304 مقابل 321 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و321 هما من أكثر الدرجات الأوستنيتية استخدامًا في الصناعة. غالبًا ما يأخذ المهندسون ومدراء المشتريات ومخططو التصنيع في الاعتبار مقاومة التآكل، والثبات عند درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام، والتكلفة عند الاختيار بينهما. يتمحور قرار الاختيار عادة حول ما إذا كان التركيز على مقاومة التآكل العامة والكفاءة من حيث التكلفة (304) أو مقاومة ترسيب الكربيدات والهجوم بين الحبيبات عند درجات الحرارة المرتفعة (321).

الفرق المعدني الرئيسي هو أن 321 مستقر بإضافة التيتانيوم الذي يرتبط بالكربون على شكل كربونيتريدات، مما يحسن بشكل ملحوظ مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد التعرض لمدى درجات حرارة التحسيس. ولأن كلاهما أوستنيتي، غالبًا ما تتم مقارنتهما في التطبيقات مثل الأنابيب، والخزانات، والمبادلات الحرارية، والمكونات المصنعة المستخدمة في ظروف قد تتعرض لدرجات حرارة مرتفعة واللحام.

1. المعايير والمسميات

• 304
• المسميات الشائعة: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10
• النوع: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي (غير مقاوم)
• المعايير ذات الصلة: ASTM A240 (ألواح)، ASTM A276 (قضبان)، ASTM A312 (أنابيب)، ASME SA-240، EN 10088
• 321
• المسميات الشائعة: AISI 321, UNS S32100, EN 1.4541 (أو المتغيرات 1.4541/1.4878)، JIS SUS321، GB 06Cr19Ni10Ti
• النوع: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي مستقر بالتيتانيوم
• المعايير ذات الصلة: ASTM A240، ASTM A312، ASME SA-240، EN 10088

كلاهما مصنف كفولاذ أوستنيتي مقاوم للصدأ؛ ولا يصنفا كفولاذ كربوني، أو فولاذ للآلات، أو فولاذ عالي القوة منخفض السبيكة (HSLA).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبك

الجدول أدناه يوضح نطاقات التركيب النموذجية (بالوزن %) وفقًا للمعايير الشائعة الاستخدام. الحدود الدقيقة تعتمد على المعايير المحددة وأشكال المنتجات؛ والقيم المدرجة تمثل القيمة النموذجية.

العنصر	304 (النطاق النموذجي، وزن %)	321 (النطاق النموذجي، وزن %)
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	17.0–19.0
Ni	8.0–10.5	9.0–12.0
Mo	— (0)	— (0)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	min(5 × C, 0.70) (غالبًا 0.20–0.70)
B	—	—
N	عادة ≤ 0.10	عادة ≤ 0.10

ملخص استراتيجية السبك: - الكروم والنيكل يشكلان مصفوفة أوستنيتية مستقرة ويوفران مقاومة عامة للتآكل. كما يحسن النيكل المتانة وقابلية التشكيل. - التيتانيوم في 321 يشكل بشكل تفضيلي كربيدات/نترات التيتانيوم (TiC، TiN) التي تمنع ترسيب كربيدات الكروم عند حدود الحبوب عند تعرض الفولاذ لدرجات حرارة تحسيس (حوالي 450–850 °C). هذه الاستقرارية تقلل من القابلية للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو الخدمة الطويلة عند درجات حرارة مرتفعة. - الحد من الكربون إلى نسب منخفضة يقلل من قوة دفع ترسيب الكربيدات؛ ففي 304L (304 منخفض الكربون) يوفر المتغير "L" طريقة أخرى لتقليل التحسيس بدون تثبيت.

3. التركيب المجهري واستجابة المعالجة الحرارية

• التركيب المجهري النموذجي: كلا من 304 و321 أوستنيتيان بالكامل (مركزي الوجهة مكعبية) في الحالة المبيضة. يحتويان على نسبة قليلة من دلتا فيريت حسب الانصهار والمعالجة، إلا أن المصفوفة الأساسية هي أوستنيت.
• الاستجابة للدورات الحرارية:
• المبيّض: التبييض بالانحلال (مثلاً 1010–1150 °C حسب نوع المنتج) يقوم بإذابة الكربيدات وتوحيد التركيب. يستخدم التبريد السريع لتجنب التحسيس، لكن 321 أقل حساسية بسبب تكوين التيتانيوم للكربيدات المستقرة.
• اللحام: التسخين الموضعي في مدى 450–850 °C قد يسمح بترسيب كربيدات الكروم عند حدود الحبوب في الدرجات غير المثبتة. التيتانيوم في 321 يرتبط بالكربون والنيتروجين، مما يحد من تشكل كربيدات الكروم ويحافظ على مقاومة التآكل بين الحبيبات.
• المعالجة الحرارية الميكانيكية: يزيد العمل البارد من كثافة الانزلاقات وقد يؤدي إلى ترسيب مارتنسيت ناتج عن الإجهاد في بعض الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (أقل شيوعًا في الدرجات المثبتة بالكامل). كلا الدرجتين يمكن تعتيقهما بالعمل؛ وتحدث عملية الاستشفاء عند التسخين.
• طرق المعالجة الحرارية مثل التنعيم، التبريد السريع والتلطيف غير شائعة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي للتقوية — فتقويتهما تتم عبر التعتيق والعمل البارد؛ ترسيب الذواذ غير مطبق في 304/321.

4. الخواص الميكانيكية

الخصائص التالية نموذجية للحالة المبيضة؛ يتأثر القيم بشكل كبير بنوع المنتج (ورقة، لوح، قضيب)، السماكة، والمعيار.

الخاصية (مبيضة)	304 (نموذجي)	321 (نموذجي)
مقاومة الشد (UTS)	500–750 MPa	500–750 MPa
مقاومة الخضوع عند 0.2%	205–310 MPa	205–310 MPa
الاستطالة (في 50 مم)	≥ 40%	≥ 40%
امتحان شاربي للصدمات (درجة حرارة الغرفة)	جيد؛ انكسار بلاستي، طاقة ممتصة عالية	مشابه لـ 304؛ يحتفظ بالمتانة عند درجات الحرارة المرتفعة
الصلادة (HB)	~150–220 HB حسب العمل البارد	~150–220 HB حسب العمل البارد

التفسير: - في الحالة المبيضة، تمتلك 304 و321 خصائص شد، خضوع، وليونة متقاربة جدًا لأن تركيب مصفوفتهما الكيميائي مشابه إلى حد كبير. الاختلافات في الأداء الميكانيكي عادة ما تكون طفيفة وتكون أقل أهمية من تأثير تاريخ المعالجة (العمل البارد) أو شكل المنتج. - المتانة مرتفعة لكلاهما في درجات الحرارة المحيطة؛ ويحافظ كلاهما على مقاومة صدمات معقولة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة. تزداد القوة مع العمل البارد لكلا الدرجتين.

5. قابلية اللحام

يُعتبر كلا من 304 و321 قابلين للحام بسهولة بممارسة اللحام المعيارية على الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. اعتبارات اللحام: - محتوى الكربون والاستقرار: زيادة محتوى الكربون تزيد من خطر ترسيب كربيدات الكروم في منطقة التأثير الحراري (HAZ). التيتانيوم في 321 يقلل هذا الخطر بتكوين TiC/TiN، وهذا مهم خصوصًا في حال التعرض الحراري بعد اللحام أو الخدمة الطويلة عند درجات حرارة تحسيس.

- الصلادة منخفضة؛ الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي غير قابل للتصلب بالتبريد المفاجئ؛ يجب إدارة مخاطر تشققات الهيدروجين وتشققات التصلب باستخدام أقطاب ملحومة مناسبة وتقنيات صحيحة.

استخدام مؤشرات قابلية اللحام (إرشادات نوعية): - مثال على مكافئ الكربون للحام: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ تساعد هذه الصيغة في توقع القابلية للتشقق البارد والحاجة لمعالجة حرارية قبل أو بعد اللحام في الفولاذ. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، فإن القيمة المطلقة لـ CE أقل تطبيقاً مباشراً، لكن المنهج يبرز تأثير عناصر السبيكة على سلوك اللحام. - معلمة موسعة مستخدمة في الفولاذ المقاوم للصدأ: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ يستخدم $P_{cm}$ لتقدير ميل تكون الفواصل البينية أو دلتا فيريت في اللحامات؛ التفسير النوعي يشير إلى أن الإضافات الصغيرة من التيتانيوم (كما في 321) تغير توازن الأطوار في منطقة التأثير الحراري ومعدن اللحام.

الاعتبارات العملية: - استخدم أقطاب ملحومة ملائمة أو منخفضة الكربون لتطبيقات 304 لتجنب التحسيس (مثل ER308L للحام 304). - عند ربط 304 الذي سيخدم ضمن مدى درجات حرارة التحسيس، يُنصح باستخدام قاعدة 321 أو 304L منخفض الكربون أو أقطاب ملحومة مستقرة، حسب التطبيق والتكلفة.

6. مقاومة التآكل وحماية السطح

• للدرجات المقاومة فقط (304، 321):
• تُحكم مقاومة التآكل العامة بشكل كبير بمحتوى الكروم واستمرارية فيلم أكسيد الكروم السالب Cr2O3. لا يحتوي أي من الدرجة على الموليبدينوم، لذا مقاومة التآكل الحُفري في بيئات الكلوريد محدودة مقارنة بالدرجات التي تحتوي على Mo.
• رقم مكافئ مقاومة الحفر (PREN) ليس محددًا بشكل واضح هنا لأن مساهمات Mo وN ضئيلة أو غائبة؛ للمرجعية: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لدرجة 304/321 (Mo = 0)، PREN يعادل محتوى الكروم بالإضافة إلى أي تأثير صغير للنيتروجين — وكلا الدرجتين لهما PREN متقارب.

التآكل بين الحبيبات: 304 معرضة للهجوم بين الحبيبات بعد التعرض لنطاق التمهّد إذا كان هناك وجود للكربون وتكون كربيدات على حدود الحبيبات. التيتانيوم في 321 يعمل على استقصاء الكربون وتقليل هذا النمط من التآكل، مما يجعل 321 مفضلة للمكونات الملحومة أو المكونات المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة مستمرة.

للصلب غير المقاوم للصدأ (غير قابل للتطبيق هنا): الحمايات الشائعة تشمل التغطية بالزنك، والطلاء، والطبقات الواقية — وهذه غير ذات صلة باختيار 304/321 إلا في حال استخدام أنظمة مواد مختلطة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع وقابلية التشغيل:
• الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عادة ما يكون أصعب في التشغيل مقارنة بالصلب الكربوني بسبب تقسية العمل وانخفاض التوصيل الحراري. في الممارسة العملية، 304 أسهل قليلاً في التشغيل من 321، لكن الفروقات طفيفة.
• استخدم إعدادات صلبة، وأدوات حادة، ومعدلات تغذية أعلى، وسائل تبريد مناسبة لتقليل تقسية العمل.
• قابلية التشكيل والثني:
• كلا الدرجتين لديهما قابلية تشكيل ممتازة في الحالة المبلورة (المخمرة)، ويمكن سحبها عميقاً وتشكيلها. استقرار التيتانيوم في 321 يمكن أن يقلل قليلاً من التعرض لتأثيرات شيخوخة الاجهاد في بعض الحالات لكنه لا يغير بشكل جوهري قابلية التشكيل لمعظم العمليات.
• التشطيب السطحي:
• كلاهما يستجيب بشكل جيد للتلميع والتلميع الكهربائي؛ يجب ملاحظة أن الطحن أو اللحام يتطلبان معالجة التمرير بعد العملية لاستعادة مقاومة التآكل في التطبيقات الحرجة.

8. التطبيقات النموذجية

304 — الاستخدامات النموذجية	321 — الاستخدامات النموذجية
معدات تجهيز الأغذية، أجهزة المطبخ، الأحواض، وأدوات الطعام	مشعات العادم في الطائرات والمكونات المحركية في صناعة الطيران والفضاء
معدات العمليات الكيميائية غير المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة مستمرة	مكونات الأفران والتسخين، المبادلات الحرارية التي تعمل في درجات حرارة مرتفعة
التشطيبات المعمارية، الدرابزين، الاستخدامات التجميلية	وصلات التمدد، الأكمة، والتوصيلات في خدمات البتروكيماويات ذات درجات حرارة عالية
المثبتات، النوابض، وتشطيبات السيارات	مكونات الأوتوكلاف والبخار حيث يكون التمهّد مصدر قلق
الأنابيب العامة والخزانات للماء والمواد الكيميائية الخفيفة	الأنابيب في الخدمة ذات درجات حرارة عالية؛ التجميعات الملحومة حيث من المحتمل التمهّد في منطقة تأثير اللحام (HAZ)

مبررات الاختيار: - اختر 304 لمقاومة التآكل العامة الحساسة للتكلفة وحيث تبقى درجات حرارة التشغيل أقل من نطاق التمهّد أو حيث يتم تحديد 304L منخفض الكربون للهياكل الملحومة. - اختر 321 حيث تتعرض التجميعات الملحومة أو المكونات لدرجات حرارة متكررة أو مستمرة في نطاق التمهّد ويجب تقليل خطر التآكل بين الحبيبات، أو حيث يلزم مقاومة الأكسدة في درجات حرارة مرتفعة متوسطة.

9. التكلفة والتوفر

• التكلفة: 321 عادة ما يكون سعرها أعلى بشكل معتدل من 304 بسبب إضافات التيتانيوم وانخفاض حجم الطلب. يختلف الفرق حسب ظروف السوق وشكل المنتج.
• التوفر: كلا الدرجتين متوفرين على نطاق واسع في الألواح، الصفائح، اللفات، الأنابيب، الأنبوب، والقضبان. 304 أكثر شيوعاً عالمياً، لذا فإن أوقات التوريد ومرونة المصادر أفضل عادةً لـ304 مقارنة بـ321، خصوصاً في أشكال المنتجات المتخصصة.
• نصيحة الشراء: للمشاريع الكبيرة، حدد التشطيب، شكل المنتج، وأي متطلبات شهادة مبكراً؛ فكر في 304L كبديل لـ321 عندما يكون القلق الرئيسي هو التمهّد في اللحام والسيطرة على التكلفة.

10. الملخص والتوصية

الخاصية	304	321
قابلية اللحام	ممتازة مع الاحتياطات العادية؛ استخدم حشوة منخفضة الكربون للتحكم في التمهّد	ممتازة؛ الاستقرار يقلل من خطر التمهّد في منطقة تأثير اللحام (HAZ)
القوة – المتانة (المخمرة)	متانة عالية، ليونة جيدة؛ قوة مشابهة لـ321	متانة وقوة مماثلة؛ استقرار أفضل بعد التعرض لدرجات حرارة عالية
التكلفة	أقل (أكثر شيوعاً)	أعلى (مثبت بالتيتانيوم)

الخلاصة والإرشادات العملية: - اختر 304 إذا كنت تحتاج إلى فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي فعال من حيث التكلفة للأغراض العامة للخدمة في درجات حرارة المحيطة، أو بيئات الأغذية والمشروبات، أو حالات يمكن التحكم فيها باللحام باستخدام حشوات منخفضة الكربون أو حيث يكون التلدين بعد اللحام ممكنًا. - اختر 321 إذا كانت القطعة ستلحم ثم تتعرض لدرجات حرارة في نطاق التمهّد (مثل 450–850 °C) أو إذا كان يجب أن تتحمل تكرار دورات الحرارة أو خدمة حرارة مرتفعة طويلة حيث يمكن أن تؤدي ترسيبات الكربيد إلى تقليل مقاومة التآكل والثبات الميكانيكي.

ملاحظة ختامية: يجب أن يأخذ اختيار المادة بعين الاعتبار ظروف الخدمة الدقيقة (ملف درجات الحرارة، المواد الكيميائية الموجودة، حالة الإجهاد، وطريقة التصنيع). وإذا كان هناك شك، استشر بيانات اختبار التآكل أو مهندس المعادن وعند الضرورة حدد الاختبارات (مثل اختبارات التآكل بين الحبيبات) أو اختر سبائك منخفضة الكربون أو مثبتة لتقليل خطر التمهّد.