321 مقابل 347 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
النوع 321 والنوع 347 هما كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، المصنوع من الكروم والنيكل، ويستخدمان على نطاق واسع في الأنظمة الهندسية حيث تتطلب مقاومة التآكل، وقابلية التشكيل، وثبات درجة الحرارة المرتفعة. غالبًا ما يقرر المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بينهما عند الموازنة بين أداء التآكل وسلوك التصنيع والثبات على المدى الطويل عند درجات الحرارة والتكلفة.
التمييز الفني الرئيسي بين الدرجتين هو اختيار عنصر تثبيت الكربيد: النوع 321 مثبت بالتيتانيوم (Ti)، بينما النوع 347 مثبت بالنيوبيوم (الكولومبيوم، Nb). يتحكم هذا الاختلاف في كيفية مقاومة كل درجة لترسيب كربيد الكروم (الحساسية) أثناء اللحام أو الخدمة عند درجات حرارة تتراوح بين 450-850 درجة مئوية، ويؤثر على الثبات على المدى الطويل، خاصة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية أو الدورات المتكررة.
1. المعايير والتسميات
- ASTM/ASME: A240 / SA-240 (شائع للصفائح والألواح).
- UNS: 321 = UNS S32100; 347 = UNS S34700.
- EN: توجد معادلات 321 / 347 ولكن استشر أرقام EN (على سبيل المثال، EN 1.4541 للنوع 321 أحيانًا، تحقق من المراجع الحالية).
- JIS / GB: المعايير اليابانية والصينية لديها أوستنيتيك مثبتة مشابهة؛ تحقق من جداول المراجع المحلية للتسمية الدقيقة.
التصنيف: كلا من 321 و 347 هما فولاذان مقاومان للصدأ (أوستنيتي، غير مغناطيسي في الحالة المعالجة حرارياً). هما ليسا فولاذين كربونيين، أو فولاذ أدوات كربوني سبائكي، أو فولاذات HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
جدول — نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (نسبة الوزن). القيم تشير إلى المواد المعالجة حرارياً والمحددة تجارياً؛ استشر المعيار المحدد أو شهادة مطحنة المورد للحدود الدقيقة.
| عنصر | النطاق النموذجي – النوع 321 | النطاق النموذجي – النوع 347 |
|---|---|---|
| C (الكربون) | ≤ 0.08 (أقصى) | ≤ 0.08 (أقصى) |
| Mn (المنغنيز) | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si (السيليكون) | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P (الفوسفور) | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S (الكبريت) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (الكروم) | ~17.0–19.0 | ~17.0–19.0 |
| Ni (النيكل) | ~9.0–13.0 | ~9.0–13.0 |
| Mo (الموليبدينوم) | 0 (عادة) | 0 (عادة) |
| V (الفاناديوم) | أثر فقط | أثر فقط |
| Nb (النيوبيوم / الكولومبيوم) | حد أدنى/أثر | موجود عادة (مثبت) |
| Ti (التيتانيوم) | موجود (مثبت)، كمية مضبوطة | حد أدنى/أثر |
| B (البورون) | أثر فقط | أثر فقط |
| N (النيتروجين) | قليل (على سبيل المثال، ~0.10 نموذجية) | قليل (على سبيل المثال، ~0.10 نموذجية) |
ملاحظات: - يستخدم 321 إضافات من التيتانيوم بحجم نسبي للكربون لربط C كـ TiC/Ti(C,N) لمنع تكوين Cr23C6. تتطلب المعايير عادةً Ti ≥ 5 × C حتى حد أقصى عملي. - يستخدم 347 النيوبيوم (غالبًا مع كمية صغيرة من التنتالوم كشوائب طبيعية) لتشكيل NbC/Nb(C,N) لنفس الغرض. تختلف حدود المواصفات ومحتويات Nb النموذجية حسب المعيار وشكل المنتج. - لا تحتوي أي من الدرجتين عادةً على موليبدينوم كبير؛ فهي ليست من عائلات الدوبلكس أو السوبر أوستنيتيك الحاملة للموليبدينوم.
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يوفر الكروم مقاومة عامة للتآكل من خلال تشكيل فيلم سالب. - يثبت النيكل المرحلة الأوستنيتية ويحسن المتانة وقابلية التشكيل. - يمنع التيتانيوم أو النيوبيوم الحساسية من خلال تشكيل كربيدات وكاربونات مستقرة، مما يحمي الكروم من الربط ككربيدات كروم عند حدود الحبيبات أثناء التعرض لدرجات حرارة حساسة. - تزيد إضافات النيتروجين الصغيرة من القوة من خلال تعزيز المسافات البينية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية (المعالجة حرارياً): كلا الدرجتين أوستنيتيتان بالكامل مع مصفوفة مكعبة مركزية الوجه (FCC). توجد كربيدات/نيتريدات مثبتة (TiC/TiN في 321، NbC/Nb(C,N) في 347) بشكل عام كترسبات دقيقة موزعة عند حدود الحبيبات وداخل الحبيبات.
- مقاومة الحساسية: تشكل المثبتات كربيدات بشكل تفضيلي؛ وهذا يمنع المناطق الفقيرة من الكروم عند حدود الحبيبات ويحمي من التآكل بين الحبيبات بعد التعرض لدرجات حرارة تتراوح بين 450-850 درجة مئوية.
- استجابة المعالجة الحرارية:
- التسخين (النموذجي): تسخين محلول عند ~1010-1150 درجة مئوية يتبعه تبريد سريع للاحتفاظ بالهيكل الأوستنيتي وإذابة الترسبات غير المرغوب فيها.
- التطبيع/التبريد والتخمير: هذه ليست طرق قياسية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي — فهي لا تتصلب بالتبريد والتخمير مثل الفولاذات المارتينسيتية. تؤثر المعالجة الحرارية على حجم الحبيبات والملمس، لكن التثبيت الكيميائي يحكم بشكل أساسي سلوك درجات الحرارة العالية.
- خدمة درجات الحرارة العالية: على مدى فترات طويلة عند درجات حرارة مرتفعة، يمكن أن يشكل النوع 321 المثبت بالتيتانيوم ترسبات معقدة غنية بالتيتانيوم، وإذا كانت نسبة Ti/C غير كافية أو إذا حدث تعرض طويل، قد يتطور ترسيب ثانوي لكربيد الكروم. يميل النوع 347 المثبت بالنيوبيوم إلى الحفاظ على القوة ومقاومة نقص الكروم عند حدود الحبيبات بشكل أفضل خلال الخدمة الممتدة عند درجات حرارة عالية، ولهذا السبب غالبًا ما يتم تحديد 347 (والمتغير 347H مع كربون أعلى) للتشغيل لفترات طويلة عند درجات حرارة مرتفعة.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول — نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية للمواد المعالجة حرارياً عند درجة حرارة الغرفة (إرشادية؛ شكل المنتج والمواصفة تحدد القيم المضمونة).
| الخاصية (المعالجة حرارياً) | النوع 321 (نموذجي) | النوع 347 (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~520–750 | ~520–750 |
| قوة العائد، 0.2% انحراف (ميغاباسكال) | ~205–310 | ~205–310 |
| التمدد (%) | ~40–60 | ~40–60 |
| صلابة التأثير (شاربي V، درجة حرارة الغرفة) | جيدة، متانة عالية | جيدة، متانة عالية |
| الصلابة (HRB) | ~70–95 | ~70–95 |
التفسير: - في الحالة المعالجة حرارياً عند درجة حرارة الغرفة، الخصائص الميكانيكية للنوعين 321 و 347 متشابهة جدًا. يؤثر عنصر التثبيت فقط بشكل معتدل على قوة الشد/العائد الثابتة والليونة تحت الظروف المحيطة. - عند درجات حرارة مرتفعة وعلى مدى فترات طويلة، يمكن أن يظهر النوع 347 (المثبت بالنيوبيوم) احتفاظًا متفوقًا بالليونة ومقاومة الزحف لأن كربيدات النيوبيوم أكثر استقرارًا وأقل عرضة للتكبير في بعض أنظمة الخدمة مقارنةً بالترسبات التيتانية — وهذا مهم بشكل خاص للخدمة عند درجات حرارة عالية لفترات طويلة والتعرض الحراري الدوري.
5. قابلية اللحام
- كلا من 321 و 347 لديهما قابلية لحام جيدة نموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي: محتوى الكربون المنخفض ووجود المثبتات يقلل من خطر الهجوم بين الحبيبات بعد اللحام.
- اعتبارات اللحام الرئيسية:
- اختيار الملء الصحيح وإجراءات اللحام تظل مهمة لتجنب التشقق الساخن وللتحكم في دلتا-الفريت عند الضرورة.
- عادةً لا تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام مطلوبة فقط لتجنب التآكل بين الحبيبات، بشرط أن تكون نسبة المثبت إلى الكربون والتحكم في العملية صحيحة.
- مؤشرات قابلية اللحام المهمة (أمثلة — استخدمها نوعيًا):
- معادل الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- معادل الكروم (Pcm) — مقياس قابلية اللحام للتشقق: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- التفسير النوعي:
- تسجل كلا الدرجتين نتائج جيدة في اللحام الانصهاري العام بسبب انخفاض C والتثبيت. يظهر النيوبيوم في 347 في مصطلح $P_{cm}$؛ بينما يساهم في مقاومة الحساسية، يمكن أن يؤثر قليلاً على سلوك تجمد اللحام. في الممارسة العملية، تكون الفروق في قابلية اللحام صغيرة؛ اختيار المعدن الملء المناسب (غالبًا ما يتطابق أو يستخدم ملء من عائلة 308/309 كما هو محدد) والتحكم في إدخال الحرارة له تأثير أكبر من اختيار Ti مقابل Nb.
- للحام الإصلاح أو التصنيع حيث تحدث دورات حرارية متكررة، يمكن تفضيل 347 عندما تكون الاستقرار على المدى الطويل للكربيد المثبت أمرًا حاسمًا.
6. التآكل وحماية السطح
- التآكل العام: تشكل كلا الدرجتين فيلمًا سالبًا غنيًا بالكروم وتظهر مقاومة للتآكل مشابهة لـ 304 في العديد من البيئات. لا تحتوي أي منهما على Mo، لذا فإن مقاومة التآكل في البيئات الكلورية ليست عالية مثل الدرجات الحاملة للموليبدينوم.
- التآكل بين الحبيبات: كلاهما مثبت ضد الحساسية بواسطة المثبتات الخاصة بهما؛ ومع ذلك، يتطلب الأمر مستويات صحيحة من المثبت بالنسبة لمحتوى الكربون ومعالجة مضبوطة.
- استخدام PREN: يُستخدم رقم مقاومة التآكل بشكل شائع حيث يوفر Mo و N مقاومة للتآكل: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- بالنسبة لـ 321 و 347 (Mo ~ 0)، يتم دفع PREN بشكل رئيسي بواسطة Cr و N وبالتالي فهو متواضع؛ PREN له قيمة محدودة في تمييز هاتين الدرجتين لأن كلاهما يفتقر إلى Mo.
- حماية السطح للفولاذات غير المقاومة للصدأ: غير قابلة للتطبيق هنا — كلاهما مقاوم للصدأ. ومع ذلك، حيثما تكون الحماية المعززة مطلوبة (خدمة كلورية، مياه البحر)، يجب النظر في الفولاذات المقاومة للصدأ الحاملة للموليبدينوم أو الدوبلكس أو الطلاءات.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: تعمل الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتي بسرعة على العمل؛ 321 و 347 متشابهتان مع 304 في هذا الصدد. تنطبق استراتيجيات التشغيل (إعداد صارم، أدوات حادة، زاوية إيجابية عالية، تبريد كثيف) بالتساوي.
- قد يكون 347 أكثر صعوبة قليلاً في التشغيل إذا زادت محتويات كربيد النيوبيوم من تآكل الأدوات في بعض التغذيات، لكن الفروق صغيرة في الممارسة.
- قابلية التشكيل: كلاهما يظهر قابلية تشكيل باردة ممتازة وخصائص سحب عميق في الحالة المعالجة حرارياً. سلوك الارتداد والتصلب أثناء العمل متشابه.
- تشطيب السطح والتلميع: كلاهما يتألق جيدًا ويقبل معظم المعالجات السطحية؛ يجب أن يتم تمرير المناطق الملحومة إذا كانت مقاومة التآكل المرتفعة مطلوبة.
8. التطبيقات النموذجية
جدول — الاستخدامات النموذجية لكل درجة وأسباب الاختيار.
| النوع 321 (مثبت بالتيتانيوم) | النوع 347 (مثبت بالنيوبيوم) |
|---|---|
| أجزاء من الأفران والمبادلات الحرارية المعرضة لدرجات حرارة عالية على المدى القصير | المراجل، والسخانات، والمبادلات الحرارية التي تتطلب استقرارًا طويل الأمد عند درجات حرارة مرتفعة |
| مكونات العادم للطائرات والسيارات حيث تكون دورات الحرارة والانحرافات القصيرة شائعة | معدات العمليات الكيميائية حيث من المتوقع التعرض لفترات طويلة بالقرب من نطاق الحساسية |
| وصلات التمدد، والأكياس، وغطاء الفرن | التجمعات الملحومة والأوعية حيث تكون أداء الزحف لفترات طويلة وتقليل ترسيب حدود الحبيبات أمرًا حاسمًا |
| المثبتات والزخارف التي تتطلب مقاومة جيدة للأكسدة عند درجات حرارة مرتفعة لفترات معتدلة | أنابيب المصانع الكيميائية ومكونات الهيكل الفرني المصممة للتعرض المطول |
أسباب الاختيار: - اختر 321 عندما يتضمن التعرض النموذجي انحرافات عالية الحرارة عرضية أو قصيرة وعندما يكون تثبيت التيتانيوم فعالًا لدورات الحرارة المتوقعة. - اختر 347 عندما يتطلب التعرض الطويل الأمد عند درجات حرارة مرتفعة أو الخدمة الممتدة بالقرب من نطاق درجات الحرارة الحساسة استقرار كربيدات النيوبيوم (قد يتم تحديد المتغير 347H للحصول على قوة أعلى عند درجات الحرارة بسبب محتوى الكربون الأعلى).
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: غالبًا ما يكون 347 أغلى قليلاً من 321 لأن النيوبيوم هو إضافة سبائكية ذات تكلفة أعلى من التيتانيوم. تتقلب أسعار السوق مع تكاليف المواد الخام للنيوبيوم.
- التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في أشكال الصفائح والألواح والأنابيب والبار من المطاحن الكبرى. تاريخيًا، كان 321 متاحًا على نطاق واسع لأنه كان خيارًا شائعًا في تطبيقات الطيران والصناعة. يتم تزويد 347 و 347H بشكل جيد ولكن قد يكون التوافر في بعض أشكال المنتجات أو درجات الحرارة الخاصة أكثر محدودية وتكون أوقات التسليم أطول قليلاً.
- نصيحة الشراء: حدد درجة UNS/ASTM الدقيقة وشكل المنتج في أوامر الشراء؛ إذا كانت أوقات التسليم أو التكلفة حرجة، تأكد من مخزون المطحنة أو اعتبر الاستبدال بموافقة هندسية.
10. الملخص والتوصية
جدول — مقارنة سريعة (نوعية).
| الفئة | النوع 321 | النوع 347 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة جدًا (مثبتة) | جيدة جدًا (مثبتة) |
| القوة–المتانة (في درجة حرارة الغرفة) | معادلة | معادلة |
| استقرار درجة الحرارة العالية على المدى الطويل | جيدة (تعرضات قصيرة إلى معتدلة) | أفضل (تعرضات طويلة / مقاومة الزحف) |
| التآكل (عام) | مشابه لـ 304؛ مثبت ضد الحساسية | مشابه لـ 304؛ مثبت ضد الحساسية |
| التكلفة | أقل (بشكل عام) | أعلى قليلاً (بشكل عام) |
| التوافر | جيد جدًا | جيد جدًا، أحيانًا أوقات تسليم أطول لأشكال خاصة |
الاستنتاجات: - اختر النوع 321 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ الأوستنيتي المثبت بمقاومة ممتازة للتآكل العام، وقابلية لحام جيدة، وحساسية للتكلفة حيث تشمل الخدمة دورات حرارية أو تعرضات قصيرة المدى لدرجات حرارة مرتفعة. 321 هو خيار شائع لأجزاء الأفران، وصلات التمدد، والتطبيقات حيث يعمل تثبيت التيتانيوم بشكل كافٍ. - اختر النوع 347 إذا كان التطبيق يتضمن تعرضًا مطولًا عند درجات حرارة مرتفعة، أو خدمة ممتدة بالقرب من نطاق الحساسية، أو حيث يكون استقرار الزحف واستقرار حدود الحبيبات على المدى الطويل أمرًا حاسمًا. يُفضل 347 (أو 347H للحصول على قوة أعلى عند درجات الحرارة) عندما يوفر استقرار كربيد النيوبيوم مزايا ملحوظة في دورة الحياة على الرغم من زيادة متواضعة في التكلفة.
ملاحظة عملية نهائية: راجع دائمًا الحدود المحددة لـ ASTM/UNS/EN واطلب شهادات المطحنة للمشاريع الحرجة. بالنسبة للبيئات الحرارية العالية أو التآكلية الحرجة، قم بإجراء اختبارات تآكل محددة للتطبيق واستشر خبراء المعادن للتحقق من اختيار الدرجة وإجراءات اللحام/التصنيع.