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

مقدمة

النوع 304 و 316L هما أكثر أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي شيوعًا في الصناعة. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بوزن مقاومة التآكل وخصائص التصنيع وقابلية اللحام والأداء الميكانيكي وتكلفة دورة الحياة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية معدات خدمات الطعام والتشطيبات المعمارية (حيث تهم التكلفة والمظهر) مقابل البيئات البحرية أو معالجة المواد الكيميائية (حيث تكون مقاومة الكلور/التآكل العميق والأداء طويل الأمد ضد التآكل أمرًا بالغ الأهمية).

على مستوى عالٍ، فإن التمييز العملي الرئيسي هو استراتيجية السبائك: يحتوي 316L على الموليبدينوم وتوازن مختلف قليلاً من النيكل/الكروم وكربون أقل من 304، مما يحسن بشكل كبير مقاومة التآكل الناتج عن الكلور بينما يزيد من تكلفة المواد. بسبب هذه الاختلافات، يتم مقارنة 304 و 316L كلما قام المصممون بموازنة مقاومة التآكل وسلوك التصنيع/اللحام والمتطلبات الميكانيكية والميزانية.

1. المعايير والتسميات

المعايير الدولية الشائعة والمعرفات النموذجية لكل درجة:

• ASTM/ASME
• 304: ASTM A240 (لوح)، A276 (قضبان)، UNS S30400
• 316L: ASTM A240 (لوح)، A276 (قضبان)، UNS S31603
• EN (أوروبا)
• 304: EN 1.4301
• 316L: EN 1.4404
• JIS (اليابان)
• 304: SUS304
• 316L: SUS316L
• GB (الصين)
• 304: 06Cr19Ni10 (أو ما يعادلها)
• 316L: 0Cr17Ni12Mo2 (أو ما يعادلها)

التصنيف: كل من 304 و 316L هما فولاذان مقاومان للصدأ (عائلة أوستنيتي). هما ليسا فولاذًا كربونيًا أو فولاذ أدوات أو فولاذ سبائكي أو HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوفر الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية (نسبة الوزن %) الموجودة عادةً في مواصفات ASTM/EN أو أوراق بيانات الصناعة. القيم هي نطاقات وتعتمد على المعيار/شكل المنتج المحدد.

عنصر	304 (نطاق نموذجي، wt%)	316L (نطاق نموذجي، wt%)
C	≤ 0.08	≤ 0.03
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.5–19.5 (≈18%)	16.0–18.0 (≈16–17%)
Ni	8.0–10.5 (≈8–10%)	10.0–14.0 (≈10–12%)
Mo	— (أثر)	2.0–3.0
V	أثر	أثر
Nb (Cb)	—	أثر (ليس نموذجيًا لـ 316L)
Ti	—	أثر (ليس نموذجيًا لـ 316L)
B	أثر	أثر
N	≤ 0.10 (إذا تم تحديده)	≤ 0.10 (إذا تم تحديده)

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يوفر الكروم (Cr) الفيلم الأكسيدي الساكن الذي يحدد سلوك الفولاذ المقاوم للصدأ؛ كلا الدرجتين لديهما كمية كافية من الكروم لمقاومة التآكل العامة. - يعمل النيكل (Ni) على استقرار المرحلة الأوستنيتية ويحسن المتانة وقابلية التشكيل. - يحسن الموليبدينوم (Mo) في 316L بشكل كبير مقاومة التآكل الناتج عن التآكل العميق في البيئات التي تحتوي على الكلور. - يقلل تقليل الكربون (C) في 316L (التسمية "L") من الحساسية أثناء اللحام ويقلل من القابلية للتآكل بين الحبيبات. - قد تُستخدم العناصر الثانوية والنيتروجين في بعض المواصفات لضبط القوة ومقاومة التآكل المحلية.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية: - كل من 304 و 316L هما أوستنيتيان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في الحالة المعالجة عند درجة حرارة الغرفة. عمومًا، لا يتحولان إلى الفيريت أو المارتينسيت خلال الدورات الحرارية العادية، باستثناء عندما يتم العمل عليهما بشكل بارد بشكل كبير (مما يمكن أن يحفز المارتينسيت الناتج عن الإجهاد محليًا في 304).

استجابة المعالجة الحرارية/المعالجة: - لا يتم تقوية الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من خلال المعالجات الحرارية التقليدية للتبريد والتقسية. تعيد المعالجة الحرارية (المعالجة الحرارية عند ~1000–1150 °م حسب المواصفة) تهيئة البنية المجهرية الأوستنيتية المعالجة وتذيب الكربيدات. - تحدث الحساسية (ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات) إذا تم الاحتفاظ بالأقسام تقريبًا بين 425–850 °م أثناء اللحام أو المعالجة الحرارية. يقلل الكربون المنخفض (316L) من المخاطر. - تتحكم المعالجة الحرارية الميكانيكية (العمل البارد + المعالجة الحرارية) في بنية الحبيبات والخصائص الميكانيكية؛ يزيد العمل البارد من القوة من خلال تصلب الإجهاد ولكنه أيضًا يزيد من الضغوط المتبقية وقد يزيد من القابلية للتآكل المحلي إذا تم تعطيل الفيلم الساكن السطحي. - لا ينطبق التوحيد على تقوية الدرجات الأوستنيتية؛ المعالجة الحرارية هي المعيار لإزالة تصلب الإجهاد واستعادة مقاومة التآكل.

4. الخصائص الميكانيكية

يستعرض الجدول أدناه القيم الميكانيكية النموذجية لأشكال المنتجات المعالجة (ورقة/لوح/قضبان). تعتمد نطاقات الخصائص على شكل المنتج (مدرفل على البارد مقابل مدرفل على الساخن مقابل مطروق) والسماكة.

الخاصية (المعالجة، نموذجية)	304	316L
قوة الشد (ميغاباسكال)	~515–720	~485–690
قوة العائد، 0.2% (ميغاباسكال)	~205–310	~170–300
التمدد (A %، نموذجي)	~40–60%	~40–60%
صلابة التأثير (Charpy V، درجة حرارة الغرفة)	جيدة؛ عمومًا عالية	مقارنة أو أفضل قليلاً في درجات الحرارة المنخفضة
الصلابة (HB/HRB، معالجة نموذجية)	~100–200 HB	~95–190 HB

التفسير: - كلا الدرجتين مرنتان وقويتان في الحالة المعالجة. غالبًا ما يظهر 304 قوة شد/عائد اسمية أعلى قليلاً في بعض أشكال المنتجات، لكن الاختلافات صغيرة وتعتمد على شكل المنتج. - يقلل الكربون المنخفض في 316L من خطر الهشاشة الناتجة عن ترسيب الكربيد ويحسن الأداء بعد اللحام. - بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية، يتم اختيار العمل البارد أو سبائك بديلة؛ يتم اختيار هذه الأوستنيتات بشكل أساسي لمقاومة التآكل وقابلية التشكيل بدلاً من القوة العالية.

5. قابلية اللحام

تعتبر الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية عمومًا من بين أكثر السبائك قابلية للحام. اعتبارات رئيسية لقابلية اللحام: - يؤثر محتوى الكربون على الحساسية؛ يقلل الكربون المنخفض في 316L من ترسيب الكربيد أثناء دورات اللحام الحرارية، مما يحسن مقاومة التآكل بين الحبيبات دون الحاجة إلى معالجة حرارية بعد اللحام. - تتمتع الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية بصلابة منخفضة ولا تميل إلى التشقق البارد الناتج عن الهيدروجين كما هو الحال في الفولاذ الكربوني. ومع ذلك، فهي عرضة للتشوه بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة وارتفاع معامل التمدد الحراري.

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (استخدام نوعي فقط): - المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - صيغة Pcm الأكثر شمولاً: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير: - كل من 304 و 316L تنتج قيم منخفضة من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ مقارنة بالفولاذات عالية القوة وعالية الكربون، مما يشير إلى قابلية لحام جيدة. يقلل الكربون المنخفض في 316L من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ بشكل أكبر، مما يجعله مفضلًا للحام الأجزاء الثقيلة أو عندما يرغب المصمم في تجنب المعالجة الحرارية بعد اللحام. - خيارات الحشو الشائعة: استخدم حشو مطابق (مثل 308L لـ 304، حشو 316L/316 لـ 316L) للحفاظ على مقاومة التآكل في معدن اللحام. بالنسبة للوصلات غير المتشابهة، اختر حشو لتجنب نقاط الضعف الجلفانية أو التآكل.

6. التآكل وحماية السطح

• السلوك المقاوم للصدأ: يعتمد كلاهما على فيلم أكسيد الكروم الساكن لمقاومة التآكل العامة. بالنسبة للغمر أو البيئات العدوانية المحتوية على الكلور، يكون الموليبدينوم حاسمًا.
• عدد مقاومة التآكل العميق (PREN) هو مؤشر شائع لمقاومة التآكل المحلي (التآكل العميق): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• الآثار النموذجية لـ PREN:
• 304: تفتقر إلى Mo، PREN مدفوع بشكل رئيسي بواسطة Cr وأي N؛ يعني PREN المنخفض زيادة القابلية للتآكل العميق في البيئات المحتوية على الكلور.
• 316L: يعزز Mo PREN، مما يحسن مقاومة التآكل العميق والتآكل في الشقوق في الوسائط المحتوية على الكلور (مياه البحر، المحاليل الملحية، بعض تدفقات العمليات الكيميائية).
• الفولاذات غير المقاومة للصدأ: للسياق، تتطلب الفولاذات الكربونية/السبائكية حماية سطحية مثل الجلفنة أو الطلاءات أو الدهانات؛ لا ينطبق PREN عليها.

القابلية للاستخدام: - استخدم 304 في الأجواء، والتعرض الكيميائي المعتدل، والاتصال بالطعام، والبيئات الداخلية. - استخدم 316L حيث يُتوقع التعرض للكلور، أو الأجواء البحرية، أو المواد الكيميائية الهالوجينية، أو حيث ستظل المكونات الملحومة في ظروف الخدمة التي قد تعزز الحساسية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: تعمل الأوستنيتات على تصلب؛ عادةً ما يكون 316L أقل قابلية للتشغيل من 304 لأن Mo يقلل من الموصلية الحرارية ويزيد من تآكل الأدوات في بعض العمليات. استخدم أدوات حادة، وتغذية بطيئة مع تبريد كثيف، وأدوات كربيد لكليهما.
• قابلية التشكيل: كلا الدرجتين قابلتان للتشكيل بدرجة عالية؛ غالبًا ما يُفضل 304 للتشكيل العميق والأعمال الزخرفية بسبب القوة الأعلى قليلاً والمرونة الجيدة. يؤدي 316L أداءً جيدًا في التشكيل ويفضل عندما تكون اللحام اللاحق أو مقاومة التآكل ذات أولوية.
• تشطيب السطح: كلاهما يلمع لإنهاء جمالي جيد؛ قد يتطلب 316L تنظيفًا أكثر دقة بعد اللحام لاستعادة الفيلم الساكن في الخدمة التآكلية.
• اعتبر الارتداد: تمتلك الأوستنيتات معامل مرونة مرتفع نسبيًا وتظهر ارتدادًا في الانحناء؛ يجب أن يأخذ تصميم الأداة ذلك في الاعتبار.

8. التطبيقات النموذجية

304 – الاستخدامات النموذجية	316L – الاستخدامات النموذجية
معدات المطبخ، الأحواض، الأجهزة، معدات معالجة الطعام (غير المحتوية على الكلور)	الأجهزة البحرية، تجهيزات القوارب، مضخات مياه البحر، المبادلات الحرارية
تشطيبات معمارية وحواجز	أنابيب العمليات الكيميائية، الخزانات، والتجهيزات المعرضة للكلور
المثبتات والأجهزة للاستخدام الداخلي	المعدات الصيدلانية والطبية (316L أو 316LVM للزراعة)
معدات المشروبات والألبان (حيث يكون التعرض للكلور محدودًا)	البناء البحري والساحلي، التعامل مع المحاليل الملحية

مبررات الاختيار: - اختر 304 عندما تكون الجمالية، ومقاومة التآكل المعتدلة، وكفاءة التكلفة هي المحركات الرئيسية وكان التعرض للكلور محدودًا. - اختر 316L عندما تتضمن الخدمة الكلور، أو عندما تكون مقاومة التآكل العميق/التآكل في الشقوق مطلوبة، أو عندما يجب أن تقاوم التجميعات الملحومة الهجوم بين الحبيبات دون معالجة حرارية بعد اللحام.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: 316L أغلى من 304 بسبب إضافة Mo وغالبًا ما يكون Ni أعلى. يختلف سعر البريميوم مع أسعار المعادن في السوق (تقلبات النيكل والموليبدينوم) وشكل المنتج.
• التوافر: كلا الدرجتين متوفرتان على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في شكل ورقة، لوح، أنبوب، قضيب، وأنابيب. عادةً ما يكون 304 هو الخيار الأكثر توفرًا والأقل تكلفة؛ 316L متوفر بشكل شائع ولكن قد يكون أقل توفرًا في الأحجام أو التشطيبات الخاصة.
• ملاحظة الشراء: عند تحديد 316L، تأكد من أوقات التسليم والمخزون في شكل المنتج المطلوب (مثل الأنبوب غير الملحوم، الأنبوب الملحوم، قياس الورقة).

10. الملخص والتوصية

المعيار	304	316L
قابلية اللحام	ممتازة (استخدم حشوات منخفضة الكربون للتجميعات الملحومة)	ممتازة - متفوقة للحام الثقيل وخطر الحساسية المنخفض
القوة–المتانة	جيدة؛ قوة اسمية أعلى قليلاً في بعض الأشكال	متانة قابلة للمقارنة؛ قوة عائد أقل قليلاً في بعض الأشكال ولكن متانة ممتازة في درجات الحرارة المنخفضة
التكلفة	أقل (أكثر اقتصادية)	أعلى (سعر بريميوم لـ Mo/Ni)

التوصية: - اختر 304 إذا كانت التكلفة ومقاومة التآكل العامة هي الاحتياجات الأساسية، للأعمال المعمارية الداخلية، ومعدات خدمات الطعام (غير المحتوية على الكلور)، والتصنيع العام حيث يكون التشكيل العميق أو التشطيب السطحي أمرًا أساسيًا. - اختر 316L إذا كانت مقاومة التآكل الناتجة عن الكلور/التآكل في الشقوق مصدر قلق، إذا كانت التجميعات الملحومة يجب أن تتجنب التآكل بين الحبيبات دون معالجة حرارية بعد اللحام، أو عندما تكون الخدمة بحرية أو معالجة كيميائية أو عدوانية أخرى. استخدم 316L عندما تفوق تكلفة دورة الحياة والموثوقية في البيئات العدائية تكلفة المواد الأعلى.

نصيحة عملية نهائية: استشر معايير المواد وأوراق بيانات المنتجات للحصول على التركيب الدقيق والخصائص الميكانيكية لشكل المادة من المورد، وقم بتقييم اختبارات التآكل (مثل اختبارات مقاومة التآكل العميق أو الاستقطاب الدوري) للتطبيقات الحرجة المعرضة للكلور.