304 مقابل 321 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 304 و321 من بين الدرجات الأكثر شيوعًا في التصميم والتصنيع والتوريد. يقوم المهندسون والمحترفون في الشراء بوزن التبادلات بين مقاومة التآكل، واستقرار درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام، والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية تصنيع أوعية الضغط، ومعدات الطعام والشراب، ومكونات المبادلات الحرارية، والتجمعات الملحومة المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة.
الميزة الرئيسية المميزة هي أن إحدى الدرجات مستقرة ضد ترسيب كربيد الكروم من خلال الإضافة المتعمدة لمكون كربيدي، مما يحسن المقاومة للتآكل بين الحبيبات في نطاق التحسس من 425 إلى 870 درجة مئوية. نظرًا لأن الدرجتين تشتركان في مصفوفات الكروم والنيكل المماثلة، غالبًا ما يتم مقارنتهما من حيث التكلفة والفوائد الأداء الإضافية التي تقدمها الاستقرار في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية أو الملحومة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الدولية الشائعة:
- ASTM/ASME: 304 (UNS S30400 / ASTM A240)، 321 (UNS S32100 / ASTM A240)
- EN: 1.4301 (304)، 1.4541 (321)
- JIS: SUS304، SUS321
- GB (الصين): 06Cr19Ni10 (تقريبًا 304)، 0Cr18Ni9Ti (تقريبًا 321)
- التصنيف: كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ الأوستنيتي (مقاوم للصدأ)، غير مغناطيسي في الحالة المعالجة، وليس فولاذ كربوني أو سبائكي أو أدوات أو HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | 304 النموذجي (wt%) | 321 النموذجي (wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | 0.00–0.60 (عادة لا يوجد) | 0.00–0.60 (عادة لا يوجد) |
| V | — | — |
| Nb (Nb) | — (لم يضاف) | — (ليس مثبتًا أساسيًا؛ عادة لا يوجد) |
| Ti | — (عادة ≤ 0.10 إذا كان موجودًا) | 0.15–0.70 (مثبت) |
| B | — | — |
| N | أثر حتى ~0.10 | أثر حتى ~0.10 |
ملاحظات: - الجدول يسرد النطاقات التجارية الشائعة؛ الحدود الدقيقة تعتمد على المعيار المحدد وشكل المنتج. - تحتوي الدرجة 321 عمدًا على التيتانيوم في نطاق محدد لربط الكربون ككربيدات/نيتريدات التيتانيوم بدلاً من السماح بترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات. - استراتيجية السبائك: يوفر الكروم مقاومة للتآكل؛ يثبت النيكل الهيكل الأوستنيتي؛ يمنع التيتانيوم في 321 التحسس، مما يحسن مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو التعرض لدرجات حرارة عالية.
3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية
- الميكروهيكل النموذجي (المعالج): كلا الدرجتين أوستنيتيتان بالكامل مع حبيبات أوستنيت موزعة بشكل موحد. الكربيدات قليلة في 321 المستقرة بشكل صحيح وعادة ما تكون موزعة بشكل دقيق في 304 المعالجة.
- التحسس والاستقرار:
- 304 عرضة لترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات عندما يتم الاحتفاظ بها في نطاق 425–870 درجة مئوية (التحسس)، مما يمكن أن يعزز التآكل بين الحبيبات.
- تشكل 321 كربيدات/نيتريدات التيتانيوم التي تستهلك الكربون والنيتروجين بشكل تفضيلي، مما يقلل من تشكيل كربيد الكروم وبالتالي يقلل من القابلية للهجوم بين الحبيبات.
- استجابة المعالجة الحرارية:
- الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لا يقوى من خلال التبريد والتقسية كما هو معتاد في الفولاذ الفيريتك/البرليتي. المعالجة الحرارية (مثل 1010–1150 درجة مئوية حسب المواصفات) تليها التبريد السريع تستعيد مقاومة التآكل والليونة.
- العمل البارد يزيد من القوة عبر تصلب الإجهاد وقد يغير الأداء في التآكل؛ يتم استخدام الاستعادة/المعالجة لاستعادة الليونة.
- التطبيع غير قابل للتطبيق بنفس المعنى كما هو الحال بالنسبة للفولاذ الكربوني - تختلف المعالجة الحرارية والتبريد عن عمليات التطبيع/التبريد والتقسية المستخدمة لضبط الميكروهيكل في الفولاذ السبائكي.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية (المعالجة) | 304 النموذجي | 321 النموذجي |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~500–600 | ~500–600 |
| 0.2% إثبات / عائد (ميغاباسكال) | ~170–275 (عادة ≈205) | ~170–275 (عادة ≈205) |
| التمدد (% في 50 مم) | ~40–60 | ~40–60 |
| صلابة التأثير | جيدة في الظروف العادية؛ تحتفظ بالصلابة في درجات الحرارة المنخفضة المعتدلة | مماثلة لـ 304؛ تحتفظ بالصلابة في درجات حرارة الخدمة المرتفعة بشكل أفضل بسبب الاستقرار |
| الصلابة (برينيل / HB) | ~100 HB (~80–200 حسب تصلب العمل) | ~100 HB (مماثلة) |
تفسير: - في الحالة المعالجة، كلا الدرجتين لهما خصائص ميكانيكية أساسية متشابهة جدًا لأن كيمياء المصفوفة (أوستنيت Cr–Ni) قابلة للمقارنة. - العمل البارد أو تصلب الإجهاد يزيد بشكل ملحوظ من القوة والصلابة لكليهما. - الاستقرار مع التيتانيوم له تأثير ضئيل على قوة درجة الحرارة الغرفة ولكنه يحسن الأداء تحت الدورات الحرارية من خلال منع ترسيب كربيد الحدود الحبيبية الذي يمكن أن يجعل حدود الحبيبات هشة في 304 المتحسسة.
5. قابلية اللحام
- يعتبر كل من 304 و321 قابلين للحام بسهولة باستخدام العمليات الشائعة (GMAW/MIG، GTAW/TIG، SMAW). يساعد انخفاض محتوى الكربون في تجنب مشاكل تصلب معدن اللحام وتصدع الهيدروجين الشائعة في الفولاذات ذات الكربون العالي.
- اعتبارات اللحام:
- يمكن أن تكون 304 عرضة للتآكل بين الحبيبات في منطقة التأثير الحراري (HAZ) إذا كان التبريد بطيئًا عبر نطاق التحسس أو إذا كانت الخدمة تعرض التجمعات الملحومة لدرجات حرارة تحسسية.
- يثبت مثبت التيتانيوم في 321 الكربون، مما يقلل من ترسيب كربيد الكروم في HAZ؛ لذلك، يفضل 321 للمكونات الملحومة التي ستتعرض لدرجات حرارة مرتفعة لفترات طويلة.
- مؤشرات قابلية اللحام الشائعة (تفسير نوعي):
- معادل الكربون (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
يشير انخفاض $CE_{IIW}$ إلى سهولة اللحام؛ كلا الدرجتين لهما معادلات كربون منخفضة مقارنة بالفولاذات عالية السبائك. - رقم مقاومة التآكل (PREN) ليس مؤشرًا على قابلية اللحام ولكنه مفيد لتصنيف التآكل (انظر القسم التالي).
- معامل مبسط مشترك:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
يمكن أن يشير ارتفاع $P_{cm}$ إلى ميل أعلى للتصدع؛ يزيد التيتانيوم $P_{cm}$ قليلاً ولكنه يوفر استقرارًا مفيدًا ضد التحسس. - إرشادات عملية: بالنسبة للتصنيع العام حيث من غير المحتمل التعرض لدرجات حرارة مرتفعة بعد اللحام، فإن 304 مقبولة وفعالة من حيث التكلفة. بالنسبة للمكونات الملحومة التي ستعمل في أو تتعرض لدرجات حرارة التحسس، فإن 321 تقلل من خطر التآكل بين الحبيبات دون الحاجة إلى معالجة حرارية بعد اللحام.
6. التآكل وحماية السطح
- درجات الفولاذ المقاوم للصدأ:
- استخدم PREN لتقييم مقاومة التآكل عندما يتغير Mo وN:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
بالنسبة لـ 304 و321، فإن Mo وN منخفضان، لذا فإن قيم PREN متواضعة وكلاهما ليس مقاومًا للتآكل بشكل كبير مقارنةً بالفولاذات المزدوجة أو الفولاذات الفائقة الأوستنيتي. - التآكل العام: كلا الدرجتين تظهران مقاومة ممتازة للتآكل المائي العام عند درجات حرارة الغرفة بفضل محتواهما من الكروم.
- التآكل بين الحبيبات: يمكن أن تكون 304 عرضة بعد التعرض لدرجات حرارة التحسس؛ 321 مستقرة لتقليل هذا الخطر.
- الفولاذات غير المقاومة للصدأ:
- غير قابلة للتطبيق هنا؛ طرق حماية السطح الشائعة غير المقاومة للصدأ (التغليف، الطلاء) غير ذات صلة بـ 304/321 التي تهدف إلى توفير مقاومة للتآكل من خلال التركيب.
- عندما يكون الفولاذ المقاوم غير كافٍ:
- بالنسبة للبيئات الملوثة بالكلوريد أو حيث تكون التآكل مشكلة، اعتبر الدرجات المحتوية على Mo (مثل 316) أو السبائك المزدوجة/الفائقة الأوستنيتي.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عمومًا أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني بسبب تصلب العمل العالي وانخفاض الموصلية الحرارية.
- تتمتع 304 و321 بقابلية تشغيل قابلة للمقارنة؛ الأدوات المتخصصة، السرعات البطيئة، والتغذية الثقيلة هي الشائعة.
- قابلية التشكيل:
- تسمح الليونة الممتازة وقابلية التشكيل في الحالة المعالجة بالسحب العميق والتشكيل المعقد لكلا الدرجتين.
- الارتداد وتصلب العمل أكبر من الفولاذ العادي؛ خطط لترك مسافات للتشكيل والمعالجات المتوسطة للتشوه الشديد.
- تشطيب السطح:
- كلاهما يأخذ التشطيبات القياسية (التلميع، التمرير، التلميع الكهربائي) بشكل جيد. يتم استخدام التمرير بحمض النيتريك أو الحمض الستريك عادة لاستعادة أكسيد الكروم على السطح بعد التصنيع.
- اللحام والمعالجة اللاحقة:
- بالنسبة للتجمعات التي يجب أن تتجنب التحسس ولا يمكن معالجتها بالحل بعد اللحام، يمكن أن تلغي 321 الحاجة إلى معالجة حرارية مكلفة بعد اللحام.
8. التطبيقات النموذجية
| 304 — الاستخدامات النموذجية | 321 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| معدات الطعام والشراب، أدوات المطبخ، الأحواض | أنظمة عوادم الطائرات، المفاصل التمددية، ومكونات الأفران ذات درجات الحرارة العالية |
| معدات كيميائية للخدمات غير المحتوية على الكلوريد | أنابيب المبادلات الحرارية والتجمعات الملحومة المعرضة لدرجات حرارة 500–800 درجة مئوية |
| زخارف معمارية ودرابزينات داخلية | قنوات الغاز الساخن البتروكيماوية حيث يوجد خطر التحسس |
| أوعية الضغط وأنابيب العمل عند درجات حرارة الغرفة إلى المعتدلة | مكونات الطيران والصناعات ذات درجات الحرارة العالية التي تتطلب الاستقرار |
مبررات الاختيار: - اختر 304 حيث تكون مقاومة التآكل العامة، وقابلية التشكيل، والتكلفة هي المعايير الرئيسية وحيث من غير المحتمل التعرض لفترات طويلة لدرجات حرارة التحسس. - اختر 321 عندما تتعرض التجمعات الملحومة أو المكونات لدرجات حرارة دورية أو مستمرة في نطاق التحسس، أو حيث يكون التآكل بين الحبيبات بعد التعرض الحراري هو وضع فشل حرج.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية:
- 304 أكثر شيوعًا وعادة ما تكون أقل تكلفة من 321 بسبب حجم الإنتاج الأكبر وكيمياء أبسط.
- تتحمل 321 علاوة متواضعة لإضافة التيتانيوم ولأنها درجة خاصة ذات درجات حرارة عالية.
- التوافر حسب شكل المنتج:
- 304 متاحة على نطاق واسع في شكل صفائح، وألواح، ولفائف، وأنابيب، وقضبان، ومثبتات على مستوى العالم.
- 321 متاحة على نطاق واسع ولكن قد تكون أوقات التسليم وأحجام المخزون أصغر لبعض أشكال المنتجات (مثل الأنابيب الخاصة أو القوالب ذات القطر الكبير) مقارنةً بـ 304.
- اعتبارات الشراء:
- بالنسبة للمشاريع الكبيرة، تؤثر تقلبات الأسعار في أسواق النيكل على كلا الدرجتين؛ قد تظهر 321 حساسية أعلى قليلاً بسبب دورات الإنتاج الأكثر ضيقًا.
10. الملخص والتوصية
| السمة | 304 | 321 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة لمعظم التطبيقات؛ راقب خطر التحسس في HAZ | ممتازة؛ تقلل الكيمياء المستقرة من خطر التآكل بين الحبيبات بعد اللحام |
| القوة–الصلابة (المعالجة) | قابلة للمقارنة؛ صلابة جيدة وليونة | قابلة للمقارنة؛ صلابة مماثلة مع استقرار حراري محسّن |
| التكلفة | أقل (أكثر شيوعًا) | أعلى (درجة خاصة مستقرة بالتيتانيوم) |
التوصيات: - اختر 304 إذا: - كانت التطبيق يتطلب مقاومة للتآكل للاستخدام العام عند درجات حرارة الغرفة أو المعتدلة. - كانت التكلفة، والتوافر، وسهولة التشكيل/التشغيل هي القضايا الرئيسية. - لن تتعرض التجمعات الملحومة لفترات طويلة في نطاق التحسس من 425 إلى 870 درجة مئوية أو إذا كانت المعالجة الحرارية بعد اللحام ممكنة. - اختر 321 إذا: - كانت القطعة ستلحم وستعمل أو تتعرض بشكل متكرر لدرجات حرارة تعزز ترسيب كربيد الكروم (التحسس)، أو حيث تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام غير عملية. - كانت الاستقرار عند درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل بين الحبيبات أمرًا حاسمًا (مثل المبادلات الحرارية، وأنظمة العوادم). - كانت تكلفة المواد المرتفعة قليلاً مقبولة من أجل تقليل الصيانة وتحسين الاعتمادية على المدى الطويل.
ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين متينتان، ومستخدمتان على نطاق واسع من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. يعتمد القرار بين 304 و321 عادةً على ملف درجة حرارة التعرض للمكون وما إذا كان الاستقرار ضد التآكل بين الحبيبات (من خلال إضافة التيتانيوم) مبررًا لضمان الأداء على المدى الطويل بعد اللحام أو الدورات الحرارية.