304L مقابل 321 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

304L و 321 هما نوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستخدم على نطاق واسع، واختيار أي منهما يمثل معضلة هندسية شائعة. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بوزن مقاومة التآكل وسلوك التصنيع واللحام واستقرار درجات الحرارة المرتفعة والتكلفة عند الاختيار بينهما. الاختلاف العملي الرئيسي هو كيفية تعامل كل سبيكة مع الكربيدات أثناء اللحام والخدمة في درجات الحرارة العالية: تعتمد 304L على الكربون المنخفض لتجنب التحسس، بينما تعتمد 321 على استقرار التيتانيوم لربط الكربون ومنع ترسيب كربيد الكروم.

نظرًا لأن كلا الدرجتين هما فولاذان مقاومان للصدأ الأوستنيتي بمحتويات مشابهة من الكروم والنيكل، يتم مقارنتهما غالبًا في الأنابيب، والأوعية الضاغطة، والمبادلات الحرارية، والمكونات المصنعة حيث تحدد قابلية اللحام ومقاومة التآكل في درجات الحرارة العالية الاختيار.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والتسميات الدولية الشائعة:
• ASTM/ASME: 304L — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S30403)، 321 — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32100).
• EN: 304L يتوافق تقريبًا مع EN 1.4307؛ 321 يتوافق مع EN 1.4541 (أو 1.4541/1.4550 حسب محتوى التيتانيوم).
• JIS، GB: توجد معادلات وطنية تحتوي على كيمياء وخصائص مشابهة (استشر المعايير المحددة للحدود الدقيقة).
• التصنيف: كلا من 304L و 321 هما فولاذان مقاومان للصدأ الأوستنيتي (عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ). هما ليسا فولاذين كربونيين أو فولاذين سبائكيين أو فولاذ أدوات أو درجات HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

توضح الجدول التالي العناصر الرئيسية والنطاقات أو الحدود القصوى النموذجية وفقًا للمواصفات الشائعة (النطاقات نموذجية وتعتمد على المعيار/المواصفة وشكل المنتج).

العنصر	304L (نطاقات المواصفات النموذجية)	321 (نطاقات المواصفات النموذجية)
C (الحد الأقصى، الوزن %)	≤ 0.03	≤ 0.08
Mn (الوزن %)	≤ 2.00	≤ 2.00
Si (الوزن %)	≤ 0.75	≤ 0.75
P (الوزن %)	≤ 0.045	≤ 0.045
S (الوزن %)	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr (الوزن %)	17.5–20.0	17.0–19.0
Ni (الوزن %)	8.0–12.0	9.0–12.0
Mo (الوزن %)	— (عادة ≤0.10)	— (عادة ≤0.10)
V (الوزن %)	—	—
Nb (الوزن %)	—	—
Ti (الوزن %)	—	عادة 0.15–0.70 (مستقر)
B (الوزن %)	—	—
N (الوزن %)	≤ 0.10	≤ 0.10

استراتيجية السبائك وتأثيراتها: - يوفر الكروم (Cr) مقاومة عامة للتآكل من خلال تشكيل فيلم أكسيد غير نشط. - يعمل النيكل (Ni) على استقرار الهيكل الأوستنيتي، مما يحسن المتانة والليونة. - يقلل الكربون المنخفض في 304L من الميل لترسيب كربيد الكروم (التحسس) أثناء التبريد البطيء بعد اللحام. - يشكل التيتانيوم في 321 كربيدات/نيتريدات التيتانيوم المستقرة، مما يمنع تشكيل كربيد الكروم أثناء التعرض لنطاق التحسس (~425–850°C). وهذا يمنح 321 ميزة للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة والتطبيقات التي تتضمن التعرض الدوري لدرجات الحرارة العالية. - غياب Mo يعني أن أي من الدرجتين ليست محسنة لمقاومة التآكل الناتج عن الكلوريد العالي؛ تفضل الدرجات الحاوية على Mo (مثل 316) للكلوريدات.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية: - كلا من 304L و 321 هما أوستنيتيان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في الحالة المعالجة حراريًا. يظهران متانة جيدة وليونة حتى درجات الحرارة الكريوجينية. - 304L: مصفوفة أوستنيتية مع الحد الأدنى من ترسيب الكربيد عند المعالجة الحرارية بشكل صحيح أو عندما يتم الحفاظ على محتوى الكربون منخفضًا. - 321: مصفوفة أوستنيتية مع ترسبات Ti(C,N) الموزعة التي تعمل كمستقرات وتقلل من تشكيل كربيد الكروم عند حدود الحبيبات.

استجابة المعالجة الحرارية: - الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ليس قابلًا للمعالجة الحرارية لزيادة القوة عن طريق التبريد والتخمير مثل الفولاذ الفيريتك/المارتنسيت. يتم الحصول على الخصائص الميكانيكية من خلال العمل البارد أو من خلال التثبيت/التخليل الحلولي. - التخليل الحلولي: التسخين إلى ~1010–1120°C يتبعه تبريد سريع لاستعادة البنية المجهرية القابلة للطرق والمقاومة للتآكل لكلا الدرجتين. - 304L: بسبب الكربون المنخفض، فإنه أقل عرضة للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام ولا يتطلب التثبيت. - 321: تجعل إضافات التيتانيوم أكثر تحملًا للتبريد البطيء من اللحام أو درجات حرارة تخفيف الضغط؛ يجب أن يكون التيتانيوم موجودًا بكمية كافية للتفاعل مع الكربون المتاح (عادةً ما لا يقل عن 5×C بالوزن).

المعالجة الحرارية الميكانيكية: - يزيد العمل البارد من القوة والصلابة لكلا الدرجتين من خلال تصلب الإجهاد؛ تحدث إعادة التبلور فقط بعد التخليل الحلولي. - التعرض لدرجات الحرارة المرتفعة: 321 يؤدي بشكل أفضل من الدرجات غير المستقرة في نطاق 400–900°C لأن التيتانيوم يمنع ترسيب كربيد الكروم الذي يسبب التحسس.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية (الحالة المعالجة حراريًا) على شكل المنتج (ورقة، لوح، قضيب) والمعيار - القيم أدناه هي نطاقات تمثيلية للمقارنة الهندسية.

الخاصية	304L (معالجة حرارية، نموذجية)	321 (معالجة حرارية، نموذجية)
قوة الشد (UTS)	~480–700 ميجا باسكال	~480–700 ميجا باسكال
قوة الخضوع (0.2% انحراف)	~170–300 ميجا باسكال	~170–300 ميجا باسكال
التمدد (في 50 مم)	≥40% (نموذجية)	≥40% (نموذجية)
صلابة التأثير (نوعية)	جيدة، تحتفظ بالمتانة في درجات الحرارة المنخفضة	جيدة، مشابهة لـ 304L
الصلابة (HRB/HV)	متوسطة (معالجة حرارية)	متوسطة (معالجة حرارية)

التفسير: - في الحالة المعالجة حراريًا، تتمتع 304L و 321 بقوة وليونة ومتانة متشابهة جدًا. - الاختلافات في الأداء الميكانيكي عادة ما تكون صغيرة عند درجة حرارة الغرفة؛ تظهر الميزة الرئيسية لـ 321 في استقرار درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف/الأكسدة، حيث يساعد استقرار التيتانيوم في الحفاظ على الخصائص بعد التعرض المطول.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على الكربون، وعناصر السبائك، وقابلية التعرض للتشقق أثناء التصلب أو التحسس.

مؤشرات قابلية اللحام ذات الصلة: - المعادل الكربوني (IIW) هو مؤشر مستخدم على نطاق واسع لتقييم تأثير قابلية اللحام والصلابة: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - مؤشر Pcm هو مقياس آخر مرتبط بالميل للتشقق البارد وقابلية اللحام: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 304L: يقلل محتوى الكربون المنخفض عمدًا من مساهمات $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ من الكربون، مما يقلل من خطر التآكل بين الحبيبات (التحسس) بعد اللحام. نتيجة لذلك، تعتبر 304L على نطاق واسع سهلة اللحام مع المعادن المالئة التقليدية (مطابقة للتكوين أو 308L)، ويفضلها العديد من ورش التصنيع للبناءات الملحومة التي لن تتعرض لخدمة شديدة في درجات الحرارة العالية. - 321: يقلل استقرار التيتانيوم من الحساسية لترسيب الكربيد في منطقة التأثير الحراري؛ لذلك، يمكن لحام 321 دون نفس قيود الكربون المنخفض وما زال يقاوم التآكل بين الحبيبات عند التبريد البطيء. ومع ذلك، يجب أن تتحكم ممارسات اللحام في التخفيف واختيار المواد المالئة؛ غالبًا ما يُوصى باستخدام مادة مالئة مطابقة لـ 321 أو مادة مالئة مستقرة للتطبيقات الحرارية الحرجة. - عادةً ما لا تكون التشققات الناتجة عن التصلب والتشققات الساخنة مشكلة لهذه الفولاذات الأوستنيتية في التصنيع العادي. لا تتطلب المعالجة الحرارية قبل وبعد اللحام عادةً سمكًا هيكليًا، ولكن المعلمات تعتمد على تصميم الوصلات والخدمة.

إرشادات عملية: - اختر مادة مالئة منخفضة الكربون (مثل 308L) لفولاذ 304L الأساسي للحفاظ على الكربون المنخفض في معدن اللحام وتجنب التحسس. - بالنسبة لـ 321، فإن استخدام مادة مالئة مستقرة مطابقة أو مادة مالئة أوستنيتية تقليدية مقبول عندما تؤخذ درجات حرارة اللحام والخدمة في الاعتبار.

6. التآكل وحماية السطح

• كلا من 304L و 321 هما مقاومان للصدأ ويعتمدان على أكسيد غني بالكروم غير نشط لمقاومة التآكل. لا يحتوي أي منهما على Mo بشكل كبير؛ لذلك، لا يعتبر أي منهما مثاليًا للبيئات الغنية بالكلوريد والمعرضة للتآكل (يفضل استخدام درجات 316/316L أو الدرجات المزدوجة).
• استخدام المؤشرات:
• رقم مقاومة التآكل الناتج عن التآكل (PREN) يستخدم عادةً لمقارنة مقاومة التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ المحتوي على Mo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• بالنسبة لـ 304L و 321، Mo ≈ 0 لذا فإن PREN يقلل إلى حوالي $\text{Cr} + 16\times\text{N}$؛ ومع ذلك، فإن مفهوم PREN أكثر صلة حيث ينتج Mo والنيتروجين العالي اختلافات قابلة للقياس.
• التحسس:
• 304L: يقلل الكربون المنخفض من ترسيب كربيد الكروم أثناء اللحام - مقاومة جيدة للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام.
• 321: يربط التيتانيوم الكربون، مما يوفر مقاومة للتحسس حتى لو كان الكربون أعلى، وهو مفيد للتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية مستمرة.
• طرق الحماية غير المقاومة للصدأ (للفولاذ غير المقاوم للصدأ) مثل الجلفنة أو الطلاء لا تنطبق على هذه الدرجات المقاومة للصدأ للتحكم العام في التآكل ولكن يمكن استخدامها للحماية الجمالية أو الإضافية عند الاقتضاء.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: يتفوق كل من 304L و 321 في التشكيل البارد والسحب العميق بسبب ليونة الأوستنيت. 304L أكثر شعبية قليلاً للتشكيل المعقد بسبب توفره الواسع وكيمياء الكربون المنخفض المتسقة.
• قابلية التشغيل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي له قابلية تشغيل ضعيفة مقارنة بالفولاذ الكربوني بسبب تصلب العمل العالي؛ قد تظهر 321 قابلية تشغيل مشابهة لـ 304L، مع اختلافات طفيفة تعتمد على البنية المجهرية النهائية ومحتوى الشوائب. استخدم أدوات حادة، وإعدادات صلبة، وسرعات وتغذيات قطع مناسبة.
• تشطيب السطح: كلاهما يستجيب جيدًا للتلميع ومعالجات التمرير. يحسن التلميع الكهربائي مقاومة التآكل وتشطيب السطح.
• تصنيع اللحام: تتطلب 304L عادةً مواد مالئة من الدرجة L لمعدن اللحام منخفض الكربون؛ قد تستخدم 321 مواد مالئة مستقرة خاصة عندما تبقى الهيكل في درجات حرارة مرتفعة.

8. التطبيقات النموذجية

304L — الاستخدامات النموذجية	321 — الاستخدامات النموذجية
معدات العمليات الكيميائية للبيئات المتوسطة التآكل (بدون كلوريدات ثقيلة)	أنظمة عوادم الطائرات ومجمعات درجات الحرارة العالية
معدات معالجة الطعام، والألبان، وخزانات التخمير، ومعدات المطبخ	مبادلات حرارية ومكونات أفران معرضة لخدمة درجات الحرارة العالية الدورية
أنابيب، خزانات، وتجميعات ملحومة حيث تكون مقاومة التآكل بعد اللحام مهمة	مكونات السيارات والبتروكيماويات التي تعمل في نطاق 400–900°C
تطبيقات معمارية وهيكلية حيث تكون قابلية اللحام وقابلية التشكيل من الأولويات	مكونات تتطلب التثبيت ضد التحسس أثناء التعرض المطول لدرجات الحرارة العالية

مبررات الاختيار: - استخدم 304L حيث تكون اقتصاديات التصنيع، وقابلية اللحام مع الحد الأدنى من المعالجة الخاصة، ومقاومة التآكل العامة هي الأولويات. - استخدم 321 حيث تشمل الخدمة التعرض المتكرر لدرجات الحرارة المرتفعة، أو حيث يكون التثبيت ضد ترسيب الكربيد ضروريًا.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 304L عمومًا أكثر فعالية من حيث التكلفة من 321 لأنه يتم إنتاجه بكميات أكبر ويفتقر إلى عناصر التثبيت المكلفة واعتبارات المعالجة. تختلف أسعار السوق وفقًا لظروف سوق النيكل والكروم.
• التوافر: 304L متوفر بشكل أكثر شيوعًا في مجموعة متنوعة من الأشكال (ورقة، لوح، أنبوب، قضيب، سلك) وتشطيبات سطحية. 321 متوفر على نطاق واسع ولكن قد يكون أقل شيوعًا في بعض أشكال المنتجات الخاصة أو الأقسام السميكة.
• ملاحظة الشراء: بالنسبة للمشاريع الكبيرة، تأكد من شهادات المصنع ووقت التوافر؛ يمكن أن يكون للدرجات المستقرة مثل 321 أوقات تسليم أطول لبعض أشكال المنتجات.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي)

السمة	304L	321
قابلية اللحام	ممتازة للتصنيع العام (الكربون المنخفض يقلل من التحسس)	جيدة جدًا؛ متفوقة في استقرار ما بعد اللحام في درجات الحرارة العالية بسبب استقرار التيتانيوم
القوة–المتانة (الجو المحيط)	متشابهة، ليونة ومتانة جيدة	متشابهة، ليونة ومتانة جيدة
استقرار درجات الحرارة العالية	متوسطة (يمكن أن تتحسس إذا لم يتم التحكم في الكربون)	متفوقة للتعرض الدوري/درجات الحرارة العالية (استقرار التيتانيوم)
التكلفة	عمومًا أقل	عمومًا أعلى
التوافر	مرتفع جدًا	مرتفع، ولكن أحيانًا أقل في الأشكال الخاصة

التوصية: - اختر 304L إذا: كانت تطبيقاتك تتطلب مقاومة ممتازة للتآكل العامة، ولحام متكرر مع ممارسات التصنيع العادية، وقابلية تشكيل جيدة، وتكلفة مواد أقل. 304L هو الخيار الافتراضي للعديد من مكونات الطعام، والأدوية، والمعمارية، ومعالجة المواد الكيميائية العامة حيث يكون التعرض للكلوريد محدودًا. - اختر 321 إذا: كانت المكونات ستتعرض لفترات طويلة أو دورية لدرجات حرارة مرتفعة (عادةً في نطاق 400–900°C)، أو حيث تكون استقرار ما بعد اللحام في درجات الحرارة العالية ومقاومة ترسيب الكربيد أمرًا حاسمًا. يُفضل استخدام 321 في التطبيقات المتعلقة بالعوادم، والأفران، وبعض تطبيقات المبادلات الحرارية حيث يمنع استقرار التيتانيوم التحسس دون التحكم الصارم في الكربون المنخفض.

ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين هما فولاذان أوستنيتيان ناضجان ومحددات على نطاق واسع. يعتمد الاختيار الأمثل على التوازن بين ممارسات التصنيع (خاصة إجراءات اللحام)، ونمط درجة حرارة التشغيل، والتعرض للتآكل (الكلوريدات مقابل العامة)، وتكلفة دورة الحياة. بالنسبة للهياكل الملحومة الحرجة المعرضة لدرجات حرارة عالية، استشر معايير المواد ومهندسي اللحام لتحديد المعدن المالئ المناسب، والمعالجات قبل/بعد اللحام، واختبارات مراقبة الجودة.