TP304 مقابل TP316 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
TP304 و TP316 هما من أكثر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المحدد بشكل شائع لمنتجات الأنابيب والألواح. غالبًا ما يقرر المهندسون ومديرو المشتريات والمصنعون بينهما عند الموازنة بين مقاومة التآكل وقابلية اللحام والأداء الميكانيكي والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية: اختيار مادة لخطوط الأنابيب المعرضة للكلوريدات، تحديد المبادلات الحرارية أو الأنابيب الهيكلية للتطبيقات البحرية، واختيار المعدات الصحية لصناعة المواد الغذائية والأدوية.
التمييز العملي الأساسي هو أن أحد الدرجات يتضمن عنصر سبيكة يعزز المقاومة للتآكل الناتج عن الحفر والشقوق في البيئات المحتوية على الكلوريد، بينما الآخر هو الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي العام الأكثر اقتصادية والمتوفر على نطاق واسع. نظرًا لأنها متشابهة في علم المعادن وسلوك التصنيع، فإن مقارنة TP304 و TP316 غالبًا ما تتلخص في بيئة التآكل وتكلفة دورة الحياة والقيود المحددة للتصنيع.
1. المعايير والتسميات
- ASTM/ASME الشائعة: يتم استخدام TP304 و TP316 في تسميات عائلة ASTM A312/A213/A269/A240 لمنتجات الأنابيب والألواح الفولاذية. في ممارسة ASME، يشير البادئة "TP" إلى مواصفات منتج الأنابيب (على سبيل المثال، TP304).
- المكافئات UNS/EN/JIS/GB:
- TP304 ≈ UNS S30400; EN 1.4301 (AISI 304); JIS SUS304; GB 06Cr19Ni10.
- TP316 ≈ UNS S31600; EN 1.4401/1.4404 (AISI 316/316L); JIS SUS316; GB 00Cr17Ni14Mo2 (قد تختلف المتغيرات).
- فئة المادة: كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (غير مغناطيسي في الحالة الملدنة بالكامل) - ليس فولاذ كربوني، أو فولاذ سبيكة، أو فولاذ أدوات، أو HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
جدول: نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (نسبة الوزن %) لـ TP304 و TP316. القيم تمثل؛ يرجى الرجوع إلى معيار المنتج المحدد أو شهادة المصنع للحدود المضمونة.
| عنصر | TP304 (نطاقات نموذجية) | TP316 (نطاقات نموذجية) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 (قياسي) | ≤ 0.08 (قياسي) |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 17.5 – 19.5 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | 8.0 – 10.5 | 10.0 – 14.0 |
| Mo | 0 – أثر | 2.0 – 3.0 |
| V | عادة ≤ 0.05 | عادة ≤ 0.05 |
| Nb (Cb) | عادة ≤ 0.1 (غير موجود في الدرجات غير المستقرة) | ≤ 0.1 (ما لم تكن درجة مستقرة) |
| Ti | عادة ≤ 0.7 (فقط في المتغيرات المستقرة) | ≤ 0.7 (فقط في المتغيرات المستقرة) |
| B | أثر | أثر |
| N | أثر إلى 0.11 (يعتمد على المواصفة) | أثر إلى 0.11 (يعتمد على المواصفة) |
ملاحظات: - الإضافة المتعمدة للموبيليوم (Mo) في TP316 وغالبًا ما تكون نسبة النيكل أعلى قليلاً هي الفرق الرئيسي في السبيكة الذي يستهدف تحسين مقاومة التآكل المحلي (الحفر والتآكل الناتج عن الشقوق) والأداء المستدام في البيئات المحتوية على الكلوريد. - يؤثر محتوى الكربون على التحسس أثناء اللحام؛ المتغيرات منخفضة الكربون (304L، 316L) والدرجات المستقرة (مع Ti أو Nb) تخفف من التآكل بين الحبيبات بعد التعرض لدرجات حرارة عالية. - كميات صغيرة من النيتروجين (عند وجودها) تزيد من القوة وتحسن مقاومة الحفر.
كيف تؤثر السبيكة على الأداء: - الكروم (Cr): يشكل الفيلم السلبي من أكسيد الكروم الذي يمنح الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومته الأساسية للتآكل. - النيكل (Ni): يثبت الهيكل الأوستنيتي، يزيد من المتانة والليونة، ويحسن المقاومة العامة للتآكل. - الموليبدينوم (Mo): يزيد من المقاومة للحفر والتآكل الناتج عن الشقوق، خاصة في الوسائط المحتوية على الكلوريد. - الكربون، Ti، Nb: تؤثر على سلوك ترسيب الكربيد ومقاومة الهجوم بين الحبيبات بعد اللحام.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية: كلا من TP304 و TP316 هما أوستنيتيان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في الحالة الملدنة. لا توجد مرحلة مارتنزيتية عند المعالجة الحرارية بشكل صحيح.
- طرق المعالجة النموذجية: الدرفلة الساخنة تليها المعالجة الحرارية السائلة والتبريد السريع لاستعادة مقاومة التآكل والليونة.
- استجابة للدورات الحرارية:
- المعالجة الحرارية السائلة (عادة 1,020–1,100 °C حسب المواصفة) تذوب كربيدات الكروم وتعيد مصفوفة أوستنيتية متجانسة.
- التبريد البطيء عبر حوالي 450–850 °C يمكن أن يسبب ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات (التحسس) في المتغيرات عالية الكربون؛ هذا يقلل من مقاومة التآكل بين الحبيبات.
- المتغيرات منخفضة الكربون (L) والمستقرة (Ti أو Nb) تتحكم في ترسيب الكربيد؛ يتم تحديد 316L عادة حيث سيكون اللحام واسع النطاق والقلق من التحسس موجودًا.
- قابلية التصلب: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لا يتم تصلبه بالتبريد؛ يتم تقويته بشكل أساسي من خلال العمل البارد أو من خلال إضافات السبيكة (مثل N). المعالجات الحرارية الميكانيكية لا تنتج مارتنزيت كبير بدون تحول ناتج عن التشوه.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية للمادة الملدنة (تمثيلية؛ استشر مواصفة المنتج للحد الأدنى المضمون). الوحدات: ميغاباسكال و %.
| الخاصية | TP304 (نموذجي ملدن) | TP316 (نموذجي ملدن) |
|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | ~500 – 700 ميغاباسكال | ~500 – 700 ميغاباسكال |
| قوة العائد (0.2% انزلاق) | ~200 – 350 ميغاباسكال | ~200 – 350 ميغاباسكال |
| التمدد (A%) | ≥ 40% (عادة 40–60%) | ≥ 40% (عادة 40–60%) |
| صلابة التأثير (Charpy، درجة حرارة الغرفة) | عالية، بيانات حساسة للشقوق غالبًا لا يتم تحديدها | عالية، مشابهة لـ TP304 |
| الصلابة (ملدن) | عادة 70–95 HRB (تقريبًا) | عادة 70–95 HRB (تقريبًا) |
التفسير: - في الحالة الملدنة، تظهر TP304 و TP316 خصائص ميكانيكية مشابهة جدًا. الاختلافات في السبيكة (Mo، نسبة Ni أعلى قليلاً في 316) لها تأثيرات متواضعة فقط على قيم الشد والعائد؛ محتوى النيتروجين والعمل البارد لهما تأثيرات أكبر على القوة. - كلا الدرجتين تحتفظان بمتانة ممتازة حتى درجات حرارة منخفضة بسبب البنية المجهرية الأوستنيتية المستقرة. - إذا كانت القوة الأعلى مطلوبة، يمكن اختيار العمل البارد أو المتغيرات المحتوية على النيتروجين؛ للخدمة الكريوجينية، غالبًا ما تكون الأوستنيتية مفضلة بسبب الاحتفاظ بالمتانة.
5. قابلية اللحام
- قابلية اللحام العامة: كلا من TP304 و TP316 تلحم بسهولة بواسطة طرق الانصهار والمقاومة الشائعة (TIG، MIG، SMAW). الهيكل الأوستنيتي يتجنب تكوين المارتنزيت الصلب والهش الذي يتميز به الفولاذ الكربوني.
- الكربون والتحسس: يعزز الكربون ترسيب كربيد الكروم بعد التعرض لدرجات حرارة التحسس؛ لتقليل المخاطر، استخدم المتغيرات منخفضة الكربون (304L/316L) أو الدرجات المستقرة.
- مؤشرات قابلية اللحام: مفيدة للتفسير النوعي لمخاطر تشقق اللحام واحتياجات التسخين المسبق:
- مثال على المكافئ الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- مثال على $P_{cm}$ لقابلية 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 النوعي:
- كلا الدرجتين تعطيان قيم تصلب منخفضة مقارنة بالفولاذ الفيريتية؛ التسخين المسبق عادة غير ضروري ويمكن أن يزيد من خطر التحسس.
- قد يكون TP316 أسهل قليلاً في تجنب التشقق الساخن لأن نسبة Ni الأعلى تعزز الليونة في معدن اللحام؛ ومع ذلك، فإن اختيار المادة المالئة والتحكم في دورات اللحام الحرارية أكثر أهمية من الدرجة الأساسية.
- استخدم مادة مالئة متطابقة أو متفوقة (مثل ER316/316L) حيث تتطلب الخدمة مقاومة للحفر أو حيث يكون المعدن الأساسي هو TP316.
6. التآكل وحماية السطح
- سلوك الفولاذ المقاوم للصدأ: كلا الدرجتين تعتمد على فيلم أكسيد سلبي غني بالكروم. في البيئات المائية العامة، كلاهما يؤدي بشكل جيد.
- التآكل الناتج عن الحفر والشقوق:
- استخدم رقم مقاومة الحفر (PREN) لمقارنة مقاومة التآكل المحلي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- نظرًا لأن TP316 يحتوي على الموليبدينوم (وغالبًا ما يحتوي على Ni مماثل أو أعلى)، فإن PREN الخاص به أعلى بشكل ملحوظ من TP304، مما يحسن المقاومة للحفر الناتج عن الكلوريد والتآكل الناتج عن الشقوق.
- عندما لا تكون المؤشرات قابلة للتطبيق:
- PREN ومقاييس مماثلة ليست قابلة للتطبيق على حالات التآكل العامة الموحدة (حيث تسود Cr واستقرار الفيلم السلبي)، ولا هي بديل للاختبارات المخبرية في تطبيق معين.
- حماية السطح للفولاذ غير المقاوم للصدأ: غير قابلة للتطبيق هنا، ولكن بالنسبة للبدائل غير المقاومة للصدأ، يمكن اعتبار المجلفن، والطلاء، والتبطين البوليمري.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يتصلب أثناء العمل ويمكن أن يكون "لزجًا"; كلا الدرجتين أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ العادي.
- TP316 عادة ما يكون أكثر تحديًا قليلاً في التشغيل من TP304 بسبب محتوى النيكل والموليبدينوم الأعلى الذي يزيد من المتانة واتجاه العمل الصلب.
- قابلية التشكيل:
- كلا الدرجتين لهما قابلية تشكيل ممتازة في الحالة الملدنة؛ 304 غالبًا ما يكون أسهل قليلاً في التشكيل.
- يجب أخذ الارتداد والتصلب الناتج عن الشد في الاعتبار؛ اختيار الأدوات والتشحيم مهم.
- تشطيب السطح:
- كلاهما يستجيب للتلميع، والتلميع الكهربائي، والتمرير. مقاومة TP316 المحسنة للحفر تجعلها مفضلة عندما يجب أن يقاوم السطح النهائي هجوم الكلوريد.
- التوصيات:
- للتشكيل الثقيل أو الانحناء ذو الزوايا الضيقة، ضع في اعتبارك المعالجة الحرارية بعد التشكيل أو اختر درجة ذات ميل أقل قليلاً للعمل الصلب لتقليل خطر التشقق.
8. التطبيقات النموذجية
| TP304 (الاستخدامات الشائعة) | TP316 (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| معدات معالجة الطعام، أسطح العمل، أدوات المطبخ | أجهزة بحرية، أنابيب مياه البحر، مكونات بحرية |
| زخارف معمارية، تشطيبات داخلية للمباني | معدات العمليات الكيميائية المعرضة للكلوريد |
| أنابيب عامة ومبادلات حرارية في بيئات غير محتوية على الكلوريد | زراعة طبية (متغيرات محددة)، معدات صيدلانية تتطلب مقاومة أعلى للهجوم المحلي |
| مكونات HVAC، أنظمة المياه المنزلية (حيث تكون الكلوريدات منخفضة) | مبادلات حرارية ومكثفات معرضة للمياه المالحة أو البيئات المحتوية على الكلوريد |
مبررات الاختيار: - اختر TP304 حيث تكون مقاومة التآكل العامة، وقابلية التشكيل، والتكلفة هي المحركات الأساسية وحيث يكون التعرض للكلوريد منخفضًا أو تحت السيطرة. - اختر TP316 حيث تتضمن الخدمة الكلوريدات أو الكبريتيدات أو كيميائيات مائية أكثر عدوانية، وحيث سيكون التآكل المحلي محددًا للحياة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: TP316 عادة ما تكون أكثر تكلفة من TP304 بسبب إضافة الموليبدينوم وغالبًا ما تكون نسبة النيكل أعلى. تختلف فروق الأسعار مع أسواق المعادن السلع (أسعار Ni و Mo تتقلب).
- التوافر حسب شكل المنتج:
- TP304 عمومًا متاحة على نطاق واسع في مجموعة واسعة من الأشكال والتشطيبات السطحية.
- TP316 متاحة على نطاق واسع أيضًا ولكن قد تكون بعض الأحجام، والتشطيبات السطحية، أو منتجات المطاحن الخاصة (مثل 316L، 316Ti) لها أوقات تسليم أطول وارتفاع في السعر.
- ملاحظة الشراء: للمشاريع الكبيرة، يساعد تأمين المواد ذات المواعيد الطويلة وتحديد البدائل المقبولة (مثل 316L مقابل 316) في إدارة تقلبات التكلفة.
10. الملخص والتوصية
جدول: مقارنة ملخصة (نوعية)
| السمة | TP304 | TP316 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة (استخدم 304L للحام الثقيل) | ممتازة (استخدم 316L للحام الثقيل) |
| القوة - المتانة | جيدة، مشابهة لـ TP316 في الحالة الملدنة | جيدة، مشابهة لـ TP304؛ احتفاظ أعلى قليلاً بالمتانة في بعض الكيميائيات |
| مقاومة التآكل (عامة) | جيدة جدًا | جيدة جدًا |
| التآكل المحلي (الحفر/الشقوق) | متوسطة في البيئات المحتوية على الكلوريد | متفوقة (بسبب Mo و Ni) |
| قابلية التشغيل | جيدة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (تصلب أثناء العمل) | أقل تفضيلًا قليلاً من TP304 |
| التكلفة | أقل (أكثر اقتصادية) | أعلى (علاوة بسبب Mo/Ni) |
الاستنتاجات - اختر بناءً على البيئة واحتياجات دورة الحياة: - اختر TP304 إذا كانت حساسية التكلفة عالية، والبيئة غير محتوية على الكلوريد أو فقط مخرشة قليلاً، والتطبيق يقدر قابلية التشكيل والتوافر الواسع (مثل معدات خدمات الطعام، العناصر المعمارية، خطوط الأنابيب العامة غير المعرضة للكلوريدات). - اختر TP316 إذا كانت بيئة الخدمة تحتوي على الكلوريدات أو عوامل أخرى تعزز التآكل الناتج عن الحفر/الشقوق، أو إذا كانت المقاومة طويلة الأمد للهجوم المحلي مطلوبة، أو إذا كان التطبيق بحريًا أو بحريًا أو معالجة كيميائية حيث تبرر مقاومة الموليبدينوم المضافة العلاوة.
إرشادات عملية نهائية: - للمجمعات الملحومة في خدمة الكلوريد، حدد المتغيرات منخفضة الكربون (304L / 316L) أو الدرجات المستقرة لتجنب التحسس. - عند الشك بشأن التعرض للكلوريد أو حيث يكون الصيانة صعبة، تفضل TP316 على الرغم من التكلفة الأولية الأعلى - غالبًا ما تبرر المدخرات في دورة الحياة الاختيار. - تأكد دائمًا من اختيار المادة وفقًا للسوائل العملية الدقيقة، ودرجة الحرارة، وظروف التحميل الميكانيكي؛ عندما يكون خطر التآكل حرجًا، قم بإجراء اختبارات تآكل محددة للتطبيق أو استشر متخصصي التآكل.