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

مقدمة

304L و 316L هما من أكثر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي استخدامًا. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا بوزن المزايا والعيوب بين مقاومة التآكل وسهولة التصنيع والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية تحديد مواد الأنابيب والأوعية للخدمات التآكلية، واختيار الصفائح أو الألواح لمعدات الطعام والأدوية، واختيار التجميعات الملحومة حيث يُفضل انخفاض محتوى الكربون لتجنب الحساسية.

التمييز المعدني الأساسي بين هذين الصنفين هو أن 316L يحتوي على عنصر سبيكة إضافي يعزز بشكل ملحوظ مقاومة التآكل المحلي، وخاصة التآكل الناتج عن النقر والهجوم في الشقوق في البيئات التي تحتوي على الكلوريد. نظرًا لأن مصفوفته الأساسية هي نفس نظام الأوستنيتي من السلسلة 300، غالبًا ما يتم مقارنة الصنفين عندما تركز معايير التصميم على أداء التآكل مقابل التكلفة وقابلية التشكيل.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير والتسميات الشائعة لكل صنف ما يلي:

• ASTM/ASME: A240 / SA240 (لوح، ورقة)؛ A312 (أنبوب) — مستخدم بشكل شائع في سياق الولايات المتحدة/ASME.
• EN (أوروبا): سلسلة EN 10088؛ 304L يتوافق مع X2CrNi18-9 / 1.4306؛ 316L يتوافق مع X2CrNiMo17-12-2 / 1.4404.
• JIS (اليابان): معادلات SUS304L / SUS316L.
• GB (الصين): معادلات GB/T 1220 و GB/T 3280.

التصنيف: كلا من 304L و 316L هما فولاذان مقاومان للصدأ (أوستنيتي). هما ليسا فولاذ كربوني، أو فولاذ أدوات، أو HSLA؛ هما فولاذان سبيكيان مقاومان للتآكل مع بنية بلورية مكعبة مركزية الوجه (أوستنيتي) في الحالة المعالجة حراريًا.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

توضح الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية للمواصفات التجارية الشائعة (معبرًا عنها كنسبة مئوية بالوزن). تعتمد الحدود الدقيقة على المعايير المحددة (ASTM، EN، JIS، GB) وشكل المنتج؛ القيم المعروضة تمثل القيم النموذجية.

عنصر	304L (نطاقات نموذجية)	316L (نطاقات نموذجية)
C	≤ 0.03	≤ 0.03
Mn	≤ 2.00	≤ 2.00
Si	≤ 0.75	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.5–19.5 (≈18–20)	16.0–18.0
Ni	8.0–12.0	10.0–14.0
Mo	— (أثر فقط)	2.0–3.0
V	—	—
Nb (Cb)	—	— (نادر في 316L؛ موجود في الدرجات المستقرة)
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0.10	≤ 0.10

تفسير استراتيجية السبيكة: - الكروم (Cr) يوفر السلوك الأساسي المقاوم للصدأ من خلال تشكيل فيلم أكسيد الكروم غير النشط. مستويات الكروم النموذجية في كلا الصنفين تنتج سطحًا غير نشط أوستنيتي مستقر. - النيكل (Ni) يثبت المرحلة الأوستنيتية، مما يحسن المتانة وقابلية التشكيل؛ غالبًا ما يحتوي 316L على نسبة نيكل أعلى قليلاً. - الموليبدينوم (Mo)، الموجود في 316L، يزيد من مقاومة التآكل الناتج عن النقر والشقوق في البيئات التي تحتوي على الكلوريد ويحسن المقاومة لبعض الأحماض المخفضة. - الدرجات منخفضة الكربون (L) (≤0.03% C) تقلل من خطر ترسيب كربيد الحبيبات (الحساسية) أثناء اللحام، مما يحافظ على مقاومة التآكل في منطقة التأثير الحراري.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية: - كلا من 304L و 316L هما أوستنيتيان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في الحالة المعالجة حراريًا عند درجات حرارة الغرفة. لا تستجيب هذه المواد للمعالجة التقليدية بالتبريد والتسخين لتطوير بنى مجهرية مارتينسيتية؛ بدلاً من ذلك، يمكن أن يؤدي العمل البارد إلى إدخال مارتينسيت ناتج عن الإجهاد في سبائك السلسلة 300، خاصة في المتغيرات 304، اعتمادًا على التركيب ومستوى التشوه. - إضافة الموليبدينوم في 316L لا تغير المصفوفة الأوستنيتية ولكن تؤثر على سلوك الترسيب واستقرار الفيلم غير النشط.

استجابة المعالجة الحرارية: - التلدين: التلدين النموذجي في محلول عند 1010–1150 درجة مئوية يتبعه تبريد سريع يستعيد بنية أوستنيتية بالكامل ومقاومة للتآكل لكلا الصنفين. - الحساسية: كلا الصنفين عرضة لترسيب كربيد الكروم عند الاحتفاظ بهما بين حوالي 450–850 درجة مئوية إذا كان الكربون موجودًا. تقلل المتغيرات منخفضة الكربون 'L' من هذه المخاطر؛ يتم اختيار 316L و 304L للهياكل الملحومة لتجنب الهجوم بين الحبيبات. - التطبيع، التبريد والتسخين: هذه الطرق الحرارية غير قابلة للتطبيق لتقوية الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من السلسلة 300 لأنها لا تتصلب عبر التحولات المارتينسيتية. يتم تعديل الخصائص الميكانيكية من خلال العمل البارد أو المعالجة الحرارية الميكانيكية المتخصصة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يزيد العمل البارد من القوة على حساب اللدونة؛ 304L أكثر عرضة قليلاً لمارتينسيت ناتج عن الإجهاد أثناء العمل البارد الثقيل مقارنة بـ 316L بسبب اختلافات طفيفة في طاقة العيب المتراكم.

4. الخصائص الميكانيكية

تختلف الخصائص الميكانيكية لكلا الصنفين حسب شكل المنتج (ورقة، لوح، قضيب، أنبوب) وتاريخ المعالجة. الجدول أدناه يعطي نطاقات معالجة حرارية نموذجية شائعة في المواصفات الهندسية؛ يجب التحقق من القيم الفعلية من شهادات المصنع.

الخاصية (معالجة حرارية، نموذجية)	304L	316L
قوة الشد (ميغاباسكال)	≈ 480–620	≈ 480–620
قوة الخضوع، 0.2% (ميغاباسكال)	≈ 170–300	≈ 170–300
التمدد (%)، نموذجية	≥ 40	≥ 40
صلابة التأثير (شاربي، J، درجة حرارة الغرفة)	عالية، صلبة عند الشق	عالية، صلبة عند الشق
الصلابة (HRC/HV)	متوسطة (على سبيل المثال، HB ~120–200)	متوسطة (مماثلة لـ 304L)

التفسير: - القوة: كلا الصنفين يظهران قوة شد وقوة خضوع أساسية مماثلة في الحالة المعالجة حراريًا؛ الاختلافات عادة ما تكون صغيرة وتعتمد على محتوى النيكل وتصلب العمل. يزيد العمل البارد من القوة بشكل متساوٍ في كلا الصنفين. - المتانة واللدونة: كلاهما يبقى عالي اللدونة والمتانة عند درجات حرارة الغرفة؛ قد يظهر 316L متانة أفضل قليلاً في بعض أشكال المنتجات بسبب تأثير النيكل والموليبدينوم الأعلى على طاقة العيب المتراكم، لكن الاختلافات هامشية لمعظم التطبيقات الهندسية. - الصلابة: متشابهة في الحالة المعالجة حراريًا؛ يزيد العمل البارد من الصلابة في كلاهما.

5. قابلية اللحام

كلا من 304L و 316L قابلان للحام بشكل كبير من خلال عمليات اللحام الشائعة، جزئيًا بسبب محتواهما المنخفض من الكربون الذي يقلل من الحساسية.

مؤشرات قابلية اللحام (استخدام نوعي): - يوفر المعادل الكربوني IIW منظورًا نوعيًا سريعًا حول قابلية اللحام: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - معلمة أكثر تفصيلًا تُستخدم أحيانًا في أوروبا هي $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير: - نظرًا لأن 304L و 316L يحتويان على كميات منخفضة جدًا من الكربون، ومانغنيز معتدل، ولا توجد إضافات ميكروسبائكية قوية، فإن كلاهما ينتج أرقام منخفضة من $CE_{IIW}$/$P_{cm}$ مقارنة بالفولاذات عالية القوة؛ وهذا يعني قابلية لحام ممتازة، وانخفاض القابلية للتصدع البارد، وقليل من الحاجة للتسخين المسبق في معظم الحالات. - يساهم الموليبدينوم في 316L قليلاً في تلك المصطلحات في تعبيرات $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$، لكن التأثير على قابلية اللحام صغير؛ ومع ذلك، فإن اختيار المادة المالئة مهم لضمان تطابق مقاومة التآكل في معدن اللحام (على سبيل المثال، اختيار 316L أو مواد استهلاكية مطابقة لـ 316 للحام معدن الأساس 316L). - نادرًا ما تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام (تخفيف الإجهاد) مطلوبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، وتستخدم فقط من أجل الاستقرار الأبعاد أو متطلبات الخدمة المحددة.

6. التآكل وحماية السطح

• مقاوم للصدأ: يعتمد كلا الصنفين على فيلم أكسيد الكروم غير النشط. وجود الموليبدينوم في 316L يحسن بشكل كبير مقاومة التآكل الناتج عن النقر والشقوق في البيئات التي تحتوي على الكلوريد مثل مياه البحر أو تيارات العمليات الغنية بالكلوريد.

استخدام PREN لتوضيح مقاومة التآكل المحلي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ التفسير: - نظرًا لأن 316L يحتوي على الموليبدينوم و304L لا يحتوي عليه، فإن PREN لـ 316L أعلى، مما يشير إلى مقاومة أفضل للنقر. كما أن إضافات النيتروجين تعزز PREN عند وجودها. - PREN هو الأكثر فائدة لمقارنة سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ حيث تكون مقاومة النقر دافع تصميم؛ وليس مؤشرًا عالميًا للتآكل في جميع البيئات.

الفولاذات غير المقاومة للصدأ: - بالنسبة للفولاذات التي ليست مقاومة للصدأ (غير قابلة للتطبيق هنا)، غالبًا ما تعتمد حماية التآكل على الطلاءات مثل الغلفنة الساخنة، والدهانات العضوية، أو الطلاء. بالنسبة لـ 304L و 316L، تُستخدم الطلاءات عمومًا لأغراض جمالية أو لحماية من التآكل بدلاً من الوقاية الأساسية من التآكل.

الآثار العملية: - اختر 316L للخدمات المعرضة للكلوريد (البحرية، معالجة كيميائية، زراعة طبية في بعض الحالات) حيث تكون مخاوف التآكل الناتج عن النقر والشقوق. - اختر 304L لمقاومة التآكل العامة (معدات خدمات الطعام، الزخارف المعمارية، البيئات المائية التآكلية بدون كلوريدات) حيث لا تكون حماية مستوى الموليبدينوم مطلوبة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: كلا الصنفين يتشكل بشكل جيد بسبب اللدونة العالية؛ غالبًا ما يكون 304L أسهل قليلاً في التشكيل بسبب تركيبه وميوله الأعلى قليلاً للتصلب؛ إدارة الأدوات والارتداد متشابهة.
• قابلية التشغيل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عمومًا أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني. يميل 316L إلى أن يكون أكثر تحديًا قليلاً في التشغيل من 304L بسبب المتانة الأعلى وميول التصلب؛ استخدام الأدوات المناسبة، والتغذية، والسوائل يقلل من المشكلات.
• تشطيب السطح والتلميع: يمكن إنهاء كلاهما بجودة سطح عالية. غالبًا ما يُفضل 316L حيث يجب أن تقاوم سلامة السطح النهائية النقر (على سبيل المثال، التشطيبات المصقولة لمعدات الطعام/الأدوية أو التركيبات البحرية).
• التشكيل واللحام: تقلل الدرجات منخفضة الكربون من مشكلات التآكل بعد اللحام؛ تتطلب لحامات 316L مادة مالئة مطابقة للحفاظ على أداء التآكل في البيئات العدوانية.

8. التطبيقات النموذجية

304L — التطبيقات النموذجية	316L — التطبيقات النموذجية
معدات المطبخ، الأحواض، خدمات الطعام، الزخارف المعمارية	تركيبات بحرية، مبادلات حرارية، أنابيب مياه البحر
معدات صيدلانية ومخبرية (غير كلوريدية)	معدات العمليات الكيميائية التي تتعامل مع الكلوريدات
مبادلات حرارية، خزانات (خدمة مائية عامة)	أجهزة طبية، أدوات جراحية (حالات مختارة)
مكونات زخرفية وهيكلية	الهياكل البحرية والساحلية، معدات التحلية

مبررات الاختيار: - يتم اختيار 304L حيث تكون مقاومة التآكل العامة، وقابلية التشكيل الجيدة، والتكلفة المنخفضة هي الأولويات، والبيئة تفتقر إلى الكلوريدات العدوانية. - يتم اختيار 316L حيث تكون مقاومة التآكل المحلي (النقر/الشقوق) مطلوبة — خاصة في الوسائط التي تحتوي على الكلوريد — أو حيث تبرر مقاومة الحرارة العالية والمواد الكيميائية المحسنة قليلاً التكلفة الإضافية.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 316L عمومًا أكثر تكلفة من 304L بسبب إضافة الموليبدينوم وعادة ما يكون محتوى النيكل أعلى قليلاً. تختلف فروق الأسعار مع الأسواق العالمية للسلع بالنسبة للنيكل والموليبدينوم.
• التوافر: كلا الصنفين متاحان على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في شكل ألواح، وورق، وقضبان، وأنابيب، وتركيبات. 304L هو الأكثر شيوعًا من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي وعادة ما يكون له أوسع توافر وأقصر أوقات تسليم. 316L متوفر أيضًا على نطاق واسع ولكن قد تكون بعض أشكال المنتجات (أنابيب غير ملحومة ذات قطر كبير، تركيبات خاصة) لها أوقات تسليم أطول وارتفاع في الأسعار.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

السمة	304L	316L
قابلية اللحام	ممتازة	ممتازة
القوة–المتانة	قابلة للمقارنة (نطاقات مماثلة)	قابلة للمقارنة (نطاقات مماثلة)
مقاومة النقر/الشقوق	جيدة (عامة)	متفوقة (خصوصًا في الكلوريدات)
التكلفة	أقل	أعلى

التوصيات: - اختر 304L إذا: كانت التطبيق يتطلب مقاومة جيدة للتآكل العامة، وقابلية تشكيل ولحام ممتازة، وكانت التكلفة أو التوافر الواسع هي القيود الأساسية — على سبيل المثال، معدات خدمات الطعام، أنظمة التهوية، أو المكونات المعمارية غير المعرضة للكلوريدات. - اختر 316L إذا: كانت الخدمة تتضمن الكلوريدات، مياه البحر، أو البيئات الكيميائية العدوانية حيث تكون مخاوف التآكل المحلي (النقر/الشقوق) موجودة، أو حيث تكون مقاومة الحرارة العالية/المواد الكيميائية المحسنة قليلاً مطلوبة — على سبيل المثال، الأجهزة البحرية، المعالجة الكيميائية، التحلية، والعديد من المكونات الطبية أو الصيدلانية حيث تكون مقاومة التآكل المتفوقة مطلوبة.

ملاحظة ختامية: بالنسبة للتطبيقات الحرجة، حدد متطلبات السبيكة والتشطيب الدقيقة، واطلب شهادات المصنع وبيانات اختبار التآكل لشكل المنتج المختار. عند الشك في التعرض للكلوريد، اختر 316L الحاوي على الموليبدينوم أو الدرجات ذات السبيكة الأعلى لتقليل خطر التآكل المحلي.