304L مقابل 347 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

الفولاذ المقاوم للصدأ 304L و347 هما درجتان أوستنيتيتان مستخدمتان على نطاق واسع وغالبًا ما تتنافسان على نفس التطبيقات. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بتقييم مقاومة التآكل وقابلية اللحام وتكلفة دورة الحياة عند اتخاذ القرار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية التجميعات الملحومة حيث تكون التآكل بين الحبيبات مصدر قلق، ومعدات الطعام والأدوية حيث تكون النظافة أمرًا حاسمًا، والمكونات المصنعة المعرضة للخدمة الدورية أو درجات الحرارة المرتفعة.

التمييز المعدني الأساسي بين الاثنين هو استراتيجيتهم لتجنب ترسيب الكربيد عند حدود الحبيبات أثناء اللحام أو التعرض الحراري: يستخدم أحدهما محتوى كربون منخفض عمدًا للحد من تشكيل الكربيد، بينما يستخدم الآخر استقرار الميكروسبائك (النيوبيوم) لربط الكربون ككربيدات أكثر استقرارًا. هذه الاختلافات تؤثر على كيفية تصرف كل منهما بعد اللحام، وكيف تقاوم هجوم حدود الحبيبات، وكيف يتم تحديدها في التصنيع.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير والتسميات الشائعة لهذه الدرجات:

• ASTM/ASME: 304L — UNS S30403 (ASTM A240, A276, A312); 347 — UNS S34700 (ASTM A240, A276, A312).
• EN: 304L — X2CrNi18-9 / 1.4306 (تقريبًا); 347 — X6CrNiNb18-10 / 1.4550 (تقريبًا).
• JIS: 304L — SUS304L; 347 — SUS347.
• GB: 304L — 06Cr19Ni10; 347 قابل للمقارنة في النسخة المستقرة.

كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ (أوستنيتي). ليسا فولاذين كربونيين، أو فولاذ أدوات، أو درجات HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تلخص الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية المستخدمة للمقارنة. القيم هي نطاقات تمثيلية من المواصفات الشائعة؛ يرجى الرجوع إلى المعيار المحدد أو شهادة المصنع للحصول على التركيب الدقيق لدفعة معينة.

عنصر	304L (نطاق نموذجي، wt%)	347 (نطاق نموذجي، wt%)
C	≤ 0.03	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.5–19.5	17.0–19.0
Ni	8.0–12.0	9.0–13.0
Mo	— (قليل/أثر)	— (قليل/أثر)
Nb (Nb+Ta)	— (أثر)	0.10–1.0
Ti	—	— (بعض النسخ المستقرة تستخدم Ti في درجات أخرى، لكن 347 مستقر بالنيوبيوم)
B	أثر	أثر
N	≤ 0.10	≤ 0.10

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكروم (Cr) يوفر مقاومة عامة للتآكل من خلال فيلم أكسيد الكروم الساكن. - النيكل (Ni) يثبت المرحلة الأوستنيتية، ويوفر المتانة وقابلية التشكيل. - الكربون المنخفض (304L) يقلل من الميل لترسيب كربيد الكروم ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) عند حدود الحبيبات أثناء التعرض الحراري، مما يحافظ على مقاومة التآكل بعد اللحام. - النيوبيوم (347) يشكل كربيدات نيوبيوم مستقرة ($\text{NbC}$) تستهلك الكربون بشكل تفضيلي، مما يمنع ترسيب كربيد الكروم ويحافظ على مقاومة التآكل بين الحبيبات حتى لو كان مستوى الكربون أعلى من الدرجات منخفضة الكربون.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

كلا من 304L و347 هما أوستنيتيان بالكامل في الحالة المعالجة. لا يتم تقويتهما بواسطة المعالجة الحرارية التقليدية (هما غير قابلين للمعالجة الحرارية بواسطة طرق التبريد والتسخين). الاعتبارات الرئيسية للميكروهيكل:

• 304L: الميكروهيكل المعالج هو أوستنيت أحادي الطور مع ترسيب كربيد منخفض جدًا عند التبريد من درجات حرارة المعالجة/اللحام بسبب الكربون المنخفض. عند التعرض المطول في نطاق التحسس (~425–850 °C)، يمكن أن يحدث بعض ترسيب الكربيد ولكن بمعدل منخفض جدًا.
• 347: الميكروهيكل المعالج هو أيضًا أوستنيت أحادي الطور؛ يوجد النيوبيوم في محلول صلب أو كجزيئات كربيد نيوبيوم دقيقة تعمل كفخاخ للكربون. أثناء اللحام، يعزز النيوبيوم تشكيل كربيدات نيوبيوم مستقرة بدلاً من كربيدات الكروم، مما يقلل من التحسس.

طرق المعالجة: - التعديل ليس تقليديًا أو ضروريًا للدرجات الأوستنيتية - يتم استخدام معالجة الحل (عادة 1010–1150 °C) متبوعة بالتبريد السريع لاستعادة مقاومة التآكل وحل الترسبات غير المرغوب فيها. - العمل البارد يزيد من القوة من خلال تصلب الإجهاد لكلتا الدرجتين ويمكن أن يؤثر على سلوك التآكل (يمكن أن يزيد العمل البارد من القابلية للتشقق الناتج عن الإجهاد في البيئات الكلورية). - لا توجد استجابة ذات مغزى للتبريد والتسخين؛ أي تقوية تكون من خلال تصلب العمل أو اختيار السبيكة.

4. الخصائص الميكانيكية

تتحكم الخصائص الميكانيكية النموذجية في شكل المنتج (لوح، ورقة، قضيب)، حالة العمل البارد، والمواصفة. الجدول التالي يعطي قيمًا تمثيلية للمعالجة للمنتجات الشائعة (مثل اللوح/الورقة)، لتوضيح السلوك النسبي. يرجى دائمًا الرجوع إلى المعيار المعني للحصول على القيم المضمونة.

الخاصية (معالجة)	304L (نموذجي)	347 (نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال)	485–620	485–620
قوة العائد 0.2% (ميغاباسكال)	170–310	170–310
التمدد (A%)	40–60%	40–60%
صلابة التأثير (J، درجة حرارة الغرفة)	عالية عمومًا؛ صلابة الشق ممتازة	عالية عمومًا؛ مشابهة لـ 304L
الصلابة (HRB)	≤ 95 (معالجة)	≤ 95 (معالجة)

التفسير: - في الحالة المعالجة، كلا الدرجتين لهما قوة ومرونة وصلابة مشابهة جدًا لأنهما يشتركان في المصفوفة الأوستنيتية. الاختلافات في الخصائص الميكانيكية ضئيلة بالنسبة لمعظم التطبيقات الهيكلية. - أي اختلاف في القوة يتم تحقيقه عادةً من خلال العمل البارد بدلاً من المعالجة الحرارية.

5. قابلية اللحام

يعتبر كل من 304L و347 قابلين للحام بشكل كبير عند اتباع الممارسات القياسية. الاعتبارات الرئيسية للحام:

• محتوى الكربون المنخفض في 304L يقلل من خطر ترسيب كربيد الكروم في منطقة التأثير الحراري (HAZ) أثناء اللحام؛ مما يجعل 304L خيارًا مفضلًا عندما يجب تجنب التحسس بعد اللحام دون إجراءات خاصة.
• استقرار النيوبيوم في 347 يجعله قويًا ضد التحسس حتى لو كان محتوى الكربون أعلى - النيوبيوم يربط الكربون كـ $\text{NbC}$، مما يمنع تشكيل كربيدات الكروم.
• يمكن لحام كلا الدرجتين بواسطة العمليات الشائعة (GMAW، GTAW، SMAW، إلخ) مع المعادن المالئة المناسبة (مثل 308L/309 لـ 304L؛ 316L/347 متوافقة حسب الخدمة).

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (تفسير نوعي فقط):

• معادل الكربون (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ انخفاض $CE_{IIW}$ يرتبط بانخفاض القابلية للتصلب وتقليل خطر التشقق البارد في الفولاذ الفيريتك؛ بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، فإن هذا المؤشر أقل أهمية ولكنه لا يزال يستخدم لتقييمات السبائك المختلطة.

• Pcm (مؤشر خطر إزالة الكربون والتشقق اللحامي): $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ بالنسبة للدرجات المقاومة للصدأ، يزيد النيوبيوم $P_{cm}$ قليلاً، ولكن في الدرجات المستقرة يتم تعويض ذلك بواسطة القفل الكيميائي للكربون. فسر هذه الصيغ بشكل نوعي: 304L لديها كربون منخفض بطبيعتها وبالتالي خطر تحسس أقل؛ يوفر استقرار 347 مقاومة مشابهة أو أفضل للتآكل الناتج عن كربيد حدود الحبيبات بعد اللحام.

6. التآكل وحماية السطح

كفولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي، تعتمد كلا الدرجتين على فيلم سالب غني بالكروم مستمر لمقاومة التآكل.

• PREN (رقم مقاومة التآكل) يستخدم عادة لتقييم مقاومة التآكل حيث يتواجد Mo وN: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ بالنسبة لـ 304L و347، اللتين تحتويان على محتوى Mo ضئيل وN منخفض، فإن قيم PREN متواضعة؛ وبالتالي فإن PREN له استخدام محدود في تمييز هاتين الدرجتين مقابل الدرجات التي تحتوي على Mo (مثل 316L).

التآكل بين الحبيبات: - 304L: يقلل الكربون المنخفض من تشكيل $\text{Cr}_{23}\text{C}_6$ عند حدود الحبيبات، مما يقلل من القابلية للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام دون الحاجة إلى معالجة حرارية بعد اللحام. - 347: يمنع استقرار النيوبيوم تشكيل كربيد الكروم من خلال تشكيل $\text{NbC}$ بشكل تفضيلي، مما يوفر مقاومة قوية للهجوم بين الحبيبات حتى عندما يكون محتوى الكربون أعلى أو يكون التبريد بطيئًا.

حمايات أخرى: - إذا تم استخدام استراتيجية حماية غير مقاومة للصدأ (ليس شائعًا هنا)، فإن الطلاءات مثل الطلاء أو الجلفنة تكون خارج النمط لهذه الدرجات؛ عادةً ما يتم حماية الفولاذ المقاوم للصدأ بواسطة علاجات التمرير (حمض النيتريك أو الحمض الستريك) أو التلميع الميكانيكي لاستعادة الفيلم الساكن.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل: كلا الدرجتين قابلتان للتشكيل بشكل كبير في الحالة المعالجة بسبب هيكلهما الأوستنيتي. السحب العميق والانحناء المعقد شائعان.
• قابلية التشغيل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عمومًا أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني (ميل للتصلب أثناء العمل وانخفاض الموصلية الحرارية). 304L و347 لهما قابلية تشغيل مشابهة؛ يمكن أن تكون 347 أكثر صعوبة قليلاً على الأدوات بسبب كربيدات النيوبيوم، لكن الاختلافات ضئيلة.
• تشطيب السطح: كلاهما يتألق جيدًا؛ يمكن أن تطور 347 ميزات سطحية مرتبطة بالكربيد مختلفة قليلاً بعد التعرض الحراري العدواني.
• علاجات ما بعد التصنيع: يُوصى بالتمرير أو النقع بعد التصنيع/اللحام لاستعادة أكسيد الكروم السطحي وإزالة التلوث الخارجي.

8. التطبيقات النموذجية

304L – الاستخدامات النموذجية	347 – الاستخدامات النموذجية
معدات معالجة الطعام، الألبان، التخمير، والأدوات المنزلية (حيث تكون اللحامات شائعة والنظافة حاسمة)	معدات معالجة المواد الكيميائية والمبادلات الحرارية حيث تشمل الخدمة دورات أو درجات حرارة مرتفعة وتجميعات ملحومة
مكونات صيدلانية وطبية تتطلب سهولة التنظيف ومقاومة التآكل	أنظمة العادم، قنوات الطائرات، ومكونات الأفران الصناعية حيث يحسن الاستقرار الأداء بعد الدورات الحرارية
زخارف معمارية، خزانات، وأنابيب في بيئات تآكل خفيفة	أوعية الضغط، خطوط بخار عالية الحرارة، وتجميعات ملحومة معرضة لخطر التحسس

مبررات الاختيار: - اختر 304L عند تفضيل تقليل تكلفة المواد الأولية وزيادة مقاومة التآكل بعد اللحام دون استقرار خاص (مثل الطعام، الأدوية). - اختر 347 حيث ستشهد المكونات الملحومة تعرضًا حراريًا مطولًا أو حيث سيتعرض المادة لخطر التحسس ويعطي الاستقرار (النيوبيوم) أداءً أكثر توقعًا على المدى الطويل.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما تكون 347 أعلى قليلاً من 304L بسبب إضافة النيوبيوم وأحيانًا ضوابط المواصفات الأكثر صرامة. ومع ذلك، قد تكون الزيادة متواضعة وتعتمد على ظروف السوق وشكل المنتج.
• التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في أشكال ورقة، لوح، أنبوب، وقضيب. 304/304L أكثر شيوعًا ومخزنة بتنوع وحجم أكبر، مما يمكن أن يقلل من أوقات التسليم للأحجام المتخصصة. يتم تخزين 347 عادةً لتطبيقات الضغط ودرجات الحرارة العالية ولكن قد يكون لديها أوقات تسليم أطول لبعض الأشكال أو التشطيبات.

10. الملخص والتوصية

السمة	304L	347
قابلية اللحام	ممتازة (الكربون المنخفض يقلل من التحسس)	ممتازة (استقرار النيوبيوم يقلل من التحسس)
القوة–الصلابة	مشابهة؛ كلاهما أوستنيتي ومرن	مشابهة؛ فوائد هامشية عند درجات حرارة مرتفعة
التكلفة	أقل (عمومًا)	أعلى (تكلفة سبائك النيوبيوم)

اختر 304L إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي منخفض الكربون مع مقاومة موثوقة للتآكل بعد اللحام للاستخدامات الغذائية أو الصيدلانية أو العامة. - كانت التكلفة والتوافر الواسع هما القلقان الرئيسيان وكانت درجات الحرارة الخدمية ليست مرتفعة بما يكفي للتسبب في التحسس بعد اللحام.

اختر 347 إذا: - كان التصميم يتضمن تجميعات ملحومة كبيرة ستشهد تعرضًا حراريًا مطولًا، أو دورات، أو درجات حرارة مرتفعة حيث يكون الاستقرار ضد التآكل بين الحبيبات أمرًا حاسمًا. - كنت تفضل استراتيجية استقرار (نيوبيوم) بدلاً من الاعتماد فقط على الكربون المنخفض، أو عندما يمكن أن يتناسب شراء المواد مع سبيكة مستقرة ذات تكلفة أعلى قليلاً.

ملاحظة ختامية: كلا من 304L و347 هما فولاذان مقاومان للصدأ أوستنيتيان مثبتان مع خصائص ميكانيكية متداخلة ولكن بأساليب مختلفة لمكافحة التحسس. يجب أن يأخذ الاختيار النهائي في الاعتبار إجراءات اللحام، تاريخ درجات الحرارة الخدمية، بيئة التآكل (كلوريد، نيتريك، كبريتيد)، وقيود الشراء. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، اطلب شهادات المصنع، وإذا لزم الأمر، قم بإجراء لحامات تأهيل واختبارات تآكل في ظروف الخدمة التمثيلية.