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

مقدمة

الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و304L من بين الدرجات الأوستنيتية الأكثر شيوعًا في الهندسة والتصنيع والمشتريات. عادةً ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات بين مقاومة التآكل، وقابلية اللحام، والقوة الميكانيكية، والتكلفة عند الاختيار بينهما. يجب على مخططي التصنيع أيضًا مراعاة التصنيع اللاحق: اللحام الثقيل، ومعالجات ما بعد اللحام، والتشكيل، ومتطلبات التشطيب السطحي.

الفرق العملي الرئيسي هو محتوى الكربون: 304L هو النسخة منخفضة الكربون من 304، مصممة لتقليل خطر ترسيب كربيد الكروم (الحساسية) أثناء اللحام والتعرض لدرجات الحرارة العالية. هذا التمييز هو السبب في مقارنة 304 و304L بشكل شائع - حيث توفران أداءً متشابهًا تقريبًا في مقاومة التآكل والميكروهيكل، لكن الكربون الأقل في 304L يحسن الأداء في التجميعات والمكونات الملحومة التي لا يمكن أن تخضع للتسخين الحلولي بعد التصنيع.

1. المعايير والتسميات

المعايير الرئيسية والتسميات الشائعة: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA240 (لوح، ورقة، شريط للأوعية الضاغطة والاستخدام العام). - EN: سلسلة EN 10088 (الفولاذ المقاوم للصدأ - معايير منتجات متنوعة). - JIS: SUS304 وSUS304L. - GB: 0Cr18Ni9 (304) و0Cr18Ni9L (304L) المعادلات في المعايير الصينية.

تصنيف المواد: - كل من 304 و304L هما فولاذان مقاومان للصدأ من النوع الأوستنيتي (مقاوم للصدأ، غير مغناطيسي بالكامل عندما يكون أوستنيتي بالكامل). - هما ليسا فولاذين كربونيين، أو فولاذ أدوات، أو HSLA؛ بل هما سبائك مقاومة للتآكل.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

نطاقات التركيب النموذجية (وزن%) المستخدمة في المواصفات؛ القيم القصوى/الدنيا المسموح بها تختلف قليلاً حسب المعيار:

عنصر	304 (نموذجي/نطاق المواصفات)	304L (نموذجي/نطاق المواصفات)
الكربون (C)	≤ 0.08%	≤ 0.03%
المنغنيز (Mn)	≤ 2.0%	≤ 2.0%
السيليكون (Si)	≤ 1.0%	≤ 1.0%
الفوسفور (P)	≤ 0.045%	≤ 0.045%
الكبريت (S)	≤ 0.03%	≤ 0.03%
الكروم (Cr)	18.0–20.0%	18.0–20.0%
النيكل (Ni)	8.0–10.5%	8.0–12.0%
الموليبدينوم (Mo)	≤ 0.10% (بشكل عام لا يوجد)	≤ 0.10%
النيتروجين (N)	≤ 0.10% (أثر)	≤ 0.10%
Nb، Ti، V، B	أثر / عادة لا يضاف	أثر / عادة لا يضاف

استراتيجية السبائك وتأثيراتها: - يوفر الكروم الفيلم الأكسيدي الساكن الذي يمنح الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومة للتآكل. يحدد محتوى الكروم النموذجي (≈18–20%) فولاذ "18-8" المقاوم للصدأ. - يعمل النيكل على استقرار الهيكل الأوستنيتي (FCC)، ويعزز المتانة والليونة، ويحسن القابلية للتشكيل. - يزيد الكربون من القوة والصلابة قليلاً ولكن على حساب خطر الحساسية في نطاق 425–850 درجة مئوية؛ يتفاعل الكربون مع الكروم لتشكيل كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات، مما يؤدي إلى استنفاد محلي للكروم وتقليل مقاومة التآكل. - يقلل 304L من الكربون للتحكم في ترسيب الكربيد أثناء اللحام؛ قد يتم تعديل نطاق النيكل قليلاً للحفاظ على استقرار الأوستنيت. - يعتبر المنغنيز والسيليكون عوامل إزالة الأكسدة ومساهمين طفيفين في القوة؛ يمكن أن يزيد النيتروجين، عند وجوده، من القوة ومقاومة التآكل بشكل تدريجي.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهيكل: - كلا الدرجتين هما في الأساس أوستنيتيتان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في حالة التلدين. يوفر الأوستنيت ليونة ومتانة ممتازتين من درجات الحرارة المنخفضة إلى المرتفعة. - لا يستجيب أي من 304 أو 304L لعملية التبريد والتصلب التقليدية لأنهما أوستنيتيان ولا يتحولان إلى مارتنسيت مع المعالجة الحرارية. يتم تحقيق التقوية بشكل أساسي من خلال العمل البارد (صلابة الإجهاد).

المعالجة الحرارية وتطور الميكروهيكل: - التلدين الحلولي (النطاق النموذجي: $1010^\circ\text{C}$–$1150^\circ\text{C}$) يذيب أي ترسبات، ويستعيد الليونة، ويعيد مقاومة التآكل؛ يتطلب التبريد السريع (التبريد بالماء أو الهواء) لتجنب ترسيب الكربيد. - الحساسية: التعرض في النطاق التقريبي $425^\circ\text{C}$–$850^\circ\text{C}$ يمكن أن يترسب كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات. 304 أكثر عرضة من 304L بسبب محتوى الكربون الأعلى؛ يتم تحديد 304L عندما يكون التلدين الحلولي بعد اللحام غير عملي. - يمكن أن يعزز التعرض الطويل فوق ~600 درجة مئوية أيضًا مرحلة سيغما أو غيرها من المركبات المعدنية في النسخ المدمجة أو السبائكية بشكل كبير؛ هذه غير شائعة في خدمة 304/304L القياسية ولكن يجب أخذها في الاعتبار للخدمة في درجات الحرارة العالية.

طرق المعالجة: - التعديل ليس عملية تقوية ذات معنى لهذه الدرجات الأوستنيتية. - تتحكم الطرق الحرارية الميكانيكية (الدرفلة الباردة، التلدين) في حجم الحبيبات والنسيج لمنتجات الورق أو الشريط؛ يثبت التلدين النهائي الميكروهيكل الأوستنيتي.

4. الخصائص الميكانيكية

الحد الأدنى من الخصائص الميكانيكية النموذجية (حالة التلدين)، المحددة عادةً في معايير المنتجات:

الخاصية	304 (تلدين، نموذجي)	304L (تلدين، نموذجي)
قوة الشد (Rm)	≈ 515 ميجا باسكال (حد أدنى)	≈ 485 ميجا باسكال (حد أدنى)
قوة الخضوع 0.2% (Rp0.2)	≈ 205 ميجا باسكال (حد أدنى)	≈ 170 ميجا باسكال (حد أدنى)
التمدد (A)	≥ 40% (في 50 مم)	≥ 40% (في 50 مم)
صلابة التأثير (درجة حرارة الغرفة)	صلابة عالية	صلابة عالية
الصلابة (HB / HRB)	متوسطة، سلوك صلابة الإجهاد	صلابة أولية أقل قليلاً

التفسير: - عادةً ما يظهر 304 قوة حد أدنى أعلى قليلاً من قوة الخضوع وقوة الشد مقارنةً بـ 304L بسبب محتوى الكربون الأعلى. في الممارسة العملية، الفرق متواضع وكلاهما مرن وقوي. - تحافظ كلا الدرجتين على متانة ممتازة حتى درجات الحرارة المنخفضة؛ لا تكون أي منهما هشة عند درجات الحرارة الخدمية التي يتم مواجهتها عادةً في الصناعة. - تعتبر اختلافات القوة الأكثر أهمية حيث يكون التصميم قريبًا من حدود الإجهاد المسموح بها أو حيث يكون تقليل القوة بعد اللحام عاملاً.

5. قابلية اللحام

عوامل قابلية اللحام: - يقلل الكربون المنخفض من الميل لتشكيل كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات أثناء التبريد عبر نطاق الحساسية. لذلك، يقلل الكربون الأقل من القابلية للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام. - قابلية التصلب في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي منخفضة؛ لا تشكل هياكل مارتنسيتية صلبة عند التبريد، لذا فإن التشقق الناتج عن المراحل الصلبة ليس مصدر قلق رئيسي. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي العمل البارد والدورات الحرارية إلى إنشاء مارتنسيت ناتج عن الإجهاد في 304 تحت ظروف معينة؛ قد يكون 304L، بمحتوى مختلف قليلاً، أقل عرضة لمارتنسيت الناتج عن الإجهاد.

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (تفسير نوعي): - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - المعادل للتآكل الناتج عن الحفر (Pcm) لتقييم قابلية اللحام: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير: - يقلل انخفاض $C$ من كل من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$، مما يشير إلى تقليل حساسية التشقق الساخن وانخفاض خطر الانفصال/الحساسية أثناء اللحام. - في الممارسة العملية، عادةً ما يلحم 304L بشكل أسهل في اللحامات الكبيرة ذات الحرارة العالية لأن محتوى الكربون الأقل يقلل من خطر التآكل بين الحبيبات دون الحاجة إلى التلدين الحلولي بعد اللحام. - عند لحام 304 (الكربون الأعلى)، غالبًا ما يتحكم المصممون في إدخال الحرارة، ويستخدمون المعادن المالئة مع المثبتات (مثل Ti أو Nb في بعض المعادن المالئة)، أو يقومون بإجراء تلدين حلولي بعد اللحام عندما يجب أن تساوي مقاومة التآكل لمنطقة اللحام تلك الخاصة بالمعدن الأساسي.

ملاحظات ممارسة اللحام: - استخدم معادن مالئة متطابقة أو منخفضة الكربون حسب متطلبات الخدمة والتآكل. - قلل من أوقات الانتظار في نطاق الحساسية واستخدم التبريد السريع أو التحكم في التسخين المحلي. - في البيئات التآكلية الحرجة، يُفضل استخدام 304L أو الدرجات المستقرة (مثل 321، 347) عندما يكون التلدين الحلولي بعد اللحام غير عملي.

6. التآكل وحماية السطح

سلوك التآكل: - يعتمد كل من 304 و304L على الفيلم الساكن الغني بالكروم لمقاومة التآكل العامة في البيئات الجوية، والمعتدلة الحموضة، والقلوية. - مقاومة التآكل الناتج عن الحفر والشقوق محدودة لأن كلاهما يفتقر إلى الموليبدينوم؛ لذلك، في البيئات الغنية بالكلور أو البحرية العدوانية، تُفضل الدرجات الأكثر سباكة (316، مزدوجة، إلخ).

أهمية PREN: - يُستخدم PREN لتقييم المقاومة للتآكل الناتج عن الحفر بالكلور؛ لهذه الدرجات: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - بالنسبة لـ 304/304L، يكون Mo صفرًا أو منخفضًا جدًا وN منخفضًا؛ قيم PREN متواضعة، لذا لا يُوصى بأي من الدرجتين في البيئات الشديدة الغنية بالكلور.

الحساسية والتآكل بين الحبيبات: - القلق الرئيسي من التآكل حيث يمكن أن يكون 304 في وضع غير موات هو التآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو التعرض المطول في النطاق الحراري الحرج حيث يترسب كربيد الكروم. - يقلل الكربون المنخفض في 304L من تشكيل الكربيد وبالتالي يقلل من خطر التآكل بين الحبيبات في المناطق الملحومة.

حماية السطح للفولاذ غير المقاوم للصدأ: - غير قابل للتطبيق هنا؛ بالنسبة للفولاذ الكربوني غير المقاوم للصدأ، فإن المجلفن أو الطلاءات شائعة. بالنسبة لـ 304/304L، فإن تمرير السطح (تمرير حمض النيتريك أو حمض الستريك) والتخليل شائعة لاستعادة أو تحسين الفيلم الساكن بعد التصنيع.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، والقابلية للتشكيل

التشكيل والانحناء: - كلا الدرجتين تظهران قابلية تشكيل باردة ممتازة؛ قد يكون 304L أسهل قليلاً في التشكيل بسبب قوة الخضوع الأقل قليلاً. - جميع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي تعمل على زيادة الصلابة بسرعة؛ غالبًا ما تتطلب عمليات التشكيل تلدينات وسيطة للتشوه الشديد.

قابلية التشغيل: - الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني بسبب الليونة العالية وزيادة الصلابة. 304 و304L لهما قابلية تشغيل مشابهة؛ تعتبر ضوابط العملية (أدوات صلبة، إدخالات حادة، التحكم الكافي في الرقائق، وزيوت التشحيم/المبردات) حاسمة. - يمكن أن تخفف قوة 304L الأقل قليلاً من قوى القطع في بعض العمليات.

تشطيب السطح: - يمكن تلميع كلا الدرجتين، وتمريرهما، ومعالجتهما كيميائيًا، ورشهما بالخرز لتحقيق التشطيبات السطحية المطلوبة. غالبًا ما يُستخدم 304L للتجميعات الملحومة حيث تكون التشطيبات المتسقة عبر اللحامات مطلوبة دون الحاجة إلى التلدين الحلولي.

8. التطبيقات النموذجية

304 — الاستخدامات النموذجية	304L — الاستخدامات النموذجية
معدات المطبخ، معالجة الطعام، مصانع المشروبات	أوعية ملحومة ثقيلة وأنابيب في المصانع الكيميائية
زخارف معمارية، لوحات زخرفية	خزانات وأنابيب ملحومة حيث يكون التلدين بعد اللحام غير عملي
مبادلات حرارية (بيئات معتدلة)	أنابيب وخزانات الصرف الصحي والمياه العادمة مع لحام مكثف
مسامير، زنبركات (حيث تكون مقاومة التآكل والقوة مطلوبة)	أنظمة ملحومة في الصناعات الدوائية والتكنولوجيا الحيوية تتطلب مقاومة التآكل عند اللحامات
زخارف السيارات، السلع الاستهلاكية	أوعية ضغط وأنابيب بحجم لحام كبير حيث يكون خطر الحساسية مصدر قلق

مبررات الاختيار: - اختر 304 حيث تكون القوة الدنيا الأعلى وتكلفة المادة الأقل قليلاً مقبولة وحيث يكون اللحام محدودًا أو يمكن إجراء التلدين بعد اللحام. - اختر 304L حيث يُتوقع وجود لحام ثقيل، وعدم القدرة على التلدين الحلولي بعد التصنيع، أو الخدمة في ظروف ما بعد اللحام الأكثر تآكلًا قليلاً.

9. التكلفة والتوافر

• كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في أشكال اللوح، الورقة، الشريط، الأنبوب، والشريط.
• عادةً ما يكون 304 الأكثر شيوعًا، وفي العديد من الأسواق، أقل تكلفة قليلاً بسبب حجم الإنتاج الأوسع وأقل صرامة في التحكم في الكربون.
• يمكن أن تحمل 304L علاوة صغيرة بسبب التحكم الأكثر صرامة في الكربون أثناء الصهر والمعالجة، لكن العلاوة غالبًا ما تكون صغيرة مقارنةً بتكلفة التصنيع الإجمالية عند القضاء على المعالجة الحرارية المكلفة بعد اللحام.
• أوقات التسليم والتوافر عمومًا ممتازة لكلاهما في أشكال المنتجات القياسية؛ بالنسبة للعناصر المصنعة الكبيرة جدًا أو الشهادات الخاصة بالمطاحن، يجب التحقق من تأثيرات الجدول الزمني مع الموردين.

10. الملخص والتوصية

المعيار	304	304L
قابلية اللحام (مقاومة الحساسية)	جيدة؛ تتطلب الحذر للحامات الثقيلة	أفضل للحامات الثقيلة وحيث لا يتم إجراء PWHT
القوة–المتانة	قوة دنيا أعلى قليلاً؛ متانة عالية متساوية	قوة دنيا أقل قليلاً؛ متانة عالية متساوية
التكلفة	عادةً أقل قليلاً	عادةً أعلى قليلاً ولكن غالبًا ما تكون فعالة من حيث التكلفة للأنظمة الملحومة

التوصية: - اختر 304 إذا: كانت تصميمك يستفيد من قوة دنيا أعلى قليلاً ويمكنك التحكم في ممارسات اللحام (إدخال حرارة منخفض، استخدام المعادن المالئة المناسبة) أو إجراء التلدين الحلولي بعد اللحام لاستعادة مقاومة التآكل. - اختر 304L إذا: كانت المكون أو الأنابيب ستخضع للحام المكثف، وكان التلدين الحلولي بعد اللحام غير عملي، أو كان هناك قلق بشأن التآكل بين الحبيبات عند الوصلات الملحومة. غالبًا ما تكون 304L الخيار الأكثر أمانًا وأقل خطرًا للأوعية الضاغطة الملحومة، وخزانات التخزين، والأنابيب الثقيلة حيث يكون الحفاظ على مقاومة التآكل عند المناطق المتأثرة بالحرارة واللحام أمرًا حاسمًا.

ملاحظة ختامية: كل من 304 و304L هما فولاذان مقاومان للصدأ قويان ومحددات على نطاق واسع. عادةً ما يعتمد قرار التصميم على ممارسة اللحام وقبول التبادل الصغير في القوة الدنيا من أجل تحسين مقاومة التآكل بعد اللحام. بالنسبة للخدمات الحرجة أو المعرضة للكلور، يجب النظر في الدرجات الأكثر سباكة (التي تحتوي على Mo) أو البدائل المزدوجة.