316L مقابل 316Ti – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
المقدمة
316L و 316Ti هما نوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستخدم على نطاق واسع والمشتق من عائلة 316. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بوزن مقاومة التآكل وقابلية اللحام والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية أنظمة الضغط الملحومة (حيث تكون الكربون المنخفض أو الاستقرار مهمين)، وأنابيب وموصلات الحرارة ذات درجات الحرارة العالية (حيث تكون ترسبات الكربيد مصدر قلق)، ومكونات الخدمة العامة المقاومة للتآكل حيث يُفضل الفولاذ المقاوم للصدأ من سلسلة 300 الذي يحتوي على الموليبدينوم.
التمييز المعدني الرئيسي بين النوعين هو كيفية منع كل سبيكة لترسب كربيد الكروم عند درجات الحرارة المرتفعة: واحدة تقلل من محتوى الكربون، والأخرى تربط الكربون بعنصر مثبت. هذه الاختلافات تؤدي إلى خيارات متباينة في التصنيع، وتحمل التعرض الحراري، وبعض الخصائص الميكانيكية، ولهذا السبب يتم مقارنة 316L و 316Ti بشكل شائع في مواصفات التصميم أو التصنيع.
1. المعايير والتسميات
- المواصفات والتسميات الشائعة:
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (لوح/ورقة للفولاذ المقاوم للصدأ)؛ معايير منتجات ASTM الأخرى للبار، الأنابيب، التركيبات.
- EN: 1.4404 (يتم الإشارة إليه عادةً لـ 316L)، 1.4571 (يتم الإشارة إليه عادةً لـ 316Ti).
- معايير JIS و GB ومعايير وطنية أخرى غالبًا ما تحتوي على درجات مكافئة (مثل، مكافئات SUS316L).
- التصنيف: كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ (أوستنيتي، يحتوي على موليبدينوم، سلسلة Cr–Ni). ليسا فولاذ كربوني، أو فولاذ أدوات، أو درجات HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوضح الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية لـ 316L و 316Ti كما هو موجود في المعايير الشائعة (تُعطى القيم كنسبة مئوية بالوزن وهي دالة؛ يُرجى الرجوع إلى المعيار المحدد للحدود الملزمة).
| العنصر | 316L (نطاق نموذجي، wt%) | 316Ti (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75–1.0 | ≤ 0.8 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | 10.0 – 14.0 | 10.0 – 14.0 |
| Mo | 2.0 – 3.0 | 2.0 – 3.0 |
| V | trace | trace |
| Nb | trace / none | trace / none |
| Ti | trace / none | ~0.4 – 0.7 |
| B | trace | trace |
| N | ≤ ~0.10 | ≤ ~0.11 |
كيف تؤثر السبائك على السلوك: - يوفر الكروم والموليبدينوم مقاومة أساسية للتآكل والتآكل. يثبت النيكل المصفوفة الأوستنيتية ويحسن المتانة. - يزيد الكربون من القوة ولكنه يعزز ترسب كربيد الكروم ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) عند 425–850 °م، مما يستنفد الكروم عند حدود الحبيبات ويؤدي إلى تآكل بين الحبيبات (تحسس). - يقلل 316L من هذا الخطر عن طريق تحديد محتوى الكربون. يستخدم 316Ti التيتانيوم لتشكيل مركبات مستقرة من Ti–الكربون (مثل TiC) التي ترتبط بشكل تفضيلي بالكربون، مما يمنع تشكيل كربيد الكروم أثناء التعرض لدرجات الحرارة المحسسة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية: - كلا الدرجتين هما في الغالب أوستنيتيتان (مكعب مركزي الوجه) في الحالة المعالجة، مع بنية مجهرية نموذجية من حبيبات الأوستنيت المتساوية الشكل وكميات صغيرة محتملة من مرحلة سيغما أو كربيدات بعد التعرض لفترات طويلة لدرجات حرارة عالية. - 316L: الكربون المنخفض يعني كميات أقل من الكربيدات بعد الدورات الحرارية؛ تبقى البنية المجهرية نظيفة من الأوستنيت ما لم يتم العمل عليها بشكل بارد بشكل شديد أو التعرض لدورات حرارية عدوانية للغاية. - 316Ti: يترسب التيتانيوم كجزيئات دقيقة من TiC/TiN، عادة عند حدود الحبيبات وداخل الحبيبات؛ تعمل هذه كمواد مثبتة.
استجابة المعالجة الحرارية والمعالجة: - المعالجة الحرارية (عادة 1000–1100 °م تليها تبريد سريع) تستعيد بنية أوستنيتية موحدة وتذوب المراحل الضارة. يتم معالجة كلا الدرجتين عادةً بالمعالجة الحرارية للتطبيقات الحرجة. - التهدئة/التبريد/التخمير ليست نموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي؛ تؤثر المعالجة الحرارية الميكانيكية (العمل البارد، تخفيف الضغط) على كثافة الانزياح والخصائص الميكانيكية بدلاً من تحويل المراحل. - 316Ti يتحمل بشكل خاص التغيرات الحرارية عبر نطاق التحسس لأن التيتانيوم يحتجز الكربون؛ ومع ذلك، إذا كان التيتانيوم غير موجود بشكل كافٍ بالنسبة للكربون أو إذا حدث شيخوخة طويلة عند درجات حرارة عالية، يمكن أن تتشكل ترسبات ثانوية (مثل مرحلة سيغما) وتؤدي إلى هشاشة الفولاذ.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بشكل كبير على شكل المنتج (ورقة، لوح، قضيب)، العمل البارد، والتاريخ الحراري. يقدم الجدول أدناه نطاقات نموذجية، في حالة المعالجة الحرارية، يتم الإبلاغ عنها عادةً لهذه الدرجات. استخدم شهادات المورد/الاختبار للقيم على مستوى التصميم.
| الخاصية (معالجة حرارية، نموذجية) | 316L | 316Ti |
|---|---|---|
| قوة الشد (UTS)، ميغاباسكال | 480 – 620 | 490 – 630 |
| قوة الخضوع (0.2% انزياح)، ميغاباسكال | 170 – 300 | 180 – 310 |
| التمدد (A، % في 50 مم أو قياس محدد) | 40 – 60 | 35 – 55 |
| صلابة التأثير (شاربي V-notch، درجة حرارة الغرفة، جول) | عموماً عالية؛ متانة جيدة | عموماً عالية؛ قابلة للمقارنة، أحياناً أقل قليلاً إذا حدث ترسب |
| الصلابة (HRB أو HB) | HRB ≈ 90 – 100 (معالجة حرارية ناعمة) | HRB ≈ 95 – 110 (يمكن أن تكون أعلى قليلاً) |
التفسير: - يمكن أن يظهر 316Ti قوة أعلى قليلاً في الحالة المعالجة بسبب محتوى الكربون الأعلى وترسبات الاستقرار، لكن الاختلافات متواضعة لمعظم تطبيقات أوعية الضغط والأنابيب. - اللدونة والمتانة متشابهة بشكل عام؛ يمكن أن يقدم 316L لدونة أفضل قليلاً وسلوك كربوني منخفض مضمون بعد اللحام، بينما يوفر 316Ti استقرارًا ضد التحسس عند درجات حرارة الخدمة المرتفعة.
5. قابلية اللحام
يعتبر كل من 316L و 316Ti قابلين للحام بشكل كبير مقارنة بالفولاذات الفريتية أو المارتينسيتية، لكن لهما اعتبارات عملية مختلفة.
مؤشرات قابلية اللحام ذات الصلة: - المعادل الكربوني للأوستنيتيك (مثال): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - معامل التآكل/تشقق اللحام التجريبي (مثال): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - 316L: قابلية لحام جيدة جداً بسبب الكربون المنخفض؛ خطر ضئيل من التحسس والتآكل بين الحبيبات بعد دورات اللحام النموذجية. عادةً ما تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام غير ضرورية لمقاومة التآكل في العديد من التطبيقات. - 316Ti: قابل للحام أيضًا، وغالبًا ما يتم اختياره خصيصًا للمكونات الملحومة المعرضة لدرجات الحرارة في نطاق التحسس لأن التيتانيوم يثبت الكربون ويقلل من قابلية التآكل بين الحبيبات. يجب توخي الحذر لضمان نسبة Ti:C كافية وتجنب عدم تطابق الحشو المفرط؛ عادةً ما تكون المعادن الحشوة من نوع 316L/316 للحفاظ على مقاومة التآكل. - بشكل عام، لا تتطلب كلا الدرجتين تسخينًا مسبقًا؛ تجنب التبريد البطيء عبر 500–800 °م في التطبيقات الحساسة؛ قد يتم تحديد المعالجة الحرارية بعد اللحام للخدمة الحرجة.
6. التآكل وحماية السطح
- كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ مقاوم للتآكل (ليس مجلفنًا أو مطليًا بشكل افتراضي).
- لتقييم تآكل التآكل والتآكل في الشقوق، استخدم PREN (عدد مقاومة التآكل): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ يركز هذا المؤشر على الكروم والموليبدينوم والنيتروجين. تقع قيم PREN النموذجية لفولاذات عائلة 316 في نطاق معتدل؛ 316L و 316Ti لهما PREN متشابه جدًا لأن محتويات الكروم والموليبدينوم متقاربة والنيتروجين منخفض.
- عندما لا يكون اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ مناسبًا (مثل، البيئات المختزلة أو القلوية بشدة)، تتطلب الفولاذات غير المقاومة للصدأ حماية سطحية مثل الجلفنة أو الطلاء أو التكسية؛ هذا ليس هو القاعدة لأجزاء عائلة 316.
- ملاحظة عملية: يُفضل 316Ti للتطبيقات التي قد تسبب فيها التعرض الحراري ترسب كربيد الكروم (مثل، مبادلات الحرارة، أنابيب البخار) لأن التيتانيوم يقلل من التحسس. يحقق 316L نفس النتيجة العملية من خلال احتوائه على محتوى كربون منخفض جدًا.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: تعمل الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية على تقوية العمل بسرعة وتكون أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني. يمكن أن يكون 316Ti أكثر تحديًا قليلاً من 316L لأن الاستقرار ومحتوى الكربون الأعلى يمكن أن يزيدا من تقوية العمل وتآكل الأدوات. استخدم أدوات قوية، وتغذيات مناسبة، وسرعات قطع، ومبرد.
- قابلية التشكيل: يقدم 316L عمومًا قابلية تشكيل أفضل وأداء سحب عميق بسبب قوة الخضوع المنخفضة واللدونة الأعلى في الحالة المعالجة. يتشكل 316Ti بشكل مشابه ولكن قد يتطلب قوى أعلى قليلاً وتحكمًا أكثر دقة في انحناءات الزوايا.
- التشطيب: كلاهما يأخذ تشطيبات سطحية قياسية ويمر بعملية التمرير؛ قد يتم استخدام النقع/الحياد بعد اللحام لاستعادة الفيلم الساكن وإزالة صبغة الحرارة.
8. التطبيقات النموذجية
| 316L — الاستخدامات النموذجية | 316Ti — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| معدات معالجة المواد الكيميائية والخزانات (ملحومة) | مبادلات الحرارة ومكونات الفرن المعرضة لدرجات حرارة متوسطة |
| معدات الطعام والمشروبات والأدوية (صحية) | أنابيب البخار ودرجات الحرارة العالية حيث يكون التحسس مصدر قلق |
| مكونات بحرية وعناصر هيكلية ساحلية | أنابيب السيارات والبتروكيماويات ذات درجات الحرارة العالية |
| مكونات الأجهزة الطبية حيث يتم تحديد الكربون المنخفض | مكونات تتطلب الاستقرار خلال دورات حرارية متقطعة |
| حاويات كريوجينية ومعدات ضغط (بسبب المتانة الجيدة) | المراجل الصناعية، أنابيب السخانات (تصاميم محددة) |
مبررات الاختيار: - اختر 316L حيث تكون مقاومة التآكل بعد اللحام، والسحب العميق، والتوافر/التكلفة هي المحركات الأساسية. - اختر 316Ti حيث تشمل الخدمة التعرض المطول أو الدوري لدرجات الحرارة التي قد تسبب التحسس، وحيث لن يتم معالجة المكون بالمعالجة الحرارية بعد التصنيع.
9. التكلفة والتوافر
- 316L أكثر شيوعًا وعادة ما يكون متاحًا في مجموعة أوسع من أشكال المنتجات والتشطيبات؛ عمومًا هو الخيار الأقل تكلفة بين الاثنين.
- 316Ti له تكلفة إضافية متواضعة بسبب إضافة التيتانيوم وانخفاض حجم السوق الإجمالي؛ لا يزال التوافر جيدًا للأشكال الشائعة (أنابيب، ألواح، أنابيب) ولكن أوقات التسليم للأحجام أو التشطيبات الخاصة يمكن أن تكون أطول.
- للمشتريات: حدد المعيار الدقيق (مثل، ASTM A240 316L أو EN 1.4571) والتشطيب/المعالجة الحرارية المطلوبة لتجنب مشاكل سلسلة التوريد.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | 316L | 316Ti |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة (كربون منخفض) | ممتازة، مصممة لمقاومة التحسس؛ تتطلب الانتباه إلى Ti:C |
| القوة–المتانة | متانة جيدة، قوة خضوع أقل قليلاً | متانة قابلة للمقارنة، قوة شد/خضوع أعلى قليلاً |
| التكلفة | أقل / متاحة على نطاق واسع | تكلفة أعلى قليلاً / توافر جيد |
التوصيات: - اختر 316L إذا كنت بحاجة إلى أفضل مقاومة للتآكل العامة مع أقصى قابلية للحام وقابلية للتشكيل، وعندما تكون التكلفة والتوافر الواسع من الأولويات. - اختر 316Ti إذا كانت التطبيق سيشهد دورات حرارية أو تعرضات مطولة في نطاق درجات حرارة التحسس (حوالي 425–850 °م) ولا يمكنك أو لن تقوم بإجراء المعالجة الحرارية بعد التصنيع؛ يوفر 316Ti استقرارًا ضد الهجوم بين الحبيبات في تلك الظروف.
ملاحظة عملية نهائية: للتصاميم الحرجة، حدد دائمًا المعيار الدقيق، شكل المنتج، والمعالجة الحرارية المطلوبة أو المعالجات بعد اللحام، واطلب شهادات المصنع/الاختبار. عند الشك بشأن التعرض الحراري طويل الأمد أو آليات التآكل المحددة، استشر بيانات اختبار التآكل أو قم بإجراء اختبارات تأهيل المواد للبيئة الخدمية المقصودة.