304 مقابل 430 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

عندما يختار المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين درجات الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و430، فإنهم عادةً ما يوازنوا بين مقاومة التآكل والسلوك الميكانيكي والاستجابة المغناطيسية والتكلفة. تشمل سياقات القرار الشائعة مواصفات المعدات الغذائية والطبية (حيث تهم مقاومة التآكل وعدم المغناطيسية) مقابل الأجهزة وقطع السيارات (حيث تكون التكلفة وقابلية التشكيل والاستجابة المغناطيسية مهمة).

تأتي الاختلافات الرئيسية من استراتيجية السبائك: الدرجة 304 هي فولاذ مقاوم للصدأ من نوع الأوستنيتي مع كروم ونيكل، مُحسّن لمقاومة التآكل والصلابة، بينما الدرجة 430 هي فولاذ مقاوم للصدأ من نوع الفيريتك مع محتوى سبيكة أقل، واستجابة مغناطيسية، وعادةً ما تكون مقاومته للتآكل أقل في البيئات العدوانية. هذه الكيميائيات المتناقضة تؤدي إلى اختلافات في البنية المجهرية وقابلية اللحام والتصنيع واختيار التطبيقات.

1. المعايير والتسميات

• 304: التسميات الشائعة — UNS S30400، AISI 304، EN 1.4301، JIS SUS304، GB 06Cr19Ni10. مصنفة كفولاذ مقاوم للصدأ، أوستنيتي.
• 430: التسميات الشائعة — UNS S43000، AISI 430، EN 1.4016 (أو 1.4016/1.4010 المتغيرات)، JIS SUS430، GB 0Cr17. مصنفة كفولاذ مقاوم للصدأ، فيريتيك.

كلاهما مشمول بمعايير الصفائح/الألواح/الأنابيب مثل ASTM A240 (المنتجات المسطحة) ومختلف المعادلات EN/JIS. ليست فولاذات كربونية، أو فولاذات أدوات، أو درجات HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوضح الجدول نطاقات التركيب النموذجية للدرجات التجارية 304 و430 (تختلف النطاقات حسب المعيار وشكل المنتج؛ القيم معبر عنها كنسبة مئوية بالوزن).

عنصر	304 (نطاق نموذجي)	430 (نطاق نموذجي)
C	≤ 0.08	≤ 0.12
Mn	≤ 2.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	18.0–20.0	16.0–18.0
Ni	8.0–10.5	≤ 0.75
Mo	≈ 0	≈ 0
V	trace / none	trace / none
Nb (Cb)	none (except stabilized variants)	none
Ti	none (except stabilized variants)	none
B	trace / none	trace / none
N	≤ 0.11	≤ 0.1 (often not specified)

تداعيات استراتيجية السبائك: - يوفر الكروم سلبية أساسية مقاومة للصدأ لكلا الدرجتين؛ تحسين محتوى الكروم يزيد من مقاومة الأكسدة والتآكل العام. - النيكل يثبت الأوستنيت، ويزيد من الصلابة وقابلية التشكيل، ويحسن بشكل كبير من مقاومة التآكل في العديد من البيئات - وهذا هو المفتاح لأداء 304. - محتوى السبيكة المنخفض في 430 يجعله أقل مقاومة للتآكل في البيئات الغنية بالكلوريد أو الحمضية ولكنه يوفر خصائص مغناطيسية وتكلفة أقل. - غياب العناصر القوية التي تعزز الصلابة (Mo، V، Nb) يعني أن أي من الدرجتين لا يتم تقويتها بواسطة التبريد والتقسية التقليدية؛ يتم تعزيزها بشكل أساسي بواسطة العمل البارد (لـ 304 الأوستنيتي) أو حالات السبيكة/الشد (لـ 430).

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• 304: أوستنيتي بالكامل (مكعب مركزي الوجه، FCC) في درجة حرارة الغرفة بسبب محتوى النيكل الكافي والكروم المتوازن. الأوستنيت مستقر، مما يؤدي إلى صلابة ومرونة ممتازة على مدى نطاق واسع من درجات الحرارة. المعالجة الحرارية (عادةً ~1000–1100 °م تليها تبريد سريع) تذيب الرواسب وتستعيد مقاومة التآكل بعد اللحام؛ العمل البارد يزيد من القوة عن طريق تصلب الإجهاد ويمكن أن يحفز بعض التحول المارتنسيت في ظروف العمل البارد الشديدة (في الاستجابة المغناطيسية).
• 430: بنية مجهرية فيريتيك (مكعب مركزي الجسم، BCC) في درجة حرارة الغرفة. الفيريت غير مغناطيسي ولا يتحول إلى مارتنسيت عند التبريد من درجة حرارة عالية بنفس الطريقة التي تعمل بها الفولاذات المارتنسيتية. لا يمكن تقوية الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتك بواسطة التبريد والتقسية؛ تستخدم المعالجة الحرارية (حوالي 750–900 °م حسب المواصفات، تليها تبريد ببطء في الفرن) لتليين واستعادة المرونة. العمل البارد يزيد من القوة ولكنه يقلل من المرونة.

ملخص استجابة المعالجة الحرارية: - التهدئة/التبريد والتقسية: غير قابلة للتطبيق كطرق تقوية لأي من الدرجتين بالطريقة المستخدمة للفولاذات الكربونية أو السبيكة. - المعالجة الحرارية ضرورية لـ 304 بعد التعرض لدرجات حرارة عالية لتجنب ترسيب كربيد الكروم (الحساسية) واستعادة مقاومة التآكل. - 430 عرضة لنمو الحبيبات وتدهور المرونة مع دورات اللحام الحرارية غير الصحيحة؛ المعالجة الحرارية المنضبطة تستعيد الخصائص.

4. الخصائص الميكانيكية

يعتمد السلوك الميكانيكي النموذجي على شكل المنتج (ورقة، لوح، قضيب) والحرارة (معالجة حرارية مقابل العمل البارد). القيم أدناه تشير إلى نطاقات نموذجية للمنتجات التجارية المعالجة حرارياً؛ استشر شهادات المواد للقيم التصميمية الدقيقة.

خاصية	304 (معالجة حرارية، نموذجية)	430 (معالجة حرارية، نموذجية)
قوة الشد (UTS)	~520–750 ميغاباسكال	~450–620 ميغاباسكال
قوة العائد (0.2% انزلاق)	~200–310 ميغاباسكال	~200–350 ميغاباسكال
التمدد (موحد/إجمالي)	~40–60% (مرونة جيدة)	~20–40% (مرونة أقل)
صلابة التأثير (في درجة حرارة الغرفة)	عالية، تحتفظ بالصلابة عند درجات حرارة منخفضة	متوسطة؛ تقل عند درجات الحرارة المنخفضة
الصلابة (HRB)	~70–95	~60–90

التفسير: - 304 بشكل عام تقدم مرونة وصلابة أعلى بسبب البنية المجهرية الأوستنيتية ومحتوى النيكل. - 430 يمكن أن يكون له قوة عائد مماثلة في بعض درجات الحرارة ولكن عادةً ما تكون مرونته وصلابته أقل، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة. - كلا الدرجتين تزيدان من القوة مع العمل البارد؛ 304 تتصلب بشكل أكثر وضوحًا مما يؤثر على التشكيل والتشغيل الآلي.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على التركيب، المعادل الكربوني، وحساسية البنية المجهرية.

مؤشرات قابلية اللحام الرئيسية (مفيدة نوعيًا): - المعهد الدولي للحام المعادل الكربوني: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (قابلية تشقق اللحام العامة): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 304: قابلية لحام ممتازة بواسطة العمليات الشائعة (GMAW، GTAW، SMAW). يتم تحديد المتغيرات منخفضة الكربون (304L) لتقليل خطر الحساسية وتجنب التآكل بين الحبيبات بعد اللحام. المعالجة الحرارية بعد اللحام الثقيل أو الحفاظ على ممارسات إدخال حرارة منخفضة يقلل من ترسيب الكربيد. البنية المجهرية الأوستنيتية تقاوم التشقق البارد ولكن تتصلب بالقرب من اللحامات. - 430: قابلة للحام مع المواد والإجراءات المناسبة، ولكن تتطلب الحذر. الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتك لديها موصلية حرارية أعلى وسوائل لحام أقل؛ نمو الحبيبات في منطقة التأثير الحراري وتكوين مرحلة سيغما عند درجات حرارة معينة يمكن أن يقلل من الصلابة ومقاومة التآكل. عادةً لا يتطلب التسخين المسبق ولكن اختيار المواد والتحكم في إدخال الحرارة لتجنب الهشاشة وتقليل التشوهات أمر مهم. يعتمد استخدام مواد لحام فيريتيك متطابقة أو مواد لحام أوستنيتية مناسبة على الخصائص النهائية المرغوبة.

لا يتم تقديم تقييم رقمي لـ CE أو Pcm هنا - تُستخدم هذه الصيغ من قبل المهندسين لمقارنة الحالات واختيار المعالجات قبل وبعد اللحام.

6. التآكل وحماية السطح

• استخدام PREN (رقم مقاومة التآكل) شائع حيث يؤثر الموليبدينوم والنيتروجين على مقاومة التآكل: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• بالنسبة لـ 304 و430، Mo ≈ 0، وN منخفض، لذا فإن PREN مدفوع إلى حد كبير بالكروم وهو متواضع؛ 304 عادةً ما تؤدي بشكل أفضل في العديد من البيئات المائية مقارنةً بـ 430 بسبب محتوى النيكل الأعلى والفيلم السلبي الأكثر استقرارًا.

إرشادات عملية للتآكل: - 304: مقاومة جيدة للتآكل العام (الجو، العديد من المواد الغذائية، المواد الكيميائية الخفيفة). لا يُوصى بالتعرض المستمر للبيئات الغنية بالكلوريد (البحرية، أملاح إزالة الجليد) دون تدابير إضافية؛ لمقاومة الكلوريد، يُنظر في درجات تحتوي على الموليبدينوم (مثل 316) أو التحكم في التصميم والتشطيب السطحي. بعد اللحام، المعالجة الحرارية أو الدرجات منخفضة الكربون (304L) تتجنب التآكل بين الحبيبات. - 430: مقاومة جيدة للجو والمواد الكيميائية الخفيفة ولكنها أقل من 304 في البيئات المحتوية على الكلوريد والحمضية. عرضة للتآكل المحلي (التآكل النقطي) في خدمة الكلوريد العدوانية ولتشقق التآكل في بعض البيئات أقل من الأوستنيت. - حماية السطح: كلا الدرجتين تعتمد على أفلام أكسيد الكروم السلبية؛ تلميع ميكانيكي، تلميع كهربائي، أو معالجة تمرير تعزز الأداء. بالنسبة للفولاذات غير المقاومة للصدأ (ليس هذه الدرجات)، الحماية التقليدية هي الجلفنة، الطلاء، أو الطلاءات - ليست عادةً مطلوبة للفولاذ المقاوم للصدأ عندما يتم الحفاظ على سلامة السلبية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• التشكيل: 304 (أوستنيتي) تظهر قابلية تشكيل ممتازة وخصائص سحب عميق؛ يجب إدارة الارتداد القوي وتصلب العمل. 430 (فيريتيك) قابلة للتشكيل في الحالة المعالجة حرارياً ولكن لديها مرونة أقل وقدرة محدودة على السحب العميق.
• قابلية التشغيل: 430 غالبًا ما تكون أسهل في التشغيل في الحالة المعالجة حرارياً مقارنةً بـ 304 لأن الهيكل الفيريتك يميل إلى القطع بشكل أنظف؛ 304 تتصلب بسرعة وقد تتطلب معالجة حرارية متوسطة، أدوات حادة، وقوى قطع أعلى. استخدام مواد وأسرع أدوات مناسبة، وسوائل قطع، أمر ضروري لـ 304.
• تشطيب السطح: يمكن إنهاء كلاهما إلى أسطح زخرفية أو صحية؛ 304 عادةً تحقق تشطيبات أكثر إشراقًا وسهولة في التلميع بسبب طبيعتها الأوستنيتية.

8. التطبيقات النموذجية

304 — الاستخدامات النموذجية	430 — الاستخدامات النموذجية
معدات معالجة الطعام، أحواض المطبخ، أواني الطهي، معدات صيدلانية	تزيين الأجهزة (واجهات غسالات الصحون)، لوحات الأفران، داخل الميكروويف
مكونات معالجة كيميائية، مبادلات حرارية (غير غنية بالكلوريد)	تزيين معماري زخرفي، لوحات المصاعد حيث يكون المغناطيس مقبولاً
أدوات طبية، أدوات جراحية (أسطح قابلة للتعقيم)	تزيين داخلي/خارجي للسيارات، عواكس/دعامات حيث تكون الاستجابة المغناطيسية مفيدة
مسامير وأطواق تتطلب مقاومة للتآكل وصلابة	صفائح مقاومة للتآكل منخفضة التكلفة للبيئات الداخلية

مبررات الاختيار: - اختر 304 عندما تكون مقاومة التآكل، والتنظيف الصحي، والسلوك غير المغناطيسي، وقابلية التشكيل هي الأولويات. - اختر 430 عندما تكون التكلفة، والخصائص المغناطيسية، ومقاومة التآكل المعقولة في الأجواء غير العدوانية هي الأولوية.

9. التكلفة والتوافر

• 304 تحمل تكلفة مواد أعلى بسبب محتوى النيكل؛ تقلب أسعار النيكل العالمية يؤثر على تسعير 304. متاحة على نطاق واسع في أشكال الصفائح، واللفائف، والألواح، والقضبان، والأنابيب.
• 430 أقل تكلفة ومتوفرة بكثرة للصفائح واللفائف، وعادة ما تكون مخزنة للأسواق الأجهزة والمعمارية. أوقات التسليم عادةً أقصر والأسعار أكثر استقرارًا بسبب محتوى النيكل الأقل.

شكل المنتج يؤثر على السعر (مدرفلة على البارد مقابل مدرفلة على الساخن مقابل مصقولة)، ويجب أن تأخذ المشتريات في الاعتبار وقت التسليم، والتشطيب، والشهادة (مثل تقارير اختبار المصنع).

10. الملخص والتوصية

المعيار	304	430
قابلية اللحام	ممتازة (استخدم 304L/المعالجة الحرارية لتجنب الحساسية)	جيدة مع الاحتياطات (تحكم في إدخال الحرارة واختيار المواد)
الصلابة–الصلابة	صلابة ومرونة عالية؛ قوة جيدة	قوة كافية، صلابة ومرونة أقل مقارنةً بـ 304
التكلفة	أعلى (محتوى النيكل)	أقل (اقتصادية للعديد من التطبيقات)

اختر 304 إذا: - كنت بحاجة إلى مقاومة عامة للتآكل متفوقة، أسطح صحية وقابلة للتنظيف، سلوك غير مغناطيسي، وقابلية تشكيل/صلابة ممتازة (مثل، الطعام، الطبية، البيئات الكيميائية).

اختر 430 إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ منخفض التكلفة مع مقاومة معقولة للتآكل الجوي، خصائص مغناطيسية (مثل، حيث يكون الكشف أو التعلق المغناطيسي مطلوبًا)، وقابلية تشكيل جيدة للتطبيقات الداخلية والزخرفية مع تعرض محدود للكلوريد.

ملاحظة نهائية: يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار بيئة الخدمة (الكلوريدات، درجات الحرارة)، الأحمال الميكانيكية، مسار التصنيع (التشكيل، اللحام)، التشطيب السطحي، وتكلفة دورة الحياة الإجمالية. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، قم بإجراء فحص توافق المواد (اختبارات تآكل مختبرية أو بيانات ميدانية) واستشر مواصفات ASTM/EN/JIS المحدثة للحصول على التركيب الدقيق والخصائص الميكانيكية القابلة للشهادة.