حالة التلدين المحلول).
• النوع 2205
• المعايير الشائعة: ASTM A240 (الدرجات المزدوجة تحت ASTM غالبًا ما تُدرج كمتغيرات UNS S32205 أو S31803)، ASTM A790 / A815 للأنابيب المزدوجة، EN 1.4462 / X2CrNiMoN22-5-3، JIS غالبًا ما تشير إلى المعادلات المزدوجة، GB للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج.
• التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ - مزدوج (فريت + أوستنيت مختلط).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوفر الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية للدرجات التجارية 304 و2205. القيم تمثل نطاقات مستخدمة في المعايير والممارسات الشائعة؛ يرجى استشارة شهادات المواد للحصول على قيم الدفعة الدقيقة.

العنصر	304 (نطاقات نموذجية، wt%)	2205 (نطاقات نموذجية، wt%)
C	≤ 0.08	≤ 0.03
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 0.75	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.03
S	≤ 0.03	≤ 0.02
Cr	18.0–20.0	21.0–23.0
Ni	8.0–10.5	4.5–6.5
Mo	— (أثر)	2.5–3.5
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0.10 (عادة ≤0.1)	0.12–0.20 (مضاف لتحقيق التوازن المزدوج)

ملخص استراتيجية السبائك: - يعتمد 304 على النيكل بشكل كبير لاستقرار الأوستنيت المكعب المركز للوجه وتقديم اللدونة، والصلابة، ومقاومة التآكل العامة الجيدة. - يجمع 2205 بين الكروم المرتفع، والموليبدينوم المضاف، والنيتروجين مع تقليل النيكل للحصول على بنية ميكروية مزدوجة من الفريت والأوستنيت تعزز القوة وتحسن المقاومة للتآكل الناتج عن النقاط والشقوق في الكلوريدات. كما يساهم النيتروجين في القوة ومقاومة النقاط.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهيكل: - 304: عادةً أوستنيت ذو طور واحد (FCC). في حالة التلدين المحلول، يكون أوستنيتي بالكامل وغير مغناطيسي (باستثناء المغناطيسية الطفيفة بعد العمل البارد). يمكن أن يحدث ترسيب الكربيد (مثل M23C6) عند حدود الحبيبات إذا تعرض لدرجات حرارة حساسة (حوالي 450–850 درجة مئوية)، مما يقلل من مقاومة التآكل بين الحبيبات ما لم يتم استقراره أو تلدينه محلولياً. - 2205: ميكروهيكل مزدوج مستهدف مع حوالي 40–60% فريت (مكعب مركزي للجسم) و40–60% أوستنيت. توفر الأطوار المتوازنة قوة أعلى ومقاومة محسنة للتآكل الناتج عن الإجهاد في العديد من بيئات الكلور مقارنة بالأوستنيتات.

استجابة المعالجة الحرارية: - 304: لا يمكن تقويته بواسطة المعالجة الحرارية التقليدية (لا يوجد تحول مارتنسيت عند التبريد). يمكن زيادة القوة من خلال العمل البارد (صلابة الإجهاد). لاستعادة مقاومة التآكل بعد اللحام أو التعرض لدرجات حرارة عالية، يستعيد التلدين المحلول (مثل 1010–1150 درجة مئوية يتبعه تبريد سريع) الميكروهيكل ويذيب الترسبات. - 2205: أيضًا لا يتم تقويته بواسطة التقوية التقليدية؛ يتم معالجته حراريًا بواسطة التلدين المحلول (عادةً حوالي 1020 درجة مئوية) يتبعه تبريد سريع للحفاظ على التوازن المزدوج. يؤدي التعرض الممتد بين ~300 درجة مئوية و1000 درجة مئوية إلى تعزيز الأطوار غير المرغوب فيها (سيغما، كاي) والنيتريدات التي تجعل المادة هشة وتقلل من مقاومة التآكل؛ لذلك، يجب التحكم في الدورات الحرارية. دورات التطبيع أو التبريد والتسخين المستخدمة للفولاذ الكربوني/السبائكي غير قابلة للتطبيق.

4. الخصائص الميكانيكية

يستعرض الجدول أدناه الخصائص الميكانيكية التمثيلية لحالات التلدين المحلول. القيم تقريبية وتختلف حسب شكل المنتج، والمعالجة، ومعيار الاختبار.

الخاصية	304 (مُعالج، نموذجي)	2205 (مزدوج مُعالج محلولياً، نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال)	~500–700	~600–900
قوة الخضوع (0.2% انزلاق، ميغاباسكال)	~200–300	~450–550
التمدد (نسبة مئوية)	~40–60%	~25–35%
صلابة تأثير شارب (درجة حرارة الغرفة)	عالية، صلابة جيدة في درجات الحرارة المنخفضة	جيدة، ولكن أقل من 304 من حيث نسبة التمدد
الصلابة (HB أو HRC تقريبية)	~120–200 HB	~200–300 HB

التفسير: - يظهر 2205 قوة خضوع وقوة شد أعلى بكثير من 304 بسبب بنيته المزدوجة ومحتوى النيتروجين؛ يمكن أن تكون قوة الخضوع النموذجية تقريبًا ضعف تلك الخاصة بـ 304. هذه القوة الأعلى تقلل من سمك القسم المطلوب في العديد من التطبيقات الهيكلية أو الضغط. - 304 أكثر ليونة وعادةً ما يظهر تمددًا أعلى وصلابة جيدة جدًا، خاصة في درجات الحرارة المنخفضة. يحتفظ 2205 بصلابة جيدة ولكن بليونة أقل وارتداد أكبر أثناء التشكيل.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على محتوى الكربون، والسبائك التي تعزز القابلية للتصلب، والقدرة على التأثر بالأطوار الضارة.

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (للتفسير النوعي): - معادل الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (لتقييمات الفولاذ المقاوم للصدأ الأكثر تعقيدًا): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 304: قابلية لحام ممتازة بواسطة عمليات الانصهار الشائعة (GMAW، GTAW، SMAW). يقلل محتوى الكربون المنخفض والنيكل العالي من ميل التشقق الساخن ويعزز معدن اللحام اللدن. نادرًا ما يتطلب التلدين المحلول بعد اللحام ما لم يكن الخدمة حساسة للكلور وقد يحدث تحسس. - 2205: قابل للحام، ولكن أكثر تطلبًا. يمكن أن يتأثر التوازن المزدوج بإدخال الحرارة؛ يجب التحكم في درجات حرارة التداخل، ومطابقة المعادن المالئة (مثل 2209 أو أسلاك لحام مزدوجة مصممة خصيصًا)، وأحيانًا يتطلب التلدين المحلول بعد اللحام لاستعادة التوازن الطوري المرغوب وتقليل تكوين طور السيغما. 2205 أقل تحملًا لنطاقات التخفيف الواسعة والتبريد البطيء الذي يعزز الأطوار المعدنية؛ يُوصى بتأهيل الإجراءات للخدمات الحرجة.

ملخص قابلية اللحام: 304 أسهل في اللحام في ظروف الورشة الروتينية؛ 2205 يتطلب تحكمًا أكثر صرامة في الإجراءات لتجنب فقدان الخصائص المزدوجة وللحفاظ على مقاومة التآكل.

6. التآكل وحماية السطح

• بالنسبة للدرجات المقاومة للصدأ، غالبًا ما يتم قياس مقاومة التآكل المحلي بواسطة رقم مقاومة التآكل الناتج عن النقاط (PREN): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ تشير هذه المؤشر إلى أن السبائك ذات محتوى أعلى من Mo وN وCr كافٍ ستقاوم بشكل أفضل التآكل الناتج عن النقاط في الكلوريدات.
• يحتوي 304 على القليل أو لا يحتوي على الموليبدينوم وعادةً ما يكون محتوى النيتروجين منخفضًا، لذا فإن PREN الخاص به منخفض بالنسبة للسبائك المزدوجة؛ إنه يؤدي بشكل جيد ضد التآكل العام ولكنه عرضة للتآكل الناتج عن النقاط والشقوق في البيئات الغنية بالكلور (مثل مياه البحر، والمياه المالحة).
• يحتوي 2205 على كميات مرتفعة من الكروم، وموليبدينوم كبير، ونيتروجين مضاف، مما ينتج عنه PREN أعلى بكثير ومقاومة أفضل بكثير للتآكل الناتج عن النقاط والشقوق في الوسائط المحتوية على الكلور. كما أنه أكثر مقاومة للتآكل الناتج عن الإجهاد مقارنةً بـ 304 في العديد من الحالات.
• الفولاذ غير المقاوم للصدأ: غير قابل للتطبيق هنا، ولكن السبائك غير المقاومة للصدأ تتطلب عادةً حماية السطح (التغليف، الطلاء، التكسية) لتجنب التآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• 304: قابلية تشغيل معتدلة؛ يتصلب بسرعة، لذا فإن الأدوات الحادة، ومعدلات التغذية المتحكم فيها، والتحكم الكافي في الرقائق أمر ضروري. تصنيف قابلية التشغيل النموذجي ~40–50% من الفولاذات القابلة للقطع.
• 2205: أكثر صعوبة في التشغيل بسبب القوة الأعلى والتصلب الناتج عن العمل؛ تتطلب سرعات قطع أقل وأدوات قوية. عادةً ما تكون عمر الأداة أقصر من 304.
• قابلية التشكيل:
• 304: قابلية تشكيل ممتازة وعمق سحب جيد؛ يستخدم على نطاق واسع للمكونات المشكّلة وأعمال الضغط.
• 2205: التشكيل محدود مقارنةً بـ 304 بسبب قوة الخضوع الأعلى والتمدد الأقل؛ يشكل التشكيل البارد الشديد مخاطر التشقق ويجب التعامل معه بحذر. يمكن استخدام التشكيل الدافئ أو العمليات المتخصصة.
• تشطيب السطح: كلاهما يأخذ تشطيبات قياسية (تلميع، تلميع كهربائي). يجب على المزدوج تجنب التعرض المطول لدرجات الحرارة التي ترسب المعادن خلال المعالجة اللاحقة.

8. التطبيقات النموذجية

النوع 304 (الاستخدامات النموذجية)	النوع 2205 (الاستخدامات النموذجية)
معدات معالجة الطعام، أدوات المطبخ، مبادلات حرارية للخدمات غير المحتوية على الكلور، ألواح معمارية، خزانات كيميائية للبيئات المعتدلة	أنابيب وعاء العمليات الكيميائية في الوسائط المحتوية على الكلور، أنظمة مياه البحر وتحلية المياه، مكونات النفط والغاز في السطح وتحت الماء، خزانات لب الورق والمشروبات
المثبتات، الزخارف، مجاري HVAC، التركيبات الصحية	أوعية الضغط والأنابيب حيث يسمح ارتفاع القوة بتقليل سمك الجدران، مبادلات حرارية في المياه المالحة أو مياه البحر، التركيبات والشفة للبيئات العدوانية
مكونات مقاومة للتآكل للاستخدامات العامة حيث تكون الكفاءة الاقتصادية وقابلية التشكيل هي الأولويات	التطبيقات التي تتطلب مقاومة متفوقة للتآكل الناتج عن النقاط، وتحسين مقاومة التآكل الناتج عن الإجهاد، وقوة ميكانيكية أعلى

مبررات الاختيار: اختر 304 عندما تكون قابلية التشكيل الممتازة، وقابلية اللحام، والاقتصاد هي الأولويات وكان التعرض للكلور محدودًا. اختر 2205 عندما يكون التآكل الناتج عن النقاط/الشقوق الناتج عن الكلور أو الحاجة إلى تقليل سمك القسم من خلال الاستفادة من القوة الأعلى هو ما يدفع القرار.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 2205 عمومًا أكثر تكلفة من 304 بسبب محتوى السبائك الأعلى (Mo وN)، وضوابط العملية الأكثر صرامة، وحجم الإنتاج الأصغر. يختلف فرق السعر حسب ظروف السوق وشكل المنتج.
• التوافر: 304 هو واحد من أكثر الدرجات المقاومة للصدأ توافرًا في جميع أنحاء العالم في شكل ورقة، لوح، أنبوب، قضيب، ومثبتات. 2205 متاح على نطاق واسع للوح، أنبوب، وتركيبات بأحجام صناعية ولكن قد يكون له أوقات تسليم أطول أو تنوع محدود للتشطيبات الخاصة أو المثبتات ذات القطر الصغير.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

المعيار	304	2205
قابلية اللحام	ممتازة؛ متسامحة	جيدة ولكن حساسة للإجراءات
القوة - الصلابة	قوة معتدلة، ليونة عالية وصلابة	قوة عالية، صلابة جيدة، أقل ليونة
مقاومة التآكل (النقاط/الشقوق)	محدودة في الكلوريدات	متفوقة في الكلوريدات
التكلفة	أقل	أعلى
قابلية التشكيل	ممتازة	محدودة

التوصية: - اختر 304 إذا: - كنت بحاجة إلى مقاومة جيدة للتآكل العامة، وقابلية تشكيل ممتازة، ولحام سهل بأقل تكلفة معقولة. - تتضمن الخدمة بيئات غذائية، صحية، أو كيميائية معتدلة دون تعرض مستمر للكلور. - سهولة التصنيع، والتوافر، والليونة هي المحركات الأساسية.

• اختر 2205 إذا:
• كان من المقرر أن يعمل المكون في بيئات تحتوي على الكلور أو بيئات عدوانية أخرى حيث تكون مخاوف التآكل الناتج عن النقاط، والشقوق، أو التآكل الناتج عن الإجهاد قائمة.
• كانت هناك حاجة إلى قوة ميكانيكية أعلى (تسمح بأقسام أرق أو تصنيفات ضغط أعلى).
• ت justifyت الأداء على المدى الطويل في الوسائط العدوانية تكلفة المواد والمعالجة الأعلى؛ ويمكن أن يستوعب المشروع إجراءات لحام وتصنيع أكثر تحكمًا.

ملاحظة ختامية: يعتمد الاختيار الصحيح على تحقيق التوازن بين بيئة التآكل، والمتطلبات الميكانيكية، وقدرة التصنيع، وتكلفة دورة الحياة. بالنسبة للأنظمة الحرجة، يُفضل التقييم باستخدام اختبارات التآكل المحلي، وتأهيل إجراءات اللحام، ونماذج تكلفة دورة الحياة بدلاً من الاعتماد فقط على القواعد العامة لمستوى التركيب.