304 مقابل 316 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من النوع 304 والنوع 316 من بين الدرجات الأكثر تحديدًا في الهندسة والمشتريات والتصنيع. عادةً ما تدور معضلة الاختيار للمهندسين ومديري المشتريات حول تحقيق توازن بين مقاومة التآكل مقابل التكلفة، وقابلية اللحام/التشكيل مقابل القوة والأداء على المدى الطويل في البيئات العدوانية. تشمل سياقات القرار النموذجية معدات معالجة الطعام، والمصانع الكيميائية، والهياكل البحرية، والمرافق الصيدلانية حيث يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار التعرض للكلوريد، وطرق التصنيع، وتكاليف دورة الحياة.
التمييز المعدني الأساسي بين هذين النوعين هو الإضافة المتعمدة لاستراتيجية سبائك تحتوي على الموليبدينوم في 316 التي تحسن مقاومة التآكل المحلي (التآكل النقطي وهجوم الشقوق) مقارنةً بـ 304. نظرًا لأن كلاهما أوستنيتي، فإنهما يشتركان في العديد من الخصائص الميكانيكية وخصائص التصنيع، ولهذا السبب يقارن المصممون عادةً بينهما عند تحديد الفولاذ المقاوم للصدأ للاستخدام العام في البيئات المتوسطة العدوانية.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الدولية الشائعة:
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (لوح، ورقة)، ASTM A312 (أنبوب)، ASTM A276 (قضبان)
- EN: سلسلة EN 10088 (الفولاذ المقاوم للصدأ)
- JIS: SUS304، SUS316 (المعايير الصناعية اليابانية)
- GB: 0Cr18Ni9 (304)، 0Cr17Ni12Mo2 (316) (معايير GB الصينية)
- التصنيف: كلا النوعين 304 و316 هما فولاذان مقاومان للصدأ الأوستنيتي (فئة الفولاذ المقاوم للصدأ). هما ليسا فولاذًا كربونيًا، أو فولاذ سبائك، أو فولاذ أدوات، أو فولاذ HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | النطاق/النوع النموذجي (wt%) — 304 | النطاق/النوع النموذجي (wt%) — 316 |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0–20.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 10.0–14.0 |
| Mo | — (عادة 0) | 2.0–3.0 |
| V | أثر | أثر |
| Nb (Cb) | أثر (غير موجود في 304 القياسية) | أثر (غير موجود في 316 القياسية) |
| Ti | أثر (غير موجود في 304 القياسية) | أثر |
| B | أثر | أثر |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
ملاحظات: - الفرق الرئيسي المقصود هو إضافة الموليبدينوم في النوع 316، الذي يستهدف تعزيز المقاومة للتآكل الناتج عن الكلوريد. - تقلل المتغيرات منخفضة الكربون (304L، 316L) من خطر التحسس أثناء اللحام والخدمة في درجات الحرارة العالية؛ تحتوي الدرجات المستقرة (مثل 321، 347) على Ti أو Nb لربط الكربون.
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يوفر الكروم الفيلم الأكسيدي الساكن (مقاومة التآكل العامة). - يثبت النيكل المرحلة الأوستنيتية، مما يحسن المتانة وقابلية التشكيل. - يعزز الموليبدينوم مقاومة التآكل المحلي (التآكل النقطي/الشقوق) ويزيد قليلاً من القوة في بعض الظروف. - يؤثر محتوى الكربون على القوة وسلوك ترسيب الكربيد (التحسس) أثناء الدورات الحرارية.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية النموذجية: كلا من 304 و316 هما أوستنيتيان بالكامل (مكعب مركزي الوجوه، fcc) في الحالة المعالجة حراريًا. هما غير مغناطيسيين بشكل أساسي في الحالة المعالجة حراريًا بالكامل.
- استجابات المعالجة الحرارية والمعالجة:
- التسخين الحلولي (النطاق النموذجي 1010–1120 درجة مئوية) يليه تبريد سريع يستعيد اللدونة ويذيب الترسبات.
- لا يمكن تقوية 304 أو 316 من خلال دورات التبريد والتقسية (لا يوجد تحول مارتنسيت للاستفادة منه)؛ تزداد القوة الميكانيكية بشكل أساسي من خلال العمل البارد (صلابة الإجهاد) أو من خلال تعزيز الحل الصلب من السبائك.
- يمكن أن يحدث التحسس (ترسيب كربيد الكروم) في نطاق 450–850 درجة مئوية بعد اللحام أو التبريد البطيء؛ هذا يستنفد الكروم محليًا ويزيد من خطر التآكل بين الحبيبات. استراتيجيات التخفيف: استخدم درجات منخفضة الكربون (L)، أو درجات مستقرة، أو قم بإجراء تسخين حلولي إذا كانت الخدمة تتطلب.
- تزيد المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة الباردة، السحب البارد) من القوة من خلال تصلب العمل ويمكن أن تقدم استجابة مغناطيسية خفيفة؛ يستعيد التسخين اللاحق الأوستنيت وقابلية التشكيل.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية (المعالجة حراريًا، الحد الأدنى النموذجي/المحدد) | النوع 304 | النوع 316 |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ≥ 515 (نموذجي) | ≥ 515 (نموذجي) |
| قوة الخضوع، 0.2% (ميغاباسكال) | ≥ 205 (نموذجي) | ≥ 205 (نموذجي) |
| التمدد (%) | ≥ 40% | ≥ 40% |
| صلابة التأثير | سلوك ممتاز لللدونة في درجات الحرارة العادية والمنخفضة؛ لا يتم تحديده عادةً | سلوك ممتاز لللدونة في درجات الحرارة العادية والمنخفضة؛ لا يتم تحديده عادةً |
| الصلابة (المعالجة حراريًا) | عادةً ≤ 95 HRB (تقريبًا) | عادةً ≤ 95 HRB (تقريبًا) |
التفسير: - في الحالة المعالجة حراريًا، الحد الأدنى لقوة الشد والخضوع متشابه لكلا النوعين؛ الفروق في القوة صغيرة وعادة ما تعتمد على المعالجة أو العمل البارد. - كلا النوعين مرنان وقويان؛ لا يوجد أي منهما أقوى بطبيعته من الآخر في الحالة المعالجة حراريًا. يزيد العمل البارد من القوة ويقلل من اللدونة بشكل مشابه لكليهما. - أي اختلافات طفيفة في السلوك الميكانيكي تعزى عادةً إلى تاريخ المعالجة (العمل البارد، المعالجة الحرارية) بدلاً من محتوى الموليبدينوم.
5. قابلية اللحام
- كلا من 304 و316 لهما قابلية لحام ممتازة مع عمليات اللحام القياسية. يساعد محتوى الكربون المنخفض (≤ 0.08) في الحد من صلابة و susceptibility cracking.
- يمكن أن توجه مؤشرات قابلية اللحام المعتمدة على المعادلات المعادلة للكربون والتركيب اختيار المواد المالئة وممارسات ما قبل/ما بعد اللحام. المعادلات التجريبية الشائعة:
- $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
- $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
- التفسير النوعي:
- تسقط كلا النوعين عمومًا في نطاق "قابلية اللحام الجيدة"; يفضل استخدام المتغيرات منخفضة الكربون (L) حيث تكون التآكل بين الحبيبات مصدر قلق بعد اللحام.
- استخدام معدن ملء مطابق من النوع 316 شائع عند لحام معدن قاعدة 316 للحفاظ على مقاومة التآكل؛ بالنسبة لـ 304، تكون المعادن المالئة 308 نموذجية.
- نادراً ما تكون معالجة التسخين الحلولي بعد اللحام مطلوبة لـ 304/316 في معظم التطبيقات ما لم تتطلب ظروف الخدمة استعادة كاملة لمقاومة التآكل في المكونات المتحسسة. بالنسبة للبيئات الغنية بالكلوريد، يُوصى باختيار 316L أو استخدام درجات مستقرة لتجنب التحسس.
6. التآكل وحماية السطح
- كفولاذ مقاوم للصدأ، يعتمد كلاهما بشكل أساسي على فيلم أكسيد الكروم الساكن لمقاومة التآكل العامة. يمكن أن تحسن المعالجات السطحية (التمرير، النقع) من جودة وطول عمر الفيلم الساكن.
- بالنسبة للبيئات العدوانية (الغنية بالكلوريد، البحرية، العمليات الكيميائية)، يوفر النوع 316 مقاومة متفوقة للتآكل المحلي (التآكل النقطي والشقوق) بسبب إضافة الموليبدينوم.
- رقم مقاومة التآكل النقطي (PREN) هو مؤشر شائع: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- باستخدام التركيبات النموذجية، يكون PREN للنوع 304 تقريبًا في العشرينات العليا (≈ 18–19)، بينما يقع النوع 316 عادةً في منتصف العشرينات (≈ 24–26). يشير PREN الأعلى إلى مقاومة أفضل للتآكل النقطي في البيئات الغنية بالكلوريد.
- عندما لا يكون الفولاذ المقاوم للصدأ مناسبًا أو بالنسبة للفولاذ الكربوني/السبائكي، فإن استراتيجيات الحماية التقليدية هي الجلفنة، والطلاء، وطلاءات أخرى؛ مثل هذه الطرق خارج الاستخدام النموذجي لـ 304/316 التي يتم اختيارها غالبًا لتجنب صيانة الطلاء.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل: كلا النوعين لهما قابلية تشكيل ممتازة في الحالة المعالجة حراريًا؛ 304 أكثر شيوعًا قليلاً للتشكيل العميق والتشكيل المعقد بسبب توفره الواسع وسلوكه المتوقع.
- قابلية التشغيل: تعمل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي على تصلب العمل بسهولة؛ يميل 316 إلى أن يكون أكثر صعوبة قليلاً في التشغيل من 304 لأن الموليبدينوم يمكن أن يزيد من تآكل الأدوات و316 يتصلب أكثر. استخدم أدوات قوية، هندسة حادة، ومعدلات تغذية أعلى مع تشحيم كافٍ لتقليل حافة البناء.
- التشطيب: كلاهما يتألق جيدًا؛ قد يتطلب 316 كيمياء نقع/تمرير مختلفة قليلاً في البيئات العدوانية لتحسين الفيلم الساكن.
8. التطبيقات النموذجية
| النوع 304 — الاستخدامات النموذجية | النوع 316 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| معدات معالجة الطعام، أدوات المطبخ، الزخارف المعمارية، تخزين المواد الكيميائية (بيئات معتدلة)، مكونات HVAC | الأجهزة البحرية، المبادلات الحرارية، معدات العمليات الصيدلانية، المعالجة الكيميائية مع الكلوريدات، العناصر المعمارية الساحلية |
| الزخارف التزيينية، الأحواض المنزلية، معدات المشروبات | الأدوات الجراحية، الأجهزة الطبية (عندما تكون مقاومة التآكل الأعلى مطلوبة)، مكونات التحلية |
| أنابيب عامة، أنابيب، مسامير في بيئات غير غنية بالكلوريد | المسامير، المضخات، والصمامات المعرضة لمياه البحر أو تيارات العمليات الغنية بالكلوريد |
مبررات الاختيار: - اختر 304 حيث تكون مقاومة التآكل العامة، وقابلية التشكيل، وقابلية اللحام، والتكلفة المنخفضة هي الأولويات ويكون التعرض للكلوريد محدودًا. - اختر 316 حيث تشمل بيئة الخدمة الكلوريدات، أو الهاليدات، أو وسائل أخرى تعزز التآكل النقطي والشقوق، أو حيث يبرر محتوى السبائك الأعلى عمرًا أطول وصيانة أقل.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: 316 عمومًا أكثر تكلفة من 304 بسبب محتوى النيكل الأعلى وإضافة الموليبدينوم. تتقلب الأسعار مع قيم سوق النيكل والموليبدينوم.
- التوافر: كلا النوعين متاحان على نطاق واسع في شكل صفائح، وألواح، ولفائف، وقضبان، وأنابيب، وأنابيب. عادةً ما يكون 304 له قاعدة إمداد أوسع وتوافر مخزون؛ 316 متوفر على نطاق واسع ولكن قد يكون له وقت تسليم أطول قليلاً أو أكثر تكلفة في أشكال المنتجات المتخصصة أو الكميات الكبيرة.
10. الملخص والتوصية
| السمة | النوع 304 | النوع 316 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة (استخدم المتغيرات L إذا كان هناك خطر التحسس) | ممتازة (استخدم المتغيرات L أو مواد ملء مطابقة لأفضل أداء ضد التآكل) |
| القوة–المتانة | جيدة، مشابهة؛ الخصائص تعتمد على العمل البارد | جيدة، مشابهة؛ الخصائص تعتمد على العمل البارد |
| التكلفة | أقل (أكثر اقتصادية) | أعلى (محتوى موليبدينوم ونيكل أعلى) |
التوصية: - اختر 304 إذا كانت: الخدمة غير غنية بالكلوريد أو معتدلة التآكل، وكانت الحساسية للتكلفة كبيرة، وكانت قابلية التشكيل/اللحام الممتازة مطلوبة لمعدات الاستخدام العام (مثل معالجة الطعام، التركيبات المنزلية، التطبيقات المعمارية). - اختر 316 إذا كانت: المكون سيواجه بيئات تحتوي على الكلوريدات (البحرية، الساحلية، أو تيارات العمليات الغنية بالكلوريد)، حيث تبرر مقاومة التآكل المحسنة ضد التآكل النقطي والشقوق التكلفة الأعلى للمواد؛ اختر أيضًا 316 للعديد من التطبيقات الصيدلانية والكيميائية حيث تكون موثوقية الخدمة في وسائل عدوانية أمرًا حاسمًا.
ملاحظة نهائية: حدد المتغيرات منخفضة الكربون (L) أو المستقرة والمعادن المالئة المناسبة عندما قد تتسبب دورات اللحام أو التعرض لدرجات الحرارة العالية في التحسس. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، قم بإجراء تقييم مخاطر التآكل المحدد للموقع (بما في ذلك تركيز الكلوريد، ودرجة الحرارة، وأشكال الشقوق، والتعرض الدوري) لتأكيد اختيار الدرجة واعتبر استخدام الفولاذ الأوستنيتي المزدوج أو الأكثر سبائكًا عند الضرورة.