316 مقابل 317 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا خيارًا بين درجات الفولاذ المقاوم للصدأ 316 و317 عند تحديد مكونات للعمل في بيئات متآكلة. يكمن التحدي في الموازنة بين مقاومة التآكل مقابل التكلفة، وقابلية اللحام مقابل سهولة التصنيع، والتوافر مقابل الأداء في ظروف الخدمة. كلا الدرجتين من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ولهما سلوك ميكانيكي مشابه، ولكنهما يختلفان بشكل رئيسي في استراتيجية السبائك — خاصةً كمية الموليبدينوم والنيكل — والتي تؤثر على مقاومة التآكل الموضعي وأنواع التآكل النقطي وتؤثر على السعر.

الفرق العملي الأكثر أهمية هو أن 317 يحتوي على كمية أكبر من الموليبدينوم (وعادة توازن مختلف قليلاً بين النيكل والكروم) مقارنة بـ 316؛ مما يزيد من مقاومة التآكل الموضعي في بيئات الكلوريد العدوانية أو الأحماض المختزلة. ونظرًا لأن هذه الدرجات غالبًا ما تُستخدم لأدوار مماثلة (مضخات، صمامات، معدات العمليات، الأنابيب)، يقوم المهندسون بمقارنتها لتحديد ما إذا كانت التكلفة الإضافية لمادة 317 مبررة حسب ظروف الخدمة.

1. المعايير والمسميات

تشمل المعايير والمسميات الشائعة التي تغطي الفولاذ المقاوم للصدأ 316 و317 ما يلي: - ASTM / ASME: A240 / SA-240 (ألواح وصفائح)، A276 (قضبان)، A312 (أنابيب) — كلا الدرجتين مذكورتان في مواصفات ASTM بأشكال منتجات مختلفة. - UNS: 316 → UNS S31600 (وللنوع منخفض الكربون S31603 أو 316L)، 317 → UNS S31700 (وS31703 للنوع 317L). - EN: 316 غالبًا ما يتم مطابقته مع EN 1.4401 / 1.4404 (لـ 316L)؛ و317 له نظائر EN في عائلة 1.4440/1.4449 حسب النوع. - JIS / GB: تشير المعايير الوطنية إلى مواصفات كيميائية وفيزيائية مماثلة لأشكال المنتجات.

التصنيف: كلا من 316 و317 هما فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي (فئة مقاومة للصدأ)، غير قابلين للمعالجة الحرارية بالتقسية التقليدية؛ وهما ليسا فولاذ كربوني أو فولاذ أدوات أو فولاذ عالي القوة منخفض السبائك HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبك

الجدول التالي يوضح نطاقات التركيب النموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ 316 و317 القياسي (ليست منخفضة الكربون أو مثبتة). القيم المذكورة أدناه هي نطاقات نموذجية تستخدم في المواصفات التجارية؛ الحدود الدقيقة تعتمد على المعيار المحدد وشكل المنتج.

العنصر	316 (النطاق النموذجي، وزن%)	317 (النطاق النموذجي، وزن%)
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	16.0–18.0	18.0–20.0
Ni	10.0–14.0	11.0–15.0
Mo	2.0–3.0	3.0–4.0
V	≈ 0	≈ 0
Nb	≈ 0 (باستثناء الدرجات المثبتة)	≈ 0
Ti	≈ 0 (باستثناء الدرجات المثبتة)	≈ 0
B	أثر ضئيل	أثر ضئيل
N	أثر ضئيل/≤0.11	أثر ضئيل/≤0.11

تأثير السبائك على الأداء: - الكروم (Cr) يوفر مقاومة عامة للتآكل ويشكل طبقة الأكسيد السلبية. - النيكل (Ni) يثبت الطور الأوستنيتي ويحسن المتانة وقابلية اللحام. - الموليبدينوم (Mo) يعزز بشكل كبير مقاومة التآكل النقطي وتآكل الأخاديد في البيئات التي تحتوي على كلوريد والبيئات المختزلة. - الكربون يؤثر على التحسس وقوة درجات الحرارة العالية؛ الأنواع منخفضة الكربون (L) تستخدم لتحسين قابلية اللحام وتقليل ترسيب الكربيدات. - العناصر الثانوية والمثبتات (Ti وNb) تستخدم في درجات محددة لمنع التحسس في الهياكل الملحومة.

3. التركيب الدقيق واستجابة المعالجة الحرارية

التركيب الدقيق: - كلا من 316 و317 أوستنيتيان بالكامل بعد المعالجة القياسية (هيكل بلوري مكعب مركز الوجه) ويظلان أوستنيتيان عند درجة حرارة الغرفة للتركيبات النموذجية. - وجود النيكل والنيتروجين يزيد من استقرار الأوستينيت؛ الموليبدينوم لا يغير الطابع الأساسي للأوستينيت لكنه يؤثر على تكوين الترسيبات وسلوك التآكل.

استجابة المعالجة الحرارية: - لا يمكن تقسية 316 أو 317 عن طريق المعالجة التقليدية بالتبريد والتلطيف؛ فهي غير قابلة للمعالجة الحرارية بمعنى التحول المارتنسيتي. تُحدد الخواص الميكانيكية أساسًا بواسطة العمل البارد وعملية التلدين بالحل. - مسار المعالجة النموذجي: تلدين بالحل عند 1010–1150 °C (حسب المعيار) يليه تبريد سريع للاحتفاظ بمصفوفة أوستنيتي متجانسة وإذابة الكربيدات. - التحسس: التعرض المطول في نطاق 450–850 °C يمكن أن يسبب ترسيب كربيدات الكروم على حدود الحبوب (تحسس) مما يقلل من مقاومة التآكل الحبيبي. استخدام الدرجات منخفضة الكربون (L) أو المثبتة، أو التلدين الصحيح بالحل، يخفف هذا التأثير. - المعالجة الحرارية والميكانيكية والعمل البارد تزيد من كثافة الانحلالات وقوة الخضوع/الشد وتقليل اللدونة. تشديد العمل بارز في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ويجب أخذه في الحسبان أثناء التشكيل.

التطبيع / التبريد والتلطيف: - غير مطبقة كآلية تقوية — "التطبيع" بمعناه في الفولاذ الفيرتي/اللؤلئي غير مجدي؛ الخطوة المطلوبة هي التلدين بالحل لاستعادة مقاومة التآكل بعد التصنيع.

4. الخواص الميكانيكية

الدرجتان لديهما خواص ميكانيكية متشابهة بشكل عام في الحالة المطلاة لأنهما فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي. الأداء الميكانيكي النموذجي للمنتجات المطلاة (صفائح/قضبان/أنابيب) موضح بشكل نوعي أدناه.

الخاصية	316 (مطلي، نموذجي)	317 (مطلي، نموذجي)
قوة الشد (UTS)	~ نطاق 500 ميغاباسكال متوسط (يختلف حسب المنتج)	مماثلة أو أعلى قليلاً من 316
قوة الخضوع (0.2% تحديد)	~200–300 ميغاباسكال (حسب الشكل)	مماثلة؛ قد تكون أعلى قليلاً
الاستطالة (A%)	لدونة عالية؛ عادة ≥ 40% في الصفائح	مماثلة؛ لدونة ممتازة
مقاومة الصدمة	ممتازة في درجات حرارة الغرفة والمنخفضة	مماثلة؛ الأوستينيت يعطي صلابة جيدة
الصلادة	منخفضة إلى متوسطة (مطلي ناعم)	مماثلة

التفسير: - 317 ليست أقوى بكثير من الناحية الميكانيكية الكلية؛ الميزة الأساسية في الأداء للـ 317 مقارنة بـ 316 تكمن في مقاومة التآكل أكثر من القوة الميكانيكية. - يزيد العمل البارد القوة في كلا الدرجتين لكنه يقلل من اللدونة ويزيد من الضغوط المتبقية؛ يستخدم التلدين الأخير كما هو مطلوب لاستعادة قابلية التشكيل ومقاومة التآكل.

5. قابلية اللحام

كلا من 316 و317 قابلا للحام بسهولة باستخدام العمليات الشائعة (GTAW/TIG, GMAW/MIG, SMAW)، وكلاهما له أنواع منخفضة الكربون (L) أو مثبتة لتحسين أداء التآكل بعد اللحام.

مؤشرات القابلية للحام المفيدة: - يمكن تقدير المكافئ الكربوني (Carbon Equivalent) لمقاومة التشقق الحراري وقابلية التقسية بشكل نوعي باستخدام معادلات مثل: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ والمعادلة الأكثر تعقيدًا: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - التفسير: كلا الدرجتين لهما محتوى كربون منخفض ونيكل معتدل، مما يعطي قابلية لحام جيدة. زيادة الموليبدينوم في 317 تزيد قليلاً من القيم في $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ من خلال حدود Cr+Mo، لكن التأثير ضئيل مقارنة مع الكربون أو عناصر تكوين الفريت.

الإرشادات العملية: - استخدم 316L/317L للمكونات الملحومة لتقليل التحسس ومخاطر التآكل بين الحبيبات. - يعاد التلدين بالحل بعد اللحام لاستعادة مقاومة التآكل عندما يكون ذلك ممكنًا؛ وإلا يُصمم لتخفيف الإجهاد أو يحدد درجات مثبتة. - اختيار معدن الحشو: مطابقة أو استخدام معدن حشو سبائكي أعلى قليلاً للحماية ضد التآكل الموضعي؛ استشر مواصفات إجراءات اللحام.

6. التآكل وحماية السطح

بالنسبة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مثل 316 و317، تشمل الاعتبارات الأساسية لأداء مقاومة التآكل التآكل العام، التآكل النقطي، تآكل الخنادق، وتآكل الإجهاد في بيئات الكلوريد.

رقم مقاومة التآكل الموضعي (PREN): - للمقارنة بين مقاومة التآكل الموضعي، يُستخدم PREN كالتالي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - لأن 317 يحتوي عادة على مزيد من الموليبدينوم (وغالبًا توازن كروم/نيتروجين أعلى قليلاً)، فإن قيمة PREN له أعلى من 316، مما يشير إلى مقاومة أفضل للتآكل النقطي وتآكل الأخاديد في بيئات كلوريد ومحيطات حمضية مختزلة.

عند عدم تطبيق PREN والمؤشرات: - بالنسبة للفولاذات غير المقاومة للصدأ (غير ذات صلة هنا) أو للبيئات التي تسودها التآكل العام الموحد تحت ظروف المؤكسد، تُعتبر معدلات التآكل العامة وطبقات الحماية (التغليف بالزنك، الطلاء، بطانات البوليمر) هي الاستراتيجيات الأساسية للحماية.

التطبيق العملي: - اختر 317 حيث تكون مقاومة التآكل الناتجة عن الكلوريدات وتآكل الحفر والشقوق من المخاطر الرئيسية (مثل الخدمات المركزة بالكلوريد، الأحماض المختزلة العدوانية). في البيئات الأقل حدة أو حيث يكون للتكلفة أهمية بالغة، غالبًا ما يوفر 316 أداءً كافيًا.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلا الدرجة تتمتع بقابلية تشغيل معتدلة مقارنة بالفولاذات الفريتية/المارتنسيتيّة؛ حيث إن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يتصلب بسرعة أثناء التشغيل، لذا تركز استراتيجيات التشغيل على استخدام أدوات عالية الصلابة، وتحكم دقيق بحمولة القطع، وتوفير تبريد وفير. يحتوي 317 على نسبة سبيكة أعلى قليلاً قد تؤثر بشكل طفيف على تآكل الأدوات وقوى القطع.
• قابلية التشكيل: كلاهما يظهران مرونة ممتازة وقابلية تشكيل عالية في الحالة المعالجة حراريًا (المخمرة)؛ يؤدي العمل البارد إلى زيادة القوة ولكنه يزيد من قوة الزنبركة والتصلب بالعمل.
• تشطيب السطح: كلاهما يقبل التشطيبات السطحية الشائعة (التلميع، الباسيفيشن)؛ يوصى بعمليات الباسيفيشن بعد التصنيع أو إنهاء اللحام لاستعادة الأداء المثالي لمقاومة التآكل.
• التشكيل البارد والسحب العميق: ممكن مع دورات تليين مناسبة واختيار الأدوات الملائم؛ يُستخدم 316 على نطاق واسع في ورش التصنيع لمكونات مشكّلة؛ بينما يتصرف 317 بشكل مماثل لكنه قد يتطلب معايير عملية مختلفة قليلاً لتحقيق نفس جودة التشطيب السطحي.

8. التطبيقات النموذجية

316 — الاستخدامات النموذجية	317 — الاستخدامات النموذجية
التجهيزات البحرية، أعمدة المضخات، أعمدة المراوح، معدات السطح	معدات العمليات الكيميائية المعرضة للكلوريدات والأحماض المختزلة
معدات معالجة الأغذية والأدوية (أسطح صحية)	أنابيب النقل الكيميائية، الخزانات، والمبادلات الحرارية في وسائط عدوانية
المبادلات الحرارية والمكثفات	خزانات النقع، أنظمة استرداد الأحماض، وخدمات محلول ملحي مركز
التطبيقات المعمارية في البيئات الساحلية (تعرض معتدل)	البيئات التي تتطلب مقاومة أعلى للتآكل الناتج عن الحفر (تعرض أعلى للكلوريدات/تحديات أوستنيتي)

مبررات الاختيار: - اختر 316 عندما تكون مقاومة التآكل العامة، قابلية التشكيل، والفعالية من حيث التكلفة هي الأولويات والبيئة معتدلة التآكل. - اختر 317 عندما يكون خطر التآكل الموضعي (الحفر/الشقوق) مرتفعًا وتوفر نسبة الموليبدنوم الإضافية عمر خدمة مطلوب.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 317 عادة ما يكون أغلى من 316 بسبب محتوى الموليبدنوم الأعلى وغالبًا محتوى النيكل الأعلى. الموليبدنوم عنصر سبائكي مكلف نسبيًا، لذا يمكن أن يكون الفارق في السعر كبيرًا اعتمادًا على أسعار النيكل والموليبدنوم في السوق.
• التوافر: 316 هو أحد أكثر الدرجات الأوستنيتية المخزنة شيوعًا ويتوفر على نطاق واسع بألواح، صفائح، قضبان، أنابيب وتجهيزات. يتوفر 317 أيضًا لكنه قد يكون أقل توافرًا في بعض المناطق وبعض أشكال المنتجات؛ وقد تكون أوقات التسليم وكميات الطلب الأدنى أعلى للأشكال المتخصصة.

نصائح الشراء: - تقييم تكلفة دورة الحياة: يمكن تبرير التكلفة الأولية الأعلى لـ 317 إذا كانت توقفات التشغيل، التسريبات المرتبطة بالتآكل، أو تكاليف الاستبدال ستنخفض. - بالنسبة للتصنيع الملحوم، تأكد من توفر مواد الحشو المطابقة وفكر في استخدام المتغيرات منخفضة الكربون L إذا كانت مقاومة التآكل عند اللحام تمثل مصدر قلق.

10. الملخص والتوصية

الدرجة	سهولة اللحام	القوة-المتانة	التكلفة
316	ممتازة (محسنة مع 316L)	مرونة ومتانة جيدة؛ قوى نموذجية في الحالة المخمرة	تكلفة أقل؛ متوفر على نطاق واسع
317	جيدة جدًا (317L للأعمال الملحومة)	خصائص ميكانيكية مماثلة؛ إمكانية قوة أعلى بشكل طفيف	تكلفة أعلى؛ مقاومة أفضل للتآكل الموضعي

التوصيات: - اختر 316 إذا: - كانت الخدمة تتضمن تعرضًا متوسطًا للتآكل (رذاذ البحر، الأغذية/الأدوية، خدمات كيميائية عامة) وكانت التكلفة أو التوفر من الأولويات. - يتطلب التصنيع توفرًا واسعًا للمواد وسهولة مثبتة في اللحام؛ فكر في استخدام 316L للّحام المكثف. - اختر 317 إذا: - كان البيئة تحتوي على تركيزات أعلى من الكلوريدات، أحماض مختزلة، أو خطر مرتفع لتآكل الحفر/الشقوق ويُطلب زيادة محتوى الموليبدنوم لتمديد عمر الخدمة. - تُفضل تحليلات تكلفة دورة الحياة الاستثمار المسبق في السبيكة لتجنب فشل التآكل المبكر.

ملاحظة ختامية: يجب دائمًا مطابقة اختيار المادة مع البيئة الكيميائية المحددة، درجة الحرارة، الأحمال الميكانيكية، وقيود التصنيع. عند الشك، استعن ببيانات اختبارات التآكل (نقع مختبري، اختبارات الحفر الدورية) لحالات الخدمة المقصودة واستشر خبراء المواد لتأكيد اختيار الدرجة وإجراءات اللحام/التصنيع.