304L مقابل 304H - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تعتبر أنواع 304 من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من بين الأكثر استخدامًا في الصناعة. يحتاج المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل متكرر إلى اتخاذ قرار بين 304L منخفض الكربون و304H عالي الكربون عند تحديد المواد لمعدات الضغط، والأنابيب، والمبادلات الحرارية، أو المكونات المصنعة. عادةً ما يوازن القرار بين مقاومة التآكل وقابلية اللحام مقابل قوة درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الزحف.
التمييز العملي الأساسي هو أن 304L مُحسّن لتقليل ترسيب الكربيد أثناء اللحام والخدمة (مما يحسن مقاومة التآكل بين الحبيبات وقابلية اللحام)، بينما يحتوي 304H على كربون أعلى عمدًا للاحتفاظ بقوة أكبر عند درجات الحرارة المرتفعة. نظرًا لأن كلا الدرجتين تشتركان في نفس المصفوفة الأساسية من الكروم والنيكل الأوستنيتي، غالبًا ما يتم مقارنتهما في التصاميم حيث تكون تعرض درجة الحرارة، وطريقة التصنيع، وأداء ما بعد اللحام هي العوامل الحاسمة.
1. المعايير والتسميات
- ASTM/ASME: 304L — ASTM A240/A240M (ورقة/لوحة)، A312 (أنابيب) كـ UNS S30403؛ 304H — ASTM A240 (A240M) كـ UNS S30409 أو ما يعادلها.
- EN (الأوروبية): EN 1.4306 (304L)، EN 1.4948 أحيانًا تستخدم لـ 304H المعادل أو غيرها من الفولاذات الأوستنيتية عالية الكربون؛ تشير المتغيرات الوطنية EN إلى نطاقات التركيب.
- JIS (اليابان): تسمية SUS304L وSUS304H في معايير JIS G4303/G4312.
- GB (الصين): 06Cr19Ni10/06Cr19Ni10-2L معادلات لـ 304/304L؛ توجد تسميات محلية لـ 304H.
- التصنيف: كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ (أوستنيتي). ليسا فولاذ كربوني، أو فولاذ أدوات، أو HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | 304L النموذجي (wt%) | 304H النموذجي (wt%) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | 0.04 – 0.10 | تم الحفاظ على 304L منخفضًا لتجنب ترسيب الكربيد؛ تم رفع 304H لتحسين قوة درجات الحرارة العالية. |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 | المنغنيز هو مثبت للأوستنيت؛ حدود مشابهة. |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 | السيليكون للتخلص من الأكسدة؛ هامش أعلى قليلاً لـ 304H. |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 | حد الشوائب؛ تم الحفاظ عليه منخفضًا. |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 | شوائب؛ تؤثر على قابلية التشغيل. |
| Cr | 18.0 – 20.0 | 18.0 – 20.0 | عنصر رئيسي مقاوم للتآكل. |
| Ni | 8.0 – 12.0 | 8.0 – 11.0 | يثبت الأوستنيت، يحسن المتانة ومقاومة التآكل. |
| Mo | — / أثر | — / أثر | لا تشمل الأنواع النموذجية 304 مو. |
| V, Nb, Ti, B | — | — | ليست قياسية لـ 304/304L/304H؛ تشمل الدرجات المستقرة الخاصة (مثل 321، 347) Ti أو Nb. |
| N | ≤ 0.1 (أثر) | ≤ 0.1 (أثر) | قد يكون النيتروجين موجودًا بكميات صغيرة؛ يزيد القوة ويؤثر على PREN. |
كيف تؤثر السبائك على الأداء: - يوفر الكروم (Cr) الأكسيد الساكن المسؤول عن مقاومة التآكل. كلا الدرجتين لهما محتوى مشابه من الكروم، لذا فإن سلوك التآكل الأساسي مشابه. - يثبت النيكل (Ni) المرحلة الأوستنيتية ويحسن المتانة ومقاومة التآكل؛ المحتويات المماثلة تعني مرونة مشابهة. - يؤثر الكربون (C) على تشكيل الكربيد: يزيد الكربون الأعلى من القوة (خصوصًا عند درجات الحرارة المرتفعة) ولكنه يعزز ترسيب كربيد الكروم واحتمالية التآكل بين الحبيبات إذا لم يتم التحكم فيه بشكل صحيح. - تؤثر العناصر الثانوية (Mn، Si، N) على القوة الميكانيكية والتصلب؛ يعزز النيتروجين القوة ومقاومة التآكل، بينما سيعزز الموليبدينوم مقاومة التآكل ولكن ليس موجودًا.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية النموذجية لكل من 304L و304H هي أوستنيتية بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في حالة التلدين. نظرًا لأن الأوستنيت مستقر عند درجة حرارة الغرفة في هذه التركيبات، فلا يوجد تحول مارتنسيت أثناء التبريد للمعالجة القياسية.
- 304L: يقلل الكربون المنخفض من ترسيب كربيد الكروم ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) عند حدود الحبيبات أثناء تبريد اللحام أو التعرض للحرارة الحساسة (حوالي 450–850 درجة مئوية). نتيجة لذلك، تبقى البنية المجهرية خالية من كربيدات حدود الحبيبات الكبيرة بعد التصنيع الشائع، مما يحافظ على مقاومة التآكل بين الحبيبات.
- 304H: يزيد الكربون الأعلى من القوة الدافعة لترسيب الكربيد أثناء التعرض الحراري. عند درجات الحرارة المرتفعة، يمكن أن يتشكل بعض $\text{Cr}_{23}\text{C}_6$ عند حدود الحبيبات، مما يمكن أن يقلل محليًا من مقاومة التآكل ما لم يتم تطبيق مثبتات أو معالجات حرارية بعد اللحام. ومع ذلك، فإن محتوى الكربون الأعلى يزيد أيضًا من تقوية المحلول الصلب ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة التي عادة ما تكون فوق 500–600 درجة مئوية.
استجابة المعالجة الحرارية: - التلدين (تلدين كامل متبوع بتبريد سريع) يستعيد المرونة ويذيب معظم الكربيدات في كلا الدرجتين. بالنسبة لـ 304H، تكون درجة حرارة الذوبان والحركية مشابهة ولكن إعادة الترسيب عند التبريد البطيء أكثر احتمالًا. - لا يُستخدم التطبيع عادةً للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لأن المرحلة الأوستنيتية مستقرة؛ تتحكم الخصائص الميكانيكية بشكل أساسي من خلال العمل البارد والتلدين. - تغير المعالجة الحرارية الميكانيكية (العمل البارد متبوعًا بالتلدين) سلوك العائد والشد بشكل مشابه في كلا الدرجتين، ولكن 304H ستحتفظ بعائد/شد أعلى قليلاً عند درجات الحرارة المرتفعة.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية (نموذجية، تلدين) | 304L | 304H | تعليقات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | تقريبًا معتدلة؛ نطاق تلدين نموذجي | أعلى قليلاً من 304L عند درجة حرارة الغرفة ودرجات الحرارة المرتفعة | يزيد الكربون الأعلى في 304H من UTS، خصوصًا عند درجات الحرارة العالية. |
| قوة العائد (0.2% انحراف) | معتدلة | أعلى قليلاً | تكتسب 304H قوة العائد من الكربون وإمكانية التقوية من المحلول الصلب. |
| التمدد (المرونة) | عالية (قابلية تشكيل جيدة) | قابلة للمقارنة أو منخفضة قليلاً | قد يقلل الكربون الأعلى من المرونة بشكل طفيف بعد التعرض لدرجات الحرارة العالية. |
| صلابة التأثير | عالية عند درجة حرارة الغرفة | عالية عند درجة حرارة الغرفة؛ قد تنخفض عند درجات الحرارة المرتفعة | تحافظ الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية على متانة جيدة؛ يزيد خطر الهشاشة مع الشيخوخة الحرارية طويلة الأمد. |
| الصلابة | منخفضة نسبيًا (تلدين) | أعلى قليلاً | الفروق متواضعة في حالة التلدين؛ معدل العمل الصلب مشابه. |
ملاحظات: القيم الرقمية الدقيقة تعتمد على شكل المنتج (ورقة، لوحة، أنبوب)، المعالجة الحرارية، والعمل البارد. النقطة الرئيسية: عادةً ما تقدم 304H قوة أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة على حساب مقاومة أقل قليلاً لترسيب الكربيد وهامش تصنيع أقل قليلاً.
5. قابلية اللحام
تعتبر قابلية اللحام للفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية ممتازة بشكل عام بسبب مصفوفاتها الأوستنيتية وانخفاض ميلها لتشكيل المارتنسيت.
الاعتبارات الرئيسية للحام: - محتوى الكربون مهم: يقلل الكربون المنخفض في 304L من خطر التحسس (التآكل بين الحبيبات) بعد اللحام ويسمح بتجنب التلدين بعد اللحام في العديد من التطبيقات. - يزيد الكربون الأعلى في 304H من خطر التحسس؛ قد تكون هناك حاجة إلى ضوابط إجراءات اللحام (اختيار المواد المالئة، التبريد السريع، أو التلدين بعد اللحام) للبيئات التآكلية أو الامتثال للمعايير. - قابلية الصلابة منخفضة لكلاهما؛ احتمال التشقق من الهياكل المجهرية الصلبة محدود.
صيغ تجريبية مفيدة لتقييم قابلية اللحام/الصلابة: - المعادل الكربوني (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - يرتبط انخفاض قابلية اللحام بزيادة $CE_{IIW}$. - المعادل الكرومي أو Pcm للفولاذات المقاومة للصدأ: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ - يشير ارتفاع $P_{cm}$ إلى ميل أكبر لتشكيل مشاكل توازن الفيريت/الأوستنيت وقد يوجه متطلبات التسخين المسبق/بعد اللحام.
التفسير: - عادةً ما تسجل 304L درجات أقل في المؤشرات الحساسة للكربون ويفضل استخدامها حيث تكون سلامة اللحام دون معالجة حرارية بعد اللحام مطلوبة. - قد تتطلب 304H مزيدًا من التحكم الصارم في اللحام في التطبيقات التآكلية أو المرتبطة بالمعايير ولكنها تقدم قوة أفضل للتجمعات الملحومة عند درجات الحرارة العالية.
6. التآكل وحماية السطح
- كلا من 304L و304H هما فولاذان مقاومان للصدأ (يحتويان على ~18% كروم) ويعتمدان على فيلم كروم ثنائي أكسيد الكروم الساكن لمقاومة التآكل العامة في العديد من البيئات.
- مقاومة التآكل الناتجة عن النقاط والشقوق متوسطة لأن الموليبدينوم غير موجود. لتقييم مقاومة التآكل الناتجة عن النقاط، يعتبر PREN مؤشرًا شائعًا: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- بالنسبة لأنواع 304 (Mo ≈ 0)، يتم دفع PREN بواسطة الكروم والنيتروجين؛ مع وجود كروم مشابه ونيتروجين منخفض، كلا الدرجتين لهما مقاومة عامة ومقاومة للنقاط قابلة للمقارنة.
- خطر التحسس: يعزز الكربون الأعلى في 304H تشكيل كربيد الكروم عند حدود الحبيبات عند التعرض لمدى درجات الحرارة الحساسة، مما يمكن أن يقلل محليًا من مقاومة التآكل (هجوم بين الحبيبات). يتم اختيار 304L للتخفيف من هذا الخطر.
- تشمل حماية السطح للفولاذات غير المقاومة للصدأ (غير قابلة للتطبيق هنا) المجلفن أو الطلاء؛ بالنسبة لهذه الدرجات المقاومة للصدأ، فإن التنظيف، والتخميل، وتجنب البيئات التي تحتوي على الكلوريد هي التدابير الأساسية.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل/الانحناء: تتمتع 304L بقابلية تشكيل ممتازة وخصائص سحب عميق بسبب انخفاض العائد وزيادة المرونة في حالة التلدين. لا تزال 304H قابلة للعمل ولكن قد تظهر حدود تشكيل منخفضة قليلاً.
- قابلية التشغيل: الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية تتصلب أثناء العمل ولها قابلية تشغيل أقل من الفولاذ الكربوني. يمكن أن يقلل الكربون الأعلى في 304H والقوة المحتملة المتزايدة من عمر الأداة قليلاً ويتطلب أدوات أكثر قوة أو تغذية بطيئة؛ النسخ المجانية أو إضافة الكبريت تحسن قابلية التشغيل ولكن تقلل من مقاومة التآكل.
- تشطيب السطح: كلا الدرجتين تلمع وتخمل بشكل جيد؛ ومع ذلك، فإن الطحن أو التشطيب العدواني الذي يسخن السطح قد يحسس 304H محليًا أكثر من 304L.
- تصنيع اللحام: تعتبر 304L عمومًا الخيار المفضل للهياكل الملحومة ما لم تكن القوة عند درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة.
8. التطبيقات النموذجية
| 304L — الاستخدامات النموذجية | 304H — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| معدات معالجة الطعام، مكونات الألبان والمصانع، أوعية صيدلانية حيث يكون التلدين بعد اللحام غير عملي ومقاومة التآكل هي الأهم | أنابيب الغلايات، أجزاء الأفران، المبادلات الحرارية، والمكونات المعرضة للخدمة المستمرة عند درجات حرارة مرتفعة حيث تكون القوة/مقاومة الزحف الإضافية مطلوبة |
| خزانات العمليات الكيميائية، الأنابيب والتجهيزات في بيئات تآكلية خفيفة | أجزاء الاحتفاظ بالضغط للخدمة عند درجات حرارة مرتفعة وبعض معدات نقل الحرارة البتروكيماوية |
| زخارف معمارية، أحواض، وأجهزة منزلية | تجمعات ملحومة عند درجات حرارة مرتفعة حيث تفرض المعايير ضغوطًا أعلى مسموح بها عند درجة الحرارة |
مبررات الاختيار: - اختر 304L حيث تكون بساطة اللحام، ومقاومة التآكل بين الحبيبات، والتشكيل هي أولويات أعلى. - اختر 304H حيث تكون القوة المستمرة عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الزحف مطلوبة، وحيث يمكن أن تتحكم تدابير ما بعد اللحام أو التصنيع في خطر التحسس.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: يتم إنتاج 304L بشكل واسع وتخزينه؛ التكلفة النسبية مشابهة لـ 304 القياسي ولكنها أعلى قليلاً بسبب معالجة الكربون المنخفض المتحكم فيها. 304H هو درجة أكثر تخصصًا - يمكن أن تكون تكلفة المواد قابلة للمقارنة أو أعلى قليلاً بسبب مواصفات الكربون الأكثر صرامة وربما أحجام الإنتاج الأقل.
- التوافر: 304L متاحة على نطاق واسع في العديد من أشكال المنتجات (ورقة، لوحة، ملف، أنبوب، قضيب، سبائك). 304H متاحة ولكنها أقل شيوعًا في بعض الأسواق وأشكال المنتجات؛ قد تكون أوقات التسليم للأشكال الخاصة أو الكميات الكبيرة أطول.
- ملاحظة الشراء: عند التحديد، قم بتضمين التسمية الصحيحة ASTM/EN/JIS وشكل المنتج المطلوب لتجنب استبدال 304 القياسي أو الدرجات المستقرة.
10. الملخص والتوصية
| السمة | 304L | 304H |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ممتازة (خطر تحسس أقل) | جيدة، ولكن خطر تحسس أعلى - تتطلب التحكم |
| القوة–المتانة (درجة حرارة الغرفة) | متانة جيدة؛ قوة معتدلة | قوة أعلى قليلاً؛ متانة قابلة للمقارنة عند درجة حرارة الغرفة |
| قوة درجات الحرارة المرتفعة/الزحف | معتدلة | متفوقة عند درجات الحرارة المرتفعة |
| مقاومة التآكل في الخدمة الحساسة | أفضل (تقاوم الهجوم بين الحبيبات) | أقل ما لم يتم التخفيف من خلال المعالجة الحرارية/اختيار المواد المالئة |
| التكلفة/التوافر | متاحة على نطاق واسع؛ فعالة من حيث التكلفة | متخصصة؛ تكلفة/وقت تسليم أعلى محتمل |
اختر 304L إذا: - كانت المكونة ستلحم بشكل مكثف وكان التلدين بعد اللحام غير عملي. - كانت مقاومة التآكل بين الحبيبات (مثل الأنابيب للطعام، أو الأدوية، أو المياه الصالحة للشرب) أولوية. - كانت قابلية تشكيل جيدة وسحب عميق مطلوبة.
اختر 304H إذا: - كانت التطبيق يتضمن خدمة مستمرة عند درجات حرارة مرتفعة حيث تكون قوة الشد الأعلى أو مقاومة الزحف مطلوبة (مثل المبادلات الحرارية، الغلايات، مكونات الأفران). - كانت خطة الشراء والتصنيع تسمح بضوابط اللحام، واختيار المعادن المالئة المتوافقة، وإذا لزم الأمر، التلدين بعد اللحام أو التخفيف البديل لإدارة خطر التحسس.
ملاحظة نهائية: كلا من 304L و304H هما خيارات صالحة ضمن نطاقات تصميمهما. حدد درجة حرارة الخدمة المقصودة، والبيئة التآكلية (التعرض للكلوريد، الحموضة)، وتسلسل التصنيع، والمعايير/المعايير القابلة للتطبيق عند الاختيار بينهما لضمان التوازن الصحيح بين قابلية اللحام، ومقاومة التآكل، وأداء درجات الحرارة العالية.