304 مقابل 310S - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يُعتبر 304 و310S من أكثر درجات الفولاذ المقاوم للصدأ أوستنيتيك شيوعًا في الصناعة. غالبًا ما يوازن المهندسون ومحترفو الشراء بين الأداء المقاوم للتآكل، الاستقرار عند درجات الحرارة العالية، قابلية اللحام، وتكلفة المادة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية معدات الأطعمة والصناعات الدوائية (حيث يُحدد 304 عادةً لتوازنه بين التكلفة ومقاومة التآكل) مقابل أجهزة الأفران ومعدات العمليات العالية الحرارة (حيث يُفضل 310S لمقاومته للأكسدة والزلل).
الفرق الرئيسي الذي يقود المقارنة هو كيمياء السبائك: يحتوي 310S على نسبة أعلى بكثير من الكروم والنيكل مقارنة بـ 304، مما يمنح 310S مقاومة أفضل للأكسدة على درجات الحرارة العالية واحتفاظًا أعلى بالقوة، لكنه أيضاً أغلى سعرًا وله خصائص تصنيع مختلفة. ونظرًا لأن كلا الدرجتين من الفولاذ المقاوم للصدأ أوستنيتيك وتتشابهان في التركيب المعدني الأساسي، غالبًا ما يُعتبران بدائل في التصميم، ويُحدد الاختيار النهائي بناءً على درجة حرارة التشغيل، بيئة التآكل، احتياجات التصنيع والميزانية.
1. المواصفات والتسميات
- المواصفات والتسميات الشائعة:
- ASTM / ASME: 304 (UNS S30400)، 310S (UNS S31008)
- EN: 1.4301 (تقريبًا 304)، 1.4845 (تقريبًا 310S)
- JIS: SUS304، SUS310S
- GB (الصين): 06Cr19Ni10 (ما يعادل 304)، 25Cr20Ni (ما يعادل 310/310S)
- التصنيف:
- كل من 304 و310S فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتيك (عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ).
- ليسا من فئة الفولاذ الكربوني أو الفولاذ السبائكي أو الفولاذ الأدواتي أو فئات HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائة
الجدول: نطاقات التركيب النموذجية (وزن %). الحدود الفعلية تعتمد على المواصفة والمصنع، والقيم المدرجة تعكس النطاقات الشائعة الاستخدام في ASTM/EN للإرشاد العام.
| العنصر | 304 (النطاق النموذجي، وزن %) | 310S (النطاق النموذجي، وزن %) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.5 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0 – 20.0 | 24.0 – 26.0 |
| Ni | 8.0 – 10.5 | 19.0 – 22.0 |
| Mo | — (كميات أثرية) | — (كميات أثرية) |
| V | — | — |
| Nb (Cb) | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10–0.20 (حسب المواصفة) |
ملاحظات: - “—” تعني عدم الإضافة المقصودة؛ الكميات المتبقية الأثرية فقط موجودة. - 310S هو إصدار منخفض الكربون من السبيكة 310؛ يقلل الكربون المنخفض من ترسيب الكربيدات أثناء التعرض لدرجات الحرارة العالية. - ارتفاع محتوى الكروم والنيكل في 310S هو مقصود لتثبيت الأوستنيت عند درجات الحرارة المرتفعة وتكوين طبقة أكسيد أكثر حماية خلال الأكسدة.
تأثير السبائك على الأداء: - يساهم الكروم في مقاومة التآكل (تكوين طبقة خاملة) ومقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية. يزيد ارتفاع نسبة الكروم في 310S من مقاومة التقييس الحراري عند درجات حرارة مرتفعة. - يثبت النيكل البنية الميكروسكوبية الأوستنيتية ويعزز المتانة والقوة عند درجات الحرارة العالية؛ كمية النيكل الكبيرة في 310S تحسن الاحتفاظ بالليونة والسلوك ضد الزلل عند الحرارة. - يعزز الكربون القوة عبر التصلب بالذوبان وترسيب الكربيدات لكنه يزيد من مخاطر التحسس؛ التحكم في الكربون (كما في 310S) يقلل ترسيب الكربيدات أثناء الخدمة.
3. البنية الميكروسكوبية واستجابة المعالجة الحرارية
- البُنى الميكروسكوبية النموذجية:
- كلا الدرجتين أوستنيتيتان بالكامل (هيكل مكعب واجه مركزي) في الحالة المقطبة عند درجة حرارة الغرفة بسبب محتوى النيكل.
- لا يمكن معالجة أي من الدرجتين حراريًا بطرق التبريد والتخمير المستخدمة في الفولاذات الفيرريتية أو المارتينسيتية. يتم تعديل الخصائص الميكانيكية بواسطة العمل البارد وعمليات التلدين للحل.
- استجابة المعالجة الحرارية:
- تلدين الحل الموصى به: عادة في النطاق 1010–1150 °C متبوعًا بتبريد سريع (تبريد مائي أو هوائي حسب المواصفة) لاستعادة مقاومة التآكل والليونة.
- 304: تلدين الحل يذيب أي كربيدات ويستعيد الليونة؛ لكن التعرض المطول في نطاق 425–850 °C قد يسبب تحسس وتآكل بين الحبيبات بسبب ترسيب كربيدات الكروم إذا لم يُتحكم بالكربون.
- 310S: الكربون المنخفض والنيكل العالي يقللان ترسيب الكربيدات وخطر التحسس؛ مع ذلك، قد تروج التعرضات الطويلة في نطاق ترسيب الطور سيغما (تقريبًا 600–1000 °C) لتكوين أطوار بين معدنية (طور سيغما) في سبائك عالية الكروم تحت بعض الظروف. التلدين المناسب والتحكم في التعرض يخفضان ذلك.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية:
- يزيد العمل البارد من القوة عن طريق تسليح التشوه لكنه يقلل من القابلية للتشكيل وقد يزيد خطر التشقق الناتج عن التآكل بالشد في بعض البيئات.
- لتطبيقات مقاومة الزلل الحرارية الحرجة، يُفضل 310S بسبب سبائكه التي توفر مقاومة أفضل للزحل؛ ولا يمكن تقوية أي من 304 أو 310S عبر ترسيب الأطوار.
4. الخواص الميكانيكية
الجدول: القيم النموذجية في الحالة المقطبة ودرجة حرارة الغرفة (نطاقات إرشادية؛ القيم الفعلية تعتمد على شكل المنتج والمواصفة).
| الخاصية (مُلدنة) | 304 (نموذجي) | 310S (نموذجي) |
|---|---|---|
| مقاومة الشد (MPa) | 500 – 700 | 500 – 700 |
| مقاومة الخضوع 0.2% (MPa) | ~200 – 300 | ~200 – 300 |
| الاستطالة (% خلال 50 mm) | ≥ 40 | ≥ 40 |
| متانة الصدمة (شاربي، جول) | عالية؛ تحافظ على المتانة عند درجات حرارة منخفضة | عالية؛ مكافئة، تحافظ على المتانة عند درجات حرارة منخفضة |
| الصلادة (HB / HRB) | ~120 – 200 HB (~80 HRB) | ~120 – 200 HB (~80 HRB) |
التفسير: - عند درجة حرارة الغرفة، تتشابه الخواص الميكانيكية لـ 304 و310S بشكل عام؛ كلاهما ليّن وذو متانة جيدة. - عند درجات الحرارة المرتفعة، يظهر 310S احتفاظًا أفضل بالقوة ومقاومة أعلى للزحل بسبب ارتفاع محتوى النيكل والكروم. - لا ينبغي الاعتماد على كلا الدرجتين في التطبيقات الإنشائية عالية القوة دون حسابات تصميم تأخذ في الاعتبار الزحل والاسترخاء المعتمدين على درجة الحرارة.
5. قابلية اللحام
- كلا من 304 و310S قابلان للحام بشكل عالٍ باستخدام عمليات الانصهار القياسية (TIG, MIG, SMAW). الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتيك لا يتعرض لتشقق التبرد الهيدروجيني الذي قد يؤثر على الفولاذات الكربونية عالية القوة.
- محتوى الكربون وقابلية التصلب:
- الكربون المنخفض يقلل من ترسيب الكربيدات والتآكل بين الحبيبات بعد اللحام. 310S (قليل الكربون) يقلل خطر التحسس مقارنة بالأنواع عالية الكربون.
- قابلية التصلب وخطر التشقق منخفضان؛ مع ذلك، يمكن أن يؤدي العمل المستمر والتغيرات الحرارية إلى تشويه، لذا التصميم الجيد للوصلات والتثبيت مهم.
- مؤشرات كيمياء اللحام الشائعة (للتفسير النوعي):
- معادلة ما يعادل الكربون (CE_{IIW}): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
- معادلة باريسيان 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 النوعي لهاتين المعادلتين للدرجتين:
- كلا الدرجتين منخفضتا الكربون (خصوصًا 310S) لذا تكون CE_{IIW} وP_{cm} منخفضتين مقارنة بالفولاذات القابلة للتصلب؛ هذا يشير إلى قابلية منخفضة للتصلب وخطر منخفض لتشقق المارتينسيت.
- يزيد النيكل الأعلى في 310S من قيمة CE الرقمية قليلاً، لكن النيكل يحسن الليونة ويقلل من قابلية التشقق البارد عمليًا.
- ممارسة اللحام:
- استخدام أقطاب أو أسلاك حشو مطابقة أو مناسبة للحرارة التشغيلية المقصودة.
- بالنسبة لـ 304، تجنب أوقات المرور الطويلة في نطاق التحسس دون إعادة تلدين للحل بعد اللحام إذا كان التطبيق حساسًا للهجوم بين الحبيبات.
- تتطلب لحامات 310S اهتمامًا بتوسع وتشوّه حراري بسبب السبائكية الأعلى وربما أقل تحملًا للإجهادات الناتجة عن التبريد السريع في القطاعات السميكة.
6. التآكل والحماية السطحية
- التآكل العام (في بيئات مائية عند درجة حرارة الغرفة):
- توفر 304 مقاومة جيدة للتآكل العام للعديد من بيئات الخدمة بما في ذلك الهواء والأحماض الضعيفة ومعالجة الأغذية.
- يقدم 310S مقاومة مماثلة أو محسنة قليلاً للتآكل العام، ولكن ميزته الأساسية هي الأداء العالي عند درجات الحرارة المرتفعة وليس تحسين مقاومة الحفر أو الفتحات في البيئات المائية الحاملة للكلورايد.
- مقاومة التآكل الحُفْرِي (Pitting resistance):
- رقم التكافؤ لمقاومة التآكل الحفري (PREN) مفيد عندما يكون محتوى Mo و N عاليًا: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- لا تحتوي درجات 304 ولا 310S على Mo، وكلاهما يحتوي على نسبة نيتروجين منخفضة—لذلك لا يُعد PREN مقياسًا قويًا للتمييز بينهما. من حيث مقاومة التآكل الحفري في البيئات المحتوية على الكلوريد، تعمل السبائك التي تحتوي على Mo مثل 316 بشكل أفضل.
- التآكل والأكسدة عند درجات الحرارة العالية:
- تمتلك 310S مقاومةً أفضل بشكل ملحوظ ضد الأكسدة والتقشير عند درجات الحرارة المرتفعة (مثل أجواء الأفران) بسبب محتواها الأعلى من Cr وNi التي تُثبّت الطبقات المؤكسدة الواقية.
- إذا لم تكن درجات الفولاذ المقاوم للصدأ مناسبة، تُطبق الحمايات السطحية النموذجية للفولاذ غير المقاوم مثل التغطية بالزنك (galvanizing)، الطلاء، البطانات، الدهان؛ أما بالنسبة لهذين المادتين، فتتركز الاعتبارات الوقائية على الحفاظ على السلبية (passivity) وتجنب التحسيس (sensitization).
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل:
- كلا الدرجتين قابلتان للتشكيل بشكل كبير في الحالة المُخوّمة (annealed). تُستخدم 304 على نطاق واسع في عمليات السحب العميق والتشكيل المعقد.
- تُستخدم 310S بشكل أقل في التشكيل الموسع بسبب محتواها العالي من السبائك الذي قد يزيد من معدل التقسية نتيجة العمل (work-hardening) وعودة الزنبرك (springback)؛ لكنها تبقى قابلة للتشكيل مع أدوات مناسبة ودورات تنعيم دقيقة.
- قابلية التشغيل (Machinability):
- تتصلب الفولاذات الأوستنيتية أثناء التشغيل مما يجعل تشغيلها أصعب مقارنة بالفولاذ الكربوني المنخفض.
- تعتبر 304 متوسطة قابلية التشغيل بالنسبة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ؛ ويُساعد التحكم في الرقاقات، التركيب الثابت، أدوات القطع ذات الميول الإيجابية، وإدخالات الكربيد في تحسين عملية التشغيل.
- تُعد 310S أكثر تحديًا على الأدوات بسبب محتواها الأعلى من النيكل وتقويتها بالسبائك؛ مما قد يتطلب سرعات قطع أبطأ وأدوات أكثر صلابة.
- التشطيب السطحي والتلميع:
- كلا الدرجتين تُلمّع بشكل جيد؛ تُستخدم 304 على نطاق واسع حيثما يُطلب تشطيب لامع. كما يمكن إنهاء 310S إلى معايير عالية لكن قد يظهر بعض الصعوبة الإضافية بسبب صلابة المادة.
8. التطبيقات النموذجية
| 304 (الاستخدامات الشائعة) | 310S (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| معدات معالجة الأغذية، الأجهزة المنزلية للمطبخ، أحواض ومعدات الطهي | مكونات الأفران، أجزاء المحارق، أنابيب الإشعاع، بطانات الأفران |
| معدات طبية وصيدلانية (غير زراعة) | حوامل المعالجة الحرارية، رفوف الأفران، أنابيب العمليات عند درجات حرارة عالية |
| خزانات تخزين المواد الكيميائية (لوسائط معتدلة العدوانية)، الألواح المعمارية | الخدمات البتروكيميائية ومصافي النفط عند درجات حرارة عالية، غرف الاحتراق |
| المثبتات، البراغي، والتجميعات الملحومة متعددة الأغراض | دعامات العزل عند درجات حرارة عالية، معدات الأفران، أفران إعادة التسخين |
مبررات الاختيار: - اختر 304 عندما تكون مقاومة التآكل عند درجات الحرارة المحيطة، والتكلفة الاقتصادية، والتوفر الواسع هي الاعتبارات الأساسية. - اختر 310S عندما تكون مقاومة القوة والثبات على درجات الحرارة العالية المستمرة، مقاومة الأكسدة، وانخفاض ترسيب الكربيدات عند الحرارة المرتفعة هي المتطلبات الحرجة.
9. التكلفة والتوفر
- التكلفة النسبية:
- 310S أغلى من 304 نظرًا لمحتواها الأعلى من النيكل والكروم.
- تتذبذب فروق الأسعار مع تقلبات أسواق النيكل والكروم العالمية؛ ويُعد محتوى النيكل هو العامل الرئيسي في التكلفة.
- التوفر:
- 304 هي واحدة من أكثر درجات الفولاذ المقاوم للصدأ توافرًا عالميًا بأشكال الألواح، الصفائح، القضبان، الأنابيب، والقطع.
- 310S متوفرة على نطاق واسع لكن بعض أشكال المنتجات (مثل الصفائح الكبيرة جدًا أو القطاعات الباردة التشكيل الخاصة) قد يكون لها فترات انتظار أطول أو مورّدون محدودون مقارنةً بـ 304.
10. الملخص والتوصية
جدول يلخص الموازنات الرئيسية:
| الخاصية | 304 | 310S |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة (تجنب التحسيس في الأنواع ذات الكربون العالي) | ممتازة (الكربون المنخفض يقلل من مخاطر التحسيس) |
| الصلابة والقوة-المرونة (درجة حرارة الغرفة) | جيدة، دكتايل ومرنة | مماثلة عند درجة حرارة الغرفة؛ أفضل احتفاظ بالقوة عند درجات الحرارة المرتفعة |
| مقاومة الأكسدة عند درجة حرارة عالية | معتدلة | ممتازة |
| التكلفة | أخفض | أعلى |
| التوفر | عالية جدًا | عالية، مع خيارات منتجات أقل أحيانًا |
التوصيات: - اختر 304 إذا: - كان الاستخدام في الغالب عند درجات حرارة محيطة إلى معتدلة الارتفاع. - تحتاج إلى توفر واسع، تكلفة أقل، ومقاومة عامة جيدة للتآكل (الأغذية، المعماري، المصانع العامة). - تتطلب عمليات تشكيل موسعة أو سحب عميق. - اختر 310S إذا: - كان المطلب الأساسي هو أداء مستدام عند درجات حرارة مرتفعة، مقاومة أكسدة، أو تحسين قوة الزحف (الأفران، معدات العمليات بدرجات حرارة عالية). - يجب تقليل مخاطر التحسيس في بيئة حرارة عالية ودورات حرارية. - ت قبول تكلفة أعلى مقابل عمر خدمة أفضل وتقليل التقشير.
ملاحظة نهائية: يجب أن يأخذ اختيار المادة بعين الاعتبار كامل ظروف الخدمة (الحرارة، الجو، الحمولة الميكانيكية، تصميم الوصلات، مسار التصنيع، وتكلفة دورة الحياة الكاملة). في حالة الشك للخدمات الحرجة ذات الحرارة المرتفعة أو البيئات القاسية، يُنصح بتأكيد الاختيار عبر اختبارات مقاومة التآكل، ومراجعة بيانات الزحف طويلة الأمد والأكسدة، والتشاور مع الموردين أو الاستشاريين المتخصصين في علم المعادن للتحقق من الملاءمة.