٤٣٩ مقابل ٤٤١ – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يختار المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل روتيني بين الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتك عند تصميم أنظمة العادم أو المكونات المقاومة للحرارة أو الألواح المقاومة للتآكل. تعتبر الدرجتان 439 و441 خيارين من الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتك تتنافسان غالبًا حيث يكون توازن مقاومة الأكسدة، وقوة درجات الحرارة المرتفعة، وقابلية التشكيل، والتكلفة مهمًا. تشمل سياقات القرار النموذجية مقاومة التآكل مقابل التكلفة، والزحف/الأكسدة عند درجات الحرارة العالية مقابل قابلية التشكيل عند درجة حرارة الغرفة، وقابلية اللحام مقابل الاستقرار الأبعاد على المدى الطويل.
التمييز الفني الرئيسي بين الدرجتين هو نهج التثبيت/السبائك: تعتمد إحدى الدرجات على تثبيت التيتانيوم للحد من ترسيب الكربيد وتحسين قابلية التشكيل، بينما تستخدم الأخرى إضافات من النيوبيوم (وأحيانًا كميات صغيرة من الموليبدينوم) لزيادة قوة درجات الحرارة المرتفعة وأداء الأكسدة/الزحف. تدفع استراتيجية السبائك معظم الاختلافات في الأداء عند درجات الحرارة العالية، وسلوك اللحام، وملاءمة التطبيق.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والتسميات الشائعة حيث تظهر هذه الدرجات:
- ASTM/ASME: غالبًا ما يتم إدراجها تحت أرقام UNS (الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتك UNS S43900 وUNS S44100 هي مراجع شائعة).
- EN: يمكن أن تختلف أرقام EN المقابلة للدرجات الفولاذية المقاومة للصدأ الفيريتك حسب المورد؛ عادة ما يتم تصنيف كلاهما ضمن عائلة EN 1.4xx الفيريتك.
- JIS/GB: لدى المعايير اليابانية والصينية تسميات خاصة بها للفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتك المثبت؛ تتطلب أوراق المرجع من المصانع تطابقات دقيقة.
- التصنيف: كلا من 439 و441 هما فولاذان مقاومان للصدأ الفيريتك (مكعب مركزي الجسم، حوالي 17-18% كروم، نسبة نيكل منخفضة). هما ليسا فولاذين أوستنيتيين أو فولاذ أدوات أو فولاذ HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
جدول: التركيب الوصفي والوظيفة (ملاحظة: القيم هي أوصاف نوعية، وليست أرقام wt% مطلقة)
| عنصر | 439 (دور نموذجي) | 441 (دور نموذجي) |
|---|---|---|
| C | منخفض جدًا (مراقب للحد من تكوين الكربيد) | منخفض جدًا (مراقب) |
| Mn | منخفض إلى معتدل (مزيل للأكسدة ومساهم في القوة) | منخفض إلى معتدل |
| Si | منخفض (مزيل للأكسدة) | منخفض |
| P | أثر (محتفظ به منخفض) | أثر |
| S | أثر (محتفظ به منخفض للمرونة/قابلية التشغيل) | أثر |
| Cr | مرتفع (مقاومة رئيسية للتآكل، ~منتصف المراهقين) | مرتفع (مماثل أو أعلى قليلاً) |
| Ni | منخفض جدًا أو غائب | منخفض جدًا أو غائب |
| Mo | عادة ما يكون الحد الأدنى؛ قد تتضمن بعض المتغيرات كميات صغيرة من Mo | قد تتضمن إضافات صغيرة من Mo في بعض المتغيرات التجارية لتحسين مقاومة الأكسدة |
| V | عادة لا يضاف | عادة لا يضاف |
| Nb (نيوبوم) | عادة ليس إضافة مصممة للسبائك | موجود كمثبت في 441 (يحسن الزحف/القوة عند درجات الحرارة المرتفعة) |
| Ti (تيتانيوم) | موجود في 439 كمثبت ضد الحساسية | عادة ليس مثبتًا رئيسيًا في 441 |
| B | أثر فقط إذا كان موجودًا (نادر) | أثر فقط إذا كان موجودًا (نادر) |
| N | منخفض جدًا (الدرجات الفيريتك منخفضة في النيتروجين) | منخفض جدًا |
نقاش: - تعتمد كلتا الدرجتين على الكروم (Cr) كعنصر رئيسي مقاوم للتآكل. تمنع وجود العناصر المثبتة ترسيب كربيد الكروم أثناء الدورات الحرارية. - تستخدم 439 تثبيت التيتانيوم لربط الكربون والنيتروجين، مما يقلل من الحساسية ويحافظ على مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو التعرض الحراري. يدعم هذا التثبيت قابلية تشكيل جيدة ومقاومة تآكل متسقة. - تستخدم 441 النيوبيوم (وفي بعض المتغيرات التجارية كميات صغيرة من الموليبدينوم) لزيادة قوة درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الأكسدة؛ يعمل النيوبيوم بشكل مشابه للتيتانيوم في تثبيت الكربيد ولكنه يساهم أكثر في الزحف وقوة الشد عند درجات الحرارة المرتفعة. - مستويات الكربون المنخفضة والنيتروجين المنخفضة مقصودة لتجنب تشكيل المرحلة الصلبة وللحفاظ على المرونة وقابلية اللحام.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية الأساسية: كلاهما بنى مجهرية فيريتكية (مكعب مركزي الجسم، BCC) عند درجة حرارة الغرفة. لا تتحول إلى أوستنيت أثناء المعالجة العادية ولا يمكن تقويتها عن طريق دورات التبريد والتسخين مثل الفولاذ المارتنسيت أو الفولاذ الكربوني.
- المثبتات وبنية الحبيبات:
- 439 (مستقر بالتيتانيوم): يربط التيتانيوم الكربون/النيتروجين ككربيدات/نيتريدات مستقرة (TiC/TiN)، مما يقلل من ترسيب كربيد الكروم على حدود الحبيبات ويحسن المقاومة للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو التعرض لدرجات الحرارة العالية. يؤثر التحكم في حجم الحبيبات أثناء المعالجة على المتانة وقابلية التشكيل.
- 441 (مستقر بالنيوبيوم): يشكل النيوبيوم NbC/NbN، الذي يمنع أيضًا الحساسية ولكنه ينقي الحبيبات ويوفر تثبيتًا أقوى عند حدود الحبيبات. وهذا يؤدي إلى مقاومة زحف أعلى واحتفاظ بالقوة عند درجات الحرارة المرتفعة.
- استجابات المعالجة النموذجية:
- التسخين / المعالجة بالحل: يتم تسخين كلا الدرجتين عادةً (تسخين بالحل يليه تبريد متحكم فيه) لذوبان أي ترسبات غير مرغوب فيها ولإعادة المرونة.
- التطبيع/المعالجة الحرارية الميكانيكية: يعتبر التدوير البارد يليه التسخين هو المعيار لمنتجات الألواح والشريط. يمكن أن تحسن المعالجات الحرارية الميكانيكية التي تنقي حجم الحبيبات من قوة العائد والمتانة.
- التبريد والتسخين: غير قابلة للتطبيق كطرق تقوية؛ هذه فولاذات مقاومة للصدأ الفيريتك ولا تشكل المارتنسيت عند التبريد.
- الحساسية: تمنع التثبيت والمعالجة الحرارية المناسبة الحساسية (ترسيب كربيد الكروم) في كلا الدرجتين؛ يؤثر نوع المثبت على كيفية تصرف المادة أثناء التعرض الحراري الممتد.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: الخصائص الميكانيكية النوعية المقارنة
| الخاصية | 439 | 441 |
|---|---|---|
| قوة الشد | معتدلة عند درجة حرارة الغرفة؛ كافية لتطبيقات الألواح/الأنابيب | مماثلة أو أعلى قليلاً، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة |
| قوة العائد | معتدلة | عادة ما تكون أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة بسبب تقوية النيوبيوم |
| التمدد (المرونة) | جيدة — عادة ما تكون أفضل قابلية للتشكيل | مرونة أقل قليلاً مقارنةً بـ 439، اعتمادًا على التسخين |
| صلابة التأثير | جيدة عند درجة حرارة الغرفة؛ تعتمد حساسية الشق على السماكة | قابلة للمقارنة عند درجة حرارة الغرفة؛ يمكن أن تحتفظ بالمتانة عند درجات حرارة أعلى بشكل أفضل |
| الصلابة | معتدلة (ناعمة إلى متوسطة) | صلابة أعلى قليلاً في درجات الحرارة المعادلة، خاصة بعد التعرض الحراري |
تفسير: - غالبًا ما يتم اختيار 439 لأداء التشكيل والانحناء المتفوق عند درجة حرارة الغرفة بسبب تثبيت التيتانيوم وقوة أقل قليلاً. يوفر متانة موثوقة للمكونات ذات السماكة الرقيقة. - تتبادل 441 قليلاً من مرونة درجة حرارة الغرفة من أجل زيادة قوة درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الأكسدة بسبب إضافات النيوبيوم (وأحيانًا Mo) ، مما يجعلها مفضلة في أقسام العادم ذات درجات الحرارة العالية.
5. قابلية اللحام
- بشكل عام: تعتبر كلتا الدرجتين فولاذات مقاومة للصدأ الفيريتك قابلة للحام، لكن كيمياء التثبيت ومحتوى الكربون يؤثران على إجراء اللحام وسلوك ما بعد اللحام.
- العوامل الرئيسية: تجعل نسبة الكربون المنخفضة، ووجود المثبتات (Ti أو Nb)، وانخفاض القابلية للتصلب كلاهما أقل عرضة لتشكيل المارتنسيت الصلب في منطقة التأثير الحراري مقارنة بالفولاذات ذات الكربون العالي، لكن التبريد السريع وارتفاع محتوى الكروم لا يزال يتطلب الانتباه لتجنب هشاشة منطقة التأثير الحراري.
- يمكن أن توجه استخدام مؤشرات مكافئة الكربون قرارات التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام. مؤشرات مثال:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- التفسير النوعي:
- تمتلك كلتا الدرجتين عادةً قيم منخفضة من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ مقارنة بالفولاذات منخفضة السبائك عالية القوة، مما يشير إلى قابلية لحام جيدة مع مواد لحام الفولاذ المقاوم للصدأ القياسية.
- يمكن أن يرفع محتوى النيوبيوم في 441 قليلاً من مؤشر Pcm؛ من المستحسن التحكم في إجراء اللحام لإدارة نمو الحبيبات في منطقة التأثير الحراري ولضمان فعالية المثبت.
- تكون درجات حرارة التسخين المسبق ودرجات الحرارة بين الطبقات عمومًا متواضعة؛ يعتمد اختيار المادة المالئة (مطابقة لمادة ملء الفيريتك أو مادة ملء أوستنيت مختارة بعناية) على ظروف الخدمة والتوافق مع التآكل.
6. التآكل وحماية السطح
- بشكل عام: كلاهما مقاوم للتآكل في البيئات الجوية والعديد من البيئات غير المؤكسدة بسبب محتوى الكروم. يتم استخدامهما بشكل خاص في التطبيقات المقاومة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية.
- سلوك الفولاذ المقاوم للصدأ: كلاهما درجات فولاذ مقاوم للصدأ الفيريتك وعادة ما يتم استخدامهما بدون طلاء في تطبيقات العادم والأفران حيث تكون مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية مطلوبة.
- يستخدم PREN (رقم مقاومة التآكل) بشكل أساسي للدرجات الأوستنيتية/الثنائية:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- بالنسبة لهذه الدرجات الفيريتكية مع كميات ضئيلة من Mo وN، فإن PREN ليس مميزًا مفيدًا.
- حماية السطح للاستخدام غير المقاوم للصدأ: غير قابلة للتطبيق هنا - كلاهما مقاوم للصدأ. من أجل عمر طويل في البيئات الرطبة العدوانية أو حيث تكون هشاشة الكلور مصدر قلق، يُوصى باستخدام درجات أعلى من السبائك (أعلى Mo/N) أو الطلاءات الواقية.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- القطع والتشغيل: تعتبر الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتك عمومًا أصعب في التشغيل من الفولاذات اللينة ولكن أسهل من بعض الفولاذات الثنائية أو الأوستنيتية. قد يكون 439، مع ميل أقل قليلاً للتصلب، أسهل في التشكيل والانحناء.
- التشكيل: تقدم 439 عادةً قابلية تشكيل وانحناء أفضل عند البرودة بسبب اختيار المثبت الخاص بها وقوة العائد الأقل قليلاً. يمكن تشكيل 441 ولكن قد تتطلب انحناءات أكثر ضيقًا أو تسخينًا للأشكال المعقدة.
- تشطيب السطح: كلاهما يأخذ تشطيبات سطحية شائعة (مصقول، باهت، مسخن) ويستجيب جيدًا للتقليم، والتشكيل بالدحرجة، والتشكيل الهيدروليكي في السماكات الرقيقة.
- تخفيف الضغط: إذا كانت القوة الشدية بعد التشكيل أو الاستقرار الأبعاد عند درجات الحرارة العالية مطلوبة، يتم استخدام دورات تسخين متحكم فيها.
8. التطبيقات النموذجية
| 439 – الاستخدامات النموذجية | 441 – الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| مكونات عادم السيارات (كواتم الصوت، الرنانات، بعض أنابيب العادم حيث تكون قابلية التشكيل حرجة) | أقسام درجات الحرارة العالية من أنظمة العادم (أنابيب النزول، هياكل شاحن التيربو، العادم القريب من المحرك حيث تكون مقاومة الأكسدة/الزحف مهمة) |
| مبادلات حرارية ولوحات أفران حيث تكون مقاومة التشكيل والتآكل مطلوبة | مكونات فرن عالية الحرارة، قنوات غاز العادم، وأجزاء معرضة لأحمال حرارية دورية |
| تشطيبات زخرفية وكسوة حيث تكون التكلفة/المظهر ومقاومة التآكل المعتدلة كافية | التطبيقات التي تتطلب استقرارًا أبعادًا أفضل على المدى الطويل ومقاومة زحف أعلى |
مبررات الاختيار: - اختر 439 حيث تكون سهولة التشكيل، ومقاومة التآكل الجوية الجيدة، والفعالية من حيث التكلفة هي الأولوية. - اختر 441 حيث تكون قوة درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة الزحف، وتحسين الأداء على المدى الطويل ضد الأكسدة مطلوبة، حتى بسعر معتدل.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: عادة ما تكون 441 أغلى قليلاً من 439 بسبب إضافة النيوبيوم والطلب الأكثر تخصصًا في الأسواق ذات درجات الحرارة العالية. يختلف الفرق حسب المصنع والدولة وظروف السوق.
- التوافر: يتم إنتاج كلاهما على نطاق واسع من قبل مصانع الفولاذ المقاوم للصدأ في أشكال الألواح والشريط والأنابيب للأسواق الصناعية والسيارات. يعتمد توافر شكل المنتج (لفائف، ألواح، أنابيب ملحومة) على كتالوجات المصانع وكميات الطلب - يتم تخزين اللفائف والألواح الرقيقة عادةً لـ 439؛ 441 متاحة ولكن قد يتم إنتاجها أكثر في الطلب في بعض المناطق.
- نصيحة الشراء: حدد درجة UNS أو المصنع الدقيقة المطلوبة والتثبيت المطلوب (Ti مقابل Nb)، وشكل الإمداد، وتشطيب السطح لتجنب استبدالات الدرجات المتقاطعة.
10. الملخص والتوصية
جدول: ملخص مقارن سريع
| السمة | 439 | 441 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة (استقرار جيد لمنطقة التأثير الحراري بسبب Ti) | ممتازة ولكن أكثر حساسية قليلاً لدورات الحرارة (بسبب Nb) |
| القوة–المتانة (بشكل عام) | متانة جيدة عند درجة حرارة الغرفة؛ قابل للتشكيل للغاية | قوة أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الزحف؛ أقل قابلية للتشكيل قليلاً |
| التكلفة | أقل / فعالة من حيث التكلفة | أعلى قليلاً بسبب السبائك والاستخدام المتخصص |
الخلاصة والإرشادات العملية: - اختر 439 إذا: كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ الفيريتك المثبت بالتيتانيوم بتكلفة فعالة مع قابلية تشكيل متفوقة عند درجة حرارة الغرفة، وقابلية لحام جيدة، ومقاومة موثوقة للتآكل لمكونات العادم العامة أو الكسوة أو مبادلات الحرارة حيث لا تكون مقاومة الزحف عند درجات الحرارة العالية القصوى ضرورية. - اختر 441 إذا: كان تصميمك يتطلب قوة محسنة عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأكسدة/الزحف، أو استقرار أبعاد طويل الأمد بالقرب من مجمعات العادم أو مناطق أخرى أكثر سخونة - توفر كيمياء 441 المثبتة بالنيوبيوم أداءً أفضل عند درجات الحرارة المرتفعة بتكلفة إضافية معتدلة.
ملاحظة نهائية: تأكد دائمًا من ورقة بيانات المصنع وتسمية UNS للتركيب الدقيق والخصائص الميكانيكية المضمونة لشكل المنتج المحدد والتسخين الذي تخطط لشرائه. بالنسبة للتجمعات الملحومة الحرارية العالية الحرجة، يُوصى بإجراء تجارب لحام نموذجية وتوصيف منطقة التأثير الحراري للتحقق من الدرجة المختارة لعملية وظروف الخدمة الخاصة بك.