316L مقابل 904L - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
اختيار بين 316L و 904L هو قرار شائع للمهندسين ومديري المشتريات ومخططي التصنيع الذين يجب عليهم تحقيق التوازن بين أداء مقاومة التآكل وتكلفة التصنيع ومتطلبات الخدمة. تشمل سياقات القرار النموذجية معالجة المواد الكيميائية والبيئات البحرية والبحرية والمعدات التي تتطلب قابلية تصنيع عالية ومقاومة موثوقة للتآكل.
يكمن الاختلاف الأساسي بين السبيكتين في استراتيجيات السبائك الخاصة بهما: 316L هو فولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي منخفض الكربون يحتوي على الموليبدينوم ومصمم لتحسين مقاومة التآكل العامة وقابلية اللحام؛ بينما 904L هو فولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي عالي النيكل والموليبدينوم ويحتوي على النحاس، مصمم لمقاومة فائقة للأحماض والبيئات الغنية بالكلور. هذا الاختلاف في الكيمياء يؤدي إلى اختلافات في أداء التآكل والتكلفة واعتبارات التصنيع.
1. المعايير والتسميات
- 316L
- التسميات الشائعة: UNS S31603، EN 1.4404 / 1.4435، JIS SUS316L، ASTM A240 (للألواح)، ASTM A276 (البار)
- التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي
- 904L
- التسميات الشائعة: UNS N08904، EN (يشار إليها أحيانًا كمتغيرات 1.4539)، ASTM B702/B574 لبعض أشكال المنتجات
- التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي يحتوي على نسبة عالية من النيكل والموليبدينوم، يُطلق عليه أحيانًا "فولاذ أستنيتي فائق"
كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ (ليس فولاذ كربوني أو فولاذ أدوات أو HSLA)، ويُحدد على نطاق واسع بواسطة ASTM/ASME وEN وJIS والمعايير الوطنية لأشكال المنتجات المختلفة (الألواح، الأوراق، القضبان، الأنابيب).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوفر الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية للمواد المعالجة والمُعالجة بالحلول المستخدمة في الصناعة. تُظهر القيم كنسبة مئوية بالوزن وهي نطاقات تمثيلية موجودة في المواصفات الشائعة.
| عنصر | 316L (نطاق نموذجي، wt%) | 904L (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.02 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.035 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 19.0 – 23.0 |
| Ni | 10.0 – 14.0 | 23.0 – 28.0 |
| Mo | 2.0 – 3.0 | 4.0 – 5.0 |
| Cu | – | 1.0 – 2.0 |
| V | – | – |
| Nb | – | – |
| Ti | – | – |
| B | – | – |
| N | ≤ 0.10 (عادةً منخفضة جدًا) | ≤ 0.10 (عادةً منخفضة جدًا) |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يوفر الكروم الفيلم الأكسيدي الساكن الذي يمنح سلوك الفولاذ المقاوم للصدأ الأساسي؛ بشكل عام، كلما زادت نسبة الكروم، تحسنت مقاومة التآكل والأكسدة العامة. - يعمل النيكل على استقرار المرحلة الأستنيتية، وزيادة المتانة والليونة، وتعزيز مقاومة التشقق الناتج عن إجهاد الكلور عند دمجه مع عناصر أخرى. - يحسن الموليبدينوم بشكل كبير مقاومة التآكل الناتج عن الحفر والشقوق في البيئات التي تحتوي على الكلور. - يحسن النحاس في 904L مقاومة الأحماض المخفضة (مثل حمض الكبريتيك) ويعزز مقاومة التآكل الناتج عن الشقوق في بعض الوسائط. - يقلل الكربون المنخفض من ترسيب الكربيد أثناء اللحام، مما يحافظ على مقاومة التآكل بين الحبيبات.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية:
- كلا من 316L و 904L هما أستنيتيان بالكامل في حالة المعالجة بالحلول. لا يتحولان إلى الفيريت أو المارتينسيت عند التبريد تحت المعالجة العادية.
- المعالجة الحرارية والاستجابة:
- المعالجة النموذجية: معالجة بالحلول عند حوالي 1010–1120 درجة مئوية (اعتمادًا على المعيار)، تليها تبريد بالماء لاستعادة بنية مجهرية أستنيتية متجانسة وحل الترسبات.
- لا يمكن تقوية أي من الدرجتين عن طريق التبريد والتخمير - يتم تحقيق تغييرات القوة بشكل أساسي من خلال العمل البارد.
- 316L: يتطلب الحذر في دورات اللحام الحرارية لتجنب التحسس في المتغيرات ذات الكربون العالي، لكن الدرجة L (منخفضة الكربون) تقلل من ترسيب الكربيد. تُستخدم سبائك الاستقرار (مثل 316Ti) حيث تشمل الخدمة تعرضًا ممتدًا لدرجات حرارة التحسس.
- 904L: أيضًا معالجة بالحلول؛ يعني محتوى السبيكة الأعلى (Ni، Mo، Cu) أنه أكثر مقاومة للتحسس ولديه مقاومة أعلى للهجوم بين الحبيبات بعد اللحام، لكن اختيار المواد المالئة المناسبة والتحكم في إدخال الحرارة قبل وبعد اللحام لا يزال مهمًا للحفاظ على أداء التآكل.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية:
- يزيد العمل البارد من قوة الخضوع وقوة الشد في كلا الدرجتين ولكنه يقلل من مقاومة التآكل في بعض البيئات إذا تم إتلاف الفيلم الساكن ولم يتم استعادته.
4. الخصائص الميكانيكية
الخصائص الميكانيكية النموذجية للمواد المعالجة بالحرارة (القيم تقريبية؛ تحقق من معايير المنتج للحصول على ضمانات دقيقة):
| الخاصية (المعالجة بالحرارة) | 316L (نموذجي) | 904L (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | ~485 ميغاباسكال | ~520–580 ميغاباسكال |
| قوة الخضوع (0.2% إثبات) | ~170–210 ميغاباسكال | ~210–260 ميغاباسكال |
| التمدد (A%) | ~40% | ~30–45% |
| أثر شارب (درجة حرارة الغرفة، نموذجي) | جيد، كسر ليّن | جيد، كسر ليّن |
| الصلابة (HB) | ~140–160 HB | ~150–190 HB |
التفسير: - عادةً ما يظهر 904L قوة اسمية أعلى من 316L في الحالة المعالجة بالحرارة بسبب محتوى السبيكة الأعلى وتقوية الحل الصلب من Ni وMo. - كلاهما قوي ومرن عند درجات الحرارة المحيطة؛ عادةً ما يظهر 316L تمددًا أعلى قليلاً في بعض أشكال المنتجات. - لا يتم اختيار أي من الدرجتين بشكل أساسي من أجل الصلابة العالية أو مقاومة التآكل؛ يزيد العمل البارد من القوة والصلابة ولكنه يمكن أن يقلل من قابلية التصنيع.
5. قابلية اللحام
قابلية اللحام لكلا الدرجتين جيدة عمومًا مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ الفيريت أو المارتينسيت، لكن هناك اختلافات عملية.
- 316L: قابلية لحام ممتازة بسبب الكربون المنخفض؛ خطر منخفض من التحسس والتآكل بين الحبيبات. المواد المالئة الشائعة: ER316/ER316L. عادةً لا تتطلب المعالجة بعد اللحام للعمليات العامة.
- 904L: قابل للحام ولكن يتطلب الحذر: محتوى السبيكة الأعلى (Ni، Mo، Cu) يغير سلوك التصلب ويمكن أن يؤثر على اختيار المواد المالئة وميول التشقق الساخن. غالبًا ما تُستخدم المعادن المالئة المطابقة المنتجة لـ 904L أو مواد مالئة عالية النيكل أخرى. التحكم في إدخال الحرارة وممارسات اللحام قبل وبعد يحافظ على مقاومة التآكل.
مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (لا تتطلب إدخالات رقمية هنا): - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - تفسير $CE_{IIW}$ نوعيًا: القيم الأعلى تعني زيادة في قابلية التصلب وإمكانية حدوث تشققات أثناء اللحام في الفولاذ. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأستنيتي، يقلل الكربون المنخفض والنيكل العالي من خطر التشقق على الرغم من محتوى السبيكة الأعلى. - معامل Pcm (Siewert): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - يمكن استخدام $P_{cm}$ نوعيًا لتقييم القابلية للتشقق البارد في اللحامات؛ بالنسبة لهذه السبائك الأستنيتية، فإن المخاوف الرئيسية هي التشقق الساخن والحفاظ على مقاومة التآكل بدلاً من التشقق البارد المارتينسيت.
إرشادات عملية: يجب استخدام مواصفات إجراءات اللحام المؤهلة مسبقًا والمعادن المالئة المطابقة لـ 904L، خاصةً للخدمات الحرجة التي تحتوي على ضغط أو تآكل.
6. التآكل وحماية السطح
- السلوك المقاوم للصدأ:
- تعتمد كلا الدرجتين على أكسيد ساكن غني بالكروم لمقاومة التآكل العامة.
- مقاومة الحفر والشقوق:
- غالبًا ما يُستخدم رقم مقاومة الحفر (PREN) لمقارنة مقاومة التآكل المحلية: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- باستخدام القيم الاسمية النموذجية كمثال توضيحي (تقريبية):
- 316L (Cr ≈ 17، Mo ≈ 2.2، N ≈ أثر): PREN ≈ 17 + 3.3×2.2 + 16×0.02 ≈ 25
- 904L (Cr ≈ 20.5، Mo ≈ 4.5، N ≈ أثر): PREN ≈ 20.5 + 3.3×4.5 + 16×0.02 ≈ 36
- التفسير: ينتج عن محتوى الموليبدينوم والكروم الأعلى في 904L رقم PREN أعلى بكثير وبالتالي مقاومة أفضل بشكل ملحوظ للتآكل الناتج عن الحفر والشقوق في البيئات الغنية بالكلور والأكسدة.
- وسائط محددة:
- 316L: مقاومة جيدة للتآكل العامة؛ مختارة لمناطق رذاذ مياه البحر، معالجة الأغذية، الأدوية، والعديد من الخدمات الكيميائية مع تركيزات هاليد معتدلة.
- 904L: مقاومة فائقة للأحماض المؤكسدة القوية، البيئات المحتوية على الكلور عند درجات حرارة أعلى، والبيئات التي تحتوي على حمض الكبريتيك (حيث يكون النحاس مفيدًا).
- بدائل غير مقاومة للصدأ:
- بالنسبة للفولاذ غير المقاوم للصدأ، يتم توفير حماية التآكل بواسطة الطلاءات (التغليف، الطلاء، بطانات البوليمر، إلخ). هذه ليست ذات صلة مباشرة بمقارنات 316L/904L إلا عند النظر في التكلفة أو استبدال التصميم.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- 316L أسهل في التشغيل من العديد من الأستنيتات ذات السبيكة العالية؛ يتصلب بشكل معتدل ويستجيب جيدًا للأدوات الحادة والإعدادات الصلبة.
- 904L يعمل بشكل أبطأ، يميل إلى العمل على الصلابة، ويتطلب أدوات أكثر قوة وإدارة أفضل للسائل المبرد. تزيد نسبة النيكل والموليبدينوم من تآكل الأدوات وتطلب سرعات قطع أقل وتغذية أعلى.
- قابلية التشكيل:
- تشكل كلا الدرجتين بشكل جيد في الحالة المعالجة بالحرارة؛ يُستخدم 316L عادةً في عمليات السحب العميق، والانحناء، والضغط.
- 904L مرن وقابل للتشكيل لكن قوته الأعلى ومعدل تصلبه يزيدان من أحمال التشكيل والارتداد؛ قد يتطلب الأمر مزيدًا من المعالجة الحرارية المتوسطة أو قوى تشكيل أعلى.
- إنهاء السطح:
- كلاهما يمكن صقلهما وتمريره بشكل جيد؛ قد يتطلب 904L إعداد سطح أكثر عدوانية لتحقيق نفس عكسية السطح بسبب اختلافات السبيكة.
8. التطبيقات النموذجية
| 316L – الاستخدامات النموذجية | 904L – الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| معدات الطعام والمشروبات، معدات الأدوية | معدات معالجة المواد الكيميائية التي تتعامل مع الأحماض الكبريتية والفوسفورية والمختلطة |
| الهندسة البحرية، مكونات مياه البحر (تعرض معتدل) | مبادلات حرارية، أنابيب، وأوعية في بيئات حمضية/كلورية شديدة التآكل |
| مبادلات حرارية، خزانات، أنابيب لمصانع كيميائية عامة | معدات في خطوط البتروكيماويات والتخليل مع وسائط مؤكسدة قوية |
| أجهزة طبية، زراعة (حيث الحاجة إلى كربون منخفض وتوافق حيوي) | تطبيقات تتطلب مقاومة أعلى للحفر والشقوق عند درجات حرارة مرتفعة |
مبررات الاختيار: - اختر 316L عندما يكون بيئة الخدمة تحتوي على محتوى كلوريد معتدل والأولوية هي مقاومة جيدة للتآكل العامة وقابلية اللحام بتكلفة أقل. - اختر 904L عندما تتضمن البيئة مؤكسدات قوية، مستويات أعلى من الكلوريد، أحماض كبريتية أو مختلطة، أو عندما تعوض الحياة الممتدة في الوسائط العدوانية تكلفة السبيكة الأعلى.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة:
- 904L أغلى بكثير من 316L من حيث تكلفة المواد بسبب محتوى النيكل والموليبدينوم العالي، وإضافة النحاس. تتأثر حساسية الأسعار بشكل أساسي بأسعار السوق للنيكل والموليبدينوم.
- التوافر:
- 316L متوفر على نطاق واسع في جميع أشكال المنتجات تقريبًا (الأوراق، الألواح، الأنابيب، الأنابيب، القوالب، القضبان) وفي العديد من الأسواق العالمية.
- 904L متاح تجاريًا في الألواح والأنابيب والأنابيب وبعض القضبان والتجهيزات، لكن بعض أشكال المنتجات أو الأبعاد المخصصة قد تتطلب وقتًا إضافيًا أو عمليات إنتاج خاصة. يجب أن يسمح تخطيط المشتريات بأوقات إضافية أطول وموردين مؤهلين لـ 904L.
10. الملخص والتوصية
| المقياس | 316L | 904L |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة (المواد المالئة القياسية متاحة على نطاق واسع) | جيدة ولكن تتطلب مواد مالئة متطابقة والتحكم في العملية |
| القوة–المتانة (المعالجة بالحرارة) | مرونة جيدة، قوة معتدلة | قوة أعلى، متانة جيدة |
| مقاومة التآكل (المحلية/الحفر) | معتدلة (مقاومة عامة جيدة) | عالية (مقاومة فائقة للحفر/الشقوق) |
| التكلفة | أقل | أعلى |
التوصية: - اختر 316L إذا كانت تطبيقاتك تتطلب فولاذ أستنيتي مقاوم للصدأ بتكلفة فعالة، وقابل للحام بشكل واسع مع مقاومة موثوقة للتآكل العامة، وقابلية تشكيل جيدة، وتوافر واسع (مثل الطعام، الأدوية، الخدمة الكيميائية العامة، التعرض البحري المعتدل). - اختر 904L إذا كانت الخدمة تشمل بيئات كلوريد عدوانية، أحماض مؤكسدة، أو ظروف تتطلب مقاومة استثنائية للحفر/الشقوق وحياة أطول على الرغم من تكلفة المواد والتصنيع الأعلى (مثل خطوط أنابيب معالجة كيميائية متخصصة، مبادلات حرارية في كيميائيات شديدة).
ملاحظة ختامية: يجب أن يكون اختيار الدرجة النهائية مدفوعًا بتقييم شامل: الأنواع المحددة من المواد المسببة للتآكل وتركيزها، درجة الحرارة، التحميل الميكانيكي، مسار التصنيع، مواصفات إجراءات اللحام، وتكلفة دورة الحياة الإجمالية. للخدمات الحرجة أو غير المألوفة، قم بإجراء اختبارات التآكل، واستشر متخصصي التآكل، وتأهل لإجراءات اللحام قبل الإنتاج.