310S مقابل 253MA – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يختار المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل روتيني بين سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ بناءً على مقاومة التآكل، وأداء درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام، والتكلفة. 310S و 253MA هما فولاذان مقاومان للصدأ يستخدمان في بيئات درجات الحرارة المرتفعة، ولكنهما مُحسّنان لمجالات خدمة مختلفة: أحدهما لمقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية بشكل عام مع قابلية ممتازة، والآخر للقوة العالية على المدى الطويل عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، وثبات الزحف.

الفرق العملي الرئيسي هو أن 253MA مُصمم للحفاظ على سلوك أكسيدي وقوة الزحف عند درجات حرارة عالية جدًا من خلال إضافة كميات منخفضة من الكربون والسيليكون والنيوبيوم بشكل مُتحكم فيه، بينما 310S هو سبيكة أوستنيتية غنية بالكروم والنيكل مُحسّنة بشكل أساسي لمقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية وقابلية التشكيل. لهذا السبب، يوازن المصممون عادةً بين سهولة تصنيع 310S وتكلفته مقابل الأداء المتفوق على المدى الطويل لـ 253MA في خدمة الأكسدة الحرارية الشديدة.

1. المعايير والتسميات

• 310S
• التسميات الشائعة: UNS S31008، EN 1.4845 (لـ 310)، تشير مواصفات ASTM/ASME عادةً إلى AISI/UNS. 310S هو فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي.
• 253MA
• توجد أشكال خاصة ومعيارية (مثل أسماء المنتجات من Sandvik وموردين آخرين). يتم توفيره عادةً كفولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي عالي الحرارة مصمم لمقاومة الأكسدة والزحف.
• تحديد الفئة:
• 310S: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي.
• 253MA: سبيكة فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي مُعالجة للخدمة عند درجات الحرارة العالية (مستقرة/معدلة أوستنيتي).

ملاحظة: يمكن أن تختلف أرقام المعايير الدقيقة لـ 253MA حسب الشركة المصنعة وشكل المنتج؛ استشر شهادات الموردين للمواصفة المسيطرة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوضح الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية المبلغ عنها في أوراق البيانات العامة لكل درجة. هذه هي النطاقات الاسمية النموذجية للأشكال التجارية الشائعة (المعالجة حرارياً). يجب استشارة شهادات المواد وأوراق بيانات الموردين لأغراض الشراء وحسابات التصميم.

العنصر	310S (نطاقات نموذجية)	253MA (نطاقات نموذجية)
C	≤ 0.08%	≤ 0.02% (منخفض جداً)
Mn	≤ 2.0%	≤ 2.0%
Si	≤ 1.5%	~0.4–1.0% (مرتفع لسلوك الأكسيد)
P	≤ 0.045%	≤ 0.03%
S	≤ 0.03%	≤ 0.01%
Cr	24–26%	~21–23%
Ni	19–22%	~11–13%
Mo	≤ 0.75% (عادةً لا يوجد)	≤ 0.5% (عادةً منخفض)
V	أثر	أثر
Nb (Cb)	—	إضافة صغيرة (مستقرة؛ ~0.2–0.8%)
Ti	—	أثر إلى صغير إذا تم استقراره
B	—	أثر (إذا كان موجوداً)
N	≤ 0.1%	مستوى منخفض مُتحكم فيه

تعليقات على استراتيجية السبائك: - يستخدم 310S كميات عالية من الكروم والنيكل لاستقرار الأوستنيت وتوفير مقاومة الأكسدة وقابلية التشكيل. محتواه العالي من النيكل يحسن المتانة وقابلية التشكيل. - يستخدم 253MA مستوى نيكل أقل ولكنه يتضمن كميات مُتحكم فيها من السيليكون وإضافات صغيرة من النيوبيوم (كولومبيوم) ومحتوى كربون منخفض جداً لتجنب ترسيب الكربيد ولتشكيل طبقة أكسيد مستقرة وملتصقة. هذه التعديلات تحسن القوة العالية على المدى الطويل عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الأكسدة/التآكل في الأجواء الدورية أو العدوانية.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• 310S
• البنية المجهرية النموذجية: أوستنيتية بالكامل في الحالة المعالجة حرارياً. يعتمد حجم الحبيبات على التصنيع والمعالجة الحرارية. لا يوجد تقوية بالترسيب؛ يمكن أن يحدث ترسيب الكربيد إذا تم الاحتفاظ به في نطاق التحسس (لكن انخفاض الكربون في 310S يقلل من هذه المخاطر).
• المعالجة الحرارية: تعيد المعالجة الحرارية السريعة والتمعدن قابلية التشكيل ومقاومة التآكل. 310S لا يتم تقويته بالتبريد/التسخين.
• 253MA
• البنية المجهرية النموذجية: مصفوفة أوستنيتية مع توزيع مُتحكم فيه من المراحل المستقرة (كربيدات/نيتريدات مستقرة بالنيوبيوم) مصممة لتقليل استنفاد المصفوفة وتثبيت حدود الحبيبات عند درجات الحرارة العالية.
• المعالجة الحرارية: تُستخدم المعالجة الحرارية لحل المراحل غير المرغوب فيها وإعادة ترسيب المراحل المستقرة المُتحكم فيها. تحسن المعالجة الحرارية الحرارية والميكانيكية خصائص الزحف. لا تستجيب للتقوية بالتبريد/التسخين؛ تأتي تحسينات القوة من السبائك والترسيب المُتحكم فيه.

كيف تؤثر المعالجة على كل منهما: - تعيد المعالجة الحرارية/التسخين الأوستنيت وتخفف الضغوط في كلا الدرجتين؛ تأتي مزايا 253MA في الزحف والتصاق القشور من كيميائها واستقرار مراحل الأكسيد والترسيب بعد المعالجة الحرارية المناسبة. - التبريد والتسخين غير قابل للتطبيق على هذه الدرجات الأوستنيتية؛ ستزيد الأعمال الباردة من القوة عبر تقوية الإجهاد ولكن يمكن أن تقلل من القابلية للتشكيل.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية النموذجية بشكل كبير على شكل المنتج والمعالجة الحرارية. يوضح الجدول القيم التمثيلية للمنتجات المعالجة حرارياً التي يتم توفيرها عادةً؛ تحقق من القيم الفعلية مع تقارير اختبار المصنع.

الخاصية	310S (معالجة حرارية، نموذجية)	253MA (معالجة حرارية، نموذجية)
قوة الشد (UTS)	~500–600 ميغاباسكال	عادةً أعلى عند درجة حرارة الغرفة؛ غالبًا ~550–750 ميغاباسكال
قوة العائد (0.2% انحراف)	~200–300 ميغاباسكال	عادةً أعلى من 310S؛ تحسين قوة العائد/الزحف عند درجات الحرارة العالية
التمدد (A%)	~35–50%	متوسطة إلى جيدة؛ عادةً أقل من 310S ولكن لا تزال قابلة للتشكيل (تتراوح بين 20–45%)
صلابة التأثير (شاربي)	جيدة عند درجة حرارة الغرفة؛ تحتفظ بالمتانة	جيدة عند درجة حرارة الغرفة؛ مصممة للاحتفاظ بالمتانة عند درجات الحرارة المرتفعة
الصلابة (HB أو HRB)	منخفضة نسبيًا (ناعمة، قابلة للتشكيل)	أعلى قليلاً بسبب الميكروسبائك والترسيبات

التفسير: - عادةً ما يوفر 253MA قوة أعلى، خاصةً لتحميل درجات الحرارة العالية على المدى الطويل ومقاومة الزحف، بينما يميل 310S إلى أن يكون أكثر قابلية للتشكيل وأسهل في التشكيل والآلات. - تعتبر متانة التأثير عند درجة حرارة الغرفة مقبولة بشكل عام لكلاهما؛ تم تصميم 253MA للحفاظ على المتانة المفيدة بعد التعرض الطويل لدرجات الحرارة العالية.

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام لكلا الدرجتين جيدة مقارنةً بالعديد من الفولاذات، لكن الاختلافات مهمة في الممارسة العملية.

العوامل المؤثرة الرئيسية: - الكربون والنيتروجين: يقلل الكربون المنخفض من خطر التحسس والتآكل بين الحبيبات؛ يمكن أن يستقر النيوبيوم الأوستنيت. - محتوى السبيكة والمثبتات (مثل النيوبيوم) تؤثر على التشقق الساخن ودورات اللحام الحرارية.

مؤشرات تجريبية مفيدة: - المعادل الكربوني للأوستنيت (نوع IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - مؤشر Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 310S: يحسن محتوى النيكل العالي من قابلية اللحام وقابلية تشكيل معدن اللحام؛ محتواه النسبي المنخفض من الكربون (في 310S) يقلل من الحساسية. عادةً لا يتطلب التسخين المسبق للأقسام الرقيقة؛ يمكن استخدام المعالجة الحرارية بعد اللحام لاستعادة الخصائص عند الضرورة. - 253MA: قابل للحام ولكن يتطلب اهتمامًا: قد تؤثر استقرار النيوبيوم وارتفاع السيليكون على كيمياء معدن اللحام؛ يقلل الكربون المنخفض جدًا من الحساسية ولكن اختيار مادة اللحام مهم للحفاظ على خصائص درجات الحرارة العالية. للخدمة عند درجات الحرارة العالية على المدى الطويل، قد تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام واستخدام المعادن الملائمة أو المعتمدة ضرورية لتجنب التدهور المحلي وللحفاظ على مقاومة الزحف/الأكسدة.

تأكد دائمًا من اتباع إجراءات اللحام الخاصة بالشركة المصنعة وأداء لحامات التأهيل للمكونات الحرجة.

6. التآكل وحماية السطح

• غير المقاوم للصدأ مقابل المقاوم للصدأ: كلا من 310S و 253MA هما درجات مقاومة للصدأ (أوستنيتية)؛ تختلف استراتيجيات حماية السطح عن الفولاذ الكربوني.
• الأكسدة والتآكل عند درجات الحرارة العالية:
• 310S: يمنح الكروم والنيكل العاليان مقاومة جيدة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية تصل إلى حوالي 1000–1150 °م في العديد من البيئات؛ يشكل قشور أكسيد الكروم الواقية تحت العديد من الظروف.
• 253MA: مصمم لتشكيل أكسيد مستقر وملتصق (غالبًا أكسيد غني بالسيليكون) ومقاومة تقشر القشور والأكسدة العدوانية تحت التعرضات الدورية والطويلة الأمد؛ متفوق للاستخدام طويل الأمد في البيئات العالية الحرارة العدوانية.
• مؤشرات التآكل المحلي:
• حيث يتم تقييم مقاومة التآكل المحلي بواسطة PREN، استخدم: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• بالنسبة لكل من 310S و 253MA، يكون محتوى الموليبدينوم منخفضًا وقيم PREN معتدلة؛ لا يُقصد بأي من الدرجتين أن تُستخدم في خدمة التآكل الشديد الناتج عن الكلور مقارنةً بالسبائك المزدوجة أو السوبر أوستنيتية التي تحتوي على الموليبدينوم.
• عندما تكون الحماية المقاومة للصدأ غير كافية، يمكن استخدام الطلاءات (الرش الحراري، الألومنيوم، الطلاءات السيراميكية) أو الأجواء المُتحكم فيها لكلا الدرجتين.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• 310S
• قابلية تشكيل ممتازة وخصائص سحب عميق بسبب محتوى النيكل العالي والبنية الأوستنيتية بالكامل.
• قابلية التشغيل متوسطة؛ تنطبق ممارسات التشغيل النموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ (إعداد صارم، أدوات حادة، تقليل التغذية إذا حدث تآكل).
• 253MA
• قابلية تشكيل جيدة ولكن العمل الصلب الأعلى والمصفوفة الأقوى قد تتطلب قوى تشكيل أكبر.
• يمكن أن يكون التشغيل أكثر تطلبًا من 310S بسبب القوة الأعلى والصلابة المحتملة؛ يجب تحسين عمر الأداة والسرعات للسبيكة.

قد تختلف التشطيبات السطحية والمعالجات بعد التصنيع التي تهدف إلى تخفيف الضغوط والتحكم في قشور الأكسيد بناءً على درجة حرارة التطبيق النهائية والبيئة.

8. التطبيقات النموذجية

310S – الاستخدامات النموذجية	253MA – الاستخدامات النموذجية
أغطية الأفران، أنابيب الأشعة، عناصر مبادل الحرارة، بطانات غرف الاحتراق، أجزاء مقاومة للحرارة بشكل عام	مكونات موقد عالية الحرارة، تجهيزات الأفران الصناعية، أنابيب الأشعة في الأجواء العدوانية، تجهيزات معالجة حرارية طويلة العمر، مكونات معرضة للأكسدة الدورية والزحف
معدات العمليات الكيميائية حيث تتطلب مقاومة التآكل عند درجات الحرارة العالية وقابلية التشكيل	التطبيقات التي تتطلب استقرارًا أبعادياً طويل الأمد والتصاق قشور الأكسيد تحت الأحمال الحرارية الدورية

مبررات الاختيار: - اختر 310S عندما يحتاج التطبيق إلى مقاومة جيدة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية مع قابلية تشكيل ممتازة وفعالية من حيث التكلفة. - اختر 253MA عندما يكون التعرض الطويل الأمد، والظروف الدورية، ومقاومة نمو القشور/التقشر والزحف أمرًا حاسمًا.

9. التكلفة والتوافر

• 310S
• متوفر على نطاق واسع عالميًا في أشكال الصفائح، والألواح، والأنابيب، والبار من العديد من المصانع. التكلفة النسبية معتدلة بين الأوستنيتات عالية السبيكة بسبب محتوى النيكل الأعلى ولكن الإنتاج الضخم والتوافر يقللان من أوقات التسليم.
• 253MA
• عادةً ما تكون سبيكة خاصة تُنتج في أشكال ومنتجات محدودة أكثر. تكلفة الوحدة عمومًا أعلى من 310S وقد تكون أوقات التسليم أطول، خاصةً للكميات الكبيرة أو أشكال المنتجات المتخصصة.

نصيحة الشراء: حدد معيار المادة الدقيق، وشكل المنتج، والشهادات المطلوبة؛ بالنسبة لـ 253MA، اسمح بأوقات تسليم المورد وتأكد من الأبعاد المتاحة.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

السمة	310S	253MA
قابلية اللحام	ممتازة (خيارات حشو جيدة)	جيدة، ولكن تتطلب التحكم في الإجراءات
القوة–المتانة	قابلية تشكيل جيدة؛ قوة معتدلة	قوة أعلى على المدى الطويل عند درجات الحرارة العالية؛ متانة جيدة
التكلفة والتوافر	أكثر اقتصادية ومتاحة على نطاق واسع	تكلفة أعلى؛ توافر خاص

الخلاصة — التوصيات: - اختر 310S إذا كنت بحاجة إلى سبيكة أوستنيتية متاحة بشكل عام، واقتصادية مع قابلية تشكيل ممتازة ومقاومة موثوقة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية للخدمة القصيرة إلى المتوسطة (مثل مكونات الأفران، وأجزاء مقاومة للحرارة بشكل عام)، وعندما تكون سهولة التصنيع وتعقيد الشراء الأقل من الأولويات. - اختر 253MA إذا كانت تطبيقاتك تتطلب مقاومة فائقة للأكسدة على المدى الطويل، والتصاق مستقر لقشور الأكسيد، ومقاومة الزحف في البيئات العدوانية أو الدورية عند درجات الحرارة العالية حيث تبرر مدة الحياة والاستقرار الأبعاد تكاليف المواد الأعلى والتحكم الأكثر صرامة في العمليات.

التوصية النهائية: حدد متطلبات الأداء (درجة حرارة التشغيل، الجو، العمر المتوقع، الأحمال الميكانيكية، تصميم اللحام/الوصلات) واطلب شهادات المصنع أو أوراق بيانات الموردين. بالنسبة للمكونات الحرجة عند درجات الحرارة العالية، قم بإجراء تحليل تكاليف دورة الحياة المقارن: يمكن تبرير التكلفة الأولية الأعلى لـ 253MA من خلال تقليل فترات التوقف، وزيادة الفترات بين الاستبدالات، وأداء أفضل عند درجات الحرارة العالية.