444 مقابل 441 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

اختيار بين درجات الفولاذ المقاوم للصدأ 444 و441 هو معضلة شائعة للمهندسين ومديري المشتريات ومخططي التصنيع الذين يعملون في بيئات تآكلية، وأنظمة ذات درجات حرارة عالية، وتطبيقات عوادم السيارات. عادةً ما يوازن القرار بين مقاومة التآكل (خاصة مقاومة التآكل النقري ومقاومة الكلوريد)، والاستقرار الحراري على المدى الطويل، وقابلية اللحام، والتكلفة الإجمالية للملكية (المادة بالإضافة إلى التصنيع).

على مستوى عالٍ، كلا من 444 و441 هما فولاذان مقاومان للصدأ من النوع الفيريتك، تم تحسينهما لمتطلبات خدمة مختلفة: أحدهما يركز على تعزيز مقاومة التآكل في البيئات التي تحتوي على الكلوريد أو الرطوبة من خلال إضافات مثل الموليبدينوم والمثبتات لمنع حساسية حدود الحبيبات، بينما يركز الآخر على مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية والاستقرار الحراري من خلال تثبيت التيتانيوم وتركيبة مصممة للاستخدامات في عوادم السيارات والمقاومة للحرارة. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذات الفيريتك ذات النيكل المنخفض، غالبًا ما يتم مقارنتهما حيث تكون الحلول الخالية من النيكل أو ذات النيكل المنخفض مطلوبة.

1. المعايير والتسميات

• تشمل أنظمة المعايير الأساسية التي تغطي درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتك ASTM/ASME، UNS، EN (الأوروبية)، JIS (المعايير الصناعية اليابانية)، وGB (المعايير الوطنية الصينية).
• المحددات التجارية الشائعة: تصنف هذه المواد كفولاذات مقاومة للصدأ الفيريتك (منخفضة الكربون، قائمة على الكروم، منخفضة النيكل).
• أشكال المنتجات النموذجية التي تغطيها المعايير: صفائح، شرائط، لفائف، ألواح، وأنابيب ملحومة لمكونات المبادلات الحرارية والعوادم.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تلخص الجدول التالي الميزات النموذجية للسبائك والوجود النسبي للعناصر الشائعة في 444 و441. يتم تقديم القيم بشكل نوعي (وجود نسبي أو وظيفة) بدلاً من النسب الدقيقة، لأن الاختيار والأداء يتحكمان فيهما اختلافات صغيرة في استراتيجية السبائك.

عنصر	الدور / التأثير	الدرجة 444 (نسبي)	الدرجة 441 (نسبي)
C (الكربون)	القوة، قابلية التصلب، تشكيل الكربيدات	منخفض جدًا (متحكم فيه)	منخفض جدًا (متحكم فيه؛ مثبت بالتيتانيوم)
Mn (المنغنيز)	مثبت الأوستينيت، مزيل الأكسدة	منخفض–متوسط	منخفض–متوسط
Si (السيليكون)	إزالة الأكسدة، قوة عند درجات الحرارة العالية	منخفض–متوسط	منخفض–متوسط
P (الفوسفور)	شوائب (هش عند مستويات عالية)	منخفض جدًا	منخفض جدًا
S (الكبريت)	قابلية التشغيل المجانية (غير مرغوب فيها للتآكل)	منخفض جدًا	منخفض جدًا
Cr (الكروم)	التمرير، مقاومة التآكل	مرتفع (قاعدة فيريتيك قائمة على الكروم)	مرتفع (قاعدة فيريتيك قائمة على الكروم)
Ni (النيكل)	مثبت الأوستينيت (منخفض في الفيريتك)	منخفض جدًا	منخفض جدًا
Mo (الموليبدينوم)	مقاومة التآكل النقري/الشقوق، تقوية الحل الصلب	متوسط–ملحوظ (مميز رئيسي)	منخفض–أثر
V (الفاناديوم)	تقوية، مكون للكربيدات	أثر أو لا شيء	أثر أو لا شيء
Nb (النيوبيوم)	يثبت ضد الحساسية؛ مكون للكربيدات	موجود (ميكروسبائك/تثبيت)	عادةً لا يستخدم
Ti (التيتانيوم)	تثبيت الكربون (يمنع الحساسية، يحسن الزحف عند درجات الحرارة العالية)	قد يكون موجودًا بكميات صغيرة	موجود (مثبت رئيسي)
B (البورون)	مقوي حدود الحبيبات (منخفض جدًا)	أثر/لا شيء	أثر/لا شيء
N (النيتروجين)	تقوية ومقاومة للتآكل النقري (محدودة في الفيريتك)	منخفض جدًا	منخفض جدًا

تفسير الاستراتيجية: - 444: تركز السبائك على الكروم من أجل التمرير بالإضافة إلى الموليبدينوم والميكروسبائك (مثل Nb) لتحسين مقاومة التآكل النقري/الشقوق ومنع ترسيب الكربيدات بين الحبيبات - هذا يدعم الاستخدام في الخدمة التآكلية التي تحتوي على الكلوريد والرطوبة. - 441: تركز السبائك على تثبيت التيتانيوم للكربون لتحسين الاستقرار عند درجات الحرارة العالية، وتقليل الحساسية أثناء الدورة الحرارية، وتوفير مقاومة جيدة للأكسدة لأنظمة العوادم؛ عادةً ما يكون الموليبدينوم في الحد الأدنى.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

كلا من 444 و441 هما أساسًا فولاذان مقاومان للصدأ من النوع الفيريتك؛ بنيتهما المجهرية المستقرة عند درجة حرارة الغرفة هي مكعب مركزي الجسم (فيريت). النقاط الرئيسية في البنية المجهرية:

• المرحلة الأساسية: فيريت مع كميات صغيرة من كربيدات السبائك أو النيتريدات أو المعادن البينية حسب التاريخ الحراري.
• 441: يربط تثبيت التيتانيوم الكربون ككربيدات/نيتريدات التيتانيوم، مما يمنع ترسيب كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات أثناء التعرض الحراري - هذا يحسن المقاومة للحساسية والتكربن أثناء درجات الحرارة العالية الدورية (التي تكون نموذجية لأنظمة العوادم).
• 444: تعزز إضافات الموليبدينوم والميكروسبائك فيلمًا سالبًا مستقرًا وتزيد من المقاومة للتآكل المحلي؛ يساعد النيوبيوم أو مثبتات أخرى، عند وجودها، في تثبيت الكربون وتقليل خطر الحساسية.

استجابة المعالجة الحرارية: - يتم استخدام التلدين الحلولي والتبريد السريع لحل الرواسب واستعادة مقاومة التآكل. عادةً لا تستجيب الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتك للتبريد والتصلب لإنتاج المارتنسيت كما تفعل بعض الفولاذات - يتم تحقيق زيادات القوة بشكل أساسي من خلال العمل البارد بدلاً من التصلب. - يخفف التعديل والتلدين الضغوط ويمكن أن يؤثر على حجم الحبيبات؛ يمكن أن يؤدي التعرض المطول في نطاقات درجات الحرارة المتوسطة إلى تعزيز تشكيل مرحلة سيغما أو مرحلة معدنية بينية في الفيريتك الغني بالكروم إذا كانت توازن السبائك غير مناسب - تعتبر الدورات الحرارية الدقيقة مهمة لـ 444 بسبب إضافات السبائك الخاصة به. - تعتبر المعالجة الحرارية الميكانيكية والعمل البارد المتحكم فيه طرقًا شائعة لزيادة القوة لكلا الدرجتين؛ يجعل تثبيت التيتانيوم في 441 أكثر تحملًا للدورات الحرارية المتكررة.

4. الخصائص الميكانيكية

السلوك الميكانيكي بين الدرجتين قريب لأن كلاهما فولاذان مقاومان للصدأ من النوع الفيريتك؛ ومع ذلك، تؤثر اختلافات السبائك على القوة والليونة والصلابة.

الخاصية	الدرجة 444 (مقارنة نموذجية)	الدرجة 441 (مقارنة نموذجية)
قوة الشد	متوسطة إلى مرتفعة بشكل معتدل (تقوية الحل الصلب بواسطة Mo)	متوسطة (يمكن زيادتها بواسطة العمل البارد)
قوة الخضوع	متوسطة	متوسطة (مماثلة، حسب العمل البارد)
التمدد (الليونة)	جيدة ولكن تقل مع العمل البارد أو السبائك الثقيلة	عادةً ما تكون الليونة أفضل قليلاً عند المعالجة المكافئة (يثبت التيتانيوم الكربيدات)
صلابة التأثير	جيدة عند درجة الحرارة المحيطة؛ يمكن أن تنخفض عند درجات الحرارة المنخفضة مثل العديد من الفيريتك	جيدة عند درجة الحرارة المحيطة؛ قابلة للمقارنة، وغالبًا ما تحتفظ بها بشكل أفضل عند الدورات الحرارية بسبب تثبيت التيتانيوم
الصلابة	متوسطة (قابلة للتصلب بالعمل)	متوسطة (قابلة للتصلب بالعمل)

أيها أقوى/أكثر صلابة/ليونة ولماذا: - اختلافات القوة متواضعة وتعتمد بشكل كبير على المعالجة. قد تحقق 444 قوة أعلى قليلاً عند التدوير بسبب تقوية الحل الصلب بواسطة Mo؛ غالبًا ما تكون الاستقرار الميكانيكي لـ 441 عند درجات الحرارة المرتفعة متفوقة لأن التيتانيوم يشكل كربيدات مستقرة تمنع ترسيب الكربيدات الهشة. - تتأثر الصلابة والليونة بمستوى العمل البارد والتاريخ الحراري؛ لا يتم تحسين أي من الدرجتين للصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة مقارنةً بالدرجات الأوستينيتية.

5. قابلية اللحام

تعتمد اعتبارات قابلية اللحام للفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتك على انخفاض محتوى الكربون، ومساهمات قابلية التصلب، والمثبتات:

• يقلل انخفاض محتوى الكربون في كلا الدرجتين من قابلية التشقق البارد، ولكن يمكن أن تكون الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتك عرضة لنمو الحبيبات في المناطق المتأثرة بالحرارة إذا تم استخدام إدخال حرارة مفرط.
• تزيد السبائك مع Mo وعناصر الميكروسبائك في 444 من إمكانية تغيير خصائص HAZ مقارنةً بالفولاذات الفيريتك الأبسط، لذا يجب أن تتحكم إجراءات اللحام في درجة حرارة التداخل وإدخال الحرارة.
• يقلل تثبيت التيتانيوم في 441 من ترسيب الكربيدات ويجعل اللحامات أقل عرضة للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام والدورات الحرارية.

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة: - يتم استخدام المعادل الكربوني (شكل IIW) بشكل شائع لتقييم خطر التصلب: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - يوفر Pcm (WRC/IIW) مقياسًا آخر لحساسية تشقق اللحام: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ التفسير (نوعي): - تظهر كلا الدرجتين عادةً قابلية لحام جيدة مع ممارسات TIG/MIG/GMAW القياسية عندما يتم التحكم في درجات حرارة التسخين ودرجات حرارة التداخل وتستخدم المعادن الملحومة المتوافقة مع الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتك. - غالبًا ما تظهر 441 أداءً أسهل بعد اللحام في الخدمة الحرارية الدورية بسبب تثبيت التيتانيوم؛ قد تتطلب 444 اهتمامًا باختيار الملء وإدخال الحرارة للحفاظ على مقاومة التآكل بالقرب من اللحامات، خاصةً في البيئات التي تحتوي على الكلوريد.

6. التآكل وحماية السطح

• بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ (كلا من 444 و441 مقاومان للصدأ)، يتم دفع أداء الفيلم السالب بواسطة الكروم مع تحسينات من Mo أو N.
• PREN (رقم مقاومة التآكل النقري) هو مؤشر مفيد لمقارنة مقاومة التآكل المحلي: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ التفسير:
• عادةً ما يكون لدى 444 PREN أعلى من 441 بسبب محتواه الأعلى من الموليبدينوم، مما يجعله أفضل في البيئات التي تحتوي على الكلوريد أو المعرضة لمياه البحر.
• لا يزيد تثبيت التيتانيوم في 441 بشكل كبير من PREN، ولكنه يحسن المقاومة للحساسية ومشاكل التكربن/الأكسدة عند درجات الحرارة العالية.

عندما تكون الحماية غير المقاومة للصدأ مطلوبة: - إذا كانت سبيكة غير مقاومة للصدأ قيد النظر، فإن الجلفنة، والطلاء، أو الطلاءات البوليمرية هي المعايير. بالنسبة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتك، يمكن تطبيق الطلاءات لأغراض جمالية أو حماية إضافية من التآكل/الكيميائية، ولكن مقاومتها للتآكل غالبًا ما تكون كافية دون طلاءات.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: عادةً ما تكون الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتك أسهل في التشغيل من الفولاذات الأوستينيتية ولكن يمكن أن تكون أصعب من الفولاذات الكربونية العادية. قد يؤدي 444 المحتوي على Mo إلى زيادة تآكل الأدوات أكثر من 441.
• قابلية التشكيل: تميل 441 (مع تثبيت التيتانيوم) إلى أن تكون لديها قابلية تشكيل أفضل قليلاً في ظروف درجات الحرارة العالية أو الدورات الحرارية؛ يمكن تشكيل كلاهما بواسطة عمليات الضغط القياسية والتشكيل بالدرفلة، ولكن الارتداد هو سمة من سمات الفيريتك.
• تشطيب السطح: تقبل كلا الدرجتين ممارسات التشطيب الشائعة (الفرك، التلميع)؛ يمكن أن يؤثر محتوى Mo في 444 على سلوك النقش والتخليل ويتطلب معالجة كيميائية مناسبة لاستعادة السلبية بعد التصنيع.

8. التطبيقات النموذجية

الدرجة 444 — الاستخدامات النموذجية	الدرجة 441 — الاستخدامات النموذجية
مبادلات حرارية لمياه البحر، أنابيب مياه البحر، مضخات وصمامات مياه مالحة	مكونات عوادم السيارات، كواتم الصوت، حاويات المحولات الحفازة، دروع حرارية
إزالة الكبريت من غازات المداخن، معدات معالجة كيميائية معرضة للكلوريدات	أجزاء أفران ذات درجات حرارة عالية ودعائم عزل حراري
ملفات ومكثفات HVAC في أجواء تآكلية	مكونات دورة حرارية حيث تكون مقاومة التكربن مهمة
معدات معالجة الطعام المعرضة للكلوريد (حيث يكون النيكل المنخفض مرغوبًا)	مكونات هيكلية معرضة للأكسدة عند درجات حرارة عالية مع تحميل دوري

مبررات الاختيار: - اختر 444 حيث تكون مقاومة التآكل المحلي (التآكل النقري/الشقوق) في البيئات التي تحتوي على الكلوريد هي مصدر القلق الرئيسي ويكون محتوى النيكل المنخفض مطلوبًا. - اختر 441 حيث تهيمن مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية، واستقرار الدورة الحرارية، والإنتاج على نطاق واسع الحساس للتكلفة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: عادةً ما تكون 444 أعلى تكلفة من 441 لأن الموليبدينوم وعناصر الميكروسبائك تزيد من تكلفة المواد الخام. غالبًا ما تكون 441 أكثر اقتصادية للأجزاء المصنعة بكميات كبيرة بسبب السبائك المصممة وارتفاع حجم الإنتاج.
• التوافر: تتوفر 441 على نطاق واسع في لفائف وصفائح لمصنعي السيارات والموردين؛ تتوفر 444 من خلال موزعي الفولاذ المقاوم للصدأ المتخصصين في صفائح، وألواح، وأنابيب ملحومة لتطبيقات المبادلات الحرارية والعمليات ولكن قد يكون لديها أشكال مخزنة أكثر محدودية في بعض الأسواق.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (تقييمات نوعية: جيد / أفضل / أعلى / أقل)

السمة	444	441
قابلية اللحام	جيدة (تتطلب التحكم في إدخال الحرارة)	جيدة (يثبت التيتانيوم HAZ)
توازن القوة–الصلابة	جيدة (يزيد Mo من القوة)	جيدة (استقرار حراري مع Ti)
مقاومة التآكل المحلي (الكلوريدات)	أفضل (محتوى Mo أعلى)	أقل (محتوى Mo أقل)
مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية والدورات الحرارية	جيدة	أفضل (تثبيت التيتانيوم)
التكلفة	أعلى	أقل / أكثر اقتصادية

التوصيات الختامية: - اختر 444 إذا كنت بحاجة إلى مقاومة تآكل محلية معززة (التآكل النقري/الشقوق) في البيئات التي تحتوي على الكلوريد أو الرطوبة ويمكنك تبرير تكلفة المواد الأعلى؛ إنه مناسب تمامًا لأسطوانات المبادلات الحرارية لمياه البحر، وتحلية المياه، والخدمة الكيميائية حيث تزيد إضافات Mo والمثبتات من عمر الخدمة. - اختر 441 إذا كانت التطبيق يتطلب استقرارًا حراريًا، ومقاومة للتكربن والتعرض الدوري لدرجات الحرارة العالية (على سبيل المثال، أنظمة عوادم السيارات، كواتم الصوت، والدروع الحرارية)، ويتطلب قابلية تشكيل جيدة وكفاءة في التكلفة على نطاق واسع، أو عندما يكون سلوك تثبيت التيتانيوم لتجنب الحساسية بعد اللحام مهمًا.

ملاحظة نهائية: كلا من 444 و441 هما فولاذان مقاومان للصدأ الفيريتك متخصصان تم تحسينهما لبيئات متميزة. يجب أن يكون اختيار المواد مصحوبًا باستشارة أوراق بيانات المنتجات المحددة، ومواصفات إجراءات اللحام، واختبارات التآكل الخاصة بالتطبيق (بما في ذلك اختبارات التآكل النقري، والشقوق، والأكسدة عند درجات الحرارة العالية) للتحقق من الأداء على المدى الطويل للخدمة المقصودة.