304 مقابل 316 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و316 هما من أكثر الدرجات الأوستنيتية المحددة على نطاق واسع في الصناعة. يجب على المهندسين ومديري المشتريات ومخططي التصنيع غالبًا أن يقرروا بينهما عند الموازنة بين مقاومة التآكل، وقابلية التصنيع/اللحام، والاحتياجات الميكانيكية، والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية معالجة الطعام ومعدات المطبخ (حيث تكون التكلفة وقابلية التشكيل مهمة) مقابل الخدمة البحرية أو الكيميائية (حيث تكون مقاومة التآكل الناتجة عن الكلوريد حاسمة).

التمييز المعدني الرئيسي هو أن 316 يحتوي على موليبدينوم (وغالبًا ما يحتوي على نسبة نيكل أعلى قليلاً)، مما يعزز المقاومة للتآكل المحلي - خاصة التآكل الناتج عن النقر والهجوم في الشقوق في البيئات التي تحتوي على الكلوريد. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مع محتويات أساسية مشابهة من الكروم والنيكل، غالبًا ما يتم مقارنتهما لاختيار البدائل أو المواصفات.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير الدولية الشائعة والتسميات لـ 304 و316 ما يلي:

• ASTM/ASME: A240/A276/A312 (لوح، قضيب، أنابيب على التوالي)
• EN: 1.4301 (304)، 1.4401 (316) ونسخها منخفضة الكربون/المستقرة (مثل 1.4307 = 304L، 1.4404 = 316L)
• JIS: SUS304، SUS316
• GB (الصين): 0Cr18Ni9 (تقريبًا 304)، 0Cr17Ni12Mo2 (تقريبًا 316)

التصنيف: كلا من 304 و316 هما فولاذان مقاومان للصدأ (أوستنيتيان). هما ليسا فولاذ كربوني، أو فولاذ أدوات، أو درجات HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تلخص الجدول التالي النطاقات التركيبية النموذجية لدرجات 304 و316 التجارية الشائعة (مُعالجة حراريًا، درجات قياسية). قد تحدد معايير المنتجات والموردون حدودًا مختلفة قليلاً؛ تغير النسخ المستقرة أو منخفضة الكربون (مثل 304L، 316L، 316Ti، 316Nb) بعض الإدخالات.

عنصر	304 (نطاق نموذجي، wt%)	316 (نطاق نموذجي، wt%)
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 0.75	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.0–19.0	16.0–18.0
Ni	8.0–10.5	10.0–14.0
Mo	— (عادة 0)	2.0–3.0
V	أثر (غير محدد)	أثر (غير محدد)
Nb	غير موجود (باستثناء الدرجات المستقرة)	غير موجود (باستثناء الدرجات المستقرة)
Ti	غير موجود (باستثناء الدرجات المستقرة)	غير موجود (باستثناء الدرجات المستقرة)
B	أثر / غير محدد	أثر / غير محدد
N	قليل، مُتحكم فيه (غالبًا ≤ 0.1)	قليل، مُتحكم فيه (غالبًا ≤ 0.1)

كيف تؤثر السبائك على الأداء - يوفر الكروم (Cr) الفيلم الأكسيدي الساكن الذي يمنح الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومته الأساسية للتآكل. - يثبت النيكل (Ni) المرحلة الأوستنيتية (المكعبة المركزية الوجوه)، مما يحسن المتانة والليونة والأداء في درجات الحرارة المنخفضة. - يزيد الموليبدينوم (Mo)، الموجود في 316، من المقاومة للتآكل الناتج عن النقر والشقوق في البيئات التي تحتوي على الكلوريد ويحسن المقاومة لبعض الوسائط الكيميائية. - يؤثر محتوى الكربون على القوة وقابلية الاستشعار (ترسيب الكربيد) أثناء التسخين/اللحام؛ تخفف النسخ منخفضة الكربون (304L، 316L) أو الدرجات المستقرة من الاستشعار.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية - كلا من 304 و316 هما أوستنيتيان بالكامل في درجة حرارة الغرفة (مكعب مركزي الوجوه، FCC) بعد المعالجة الحرارية القياسية. - تتكون البنية المجهرية عادةً من أوستنيت أحادي الطور مع كميات أثرية ممكنة من دلتا الفريت اعتمادًا على المعالجة والتركيب.

استجابة المعالجة الحرارية والمعالجة - الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أساسًا غير قابل للمعالجة الحرارية للتقوية عن طريق التبريد والتقسية كما هو الحال في الفولاذ الفيريتك/المارتنسيت. يتم تحديد الخصائص الميكانيكية بشكل أساسي من خلال العمل البارد وتصلب العمل. - العمليات الحرارية الشائعة: - المعالجة الحرارية بالحل (عادة حوالي 1,050–1,100 °م تليها التبريد) تذيب الكربيدات وتستعيد مقاومة التآكل والليونة. - تستخدم معالجة تخفيف الإجهاد عند درجات حرارة أقل بشكل انتقائي ولكن يمكن أن تعرض لخطر ترسيب الكربيد إذا تم الاحتفاظ بها في نطاق الاستشعار (~500–800 °م). - الاستشعار: التعرض المطول في نطاق 500–800 °م يسبب ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات، مما يستنفد الكروم في المناطق المجاورة ويزيد من قابلية التآكل بين الحبيبات. التخفيف: حدد درجات منخفضة الكربون (304L/316L) أو درجات مستقرة (TP347/316Ti) عند اللحام أو عندما تتضمن الخدمة درجات حرارة قد تسبب الاستشعار. - يزيد العمل البارد من القوة من خلال تصلب الإجهاد ولكنه يزيد أيضًا من القابلية للتآكل المحلي إذا تسببت التشوهات في تلف الفيلم الساكن.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية على شكل المنتج (ورقة، لوح، قضيب، سلك)، المعالجة الحرارية، والعمل البارد. يقدم الجدول النطاقات النموذجية المعالجة حراريًا والمتاحة تجاريًا؛ يجب تأكيد القيم الدقيقة من شهادات المواد أو المعايير للمشتريات.

الخاصية (معالجة حرارية، نموذجية)	304	316
قوة الشد (UTS)	~480–620 ميغاباسكال (نطاق نموذجي)	~480–620 ميغاباسكال (نطاق نموذجي)
قوة الخضوع (0.2% انحراف)	~190–310 ميغاباسكال (تختلف حسب المنتج)	~190–310 ميغاباسكال (تختلف حسب المنتج)
التمدد (A%)	≥ 40% (القياس الرقيق أعلى)	≥ 40% (القياس الرقيق أعلى)
صلابة التأثير (درجة حرارة الغرفة)	عالية؛ تحتفظ بالليونة والمتانة	عالية؛ مشابهة أو أفضل قليلاً في درجات الحرارة المنخفضة
الصلابة (معالجة حرارية)	HB ~120–200 (تعتمد على تصلب العمل)	HB ~120–200 (تعتمد على تصلب العمل)

التفسير - القوة: في الحالة المعالجة حراريًا، يظهر 304 و316 قوة شد وقوة خضوع مشابهة جدًا؛ الاختلافات في القوة عادة ما تكون صغيرة مقارنة بتأثيرات العمل البارد أو شكل المنتج. - المتانة والليونة: كلا الدرجتين متينتان ومرنتان في درجات حرارة الغرفة وتحت الصفر بفضل البنية المجهرية الأوستنيتية المستقرة. قد يحتفظ 316 بمتانة أفضل قليلاً في بعض البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة أو التآكل العالي بسبب سبائكه، لكن الاختلافات متواضعة. - الصلابة: كلاهما ناعم نسبيًا في الحالة المعالجة حراريًا؛ يمكن أن تزيد الصلابة بشكل كبير مع العمل البارد.

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام لكل من 304 و316 جيدة جدًا عمومًا باستخدام عمليات اللحام القياسية (TIG، MIG، SMAW، إلخ). الاعتبارات الرئيسية:

• مستوى الكربون والاستشعار: يتحكم محتوى الكربون في القابلية للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام. استخدم النسخ منخفضة الكربون (304L، 316L) أو الدرجات المستقرة (مثل 316Ti) للوصلات الثقيلة أو عندما تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام غير عملية.
• الصلابة وقابلية التصلب: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لديه قابلية تصلب منخفضة؛ تشكيل المارتنسيت في منطقة اللحام نادر مقارنة بالفولاذ الفيريتك.
• مؤشرات قابلية اللحام (نوعية): تساعد معادلات الكربون المكافئ في تقييم خطر التشقق أو قابلية التصلب. من أمثلة المؤشرات المستخدمة عادة من قبل المهندسين: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ و $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• التفسير النوعي: ينتج كل من 304 و316 لحامات مرنة ومقاومة للتشقق مع الإجراءات الصحيحة. يمكن أن يتطلب محتوى Mo وNi الأعلى في 316 الانتباه لاختيار المادة الملحومة لمطابقة أداء التآكل. تقلل المعالجة الحرارية بعد اللحام أو استخدام درجات منخفضة الكربون/مستقرة من الاستشعار.

6. التآكل وحماية السطح

درجات الفولاذ المقاوم للصدأ - يوفر الفيلم الساكن Cr2O3 على كل من 304 و316 مقاومة عامة للتآكل في الهواء والعديد من البيئات المائية. - بالنسبة للتآكل المحلي (النقر، تآكل الشقوق) في البيئات التي تحتوي على الكلوريد، يعتبر الموليبدينوم عنصر سبيكة فعال. استخدم رقم مقاومة النقر (PREN) كمؤشر مقارن: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ نوعيًا، سيكون 316 (مع Mo) له PREN أعلى من 304 وبالتالي مقاومة أفضل للنقر في الوسائط التي تحتوي على الكلوريد. - يحدث الاستشعار والتآكل بين الحبيبات إذا اجتمع الكربون مع الكروم عند حدود الحبيبات؛ تخفف الدرجات منخفضة الكربون أو المستقرة من ذلك.

الفولاذ غير المقاوم للصدأ - بالنسبة للفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك (ليس موضوع هذه المقارنة)، تشمل طرق حماية التآكل الجلفنة، الطلاء، الطلاءات البوليمرية، أو الحماية الكاثودية. لا ينطبق PREN على المعادن غير المقاومة للصدأ.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: يُعتبر 304 عمومًا أسهل قليلاً في التشكيل والسحب من 316 في الحالة المعالجة حراريًا؛ كلاهما يستخدم على نطاق واسع في السحب العميق والأشكال المعقدة. يزيد العمل البارد من القوة ولكنه يقلل من الليونة.
• قابلية التشغيل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني بسبب تصلب العمل والمتانة. غالبًا ما يكون 316، بسبب Mo ونيكل أعلى، أقل سهولة في التشغيل من 304 ويمكن أن يتسبب في تآكل سريع للأدوات؛ استخدم أدوات حادة، إعدادات صلبة، تغذية إيجابية، ومواد تبريد مناسبة.
• تشطيب السطح: كلاهما يأخذ تشطيبات ميكانيكية وطلاء كهربائي قياسية. غالبًا ما يُفضل 316 حيث سيتم الاعتماد على الطلاء الكهربائي والتخميل في البيئات التي تحتوي على الكلوريد.
• إرشادات التشكيل واللحام: تجنب التسخين الزائد والاحتفاظ لفترات طويلة في نطاق 500–800 °م لتجنب الاستشعار؛ خطط لتسلسل اللحام واختيار المواد الملحومة للحفاظ على أداء التآكل.

8. التطبيقات النموذجية

304 — الاستخدامات النموذجية	316 — الاستخدامات النموذجية
معدات المطبخ، الأحواض، معدات معالجة الطعام (غير الكلوريد)	الأجهزة البحرية، المضخات، الصمامات، والتجهيزات المعرضة لمياه البحر
تشطيبات معمارية وحواجز داخلية	معدات كيميائية وبترولية تتعامل مع الكلوريدات أو الأحماض
معدات المشروبات والألبان	الأجهزة الطبية والصيدلانية حيث تكون مقاومة الكلوريد مطلوبة
المثبتات (استخدام داخلي)، الألواح الزخرفية	المبادلات الحرارية، أنابيب المكثف في المصانع البحرية أو الساحلية
تشطيبات السيارات ومكونات الداخلية	المنصات البحرية، مكونات بناء السفن، البنية التحتية الساحلية

مبررات الاختيار - اختر 304 عندما لا تتضمن الخدمة هجومًا كبيرًا من الكلوريد وتكون التكلفة وقابلية التشكيل من الأولويات. - اختر 316 عندما تتضمن الخدمة التعرض لمياه البحر، أو المحاليل الملحية، أو المواد الكيميائية الغنية بالكلوريد حيث تكون مقاومة النقر والشقوق المحسنة مطلوبة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون 316 أكثر تكلفة من 304 لأن الموليبدينوم وغالبًا ما يكون النيكل الأعلى يزيدان من تكلفة المواد. تختلف الفروقات السعرية مع تقلبات السوق في النيكل والموليبدينوم.
• التوافر: 304 متوفر بشكل أوسع في مجموعة أوسع من أشكال المنتجات (ورقة، لوح، قضيب، مثبتات) والسماكات. 316 متوفر على نطاق واسع ولكن قد يكون له أوقات تسليم أطول أو كميات طلب دنيا أعلى لبعض أشكال المنتجات المتخصصة (مثل الأنابيب غير الملحومة ذات القطر الكبير أو الألواح الثقيلة).
• ملاحظة الشراء: حدد الدرجة الدقيقة، شكل المنتج، وأي نسخ منخفضة الكربون أو مستقرة عند الطلب لتجنب البدائل التي قد تؤثر على أداء التآكل.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي)

الجانب	304	316
قابلية اللحام	ممتازة (استخدم 304L أو الاستقرار حسب الحاجة)	ممتازة (استخدم 316L أو الاستقرار حسب الحاجة)
القوة–المتانة	جيدة؛ مشابهة لـ 316 في الحالة المعالجة حراريًا	جيدة؛ مشابهة لـ 304 في الحالة المعالجة حراريًا؛ تحتفظ بالمتانة في البيئات التآكلية
مقاومة التآكل (عامة)	جيدة	أفضل في البيئات الغنية بالكلوريد/النقر بسبب Mo
قابلية التشكيل	أفضل قليلاً للسحب العميق	أقل قابلية للتشكيل قليلاً؛ أفضل للخدمة في ظروف التآكل الشديدة
قابلية التشغيل	أسهل قليلاً من 316	أكثر تحديًا قليلاً؛ يتصلب أكثر
التكلفة	أقل	أعلى (محتوى Mo وNi يزيد التكلفة)

الاستنتاجات والتوصيات - اختر 304 إذا: - كانت التطبيق داخليًا أو تتضمن خدمة غير غنية بالكلوريد (معدات الطعام، التشطيبات المعمارية) حيث تكون مقاومة التآكل العامة، التكلفة المنخفضة، وقابلية التشكيل الجيدة هي الأولوية. - كنت ترغب في أقصى توافر عبر أشكال المنتجات والأحجام بتكلفة مواد أقل. - اختر 316 إذا: - كانت بيئة الخدمة تشمل الكلوريدات، مياه البحر، المحاليل الملحية، أو الوسائط الكيميائية التي تعزز من تآكل النقر والشقوق. - كانت الحياة الأطول في البيئات العدوانية، وتقليل الصيانة، أو موثوقية المواد الأعلى تبرر التكلفة الأعلى للمواد. - كنت بحاجة إلى تحسين الأداء في التجميعات الملحومة حيث تكون مقاومة التآكل المحلية في منطقة اللحام حاسمة (وكنت تختار الخيارات المناسبة منخفضة الكربون/المستقرة حسب الحاجة).

نصيحة نهائية للشراء: حدد دائمًا النسخة الدقيقة من الدرجة (مثل 304L، 316L، 316Ti)، شكل المنتج، تشطيب السطح، وأي متطلبات اختبار أو شهادة. بالنسبة للبيئات الحرجة أو العدوانية، ضع في اعتبارك اختبار التآكل في المختبر، التجارب الميدانية، أو تأهيل المواد للتحقق من اختيار الدرجة للخدمة المقصودة.