304H مقابل 321H - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

304H و 321H هما درجتان من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي تُستخدمان عادةً في التطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للحرارة والصدأ. غالبًا ما يوازن المهندسون والمتخصصون في الشراء بين المزايا والعيوب المتعلقة بمقاومة الصدأ، وأداء درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام، والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية مكونات الأوعية الضاغطة ومكونات الأفران، وأنابيب المبادلات الحرارية، وأنابيب في مصانع البتروكيماويات أو توليد الطاقة.

التمييز الفني الرئيسي هو سلوكهما عند درجات الحرارة المرتفعة: 321H مستقر مع التيتانيوم لمقاومة ترسيب كربيد الكروم والصدأ الناتج عن حدود الحبيبات والأكسدة خلال التعرض المطول لدرجات الحرارة العالية، بينما يعتمد 304H على نسبة كربون أعلى للاحتفاظ بالقوة عند درجات الحرارة ولكنه أكثر عرضة للتحسس ما لم يتم معالجته بعناية. بسبب ذلك، يتم مقارنة الدرجتين بشكل روتيني للخدمة عند درجات الحرارة المتوسطة والعالية حيث تكون الأكسدة، ومقاومة الزحف، والصدأ بعد اللحام من القضايا المهمة.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والمواصفات الشائعة:
• ASTM/ASME: A240/A312 (صفائح، ألواح، وأنابيب للفولاذ المقاوم للصدأ)؛ A358/A213 لبعض التطبيقات ذات الحرارة العالية.
• EN: سلسلة EN 10088 (الفولاذ المقاوم للصدأ).
• JIS: توجد معادلات JIS G4303/G4305 لسلسلة 300.
• GB: معايير GB/T للفولاذ المقاوم للصدأ (معايير وطنية لجمهورية الصين).
• التصنيف:
• كلا من 304H و 321H هما فولاذان مقاومان للصدأ (أوستنيتيان).
• هما ليسا فولاذين كربونيين، أو فولاذ أدوات، أو درجات HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: نطاقات التركيب النموذجية (نسبة الوزن %) — تعكس النطاقات نطاقات المواصفات الشائعة؛ الحدود الدقيقة تعتمد على المعيار وشكل المنتج.

عنصر	304H (نطاقات نموذجية)	321H (نطاقات نموذجية)
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
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	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 11.0	9.0 – 12.0
Mo	عادة ≤ 0.6 (غالبًا غائب)	عادة ≤ 0.6 (غالبًا غائب)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	≤ 0.7 (عادة منخفضة أو معدومة)	5 × C (حد أدنى) إلى ≈ 0.7
B	أثر/مراقب	أثر/مراقب
N	أثر؛ كميات صغيرة	أثر؛ كميات صغيرة

ملاحظات: - 304H هو نوع أعلى كربونًا من 304 مصمم للاحتفاظ بقوة الشد عند درجات الحرارة المرتفعة؛ العناصر المستقرة لا تُضاف عمدًا. - 321H مستقر بالتيتانيوم: يربط التيتانيوم الكربون ككربيدات/كاربونيتريدات التيتانيوم خلال التعرض الحراري، مما يمنع تكوين كربيد الكروم عند حدود الحبيبات. - وجود التيتانيوم في 321H يميز استراتيجيته في السبائك: الاستقرار للخدمة عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الصدأ بين الحبيبات بعد دورات التحسس.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يزيد الكربون من قوة درجات الحرارة العالية ولكنه يزيد من خطر التحسس (ترسيب كربيد الكروم) الذي يمكن أن يؤدي إلى تآكل بين الحبيبات. - يوفر الكروم مقاومة للصدأ ومقاومة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية من خلال تشكيل طبقة أكسيد واقية. - يثبت النيكل المرحلة الأوستنيتية، مما يحسن المتانة والليونة. - يلتقط التيتانيوم (في 321H) الكربون ويقلل من تكوين كربيد الكروم، مما يحسن المقاومة للهجوم عند حدود الحبيبات خلال التعرض لدرجات الحرارة العالية.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• البنية المجهرية النموذجية (مُعالجة حراريًا): كلا الدرجتين أوستنيتيتان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في الحالة المعالجة حراريًا. قد تظهر تشتتات كربيد أو كربيد التيتانيوم اعتمادًا على التاريخ الحراري.
• 304H: محتوى الكربون الأعلى ينتج عنه ميل أكبر لترسيب الكربيد (Cr23C6) بعد التعرض في نطاق التحسس (~450–850 °C). يحدث هذا الترسيب عند حدود الحبيبات ويمكن أن يؤدي إلى نقص محلي في الكروم وتآكل بين الحبيبات. بدون الاستقرار، قد تظهر البنية المجهرية بعد التعرض شبكات كربيد مستمرة عند الحدود.
• 321H: يشكل التيتانيوم كربيدات/نيتريدات التيتانيوم المستقرة بشكل تفضيلي على كربيدات الكروم. وهذا يؤدي إلى نقص أقل في الكروم عند الحدود وبنية مجهرية أكثر مقاومة للتحسس عند درجات الحرارة العالية والهجوم بين الحبيبات.

طرق المعالجة الحرارية والمعالجة: - المعالجة الحرارية: المعالجة الحرارية النموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (بما في ذلك 304H و 321H) تكون حوالي 1010–1120 °C تليها تبريد سريع للاحتفاظ بهيكل أوستنيتي متجانس. يقلل التبريد السريع من ترسيب الكربيد. - التهدئة ليست معيارية لهذه الدرجات الأوستنيتية لأنها لا تظهر تحول الفريت-بيرلايت النموذجي للفولاذ الكربوني. - التبريد والتقسية: غير قابلة للتطبيق بمعنى الفولاذ الكربوني؛ الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لا يتم تقسيته من خلال التحول المارتنسيت. - المعالجات الحرارية الميكانيكية: العمل البارد يزيد من القوة من خلال تصلب الإجهاد لكلا الدرجتين؛ قد يتم تطبيق التهدئة النهائية اعتمادًا على الخصائص المطلوبة. - للخدمة التي تمر عبر درجات حرارة التحسس أو تتطلب استقرارًا طويل الأمد عند درجات الحرارة المرتفعة، يتطلب 321H تحكمًا أقل في الحرارة بعد اللحام لتجنب التحسس مقارنةً بـ 304H.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: نطاقات الخصائص النموذجية عند درجة حرارة الغرفة (إرشادية؛ تعتمد على شكل المنتج، والسماكة، والمواصفة الدقيقة)

الخاصية	304H (مُعالج حراريًا، نموذجي)	321H (مُعالج حراريًا، نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال)	480 – 700	480 – 700
قوة الخضوع، 0.2% (ميغاباسكال)	190 – 310	190 – 310
التمدد (%)	40 – 60	40 – 60
صلابة التأثير (شاربي V، درجة حرارة الغرفة)	عالية؛ ليونة جيدة	عالية؛ ليونة جيدة
الصلابة (HB أو HRB، مُعالج حراريًا)	منخفضة–متوسطة (ناعمة)	منخفضة–متوسطة (ناعمة)

التفسير: - عند درجة حرارة الغرفة وفي الحالة المعالجة حراريًا، تتمتع 304H و 321H بخصائص شد وخضوع وليونة متشابهة جدًا لأن كلاهما فولاذان مقاومان للصدأ الأوستنيتي بمحتويات كروم ونيكل قابلة للمقارنة. - تصبح الاختلافات أكثر وضوحًا خلال التعرض المطول لدرجات الحرارة العالية: قد تفقد 304H مقاومة الصدأ المحلية والليونة عند حدود الحبيبات إذا تم تحسسها؛ بينما تحتفظ 321H بكيمياء حدود الحبيبات الأكثر استقرارًا وبالتالي تحافظ على المتانة ومقاومة الصدأ بشكل أفضل في تلك الأنظمة. - يجب أن يأخذ اختيار الخصائص الميكانيكية في الاعتبار شكل المنتج (صفائح، ألواح، أنابيب)، العمل البارد، وما إذا كانت المكونة ستستخدم في خدمة حرارية حرجة.

5. قابلية اللحام

تشمل اعتبارات قابلية اللحام محتوى الكربون (الكربون الأعلى يزيد من القابلية للتصلب وخطر التحسس)، وجود العناصر المستقرة، والتحكم في إدخال الحرارة.

مؤشرات قابلية اللحام الشائعة: - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - رقم المعادل لمقاومة التآكل (عندما يكون ذا صلة بتقييم تآكل التآكل): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - كلا من 304H و 321H يمكن لحامهما بسهولة بواسطة العمليات القياسية (TIG، MIG، SMAW، إلخ). نظرًا لأنهما أوستنيتيان، فإنهما لا تتصلبان مارتنسيتياً وليسا عرضة للتشقق البارد. - يزيد الكربون الأعلى في 304H من خطر التحسس بعد اللحام إذا حدث تبريد بطيء؛ يمكن أن يؤدي ذلك إلى تآكل بين الحبيبات في منطقة التأثير الحراري (HAZ). يمكن أن تخفف الممارسات مثل التهدئة بعد اللحام أو التبريد السريع من ذلك. - 321H، مع استقرار التيتانيوم، أقل عرضة للتحسس بعد اللحام؛ يربط التيتانيوم الكربون أثناء التسخين/اللحام ويشكل ترسيبات مستقرة من Ti(C,N)، مما يقلل من نقص الكروم عند حدود الحبيبات. وهذا يجعل 321H خيارًا مفضلًا للوصلات التي ستتعرض لفترات طويلة في نطاق التحسس. - بالنسبة لكلا الدرجتين، تضمن الممارسات الجيدة في اللحام—التحكم في إدخال الحرارة، ودرجة حرارة التداخل، واستخدام المعادن المالئة المناسبة—أداء مقبول للوصلات. عندما تكون مقاومة الصدأ في منطقة التأثير الحراري حاسمة، اختر درجة مستقرة أو بدائل منخفضة الكربون من الدرجة L (مثل 304L).

6. الصدأ وحماية السطح

• بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ (كلا من 304H و 321H): توفر طبقة أكسيد الكروم السلبية مقاومة عامة للصدأ. لا تحتوي أي من الدرجتين على موليبدينوم كبير، لذا فإن مقاومة التآكل المحلي والتآكل في الشقوق في بيئات الكلور محدودة مقارنةً بالدرجات التي تحتوي على الموليبدينوم (مثل 316).
• PREN (لمعادلة مقاومة التآكل حيث يكون الموليبدينوم والنيتروجين مهمين): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ نظرًا لأن الموليبدينوم عادةً ما يكون غائبًا أو منخفضًا في 304H/321H والنيتروجين منخفض، ستكون قيم PREN متواضعة؛ PREN أكثر تطبيقًا على الأوستنيتيك المزدوجة والأوستنيتيك التي تحتوي على الموليبدينوم.
• الصدأ / الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة:
• تظهر 321H مقاومة محسنة للتآكل بين الحبيبات المرتبط بالتحسس والالتصاق بالطبقة خلال التعرض المطول لنطاق 500–800 °C بسبب استقرار التيتانيوم.
• يمكن أن تشكل 304H، على الرغم من تصميمها للحفاظ على قوة الشد عند درجات الحرارة المرتفعة، كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات مما يؤدي إلى نقص محلي في الكروم وتقليل مقاومة التآكل بين الحبيبات ما لم يتم التحكم في إدخال الحرارة والتبريد.
• المواد غير المقاومة للصدأ (غير قابلة للتطبيق هنا): حيث يتم استخدام الفولاذ غير المقاوم للصدأ، تشمل خيارات الحماية الجلفنة، وأنظمة الطلاء، أو الطلاءات عالية الحرارة؛ بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ عند درجات الحرارة العالية، تهيمن خصائص طبقة الأكسيد الواقية واختيار السبيكة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين نموذجيتان للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي—تتطلب سلوك العمل الصلب واللزج أدوات صلبة، وسرعات كافية، وأدوات حادة. قابلية التشغيل متوسطة ومتقاربة لكل من 304H و 321H؛ قد تكون 321H أكثر صعوبة قليلاً بسبب وجود كربيدات التيتانيوم التي تؤثر على تآكل الأدوات.
• قابلية التشكيل: كلا الدرجتين مرنتان للغاية وقابلتان للتشكيل في الحالة المعالجة حراريًا. يزيد العمل البارد من القوة من خلال تصلب الإجهاد ولكنه يقلل من الليونة.
• إنهاء السطح: كلاهما يتقبل طرق إنهاء الفولاذ المقاوم للصدأ الشائعة (الطحن، والتلميع، والتلميع الكهربائي) ويستجيب بشكل مشابه، على الرغم من أن الشوائب المحتوية على التيتانيوم في 321H يمكن أن تؤثر على سلوك النقش الدقيق.
• اللحام والعمليات بعد اللحام: كما هو مذكور، تقلل 321H من الحاجة إلى التهدئة بعد اللحام عندما تشمل الخدمة تعرضًا طويل الأمد لدرجات الحرارة العالية؛ قد تتطلب 304H مزيدًا من العناية لتجنب التحسس.

8. التطبيقات النموذجية

304H — الاستخدامات النموذجية	321H — الاستخدامات النموذجية
أوعية الضغط وأنابيب أنظمة البخار ذات درجات الحرارة المرتفعة حيث تكون القوة العالية للكربون مطلوبة ولكن يمكن التحكم في التحسس	مكونات عوادم الطائرات، وأجزاء الأفران، وأنابيب المبادلات الحرارية المعرضة لدرجات حرارة عالية دورية حيث تكون الاستقرار مطلوبًا
أنابيب المبادلات الحرارية والرؤوس في الغلايات حيث تكون قوة الشد عند درجات الحرارة العالية مطلوبة	معدات العمليات الكيميائية والبتروكيماوية المعرضة لنطاقات درجات الحرارة التحسسية أو ذات دورات حرارية متكررة
مكونات هيكلية عامة عالية الحرارة وملحقات حيث تكون مقاومة الصدأ لعائلة 304 مقبولة	أنابيب العوادم، وأغطية المحولات الحفازة، وموصلات الأفران التي تتطلب كيمياء حدود حبيبات مستقرة عند درجات الحرارة

مبررات الاختيار: - اختر 304H عندما تتطلب المكونة محتوى كربونيًا أعلى لقوة الشد عند درجات الحرارة المرتفعة ولكن الخدمة أو ممارسات اللحام تقلل من الوقت في نافذة التحسس 450–850 °C. - اختر 321H عندما تتضمن الخدمة تعرضًا طويل الأمد في نطاق درجات حرارة التحسس، أو دورات حرارية متكررة، أو عندما تكون سلوك الأكسدة/التآكل في منطقة التأثير الحراري مصدر قلق.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون 321H أغلى قليلاً من 304H بسبب إضافة التيتانيوم واستخدامه في درجات الحرارة العالية. تتقلب أسعار السوق مع أسواق النيكل وعناصر السبائك.
• التوافر: 304H متاحة على نطاق واسع في الألواح، والصفائح، والأنابيب، والبار. 321H متاحة أيضًا في أشكال المنتجات الشائعة ولكن قد يكون لديها أوقات تسليم أطول لبعض الأحجام أو التشطيبات الخاصة حسب المنطقة.
• نصيحة الشراء: حدد شكل المنتج، والمعالجة الحرارية المطلوبة، وأي متطلبات للتهدئة بعد اللحام بشكل صريح لتجنب عدم تطابق سلسلة التوريد أو تكاليف التصنيع غير المتوقعة.

10. الملخص والتوصية

جدول: مقارنة سريعة

المعيار	304H	321H
قابلية اللحام	جيدة، ولكن خطر التحسس في منطقة التأثير الحراري مع التبريد البطيء	جيدة جدًا؛ يقلل استقرار التيتانيوم من خطر التحسس في منطقة التأثير الحراري
القوة–المتانة	متشابهة عند درجة حرارة الغرفة؛ قوة شد جيدة عند درجات الحرارة المرتفعة	متشابهة عند درجة حرارة الغرفة؛ تحتفظ بالمتانة بين الحبيبات في الخدمة عند درجات الحرارة العالية
المقاومة للتحسس/الأكسدة عند درجات الحرارة العالية	أقل (أكثر عرضة لترسيب الكربيد)	أعلى (تحسن استقرار درجات الحرارة العالية بسبب استقرار التيتانيوم)
التكلفة	أقل	أعلى (بشكل معتدل)

الخلاصة — اختر 304H إذا: - كانت المكونة تتطلب محتوى كربونيًا أعلى لقوة الشد عند درجات الحرارة المرتفعة ولكن الخدمة أو ممارسات اللحام تقلل من الوقت في نافذة التحسس 450–850 °C. - كانت التكلفة والتوافر الواسع هما الاعتباران الرئيسيان وكان التعرض للتآكل/الصدأ معتدلاً.

الخلاصة — اختر 321H إذا: - كانت الخدمة تتضمن تعرضًا طويل الأمد لدرجات الحرارة المرتفعة، أو دورات حرارية متكررة، أو حالات حيث يكون التحسس بعد اللحام وتآكل بين الحبيبات مصدر قلق. - كنت بحاجة إلى سبيكة أوستنيتية مستقرة تحافظ بشكل أفضل على الكروم ومقاومة الأكسدة عند حدود الحبيبات في منطقة التأثير الحراري وفي الخدمة عند درجات الحرارة العالية لفترات طويلة.

التوصية النهائية: - بالنسبة للتطبيقات الهيكلية العامة أو الضغط عند درجات الحرارة المرتفعة حيث يمكن التحكم في التبريد ولا يكون التعرض للتآكل شديدًا، فإن 304H هو خيار اقتصادي. بالنسبة للمكونات التي ستتعرض لدرجات حرارة عالية مستمرة، أو حرارة دورية، أو بيئات حساسة للحام، فإن 321H تقدم خيارًا أكثر قوة وأقل خطرًا على الرغم من زيادة معتدلة في التكلفة. تحقق من اختيار السبيكة المحددة مع ملفات درجات الحرارة الفعلية، وإجراءات اللحام، وبيانات التآكل للبيئة المستهدفة.