310S مقابل 321 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً خيارًا بين الفولاذ المقاوم للصدأ 310S و321 عند تحديد الأجزاء التي يجب أن توازن بين الأداء في درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل وقابلية اللحام والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية مكونات الأفران ذات درجات الحرارة العالية، والمبادلات الحرارية، وأنظمة العادم، والتجمعات الملحومة التي قد تتعرض لظروف التحسس.

التمييز العملي المركزي بين الدرجتين هو استراتيجيات السبائك الخاصة بهما من أجل الاستقرار في درجات الحرارة العالية وبعد اللحام: 310S هو سبيكة أوستنيتية عالية الكروم وعالية النيكل تم تحسينها لمقاومة الأكسدة والزحف عند درجات الحرارة المرتفعة، بينما 321 هي سبيكة أوستنيتية مثبتة بالتيتانيوم مصممة لمقاومة التآكل بين الحبيبات بعد اللحام من خلال منع ترسيب كربيد الكروم. بسبب هذا الاختلاف، يقارن المصممون بينهما عندما تضع التطبيق متطلبات متزامنة على القدرة الحرارية وأداء اللحام ومقاومة التآكل على المدى الطويل.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير والتسميات الرئيسية المستخدمة عادةً لهذه الدرجات: - ASTM/ASME: 310S — ASTM A240/A240M (فولاذ مقاوم للحرارة)، 321 — ASTM A240/A240M (فولاذ مقاوم للصدأ الأوستنيتي المستقر). - EN (أوروبا): 310S تقريبًا EN 1.4845 / X10CrNi25-21؛ 321 تقريبًا EN 1.4541 / X6CrNiTi18-10. - JIS (اليابان): توجد مكافئات (مثل، SUS310S، SUS321). - GB (الصين): تستخدم تسميات GB/T المقابلة عادةً للصفائح والألواح.

التصنيف: كل من 310S و321 هما فولاذان مقاومان للصدأ أوستنيتيان (فئة سبيكة مقاومة للصدأ)، وليس فولاذ كربوني أو فولاذ أدوات أو HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

عنصر (wt%)	310S (نطاق نموذجي)	321 (نطاق نموذجي)
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.5	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	24 – 26	17 – 19
Ni	19 – 22	9 – 12
Mo	— (أثر إن وجد)	— (أثر إن وجد)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	~0.4 – 0.7 (مثبت؛ عادة ≥ 5×C)
B	—	—
N	≤ 0.10	≤ 0.10

ملاحظات حول استراتيجية السبائك - يعتمد 310S على محتويات عالية من الكروم والنيكل لاستقرار مصفوفة أوستنيتية عند درجات حرارة مرتفعة، مما يحسن مقاومة الأكسدة وقوة درجات الحرارة العالية. - يحتوي 321 على التيتانيوم بكميات كافية لربط الكربون ككربيدات مستقرة (TiC) وبالتالي منع ترسيب كربيد الكروم (التحسس) في نطاق 425–870 درجة مئوية. لا يزيد التيتانيوم بشكل كبير من مقاومة التآكل الأساسية، ولكنه يحافظ عليها بعد اللحام أو التعرض الحراري.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص - يزيد الكروم من مقاومة الأكسدة واستقرار الفيلم السالب. - يثبت النيكل المصفوفة الأوستنيتية، ويحسن المتانة والليونة، ويعزز القوة عند درجات الحرارة المرتفعة. - يحسن التيتانيوم في 321 مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد اللحام من خلال تشكيل كربيدات مستقرة بدلاً من كربيدات الكروم. - يزيد الكربون المرتفع (ليس نموذجيًا هنا) من القوة ولكنه يزيد من القابلية للتحسس؛ كلا الدرجتين هما متغيرات منخفضة الكربون للحد من هذا التأثير.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهياكل النموذجية - كل من 310S و321 هما أوستنيتيان بالكامل عند درجة حرارة الغرفة في ظروف التلدين القياسية. هيكل الحبيبات هو أوستنيت متساوي المحاور بعد التلدين. - يحتوي 321 في ظروف اللحام أو التعرض على ترسيبات TiC/Ti(C,N) التي تربط الكربون؛ هذه الترسيبات عادة ما تكون دقيقة وموزعة عند حدود الحبيبات وداخل الحبيبات. - لا يحتوي 310S على التيتانيوم: في الانحرافات الحرارية ضمن نطاق التحسس، قد يترسب كربيد الكروم (Cr23C6) بالقرب من حدود الحبيبات ما لم يتم اتخاذ الحذر بشأن إدخال الحرارة والتبريد.

استجابة المعالجة الحرارية والمعالجة - التلدين: يتم تلدين كلاهما لاستعادة الليونة بعد العمل البارد (تلدين نموذجي يتبعه تبريد محكوم). تكون الحلول للفولاذ الأوستنيتي عادةً في المنطقة الموصى بها من قبل المعايير (اتبع أوراق بيانات المورد). - التطبيع والتبريد/التسخين: لا ينطبق بنفس المعنى كما هو الحال بالنسبة للفولاذ المارتنسيت—هذه السبائك الأوستنيتية لا تتصلب بالتبريد. استجابتها للتبريد والتسخين التقليديين ضئيلة لأنها سبائك أوستنيتية غير متحولة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يزيد العمل البارد من القوة من خلال تصلب الإجهاد في كلا الدرجتين؛ ومع ذلك، فإن العمل البارد بالإضافة إلى التسخين اللاحق في 321 لا ينتج عنه تحسس بنفس الدرجة كما في 310S لأن التيتانيوم يثبت الكربون.

الآثار العملية - بالنسبة للمكونات التي تتعرض لدورات حرارية متكررة أو لحام، يوفر 321 هيكلًا ميكرويًا بعد اللحام أكثر قابلية للتنبؤ ومقاومة للهجوم بين الحبيبات. بالنسبة للخدمة المستمرة المقاومة للأكسدة عند درجات حرارة عالية، فإن محتوى الكروم/النيكل الأعلى في 310S يمنح ميزة.

4. الخصائص الميكانيكية

الخاصية (نموذجية، تلدين، درجة حرارة الغرفة)	310S	321
قوة الشد	قابلة للمقارنة؛ كلاهما معتدل (أوستنيتي)	قابلة للمقارنة؛ نطاق مشابه
قوة الخضوع (0.2% انزياح)	قابلة للمقارنة؛ معتدلة	قابلة للمقارنة؛ معتدلة
التمدد (الليونة)	عالية (قابلية تشكيل جيدة)	عالية (قابلية تشكيل جيدة)
صلابة التأثير	جيدة، صلبة عند RT؛ تحتفظ بالمتانة عند درجات حرارة مرتفعة	جيدة؛ تحتفظ بالمتانة بعد التعرض للحام بسبب الاستقرار
الصلابة (تلدين)	منخفضة إلى معتدلة (تعمل بسهولة عند البرد)	منخفضة إلى معتدلة (تعمل بسهولة عند البرد)

التفسير - تظهر كلا الدرجتين سلوكًا ميكانيكيًا مشابهًا عند درجة حرارة الغرفة لأن كلاهما فولاذان مقاومان للصدأ أوستنيتيان في حالة التلدين. الاختلافات دقيقة: يوفر محتوى النيكل والكروم الأعلى في 310S قوة أفضل قليلاً عند درجات الحرارة العالية ومقاومة أفضل للزحف؛ يساعد محتوى التيتانيوم في 321 على الحفاظ على المتانة ومقاومة التآكل بعد اللحام والتعرض الحراري. بالنسبة للأجزاء الحاملة للأحمال الحرجة في التصميم، يجب على المصممين استخدام بيانات اختبار ميكانيكية معتمدة من المورد لشكل المنتج والمعالجة الحرارية المحددة.

5. قابلية اللحام

تركز اعتبارات قابلية اللحام على محتوى الكربون، والعناصر المثبتة، وقابلية التصلب. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، يمكن أن تكون مكافئات الكربون وPcm مؤشرات نوعية مفيدة.

المعادلات الشائعة المستخدمة لتقدير ميلان الشقوق/قابلية التصلب: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

التفسير النوعي - كل من 310S و321 سهل اللحام نسبيًا مقارنة بالفولاذات الفريتية أو المارتنسيتية لأن الهيكل الأوستنيتي لا undergo martensitic transformation ولديه قابلية تصلب منخفضة. - يتمتع 321 بميزة للمكونات الملحومة التي تتعرض لدورات حرارية بعد اللحام لأن التيتانيوم يمنع تشكيل كربيد الكروم وبالتالي يقلل من خطر التآكل بين الحبيبات في منطقة التأثير الحراري (HAZ). - يتطلب 310S، على الرغم من أنه قابل للحام، التحكم الدقيق في معلمات اللحام وإجراءات ما بعد اللحام إذا كانت التجميعات ستتعرض لدرجات حرارة تحسسية أو بيئات تآكل؛ اختيار المواد المالئة والتبريد المناسب بعد اللحام مهمان. - عادةً لا تتطلب هذه الدرجات الأوستنيتية تسخين مسبق أو معالجة حرارية بعد اللحام، ولكن ممارسة اللحام الجيدة (المستهلكات المناسبة، التحكم في إدخال الحرارة، والتنظيف) مهمة لتجنب التلوث وفقدان النيتروجين.

6. التآكل وحماية السطح

السلوك المقاوم للصدأ - يشكل كل من 310S و321 أفلامًا سلبية غنية بالكروم في البيئات المؤكسدة؛ مقاومتهما للتآكل العام مشابهة في العديد من البيئات المائية. - يحتوي 310S على كميات أعلى من الكروم والنيكل، لذا فإنه يوفر مقاومة أفضل للأكسدة عند درجات الحرارة العالية وأداء أفضل في الأجواء المؤكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة. - تم تصميم استقرار التيتانيوم في 321 بشكل خاص لمنع التآكل بين الحبيبات بعد التعرض لنطاق درجات حرارة التحسس.

PREN (عدد مقاومة التآكل) يستخدم غالبًا لمقارنة مقاومة التآكل في البيئات التي تحتوي على كلوريد: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - يكون PREN أكثر فائدة للفولاذات المزدوجة والأوستنيتية التي تحتوي على الموليبدينوم والنيتروجين. بالنسبة لـ 310S و321، اللذان يحتويان عادةً على القليل أو لا يحتويان على الموليبدينوم، فإن PREN ليس معيار اختيار أساسي: كلاهما لهما مقاومة متواضعة للتآكل مقارنةً بالدرجات التي تحتوي على الموليبدينوم.

بدائل غير مقاومة للصدأ وحماية السطح - حيث لا تكون الدرجات المقاومة للصدأ مطلوبة، تشمل الحمايات السطحية الشائعة الجلفنة، والطلاء، والتغليف. هذه ليست بدائل للأداء المقاوم للصدأ عند درجات الحرارة العالية أو في البيئات المؤكسدة العدوانية؛ يعتمد الاختيار على ظروف الخدمة المتوقعة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كفولاذات مقاومة للصدأ أوستنيتية، كلاهما أصعب في التشغيل من الفولاذ الكربوني؛ تتصلب بسهولة وتتطلب أدوات حادة، وإعدادات صلبة، وتغذيات/سرعات مناسبة. قد يكون 310S أكثر صعوبة قليلاً في التشغيل بسبب محتوى السبيكة الأعلى، ولكن الاختلافات متواضعة.
• قابلية التشكيل: كلاهما يظهران ليونة وقابلية تشكيل ممتازة في حالة التلدين. تعتبر الارتداد والتصلب الناتج عن العمل من الاعتبارات الشائعة؛ قد تكون التلدينات المتوسطة مطلوبة للتشكيل الثقيل.
• تشطيب السطح والتلميع: عمومًا، يتحمل 310S مقاومة تآكل أعلى ويقاوم التعرض للأكسدة عند درجات حرارة عالية؛ كما أن 321 يتلمع جيدًا أيضًا.
• العمل البارد: يمكن أن يتم العمل البارد على كلاهما لزيادة القوة، ولكن العمل البارد يقلل من الليونة وقد يغير سلوك التآكل ما لم يتم إعادة تلدينه.

8. التطبيقات النموذجية

310S — الاستخدامات النموذجية	321 — الاستخدامات النموذجية
أجزاء الأفران، والمخمدات، والأنابيب الإشعاعية (خدمة أكسدة عند درجات حرارة عالية)	مكونات عادم الطائرات، وصلات التمدد، ومعدات معالجة كيميائية ملحومة (مستقرة ضد التآكل بين الحبيبات)
مكونات المبادلات الحرارية التي تعمل عند درجات حرارة مرتفعة	التثبيتات، والفلنجات، والتجميعات الملحومة حيث تكون مقاومة التآكل بعد اللحام حرجة
بطانات الموقد، وسلال التلدين	معدات معالجة البتروكيماويات والأغذية المعرضة لأحمال حرارية دورية ولحام

مبررات الاختيار - اختر 310S حيث تكون مقاومة الأكسدة المستمرة أو الدورية عند درجات حرارة عالية وقوة درجات الحرارة العالية هي المتطلبات الأساسية. - اختر 321 حيث يجب أن تحتفظ الوصلات الملحومة بمقاومة التآكل في نطاق التحسس أو حيث ستتعرض المكونات لدورات حرارية متكررة ويكون اللحام واسع النطاق.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما يكون 310S أكثر تكلفة من 321 على أساس كل كيلوغرام بسبب محتواه الأعلى من النيكل والكروم. النيكل هو المحرك الرئيسي للتكلفة.
• التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في أشكال الصفائح والألواح والأنابيب والبار، ولكن بعض أشكال المنتجات (مثل الأنابيب غير الملحومة ذات القطر الكبير في 310S) قد تكون أقل شيوعًا وتتطلب أوقات تسليم أطول. تؤثر ظروف السوق المحلية وتقلب أسعار النيكل على التكلفة النسبية وأوقات التسليم.

10. الملخص والتوصية

السمة	310S	321
قابلية اللحام	جيدة، ولكن راقب تحسس HAZ في بعض الظروف	جيدة جدًا للهياكل الملحومة (مثبتة بالتيتانيوم)
القوة–المتانة (درجة حرارة الغرفة)	قابلة للمقارنة مع 321؛ قوة أفضل عند درجات الحرارة العالية	قابلة للمقارنة مع 310S؛ مقاومة أفضل للتآكل بعد اللحام
التكلفة	أعلى (محتوى نيكل/كروم أعلى)	أقل (محتوى نيكل/كروم معتدل)

التوصيات - اختر 310S إذا: - كانت التطبيق يتطلب مقاومة فائقة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية أو مقاومة الزحف. - كانت الخدمة المستمرة عند درجات حرارة مرتفعة أو في أجواء مؤكسدة هي المحرك الرئيسي للتصميم. - كانت تكلفة المواد الإضافية مبررة بالأداء عند درجات الحرارة.

• اختر 321 إذا:
• كانت القطعة ستلحم بشكل متكرر أو ستتعرض لدورات حرارية عابرة قد تسبب التحسس.
• كانت المقاومة طويلة الأمد للتآكل بين الحبيبات في الهياكل الملحومة مهمة.
• كنت ترغب في درجة أوستنيتية فعالة من حيث التكلفة مع مقاومة جيدة للتآكل العامة وأداء مستقر بعد اللحام.

ملاحظة نهائية تأكد دائمًا من اختيار المواد مع شهادات المورد واعتبر هندسة المكونات، والدورات الحرارية المتوقعة، والبيئة (مؤكسدة مقابل مختزلة، وجود كلوريد)، وعملية التصنيع. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، اطلب بيانات اختبار ميكانيكية كاملة لشكل المنتج المحدد، وعند الشك، قم بإجراء لحام تجريبي واختبارات تآكل للتحقق من الدرجة المختارة في ظروف الخدمة المقصودة.