202 مقابل 204 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تُعتبر سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ من السلسلة 200 مثل "202" و"204" بدائل منخفضة النيكل مقترحة بشكل شائع للدرجات من السلسلة 300 حيث يجب تحقيق توازن بين التكلفة، وقابلية التشكيل، ومقاومة التآكل. يواجه المهندسون وفرق الشراء غالبًا معضلة اختيار: اختيار تركيبة ذات منغنيز أعلى ونيكل أقل تقلل من تكلفة المواد ولكن قد تكون أصعب في التشكيل (202)، أو اختيار سبيكة جديدة محسّنة من حيث التكلفة تقلل من النيكل دون التضحية بقابلية التشكيل عن طريق إضافة النحاس أو تعديل عناصر السبائك الأخرى (المعروفة عادةً باسم 204 أو 204Cu).
الفرق الرئيسي في الاتجاه بين هاتين العائلتين هو تبادل التكلفة والأداء المدفوع باستراتيجية السبائك: 202 تقلل من النيكل بشكل أساسي باستخدام منغنيز أعلى، بينما تحاول متغيرات 204 الاحتفاظ أو تحسين قابلية التشكيل وأداء التآكل باستخدام توازن مختلف من النيكل والكروم والمنغنيز وإضافات النحاس المتحكم فيها. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المقصود به أن يكون بدائل اقتصادية لل304 في العديد من التطبيقات، غالبًا ما يتم مقارنتهما أثناء التصميم والتصنيع والشراء.
1. المعايير والتسميات
- 202: يُشار إليه عادةً باسم AISI/UNS S20200 (أحيانًا مختصر SS202). يوجد في نطاقات المنتجات التجارية من الصفائح والشرائط ويشار إليه في مواصفات الفولاذ المقاوم للصدأ المدرفلة على البارد (مثل ASTM A240 للصفائح/الألواح في بعض الأسواق) وفي كتالوجات وطنية متنوعة.
- 204: يُصادف بشكل متكرر كـ 204Cu (UNS S20430) أو تسميات تجارية تؤكد على الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي منخفض النيكل والذي يحتوي على النحاس. ليس كل معيار وطني له مكافئ مباشر واحد ل EN/JIS/GB؛ تنشر الشركات المصنعة مواصفات المصنع أو أرقام UNS.
- المعايير التي يجب التحقق منها للحدود الدقيقة: ASTM/ASME (A240، A480 للألواح/الصفائح)، قوائم UNS (S20200، S20430)، وشهادات المصنع من الموردين. قد تختلف مكافئات EN (الأوروبية) أو GB/JIS الإقليمية ويجب التحقق منها لمعايير القبول.
التصنيف: كلا من 202 و204 هما فولاذان مقاومان للصدأ الأوستنيتي (غير مغناطيسي في الحالة المعالجة بالكامل)، وليس فولاذ كربوني، أو فولاذ أدوات، أو HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
جدول: نطاقات التركيب النموذجية (وزن%). القيم هي نطاقات تمثيلية من أوراق البيانات التجارية الشائعة؛ تأكد دائمًا من شهادة المصنع أو المواصفة للدفعة التي تشتريها.
| عنصر | 202 (نموذجي، وزن%) | 204 / 204Cu (نموذجي، وزن%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.15 (منخفض) | ≤ 0.08–0.10 (منخفض) |
| Mn | مرتفع نسبيًا (مثل، عدة وزن% لاستبدال النيكل) | معتدل (أقل من 202) |
| Si | ≤ ~1.0 (مزيل أكسدة ثانوي) | ≤ ~0.8–1.0 |
| P | ≤ 0.03–0.05 (حد الشوائب) | ≤ 0.03–0.045 |
| S | ≤ 0.03 (حد الشوائب) | ≤ 0.03 |
| Cr | ~17–19 | ~18–20 |
| Ni | معتدل (مخفض مقارنة بـ 304، ولكن أعلى من بعض متغيرات 204) | أقل من 304؛ مشابه أو أقل قليلاً من 202 حسب الدرجة الفرعية |
| Mo | عادةً لا شيء أو أثر | عادةً لا شيء أو أثر |
| Cu | أثر إلى ~0.5–1.0 (عادةً منخفض) | إضافة مقصودة (مثل، ~0.5–1.5) في 204Cu |
| N | منخفض إلى معتدل (كميات صغيرة لاستقرار الأوستنيت) | منخفض (متحكم فيه) |
| V, Nb, Ti, B | إضافات سبائكية غير نموذجية | غير نموذجية |
كيف تؤثر استراتيجية السبائك على الخصائص: - يوفر الكروم (Cr) الفيلم السالب ومقاومة التآكل الأساسية الشائعة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. - يثبت النيكل (Ni) الأوستنيت ويحسن المتانة وقابلية التشكيل؛ تقليل النيكل يقلل من تكلفة المواد ولكن يمكن أن يؤثر على المتانة وسلوك التآكل ما لم يتم التعويض. - يُستخدم المنغنيز (Mn) لاستقرار الأوستنيت عند تقليل النيكل — فهو أرخص من النيكل ولكنه يزيد من تصلب العمل ويمكن أن يؤثر على اللدونة وقابلية التشغيل. - يُستخدم النحاس (Cu) في متغيرات 204 لتحسين القوة وقابلية التشكيل وتعويض جزئي عن تقليل النيكل في أداء التآكل؛ يمكن أن يساعد النحاس أيضًا في مقاومة بعض الأحماض وتحسين التشطيب السطحي. - يتم التحكم في الكربون والنيتروجين لتحقيق توازن بين القوة (عبر الحل الصلب وتقوية الفجوات) وتجنب الحساسية أو الصلابة المفرطة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
كلا من 202 و204 هما أوستنيتيان بالكامل عند إنتاجهما ومعالجتهما. النقاط الرئيسية:
- البنية المجهرية النموذجية: أوستنيت مكعب مركزي مستقر (FCC) مع حبيبات أوستنيت موزعة بالتساوي؛ غياب الفريت أو المارتنسيت في المواد المعالجة بشكل صحيح والمعالجة بالكامل.
- استجابة العمل البارد: كلا الدرجتين تتصلب بسهولة (الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يتصلب بالتشويه)، ولكن 202 — مع منغنيز أعلى — تميل إلى العمل على تصلب أسرع، مما يمكن أن يقلل من حدود قابلية التشكيل في السحب العميق ويعقد عملية التشكيل ما لم يتم استخدام معالجة حرارية متوسطة.
- المعالجة الحرارية: لا يمكن تقوية الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عن طريق التبريد/التسخين التقليدي. تعيد المعالجة الحرارية (عادةً في نطاق 1000–1150 درجة مئوية تليها تبريد بالماء) اللدونة والمتانة. قد تظهر 204Cu سلوك تصلب معتدل تحت ظروف درجة الحرارة/الوقت معينة بسبب ترسيب النحاس، ولكن هذا لا يقارن بالفولاذ المقاوم للصدأ المعالج بالترسيب وعادةً لا يُستغل في التصميمات عالية القوة.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية: يتم تحديد حجم الحبيبات والخصائص النهائية من خلال الدرفلة الساخنة تليها معالجة حرارية متحكم فيها؛ التحكم في الإجهاد المتبقي وتجنب المارتنسيت الناتج عن العمل البارد (إذا كان موجودًا) يحسن المتانة.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول — مقارنة نوعية (حالة معالجة حرارية ما لم يُذكر خلاف ذلك). القيم الدقيقة تعتمد على شكل المنتج، والسماكة، والحرارة، وورقة بيانات المورد المحددة.
| خاصية | 202 | 204 / 204Cu |
|---|---|---|
| قوة الشد (تقريبًا، معالجة حرارية) | معتدلة — قابلة للمقارنة مع غيرها من السلسلة 200؛ أعلى من بعض المتغيرات منخفضة النيكل بسبب المنغنيز | قابلة للمقارنة مع 202؛ قد تظهر توازنًا محسّنًا قليلاً بين القوة/اللدونة بسبب النحاس |
| قوة الخضوع | معتدلة | معتدلة؛ مشابهة أو أقل قليلاً من 202 في الحالة المعالجة |
| التمدد (اللدونة) | جيدة ولكنها أقل مقارنة بـ 204 بعد العمل البارد (تتصلب أسرع) | بشكل عام أفضل قليلاً في قابلية التشكيل والتمدد في العديد من ألواح الموردين |
| صلابة التأثير | جيدة في الظروف العادية؛ قد تكون أقل في درجات الحرارة المنخفضة إذا كان النيكل منخفضًا جدًا | جيدة في الظروف العادية؛ يساعد النحاس والنيكل المتحكم فيه في الحفاظ على المتانة |
| الصلابة (معالجة حرارية) | منخفضة إلى معتدلة (تصلب سريع) | منخفضة إلى معتدلة (تميل إلى الحفاظ على نعومة أفضل أثناء التشكيل) |
لماذا: يزيد المنغنيز الأعلى في 202 والنيكل الأقل من استقرار الأوستنيت ولكنه أيضًا يزيد من تصلب العمل؛ ينتج عن ذلك قوة فورية أعلى أثناء التشكيل ولكن يقلل من إجمالي التمدد القابل للتحقيق قبل الفشل. تهدف توازن سبائك 204Cu إلى الحفاظ على اللدونة والمتانة مع تقليل محتوى النيكل والتكلفة.
5. قابلية اللحام
تتأثر قابلية اللحام بمعامل الكربون، وقابلية التصلب، والسبائك الدقيقة. المعادلات التنبؤية المفيدة:
-
معامل الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (مؤشر قابلية اللحام الأوروبي): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير (نوعي): - كلا من 202 و204 يمكن لحامهما بسهولة باستخدام إجراءات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي القياسية (GMAW، TIG، إلخ) مع خطر منخفض من التشققات الباردة لأن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يحتفظ باللدونة في معدن اللحام. - يزيد المنغنيز الأعلى (202) من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ بشكل معتدل، مما يعني أنه قد تكون هناك حاجة إلى مزيد من الانتباه إلى إدخال الحرارة ودرجة حرارة التداخل لتجنب التصلب المحلي أو الهياكل المجهرية غير المرغوب فيها في منطقة التأثير الحراري. - 204Cu، مع إضافات النحاس، لحامها عمومًا مشابه للآخرين من الأوستنيتي؛ قد يؤثر النحاس قليلاً على اختيار الحشو — مطابقة التركيب مع حشوات أوستنيت مناسبة (مثل، مكافئات عائلة 308/309 أو حشوات منخفضة النيكل محددة من قبل المورد) تتجنب مشاكل التوزيع المجهري. - نادرًا ما تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام مطلوبة للخدمة النموذجية، ولكن يجب النظر في تخفيف الإجهاد والتحكم في خطر تآكل الحبيبات للجيومترات المعرضة للحساسية أو درجات حرارة الخدمة المرتفعة.
6. التآكل وحماية السطح
- كلا الدرجتين هما فولاذان مقاومان للصدأ الأوستنيتي مع سلبية قائمة على الكروم. لا يحتوي أي منهما على موليبدينوم كبير، لذا فإن مقاومة التآكل الناتجة عن الكلور أقل من تلك التي تحتوي على موليبدينوم من السلسلة 300 (مثل، 316).
- PREN ليس مفيدًا عادةً لهذه الدرجات (إنه ذو معنى للفولاذ المقاوم للصدأ الذي يحتوي على موليبدينوم). للرجوع، صيغة PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ نظرًا لأن موليبدينوم ≈ 0 لـ 202/204، فلن تشير PREN إلى مقاومة عالية للتآكل.
- إرشادات عملية:
- 202: مقبول في البيئات القليلة التآكل (داخلية، تلامس مع الطعام، زخرفية)، ولكنه أقل مقاومة للكلور والبيئات الحمضية مقارنة بـ 304/316. عرضة لتلطيخ السطح والتآكل في البيئات العدوانية المحتوية على الكلور.
- 204/204Cu: مقصود كبديل أكثر قوة منخفض النيكل لـ 304؛ يمكن أن يحسن النحاس بشكل طفيف المقاومة لبعض الأحماض ويقلل من بدء تآكل الشقوق في بعض ظروف الخدمة، ولكنه ليس بديلاً عن الموليبدينوم في التعرض الثقيل للكلور.
- بالنسبة للفولاذ غير المقاوم للصدأ (غير قابل للتطبيق هنا): استخدم الجلفنة، أو الطلاء، أو الطلاءات. بالنسبة لهذه الدرجات من الفولاذ المقاوم للصدأ، ضع في اعتبارك التلميع الكهربائي، أو التمرير، أو الطلاءات الواقية للبيئات العدوانية.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- التشكيل البارد: 202 تتصلب أسرع — يجب على المصممين أخذ الارتداد في الاعتبار وقد يحتاجون إلى معالجة حرارية متوسطة؛ يمكن أن تكون السحوبات العميقة أكثر تحديًا. 204Cu تميل إلى تقديم قابلية تشكيل أفضل وغالبًا ما تُفضل حيث تكون الانحناءات الضيقة والتشكيل المعقد مطلوبين.
- قابلية التشغيل: لا تُشغل أي من الدرجتين بسهولة مثل الفولاذ الكربوني القابل للقطع. يمكن أن يقلل المنغنيز الأعلى في 202 من قابلية التشغيل؛ غالبًا ما تُشغل 204Cu بشكل مشابه أو أفضل قليلاً، ويمكن أن يحسن النحاس المتحكم فيه تشكيل الرقائق وتشطيب السطح.
- تشطيب السطح: كلاهما يتقبل التلميع والتشطيب جيدًا؛ قد تنتج 204Cu مظهر سطح أفضل قليلاً في بعض العمليات.
- اللحام وما بعد التصنيع: يعتبر التوافق الصحيح واختيار الحشو مهمين؛ تجنب التبريد السريع الذي قد يحبس الضغوط؛ يُوصى بالتخليل/التمرير بعد اللحام لاستعادة مقاومة التآكل.
8. التطبيقات النموذجية
| 202 — الاستخدامات النموذجية | 204 / 204Cu — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| السلع الاستهلاكية، أدوات المطبخ، الزخارف المعمارية الخفيفة، الألواح الزخرفية، الأجهزة الداخلية حيث تكون التكلفة دافعًا | الأجهزة المنزلية (الغسالات، المجففات)، أحواض المطبخ، الألواح المعمارية الزخرفية، التركيبات الصحية حيث تكون قابلية التشكيل وتحسين التشطيب السطحي مطلوبة |
| زخارف السيارات ومكونات هيكلية صغيرة مع تعرض محدود للكلور | أنابيب ومكونات مشكّلة تتطلب قابلية سحب جيدة وتحكمًا محسّنًا في الأبعاد |
| صفائح هيكلية خفيفة حيث يكون التعرض للتآكل معتدلاً | تطبيقات تحل محل 304 حيث يكون تقليل النيكل مرغوبًا ولكن يجب الحفاظ على قابلية التشكيل أو المتانة |
منطق الاختيار: اختر 202 حيث تكون تكلفة المواد الأولية هي القيد الرئيسي والتعرض للتآكل معتدل؛ اختر 204/204Cu حيث تكون التكلفة المادية أو تكلفة المعالجة الأعلى قليلاً مبررة من خلال تحسين قابلية التشكيل، وتحسين التشطيب السطحي، والحفاظ على المتانة مع تقليل النيكل.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: كلاهما موضوعة كبدائل منخفضة التكلفة لـ 304. غالبًا ما تكون 202 لديها أقل استراتيجية محتوى نيكل (تعوض بواسطة منغنيز أعلى)، مما يؤدي تاريخيًا إلى توفير التكاليف — ولكن أسعار المواد الخام الموسمية (منغنيز مقابل نيكل مقابل نحاس) يمكن أن تغير الاقتصاد النسبي. تم تصميم 204/204Cu لتحقيق توازن بين تقليل النيكل مع الحفاظ على الخصائص ويمكن أن تكون تنافسية، خاصة عندما يكون النيكل مكلفًا والنحاس اقتصاديًا.
- التوافر: 202 متاحة على نطاق واسع عالميًا كصفائح/شرائط تجارية قياسية. يعتمد توافر 204/204Cu على المنطقة والشركة المصنعة؛ أصبح شائعًا بشكل متزايد ولكنه قد يكون أقل انتشارًا من 202 في بعض الأسواق وأشكال المنتجات (مثل، لفات محددة، خيارات معالجة الصفائح مسبقة التشطيب).
10. الملخص والتوصية
جدول — مقارنة سريعة (نوعية):
| السمة | 202 | 204 / 204Cu |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة؛ راقب إدخال الحرارة (تصلب العمل) | جيدة؛ النحاس له تأثير ضئيل على ممارسة اللحام القياسية |
| توازن القوة–المتانة | قوة معتدلة، زيادة تصلب العمل؛ متانة كافية في الظروف العادية | قوة مشابهة، لدونة/قابلية تشكيل أفضل قليلاً والحفاظ على المتانة |
| التكلفة (المادة) | عادةً أقل في العديد من الأسواق (تعتمد على تسعير المنغنيز/النيكل) | محسّنة من حيث التكلفة لتقليل النيكل مع الحفاظ على قابلية التشكيل؛ قد تكون مشابهة أو أعلى قليلاً من 202 |
اختر 202 إذا: - كانت أولويتك هي تقليل تكلفة المواد والتطبيق يتضمن بيئات معتدلة، وعمليات تشكيل بسيطة، وحيث يمكن للموردين توفير الأشكال المطلوبة من اللفات/الصفائح بسهولة. - يمكنك تصميم خطوات التصنيع لأخذ تصلب العمل الأقوى في الاعتبار (معالجات حرارية متوسطة، تسهيلات للأدوات).
اختر 204 (204Cu) إذا: - كنت بحاجة إلى قابلية تشكيل أكثر دقة، وتحسين التشطيب السطحي بعد التشكيل، أو توازن ميكانيكي أقرب إلى 304 مع تقليل محتوى النيكل. - يتطلب التطبيق متانة متسقة وتقليل خطر مشاكل العملية الناتجة عن تصلب العمل السريع (تشكيلات معقدة، سحوبات عميقة، أجزاء أجهزة عالية الحجم).
ملاحظة ختامية: كلا الدرجتين هما خيارات مفيدة من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المحسن من حيث التكلفة. يجب دائمًا اتخاذ الاختيار النهائي بناءً على شهادات المصنع الموثقة، وشكل المنتج (لفة، صفيحة، أنبوب)، والحرارة/التشطيب المطلوب، وتحليل تكلفة دورة الحياة الذي يأخذ في الاعتبار تقلب تكلفة المواد، ووقت دورة التصنيع (مثل، الحاجة إلى المعالجات الحرارية)، والتعرض الطويل الأمد للتآكل.