304 مقابل 347 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

المقدمة

النوع 304 والنوع 347 هما من أكثر درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتيك استخدامًا في الصناعة. غالبًا ما يُقيّم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع التوازن بين تكلفة المواد الأولية، ومقاومة التآكل (وخاصة بعد اللحام)، وقابلية اللحام، وقوة الخدمة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات اتخاذ القرار النموذجية معدات الأغذية والمشروبات، خطوط المعالجة الكيميائية، التطبيقات المعمارية، والتجميعات الملحومة المعرضة لدرجات حرارة مرتفعة.

الفرق الميتالورجي الرئيسي هو أن النوع 347 يحتوي عمدًا على عنصر مثبت يرتبط بشكل تفضيلي مع الكربون، مما يمنع تكوّن كربيدات الكروم خلال التبريد البطيء أو اللحام. هذه المثبتة تقلل خطر استنفاد الكروم بين الحبيبات والتآكل المرتبط به، وهو السبب الرئيسي الذي يجعل المصممين يقارنون بين النوعين 304 و347 عند النظر في اللحام والتعرض للحرارة.

1. المعايير والتسميات

المعايير الكبرى والتسميات الدولية الشائعة:

• ASTM/ASME: النوع 304 (UNS S30400)، النوع 347 (UNS S34700). المواصفة الشائعة للمنتجات: ASTM A240 (ألواح، صفائح).
• EN: 1.4301 (304)، 1.4550 / 1.4552 غالبًا ما تُشير إلى الدرجات المثبتة (متغيرات 347).
• JIS: SUS304 تعادل 304؛ SUS347 تعادل 347.
• GB (الصين): 0Cr18Ni9 (تقريبًا 304)، 0Cr18Ni10Nb (تقريبًا 347).

التصنيف: كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ (أوستنيتيك). وليس فولاذ كربوني، أو سبائكي، أو فولاذ أدوات، أو فولاذ عالي القوة منخفض الكربون (HSLA).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائكية

يوضح الجدول التالي نطاقات التكوين النموذجية (بالوزن %) للدرجات التجارية ذات الحالة المطفأة. النطاقات تعكس مواصفات ASTM/EN الشائعة والممارسات التجارية؛ والحدود الدقيقة تعتمد على المواصفة ونوع المنتج.

العنصر	304 (النطاق النموذجي، بالوزن %)	347 (النطاق النموذجي، بالوزن %)
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 0.75	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	18–20	17–19
Ni	8–10.5	9–13
Mo	~0	~0
V	— أثر ضئيل	— أثر ضئيل
Nb (نيوبيم)	— ضئيل جدًا	~0.10–1.0
Ti (تيتانيوم)	— ضئيل جدًا	يوجد أحيانًا بكميات صغيرة في المتغيرات الخاصة
B	— أثر ضئيل	— أثر ضئيل
N	≤ ~0.10	≤ ~0.10

تأثير السبائكية على السلوك: - الكروم (Cr) يوفر خاصية مقاومة الصدأ بتشكيل طبقة أكسيد خاملة. - النيكل (Ni) يثبت البنية الأوستنيتية ويحسن المتانة وقابلية التشكيل. - الكربون (C) يزيد القوة لكنه يمكن أن يتحد مع الكروم ليشكل كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات عند التبريد البطيء، مما يسبب استنفادًا موضعيًا للكروم. - النيوبيم (Nb) في 347 يرتبط بالكربون على شكل كربيدات النيوبيم (NbC أو (Nb,Ti)C) لمنع ترسيب كربيدات الكروم—وهي الاستراتيجية الأساسية للتثبيت في 347. - انخفاض أو غياب الموليبدينوم يجعل كلا الدرجة أقل مقاومة للتآكل الموضعي من خلال الثقوب الناتجة في بيئات تحتوي على كلوريد مقارنة بسمات أوستنيتية تحمل Mo.

3. البنية المجهرية والاستجابة للمعالجة الحرارية

البنية المجهرية: - كلا الدرجتين أوستنيتيتان بالكامل (شبكة مكعبة مركزية الوجه) في الحالة المطفأة. المصفوفة دكتيلية مع متانة عالية عند درجات الحرارة العادية وتحت الصفر. - في 304، يمكن أن يسمح التبريد البطيء خلال نطاق التحسس (تقريبًا 450–850 °C) بتكوّن كربيدات غنية بالكروم (Cr23C6) عند حدود الحبيبات، مما يُنتج مناطق مستنفدة من الكروم وعرضة للتآكل بين الحبيبات. - في 347، يشكل النيوبيم جسيمات مستقرة من كربيد النيوبيم أو كربونيتريد تستهلك الكربون تفضيليًا وتمنع تكوين Cr23C6 الكبير عند حدود الحبيبات. هذا يحافظ على استمرارية الكروم ويقلل من الهجوم بين الحبيبات بعد اللحام أو التبريد البطيء.

الاستجابة للمعالجة الحرارية: - الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتيك لا يتصلب بالمعالجة بالتبريد والتمبينغ مثل الفولاذ الفريتيني أو المارتنسيتي. التلدين بالحل (الذي يتم عادة عند حوالي 1,000–1,100 °C متبوعًا بتبريد سريع) يذيب الرواسب ويستعيد مقاومة التآكل. - بالنسبة لـ 304: يُجرى تلدين بالحل إذا تعرضت المادة لدرجات حرارة التحسس لإعادة إذابة كربيدات الكروم ثم تُبرّد بسرعة لتجنب إعادة ترسيبها. - بالنسبة لـ 347: التثبيت يقلل الحاجة للتلدين لمنع التحسس بعد اللحام أو التبريد البطيء، مع ذلك يُستخدم التلدين أحيانًا لتنظيف الرواسب الناتجة عن التصنيع أو لتلبية متطلبات خواص محددة. - العمل على البارد يزيد كثافة الانزلاقات ويمكن أن ينتج تصلبًا ملحوظًا بسبب التشوه؛ وفي ظروف معينة، يمكن أن يتكون المارتينسيت المحفز بالشد في 304 أثناء التشوه البارد الثقيل، مما يزيد القوة لكنه يقلل اللدونة. يمكن أن تُظهر الدرجات المثبتة سلوكًا مختلفًا قليلاً في التصلب بالعمل لكنها تظل أوستنيتية.

4. الخواص الميكانيكية

تختلف الخواص الميكانيكية النموذجية للحالة المطفأة حسب شكل المنتج (صفائح، ألواح، قضبان) والشركة المصنعة. يوضح الجدول نطاقات ممثلة للحالات المطفأة الشائعة؛ وينبغي للمستخدمين تحديد اختبارات الخواص الميكانيكية المطلوبة عند الشراء.

الخاصية (في الحالة المطفأة، نموذجية)	304	347
مقاومة الشد (UTS)	~480–700 MPa	~480–700 MPa
مقاومة الخضوع (نسبة انسياب 0.2%)	~205–310 MPa	~205–310 MPa
الاستطالة (في 50 مم)	~40–60%	~40–60%
متانة الصدمة (شاربي)	ممتازة، تحافظ على المتانة عند درجات حرارة منخفضة	ممتازة، تحافظ على المتانة عند درجات حرارة منخفضة
الصلادة (برينيل/روكويل ب)	متوسطة (ناعمة في الحالة المطفأة)	مماثلة للنوع 304

التفسير: - في الحالة المطفأة، تتمتع الدرجتان بخصائص ميكانيكية متشابهة جدًا لأن المصفوفة الأساسية هي فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي. الفروقات في القوة أو المتانة عادة ما تكون صغيرة وتُعزى للعمل البارد، تاريخ التصنيع، أو مستويات السبائكية المحددة (مثل زيادة طفيفة في النيكل في بعض متغيرات 347). - يمكن للعمل البارد رفع القوة بشكل ملحوظ أثناء عمليات التشكيل؛ ويجب أخذ جداول التشكيل والمعالجة بعد التشكيل في الاعتبار عند الاختيار.

5. قابلية اللحام

قابلية لحام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتيك عمومًا ممتازة مقارنة بالفولاذ الكربوني العالي؛ ومع ذلك يختلف القابلية للتحسس بعد اللحام.

مؤشرات القابلية للحام المستخدمة غالبًا: - المكافئ الكربوني (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (مكافئ كربوني أكثر حساسية للحام للصلب المحتوي على عدة عناصر سبائكية): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

تفسير نوعي: - يتميز كلا 304 و347 بمحتوى كربون منخفض ونيكل متوسط، مما يوفر قابلية لحام جيدة مع معظم العمليات الشائعة (GTAW/TIG, GMAW/MIG, SMAW). - قد يكون 304 معرضًا للتآكل بين الحبيبات إذا أدى اللحام إلى تبريد بطيء عبر نطاق التحسس؛ يُستخدم التلدين بالحل بعد اللحام أو استخدام المتغيرات منخفضة الكربون (304L) كحلول شائعة. - يقلل عنصر التثبيت في 347 من خطر التحسس بعد اللحام لأن الكربون يرتبط بجسيمات نيوبيمية بدلاً من كربيدات الكروم. لذلك، في التطبيقات التي تتطلب لحامًا كثيفًا، أو تعرضًا طويلًا لدرجة حرارة التحسس، أو يصعب فيها إجراء معالجة حرارية بعد اللحام، يُفضل استخدام 347. - يجب الحذر في اختيار معدن الحشو: للحفاظ على أداء مقاومة التآكل، يُوصى بمعدن حشو مطابق أو منخفض الكربون لكل الدرجة عند كون مقاومة التآكل مطلبًا أساسيًا.

6. التآكل والحماية السطحية

• باعتبارها فئات من الفولاذ المقاوم للصدأ، يعتمد كلا النوعين على طبقة أكسيد خاملة غنية بالكروم لمقاومة التآكل. لا يحتوي أي منهما على كميات كبيرة من الموليبدينوم، لذا فإن مقاومة التآكل النقطي في بيئات الكلوريد محدودة مقارنة بالدرجات التي تحتوي على Mo (مثل 316).
• يُستخدم رقم مكافئ المقاومة للتآكل النقطي (PREN) عادة لتقييم مقاومة التآكل النقطي في الكلوريد: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ونظرًا لأن Mo ≈ 0 لكلتا الدرجتين وN منخفض، فإن قيم PREN لكل من 304 و347 متشابهة ومعتدلة، مما يعني أنه يجب استخدامهما بحذر في بيئات كلوريد عدوانية.

التآكل بين الحبيبات: - 304: عرضة لهجوم بين حبيباتي إذا تم تحسيسها بسبب التبريد البطيء أو اللحام؛ تشمل استراتيجيات التخفيف استخدام 304L (منخفضة الكربون)، أو التلدين بالحل، أو التمرير السطحي بعد اللحام. - 347: التثبيت بواسطة النيوبيوم يمنع ترسيب كربيدات الكروم بشكل كبير، لذا فإن خطر التآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو التبريد البطيء يكون منخفضًا جدًا.

الحماية السطحية للصلب غير المقاوم للصدأ غير مطبقة هنا؛ ومع ذلك، يمكن معالجة الأسطح المقاومة للصدأ بالتنشيط السطحي (معالجات كيميائية) لتحسين انتظام طبقة الأكسيد وتقليل بدء التآكل.

7. التصنيع، التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: كلا الدرجتين عالية القابلية للتشكيل في الحالة الملدنة، وتستخدمان للسحب العميق، الثني، والأشكال المعقدة. 304 مستخدمة على نطاق واسع في التشكيل؛ و347 تشكل بشكل مشابه على الرغم من أن المحتوى الأعلى قليلاً من السبائك قد يؤثر بشكل هامشي على القابلية.
• التصلب بالعمل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يتصلب بالعمل بسرعة؛ يجب مراعاة ارتداد الزنبرك وزيادة القوى أثناء التسلسل في التشكيل والأدوات.
• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين أصعب في التشغيل من الفولاذ الكربوني. القابلية التشغيلية النموذجية تتراوح بين 40–60% من الصلب سهل التشغيل؛ 304 قد تكون أقل قليلاً بسبب التصلب بالعمل. يوصى باستخدام أدوات صلبة، إدخالات كربيد، سرعات قطع منخفضة وتصميم هندسي موجب للحافة القاطعة.
• التشطيب: كلاهما يعطي تشطيبات سطحية جيدة ويمكن تلميعه لإظهار جمالية عالية. التلميع الكهربائي والتنشيط السطحي يحسنان مقاومة التآكل والمظهر.
• يجب تخطيط عمليات اللحام والتشكيل لتقليل الدورات الحرارية المتكررة التي قد تسبب التحسيس (مشكلة في 304 ولكن تم التخفيف منها في 347).

8. التطبيقات النموذجية

النوع 304 – الاستخدامات النموذجية	النوع 347 – الاستخدامات النموذجية
معدات معالجة الغذاء، أواني المطبخ، الأحواض، الزخارف المعمارية	مكونات الطائرات وعوادم السيارات، أجزاء الأفران، التجميعات الملحومة ذات درجات الحرارة العالية
معدات كيميائية وصيدلانية غير معرضة لظروف كلوريد عالية	معدات العمليات الكيميائية التي تخضع للحام وتبريد بطيء؛ المبادلات الحرارية تحت درجات حرارة دورية
واجهات زخرفية ومعمارية	أنابيب الغلايات، أنابيب السوبرهيتر، والتطبيقات التي تتطلب تثبيتًا ضد التحسيس
المثبتات، البراغي، والتصنيع العام	مجمّعات عوادم السيارات ومكونات أخرى ملحومة تعمل في درجات حرارة مرتفعة

مبررات الاختيار: - اختر 304 لحماية عامة ضد التآكل، تكلفة أقل وتوافر واسع حيث لا تكون التآكل النقري الكلوري أو تحسيس ما بعد اللحام من الاهتمامات الأساسية أو حيث يمكن استخدام 304L المنخفضة الكربون أو التلدين بالحل بعد اللحام. - اختر 347 عندما تتعرض المكونات الملحومة لتبريد بطيء، درجات حرارة تشغيل مرتفعة، أو عندما يجب تجنب التآكل بين الحبيبات المرتبط بالتحسيس دون الحاجة إلى معالجة حرارية بعد اللحام.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادة تكون 347 أغلى من 304 بسبب إضافة النيوبيوم وغالبًا محتوى النيكل الأعلى. تختلف الأسعار حسب سوق النيكل والنيوبيوم، شكل المنتج، والمعالجة.
• التوافر: 304 من أكثر الفولاذ المقاوم للصدأ توافرًا بأشكال عديدة (ألواح، صفائح، أنابيب، قضبان، أسلاك). 347 متوفر بشكل شائع ولكن أقل انتشارًا من 304؛ قد تكون أوقات التسليم أطول قليلاً لبعض الأشكال أو المنتجات ذات التحملات الضيقة.
• لشراء: حدد الدرجة المطلوبة، شكل المنتج، التشطيب السطحي، وأي متطلبات معالجة حرارية أو اختبارات (مثل PMI، اختبارات التآكل) لتجنب تأخيرات التوريد.

10. الملخص والتوصية

جدول ملخص (كيفي):

المعيار	304	347
قابلية اللحام (عامة)	ممتازة؛ معرضة للتحسيس إلا إذا كانت منخفضة الكربون أو معالجة بعد اللحام	ممتازة؛ مقاومة محسنة للتحسيس بفضل التثبيت
القوة والمتانة (الملدنة)	جيدة، خصائص أوستنية نموذجية	مماثلة لـ 304 في الحالة الملدنة
مقاومة التآكل بين الحبيبات الناتجة عن اللحام	متوسطة بدون إجراءات تخفيف	أفضل للمكونات الملحومة والمبردة ببطء
التكلفة	أقل (اقتصادي أكثر)	أعلى (بسبب المثبت وغالبًا محتوى النيكل الأعلى)
التوافر	عالي جدًا	عالي، ولكن أقل شيوعًا من 304

الاستنتاجات – التوجيه العملي: - اختر 304 إذا: - تحتاج إلى فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي متعدد الاستخدامات وذو تكلفة فعالة لمقاومة التآكل العامة، معدات معالجة الغذاء، المكونات المعمارية، أو التطبيقات التي يكون فيها اللحام محدودًا أو خيارات 304L وتلدين الحلول مقبولة. - التآكل النقري الكلوري محدود، ويمكن تطبيق المعالجة الحرارية بعد اللحام عند الحاجة.

• اختر 347 إذا:
• كان الجزء يتعرض لكثير من اللحام، ويخضع لتبريد بطيء خلال درجات حرارة التحسيس، أو يعمل في درجات حرارة مرتفعة حيث يشكل ترسيب الكربيد مصدر قلق.
• تحتاج إلى مقاومة جيدة للتآكل بين الحبيبات في الهياكل الملحومة دون الحاجة إلى تلدين الحلول بعد اللحام.

ملاحظة نهائية: كلا المادتين خيارات هندسية متينة. للتطبيقات الحرجة، حدد المواصفات المادية الدقيقة، واطلب شهادات المصنع التي تُظهر التركيب والاختبارات الميكانيكية، وفكر في الاختبار المختبري (مثل اختبار التآكل، تجارب اللحام) تحت ظروف ممثلة قبل الاختيار النهائي.