310 مقابل 310S – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

النوع 310 و 310S هما فولاذان مقاومان للصدأ من النوع الأوستنيتي يتم تحديدهما عادةً للخدمة في درجات الحرارة العالية. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا بوزن المزايا والعيوب بين مقاومة التآكل، وقوة التحمل في درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام عند الاختيار بينهما - خاصةً حيث ستعمل مكونات الفرن، والمبادلات الحرارية، أو التجميعات الملحومة في بيئات ذات درجات حرارة مرتفعة.

التمييز الفني الرئيسي بين الدرجتين هو مواصفة الكربون: يسمح 310 بمحتوى كربون أقصى أعلى من 310S، بينما مستويات الكروم والنيكل متشابهة بشكل أساسي. هذا الاختلاف في الكربون يؤثر على القرارات المتعلقة بالعرضة لترسيب الكربيد (الحساسية)، وقابلية اللحام، وأحيانًا الفروق الطفيفة في القوة عند درجات الحرارة المرتفعة. نظرًا لأنهما يشتركان في نفس الكيمياء الأوستنيتية بخلاف ذلك، يتم مقارنتهما عن كثب في قرارات التصميم والتصنيع.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير والتسميات الشائعة لهذه الدرجات: - ASTM/ASME: النوع 310 (UNS S31000)، النوع 310S (UNS S31008)؛ المشار إليها في ASTM A240 (لوح، ورقة، وشريط)، A312 (أنابيب غير ملحومة وملحومة)، ومعايير المنتجات الأخرى. - EN: 1.4841 (310)، 1.4845 (310S) في بعض أنظمة التسمية الأوروبية. - JIS: SUS310، SUS310S (المعايير اليابانية تتوافق بشكل وثيق). - GB (الصين): تشير معايير المنتجات GB/T للفولاذ المقاوم للصدأ غالبًا إلى كيمياء مكافئة.

التصنيف: كلا من 310 و 310S هما فولاذان مقاومان للصدأ من النوع الأوستنيتي (مجموعة مقاومة للصدأ، عالية السبيكة). هما ليسا فولاذين كربونيين، أو فولاذ أدوات، أو HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

جدول: نطاقات التركيب النموذجية (wt%) كما هو محدد عادةً في معايير مثل ASTM A240. القيم هي نطاقات تمثيلية؛ تحقق من شهادة المواد المحددة لقيم الدفعة.

عنصر	310 (نطاق نموذجي)	310S (نطاق نموذجي)
C	0.08–0.25 (أقصى 0.25)	0.03–0.08 (أقصى 0.08)
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	24.0–26.0	24.0–26.0
Ni	19.0–22.0	19.0–22.0
Mo	— (أثر)	— (أثر)
V	—	—
Nb (Cb)	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0.10 (أثر)	≤ 0.10 (أثر)

كيف تؤثر السبائك على الأداء: - يحدد الكروم والنيكل المصفوفة الأوستنيتية ويوفران مقاومة للأكسدة والتآكل عند درجات الحرارة المرتفعة. يعطي الكروم العالي (~25%) مقاومة ممتازة للتقشر. - يثبت النيكل المرحلة الأوستنيتية ويحافظ على المتانة. - يزيد الكربون من قوة التحمل عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف إلى حد ما ولكنه يزيد أيضًا من خطر ترسيب الكربيد في نطاق درجة حرارة الحساسية (حوالي 425–870 درجة مئوية). - يقلل الكربون المنخفض في 310S من خطر ترسيب الكربيد بين الحبيبات بعد اللحام أو التعرض في نطاق الحساسية، مما يحسن مقاومة التآكل في المكونات الملحومة أو الحساسة.

3. التركيب المجهري واستجابة المعالجة الحرارية

التركيب المجهري: - كلا الدرجتين أوستنيتيتان بالكامل في الحالة المعالجة. الهياكل الحبيبية النموذجية هي أوستنيت مستقرة ما لم يحدث عمل بارد كبير أو تشكيل دلتا فيريتي أثناء دورات اللحام الحرارية. - لا يحدث تحول مارتنسيت عند التبريد (الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي غير قابل للتصلب عن طريق التبريد والتسخين).

المعالجة الحرارية والمعالجة الحرارية: - يتم معالجة الحل (عادةً 1050–1120 درجة مئوية) تليها تبريد سريع لاستعادة تركيب مجهري أوستنيتي مقاوم للتآكل وتذويب الترسبات. - نظرًا لأنها لا يمكن أن تتصلب عن طريق التبريد، تعتمد تعديلات القوة على العمل البارد أو اختيار السبيكة. - يزيد الكربون الأعلى في 310 من القوة الدافعة لترسيب كربيد الكروم أثناء التعرض في نطاق الحساسية، مما قد يؤدي إلى استنفاد الكروم على حدود الحبيبات وتآكل بين الحبيبات. يقلل الكربون المنخفض في 310S من هذا الخطر. - دورات اللحام الحرارية: كلا الدرجتين قابلتان للحام، لكن 310S أقل عرضة للحساسية بعد اللحام وتتطلب اهتمامًا أقل بالمعالجات الحرارية بعد اللحام التي تهدف إلى تجنب التآكل بين الحبيبات.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: الخصائص الميكانيكية التمثيلية للمواد المعالجة (حالة مسطحة/نموذجية). هذه مؤشرات؛ قد تتغير القيم حسب شكل المنتج، والسماكة، والمواصفة.

خاصية	310 (معالجة، نموذجية)	310S (معالجة، نموذجية)
قوة الشد (ميغاباسكال)	~500–600 (نموذجية)	~500–600 (نموذجية)
قوة العائد (0.2% انحراف، ميغاباسكال)	~200–260	~200–240
التمدد (%)	≥ 40 (مرونة جيدة)	≥ 40 (ميل أفضل قليلاً للمرونة)
صلابة التأثير	عالية، تحتفظ بالمتانة عند درجات حرارة منخفضة	عالية، مشابهة أو أفضل قليلاً بسبب الكربون المنخفض
الصلابة (HB / HRC)	متوسطة؛ عادةً ما تكون صلابة المعالجة في نطاق الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي	مشابهة أو أقل قليلاً في الحالة المعالجة

التفسير: - الخصائص الميكانيكية في الحالة المعالجة متشابهة جدًا لأن المصفوفة الأوستنيتية هي نفسها. يمكن أن يعطي الكربون الأعلى قليلاً في 310 قوة أعلى قليلاً في بعض الظروف، خاصة بعد بعض العمل البارد أو التعرض الطويل الأمد لدرجات الحرارة العالية، ولكن على حساب زيادة خطر الحساسية. - كلا الدرجتين تتمتعان بمتانة ومرونة ممتازة مقارنة بالفولاذات الفيريتيكية/المارتنسيتية، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام بشكل كبير على المعادل الكربوني والميول لتشكيل هياكل مجهرية صلبة أو هشة في منطقة التأثير الحراري (HAZ). تشمل المؤشرات التجريبية المفيدة المعادل الكربوني IIW وصيغة Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي لـ 310 مقابل 310S: - المتغير الرئيسي في هذه الصيغ لـ 310/310S هو $C$. يعطي الكربون المنخفض في 310S $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ أقل، مما يشير إلى انخفاض خطر مشاكل HAZ وتحسين قابلية اللحام من حيث تجنب الحساسية والحفاظ على المرونة بعد اللحام. - عادةً لا تشكل الفولاذات الأوستنيتية مارتنسيت صلب في HAZ، ولكن ترسيب الكربيد والهجوم بين الحبيبات هما مصدر قلق. بالنسبة للتجهيزات الملحومة المعرضة في نطاق الحساسية، يُفضل عادةً 310S. حيث تتضمن الخدمة بعد اللحام درجات حرارة عالية جدًا فقط (فوق نطاق ذوبان الكربيد) أو حيث تكون قوة الزحف حرجة ولا تكون الحساسية مشكلة، قد يكون 310 مقبولًا. - نادرًا ما يتم استخدام التسخين المسبق و PWHT لتجنب المارتنسيت (غير قابل للتطبيق)، ولكن قد يتم تحديد معالجة الحل بعد اللحام حيث تكون أداء مقاومة التآكل حرجًا.

6. التآكل وحماية السطح

• كلا من 310 و 310S مقاومان للتآكل بسبب ارتفاع الكروم والنيكل. يوفران مقاومة ممتازة للأكسدة في الأجواء المؤكسدة ذات درجات الحرارة العالية (مقاومة للتقشر).
• بالنسبة لمقاومة تآكل الإجهاد الناتج عن الكلور، فإن الفولاذات الأوستنيتية التي لا تحتوي على موليبدينوم تكون عادةً عرضة في البيئات العدوانية المحتوية على الكلور؛ لا تُخصص أي من الدرجتين لمقاومة الكلور.
• عادةً ما يتم تطبيق PREN (عدد مقاومة التآكل) على الفولاذ المقاوم للصدأ الذي يحتوي على موليبدينوم ونيتروجين. للرجوع:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• نظرًا لأن 310/310S تحتوي عادةً على موليبدينوم ضئيل ونيتروجين منخفض، فإن PREN ليس مميزًا ذا معنى لمقاومة التآكل في هذه الدرجات؛ تعتمد مقاومتها أكثر على حالة السطح، والبيئة، ودرجة الحرارة.
• حماية السطح: بالنسبة للفولاذات غير المقاومة للصدأ، يمكن النظر في الجلفنة أو الطلاءات؛ بالنسبة لـ 310/310S، فإن إنهاء السطح، والتنظيف، والتخميل، أو الألمنيوم (للحصول على مقاومة أكسدة قصوى) ذات صلة، حسب الخدمة. يحسن الكربون المنخفض في 310S مقاومة التآكل بين الحبيبات حيث يمكن أن تتشكل الكربيدات.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: كلا الدرجتين تتشكل وتنحني بشكل جيد في الحالة المعالجة ولكن تتصلب بسرعة (سلوك أوستنيتي نموذجي). استخدم أدوات مناسبة واعتبارات للارتداد.
• قابلية التشغيل: الفولاذات الأوستنيتية صعبة التشغيل مقارنة بالفولاذات اللينة: تتصلب، ولديها موصلية حرارية منخفضة، وتتطلب إعدادات صلبة، وأدوات حادة، وتغذيات مناسبة. 310/310S متشابهتان في قابلية التشغيل؛ قد يكون 310S أسهل قليلاً بسبب صلابته المنخفضة قليلاً في بعض الظروف.
• تخطيط تسلسل اللحام والتشكيل: يُفضل التشكيل قبل اللحام حيثما أمكن لتجنب التصلب المحلي وللتحكم في التشوه.
• إنهاء السطح: الطحن، والتلميع، والتخميل تتبع الممارسات القياسية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي.

8. التطبيقات النموذجية

310 (الاستخدامات الشائعة)	310S (الاستخدامات الشائعة)
أجزاء الفرن، المداخن، سلال المعالجة الحرارية، الأفران الصناعية حيث تكون مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية هي الأولوية ويتم التحكم في اللحام	مكونات المبادلات الحرارية الملحومة، معدات معالجة كيميائية حيث يجب تقليل حساسية اللحام
أجهزة الاحتراق والاحتراق، أنابيب إشعاعية، مكونات الأفران حيث تكون مقاومة الزحف والتقشر عند درجات الحرارة العالية مطلوبة	أنابيب، تركيبات، وأوعية ملحومة في بيئات ذات درجات حرارة عالية ولكن تآكلية حيث تكون مقاومة التآكل بعد اللحام مطلوبة
تطبيقات غاز العادم عند درجات حرارة عالية حيث يمكن إجراء التصنيع العرضي دون لحام مكثف	حيث يتطلب اللحام المتكرر، أو التشغيل بعد التصنيع، أو الخدمة في نطاق الحساسية بديلًا منخفض الكربون

مبررات الاختيار: - اختر 310 حيث تكون أقصى قوة تحمل عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الأكسدة هي الأولوية وحيث يمكن التحكم في التصنيع لتجنب مشاكل الحساسية. - اختر 310S حيث سيتم وضع التجميعات الملحومة في نافذة درجة حرارة الحساسية، أو حيث تكون مقاومة التآكل بعد اللحام وتحسين قابلية اللحام مطلوبة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: غالبًا ما يكون سعر 310S أعلى قليلاً من 310 بسبب الضوابط الإنتاجية المطلوبة لتحقيق مواصفة الكربون المنخفضة ولأنه يُحدد عادةً للتطبيقات الملحومة الأكثر حساسية. الفروق السعرية الفعلية متواضعة وتختلف مع أسعار النيكل والكروم في السوق.
• التوافر: كلا الدرجتين متوفرتان على نطاق واسع في أشكال الورق، واللوح، واللفائف، والأنابيب، والأنابيب. يُخزن 310 أحيانًا بشكل أكثر شيوعًا لمكونات درجات الحرارة العالية القياسية، بينما يُخزن 310S بشكل شائع للأجزاء الضغط والتجهيزات الملحومة.
• أوقات التسليم: تعتمد على شكل المنتج وحجمه؛ قد يؤدي الحصول على منتج بقطر كبير أو مقطع ثقيل في درجات خاصة إلى زيادة وقت التسليم.

10. الملخص والتوصية

جدول: ملخص سريع

السمة	310	310S
قابلية اللحام	جيدة، ولكن هناك خطر أكبر من الحساسية بعد اللحام	أفضل - يقلل الكربون المنخفض من الحساسية ويحسن مقاومة التآكل بعد اللحام
القوة - المتانة	قوة تحمل عالية عند درجات الحرارة العالية؛ قد يظهر 310 قوة أعلى قليلاً في بعض التعرضات عند درجات الحرارة العالية	متانة مشابهة؛ مرونة أفضل قليلاً وخطر أقل لمشاكل كربيد حدود الحبيبات
التكلفة	أقل قليلاً أو مشابهة	علاوة طفيفة نموذجية

التوصيات النهائية: - اختر 310 إذا كانت أولويتك هي أقصى مقاومة للأكسدة/التآكل عند درجات الحرارة العالية حيث لن يكون المكون عرضة لمشاكل الحساسية (على سبيل المثال، كأجزاء داخلية قابلة للاستبدال في الفرن أو مكونات عالية الحرارة غير ملحومة)، أو عندما تكون قوة الزحف عند درجات الحرارة العالية المطلوبة أعلى قليلاً وتكون ظروف اللحام/التعرض تحت السيطرة. - اختر 310S إذا كان تصميمك يتضمن لحامًا مكثفًا، ويتطلب تقليل خطر التآكل بين الحبيبات بعد اللحام، أو سيقضي وقتًا كبيرًا في نطاق درجة حرارة الحساسية. 310S هو المواصفة الأكثر أمانًا للأجزاء الملحومة تحت الضغط والأوعية المصنعة حيث تكون مقاومة التآكل بعد التصنيع حاسمة.

ملاحظة ختامية: كلا الدرجتين خيارات ممتازة للخدمة في درجات الحرارة العالية. تعتبر مواصفة الكربون هي الفارق الرئيسي: قم بتقييم إجراءات اللحام، ودرجات الحرارة الخدمية المقصودة (خصوصًا ما إذا كانت المكونات ستعبر أو تبقى في نطاق الحساسية 425–870 درجة مئوية)، والتكلفة/التوافر لاتخاذ الاختيار النهائي.