1Cr18Ni9Ti مقابل 0Cr18Ni9 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يواجه المهندسون وفرق الشراء غالبًا خيارًا بين درجتي فولاذ مقاوم للصدأ متقاربتين: 1Cr18Ni9Ti و0Cr18Ni9. يعتمد القرار عادةً على موازنة أداء مقاومة التآكل بعد اللحام أو التعرض لدرجات حرارة مرتفعة، وقيود التصنيع وقابلية اللحام، وتكلفة دورة الحياة. في العديد من التطبيقات، يكون المقابل بين تحسين مقاومة التآكل بين الحبيبات والاستقرار المعدني (بتكلفة مادة أعلى قليلاً) مقابل التوفر الواسع والتكلفة الأقل للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي العام.
التمييز المعدني الأساسي يتمركز حول التحكم في الكربون واستراتيجية التثبيت: حيث يتم تثبيت إحدى الدرجات عمدًا بالتيتانيوم لتقليل ترسيب الكاربيدات على حدود الحبيبات، بينما الأخرى هي الدرجة الشائعة من الفولاذ الأوستنيتي بالكروم والنيكل مع حدود كربون قياسية. هذا الاختلاف يؤثر على سلوكهما خلال اللحام، والخدمة عند درجات حرارة مرتفعة، والبيئات المعرضة للتآكل.
1. المعايير والمسميات
- المعادلات الدولية الشائعة:
- 1Cr18Ni9Ti ≈ AISI/UNS 321 (فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي مثبت بالتيتانيوم)
- 0Cr18Ni9 ≈ AISI/UNS 304 (فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي 18/8 قياسي)
- المعايير التي تتضمن هذه الدرجات: GB (صيني)، ASTM/ASME (معادلات AISI/UNS)، EN (EN 1.4541 للدرجة 321، EN 1.4301 للدرجة 304)، JIS، وISO.
- التصنيف: كلتاهما فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي (ليست فولاذ كربوني أو فولاذ أدوات أو فولاذ عالي القوة منخفض السبيكة HSLA). هما سبائك فولاذ مقاومة للصدأ مع الكروم والنيكل كعناصر سبيكة رئيسية.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
فيما يلي نطاقات التركيب النموذجية بنسبة وزن للمعادلات الشائعة الإشارة إليها (AISI 321 لـ 1Cr18Ni9Ti وAISI 304 لـ 0Cr18Ni9). الحدود الدقيقة تعتمد على المعيار والمصنع؛ يُرجى دائمًا مراجعة شهادة المواد.
| العنصر | 1Cr18Ni9Ti (نطاقات نموذجية، نسبة الوزن %) | 0Cr18Ni9 (نطاقات نموذجية، نسبة الوزن %) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 (مثبت بالتيتانيوم) | ≤ 0.08 (درجة قياسية) |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~17.0–19.5 | ~17.0–19.5 |
| Ni | ~8.0–10.5 | ~8.0–10.5 |
| Mo | — (عادة لا يوجد) | — (عادة لا يوجد) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | ~0.5–0.7 (مثبت) | — |
| B | شُذرات | شُذرات |
| N | شُذرات حتى ~0.1 | شُذرات حتى ~0.1 |
تأثير السبيكة على الأداء - الكروم (Cr): المساهم الأساسي في تشكيل الطبقة السلبية ومقاومة التآكل العامة. - النيكل (Ni): يثبت الطور الأوستنيتي، ويحسن المتانة والليونة. - الكربون (C): يزيد من القوة لكنه قد يتفاعل مع الكروم لتكوين كاربيدات الكروم على حدود الحبيبات عند التعرض لـ 450–850°C؛ هذا الحساسية تقلل من مقاومة التآكل بين الحبيبات. - التيتانيوم (Ti): يتفاعل مع الكربون (والنيتروجين) ليشكل كاربيدات/نترات التيتانيوم المستقرة، مما يعيق ترسيب كاربيدات الكروم ويحسن مقاومة التآكل بعد اللحام والاستقرار عند درجات الحرارة المرتفعة. - العناصر الثانوية (Mn، Si، N) تضبط الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل؛ الموليبدينوم (Mo) والنيوبيريوم (Nb) غير موجودين عادة في هاتين الدرجتين إلا إذا ذُكر خلاف ذلك.
3. التركيب الدقيق واستجابة المعالجة الحرارية
- التركيب الدقيق الأساسي: كلتا الدرجتين أوستنيتيتان تمامًا (هيكل مكعب مركزي الوجوه FCC) في حالة التلدين القياسية.
- 0Cr18Ni9 (304): في حالة التلدين يكون التركيب الدقيق أوستنيتيًا متجانسًا. إذا تعرضت لدرجات حرارة تسبب الحساسية (حوالي 450–850°C) لفترات طويلة - مثل دورات اللحام - يمكن أن يتفاعل الكربون مع الكروم لتكوين كاربيدات الكروم عند حدود الحبيبات، مما يؤدي إلى استنزاف محلي للكروم وحدوث تآكل بين حبيبات.
- 1Cr18Ni9Ti (321): وجود التيتانيوم يعزز تكوين كاربيدات/نترات التيتانيوم التي تستهلك الكربون والنيتروجين مفضلة، مما يقلل من تكوين كاربيدات الكروم خلال التعرض الحراري. يبقى المصفوفة الأوستنيتية مستقرة، مما يحسن مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد التسخين واللحام.
- المعالجة الحرارية: عموماً تُورد الدرجتان في حالة التلدين. لا يتم تصلبهما بواسطة عمليات التبريد والتصلب التقليدية (كما في الفولاذ المارتنسيتي). المعالجات القياسية:
- تلدين الحل متبوع بتبريد سريع لاستعادة مقاومة التآكل (يذيب الكاربيدات).
- بالنسبة لـ 0Cr18Ni9، تُستخدم نسخ منخفضة الكربون أو تلدين الحل + تبريد لتقليل الحساسية.
- لـ 1Cr18Ni9Ti، محتوى التيتانيوم المثبت يقلل الحاجة إلى تلدين الحل بعد اللحام لمنع التآكل بين الحبيبات، لكن يجب مراعاة الحذر في اللحام والتصنيع.
- تؤثر المعالجة الميكانيكية الحرارية (الشغل البارد، التلدين) على القوة والليونة بشكل مماثل في الدرجتين؛ الشغل البارد يزيد القوة ويقلل الليونة.
4. الخواص الميكانيكية
الخواص الميكانيكية النموذجية (في حالة التلدين) متشابهة لكلا الدرجتين؛ تُختار الدرجة المثبتة بالتيتانيوم أكثر للاستقرار المعدني وليس لفروقات كبيرة في الخواص الميكانيكية الساكنة.
| الخاصية (نموذجي، حالة تلدين) | 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | ~500–700 MPa | ~500–700 MPa |
| مقاومة الخضوع (0.2%) | ~200–300 MPa | ~200–300 MPa |
| الاستطالة (A%) | ~40% (ليونة جيدة) | ~40% (ليونة جيدة) |
| مقاومة الصدمات | جيدة عند درجات حرارة الغرفة؛ تبقى متانة جيدة حتى درجات حرارة أدنى متوسطة تحت الصفر | جيدة عند درجات حرارة الغرفة |
| الصلادة | منخفضة نسبيًا (قيم HB/HRB نموذجية متوافقة مع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي في حالة التلدين) | مماثلة لـ 1Cr18Ni9Ti |
التفسير - لا تُختار أياً من الدرجتين أساسًا لقوة ساكنة متفوقة؛ كلاهما يوفر توازنًا بين القوة والليونة النموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. - 1Cr18Ni9Ti يقدم ميزة هامشية في مقاومة الزحف والاستقرار خلال التعرض الطويل لدرجات حرارة مرتفعة بسبب تثبيت التيتانيوم للكاربيدات وتقليل ترسبها عند حدود الحبيبات. - المتانة عمومًا متقاربة؛ والفروقات تعتمد على نوعية التطبيق أكثر من كونها كبيرة.
5. قابلية اللحام
قابلية لحام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ممتازة عمومًا، لكن محتوى الكربون والتثبيت يؤثران على الحساسية للتآكل الحسي وحدوث التشققات الحرارية.
مؤشرات قابلية اللحام المستخدمة عادةً: - ما يعادل الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - مؤشر مقاومة التآكل أو قابلية اللحام (Pitting corrosion index): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
تفسير نوعي - 0Cr18Ni9: التسبيل التقليدي ومحتوى الكربون يجعلانها قابلة للحام باستخدام إجراءات لحام الأوستنيتي القياسية. ومع ذلك، يمكن أن ينتج عن اللحام مناطق حساسة إذا تُركت المادة ضمن نطاق 450–850°C؛ تلدين الحل أو استخدام نسخ منخفضة الكربون (مثل 304L) يقلل هذه المخاطر. - 1Cr18Ni9Ti: التيتانيوم يقلل الميل لتكوين كاربيدات الكروم، محسنًا مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد اللحام. إجراءات اللحام مشابهة؛ يجب التحكم بدرجة التسخين المسبق ودرجة الحرارة بين التمريرات وفقًا للممارسات القياسية لتجنب نمو الحبيبات المفرط. - كلا الدرجتين عرضة للتشققات الحرارية إذا لم يتم التحكم بتركيب معدن اللحام ومعامل اللحام؛ اختيار السلك المناسب وممارسات اللحام الجيدة تقلل هذه المخاطر. - للبيئات التآكلية الحرجة، يُنصح بالنظر في الدرجات منخفضة الكربون (L) أو المثبتة (Ti/Nb) لتجنب مخاطر الحساسية.
6. التآكل والحماية السطحية
- كلا الدرجتين تعتمدان على طبقة خاملة غنية بالكروم لمقاومة التآكل في البيئات المؤكسدة.
- للمؤشرات الخاصة بالتآكل النقطي (PREN) الصيغة المعتادة هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ونظرًا لأن لا إحدى الدرجتين تحتوي عادةً على الموليبدينوم، والنيتروجين منخفض، فإن قيم PREN متواضعة؛ هذه الدرجات ليست محسّنة لمقاومة التآكل النقطي الشديد مقارنةً بالسبائك ثنائية الطور أو الفولاذات الفائقة التي تحتوي على Mo.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: عادة ما تكون الفولاذات المقاوم للصدأ الأوستنيتي أقل قابلية للتشغيل مقارنة بالصلب الكربوني بسبب التسارع الكبير للتصلب أثناء العمل. بين 1Cr18Ni9Ti و0Cr18Ni9، قابليتهما للتشغيل متشابهة؛ قد تحدث اختلافات طفيفة بسبب حجم الحبيبات والسبائكات الثانوية.
- قابلية التشكيل: كلا الدرجتين لهما قابلية تشكيل ممتازة ويمكن سحبه عميقًا، أو ثنيه، أو تشكيله باردًا في الحالة المطيلة (المعادة تسخينها).
- اللحام والعمليات اللاحقة: 1Cr18Ni9Ti يقلل الحاجة إلى معالجة حلانية مكلفة بعد اللحام في بعض الحالات بفضل التثبيت، مما يحسن الكفاءة في المكونات الملحومة التي تكون حساسة للتآكل بين الحبيبات.
- تشطيب السطح: كلاهما يستجيب بشكل جيد للتلميع والتمرير؛ السبائك المثبتة بالتيتانيوم قد تتطلب عناية لضمان عدم بقاء ترسيبات غنية بالتيتانيوم على الأسطح حيث يمكن أن تؤثر على التشطيب.
8. التطبيقات النموذجية
| 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|
| مجمعات العادم، أجزاء الأفران، وأنابيب الطائرات حيث يحدث تعرض لدرجات حرارة مرتفعة وتسخين دوري | معدات المطابخ، تجهيز الأغذية، التطبيقات المعمارية، الخزانات والأنابيب للمواد الكيميائية المعتدلة |
| مكونات المصانع الكيميائية المعرضة لدورات حرارية أو الهياكل الملحومة حيث يكون التهييج بعد اللحام مقلقًا | السلع الاستهلاكية، المشابك، والمكونات الهيكلية العامة في بيئات غير كلوريدية |
| مكونات السيارات والطيران المعرضة للأكسدة في درجات حرارة عالية | مبادلات الحرارة، أوعية التخزين، والتصنيع حيث التكلفة والتوفر تُفضل 304 |
مبررات الاختيار - اختر الدرجة المثبتة بالتيتانيوم عند وجود تعرّض متكرر للحرارة ضمن مدى التهييج أو عندما يكون مقاومة التآكل بعد اللحام دون معالجة حلانية مكلفة مطلوبة. - اختر الدرجة غير المثبتة والأكثر شيوعًا عندما تكون مقاومة التآكل العامة، التكلفة، وسهولة الحصول على المادة هي الأولويات وكانت ظروف الخدمة غير مُحتملة للتسبب في التهييج.
9. التكلفة والتوفر
- 0Cr18Ni9 (304) أحد أكثر أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ شيوعًا عالميًا—متوفر على نطاق واسع بأشكال الألواح، الصفائح، الأنابيب، القضبان، والمكونات الملحومة، وعادةً ما يكون أقل تكلفة من الأنواع المثبتة.
- 1Cr18Ni9Ti (321) متوفر على نطاق واسع لكنه عادةً بسعر أعلى قليلاً من 304 بسبب إضافة التيتانيوم واستخدامه المتخصص في التطبيقات عالية الحرارة والملحومة.
- اعتبارات التوريد: كلاهما ينتجان في أشكال قياسية؛ للتسليم ضمن أوقات حرجة أو لأشكال غير معتادة (ألواح سميكة، قطع تزوير كبيرة)، يُنصح بالتخطيط المسبق للشراء.
10. الملخص والتوصيات
جدول الملخص
| الخاصية | 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة جدًا؛ ثبات أفضل بعد اللحام بسبب التيتانيوم | جيدة جدًا؛ خطر التهييج ما لم يتم التحكم به |
| القوة – المتانة | مقارنة؛ كلاهما يظهران مرونة ومتانة جيدة | مقارنة |
| التكلفة | علاوة سعرية معتدلة على 304 | أكثر اقتصادية ومتوفرة بشكل كبير |
التوصيات الختامية - اختر 1Cr18Ni9Ti إذا: - سيخضع المكون لتعريض حراري دوري ضمن مدى التهييج، أو - كانت مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد اللحام مهمة ويصعب إجراء المعالجة الحلانية، أو - مطلوب تحسين الاستقرار الحراري ومقاومة الزحف عند درجات حرارة مرتفعة. - اختر 0Cr18Ni9 إذا: - التطبيق يتطلب توفر واسع النطاق وتكلفة مواد أقل، و - ظروف الخدمة غير متوقعة للتسبب في ترسيب الكربيد عند حدود الحبيبات (أو تستخدم استراتيجيات التخفيف مثل 304L، المعالجة الحلانية عند الحاجة).
ملاحظة نهائية تأكد من الحدود الكيميائية والميكانيكية الدقيقة وفق المعيار المطبق وشهادة المصنع للمواد المشتراة. للتصاميم الحرجة، حدد إما درجة مثبتة (تيتانيوم أو نيوبيريوم) أو نسخة منخفضة الكربون (L)، ودوّن إجراءات المعالجة بعد اللحام أو ضوابط التصنيع المطلوبة في مواصفات الشراء والتصنيع.