309 مقابل 310S – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
الدرجات 309 و310S هي فولاذ مقاوم للصدأ من النوع الأوستنيتي يُستخدم على نطاق واسع حيث تتطلب القوة عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الأكسدة. يقوم المهندسون والمتخصصون في الشراء عادةً بوزن التبادلات بين مقاومة التآكل عند درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام، وتكلفة المواد عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية مكونات الأفران، وأدوات المعالجة الحرارية، والقنوات عالية الحرارة، ومعدات العمليات الكيميائية حيث تؤثر درجة الحرارة، والتسخين الدوري، وسلامة اللحام على الاختيار.
التمييز الفني الرئيسي بين هاتين الدرجتين هو توازن السبائك: تم تصميم 310S مع كميات أعلى بكثير من الكروم والنيكل وكميات أقل من الكربون مقارنةً بـ 309، مما يحسن من مقاومة التآكل الساخن ويقلل من خطر التحسس؛ تحتوي 309 على كميات أقل من النيكل وكربون أعلى نسبيًا (في الدرجة القياسية) مما يجعلها أكثر اقتصادية ولكنها أكثر حساسية قليلاً لترسيب الكربيد تحت بعض الدورات الحرارية. نظرًا لتداخلها في مجال التطبيق، يقارن المصممون بينها بشكل أساسي بناءً على أداء الأكسدة عند درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام (خطر التحسس)، والتكلفة.
1. المعايير والتسميات
- المواصفات والتسميات الشائعة:
- ASTM/ASME: A240 / SA240 (الفولاذ المقاوم للصدأ المقاوم للحرارة)
- EN: عائلة EN 10088 (تسميات وطنية وأوروبية شاملة مختلفة)
- JIS/GB: المعادلات اليابانية والصينية للفولاذ المقاوم للصدأ المقاوم للحرارة
- UNS: UNS S30900 (309)، UNS S31008 (310S)
- تصنيف المواد:
- كلا من 309 و310S هما فولاذان مقاومان للصدأ من النوع الأوستنيتي (فئة الفولاذ المقاوم للصدأ).
- ليست فولاذًا كربونيًا، أو فولاذ أدوات، أو HSLA. إنها فولاذات مقاومة للصدأ مصممة للخدمة عند درجات حرارة عالية.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوضح الجدول التالي العناصر الرئيسية للسبائك التي تحدد السلوك المعدني لـ 309 مقابل 310S. يتم تقديم القيم نوعيًا كنطاقات نموذجية واختلافات نسبية بدلاً من قيم نقطة واحدة معتمدة من المصنع - تأكد دائمًا من شهادة المصنع للشراء.
| عنصر | 309 (نطاقات نموذجية / ملاحظات) | 310S (نطاقات نموذجية / ملاحظات) |
|---|---|---|
| C (الكربون) | معتدل (الحد الأقصى للكربون في 309 أعلى من النسخ 'S') | كربون منخفض (تم تقليل الحد الأقصى للكربون بشكل كبير؛ يحد من ترسيب الكربيد) |
| Mn (المنغنيز) | حتى معتدل (يحسن القوة الساخنة؛ شائع حتى ~2%) | مماثل لـ 309 (مقدار المنغنيز قابل للمقارنة) |
| Si (السيليكون) | إضافات صغيرة لمقاومة الأكسدة (السيليكون حتى ~1%) | سيليكون صغير مماثل لمقاومة الأكسدة |
| P (الفوسفور) | محتفظ به منخفضًا (تحكم في الشوائب) | محتفظ به منخفضًا |
| S (الكبريت) | محتفظ به منخفضًا (يحسن قابلية تشكيل الدرجات سهلة التشغيل فقط) | محتفظ به منخفضًا |
| Cr (الكروم) | مرتفع (مقاومة جيدة للأكسدة؛ أقل من 310S) | أعلى (الأفضل بين الاثنين؛ يحسن من مقاومة الأكسدة والتآكل عند درجات الحرارة العالية) |
| Ni (النيكل) | مرتفع (لكن أقل من 310S) | مرتفع وأعلى من 309 (يثبت الأوستنيت، يحسن من اللدونة ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة العالية) |
| Mo (الموليبدينوم) | عادةً غير موجود بكميات كبيرة | عادةً غير موجود (يحد من تحسينات مقاومة التآكل) |
| V, Nb, Ti, B | ليست عناصر سبائك رئيسية في أي منهما؛ قد تظهر في متغيرات تتبع أو تثبيت | نادراً ما يُستخدم Nb/Ti في هذه الدرجات؛ 310S هو كربون منخفض بدلاً من أن يكون مثبتًا |
| N (النيتروجين) | منخفض إلى منخفض جدًا | منخفض إلى منخفض جدًا |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يزيد الكروم من مقاومة الأكسدة ويشكل طبقة أكسيد واقية عند درجات الحرارة العالية. - يثبت النيكل المرحلة الأوستنيتية، ويعزز اللدونة والقوة عند درجات الحرارة العالية، ويحسن المقاومة للإجهادات الحرارية الدورية. - يزيد الكربون من القوة ولكنه يمكّن من ترسيب الكربيد (التحسس) عند التبريد البطيء عبر 450–850 درجة مئوية؛ تقلل درجات "S" منخفضة الكربون من هذا الخطر. - يحسن الموليبدينوم من مقاومة التآكل ولكن عادةً لا يكون موجودًا في 309/310S.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- البنية المجهرية:
- كلا من 309 و310S هما أوستنيتيان بالكامل في الحالة المعالجة. تتكون البنية المجهرية من الأوستنيت المكعب المتمركز على الوجوه (FCC) مع ترسيبات كربيد محتملة أو مرحلة سيغما تحت بعض التعرضات الحرارية.
- استجابة المعالجة الحرارية:
- الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ليس قابلاً للتصلب باستخدام استراتيجيات التبريد والتسخين المستخدمة للفولاذات الفريتية/المارتينسيتية. تعتمد تعديلات القوة على العمل البارد، والتسخين الحلولي، وإعادة التبلور، وتقوية الإجهاد.
- يستعيد التسخين الحلولي (الممارسة الصناعية النموذجية) اللدونة ويذيب الترسيبات؛ تقع درجات حرارة التسخين الحلولي الشائعة في النطاق العام المستخدم لسبائك مقاومة الحرارة الأوستنيتية (استشر المنتج/المعيار للحصول على درجات الحرارة الدقيقة).
- التحسس: يمكن أن يؤدي الكربون الأعلى في 309 القياسية إلى ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات إذا تعرض لدرجات حرارة بين 450–850 درجة مئوية؛ يقلل 310S (منخفض الكربون) من هذا الخطر، لذا يُفضل حيث لا يكون التسخين بعد اللحام ممكنًا أو حيث تمر دورات الخدمة بشكل متكرر عبر نطاق التحسس.
- مرحلة سيغما وغيرها من المعادن البينية: يمكن أن تعزز التعرضات الطويلة بين حوالي 600–900 درجة مئوية تشكيل مرحلة سيغما في السبائك الغنية بالكروم، مما يجعل المادة هشة؛ يؤثر التركيب والتاريخ الحراري على القابلية.
4. الخصائص الميكانيكية
تختلف الخصائص الميكانيكية حسب شكل المنتج (ورقة، لوح، قضيب) وحالة العمل البارد. بدلاً من الأرقام المطلقة الفردية، يجب على المستخدمين الاعتماد على شهادات المصنع. أدناه جدول مقارن نوعي للحالات المعالجة النموذجية.
| الخاصية | 309 (معالج) | 310S (معالج) |
|---|---|---|
| قوة الشد | قابلة للمقارنة مع الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية؛ أقل قليلاً من 310S في بعض الحالات | مماثلة أو أعلى قليلاً بسبب محتوى النيكل الأعلى الذي يحسن من القوة عند درجات الحرارة العالية |
| قوة الخضوع | مماثلة؛ كلاهما لهما قوة خضوع منخفضة نسبيًا مقارنة بالفولاذات الفريتية/المارتينسيتية | مماثلة؛ قد يحتفظ 310S بالقوة بشكل أفضل قليلاً عند درجات الحرارة العالية |
| التمدد (اللدونة) | لدونة عالية نموذجية للفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية | لدونة عالية؛ يساعد محتوى النيكل في الحفاظ على اللدونة عند درجات الحرارة المرتفعة |
| صلابة التأثير | صلابة جيدة عند درجة حرارة الغرفة؛ ليست حساسة للنقاط مثل الفولاذات المارتينسيتية | صلابة جيدة؛ يقلل الكربون المنخفض من خطر الهشاشة بعد اللحام |
| الصلابة | صلابة منخفضة في الحالة المعالجة (ناعمة، لدنة) | صلابة منخفضة في الحالة المعالجة |
التفسير: - لا تُستخدم أي من الدرجتين بشكل أساسي من أجل القوة الثابتة العالية عند درجة حرارة الغرفة؛ يتم اختيارها لأداء درجات الحرارة العالية وسلوك التآكل/الأكسدة. - يوفر 310S عادةً احتفاظًا أفضل قليلاً بالقوة ومقاومة للأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة بسبب محتواه الأعلى من الكروم والنيكل؛ 309 هو حل وسط بين التكلفة والقدرة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة.
5. قابلية اللحام
تعتبر قابلية اللحام للفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية ممتازة بشكل عام من حيث تجنب المراحل الصلبة والهشة، ولكن يجب الانتباه إلى التحسس، والتشوه، والشقوق الساخنة.
المؤشرات المفيدة: - المعادل الكربوني (شكل IIW) لمقارنة ميول التصلب (نوعي للسبائك المقاومة للصدأ): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm لتقييم ميل الشقوق الباردة 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: - يحتوي 310S على كربون أقل، مما يقلل من خطر التآكل بين الحبيبات (التحسس) بعد اللحام ويقلل من ترسيب الكربيد - مما يحسن من أداء التآكل بعد اللحام. - يثبت النيكل الأعلى في 310S الأوستنيت ويقلل من الميل نحو الشقوق الساخنة؛ يجعل محتوى النيكل المنخفض في 309 أكثر عرضة قليلاً لمشاكل اللحام تحت ظروف معينة ولكنه لا يزال قابلًا للحام بشكل عام باستخدام المعادن الملحومة الأوستنيتية القياسية. - عادةً لا تتطلب درجات الأوستنيت هذه تسخينًا مسبقًا أو درجات حرارة بينية؛ ومع ذلك، يجب أن تأخذ القيود، وتصميم الوصلات، وخيارات المعالجة الحرارية بعد اللحام في الاعتبار خطر ترسيب مرحلة سيغما إذا كانت الأجزاء ستتعرض لفترات طويلة في نطاق 600–900 درجة مئوية.
6. التآكل وحماية السطح
- التآكل العام والأكسدة عند درجات الحرارة العالية:
- تعتمد كلا الدرجتين على الكروم لتطوير طبقة أكسيد واقية. عادةً ما يوفر 310S، مع محتوى أعلى من الكروم والنيكل، مقاومة أفضل للأكسدة عند درجات الحرارة العالية مقارنةً بـ 309.
- التآكل الناتج عن النقاط والشقوق:
- لا تحتوي 309 ولا 310S على موليبدينوم كبير؛ لذلك، فإن مقاومتهما للتآكل الناتج عن الكلور محدودة مقارنةً بالدرجات التي تحتوي على الموليبدينوم. يُظهر استخدام PREN لميل التآكل الناتج عن النقاط (حيث يكون الموليبدينوم مهمًا) كالتالي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- في تطبيق 309/310S، يكون PREN محدود الفائدة لأن الموليبدينوم عادةً غير موجود والنيتروجين منخفض؛ وبالتالي فإن مقاومة التآكل الناتج عن النقاط متواضعة.
- حماية السطح للفولاذات غير المقاومة للصدأ:
- غير قابلة للتطبيق - كلاهما من الدرجات المقاومة للصدأ. بالنسبة للمكونات التي يُتوقع أن تتعرض لأضرار سطحية محلية أو بيئات كلور شديدة، يُفضل النظر في الدرجات التي تحتوي على الموليبدينوم أو الطلاءات الواقية.
- متى يُفضل 310S على 309:
- للتأكسد المستمر عند درجات الحرارة العالية، والجوهر الكربوني، والتعرض الحراري الدوري، يُفضل 310S بسبب التزامه الأفضل للطبقة وارتفاع محتوى السبائك.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل والانحناء:
- كلاهما سهل التشكيل في الحالة المعالجة؛ لديهما لدونة ممتازة. يمنح النيكل الأعلى في 310S قابلية تشكيل أفضل قليلاً عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة أفضل لتصلب العمل أثناء التشكيل.
- قابلية التشغيل:
- عادةً ما تكون الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية "لزجة" وتعمل على تصلب أثناء القطع؛ تكون قابلية التشغيل أقل من الفولاذات الكربونية. 309 و310S متشابهتان في قابلية التشغيل، مع كون 310S أحيانًا أكثر تحديًا قليلاً بسبب محتوى السبائك الأعلى والصلابة.
- تشطيب السطح:
- كلاهما يتقبل التشطيبات الشائعة للفولاذ المقاوم للصدأ (التلميع، الطحن، التفجير بالخرز) بشكل جيد، ولكن يجب تعديل صلابة الأدوات المستخدمة ومعلمات القطع لتجنب تصلب العمل وتراكم على حواف الأدوات.
8. التطبيقات النموذجية
| 309 - الاستخدامات النموذجية | 310S - الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أغطية الأفران، أدوات المعالجة الحرارية حيث تكون مقاومة الأكسدة مطلوبة بتكلفة معتدلة | مكونات الأفران عالية الحرارة، الأغطية، والأوعية التي تتطلب مقاومة أكسدة متفوقة وثبات دوري |
| أجزاء مبادل الحرارة في بيئات الهواء عالية الحرارة الأقل شدة | مكونات معرضة لجوهر أكسدة أقوى، أنابيب إشعاعية، بطانات سلال للمعالجة الحرارية |
| أفران صناعية، بطانات أفران حيث تكون التكلفة مهمة والخدمة القصوى محدودة | تطبيقات تتعرض لفترات طويلة لدرجات حرارة بين 900–1100 درجة مئوية أو خدمة دورية عند درجات الحرارة العالية حيث يكون تقليل التحسس أمرًا حاسمًا |
مبررات الاختيار: - اختر 309 حيث تكون مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة ولكن القيود الميزانية ومحتوى النيكل المنخفض مهمة. - اختر 310S حيث تكون مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية القصوى، ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة، وانخفاض الكربون لتجنب التحسس تفوق تكلفة المواد.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية:
- عادةً ما تكون تكلفة 310S أعلى من 309 بسبب محتواه الأعلى من النيكل والكروم.
- يتم تقديم 309 عادةً كخيار فولاذ مقاوم للصدأ عالي الحرارة بتكلفة فعالة.
- التوافر حسب شكل المنتج:
- كلا الدرجتين متوافرتان على نطاق واسع في أشكال الورق، واللوح، والأنابيب، والقضبان من عدة مصانع. يمكن أن يختلف التوافر إقليميًا وحسب حجم المنتج؛ يجب على الشراء تأكيد أوقات التسليم للشكل والتشطيب المطلوبين.
- الأشكال المخزنة:
- الأشكال القياسية للمنتجات (ورقة مدلفنة على البارد، لوح مدلفن على الساخن، أنابيب ملحومة) شائعة؛ قد تكون الأحجام المتخصصة أو الأقسام الثقيلة لها أوقات تسليم أطول.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي)
| السمة | 309 | 310S |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة؛ خطر التحسس أعلى قليلاً في 309 القياسية مقارنةً بـ 310S | جيدة جدًا؛ يقلل الكربون المنخفض من خطر التحسس |
| القوة - الصلابة (درجات الحرارة العالية) | جيدة للعديد من الاستخدامات عند درجات الحرارة المرتفعة؛ أقل من 310S عند درجات الحرارة العالية جدًا | احتفاظ متفوق بالقوة عند درجات الحرارة العالية واللدونة |
| التكلفة | أقل (أكثر اقتصادية) | أعلى (متميزة بسبب محتوى النيكل/الكروم) |
التوصية (إرشادات عملية) - اختر 309 إذا: - كانت تطبيقاتك تتطلب مقاومة جيدة للأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة ولكن الميزانية محدودة. - كانت درجات حرارة الخدمة معتدلة بالنسبة للفولاذات المقاومة للحرارة ويسمح التصميم بمعالجات بعد اللحام أو التعرض المحدود في نطاق التحسس. - كنت بحاجة إلى حل فعال من حيث التكلفة لسلال الأفران، أو مكونات الأفران، أو القنوات حيث لا تكون الاستقرار الحراري الدوري الشديد أمرًا حاسمًا. - اختر 310S إذا: - كنت بحاجة إلى مقاومة متفوقة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية، وعمر أطول تحت الأحمال الحرارية الدورية، أو مقاومة أفضل للزحف عند درجات الحرارة المرتفعة. - كانت اللحام بدون تسخين بعد اللحام ضرورية وكان تقليل خطر التحسس أمرًا مهمًا. - كان التطبيق يتضمن أجواء أكسدة أكثر عدوانية أو تشغيل مستمر بالقرب من القدرة الحرارية القصوى لهذه السبائك.
ملاحظة نهائية: تعتمد الأداء والاقتصاد على التركيب الدقيق، وشكل المادة، وظروف الخدمة. تحقق دائمًا من شهادات المصنع وقم بإجراء التحقق الهندسي (اختبار مختبري، تأهيل إجراء اللحام، أو تحليل حراري باستخدام العناصر المحدودة) عند الاختيار بين 309 و310S للتطبيقات الحرجة.