310S مقابل 309 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً مفاضلة عند تحديد الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الحرارة: مقاومة التآكل، قوة الحرارة العالية ومقاومة الزحف، قابلية اللحام، وتكلفة المواد. يتم اختيار الدرجتين 310S و309 (والمتغيرات منخفضة الكربون "S" الخاصة بهما) كفولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي للاستخدام في درجات الحرارة المرتفعة، ومكونات الأفران، والانضمام بين المعادن المختلفة - لكن تم تحسينهما بشكل مختلف قليلاً.
التمييز الفني الرئيسي بين الدرجتين هو توازن السبائك: يحتوي 310S على كميات أكبر بكثير من الكروم والنيكل مقارنةً بـ 309، مما يحول أدائه نحو مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية وقوة الزحف، بينما يتم اختيار 309 غالبًا حيث يتطلب الأمر توازنًا بين قوة الحرارة العالية الجيدة، ومقاومة التآكل، والاقتصاد (أو التوافق مع اللحامات المختلفة). نظرًا لأن كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي بخصائص مشابهة في درجة حرارة الغرفة، فإن الاختيار غالبًا ما يعتمد على درجة حرارة الخدمة المتوقعة، وبيئة الأكسدة، والميزانية.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الشائعة:
- ASTM / ASME: A240 (لوح/ورقة)، A182 (للتزوير/وصلات الأنابيب في بعض المتغيرات)، معايير أخرى محددة للمنتجات.
- EN: سلسلة EN 10088 (تختلف التسمية حسب الترقيم الوطني).
- JIS وGB: مكافئات وطنية بتركيبات مماثلة ولواحق (مثل JIS SUS، GB/T).
- UNS: 309/309S (مثل UNS S30900 / S30908)، 310S (مثل UNS S31008).
- التصنيف: كل من 309 و310S هما فولاذان مقاومان للصدأ أستنيتيان (فئة مقاومة للصدأ) - ليسا فولاذين كربونيين، أو فولاذ أدوات، أو HSLA. تشير لاحقة "S" إلى المتغير منخفض الكربون المصمم لتقليل التحسس أثناء اللحام.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوضح الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية للفولاذ التجاري 309 (و309S) و310S (310S منخفض الكربون). القيم تمثل نطاقات نموذجية تستخدمها معظم مواصفات ومعايير المصانع؛ يجب دائمًا استشارة شهادات المنتج لمشتريات المشروع.
| العنصر | 309 / 309S (نموذجي، wt%) | 310S (نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 (309S) / حتى ~0.20 (309) | ≤ 0.08 (310S منخفض الكربون) |
| Mn | 1.0 – 2.0 | 1.0 – 2.0 |
| Si | 0.5 – 1.0 | 0.5 – 1.5 |
| P | ≤ 0.04 – 0.045 | ≤ 0.04 – 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~22 – 24 | ~24 – 26 |
| Ni | ~12 – 15 | ~19 – 22 |
| Mo | ≤ 0.6 (عادةً لا شيء) | ≤ 0.6 (عادةً لا شيء) |
| Nb / Ti / V | عادةً لا يضاف | عادةً لا يضاف |
| B | أثر فقط | أثر فقط |
| N | أثر – 0.12 | أثر – 0.12 |
كيف تؤثر السبائك على الأداء: - الكروم هو المساهم الرئيسي في مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل السلبية. تحسين محتوى الكروم يعزز تكوين القشور عند درجات الحرارة المرتفعة. - النيكل يثبت المصفوفة الأستنيتية، يعزز اللدونة، ويحسن قوة الزحف وقوة الحرارة العالية. ارتفاع محتوى النيكل في 310S هو سبب رئيسي لأدائه المتفوق عند درجات الحرارة العالية جدًا. - يؤثر محتوى الكربون على التحسس (ترسيب كربيد الكروم) أثناء اللحام أو التبريد البطيء. تقلل الدرجات منخفضة الكربون "S" من خطر التآكل بين الحبيبات بعد اللحام. - يساعد المنغنيز والسيليكون في قابلية العمل الساخن وإزالة الأكسدة؛ لا تهدف أي من الدرجتين إلى مقاومة التآكل الناتج عن الحفر أو الشقوق نظرًا لأن كلاهما يحتوي على كميات قليلة أو لا تحتوي على الموليبدينوم.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية النموذجية: كل من 309 و310S هما أستنيتيان بالكامل في الحالة المعالجة حراريًا. يعتمد حجم الحبيبات والترسيبات على التاريخ الحراري الميكانيكي ومعدل التبريد.
- المعالجة الحرارية:
- الفولاذ المقاوم للصدأ الأستنيتي لا يتم تقويته بواسطة دورات التبريد والتسخين التقليدية - يتم تحديد الخصائص الميكانيكية بواسطة العمل البارد وبنية الحبيبات. تذويب الحل (مثل 1,040–1,100 °م يتبعه تبريد سريع) يذيب الكربيدات ويستعيد اللدونة.
- بالنسبة للدرجات "S"، يقلل تذويب الحل والتبريد السريع من ترسيب الكربيدات ويحافظ على مقاومة التآكل.
- آثار المعالجة الحرارية الميكانيكية:
- يزيد العمل البارد من القوة (تقوية العمل) ويمكن أن يقلل من اللدونة؛ تستجيب كلتا الدرجتين بشكل مشابه للعمل البارد.
- عند درجات حرارة الخدمة المرتفعة، يمكن أن تسبب التعرضات الطويلة نمو الحبيبات، ومع الدرجات العالية الكربون، ترسيب الكربيدات عند حدود الحبيبات. يميل محتوى النيكل والكروم الأعلى في 310S إلى إبطاء التغيرات المجهرية الضارة عند درجات الحرارة العالية جدًا مقارنةً بـ 309.
- التطبيع/التبريد: لا ينطبق بنفس الطريقة كما هو الحال بالنسبة للفولاذ الفيريت أو المارتنسيت؛ تختلف السيطرة على الدورات الحرارية واعتبارات المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) لأن هذه الدرجات الأستنيتية تحتفظ بالصلابة وتقاوم التقوية.
4. الخصائص الميكانيكية
تتأثر الخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ الأستنيتي المعالج حراريًا بشكل كبير بنوع المنتج (ورقة، لوح، أنبوب)، العمل البارد، والكيمياء الدقيقة. يلخص الجدول أدناه النطاقات النموذجية التمثيلية للمواد المعالجة حراريًا (القيم إرشادية؛ استشر بيانات المورد المعتمدة لحسابات التصميم).
| الخاصية (معالجة حرارية، نموذجية) | 309 / 309S | 310S |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~510 – 750 | ~520 – 750 |
| قوة العائد، 0.2% (ميغاباسكال) | ~200 – 320 | ~200 – 320 |
| التمدد (نسبة مئوية، في 50 مم) | ~35 – 55 | ~35 – 55 |
| صلابة التأثير (شاربي V‑notch، جول) | لدن عند درجة حرارة الغرفة؛ يحتفظ بالصلابة | لدن عند درجة حرارة الغرفة؛ يحتفظ بالصلابة |
| الصلابة (HRB) | ~80 – 95 | ~80 – 95 |
التفسير: - عند درجة حرارة الغرفة، تظهر كلتا الدرجتين نطاقات قوة ولدونة مشابهة؛ الفروق متواضعة لأن كلاهما أستنيتي. - عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ 310S عمومًا بمقاومة القشور وقوة الزحف بشكل أفضل من 309، وذلك بسبب محتواه الأعلى من الكروم والنيكل. - عادةً ما تكون صلابة التأثير عند درجة حرارة الغرفة جيدة لكليهما؛ لا يتم اختيار أي من الدرجتين لتطبيقات عالية الصلابة.
5. قابلية اللحام
عادةً ما تكون الفولاذات المقاومة للصدأ الأستنيتية قابلة للحام، وتعمل المتغيرات منخفضة الكربون "S" على تحسين مقاومة التحسس. غالبًا ما تستخدم تقييمات قابلية اللحام مؤشرات تجريبية مثل المعادل الكربوني:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
وصيغة Pcm الأكثر تفصيلاً:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - يقلل محتوى الكربون المنخفض في 309S و310S من خطر ترسيب كربيد الكروم والهجوم بين الحبيبات بعد اللحام؛ مما يجعلها أسهل في اللحام مقارنةً بالدرجات العالية الكربون المقابلة. - كلا الدرجتين لهما قابلية صلابة منخفضة (الفولاذات المقاومة للصدأ الأستنيتية لا تشكل المارتنسيت عند التبريد)، مما يقلل من خطر التشقق البارد. تهيمن مخاطر التشقق أثناء اللحام على التشقق الناتج عن التصلب، والتمزق الساخن، والتلوث بدلاً من التحول المارتنسيت. - غالبًا ما يتم استخدام 309 كمواد تعبئة لربط الفولاذ المقاوم للصدأ بالفولاذ الكربوني (لأن تركيبته تربط بين الاثنين)، بينما يتم اختيار 310S عندما يجب أن يحتفظ الوصل بمقاومة أكسدة عالية الحرارة متفوقة. - عادةً لا تتطلب المعالجة الحرارية قبل وبعد اللحام لتجنب التحول المارتنسيت، لكن الانتباه إلى التخفيف، ودرجات حرارة التداخل، واختيار المواد التعبئة أمر حاسم للخدمة عند درجات الحرارة العالية والبيئات الكربونية/الأكسيدية.
6. التآكل وحماية السطح
- كدرجات أستنيتية مقاومة للصدأ، يشكل كل من 309 و310S فيلم أكسيد الكروم السلبي الذي يوفر مقاومة عامة للتآكل في البيئات غير العدوانية.
- PREN (رقم مقاومة الحفر) يستخدم عادةً لتقييم المقاومة للحفر الموضعي عند وجود الموليبدينوم والنيتروجين:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- القابلية للتطبيق:
- بالنسبة لـ 309 و310S، فإن PREN له فائدة محدودة لأن كلاهما يحتوي عادةً على كميات قليلة أو لا تحتوي على الموليبدينوم ومستويات منخفضة من النيتروجين؛ وبالتالي فإن مقاومتهما للحفر والتآكل بين الشقوق في البيئات المحتوية على الكلور محدودة مقارنةً بالسبائك المقاومة للصدأ المحتوية على الموليبدينوم (مثل 316، الدرجات المزدوجة).
- الأكسدة عند درجات الحرارة العالية:
- يمتلك 310S، بمحتواه الأعلى من الكروم والنيكل، مقاومة أفضل للتقشير ويحتفظ بالقوة بشكل أفضل عند درجات حرارة الخدمة المستمرة الأعلى من 309.
- يوفر 309 مقاومة جيدة للأكسدة حتى درجات حرارة مرتفعة معتدلة ويمكن أن يكون أكثر اقتصادية في العديد من تطبيقات الأفران والمعالجة الحرارية.
- حماية السطح للأجزاء غير المقاومة للصدأ: لا تنطبق على هذه الدرجات المقاومة للصدأ؛ إذا تم استخدامها في بيئات عدوانية تحتوي على الكلور أو حمضية، يجب النظر في الطلاءات، أو التغليف، أو سبائك مختلفة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل والانحناء: كلا الدرجتين شديدتا اللدونة وتظهران قابلية تشكيل ممتازة في الحالة المعالجة حراريًا. عمليات تشكيل الورق النموذجية بسيطة، لكن يجب أخذ الارتداد في الاعتبار بسبب التقوية العالية.
- قابلية التشغيل: الفولاذات المقاومة للصدأ الأستنيتية أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني. 309 و310S تتصلب بسرعة ولديهما موصلية حرارية أقل - مما يتطلب إعدادات صارمة، وأدوات حادة، ومعدل تغذية متحكم فيه. قد يكون 310S أكثر لدونة قليلاً وأسهل في التشغيل في بعض الظروف، لكن لا يتم تصنيفه كفولاذ سهل التشغيل.
- تشطيب السطح: كلاهما يأخذ التشطيبات القياسية للفولاذ المقاوم للصدأ ويعالج بشكل جيد. يجب توخي الحذر لتجنب التلوث (التقاط الحديد) أثناء التصنيع، مما يمكن أن يؤثر على مقاومة التآكل.
- تصنيع اللحام: استخدم المعادن المناسبة للتعبئة وفقًا لظروف الخدمة؛ اختر 309 كمواد تعبئة للوصلات المختلفة و310/310S كمواد تعبئة عندما تكون مقاومة الأكسدة العالية مطلوبة.
8. التطبيقات النموذجية
| 309 / 309S (الاستخدامات الشائعة) | 310S (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| أجزاء الأفران والتبطينات المعرضة للتسخين الدوري | عناصر الفرن وخدمة الحرارة العالية المستمرة (سخانات، عوازل) |
| أدوات معالجة الحرارة والأواني | أوعية العمليات عالية الحرارة وأنابيب التهوية (بيئات أكسيدية) |
| مواد تعبئة اللحام لربط الفولاذ المقاوم للصدأ بالفولاذ الكربوني | مكونات مقاومة للتآكل/الأكسدة عند درجات حرارة عالية تصل إلى أعلى درجات الحرارة العملية |
| أنظمة العادم ومعدات الأفران الصناعية | مبادلات حرارية ومعدات احتراق حيث تكون الحاجة إلى النيكل/الكروم العالي |
| وصلات التمدد وبطانة المداخن | معدات معالجة الزجاج والبتروكيماويات عند درجات حرارة مرتفعة |
مبررات الاختيار: - اختر 309 عندما تكون التكلفة والأداء الجيد عند درجات الحرارة العالية مطلوبين ولكن درجة حرارة الخدمة القصوى معتدلة وعند الانضمام بشكل متكرر إلى الفولاذ الكربوني. - اختر 310S عندما تتطلب التطبيق مقاومة متفوقة للتقشير على المدى الطويل وأداء الزحف عند درجات حرارة مرتفعة مستدامة، وتسمح الميزانية بتكلفة السبيكة الأعلى.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: 310S عمومًا أكثر تكلفة من 309 بسبب محتويات النيكل والكروم الأعلى. يمكن أن تؤثر تقلبات أسعار النيكل بشكل كبير على تسعير 310S.
- التوافر: يتم إنتاج كلا الدرجتين على نطاق واسع ومتاحة في شكل ورقة، لوح، أنبوب، أنبوب، وقضيب. قد تكون بعض أشكال المنتجات المتخصصة أو الأحجام الكبيرة جدًا من 310S لها أوقات تسليم أطول من 309، اعتمادًا على مخزونات المصنع وظروف السوق.
- نصيحة الشراء: للمشاريع الحساسة لتكلفة المواد، قم بتقييم ما إذا كانت الأداء الأعلى لـ 310S عند درجة حرارة التشغيل يوفر مدخرات على مدى دورة الحياة (عمر أطول، عدد أقل من الاستبدالات) تعوض عن التكلفة الأولية الأعلى للمواد.
10. الملخص والتوصية
| الخاصية | 309 / 309S | 310S |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة للحام الفولاذ المقاوم للصدأ؛ مادة تعبئة مفضلة للوصلات المختلفة | ممتازة؛ تقلل درجة S منخفضة الكربون من التحسس |
| القوة–الصلابة (RT) | جيدة، مشابهة لبقية الأستنيتية | جيدة، مشابهة عند درجة حرارة الغرفة؛ مقاومة متفوقة للزحف/التقشير عند درجات الحرارة العالية |
| التكلفة | أقل | أعلى |
التوصيات النهائية: - اختر 310S إذا كانت تصميمك يتطلب أفضل مقاومة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية المتاحة وأداء الزحف للخدمة المستمرة أو طويلة الأمد عند درجات الحرارة المرتفعة، أو عندما تكون مقاومة التقشير عند الحد الأعلى من نطاقات درجات الحرارة الأستنيتية أمرًا حاسمًا