1Cr18Ni9 مقابل 0Cr18Ni9 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يواجه المهندسون والمحترفون في الشراء عادةً خيارًا بين درجات الفولاذ المقاوم للصدأ المرتبطة ارتباطًا وثيقًا والتي تختلف في سمة أو اثنتين رئيسيتين. تُستخدم تسميات 1Cr18Ni9 و0Cr18Ni9 في بعض المعايير الإقليمية لتمييز نوعين من عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 18–9. تشمل العوامل النموذجية لاتخاذ القرار مقاومة التآكل مقابل التكلفة وسهولة التصنيع مقابل الأداء الميكانيكي. تتراوح سياقات الاختيار من أعمال الأوعية الضاغطة وأنابيب العمل إلى تشكيل الصفائح المعدنية، والتصنيع الثقيل باللحام، والمكونات التي تتصل بالطعام أو الطب.
التمييز الفني الرئيسي بين الدرجتين هو التحكم في الكربون: يتم تحديد نوع واحد بحد أعلى من الكربون الاسمي، بينما الآخر هو نسخة منخفضة الكربون تم تحسينها لتقليل الحساسية وتحسين قابلية اللحام. نظرًا لأن محتويات الكروم والنيكل متشابهة إلى حد كبير، فإن الاختلافات في السلوك تنشأ بشكل رئيسي من تأثير الكربون على البنية المجهرية، والترسيب (تكوين الكربيد)، والخصائص الميكانيكية، واستجابة اللحام.
1. المعايير والتسميات
- المكافئات الدولية الشائعة والدرجات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا:
- ASTM/ASME: AISI 304 (كربون عادي) و304L (كربون منخفض)
- EN: 1.4301 (≈304) و1.4307 (≈304L)
- JIS: SUS304 وSUS304L
- GB (الصين): 1Cr18Ni9 و0Cr18Ni9 تتوافق مع درجات الفولاذ المقاوم للصدأ 18–9 ذات الكربون العالي والمنخفض في المواصفات المحلية
- التصنيف: كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي (سبائك مقاومة للصدأ والتآكل)؛ لا يوجد أي منهما فولاذ كربوني، HSLA، أو فولاذ أدوات.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
تستهدف عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ 18–9 تحقيق توازن بين مقاومة التآكل (التي يوفرها بشكل كبير الكروم) والصلابة/الليونة (المدعومة بالنيكل). الكربون هو عنصر ثانوي ولكنه مؤثر: يزيد من القوة والصلابة من خلال تقوية المحلول وتأثيرات العمل على البارد، ولكنه يعزز أيضًا ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات عند تعرضه لدرجات حرارة حساسة (حوالي 450–850 درجة مئوية)، مما يمكن أن يقلل من مقاومة التآكل بين الحبيبات.
تظهر التركيبات التمثيلية للدرجتين (نطاقات إرشادية؛ استشر المواصفة أو الشهادة المعمول بها للحدود الدقيقة) أدناه.
| عنصر | 1Cr18Ni9 (تمثيلي) | 0Cr18Ni9 (تمثيلي) |
|---|---|---|
| C (كربون) | كربون اسمي أعلى؛ إرشادي: ~0.06–0.12 وز.% (تحقق من المواصفة) | تحكم منخفض في الكربون؛ إرشادي: ≤0.03 وز.% |
| Mn (منغنيز) | عادةً ≤2.0 وز.% | عادةً ≤2.0 وز.% |
| Si (سيليكون) | عادةً ≤1.0 وز.% | عادةً ≤1.0 وز.% |
| P (فوسفور) | ≤0.045 وز.% (حد أقصى نموذجي) | ≤0.045 وز.% |
| S (كبريت) | ≤0.03 وز.% | ≤0.03 وز.% |
| Cr (كروم) | ~17–19 وز.% | ~17–19 وز.% |
| Ni (نيكل) | ~8–10.5 وز.% | ~8–10.5 وز.% |
| Mo (موليبدينوم) | عادةً غير محدد (أثر) | عادةً غير محدد (أثر) |
| V, Nb, Ti, B, N | عادةً ما يتم التحكم فيها عند مستويات أثر ما لم يتم تحديدها كمستقرة أو مضافات دقيقة | نفس الشيء ما لم يتم تحديده |
كيف تؤثر السبائك على الأداء: - الكروم (Cr): العنصر الأساسي للتخميل ومقاومة التآكل؛ مستويات حول 17–19% تعطي عائلة 18–9 مقاومة جيدة للتآكل بشكل عام. - النيكل (Ni): يثبت المرحلة الأوستنيتية، ويحسن الصلابة، والليونة، ومقاومة التآكل. - الكربون (C): يزيد من القوة والصلابة ولكنه يزيد من خطر ترسيب كربيد الكروم (الحساسية)، مما يقلل من مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد التعرض لمدى درجات حرارة معينة. - تُستخدم إضافات صغيرة من العناصر المستقرة (Ti، Nb) أو تقليل محتوى الكربون عندما تكون قابلية اللحام ومقاومة التآكل بين الحبيبات هي الأولوية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية النموذجية: تشكل كلا الدرجتين بنية أوستنيتية كاملة (مكعبة مركزية الوجه) في الحالة المعالجة عند درجة حرارة الغرفة. لا يُتوقع وجود مارتنسيت في الظروف العادية لهذه السبائك الأوستنيتية 18–9، على الرغم من أن العمل البارد يمكن أن يحفز مارتنسيت مستحث في بعض الظروف.
- تأثير الكربون:
- النوع الأعلى من الكربون أكثر عرضة لترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات إذا تم الاحتفاظ به ضمن نطاق درجات الحرارة الحساسة؛ مما يؤدي إلى نقص الكروم المجاور لحدود الحبيبات ويمكن أن يؤدي إلى تآكل بين الحبيبات في البيئات المحتوية على الكلور أو الحمضية.
- يقلل النوع المنخفض من الكربون من القوة الدافعة لترسيب الكربيد وبالتالي لديه مقاومة محسنة للحساسية.
- المعالجة الحرارية والمعالجة:
- التسخين الحلولي (غالبًا ~1,000–1,100 درجة مئوية) يتبعه تبريد سريع يستعيد مصفوفة أوستنيتية متجانسة ويذيب الكربيدات لكلا الدرجتين. بالنسبة للنوع الأعلى من الكربون، تكون هذه الخطوة أكثر أهمية عندما تتعرض المكونات للخدمة أو دورات الحرارة بعد اللحام التي يمكن أن تجعل المادة حساسة.
- لا يتم تطبيق التعديل عادةً على الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي؛ عادةً ما يتم توفيرها في حالة معالجة حرارية/حلول.
- تؤثر المعالجة الحرارية الميكانيكية (العمل البارد، تخفيف الضغط) على الخصائص الميكانيكية (تزداد القوة والصلابة مع العمل البارد)؛ يجب أخذ خطر المارتنسيت المستحث على البارد والتأثيرات اللاحقة على التآكل في الاعتبار.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد القيم الكمية على شكل المنتج (ورقة، لوح، قضيب)، العمل البارد، والصلابة. بدلاً من الأرقام الثابتة، فإن المقارنة العملية هي:
| الخاصية | 1Cr18Ni9 | 0Cr18Ni9 |
|---|---|---|
| قوة الشد | عادةً ما تكون أعلى قليلاً في الحالة المعالجة/المقواة بسبب محتوى الكربون الأكبر | قوة شد أقل قليلاً في الحالة المعالجة؛ مشابهة عند العمل البارد |
| قوة الخضوع | أعلى قليلاً مع زيادة الكربون | قوة خضوع أقل قليلاً في الحالة المعالجة |
| التمدد (الليونة) | مخفضة قليلاً مقارنةً بالمنخفضة الكربون بسبب القوة الأعلى | ليونة وقدرة تشكيل أفضل قليلاً |
| صلابة التأثير | قابلة للمقارنة عند درجات حرارة الغرفة؛ قد يكون المنخفض الكربون مفضلًا حيث يمكن أن يؤدي ترسيب الكربيد إلى هشاشة الحدود بعد التعرض الحراري | صلابة جيدة بشكل عام؛ أكثر قابلية للتنبؤ بعد اللحام/دورات الحرارة |
| الصلابة | صلابة أعلى قليلاً للدرجة الأعلى من الكربون | صلابة أقل قليلاً في الحالة المعالجة |
التفسير: يساهم الكربون في تقوية المحلول الصلب ويزيد من قوة الخضوع وقوة الشد؛ مما يقلل من الليونة بشكل معتدل. تضحي النسخة المنخفضة من الكربون بكمية صغيرة من القوة للحصول على قابلية لحام أفضل ومقاومة للتآكل بين الحبيبات.
5. قابلية اللحام
تعتبر قابلية اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ممتازة عمومًا مقارنة بالفولاذ الفيريت، ولكن محتوى الكربون وعناصر السبائك الأخرى تؤثر على القابلية للتشقق الساخن والحساسية بعد اللحام.
المؤشرات التجريبية ذات الصلة: - المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - المعادل الكربوني $P_{cm}$ المستخدم غالبًا للفولاذ المقاوم للصدأ: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - النوع المنخفض الكربون (0Cr18Ni9) ينتج عنه مصطلح كربوني أقل في هذه المؤشرات وبالتالي ميل أقل نحو التصلب والحساسية بعد اللحام؛ يُفضل في اللحام متعدد الممرات، والأقسام السميكة، والتطبيقات التي من المحتمل أن تتعرض لحرارة لاحقة. - قد توفر الدرجة الأعلى من الكربون (1Cr18Ni9) قوة ملحومة أعلى قليلاً ولكنها تزيد من الحاجة إلى التحكم في إدخال الحرارة، ودرجات حرارة الممرات، ودورات الحرارة بعد اللحام. حيثما كانت مقاومة التآكل بين الحبيبات مصدر قلق، فإن التسخين الحلولي بعد اللحام أو استخدام درجات منخفضة الكربون أو مستقرة هو أمر شائع.
إرشادات اللحام العملية: - استخدم المعادن المالئة التي تتناسب مع الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل المقصودة. - قلل من الوقت في نطاق درجات الحرارة الحساسة للمكونات الأعلى من الكربون؛ إذا كان ذلك مستحيلًا، فكر في التسخين الحلولي أو استخدام بدائل مستقرة (Ti/Nb) أو منخفضة الكربون. - بالنسبة لللحامات الثقيلة وأنابيب الضغط الحرجة وفقًا للمعايير، يتم عادةً تحديد منخفض الكربون (304L/0Cr18Ni9) لتجنب المعالجة الحرارية بعد اللحام.
6. التآكل وحماية السطح
- تحقق كلا الدرجتين فيلم أكسيد الكروم الوقائي السلبي وتؤدي بشكل جيد في البيئات الجوية والعديد من البيئات المائية. لا تحتوي أي منهما على موليبدينوم، لذا فهي ليست مثالية للبيئات عالية الكلور، أو الشقوق، أو مياه البحر مقارنةً بالدرجات المحتوية على الموليبدينوم (مثل 316).
- تأثير الكربون والحساسية:
- النوع الأعلى من الكربون أكثر عرضة لتطوير ترسيبات كربيد الكروم عند حدود الحبيبات بعد التعرض في نطاق الحساسية، مما يمكن أن ي compromise مقاومة التآكل بين الحبيبات.
- يقلل النوع المنخفض من الكربون من هذه المخاطر وبالتالي يُفضل حيث يمكن أن يؤدي اللحام أو التعرض المطول لدرجات حرارة مرتفعة إلى إنتاج الحساسية.
- حماية السطح للتطبيقات غير المقاومة للصدأ: غير قابلة للتطبيق هنا حيث أن هذه هي الفولاذ المقاوم للصدأ. يمكن استخدام مؤشر PREN عندما يكون الموليبدينوم موجودًا: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ نظرًا لأن درجات 18–9 النموذجية تحتوي على موليبدينوم ضئيل، فإن PREN يقدم تمييزًا محدودًا لهذه السبائك.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: تعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عمومًا أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني العادي. يمكن أن يزيد محتوى الكربون الأعلى من تآكل الأدوات قليلاً ولكنه غالبًا ما يكون له تأثير معتدل بالنسبة لسلوك العمل على البارد؛ تكون قابلية التشغيل عادةً مشابهة لكلا الدرجتين ولكنها تعتمد بشدة على العمل البارد والمعالجة الحرارية.
- قابلية التشكيل: تظهر النسخ المنخفضة من الكربون (0Cr18Ni9) عادةً خصائص أفضل قليلاً في السحب العميق والتشكيل الممتد وأقل ارتداد مما يثير القلق للتشكيل الدقيق، مما يجعلها مفضلة للتشكيلات المعقدة.
- تشطيب السطح: تقبل كلا الدرجتين عمليات التلميع، والتخميل، والتلميع الكهربائي القياسية بشكل جيد. يمكن أن تؤثر وجود الكربيدات في المواد الحساسة على تجانس التخميل.
8. التطبيقات النموذجية
| 1Cr18Ni9 (عالي الكربون) | 0Cr18Ni9 (منخفض الكربون) |
|---|---|
| مكونات هيكلية ومنتجات صفائحية حيث تكون القوة الأعلى قليلاً مطلوبة والتعرض للتآكل بعد اللحام محدود | أنابيب الضغط الملحومة، والخزانات، والتجمعات حيث تكون المقاومة للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام حرجة |
| معدات مطبخ عامة، أجهزة حيث يقدر المصنعون القوة الأعلى في المعدن المعالج | معدات كيميائية، وصيدلانية، ومعالجة الطعام تخضع لتنظيف صارم ودورات لحام |
| مكونات معالجة باردة تتطلب استجابة أعلى للعمل على البارد | أجزاء مسحوبة عميقًا أو مشكّلة بشكل مكثف وتشكيلات رقيقة حيث تكون قابلية التشكيل وتقليل خطر الحساسية هي الأولويات |
مبررات الاختيار: - اختر النسخة الأعلى من الكربون عندما تكون القوة الأعلى قليلاً في المعدن المعالج مقبولة وتجنب بيئة التصنيع/التشغيل الحساسية أو يمكن التحكم فيها. - اختر النسخة المنخفضة من الكربون عندما توجد لحام مكثف، أو دورات حرارية بعد اللحام، أو خطر شديد للتآكل بين الحبيبات.
9. التكلفة والتوافر
- تتوفر كلا الدرجتين على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في شكل صفائح، وألواح، وقضبان، وأنابيب، ومسبوكات لأنها تتوافق بشكل وثيق مع عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ 18–9 الشائعة (مثل 304/304L). التوافر حسب شكل المنتج جيد عمومًا.
- تكون الفروق في التكلفة معتدلة وعادة ما تكون مدفوعة أكثر بأسعار النيكل والكروم في السوق وشكل المنتج أكثر من الفرق الطفيف في محتوى الكربون. يمكن أن تكون النسخ المنخفضة من الكربون أغلى قليلاً في خطوط المنتجات المتخصصة (مثل أنابيب الضغط المعتمدة) بسبب متطلبات التحكم في الكيمياء والتتبع الأكثر صرامة.
- تكون أوقات التسليم عادةً قابلة للمقارنة؛ حدد الدرجة الدقيقة (والمعيار) لضمان تطابق الشراء مع متطلبات العملية والتآكل.
10. الملخص والتوصية
| السمة | 1Cr18Ni9 | 0Cr18Ni9 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة؛ تتطلب مزيدًا من الانتباه لإدخال الحرارة والحساسية | ممتازة؛ مفضلة حيث تكون مقاومة التآكل بعد اللحام مطلوبة |
| توازن القوة–الصلابة | قوة أعلى قليلاً؛ ليونة أقل قليلاً | قوة أقل قليلاً في الحالة المعالجة؛ ليونة/قابلية تشكيل أفضل |
| التكلفة والتوافر | قابلة للمقارنة؛ قد تكون التكلفة أقل قليلاً في الأسواق العامة | قابلة للمقارنة؛ قد تحمل قسطًا طفيفًا في الخطوط المعتمدة |
الخلاصة والإرشادات العملية: - اختر 1Cr18Ni9 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ أوستنيتي 18–9 قياسي مع قوة معالجة أعلى قليلاً ولا تشمل الخدمة أو التصنيع التعرض المطول في نطاق درجات الحرارة الحساسة أو اللحام متعدد الممرات بدون تسخين حلولي بعد اللحام. - اختر 0Cr18Ni9 إذا كانت أولويتك هي قابلية اللحام، والسحب العميق/التشكيل، وأقصى مقاومة للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو التعرض الحراري - وهو أمر نموذجي لأنابيب الضغط، والخزانات، والتصنيع الملحوم عالي التكامل.
ملاحظة نهائية: تعتمد حدود التركيب المحددة والمتطلبات الميكانيكية على المعيار الحاكم وشكل المنتج. لمشاريع خاضعة للمعايير، استشهد دائمًا بالمعيار الدقيق (ASTM/EN/GB/JIS) واحصل على شهادات اختبار المصنع أو إعلانات المواد التي تتطابق مع الكيمياء المطلوبة، وتاريخ المعالجة الحرارية، والخصائص الميكانيكية.