304 مقابل 304L – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
النوع 304 ونسخته منخفضة الكربون 304L هما أكثر أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي استخدامًا في الصناعة. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بوزن مقاومة التآكل والأداء الميكانيكي وقابلية اللحام والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية المعدات المحتوية على ضغط، ومعالجة الأغذية والأدوية، والمكونات المعمارية، والتجمعات الملحومة حيث تكون مقاومة التآكل بعد اللحام أمرًا حاسمًا.
التمييز المعدني الرئيسي هو انخفاض الحد الأقصى لمحتوى الكربون في 304L مقارنةً بـ 304. هذا التغيير الوحيد يغير من القابلية لتساقط الكربيد أثناء اللحام والتعرض لدرجات الحرارة العالية، وبالتالي يؤثر على قابلية اللحام وسلوك التآكل بعد اللحام مع إنتاج اختلافات طفيفة فقط في القوة الميكانيكية.
1. المعايير والتسميات
- ASTM/ASME: A240 (لوح)، A276 (قضبان)، A312 (أنابيب) — مراجع شائعة لكلا الدرجتين.
- UNS: 304 = S30400؛ 304L = S30403.
- EN: 304 = 1.4301؛ 304L = 1.4307.
- توجد معادلات JIS وGB (مثل SUS304 / SUS304L في JIS).
- التصنيف: كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ (أوستنيتي)؛ ليس فولاذ كربوني، أو فولاذ سبائكي، أو فولاذ أدوات، أو HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
تلخص الجدول التالي العناصر الرئيسية للسبائك وممارسات التحكم النموذجية لكل درجة. القيم المعروضة هي حدود قصوى تمثيلية أو نطاقات نموذجية وفقًا للمواصفات المستخدمة بشكل شائع؛ يجب دائمًا استشارة مواصفات المشروع أو شهادة اختبار المصنع للحدود التعاقدية.
| عنصر | الدور النموذجي | 304 (حدود نموذجية) | 304L (حدود نموذجية) |
|---|---|---|---|
| C (كربون) | القوة، تساقط الكربيد | ≤ 0.08% (أقصى) | ≤ 0.03% (أقصى) |
| Mn (منغنيز) | مزيل الأكسدة، مثبت للأوستنيت | ≤ 2.0% | ≤ 2.0% |
| Si (سيليكون) | مزيل الأكسدة | ≤ 1.0% | ≤ 1.0% |
| P (فوسفور) | شوائب، خطر الهشاشة | ≤ 0.045% | ≤ 0.045% |
| S (كبريت) | قابلية التشغيل (يضاف كشوائب) | ≤ 0.03% | ≤ 0.03% |
| Cr (كروم) | التمرير، مقاومة التآكل | ~18–20% | ~18–20% |
| Ni (نيكل) | مثبت للأوستنيت، صلابة | ~8–11% | ~8–12% |
| Mo (موليبدينوم) | مقاومة التساقط (غير موجود) | عادةً لا شيء | عادةً لا شيء |
| V, Nb, Ti, B, N | ميكروسبائك، استقرار (نادر) | عادةً غير محدد | عادةً غير محدد |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يشكل الكروم الفيلم الأكسيدي السالب الذي يمنح الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومته للتآكل. - يثبت النيكل المرحلة الأوستنيتية ويحسن الصلابة والمرونة. - يزيد الكربون من القوة ولكن عند تركيزات أعلى يمكن أن يتحد مع الكروم لتشكيل كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات، مما يقلل من مقاومة التآكل المحلية (الحساسية). - يقلل الكربون المنخفض في 304L من الميل لتساقط الكربيد أثناء اللحام والتعرض لدرجات الحرارة العالية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
كلا من 304 و304L هما أوستنيتيان بالكامل عند درجات حرارة الغرفة عند معالجتهما بشكل صحيح. الخصائص المجهرية النموذجية واستجابات المعالجة الحرارية:
- كما تم تصنيعه (مُعالج حراريًا/مُعالج حراريًا بالحل): أوستنيت مكعب مركزي موحد (FCC) مع كربيدات دقيقة موزعة بشكل متساوٍ (إن وجدت). يذوب المعالجة الحرارية بالحل الكربيدات ويستعيد مقاومة التآكل عن طريق التبريد السريع لتجنب إعادة التساقط.
- العمل البارد: كلا الدرجتين تتصلبان بسرعة (الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي له معدلات تصلب عالية)، مما ينتج عنه زيادة في كثافة الانزلاق وربما مارتنسيت مستحث بالضغط في الأقسام المشوهة بشدة (خاصة عند درجات حرارة منخفضة أو مع تشكيل بارد عدواني).
- اللحام والحساسية: عند التعرض لمدى 450–850 درجة مئوية (تقريبًا) أثناء اللحام، قد تتساقط كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات في 304 عالي الكربون، مما يستنفد الكروم المجاور ويزيد من القابلية للتآكل بين الحبيبات. يقلل محتوى الكربون المنخفض في 304L من خطر تساقط الكربيد هذا.
- المعالجة الحرارية: لا تتصلب أي من الدرجتين عن طريق التبريد؛ تُستخدم المعالجة الحرارية بالحل (مثل 1050–1100 درجة مئوية) تليها تبريد سريع لاستعادة مقاومة التآكل والمرونة. لا ينطبق أي تقوية تقليدية عن طريق التبريد والتسخين كما هو الحال في الفولاذ المارتنسيت.
4. الخصائص الميكانيكية
بدلاً من القيم المطلقة (التي تعتمد على شكل المنتج والمواصفة)، يقارن الجدول أدناه السلوك النسبي النموذجي في الحالة المعالجة حراريًا.
| الخاصية | 304 | 304L | تعليق |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (معالجة حرارية) | أعلى (بشكل طفيف) | أقل (بشكل طفيف) | يؤدي الكربون المنخفض إلى قوة شد أقل بشكل طفيف لـ 304L. |
| قوة العائد | أعلى (بشكل طفيف) | أقل (بشكل طفيف) | نفس الاتجاه كما في قوة الشد. |
| التمدد / المرونة | جيد | مساوي أو أفضل قليلاً | يمكن أن يظهر 304L مرونة أفضل قليلاً بسبب انخفاض الكربون. |
| صلابة التأثير | ممتازة (تعتمد على درجة الحرارة) | معادلة | كلاهما يحافظ على صلابة جيدة عند درجات حرارة الغرفة. |
| الصلابة (معالجة حرارية) | أعلى قليلاً | أقل قليلاً | الاختلافات صغيرة؛ كلاهما ناعم نسبيًا في الحالة المعالجة حراريًا. |
التطبيق العملي: الاختلافات في القوة بين 304 و304L متواضعة في الحالة المعالجة حراريًا وغالبًا ما تكون غير حاسمة إلا حيث تكون القوة الدنيا المحددة في الكود مطلوبة.
5. قابلية اللحام
يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عمومًا قابلًا للحام بشكل كبير؛ ومع ذلك، يؤثر محتوى الكربون على القابلية لتساقط الكربيد والحاجة إلى المعالجات بعد اللحام.
اعتبارات رئيسية لقابلية اللحام: - يقلل الكربون المنخفض في 304L من خطر الحساسية والتآكل بين الحبيبات بعد اللحام، مما يجعل 304L خيارًا أكثر أمانًا للهياكل الملحومة التي لن يتم معالجتها حراريًا بعد التصنيع. - كلا الدرجتين تظهران مرونة عالية في منطقة اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)، مما يقلل من خطر التشقق البارد. هما عرضة للتشقق الساخن تحت ظروف لحام غير صحيحة إذا كانت هناك ملوثات أو عدم توافق في التركيب. - يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بتوسع حراري عالي وموصلية حرارية منخفضة؛ لذا فإن التحكم في التشوه وتصميم الوصلات أمر مهم.
مؤشرات قابلة للحام مفيدة (تفسير نوعي): - المعادل الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ يشير $CE_{IIW}$ الأعلى إلى زيادة في القدرة على التصلب وزيادة خطر التشقق في الفولاذ حيث تكون التحولات المارتنسيت ذات صلة؛ بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، يساعد ذلك في مقارنة التأثيرات النسبية لمحتوى السبائك على سلوك HAZ اللحام. - رقم مقاومة التساقط المعادل (للفولاذ المقاوم للصدأ المضاف إليه) وصيغة Pcm المستخدمة بشكل شائع لميول التشقق البارد: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ التفسير: تشير القيم المنخفضة لـ $P_{cm}$ إلى انخفاض القابلية لتشقق اللحام. يقلل محتوى الكربون المنخفض في 304L من مساهمة $P_{cm}$ من الكربون مقارنةً بـ 304.
إرشادات نوعية: - استخدم 304L للتجمعات الملحومة الكبيرة، والأقسام الرقيقة دون معالجة حرارية بعد اللحام، أو عندما لا يمكن معالجة الجزء حراريًا بعد اللحام. - إذا كانت التصنيع تشمل معالجة حرارية كاملة بعد اللحام، يمكن أن يكون 304 مقبولًا؛ قد يوفر 304 قوة أعلى قليلاً حيث يكون ذلك مفيدًا.
6. التآكل وحماية السطح
- يعتمد كل من 304 و304L على أكسيد سالب غني بالكروم لمقاومة التآكل في البيئات الخفيفة (الجو، العديد من خدمات الأغذية والكيماويات). لا يحتوي أي منهما على موليبدينوم وبالتالي يكون أقل مقاومة للتساقط المحلي في البيئات الغنية بالكلوريد مقارنةً بالدرجات التي تحتوي على موليبدينوم.
- يستخدم PREN (رقم مقاومة التساقط المعادل) عادةً للسبائك التي تحتوي على موليبدينوم ونيتروجين لتقدير المقاومة للتساقط: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ بالنسبة لـ 304/304L، Mo ≈ 0، لذا فإن PREN هو أساسًا Cr + 16×N؛ هذه المؤشر له تمييز محدود لهذه الدرجات لأن تركيبها يفتقر إلى موليبدينوم.
- الحساسية والتآكل بين الحبيبات: الفرق العملي الرئيسي هو أن 304L أقل عرضة للحساسية بعد اللحام لأن تساقط الكربيد الذي يتطلب كربونًا كبيرًا أقل احتمالًا. للخدمة حيث تكون التآكل بين الحبيبات مصدر قلق ولا تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام عملية، يُفضل 304L.
- حماية السطح: كونه مقاومًا للصدأ، لا يتطلب أي من الدرجتين عادةً المجلفن أو الطلاء لمنع التآكل، ولكن الأضرار الميكانيكية، والتعرض للكلوريد العدواني، أو البيئات الكيميائية الشديدة قد تتطلب طلاءات، أو حماية كاثودية، أو استبدال بدرجات سبائك أعلى.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل: كلا الدرجتين تتشكل وتُسحب جيدًا في الحالة المعالجة حراريًا؛ يمكن أن تساعد القوة المنخفضة قليلاً لـ 304L في عمليات السحب العميق أو التشكيل حيث يكون تقليل التشقق والارتداد مفيدًا.
- قابلية التشغيل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أصعب في التشغيل من الفولاذ الكربوني بسبب تصلبه السريع وموصلية حرارية منخفضة. يتمتع 304 و304L بقابلية تشغيل مماثلة؛ يُوصى باستخدام أدوات كربيد ومعلمات قطع مضبوطة. توجد نسخ مخصصة للتشغيل الحر (مثل 303) لتحسين قابلية التشغيل ولكن مع مقاومة تآكل compromised.
- تشطيب السطح والتلميع: كلاهما يأخذ لمسة عالية، مع تحضير السطح والتشطيب الميكانيكي مشابهين.
- تصنيع اللحام: يقلل 304L من خطر التآكل بعد اللحام في التجمعات الملحومة وغالبًا ما يلغي الحاجة إلى معالجة حرارية بالحل فقط لاستعادة مقاومة التآكل.
8. التطبيقات النموذجية
| 304 | 304L |
|---|---|
| معدات المطبخ، الأحواض، الأجهزة، الزخارف المعمارية | أوعية الضغط، الأنابيب، والخزانات الملحومة والتي لم يتم معالجتها حراريًا |
| معدات التبريد ومعالجة الأغذية | خزانات تخزين المواد الكيميائية والأنابيب حيث تكون مقاومة التآكل بعد اللحام مطلوبة |
| زخارف السيارات | هياكل ملحومة كبيرة، مثل خزانات الوقود، حيث يكون تقليل الحساسية أمرًا مهمًا |
| مبادلات حرارية في بيئات خفيفة | معدات الأدوية والتكنولوجيا الحيوية حيث يكون اللحام بدون معالجة حرارية بعد اللحام شائعًا |
مبررات الاختيار: اختر 304 عندما تكون القوة الميكانيكية الأعلى قليلاً والتصنيع القياسي مع إمكانية المعالجة الحرارية بعد اللحام مقبولة وعندما يكون تقليل التكلفة دافعًا. اختر 304L عندما يهيمن اللحام على مسار التصنيع ولا يمكن أو لن يتضمن المعالجة الحرارية بعد اللحام، أو عندما يكون تقليل خطر التآكل بين الحبيبات أمرًا إلزاميًا.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: 304 عمومًا أقل تكلفة قليلاً على أساس لكل كيلوغرام مقارنةً بالفولاذ المقاوم للصدأ المستقر أو المتخصص؛ قد تحمل 304L علاوة طفيفة بسبب التحكم الأكثر صرامة في الكربون، ولكن في العديد من الأسواق، فإن فرق السعر بين 304 و304L صغير.
- التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في أشكال اللوح، والصفائح، واللفائف، والأنابيب، والأنابيب، والقضبان من عدة مصانع وموزعين عالميين. عادةً ما تكون أوقات التسليم قصيرة للأشكال القياسية للمنتجات؛ بالنسبة للأحجام الكبيرة أو التشطيبات السطحية الخاصة، تأكد من التوافر مبكرًا في عملية الشراء.
10. الملخص والتوصية
| السمة | 304 | 304L |
|---|---|---|
| قابلية اللحام (عملية) | جيدة | أفضل للتجمعات الملحومة غير المعالجة حراريًا |
| القوة–الصلابة (معالجة حرارية) | قوة أعلى قليلاً | قوة أقل قليلاً، صلابة قابلة للمقارنة |
| التكلفة | أقل قليلاً أو قابلة للمقارنة | أعلى قليلاً أو قابلة للمقارنة |
التوصية: - اختر 304 إذا: - كنت بحاجة إلى قوة شد أو قوة عائد أعلى قليلاً في الحالة المعالجة حراريًا وكان من المخطط أو الممكن إجراء معالجة حرارية كاملة بعد التصنيع. - التصميم مصنوع أساسًا باستخدام التثبيت أو حيث يكون اللحام محدودًا والحساسية لتساقط الكربيد بعد اللحام منخفضة. - اختر 304L إذا: - سيتم لحام المكون بشكل مكثف ولا يمكن معالجته حراريًا بعد ذلك، أو إذا كان تقليل خطر التآكل بين الحبيبات في HAZ هو متطلب رئيسي. - تتضمن ظروف التصنيع والخدمة درجات حرارة أو تعرضات قد تعزز الحساسية في 304 عالي الكربون.
ملاحظة عملية نهائية: فرق محتوى الكربون صغير ولكنه ذو تأثير على التجمعات الملحومة والتعرض لدرجات الحرارة العالية. بالنسبة للمعدات الحرجة للسلامة أو المعدات الخاضعة للكود، تأكد دائمًا من اختيار المواد وفقًا للمعيار أو الكود الحاكم (مثل ASME) وحدد شكل المنتج المطلوب، والمعالجة بعد اللحام، ومعايير الفحص في مستندات الشراء.