304 مقابل 309S - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا خيارًا بين الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 304 و309S عند تحديد المكونات للخدمات التي تتطلب مقاومة للتآكل أو درجات حرارة عالية. وغالبًا ما يتداول القرار بين مقاومة التآكل والتكلفة (304 اقتصادي ومقاوم جدًا للتآكل عند درجات الحرارة المحيطة) مقابل الاستقرار عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الأكسدة (يتم اختيار 309S للتطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة). تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار المواد لخطوط الأنابيب العملية، ومكونات الأفران، وأنظمة العادم، أو التجميعات الملحومة التي تتعرض لدرجات حرارة عالية متقطعة أو مستمرة.
التمييز الفني الرئيسي بين هذين النوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي هو استراتيجيات السبائك: يحتوي 309S على كميات أعلى بكثير من الكروم والنيكل مقارنة بـ 304، ومواصفات كربون منخفضة (تشير اللاحقة "S" إلى الكربون المنخفض). تمنح هذه التوازن في السبائك 309S قوة أكسدة محسنة وقوة عند درجات الحرارة العالية، بينما يبقى 304 هو الخيار الافتراضي لمقاومة التآكل العامة، وقابلية التشكيل، والتطبيقات الحساسة من حيث التكلفة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الشائعة:
- ASTM/ASME: A240 / ASME SA240 (لوح، ورقة) — الأنواع 304 و309S مدرجة.
- EN/ISO: سلسلة EN 10088 (تسميات مختلفة حسب شكل المنتج).
- JIS/GB: المعايير اليابانية والصينية لها درجات مقابلة (SUS304؛ SUS309S مكافئات).
- التصنيف:
- 304: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي (مقاوم للصدأ).
- 309S: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي (مقاوم للصدأ)، نوع عالي السبيكة ومنخفض الكربون مخصص للخدمات ذات درجات الحرارة العالية.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوضح الجدول التالي حدود وتركيبات التركيب النموذجية المشار إليها من قبل المواصفات الشائعة (القيم هي الحدود القصوى أو النطاقات الاسمية المستخدمة في معايير الصناعة):
| عنصر | 304 (حدود نموذجية) | 309S (حدود نموذجية) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | ≤ 0.03 wt% (كربون منخفض "S") |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.045 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Cr | 18.0–20.0 wt% | 22.0–24.0 wt% |
| Ni | 8.0–10.5 wt% | 12.0–15.0 wt% |
| Mo | عادة لا يوجد | عادة لا يوجد |
| V, Nb, Ti, B | أثر/لا يوجد | أثر/لا يوجد |
| N | ≤ ~0.10 wt% | ≤ ~0.10 wt% |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكروم: العنصر الرئيسي لمقاومة الأكسدة واستقرار الفيلم الساكن. يزيد الكروم الأعلى في 309S من التمسك بمقياس الأكسيد عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الأجواء المؤكسدة العدوانية. - النيكل: يثبت المرحلة الأوستنيتية، ويحسن قابلية التمدد والصلابة عند درجات الحرارة العالية؛ يزيد النيكل الأعلى في 309S من الاستقرار الحراري ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة. - الكربون: يقلل الكربون المنخفض في 309S ("S" درجة) من ترسيب الكربيد ويحسن المقاومة للتحسس أثناء اللحام والتعرض لدرجات الحرارة العالية. - السيليكون والعناصر الثانوية تؤثر على سلوك ترسيب الأكسيد؛ يمكن أن يحسن السيليكون بكميات صغيرة من التمسك بالمقياس عند درجات الحرارة العالية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- كلا من 304 و309S هما أوستنيتيان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في الحالة المعالجة. لا يتحولان إلى الفريت أو المارتنسيت تحت الدورات الحرارية العادية عند درجة حرارة الغرفة.
- البنية المجهرية تحت المعالجة القياسية:
- معالجة حرارية: أوستنيت متساوي المحاور مع توائم معالجة حرارية. يعتمد حجم الحبيبات على درجة حرارة المعالجة النهائية والتاريخ الحراري الميكانيكي.
- معالجة باردة: زيادة كثافة العيوب واحتمالية وجود مارتنسيت ناتج عن الإجهاد في 304 تحت العمل البارد الشديد؛ 309S، مع النيكل الأعلى، أقل عرضة للمارتنسيت الناتج عن الإجهاد.
- استجابة المعالجة الحرارية:
- الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لا يمكن تقويته عن طريق التبريد والتسخين. تعيد المعالجة الحرارية (مثل 1010–1150 درجة مئوية تليها تبريد سريع) مقاومة التآكل والمرونة عن طريق إذابة الكربيدات.
- التحسس (ترسيب كربيد الكروم عند 450–850 درجة مئوية) يتم تخفيفه بواسطة التركيب المنخفض الكربون لـ 309S ومن خلال المعالجة الحرارية؛ يمكن أن يتحسس 304 إذا تم لحامه بشكل غير صحيح أو تم الاحتفاظ به في نطاق التحسس.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية:
- تؤدي محتويات السبائك الأعلى في 309S إلى احتفاظ أفضل بالقوة الميكانيكية عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة محسنة للزحف؛ تعتمد كلا الدرجتين على تقوية العمل البارد عند درجات الحرارة المحيطة.
4. الخصائص الميكانيكية
نظرًا لأن الخصائص تختلف حسب شكل المنتج ودرجة الحرارة، يوفر الجدول أدناه تقييمات مقارنة نوعية بدلاً من ضمانات عددية مطلقة.
| خاصية | 304 | 309S | تعليق |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | نطاق أوستنيتي نموذجي | أعلى قليلاً (مدعوم بالحل بواسطة Ni/Cr) | غالبًا ما يكون لدى 309S قوة شد أعلى بشكل معتدل في الحالة المعالجة بسبب السبائك |
| قوة العائد | قابلة للمقارنة | قابلة للمقارنة إلى أعلى قليلاً | سلوك العائد مشابه؛ الاختلافات تعتمد على العمل البارد |
| التمدد (قابلية التمدد) | عالية (قابلية تشكيل ممتازة) | جيدة، ولكن عادة أقل قليلاً من 304 | تسمح محتويات السبائك الأقل في 304 عادة بتشكيل أسهل وتمدد أعلى |
| صلابة التأثير | جيدة جدًا عند درجات الحرارة المحيطة | جيدة جدًا؛ تحتفظ بالصلابة عند درجات الحرارة المرتفعة بشكل أفضل | كلاهما يحتفظ بالصلابة عند درجات الحرارة المنخفضة؛ يظهر 309S احتفاظًا أفضل بصلابة درجات الحرارة العالية |
| الصلابة | منخفضة (تعمل على تقويتها) | أعلى قليلاً كما هو معالج | تزداد الصلابة مع العمل البارد لكلا الدرجتين |
التفسير: يقدم 309S عادة قوة أعلى قليلاً وأداءً متفوقًا عند درجات الحرارة المرتفعة، بينما يوفر 304 قابلية تمدد ممتازة وقابلية تشكيل للتطبيقات عند درجة حرارة الغرفة.
5. قابلية اللحام
- كلا الدرجتين قابلتان للحام بشكل كبير مع المعادن المالئة القياسية من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. نظرًا لأن كلاهما أوستنيتي، فإن قابلية اللحام عمومًا ممتازة (لا حاجة للتسخين المسبق لتخفيف خطر التشقق الهيدروجيني في معظم الحالات).
- مستوى الكربون والسبائك:
- يمتلك 309S حد كربون أقل لتقليل التحسس؛ محتواه الأعلى من النيكل يقلل من الميل إلى مرحلة سيغما ويعزز بنية معدن اللحام القابل للتمدد.
- يمكن أن يكون 304 أكثر عرضة للتحسس في منطقة التأثير الحراري (HAZ) إذا كان التبريد بطيئًا؛ يمكن استخدام 304L منخفض الكربون أو معالجة حرارية بعد اللحام لتخفيف التحسس.
- لا تكون قابلية الصلابة وتشقق HAZ عادةً محدودة لهذه الدرجات الأوستنيتية.
- استخدام مؤشرات قابلية اللحام التنبؤية:
- معادل الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- معادل الكروم (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- التفسير: ترفع كميات الكروم والنيكل الأعلى في 309S من مصطلحات السبائك، لكن كربونه المنخفض يقلل من مساهمة $C$. عمليًا، غالبًا ما يستخدم اللحامون معدن ملء مطابق أو أعلى قليلاً من حيث السبيكة (مثل 309L) عند الانضمام إلى الفولاذات المختلفة أو عندما يتطلب اللحام مقاومة أكسدة متفوقة عند درجات الحرارة العالية.
6. التآكل وحماية السطح
- مقاوم للصدأ (كلا من 304 و309S): تهيمن مقاومة التآكل على محتوى الكروم وسلامة الفيلم الساكن.
- للتآكل المائي عند درجات الحرارة المحيطة، يوفر 304 أداءً ممتازًا في العديد من البيئات (معالجة الطعام، التعرض الكيميائي الخفيف). لا يحسن 309S عادةً من مقاومة التآكل المائي بشكل كبير مقارنة بـ 304؛ ميزته تكون عند درجات الحرارة المرتفعة.
- لأكسدة درجات الحرارة العالية والتسخين الدوري، يشكل 309S مقياس أكسيد أكثر حماية وتمسكًا بسبب محتوى الكروم والنيكل الأعلى، مما يجعله مفضلًا لأجزاء الأفران، والمشعلات، والمبادلات الحرارية.
- استخدام PREN (لمقارنة مقاومة التآكل حيث يكون Mo وN مهمين): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN ليس مفيدًا بشكل خاص لـ 304 أو 309S لأن أيًا من الدرجتين لا تحتوي على Mo كبير؛ مساهمات النيتروجين صغيرة، لذا لن تعكس أرقام PREN اختلافات أدائها الأساسي في الأكسدة.
- الفولاذات غير المقاومة للصدأ: للمرجع، تتطلب الفولاذات الكربونية أو منخفضة السبيكة طلاءات (تغليف، طلاء، طلاءات حرارية) لحماية من التآكل؛ لا تُطبق مثل هذه التدابير عادةً على الدرجات المقاومة للصدأ بنفس الطريقة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- تكون الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية عمومًا أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذات اللينة بسبب العمل الصلب والتوصيل الحراري المنخفض.
- يمكن أن يكون 309S أكثر صعوبة قليلاً في التشغيل من 304 بسبب محتوى السبيكة الأعلى وميل العمل الصلب؛ قد تكون عمر الأدوات أقصر وتحتاج السرعات/التغذية إلى تعديل.
- قابلية التشكيل والسحب العميق:
- يمتلك 304 قابلية تشكيل ممتازة ويستخدم على نطاق واسع للسحب العميق، والتشكيل، والأشكال المعقدة.
- يمكن تشكيل 309S ولكنه أقل ملاءمة للسحب العميق الواسع بسبب قابلية التمدد المنخفضة قليلاً والقوة/العائد الأعلى.
- إنهاء السطح:
- تعتبر كل من الممارسات البولندية والتخليل قياسية؛ يتطلب 309S أحيانًا الانتباه إلى تلوين السطح الحراري بعد الخدمة عند درجات الحرارة المرتفعة، وقد تتطلب مقاييس الأكسيد إزالة ميكانيكية أو كيميائية.
8. التطبيقات النموذجية
| 304 — الاستخدامات النموذجية | 309S — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| معدات معالجة الطعام، أدوات المطبخ، الأحواض، الزخارف المعمارية، خطوط أنابيب العمليات الكيميائية عند درجات الحرارة المحيطة/الخفيفة | بطانات الأفران، الأجهزة الفرنية، الأنابيب الشعاعية، مجاري الهواء ذات درجات الحرارة العالية، المشعلات، أدوات المعالجة الحرارية |
| مبادلات حرارية، خزانات، وأوعية للمياه الصالحة للشرب والعديد من المواد الكيميائية | معدن لحام للانضمام إلى الفولاذ الكربوني مع الفولاذ المقاوم للصدأ؛ لحامات تغطية تتطلب مقاومة للأكسدة |
| زخارف السيارات، المسامير، وأجزاء مصنعة للاستخدام العام | مجاري العادم والمداخن ذات درجات الحرارة العالية (خدمة متقطعة) |
مبررات الاختيار: اختر 304 لمقاومة التآكل الفعالة من حيث التكلفة عند درجات الحرارة المحيطة والتشكيل؛ اختر 309S عندما تتضمن الخدمة درجات حرارة عالية مستمرة أو دورية أو عندما يجب أن تقاوم لحامات التغطية/المعدن الأكسدة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة:
- يعتبر 304 واحدًا من أكثر درجات الفولاذ المقاوم للصدأ استخدامًا وعادةً ما يكون الأقل تكلفة من الفولاذ الأوستنيتي بسبب محتوى النيكل المعتدل.
- يحتوي 309S على كميات أكبر بكثير من النيكل (والكروم)، لذا فإن تكلفة المواد الخام وبالتالي تكلفة المنتج النهائي أعلى.
- التوافر:
- 304 متوفر بشكل واسع عبر أشكال المنتجات: ورقة، لوح، ملف، أنبوب، قضيب، سلك.
- يتوفر 309S بسهولة في أشكال ورقة، لوح، قضيب، ومعدن لحام ولكن قد يكون أقل شيوعًا في بعض أشكال المنتجات الخاصة أو الأسواق الصغيرة. قد تكون أوقات التسليم وكميات الطلبات الدنيا أكبر لـ 309S في بعض الأحجام.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | 304 | 309S |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة؛ خطر التحسس ما لم يتم التحكم فيه | ممتازة؛ الكربون المنخفض يقلل من التحسس |
| القوة–الصلابة | صلابة جيدة جدًا، قابلية تمدد ممتازة | قوة أعلى قليلاً عند درجات الحرارة العالية؛ صلابة جيدة |
| التكلفة | أقل (اقتصادي، متوفر على نطاق واسع) | أعلى (أكثر سبائك، تكلفة أعلى) |
التوصية: - اختر 304 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي فعال من حيث التكلفة وقابل للتشكيل بشكل كبير لظروف الخدمة عند درجات الحرارة المحيطة إلى المتوسطة حيث لا تكون مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية متطلبًا أساسيًا (مثل معدات الطعام، العناصر المعمارية، خطوط الأنابيب العامة). - اختر 309S إذا كانت القطعة ستعمل في بيئات ذات درجات حرارة مرتفعة (أفران، عوادم، أنابيب شعاعية)، تتطلب مقاومة أكسدة محسنة أو قوة عند درجات الحرارة العالية، أو إذا كانت التطبيق يتضمن لحامات تغطية لخدمة درجات الحرارة العالية. اختر أيضًا 309S حيث يكون الكربون المنخفض مطلوبًا لتجنب التحسس وتحسين سلوك HAZ في دورات درجات الحرارة العالية.
ملاحظة ختامية: يجب أن يأخذ الاختيار النهائي للمواد في الاعتبار ملفات درجات حرارة الخدمة، والأجواء المعرضة (مؤكسدة مقابل مختزلة)، والتحميل الميكانيكي ومتطلبات الزحف، وعمليات التصنيع، وتكلفة دورة الحياة. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، تأكد من شهادات المواد المحددة وأجرِ اختبارات تآكل ودرجات حرارة عالية خاصة بالتطبيق أو استشر مورد المواد وموارد الهندسة المعدنية.