304 مقابل 304H – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304 والنوع 304H هما نوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستخدم على نطاق واسع في صناعات المعالجة، والأوعية الضغط، والتصنيع العام. يقوم المهندسون والمهنيون في مجال الشراء عادةً بوزن مقاومة التآكل، وقابلية اللحام، وقابلية التشكيل، وأداء درجات الحرارة العالية، والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية تحديد المواد لوعاء ضغط ملحوم، واختيار الأنابيب لمبادلات الحرارة، أو اختيار الصفائح للتصنيع العام.
الميزة الرئيسية التي تميز بين النوعين هي محتوى الكربون: يحتوي 304H على تركيبة كربونية مرتفعة مقارنةً بـ 304 القياسي. هذا التغيير الوحيد يحول الأداء بطرق متوقعة - والأهم من ذلك أنه يزيد من القوة ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة بينما يزيد من خطر ترسيب الكربيد والحساسية ذات الصلة خلال دورات حرارية معينة. نظرًا لأن 304 و304H متشابهان جدًا بخلاف ذلك (نفس المصفوفة الأوستنيتية المدعومة بالكروم والنيكل)، يتم مقارنتهما عندما تتطلب التصاميم توازنًا بين الأداء الميكانيكي عند درجات الحرارة العالية مقابل مقاومة التآكل، وقابلية اللحام، وقابلية التشكيل.
1. المعايير والتسميات
تشمل المعايير الرئيسية التي تغطي 304 و304H: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (الألواح، الصفائح)، ASTM A312 (أنابيب غير ملحومة وملحومة)، ASTM A269 (أنابيب مشغولة)، إلخ. - EN: سلسلة EN 10088 للفولاذ المقاوم للصدأ (EN 1.4301 يتوافق مع 304). - JIS: JIS G4303 / JIS G4305 (الفولاذ المقاوم للصدأ؛ المعادلات). - GB: GB/T 1220 والمعايير الصينية ذات الصلة للفولاذ المقاوم للصدأ.
التصنيف: - كلا من 304 و304H هما فولاذان مقاومان للصدأ (أوستنيتي). هما ليسا فولاذ كربوني، أو فولاذ أدوات، أو درجات HSLA. - يتم تحديدهما واستخدامهما كسبائك مقاومة للصدأ (مقاومة للتآكل) بدلاً من فولاذ كربوني هيكلي.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
تلخص الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية من المعايير الشائعة (تُعطى القيم كنسبة مئوية بالوزن، وتهدف كنطاقات معيارية نموذجية بدلاً من شهادات المصنع المحددة).
| عنصر | 304 (نطاق نموذجي) | 304H (نطاق نموذجي) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | 0.04 – 0.10 wt% |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.045 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Cr | ~18.0 – 20.0 wt% | ~18.0 – 20.0 wt% |
| Ni | ~8.0 – 10.5 wt% | ~8.0 – 11.0 wt% |
| Mo | غير محدد (عادة ≈ 0) | غير محدد (عادة ≈ 0) |
| V, Nb, Ti, B | غير محدد / أثر فقط | غير محدد / أثر فقط |
| N | أثر (عادة ≤ 0.11) | أثر (عادة ≤ 0.11) |
كيف تؤثر السبائك على السلوك: - يوفر الكروم (Cr) مقاومة للتآكل عن طريق تشكيل فيلم أكسيد واقي وهو العنصر الرئيسي في سلوك الفولاذ المقاوم للصدأ. - يثبت النيكل (Ni) المرحلة الأوستنيتية ويعزز المتانة وقابلية التشكيل. - يقوي الكربون (C) الأوستنيت من خلال تقوية الحل الصلب ويمكن أن يشكل كربيدات الكروم (Cr23C6) عند التعرض لدرجات حرارة حساسة؛ زيادة C في 304H تعزز القوة عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف ولكن تزيد من خطر الحساسية. - المنغنيز (Mn) والسيليكون (Si) هما مثبتان ثانويان للأوستنيت ومزيلات للأكسدة؛ الكبريت والفوسفور هما عناصر شوائب يتم التحكم فيها لمستويات منخفضة للحفاظ على المتانة ومقاومة التآكل.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
كلا من 304 و304H هما أوستنيتيان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في حالة التلدين الحل عند درجة حرارة الغرفة. تحت المعالجة القياسية (الدرفلة الساخنة، التلدين الحل، التبريد في الهواء)، تكون البنية المجهرية أوستنيت متجانس مع حدود توأمية محتملة وبعض التوائم التلدينية.
الاختلافات الرئيسية في البنية المجهرية واستجابات المعالجة الحرارية: - 304 (كربون أقل) أقل عرضة لتشكيل كربيدات الكروم أثناء التبريد البطيء أو التعرض لدرجات حرارة متوسطة؛ التلدين الحل عند درجات حرارة أعلى من ~1,040–1,100 °م يتبعه تبريد سريع يستعيد مصفوفة أوستنيت خالية من الكربيد. - 304H (كربون أعلى) لديه قوة دافعة أكبر لترسيب كربيدات الكروم عند التعرض في نطاق الحساسية (~450–850 °م). يحدث ترسيب الكربيد عند حدود الحبيبات ويمكن أن يستنفد الكروم محليًا، مما يقلل من مقاومة التآكل بين الحبيبات. - لا يتصلب أي من النوعين عن طريق التبريد والتقسية مثل الفولاذات المارتينسيتية؛ لا يمكن معالجتهما حراريًا من أجل القوة عبر التحولات التقليدية. يتم تحقيق تعديلات القوة من خلال العمل البارد أو عن طريق تحديد كربون أعلى (304H) من أجل القوة عند درجات الحرارة المرتفعة. - تؤثر المعالجة الحرارية الميكانيكية (العمل البارد، جداول التلدين) على كثافة الانزياح، وحجم الحبيبات، والملمس بشكل مشابه لكلا النوعين. ستحل التلدين عند درجات حرارة الحل الكربيدات إذا تم الاحتفاظ بها وتبريدها بشكل مناسب؛ التبريد البطيء بعد اللحام أو الخدمة المطولة عند درجات حرارة متوسطة يعزز ترسيب الكربيد في 304H بشكل أكثر سهولة من 304.
4. الخصائص الميكانيكية
يوفر كلا الفولاذين قابلية جيدة للتمدد والمتانة في حالة التلدين؛ 304H عمومًا يقدم قوة أعلى قليلاً، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة، بسبب كربونه الأعلى.
| الخاصية | 304 | 304H |
|---|---|---|
| قوة الشد (نسبية) | مستوى أوستنيتي قياسي | أعلى قليلاً (ملحوظ عند درجات حرارة مرتفعة) |
| قوة الخضوع (نسبية) | خط الأساس لفولاذ أوستنيتي من سلسلة 300 | أعلى قليلاً من 304 |
| التمدد / القابلية للتمدد | قابلية عالية للتمدد؛ قابلية تشكيل جيدة | قابلية تمطط أقل قليلاً مقارنةً بـ 304 |
| صلابة التأثير | ممتازة عند درجة حرارة الغرفة | مماثلة عند درجة حرارة الغرفة إذا لم تكن حساسة؛ تقل إذا حدث ترسيب كربيد |
| الصلابة | صلابة أوستنيت تلدين نموذجية | أعلى قليلاً في حالة التلدين بسبب C |
التفسير: - عند درجة حرارة الغرفة، تكون الفروقات متواضعة - كلا النوعين يظهران قوة شد وقوة خضوع مشابهة مع تمدد عالي. عادةً ما يوفر 304H قيم شد وخضوع أعلى قليلاً لأن الكربون هو مقوي للحل الصلب. - عند درجات الحرارة المرتفعة أو تحت ظروف الزحف، يحتفظ 304H بقوة أعلى من 304 وبالتالي يتم تحديده لخدمة الأوعية الضغط عند درجات حرارة أعلى مسموح بها. - إذا تعرض 304H لدورات حرارية حساسة (مثل اللحام دون معالجة حرارية مناسبة بعد اللحام أو الخدمة المطولة في نطاق 450–850 °م)، يمكن أن ينتج عن ذلك تآكل بين الحبيبات وانخفاض المتانة بسبب ترسيب كربيد الكروم.
5. قابلية اللحام
قابلية اللحام لـ 304 و304H جيدة عمومًا؛ كلاهما يمكن لحامه بسهولة بواسطة العمليات الشائعة (GMAW/MIG، GTAW/TIG، SMAW). ومع ذلك، يؤثر مستوى الكربون على خطر الحساسية وخصائص منطقة التأثير.
مؤشرات الكربون المعادل / قابلية اللحام ذات الصلة: - يتم تفسيرها نوعيًا باستخدام الكربون المعادل IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، يمكن التعبير عن التأثير التكويني الأكثر تعقيدًا باستخدام $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - 304 (كربون أقل) لديه مساهمة أقل في $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ من الكربون مقارنةً بـ 304H، مما يعني أن 304 أقل عرضة لتشكيل هياكل مجهرية صلبة وهشة في منطقة التأثير وأقل حساسية للتآكل بين الحبيبات الناتج عن اللحام إذا تم استخدام مواد تعبئة وإجراءات مناسبة. - يزيد الكربون الأعلى في 304H من إمكانيات التصلب أثناء دورات حرارية سريعة ويزيد من خطر الحساسية في وحول منطقة التأثير (HAZ) إذا تشكلت كربيدات حدود الحبيبات الأوستنيتية. بالنسبة لأعمال الأوعية الضغط الملحومة عند درجات حرارة مرتفعة، غالبًا ما يتم تحديد 304H لتلبية متطلبات الإجهاد المسموح به؛ اختيار المواد التعبئة وممارسة اللحام (مثل استخدام درجات مستقرة أو تلدين الحل بعد اللحام حيثما كان ذلك ممكنًا) يقلل من المخاطر. - عادةً لا يتطلب التسخين المسبق لهذه الفولاذات الأوستنيتية، ولكن التحكم في إدخال الحرارة واختيار معدن تعبئة مناسب (مثل الدرجات المطابقة أو المنخفضة الكربون / المستقرة) هو اعتبار مهم لـ 304H لتجنب الهشاشة أو التآكل بين الحبيبات.
6. التآكل وحماية السطح
- كلا من 304 و304H مقاومان للتآكل في مجموعة واسعة من البيئات بسبب تمرير الكروم. لا يحتوي أي منهما على الموليبدينوم، لذا فإنهما أقل مقاومة لتآكل الكلوريد مقارنةً بالدرجات التي تحتوي على الموليبدينوم (مثل 316).
- زيادة الكربون في 304H تجعل الحساسية والتآكل بين الحبيبات مصدر قلق عملي إذا تعرضت المادة لدرجات حرارة حساسة دون التحكم الكافي. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد اللحام، قد يُفضل استخدام 304L منخفض الكربون أو الدرجات المستقرة (321، 347).
- PREN (رقم مقاومة التآكل) هو مقياس مفيد لمقاومة التآكل حيث يتواجد Mo وN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- بالنسبة لـ 304/304H، Mo ≈ 0 وN منخفض، لذا فإن PREN منخفض نسبيًا؛ PREN أكثر معنى للفولاذات الأوستنيتية المزدوجة أو التي تحتوي على الموليبدينوم.
- تشمل حماية السطح للركائز غير المقاومة للصدأ (غير قابلة للتطبيق هنا) المجلفن أو الطلاءات؛ بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، غالبًا ما تُستخدم معالجة السطح والتجهيزات للحد من عمر الخدمة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل: 304 (كربون أقل) أفضل قليلاً للتشكيل العميق والتشكيل بسبب قابلية التمدد الأكبر قليلاً وانخفاض حساسية العمل الصلب فيما يتعلق بالحساسية عند التسخين اللاحق. كلاهما جيد لعمليات التشكيل إذا تم استخدام أدوات مناسبة وممارسات تشكيل تدريجية.
- قابلية التشغيل: الفولاذات الأوستنيتية عمومًا أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني بسبب العمل الصلب وانخفاض الموصلية الحرارية. قد يكون 304H أكثر تحديًا قليلاً في التشغيل من 304 لأن كربونه الأعلى وقوته الناتجة تؤدي إلى زيادة قوى القطع وتآكل الأدوات. استخدام أدوات حادة، وإعدادات صلبة، وزيوت تشحيم مناسبة يقلل من المشاكل.
- إنهاء السطح: كلاهما يتم تلميعه وتلميع كهربائيًا بشكل مشابه؛ ومع ذلك، قد يتطلب 304H مزيدًا من التحكم الدقيق في التعرض الحراري أثناء الانتهاء لتجنب ترسيب الكربيد إذا تم تسخين المادة.
8. التطبيقات النموذجية
| 304 (الاستخدامات الشائعة) | 304H (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| معدات معالجة الطعام، الأحواض، أدوات المطبخ، الزخارف المعمارية | أوعية الضغط والغلايات حيث تتطلب ضغوط أعلى مسموح بها عند درجات حرارة مرتفعة |
| أنابيب وعاء العمليات الكيميائية والخزانات في بيئات معتدلة | أنابيب السخانات والمجددات في تطبيقات الغلايات (حيث تكون قوة الزحف الأعلى مطلوبة) |
| مبادلات الحرارة، أنابيب صحية، مسامير | مكونات مصنعة في الأفران ودرجات الحرارة العالية حيث تكون درجة حرارة التشغيل مرتفعة |
| التصنيع العام، مكونات بناء زخرفية | التطبيقات التي تتطلب الخصائص الميكانيكية لفولاذ أوستنيتي عالي الكربون عند درجات حرارة مرتفعة |
مبررات الاختيار: - اختر 304 عندما تكون مقاومة التآكل العامة، وقابلية التشكيل، وقابلية اللحام عند درجات حرارة الخدمة العادية هي المتطلبات السائدة وعندما يكون تقليل خطر الحساسية بعد اللحام مهمًا. - اختر 304H عندما يتطلب التصميم إجهادًا مسموحًا به أعلى أو قوة محسنة عند درجات حرارة مرتفعة (مثل الأوعية الضغط التي تعمل فوق حدود 300 °م النموذجية)، وعندما يحدد المشروع ضوابط تصنيع مناسبة لإدارة خطر الحساسية والتآكل.
9. التكلفة والتوافر
- 304 هو أحد أكثر درجات الفولاذ المقاوم للصدأ شيوعًا في جميع أنحاء العالم ومتاحة على نطاق واسع في الألواح، والصفائح، واللفائف، والأنابيب، والبار. تكلفته عادةً تنافسية ضمن عائلة سلسلة 300.
- 304H هو نوع معترف به ومتاحة في أشكال المنتجات المستخدمة عادةً للخدمة عند درجات حرارة مرتفعة (الألواح، الأنابيب للغلايات، ومكونات الضغط). إنه أقل شيوعًا في الأسواق العامة من 304 وقد يحمل علاوة متواضعة اعتمادًا على ممارسات التخزين الإقليمية والحاجة إلى شهادة مصنع محددة لمحتوى الكربون.
- تتوقف أوقات التسليم والتوافر على شكل المنتج (الصفائح / الألواح مقابل الأنابيب غير الملحومة) والشهادات المطلوبة لخدمة الأوعية الضغط أو الخدمة عند درجات حرارة مرتفعة.
10. الملخص والتوصية
| الجانب | 304 | 304H |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة؛ خطر حساسية أقل | جيدة، ولكن خطر حساسية أعلى؛ تتطلب ضوابط إجرائية |
| القوة - المتانة | توازن جيد؛ قابلية تمدد ممتازة | قوة أعلى عند درجات حرارة مرتفعة؛ قابلية تمدد أقل قليلاً عند المقارنة المباشرة |
| التكلفة والتوافر | متاحة على نطاق واسع؛ تكلفة عامة أقل | متاحة بسهولة لتطبيقات الضغط والحرارة؛ قد تحمل علاوة |
الاستنتاجات: - اختر 304 إذا كنت بحاجة إلى مقاومة ممتازة للتآكل العامة، وقابلية تصنيع وتشكيل فائقة، وخطر حساسية ضئيل من عمليات اللحام العادية. 304 هو الخيار العملي للمعدات الصحية، والتطبيقات المعمارية، والعديد من حالات الخدمة الكيميائية عند درجات حرارة الغرفة إلى المعتدلة. - اختر 304H إذا كان التصميم يتطلب إجهادًا مسموحًا به أعلى أو مقاومة محسنة للتشوه عند درجات حرارة الخدمة المرتفعة (مثل الأوعية الضغط، والغلايات، ومبادلات الحرارة التي تعمل عند درجات حرارة أعلى)، ويمكنك قبول وإدارة خطر ترسيب الكربيد الأكبر من خلال إجراءات لحام مناسبة، أو معالجة بعد اللحام إذا كان ذلك ممكنًا، أو من خلال اختيار معادن تعبئة متوافقة وممارسات تصنيع.
إذا كانت مقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة وجداول الإجهاد المسموح بها هي التي تحكم اختيار المواد (رموز ASME، مواصفات الأوعية الضغط)، استشر الرمز المعني للحصول على الدرجة المطلوبة ودرجات الحرارة؛ في العديد من الحالات، سيظهر 304H حيث تكون حدود الإجهاد المسموح بها لـ 304 غير كافية لدرجة حرارة الخدمة المقصودة.