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

مقدمة

الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من النوع 316 و 316L هما من أكثر الدرجات المحددة استخدامًا في الصناعة، من الأنابيب والأوعية الضاغطة إلى معدات المعالجة الكيميائية والأسطح الملامسة للغذاء. غالبًا ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بين المزايا والعيوب المتعلقة بالقوة العالية قليلاً، وسلوك التصنيع، ومقاومة التآكل، والسعر عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية التجميعات الملحومة حيث تكون التآكل بين الحبيبات أو التحسس مصدر قلق، مقابل التطبيقات التي يفضل فيها قوة عائد أعلى قليلاً أو تكلفة مواد أقل.

التمييز الأساسي هو محتوى الكربون المتحكم فيه: يتم إنتاج المتغير "L" بمستوى كربون أقصى أقل لتقليل خطر ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات بعد اللحام أو التعرض لدرجات حرارة التحسس. يؤثر هذا الاختلاف بشكل مباشر على القابلية للتآكل بين الحبيبات ويؤثر على اختيار المواد في المكونات الملحومة أو المعرضة لدرجات حرارة عالية.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير والتسميات الدولية الشائعة لهذه الدرجات:

• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (لوح، ورقة) — UNS S31600 (316)، UNS S31603 (316L)
• EN: EN 10088-2 / EN 10088-3 (الفولاذ المقاوم للصدأ) — X5CrNiMo17-12-2 (316)، X2CrNiMo17-12-2 (316L)
• JIS: SUS316، SUS316L
• GB (الصين): 0Cr17Ni12Mo2 و 00Cr17Ni12Mo2 (تقريبًا متطابقة)

التصنيف: كل من 316 و 316L هما فولاذان مقاومان للصدأ الأوستنيتي (مقاوم للصدأ). هما ليسا فولاذ كربوني أو سبائكي أو فولاذ أدوات أو فولاذ HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تشترك الدرجتان في نفس العناصر السبائكية الرئيسية (Cr، Ni، Mo) مع المتغير الرئيسي المتحكم فيه وهو الكربون. أدناه جدول تركيب مختصر يظهر الحدود الشائعة أو النطاقات النموذجية كما هو محدد بواسطة المعايير المستخدمة على نطاق واسع. يتم إعطاء القيم كنسبة مئوية بالوزن (wt%); حيث تحدد معيارًا أقصى، يتم إظهاره.

عنصر	316 (حدود نموذجية)	316L (حدود نموذجية)
C	≤ 0.08 wt% (أقصى)	≤ 0.03–0.035 wt% (أقصى)
Mn	≤ 2.0 wt% (أقصى)	≤ 2.0 wt% (أقصى)
Si	≤ 1.0 wt% (أقصى)	≤ 1.0 wt% (أقصى)
P	≤ 0.045 wt% (أقصى)	≤ 0.045 wt% (أقصى)
S	≤ 0.030 wt% (أقصى)	≤ 0.030 wt% (أقصى)
Cr	16.0–18.0 wt% (نموذجي)	16.0–18.0 wt% (نموذجي)
Ni	10.0–14.0 wt% (نموذجي)	10.0–14.0 wt% (نموذجي)
Mo	2.0–3.0 wt% (نموذجي)	2.0–3.0 wt% (نموذجي)
V	غير محدد / أثر	غير محدد / أثر
Nb (Cb)	غير موجود عادةً (ما لم يتم تثبيته)	غير موجود عادةً (ما لم يتم تثبيته)
Ti	غير موجود عادةً (ما لم يتم تثبيته كـ 316Ti)	غير موجود عادةً
B	غير موجود عادةً / أثر	غير موجود عادةً / أثر
N	متحكم فيه لمستويات منخفضة (أثر)	متحكم فيه لمستويات منخفضة (أثر)

استراتيجية السبائك والتأثيرات: - يوفر الكروم (Cr) فيلم أكسيد غير نشط يمنح الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومته للتآكل. - يثبت النيكل (Ni) البنية المجهرية الأوستنيتية ويحسن المتانة وقابلية التشكيل. - يزيد الموليبدينوم (Mo) من المقاومة للتآكل الناتج عن التآكل والتآكل في الشقوق في البيئات المحتوية على الكلوريد. - يزيد الكربون من القوة من خلال تقوية المحلول الصلب ويمكن أن يساهم في تشكيل الكربيدات عند حدود الحبيبات عند دمجه مع الكروم والتعرض الحراري. يقلل خفض الكربون في 316L من ترسيب كربيد الكروم ويحسن المقاومة للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو التعرض لدرجات حرارة التحسس.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية: - كل من 316 و 316L هما أوستنيتيان بالكامل بعد التلدين في المحلول؛ البنية المجهرية هي أوستنيت مكعب مركزي الوجوه (FCC) مع كميات صغيرة محتملة من الفريت دلتا في بعض البنى المجهرية المصبوبة أو الملحومة. - ترسيب الكربيد: عند درجات حرارة تتراوح بين حوالي 425–870 درجة مئوية (نطاق التحسس)، يمكن أن يشكل الكربون والكروم كربيدات غنية بالكروم ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) عند حدود الحبيبات. هذا يستنفد الكروم المجاور لحدود الحبيبات ويزيد من القابلية للتآكل بين الحبيبات.

استجابة المعالجة الحرارية والمعالجة: - التلدين في المحلول (نموذجي للمعالجة النهائية): التسخين إلى درجة حرارة الحل (على سبيل المثال، 1,000–1,100 درجة مئوية) يتبعه تبريد سريع يستعيد بنية أوستنيت أحادية الطور ويذيب الترسيبات لكلتا الدرجتين. - التعديل والتبريد غير مستخدمين عادةً للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لأنهم لا يتحولون إلى مارتينسيت؛ المعالجة الحرارية الميكانيكية (العمل البارد يتبعه التلدين في المحلول) هي الأكثر شيوعًا. - 316L أقل عرضة لترسيب الكربيد أثناء التبريد البطيء أو دورات الحرارة بعد اللحام بسبب محتوى الكربون الأقل؛ هذا يحسن المقاومة للتآكل بين الحبيبات دون الحاجة إلى التلدين في المحلول بعد اللحام في العديد من الحالات. - المتغيرات المستقرة (مثل 316Ti أو 316Cb/Nb) تضيف عمدًا Ti أو Nb لربط الكربون ككربيدات مستقرة وبالتالي تمنع تشكيل كربيد الكروم—مفيد حيث تمنع الخدمة في درجات الحرارة العالية التلدين في المحلول.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية الكمية على شكل المنتج (لوح، قضيب، أنبوب)، العمل البارد، والمعالجة الحرارية. بدلاً من الأرقام الثابتة، المقارنة العملية هي:

خاصية	316	316L
قوة الشد	مماثلة (قوة الشد النهائية القابلة للمقارنة)	مماثلة
قوة العائد	أعلى قليلاً (بسبب الكربون الأعلى)	أقل قليلاً (انخفاض العائد)
التمدد / اللدونة	قابلة للمقارنة، لدونة جيدة	قابلة للمقارنة، غالبًا ما تكون لدونة أعلى قليلاً
صلابة التأثير	قابلة للمقارنة وعادةً جيدة في درجات الحرارة المحيطة	قابلة للمقارنة وعادةً جيدة
الصلابة	مماثلة / تعتمد على العمل البارد	مماثلة؛ أقل قليلاً في الحالة الملدنة

لماذا هذه الاختلافات: - يساهم الكربون في قوة العائد من خلال الحل الصلب ووجود الكربيد المحتمل؛ عادةً ما يظهر 316 قوة عائد أعلى قليلاً من 316L في الظروف الملدنة. - يمكن أن يحسن انخفاض الكربون في 316L اللدونة والمتانة قليلاً ويفضل حيث تكون اللدونة بعد اللحام حرجة.

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام لكلتا الدرجتين ممتازة مقارنةً بالعديد من الفولاذات؛ الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يستخدم على نطاق واسع في التصنيع الملحوم. اعتبارات اللحام الرئيسية:

• أثر الكربون: يقلل الكربون الأقل من القوة الدافعة لترسيب كربيد الكروم أثناء التبريد بعد اللحام؛ لذلك فإن 316L لديه مقاومة متفوقة للتحسس مقارنةً بـ 316.
• قابلية الصلابة: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لا يتحول إلى مارتينسيت عند التبريد، لذا فإن تشقق الهيدروجين أقل قلقًا مقارنةً بالفولاذات الفريتية أو المارتينسيتية. ومع ذلك، يمكن أن يكون التشقق الساخن وتشكيل مرحلة سيغما في دورات حرارية معينة ذات صلة.
• استخدام المعادن المالئة: تعتبر سبائك المالئة المتطابقة أو الزائدة (مثل ER316L) شائعة للحفاظ على مقاومة التآكل.

المعادلات ذات الصلة المستخدمة من قبل مهندسي اللحام (تفسير نوعي فقط): - المعادل الكرومي / المعادل الكربوني لتقييم قابلية الصلابة أو اللحام: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - مؤشر تنبؤ أكثر تعقيدًا: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير: - يقلل انخفاض $C$ من كل من مساهمات $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ وبالتالي يشير إلى ميل أقل لتشكيل مراحل ضارة عند التبريد البطيء أو التعرض الممتد. وبالتالي، يسجل 316L نتائج أفضل في هذه المؤشرات لتقليل خطر التحسس. - الأثر العملي: بالنسبة للهياكل الملحومة مع فترات إيزوثرمالية طويلة أو تبريد بطيء في نطاق التحسس، يُوصى باستخدام 316L أو الدرجات المستقرة؛ بالنسبة لدورات اللحام القصيرة وحيث تكون القوة ذات أولوية، قد يكون 316 مقبولًا مع الإجراءات المناسبة.

6. التآكل وحماية السطح

السياق المقاوم للصدأ: - بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، يتم استخدام رقم مقاومة التآكل الناتج عن التآكل (PREN) عادةً لمقارنة مقاومة التآكل المحلية في البيئات المحتوية على الكلوريد: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - نظرًا لأن 316 و 316L لديهما مستويات مشابهة من Cr و Mo، فإن مقاومتهما الداخلية للتآكل الناتج عن التآكل متساوية أساسًا (بافتراض أن مستويات النيتروجين متشابهة). يكمن الاختلاف الحاسم في الظروف بعد اللحام أو التعرض للحرارة: يقلل الكربون الأقل في 316L من استنفاد الكروم عند حدود الحبيبات وبالتالي يقلل من القابلية للتآكل بين الحبيبات.

السياق غير المقاوم للصدأ: - (غير قابل للتطبيق هنا؛ بالنسبة للفولاذات غير المقاومة للصدأ، يتم مناقشة أنظمة الحماية مثل الجلفنة أو الطلاءات.)

عندما لا تكون المؤشرات قابلة للتطبيق: - يعتبر PREN مفيدًا لتصنيف السبائك بشكل خاص للتآكل الناتج عن التآكل في الوسائط المحتوية على الكلوريد. لا يعكس مقاومة التآكل العامة، أو السلوك الميكانيكي، أو القابلية للتآكل بين الحبيبات بسبب ترسيب الكربيد.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: كل من 316 و 316L تظهران قابلية تشكيل ممتازة (سحب عميق، انحناء) بفضل لدونة الأوستنيت. يمكن أن يكون 316L أسهل قليلاً في التشكيل في الحالة الملدنة بسبب قوة العائد الأقل قليلاً.
• قابلية التشغيل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يتصلب أثناء العمل؛ قابلية التشغيل عمومًا متوسطة إلى ضعيفة مقارنةً بالفولاذ الكربوني. يتم تشغيل 316 و 316L بشكل مشابه، على الرغم من أن معلمات العملية والأدوات تحدد التحكم العملي في الرقائق وتشطيب السطح.
• تشطيب السطح: كلاهما يأخذ تشطيبات مقاومة للصدأ شائعة (تلميع، تفجير كريات، تمرير). يُوصى بالتمرير بعد التصنيع لاستعادة فيلم أكسيد الكروم الغني، خاصة بعد اللحام أو النقع.
• اللحام والمعالجة بعد اللحام: يقلل 316L من الحاجة إلى التلدين في المحلول بعد اللحام في العديد من الحالات؛ ومع ذلك، في التطبيقات شديدة التآكل أو حيث تكون المقاومة القصوى مطلوبة، قد لا يزال يتم تحديد التلدين في المحلول.

8. التطبيقات النموذجية

316	316L
مبادلات حرارية، مضخات وصمامات في الخدمة البحرية والكيميائية (حيث تتوفر قوة أعلى قليلاً أو مادة 316 القياسية)	أنابيب معالجة كيميائية، معدات صيدلانية، وأجهزة طبية حيث تكون سلامة اللحام ومقاومة التآكل بين الحبيبات بعد اللحام حرجة
المثبتات، التركيبات، والأجهزة للاستخدام البحري والمعماري	خزانات ملحومة كبيرة، أوعية تفاعل، وأنابيب حيث يتوقع التبريد البطيء أو التعرض الحراري بعد اللحام
معدات معالجة الطعام العامة	خزانات وأنابيب كريوجينية حيث يقلل الكربون المنخفض من خطر ترسيب الكربيد وحيث يكون التشكيل/اللحام بعد التصنيع شائعًا
مكونات حيث يكون المخزون القياسي 316 أكثر اقتصادية وطرق التصنيع لا تسبب التحسس	أي تطبيق يتطلب تقليل خطر التحسس دون استقرار أو تلدين في المحلول

منطق الاختيار: - اختر 316 عندما تكون قوة العائد الأعلى قليلاً مقبولة دون حساسية لحام خاصة وتفضل التكلفة/التوافر.

اختر 316L عندما يتضمن التصنيع لحامًا مكثفًا، أو تعرضًا للحرارة بعد اللحام، أو عندما تتطلب المعايير/الممارسات الصناعية درجات كربون منخفضة لتجنب التآكل بين الحبيبات.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون تكلفة 316L أعلى قليلاً من 316 بسبب التحكم الأكثر صرامة على الكربون وأحيانًا معالجة إضافية؛ ومع ذلك، فإن العلاوات السوقية صغيرة وتختلف حسب المنطقة وظروف العرض.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في شكل ورقة، لوح، قضيب، أنبوب، وأنابيب. غالبًا ما يكون 316 أكثر شيوعًا في المخزون السلعي؛ 316L متاح بسهولة في أنابيب ملحومة وغير ملحومة، وورق، وتركيبات بسبب الطلب الواسع في الصناعات الصيدلانية، والبتروكيماوية، والغذائية.
• قد تحتوي الأشكال الخاصة أو ذات المهل الطويلة (المسبوكات الكبيرة، الألواح الثقيلة) على أوقات تسليم؛ حدد الدرجة مبكرًا في المشتريات لتأمين العرض وتجنب الاستبدال.

10. الملخص والتوصية

المعايير	316	316L
قابلية اللحام	جيدة؛ زيادة خطر التحسس مقابل 316L	أفضل للتجميعات الملحومة؛ خطر تحسس أقل
القوة–المتانة	قوة عائد أعلى قليلاً؛ قوة شد ومتانة مماثلة	قوة عائد أقل قليلاً؛ متانة ولدونة قابلة للمقارنة
التكلفة	أقل قليلاً (غالبًا)	أعلى قليلاً (غالبًا)

التوصية: - اختر 316 إذا كانت تصميمك يفضل قوة عائد أعلى قليلاً، وتقلل عملية التصنيع من الوقت في نطاق التحسس (يتم إجراء تبريد سريع أو تلدين في المحلول بعد اللحام)، أو عندما تفضل التكلفة/توافر المخزون 316. - اختر 316L إذا كانت التجميعات الخاصة بك تتضمن لحامًا مكثفًا، أو تبريدًا بطيئًا، أو تعرضات للخدمة قد تسبب التحسس؛ إذا كانت المعايير أو معايير التأهيل تتطلب مواد منخفضة الكربون؛ أو عندما تكون المقاومة القصوى للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام مهمة.

ملاحظة عملية نهائية: بالنسبة للخدمات الحرارية العالية أو شديدة التآكل، ضع في اعتبارك طرق بديلة—درجات مستقرة (316Ti/316Cb)، عائلات الفولاذ المقاوم للصدأ ذات السبائك العالية (مثل الدوبلكس، الأوستنيتي الفائق)، التلدين في المحلول بعد اللحام، أو تحديد المعادن المالئة بشكل مناسب. دائمًا راجع المعايير البيئية المعمول بها مع مهندسي التآكل واللحام قبل الانتهاء من اختيار المواد.