316Ti مقابل 321H - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

316Ti و 321H هما نوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستخدمين حيث يتطلب الأمر الجمع بين مقاومة التآكل والأداء في درجات الحرارة المرتفعة. اختيار أحدهما هو معضلة متكررة للمهندسين وفرق الشراء التي توازن بين مقاومة التآكل، وقوة درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام، وتكلفة دورة الحياة: 316Ti هو نوع يحتوي على الموليبدينوم مثبت بالتيتانيوم لتحسين مقاومة التحسس، بينما 321H هو نوع مثبت بالتيتانيوم يحتوي على الكروم والنيكل ويقدم كربون أعلى لتحسين مقاومة الزحف والقوة في درجات الحرارة المرتفعة. هذه الاختلافات تجعل النوعين جذابين لنطاقات خدمة متداخلة ولكن متميزة - 316Ti حيث تكون مقاومة التآكل والتآكل العام هي الأولوية، و 321H حيث تكون الاستقرار على المدى الطويل في البيئات المؤكسدة ذات درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف مهمة.

1. المعايير والتسميات

المعايير والتسميات الدولية الشائعة حيث توجد هذه الأنواع:

• ASTM/ASME: A240 (لوح، ورقة، وشريط)، A312 (أنبوب)، A403 (وصلات) - يتم تحديد متغيرات 316Ti و 321/321H.
• EN: EN 1.4571 (316Ti)، EN 1.4878 (321H) المعادلات المستخدمة في المعايير الأوروبية.
• JIS: تشمل عائلة JIS G4303/G4313 الأوستنيتيك المثبت مع تسميات محلية.
• GB (الصين): تسرد معايير GB/T أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ القابلة للمقارنة مع 316Ti و 321H.

التصنيف: - كلا من 316Ti و 321H هما فولاذان مقاومان للصدأ (أوستنيتي). هما ليسا فولاذين كربونيين، أو فولاذ سبائكي، أو فولاذ أدوات، أو HSLA.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

الجدول: نطاقات التركيب النموذجية (معبر عنها كنسبة مئوية بالوزن). القيم تختلف حسب المواصفات وشكل المنتج؛ يظهر الجدول النطاقات التمثيلية المذكورة عادة في المعايير. استشر دائمًا المعيار المعني أو شهادة المصنع للحصول على التركيب الدقيق.

عنصر	316Ti (نطاق نموذجي)	321H (نطاق نموذجي)
C	≤ 0.08 (تحكم في الكربون المنخفض)	~0.04–0.10 (متغير كربوني أعلى من 321)
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~16–18	~17–19
Ni	~10–14	~9–12
Mo	~2.0–3.0	≤ 0.5 (عادة لا يوجد)
V	أثر أو غير محدد	أثر أو غير محدد
Nb	— (ليس مثبتًا أساسيًا)	— (التيتانيوم هو المثبت؛ يستخدم النيوبيوم أحيانًا في الأنواع ذات الصلة)
Ti	إضافة محكومة (≥ 5 × C، حتى ~0.7)	إضافة محكومة (≥ 5 × C، حتى ~0.7)
B	أثر	أثر
N	أثر أو إضافات صغيرة ممكنة	أثر

ملاحظات حول استراتيجية السبائك: - 316Ti: مبني على عائلة 316 - يوفر الكروم والنيكل والموليبدينوم مقاومة عامة وتآكل ممتازة. يتم إضافة التيتانيوم لتثبيت الكربون، مما يشكل راسب كربون-تيتانيوم لتجنب ترسيب كربيد الكروم أثناء التعرض في نطاق التحسس (حوالي 450–850 درجة مئوية). - 321H: مشتق من 321 (Cr–Ni مع تثبيت التيتانيوم) ولكنه مزود بكربون أعلى لتحسين قوة الزحف والخصائص في درجات الحرارة العالية. يربط التيتانيوم في 321H الكربون ويقلل من التحسس مع الاحتفاظ بكربون أعلى لقوة الزحف.

آثار السبائك: - يوفر الكروم السلبية ومقاومة التآكل العامة. - يثبت النيكل الهيكل الأوستنيتي ويحسن المتانة. - يزيد الموليبدينوم في 316Ti من مقاومة التآكل المحلي (التآكل/الشقوق). - يربط التيتانيوم الكربون الحر لمنع التآكل بين الحبيبات بعد اللحام أو التعرض لدرجات حرارة التحسس؛ في 321H يزيد الكربون الأعلى من القوة في درجات الحرارة المرتفعة ولكنه يتطلب محتوى تيتانيوم صحيح لمنع التحسس.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهياكل النموذجية: - كلا النوعين أوستنيتيان بالكامل في الحالة المعالجة حراريًا مع كربيدات أو بين فلزات متفرقة حسب التاريخ الحراري. - يشكل التيتانيوم راسب TiC أو Ti(C,N) بشكل تفضيلي قبل تشكيل كربيد الكروم، مما يحافظ على الكروم في المحلول عند حدود الحبيبات.

آثار المعالجة الحرارية والمعالجة: - المعالجة الحرارية (معالجة المحلول) عند درجات حرارة الأوستنيتي النموذجية تليها تبريد سريع تعيد كلا المادتين إلى ميكروهيكل أوستنيتي أحادي الطور وقابل للطرق. - بالنسبة لـ 316Ti، تقضي المعالجة الحرارية القياسية على ترسيب الكربيد السابق؛ تبقى راسب Ti–C مستقرة إذا كان التيتانيوم كافيًا بالنسبة للكربون. - يتم عادةً توفير 321H في الحالة المعالجة حراريًا؛ يوفر الكربون الأعلى تعزيزًا أكبر للترسيب عند التعرض لفترات أطول في درجات الحرارة المرتفعة، مما يعزز قوة الزحف. - لا تنطبق المعالجة العادية، والتبريد، والتخمير على الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بنفس المعنى كما هو الحال بالنسبة للفولاذ الفيريتك/اللؤلؤي؛ يتم تحقيق الخصائص الميكانيكية بشكل رئيسي من خلال العمل البارد، والمعالجة الحرارية، وآثار الشيخوخة/الترسيب عند درجة حرارة الخدمة. - يمكن أن تزيد المعالجة الحرارية الميكانيكية (عمل بارد + معالجة حرارية) من القوة عبر تصلب الإجهاد؛ يمكن أن يتسبب التعرض الطويل للخدمة بين حوالي 500–800 درجة مئوية في ترسيب كربيد معقد وبين فلزات تؤثر على المتانة ومقاومة التآكل إذا كان التيتانيوم غير كافٍ.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية على شكل المنتج (ورقة، لوح، أنبوب)، والمعالجة الحرارية، ومعيار الاختبار. يوفر الجدول أدناه أوصاف مقارنة نوعية بدلاً من قيم عددية مطلقة - استشر شهادات المصنع للحصول على أرقام دقيقة.

خاصية	316Ti (معالج حراريًا، سلوك نموذجي)	321H (معالج حراريًا أو مثبت)
قوة الشد	متوسطة - متوافقة مع عائلة 316 الأوستنيتي	مماثلة أو أعلى قليلاً في درجات الحرارة المرتفعة بسبب تقوية الكربون
قوة الخضوع	متوسطة - قابلية جيدة للطرق	قوة خضوع أعلى قليلاً في درجات الحرارة العالية؛ قوة الخضوع في درجة حرارة الغرفة مماثلة لـ 316Ti
التمدد	عالية (قابلية جيدة للطرق والتشكيل)	جيدة، ولكن قد تكون منخفضة بشكل معتدل إذا كان الكربون أعلى أو تم العمل عليه باردًا
صلابة التأثير	عالية في درجة حرارة الغرفة؛ متانة جيدة في درجات الحرارة المنخفضة	جيدة في درجة حرارة الغرفة؛ تحتفظ بالمتانة في درجات الحرارة المرتفعة، ولكن التعرض الطويل قد يؤثر على المتانة إذا حدث الترسيب
الصلابة	منخفضة إلى متوسطة (ناعمة، قابلة للطرق، سهلة العمل البارد)	مماثلة؛ يمكن أن يزيد الكربون الأعلى من الصلابة بشكل طفيف

التفسير: - في درجة حرارة الغرفة، يظهر كلا النوعين قابلية التمدد والمتانة المميزة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. - يمنح الكربون الأعلى واستراتيجية التثبيت في 321H ميزة في مقاومة الزحف في درجات الحرارة العالية والاحتفاظ بالقوة لفترات طويلة، بينما يوفر 316Ti مقاومة أفضل قليلاً للتآكل المحلي بسبب الموليبدينوم.

5. قابلية اللحام

تعتبر قابلية اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي جيدة بشكل عام؛ هناك جانبين مهمين هنا: القابلية للتحسس/التآكل بين الحبيبات وآثار العمل البارد/الصلابة بالقرب من اللحامات.

مؤشرات قابلية اللحام الرئيسية: - المعادل الكربوني (معادلة IIW) مفيد لتقييم ميل التصلب في اللحام: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - يتم استخدام معادلة المعادل الكرومي أو Pcm أيضًا لتقييم قابلية تشقق 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: - 316Ti: قابلية لحام ممتازة بشكل عام. يقلل الكربون المنخفض وتثبيت التيتانيوم من خطر التآكل بين الحبيبات بعد اللحام. لا يؤثر الموليبدينوم بشكل جدي على قابلية اللحام ولكنه يزيد من ميل السبيكة لتشكيل مراحل منخفضة الانصهار في ظروف نادرة؛ تجنب مشاكل اللحام يتم من خلال استخدام المعادن القياسية للملء والتحكم في إدخال الحرارة. - 321H: قابل للحام أيضًا ولكن الكربون الأعلى يرفع من قياسات المعادل الكربوني النظرية، مما يزيد من الحاجة إلى إدخال حرارة محكم وعلاجات محتملة بعد اللحام في الأقسام السميكة. يقلل تثبيت التيتانيوم من تشكيل كربيد الكروم، ولكن عندما يكون محتوى الكربون أعلى عمدًا (كما في 321H) يكون التحكم في نسبة Ti:C أمرًا حاسمًا. عادةً ما يكون التسخين المسبق غير ضروري للأقسام الرقيقة؛ بالنسبة للأقسام الثقيلة والخدمة الدورية في درجات الحرارة العالية، يُوصى بتأهيل إجراءات اللحام.

بشكل عام: يعتبر كلا النوعين قابلين للحام باستخدام الإجراءات القياسية؛ غالبًا ما يعتبر 316Ti أسهل مع متطلبات أقل للتحكم الإضافي عندما تكون مقاومة التآكل هي القلق الرئيسي، بينما يتطلب 321H اهتمامًا عند استخدامه في الأقسام السميكة أو في التطبيقات التي تهم فيها معالجة الحرارة بعد اللحام وأداء الزحف.

6. التآكل وحماية السطح

• بالنسبة للدرجات المقاومة للصدأ، يتم تحديد أداء التآكل بشكل أساسي من خلال محتوى الكروم ووجود الموليبدينوم والنيتروجين.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) مفيد لمقارنة مقاومة التآكل: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• تطبيق PREN: يستفيد 316Ti من محتواه من الموليبدينوم، مما يؤدي إلى PREN أعلى من 321H في التركيبات النموذجية؛ عدم وجود Mo في 321H يعني مقاومة تآكل أقل في البيئات الغنية بالكلور.

الفولاذ غير المقاوم للصدأ: - لا ينطبق هنا حيث أن كلا النوعين مقاومان للصدأ. إذا تم استخدام فولاذ كربوني بديل، ستكون الطلاءات (التغليف، الطلاء، البطانة) ضرورية.

ملاحظات عملية: - 316Ti: مفضل في البيئات الغنية بالكلور (مياه البحر، تيارات العمليات الكيميائية) بسبب مقاومته المعززة للتآكل من الموليبدينوم وتثبيت التيتانيوم لمنع التحسس. - 321H: أكثر ملاءمة للبيئات المؤكسدة ذات درجات الحرارة العالية (أنظمة العادم، السخانات، الغلايات) حيث تكون مقاومة الزحف ومقاومة التآكل/الأكسدة في درجات الحرارة العالية هي الأولويات؛ ليس مثاليًا للبيئات الغنية بالكلور العدوانية ما لم يتم حمايته.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عمومًا أكثر لزوجة وتصلبًا من الفولاذ الفيريتك. يتم تشغيل 316Ti و 321H بشكل مشابه، على الرغم من أن زيادة الكربون في 321H يمكن أن تحسن قليلاً من تفاعل الأدوات ولكن قد تزيد أيضًا من تصلب العمل محليًا.
• قابلية التشكيل: كلا النوعين يتشكلان جيدًا في الحالة المعالجة حراريًا؛ عادةً ما يكون 316Ti لديه قابلية تشكيل أفضل قليلاً بسبب انخفاض الكربون ووجود الموليبدينوم لا يعيق التشكيل. يمكن تشكيل 321H ولكن يجب أن تأخذ العمليات في الاعتبار سلوك الارتداد المحتمل وتصلب الإجهاد.
• تشطيب السطح: كلاهما يقبل المعالجات القياسية من الطحن، والتلميع، والمعالجة السلبية. المواد الكيميائية والمعايير السلبية هي نفسها كما هو الحال مع الأنواع الأوستنيتية الأخرى ولكن يُوصى بالتحقق من مقاومة التآكل بعد المعالجة، خاصة بعد اللحام.
• العمل البارد: يزيد التشوه البارد من القوة ولكنه يقلل من القابلية للطرق؛ يمكن استخدام المعالجة النهائية لاستعادة قابلية التشكيل ومقاومة التآكل.

8. التطبيقات النموذجية

316Ti - الاستخدامات النموذجية	321H - الاستخدامات النموذجية
معدات العمليات الكيميائية المعرضة للكلور، مبادلات حرارية، خزانات وأنابيب في بيئات تآكلية، تجهيزات بحرية، معدات صيدلانية حيث تكون مقاومة التآكل مهمة	مداخن العادم، مكونات الفرن والغلاية، أنابيب العمليات ذات درجات الحرارة العالية، وصلات مقاومة للحرارة، عوادم الطائرات والمحركات حيث يتطلب التعرض المستمر لدرجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف
معدات الطعام والمشروبات حيث تكون مقاومة التآكل وسهولة التنظيف مطلوبة	مكونات هيكلية ذات درجات حرارة عالية ووصلات تمدد في السخانات البتروكيماوية/الصناعية

مبررات الاختيار: - اختر 316Ti للبيئات حيث تكون مقاومة التآكل والتآكل من الكلور أو السوائل الكيميائية العدوانية هي القلق الرئيسي وحيث يجب أن تتجنب التجميعات الملحومة التآكل بين الحبيبات. - اختر 321H للخدمة المستمرة في درجات الحرارة العالية حيث تكون قوة الزحف، ومقاومة الأكسدة، والاستقرار بعد التعرض المطول أكثر أهمية من مقاومة التآكل القصوى.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: عادةً ما يكون 316Ti أغلى مقارنةً بـ 316 غير المثبت وبعض متغيرات 321 بسبب محتوى الموليبدينوم وإضافة التيتانيوم. تتأثر تكلفة 321H بالمعالجة الحرارية، ومحتوى الكربون الأعلى، وتوافر السوق؛ نظرًا لأنه يفتقر إلى الموليبدينوم، يمكن أن يكون أقل تكلفة من 316Ti من حيث محتوى السبيكة الخام ولكن قد تؤثر الإمدادات الخاصة وأشكال المنتجات على السعر.
• التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في أشكال المنتجات الشائعة (ورقة، لوح، أنبوب، أنبوب، قضيب، ووصلات) من كبار منتجي الفولاذ المقاوم للصدأ. 316Ti شائع في الصناعات العملية؛ 321H متاح عادةً حيث يتم تخزين سبائك درجات الحرارة العالية. قد تكون هناك أوقات تسليم طويلة للأقطار الكبيرة، أو الأقسام الثقيلة، أو متطلبات التشطيب/التتبع الخاصة.

10. الملخص والتوصية

المعيار	316Ti	321H
قابلية اللحام	جيدة جدًا - يقلل تثبيت التيتانيوم من خطر التحسس	جيدة - يتطلب الكربون الأعلى الانتباه إلى إدخال الحرارة والتحكم في Ti:C
القوة–المتانة	مجموعة جيدة في درجة حرارة الغرفة؛ قوة متوسطة في درجات الحرارة العالية	أفضل قوة في درجات الحرارة العالية/زحف مستدام لفترات طويلة
التكلفة	تكلفة سبيكة أعلى (Mo) ولكن متوفرة على نطاق واسع	تكلفة سبيكة مماثلة أو أقل؛ قد تختلف الطلبات الخاصة لأشكال درجات الحرارة العالية في التوافر

التوصية: - اختر 316Ti إذا كانت متطلباتك الرئيسية هي مقاومة التآكل في البيئات الغنية بالكلور أو الكيميائية العدوانية، مع الحاجة إلى الحفاظ على مقاومة التآكل بعد اللحام وخصائص ميكانيكية عامة جيدة. - اختر 321H إذا كانت تطبيقاتك تعرض المكونات لدرجات حرارة مرتفعة لفترات طويلة حيث تكون مقاومة الزحف، ومقاومة الأكسدة، والاستقرار البعدي على المدى الطويل هي الأولوية، وحيث لا يكون التآكل في البيئات الغنية بالكلور هو نمط الفشل السائد.

ملاحظة نهائية: كلا المادتين تخدمان مجالات مهمة ولكن مختلفة. حدد السبيكة الدقيقة، وشكل المنتج، والمعالجة الحرارية، واختبارات القبول في وثائق الشراء واطلب شهادات المصنع. بالنسبة للتجميعات الملحومة الحرجة أو الخدمة في درجات الحرارة المرتفعة على المدى الطويل، قم بإجراء تقييمات محددة للتطبيق (تأهيل إجراءات اللحام، اختبار التآكل، وتقدير عمر الزحف) بدلاً من الاعتماد على اختيار الدرجة العامة.