904L مقابل 254SMO – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

904L و 254SMO هما نوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عالي الأداء، وغالبًا ما يتم النظر إليهما في البيئات الكيميائية والبحرية العدوانية. يقوم المهندسون وفرق الشراء عادةً بوزن المزايا والعيوب بين مقاومة التآكل، والتكلفة، وقابلية اللحام، والأداء الميكانيكي عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية معدات معالجة كيميائية، ومبادلات حرارية، وأنابيب في بيئات تحتوي على الكلوريد، وتصنيع ملحوم عالي التكامل حيث تكون المقاومة طويلة الأمد للتآكل الناتج عن النقر والشقوق أمرًا حاسمًا.

التمييز الفني الرئيسي هو أن 904L هو درجة أوستنيتية عالية السبائك، تحتوي على النحاس، ومنخفضة الكربون مصممة لمقاومة الأحماض المخفضة والتآكل العام، بينما 254SMO هي درجة سوبر أوستنيتية تحتوي على مستويات عالية جدًا من الموليبدينوم والنيتروجين مصممة بشكل أساسي لمقاومة أفضل للتآكل الناتج عن النقر والشقوق في الوسائط المحتوية على الكلوريد. هذا الاختلاف يؤثر على قرارات التصميم والتكلفة، خاصة حيث يكون التآكل الموضعي الناتج عن الكلوريد هو العامل المحدد.

1. المعايير والتسميات

• 904L
• UNS: N08904
• المعايير الشائعة: ASTM A240 / ASME SA-240 (لوح/ورقة)، ASTM A276 (قضبان)، EN (يشار إليها أحيانًا بمعادلات EN)

• التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي (مقاوم للصدأ)

• 254SMO

• UNS: S31254
• EN: 1.4547 (يشار إليها غالبًا باسم 254 SMO)
• المعايير الشائعة: ASTM A240 / ASME SA-240، ASTM A276 (قضبان)
• التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ سوبر أوستنيتي (مقاوم للصدأ)

كلاهما فولاذان مقاومان للصدأ أوستنيتيان (ليس كربونيًا، أو أدوات، أو فولاذ HSLA) ومحدد في معايير المنتجات المقاومة للصدأ للأوراق، والألواح، والأنابيب، والقضبان.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تدرج الجدول التالي النطاقات التركيبية النموذجية الموجودة في أوراق بيانات الشركات المصنعة والمعايير لكل درجة. يتم إعطاء القيم كنسبة مئوية بالوزن؛ يجب التحقق من التركيب الدقيق مقابل شهادات المصنع لكل حرارة.

عنصر	904L (نطاق نموذجي، wt%)	254SMO (نطاق نموذجي، wt%)
C	≤ 0.02	≤ 0.02
Mn	≤ 2.0	≤ 0.5–1.0
Si	≤ 1.0	≤ 0.8
P	≤ 0.035	≤ 0.03–0.035
S	≤ 0.01	≤ 0.01
Cr	19.0–23.0	20.0–22.0
Ni	23.0–28.0	17.0–19.0
Mo	4.0–5.0	6.0–6.5
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0.1 (عادة منخفض)	0.18–0.24 (مرتفع)

ملاحظات: - يحتوي 904L على نسبة كبيرة من النيكل والنحاس (Cu عادة ~1.5–2.5 wt%، غير موضح في الجدول المبسط أعلاه) لتعزيز المقاومة للأحماض المخفضة (مثل حمض الكبريتيك) وللحفاظ على اللدونة وقابلية اللحام. - يحقق 254SMO مقاومة عالية للتآكل الموضعي من خلال زيادة الموليبدينوم والنيتروجين؛ النحاس ضئيل أو غائب. - يتم الحفاظ على كلا الدرجتين منخفضتين في الكربون لتقليل التحسس وترسيب المعادن البينية أثناء اللحام والخدمة.

تداعيات استراتيجية السبائك: - يشكل الكروم فيلم أكسيد غير نشط يوفر مقاومة عامة للتآكل. - يحسن الموليبدينوم بشكل ملحوظ مقاومة التآكل الناتج عن النقر والشقوق؛ زيادة Mo في 254SMO تدفع الكثير من أدائها المتفوق في الكلوريدات. - يثبت النيتروجين الأوستنيت، ويزيد من القوة، ويعزز مقاومة النقر (تضاعفي في PREN). - يثبت النيكل الأوستنيت ويحسن المتانة وقابلية التشكيل. - يساعد النحاس في 904L بشكل خاص في مقاومة الأحماض المخفضة مثل حمض الكبريتيك.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

كل من 904L و 254SMO هما أوستنيتيان بالكامل في حالة التلدين الحل. الخصائص المجهرية النموذجية واستجابة المعالجة الحرارية:

• 904L
• البنية المجهرية: أوستنيتية بالكامل مع ترسيب كربيد منخفض إذا تم تلدينها بشكل صحيح.
• المعالجة الحرارية: لا يتم تقويتها بواسطة المعالجة الحرارية؛ يوصى بتلدين الحل (مثل 1010–1120 °C / 1850–2050 °F) يتبعه تبريد سريع لإذابة المعادن البينية واستعادة مقاومة التآكل. خطر التحسس منخفض عندما يتم التحكم في الكربون.

• يزيد العمل البارد من القوة عبر تصلب العمل؛ يلزم التلدين لاستعادة مقاومة التآكل إذا تشكلت ترسيبات بين الحبيبات.

• 254SMO

• البنية المجهرية: أوستنيتية بالكامل مع استقرار أعلى للأوستنيت بسبب Mo و N.
• المعالجة الحرارية: أيضًا تلدين الحل (عادة ~1100–1150 °C / 2010–2100 °F) وتبريد سريع. بسبب ارتفاع Mo و Cr، يمكن أن تعزز الدورات الحرارية غير الصحيحة مرحلة سيغما أو معادن بينية أخرى؛ من المهم التحكم الصارم في تلدين الحل والتبريد، خاصة بعد اللحام.
• تزيد المعالجة الحرارية الميكانيكية والعمل البارد من القوة؛ يساعد محتوى النيتروجين في الحفاظ على استقرار الأوستنيت والبنية المجهرية الأساسية.

لا يمكن تقوية أي من الدرجتين بواسطة معالجة التبريد والتقسية التقليدية - يتم تحديد خصائصها بشكل أساسي بواسطة التركيب والعمل البارد أو تصلب العمل.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية على العملية وشكل المنتج (عمل بارد مقابل تلدين). النطاقات النموذجية لأشكال المنتجات المعالجة بالحل:

الخاصية	904L (معالجة بالحل، نموذجية)	254SMO (معالجة بالحل، نموذجية)
قوة الشد (ميغاباسكال)	~500–700	~500–700
قوة العائد (0.2% انحراف، ميغاباسكال)	~200–300	~250–350
التمدد (A%، في 50 مم)	~40–60%	~30–50%
صلابة التأثير (شاربي، درجة حرارة الغرفة)	جيدة، كسر لدن	جيدة، قد تقلل القوة الأعلى قليلاً من التمدد
الصلابة (HB أو HRC)	عادة منخفضة (ناعمة في الحالة الملدنة)	عادة منخفضة ولكن أعلى قليلاً من 904L عند سبائكها مع N/Mo

التفسير: - كلا الدرجتين لدنتان وقويتان في الحالة الملدنة؛ يمكن أن يظهر 254SMO عائدًا أعلى قليلاً بسبب تقوية النيتروجين. - يزيد العمل البارد من قوة الشد والعائد في كلاهما ولكنه يقلل من التمدد. - بالنسبة للاحتياجات الهيكلية الحاملة للأحمال أو عالية القوة، لا ينافس أي منهما الفولاذات القابلة للتصلب بالترسيب؛ يتركز الاختيار على أداء التآكل المتوازن مع المتطلبات الميكانيكية.

5. قابلية اللحام

تعتبر قابلية اللحام معلمة اختيار رئيسية.

العوامل الرئيسية: - تعطي نسبة الكربون المنخفضة والبنية الأوستنيتية كلا الدرجتين قابلية لحام عامة ممتازة مقارنةً بالدرجات المارتنسيتية أو الفريتية. - يزيد النيتروجين في 254SMO من القوة ويحسن مقاومة النقر ولكنه يتطلب إجراءات لحام تتحكم في فقدان النيتروجين وتجنب المسامية. - يمكن أن يغير النحاس في 904L سلوك التصلب ولكنه عمومًا متوافق مع المعادن الملحومة الأوستنيتية القياسية؛ غالبًا ما يعتبر 904L أسهل في اللحام في ظروف الورشة أو الميدان.

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (استخدام نوعي فقط): - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - مؤشر تآكل النقر (Pcm) أيضًا يُعلم قابلية اللحام/الضعف 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: - تظهر كلا الدرجتين عادةً قيم منخفضة من $CE_{IIW}$ مقارنة بالفولاذات القابلة للتصلب، مما يشير إلى انخفاض خطر التصلب المارتنسيتية والتشقق البارد المدعوم بالهيدروجين. - تزيد مستويات Mo و N المرتفعة في 254SMO من معاييرها المتعلقة بـ $P_{cm}$ لمقاومة التآكل ولكن قد تعقد اختيار المعدن الملحوم وتبريد اللحام لتجنب مرحلة سيغما البينية. - عادةً ما يكون التسخين المسبق غير ضروري ولكن قد يُوصى بالتحكم في درجة حرارة التداخل والتلدين بعد اللحام (أو النقع والتمرير) للتطبيقات الحرجة.

6. التآكل وحماية السطح

تختلف درجات الفولاذ المقاوم للصدأ اختلافًا جوهريًا عن الفولاذ الكربوني في سلوك التآكل.

• الفولاذ الكربوني/السبائكي: عادةً ما تتطلب الحماية طلاءات (تغليف بالغمس الساخن، طلاء، بطانة) لمنع التآكل المنتظم؛ تعتمد أداء مقاومة التآكل على سلامة الطلاء.

• الفولاذ المقاوم للصدأ (904L و 254SMO): مقاومة التآكل داخلية من خلال فيلم أكسيد الكروم غير النشط؛ يستخدم المقارنة مؤشرات النقر.

رقم مقاومة النقر المعادل: - مؤشر شائع هو PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

تفسير PREN التمثيلي: - 904L (تركيب تمثيلي) يعطي PREN في منتصف الثلاثينات، مما يوفر مقاومة ممتازة للتآكل العام ومقاومة معقولة للنقر، وأداء استثنائي في الأحماض المخفضة بسبب Cu. - 254SMO (تركيب تمثيلي) يعطي PREN عادةً في الأربعينات المنخفضة إلى المتوسطة، مما يعكس مقاومة متفوقة للتآكل الناتج عن النقر والشقوق في البيئات المحتوية على الكلوريد وملاءمته للخدمات البحرية والعملية الكيميائية الشديدة.

توضيح: - PREN هو مؤشر مقارن؛ يعتمد الأداء الفعلي في الميدان أيضًا على درجة الحرارة، وتركيز الكلوريد، والتدفق، وهندسة الشقوق. بالنسبة للبيئات المحتوية على الكلوريد العدوانية للغاية (مثل مياه البحر الدافئة، والشقوق ذات المساحة السطحية الكبيرة)، غالبًا ما يكون PREN الأعلى لـ 254SMO حاسمًا.

7. التصنيع، وقابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع والتشغيل:
• يتم تشغيل 904L بشكل معقول لفولاذ أوستنيتي، ولكن محتواه العالي من النيكل وميوله للتصلب تتطلب إعدادات صارمة وأدوات كربيد مناسبة.
• 254SMO أكثر تحديًا في التشغيل بسبب ارتفاع Mo و N اللذين يزيدان من الصلابة وتآكل الأدوات؛ يُوصى بسرعات قطع أبطأ وأدوات قوية.
• التشكيل والانحناء:
• يمتاز 904L بقابلية تشكيل ممتازة وأداء سحب عميق.
• يمكن تشكيل 254SMO ولكنه يتطلب أنصاف أقطار انحناء أكبر وقد يحتاج إلى تلدين بعد تشكيل بارد ثقيل لاستعادة اللدونة.
• تشطيب السطح:
• يمكن تلميع كلاهما إلى تشطيبات عالية؛ يمكن أن يجعل محتوى Mo العالي في 254SMO التلميع الكهربائي أكثر تطلبًا ولكنه يؤدي إلى أسطح عالية السلبية.
• ملاحظات التصنيع:
• استخدم المعادن الملحومة المناسبة (مثل الملحقات السوبر أوستنيتية المطابقة لـ 254SMO في التطبيقات الحرجة) للحفاظ على أداء التآكل في الوصلات الملحومة.
• يتم استخدام النقع/التمرير بعد اللحام بشكل شائع لاستعادة الأفلام السلبية.

8. التطبيقات النموذجية

904L — الاستخدامات النموذجية	254SMO — الاستخدامات النموذجية
معدات معالجة كيميائية معرضة للأحماض المخفضة (خدمة حمض الكبريتيك)، مبادلات حرارية، مبخرات	مكونات مياه البحر، تحلية المياه، أجهزة التنظيف، أنابيب العمليات المحتوية على الكلوريد، مكونات إزالة الكبريت من غاز العادم
أنابيب وتركيبات في مصانع البتروكيماويات حيث تتطلب مقاومة للأحماض الكبريتية والفوسفورية والتآكل العام	أوعية ضغط وأنابيب في بيئات الكلوريد العدوانية، أنظمة مياه البحر في البحر، تركيبات تحت البحر
خزانات وتخزين للوسائط التآكلية والمخفضة	مكونات معرضة لخطر النقر/الشقوق الشديدة ودرجات حرارة مرتفعة في محاليل الكلوريد
تطبيقات معمارية تتطلب جمالية عالية قائمة على النيكل وأداء مقاوم للصدأ	تركيبات عالية الموثوقية ومنخفضة الصيانة حيث تبرر فترة الخدمة الطويلة تكلفة المواد الأعلى

مبررات الاختيار: - اختر 904L عندما تكون المقاومة للأحماض المخفضة وقابلية التشكيل/اللحام الممتازة هي الأولوية وعندما يجب أن تكون التكلفة معتدلة بالنسبة للسبائك السوبر أوستنيتية. - اختر 254SMO عندما يكون التآكل الموضعي الناتج عن الكلوريد (النقر/الشقوق) هو الخطر الرئيسي وتكون أقل صيانة على المدى الطويل مرغوبة حتى مع تكلفة المواد الأولية الأعلى.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: 254SMO عادةً ما يكون أكثر تكلفة بشكل ملحوظ لكل كيلوغرام/متر من 904L بسبب زيادة سبائك Mo و N وأحجام الإنتاج المحدودة. 904L مكلف بالنسبة للفولاذ الأوستنيتي القياسي (304/316) بسبب محتواه العالي من النيكل والنحاس، ولكنه عمومًا أقل تكلفة من الدرجات السوبر أوستنيتية.
• التوافر: 904L له توافر أوسع عبر الألواح، والورق، والأنابيب، والتركيبات، والقضبان من مصادر متعددة. 254SMO متاح ولكن غالبًا ما يتم تخزينه في أشكال منتجات محدودة وقد يتطلب أوقات تسليم أطول أو شراء خاص حسب المنطقة وشكل المنتج المطلوب (مثل الأنابيب غير الملحومة، والألواح ذات القطر الكبير).
• نصيحة الشراء: بالنسبة للمشاريع الكبيرة في البيئات العدوانية المحتوية على الكلوريد، قم بتضمين وقت التسليم والهدر في مقارنة التكلفة؛ قد تعوض مدخرات الصيانة مدى الحياة لـ 254SMO تكلفة الشراء الأولية الأعلى.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

المعيار	904L	254SMO
قابلية اللحام	ممتازة (ممارسة لحام أوستنيتي قياسية)	جيدة إلى عادلة (تتطلب ضوابط وملء مطابق للخدمة الحرجة)
القوة–المتانة	لدونة جيدة؛ عائد معتدل	عائد أعلى قليلاً (مدعوم بالنيتروجين)؛ متانة جيدة
التآكل (عام)	ممتاز (الأحماض المخفضة، التآكل العام)	ممتاز (مقاومة متفوقة للنقر/الشقوق في الكلوريدات)
التكلفة	مرتفعة (لكن أقل من السوبر أوستنيتية)	مرتفعة جدًا
التوافر	واسع	أكثر محدودية

التوصية: - اختر 904L إذا: - كانت أجواء الخدمة تشمل الأحماض المخفضة (مثل الكبريتيك) أو البيئات الحمضية المختلطة حيث تكون فوائد النحاس ومقاومة التآكل العامة الجيدة مطلوبة. - كانت قابلية اللحام والتشكيل من الأولويات وكانت هناك قيود على الميزانية/وقت التسليم. - كان التعرض للكلوريد معتدلاً وكان خطر التآكل الموضعي قابلاً للإدارة مع ضوابط التصميم.

• اختر 254SMO إذا:
• كان نمط الفشل الرئيسي الذي يجب منعه هو التآكل الناتج عن النقر والشقوق الناتجة عن الكلوريد (مياه البحر الدافئة، تيارات العمليات المركزة المحتوية على الكلوريد، التعرض الثابت الطويل في الشقوق).
• تبرر فترة الخدمة الطويلة مع الحد الأدنى من الصيانة والحد الأقصى من المقاومة للهجوم الموضعي تكلفة المواد الأعلى.
• تتحمل التطبيق ضوابط لحام وتصنيع أكثر صرامة وأوقات تسليم محتملة أطول.

ملاحظة ختامية: يجب أن يجمع الاختيار النهائي للمواد بين تقييم خطر التآكل (تركيز الكلوريد البيئي، درجة الحرارة، هندسة الشقوق)، والمتطلبات الميكانيكية والتصنيعية، وتحليل تكلفة دورة الحياة. بالنسبة للأنظمة المعرضة للكلوريد الحرجة، يُوصى بإجراء اختبارات مختبرية (تعرض، قسائم، أو اختبارات كيميائية كهربائية) والتشاور مع موردي المواد ومهندسي التآكل للتحقق من الاختيار بين 904L و 254SMO لحالة الخدمة المحددة.