316Ti مقابل 904L - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

غالبًا ما يقوم المهندسون، ومديرو المشتريات، ومخططو الإنتاج بموازنة خيارات الفولاذ المقاوم للصدأ مقابل مجموعة من الأولويات المتنافسة: مقاومة التآكل في الأوساط العدائية، وقابلية اللحام وتكلفة التصنيع، والأداء الميكانيكي عند درجة حرارة الخدمة، وتوفر سلسلة التوريد. فولاذا الأوستنيتيك المقاوم للصدأ اللذان يظهران عادة في هذه الموازنات هما 316Ti (وهو نسخة مثبتة بالتيتانيوم من 316) و904L (درجة أوستنيتية عالية السبائك منخفضة الكربون تحتوي على نسب مرتفعة من النيكل، الموليبدينوم، والنحاس).

الفرق المعدني الرئيسي بين هاتين الدرجتين هو إستراتيجية السبك: حيث يستخدم أحدهما التيتانيوم لتثبيت الكربون ومنع ترسيب كربيد الحبيبات، بينما يعتمد الآخر على زيادة محتوى النيكل والموليبدينوم (ومضاف إليه النحاس) لتحقيق مقاومة محسنة للتآكل العام والموضعي. وبسبب ذلك، يشغل 316Ti و904L مجالات تطبيق متداخلة لكنها متميزة حيث تتحكم ظروف التآكل، ثبات درجة الحرارة، قابلية اللحام، والتكلفة في اختيار المادة.

1. المعايير والتسميات

• 316Ti
• التسميات الشائعة: UNS S31635، EN 1.4571، ASTM A240 (كجزء من عائلة 316 المثبتة بالتيتانيوم في بعض المواصفات).
• التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتيكي / سبيكة مقاومة للصدأ.
• 904L
• التسميات الشائعة: UNS N08904، EN 1.4539.
• التصنيف: فولاذ أوستنيتي عالي السبائك (يستخدم غالبًا في بيئات عالية التآكل).

قد تشير معايير إقليمية أخرى (JIS، GB) إلى تركيبات كيميائية مكافئة أو مشابهة تحت معرفات مختلفة؛ لذا يجب تحديد المعيار وشهادة المواد المطلوبة بدقة عند الطلب.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبك

الجدول التالي يوضح العناصر الكيميائية المحددة عادةً لهذه الدرجات. القيم المعروضة هي نطاقات تركيبية نموذجية مستخدمة في المواصفات الصناعية؛ يجب التأكد من القيم الفعلية وفقًا لشهادات المواد من الموردين.

العنصر	316Ti (نطاق نموذجي، wt%)	904L (نطاق نموذجي، wt%)
C	≤ 0.08 (مثبت بالتيتانيوم)	≤ 0.02 (كربون منخفض)
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~16–18	~19–23
Ni	~10–14	~23–28
Mo	~2–3	~4–5.5
V	أثر بسيط/عدم وجود	أثر بسيط/عدم وجود
Nb	لا يوجد	لا يوجد (عادة لا يضاف)
Ti	~0.5–0.7 (أو كمية مناسبة لتثبيت الكربون)	لا يوجد
B	أثر بسيط/عدم وجود	أثر بسيط/عدم وجود
N	منخفض (أثر بسيط)	≤ 0.1 (عادة كميات صغيرة)
Cu	لا يوجد	~1–2

تأثير السبك على الخصائص: - التيتانيوم في 316Ti يشكّل كربونيتريدات مستقرة (TiC/TiN) بمنهجية تفضيلية تمنع ترسيب كربيد الكروم عند حواف الحبيبات خلال التعرض لدرجات حرارة متوسطة (حساسية)، مما يحافظ على مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد دورات حرارية أو لحام. - 904L يحقق مقاومة التآكل بشكل رئيسي من خلال محتوى النيكل الأعلى (يعمل على تثبيت الأوستينيت وزيادة مقاومة التصدّع الإجهادي الناتج عن الكلوريدات) والموليبدينوم المرتفع لتحسين مقاومة التآكل الثقبي والتآكل الحزمي. كما يعزز إضافة النحاس مقاومة الأحماض المختزلة (لا سيما حمض الكبريتيك).

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

كلتا الدرجتين ذات تركيب أوستنيتي بالكامل في حالة المعالجة بالتحييد/الإنحلال.

• 316Ti
• البنية المجهرية: مصفوفة أوستنيتيكية مع كربيدات/نيتريدات مثبتة بالتيتانيوم موزعة خلال مراحل المعالجة بدرجات الحرارة العالية. في المواد المعالجة بنجاح بالإنحلال، يتم كبح ترسيب الكربيدات وتقليل حساسية حافة الحبيبات.
• استجابة المعالجة الحرارية: الممارسة النموذجية هي التحييد بالإنحلال (مثالًا في نطاق 1040–1150 °C لفولاذات الأوستنيت المقاوم للصدأ)، يليه تبريد سريع للحفاظ على طور أوستينيت أحادي الطور. 316Ti لا يمكن تقويته بالتحجيم والتلطيف كما في الفولاذ الفيريت أو المارتينسيت؛ فتعديل الصلابة يتم بشكل رئيسي عن طريق الشغل البارد.

• مقاومة الحساسية: محسنة مقارنة بـ316/316L بسبب ارتباط التيتانيوم بالكربون ومنع تكوين كربيدات الكروم.

• 904L

• البنية المجهرية: أوستنيتي كامل، خالي عادة من مثبتات مضافة عمدًا. المحتوى المنخفض من الكربون يلغي خطر ترسيب الكربيدات بفعالية؛ والإضافات الصغيرة من النيتروجين (إن وجدت) تزيد من تقوية الأوستينيت.
• استجابة المعالجة الحرارية: تستخدم عمليات التحييد بالإنحلال والتبريد السريع لإذابة أية ترسيبات غير مرغوبة. مثل غيرها من فولاذات الأوستنيت المقاومة للصدأ، تُعدل الخصائص الميكانيكية عن طريق الشغل البارد بدلاً من المعالجات الحرارية لتقوية المادة.
• مقاومة الحساسية: منخفضة بطبيعتها بسبب قلة تكوين كربيدات الكروم نتيجة المحتوى المنخفض من الكربون؛ ولا حاجة إلى إضافة Ti أو Nb.

ملاحظة: دورات التحجيم والتبريد والتلطيف التقليدية المستخدمة للفولاذ الكربوني أو المارتينسيت لا تنطبق على هذه الدرجات الأوستنيتية.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية على شكل المنتج (لوح، صفيحة، قضيب)، الشغل البارد، والمعالجة الحرارية. الجدول أدناه يقدم نطاقات ممثلة لحالة التليين تذكر عادة لهذه الأنواع من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي؛ استخدم شهادات المطاحن من الموردين للحسابات التصميمية.

الخاصية (مطبوعة)	316Ti (ممثل)	904L (ممثل)
قوة الشد (UTS)	~480–620 MPa	~500–700 MPa
مقاومة الخضوع (0.2% إثبات)	~170–300 MPa	~200–350 MPa
الاستطالة (A, %)	~40% (لدونة جيدة)	~35–45% (لدونة جيدة)
مقاومة الصدمات	جيدة، تحافظ على المتانة عند درجات الحرارة المنخفضة	مقارنة؛ متانة جيدة بشكل عام
الصلادة (HRB/HRC)	مطبوعة: منخفضة (~70–95 HRB)	مطبوعة: نطاق مشابه

التحليل: - كلاهما درجات أوستنيتية لينة ومرنة ومتينة. المحتوى الأعلى من النيكل والموليبدينوم في 904L يؤدي عادة إلى قوة مماثلة أو أعلى قليلاً في بعض أشكال المنتجات مقارنة بالـ316Ti المثبت، لكن الفروق غالبًا ما تكون بسيطة مقارنة بتأثيرات الشغل البارد. - المتانة في كلا الدرجتين مرتفعة عمومًا؛ ولا تظهر أي منهما انتقالًا حادًا من الديونه إلى الهشاشة كما في الفولاذ الفيريت/المارتينسيت.

5. قابلية اللحام

يُعد فولاذات الأوستنيت المقاوم للصدأ من أكثر السبائك المعدنية قابلية للحام، لكن التركيب الكيميائي يؤثر على سلوك اللحام.

المعادلات الرئيسية لقابلية اللحام المستخدمة للتقييم النوعي: - المكافئ الكرومي النموذجي لتقييم قابلية التقسية وميل لحوادث التشقق أثناء اللحام: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - المعامل المركب لتقدير قابلية التشقق البارد: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - 316Ti: التنشيط بالتيتانيوم يقلل بشكل ملحوظ من خطر التآكل بين الحبيبات بعد اللحام عن طريق منع ترسيب كربيد الكروم. ومع ذلك، يزيد التيتانيوم من ميل الترسيبات الصعبة التشغيل ويستلزم اختيار لحام مناسب؛ السبائك المستخدمة عادةً هي نسخ اللحام من 316L/316 لتفادي استنزاف المثبت في منطقة اللحام. لا يتطلب التسخين المسبق أو المعالجة الحرارية بعد اللحام عادة، لكن السيطرة على إدخال الحرارة مهمة لتفادي ترسيب مفرط لمراحل غنية بالتيتانيوم. - 904L: قابلية لحام ممتازة من حيث المرونة والاندماج؛ محتوى الكربون المنخفض يقلل من خطر ترسيب الكربيدات. المحتوى العالي من النيكل والموليبدينوم يعني أن اختيار مواد الحشو يجب أن يتطابق مع المتطلبات الكيميائية والميكانيكية (حشو عالي السبائك للمحافظة على مقاومة التآكل)؛ المواد الاستهلاكية للحام عالية السبائك أغلى ثمناً. مخاطر التشقق الحراري الساخن ليست أعلى عادةً من الفولاذات الأوستنيتية الأخرى، ولكن يجب ضبط معايير اللحام لمراعاة ميول التمدد والتقلص الحراري الأعلى.

في كلتا الدرجتين، فإن مواد اللحام، تصميم المفصل، والتحكم في إدخال الحرارة مهمة للحفاظ على مقاومة التآكل في منطقة التأثر الحراري.

6. التآكل والحماية السطحية

• بالنسبة للصلب غير المقاوم للصدأ، تشمل أنظمة الحماية التغطية بالزنك، الدهان، بطانات الإيبوكسي، أو الحماية الكاثودية؛ هذه الإجراءات ليست اعتبارات أساسية لهذه الدرجات من الفولاذ المقاوم للصدأ.
• بالنسبة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ، يتم عادة قياس مقاومة التآكل النخري بواسطة رقم مكافئ مقاومة التآكل النخري (PREN): $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ يعطي هذا المؤشر دلالة تقريبية على مقاومة التآكل الموضعي (النخري) في البيئات التي تحتوي على الكلوريدات.

سلوك التآكل: - 316Ti: يقدم مقاومة جيدة للتآكل العام النموذجي لعائلة 316 بسبب محتوى الكروم والموليبدينوم المقاوم للنخري. التثبيت التيتانيومي يحافظ بشكل أساسي على مقاومة التآكل بعد التعرض لدورات حرارية محفزة أو لحام عن طريق منع ترسيب كربيد الكروم. - 904L: مصمم لمقاومة فائقة لكل من التآكل العام والمحلي. زيادة محتوى النيكل والموليبدينوم ترفع من قيمة PREN مقارنة بـ316Ti، مما يحسن مقاومة النخر وتآكل الشقوق في البيئات التي تحتوي على الكلوريدات. يحسن النحاس مقاومة الأحماض المختزلة (مثل حمض الكبريتيك). غالباً ما يُختار 904L حيث توجد مخاطر النخر بالكلوريد أو البيئات الحمضية العدوانية وحيث يكون التقليل من الصيانة أمراً حاسماً.

ملاحظة: PREN مؤشر وليس بديلاً لاختبارات التآكل الخاصة بالتطبيق، لأن الأداء الفعلي يعتمد على التركيب الدقيق، تشطيب السطح، درجة الحرارة، ظروف التدفق، والبيئة الكيميائية.

7. التصنيع، وقابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل
• 316Ti: يتصلب بالعمل؛ يمكن أن يجعل التثبيت التيتانيومي تأكل الأدوات أعلى قليلاً مقارنة بـ316L. تطبق ممارسات التشغيل الاعتيادية للفولاذ المقاوم الأوستنيتي الحاد الأدوات، التركيبات الصارمة، تدفق عالٍ للمبرد، وسرعات محكومة.
• 904L: صعب التشغيل عموماً مقارنة بسبائك الفئة 316 بسبب ارتفاع محتوى النيكل والصلابة؛ عمر القطع أقصر ويجب تطبيق معايير قطع أكثر تحفظًا.
• قابلية التشكيل
• كلا الدرجتين تُشكلان بسهولة في الحالة الملدنة. تحتفظ 316Ti بقابلية التشكيل المشابهة لأنواع 316 الأخرى؛ يمكن تشكيل 904L على البارد لكن يجب الأخذ بالاعتبار الانبعاج والتصلب بالعمل.
• تشطيب السطح
• كلاهما يمكن تلميعه، تحييده، وتلميع كهربي. قد يكون تلميع 904L الكهربي أكثر تحدياً بسبب اختلافات السبائك.

8. الاستخدامات النموذجية

316Ti — الاستخدامات النموذجية	904L — الاستخدامات النموذجية
مكونات درجات الحرارة العالية حيث يكون التحسيس مسبباً للقلق (مثل مكونات الأفران، مبادلات الحرارة، أنابيب الغلايات والمشعات)	معدات المعالجة الكيميائية في البيئات شديدة التآكل (مثل إنتاج حمض الكبريتيك، خطوط التخليل)
أنابيب ومعدات المعالجة التي تشهد دورات حرارية أو لحام حيث يلزم التثبيت	تعامل مياه البحر والمعدات البحرية حيث يرتفع خطر النخر والتآكل في الشقوق
أنظمة العادم، مكونات الشواحن التوربينية، وتجهيزات الأفران	أنظمة إزالة الكبريت من غاز المداخن، التعامل مع الأحماض، والبيئات التي تحتوي على أحماض مختزلة بفضل إضافة النحاس
مكونات مقاومة للتآكل للأغراض العامة حيث تكون خواص عائلة 316 كافية مع الحاجة إلى استقرار ضد التحسيس	تطبيقات ذات متانة عالية حيث تفوق مدة الخدمة الطويلة في الوسط الكيميائي الحاد تكلفة المادة

مبررات الاختيار: - اختر 316Ti حيث يمكن أن تسبب الدورات الحرارية أو التصنيع تحسيساً وحيث تكون مقاومة التآكل القياسية 316 كافية. - اختر 904L حيث تكون مقاومة النخر/تآكل الشقوق العالية والمقاومة لأحماض محددة (خصوصاً حمض الكبريتيك) مطلوبة وحيث تبرر تكلفة الخدمة الطويلة ارتفاع تكلفة المادة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 904L أغلى بكثير من 316Ti على أساس الكيلوغرام بسبب محتوى النيكل والموليبدينوم الأعلى إضافة إلى النحاس. قد تؤثر تكلفة المادة بشكل ملموس على ميزانيات المشاريع للعتاد الكبير.
• التوافر: 316Ti متوفر على نطاق واسع في ألواح، صفائح، أنابيب، وقضبان من العديد من المصانع والموزعين. 904L متوفر لكنه أقل شيوعاً؛ قد تكون هناك فترات انتظار أطول أو إنتاج خاص لأقسام كبيرة أو أشكال مخصصة. مواد الحشو للحام 904L أغلى كذلك وقد تكون محدودة التوفر في بعض المناطق.

10. الملخص والتوصيات

الصفة	316Ti	904L
قابلية اللحام	جيدة جداً؛ التيتانيوم يقلل من خطر التحسيس في منطقة حرارة التأثير	جيدة جداً؛ الكربون المنخفض يساعد، لكن اختيار مواد الحشو مهم
مقاومة الشد والمتانة	لدونة ومتانة جيدة؛ سلوك أوستنيتي نموذجي	مقاومة مماثلة أو أعلى قليلاً في بعض الأشكال؛ صلب ومرن
أداء التآكل	مقاومة جيدة للتآكل العام والمحلي؛ مثبت ضد التعرض الحراري	مقاومة فائقة للتآكل المحلي (النخر/شقوق) ومقاومة الأحماض المختزلة
التكلفة النسبية	أقل	أعلى

الخلاصة وإرشادات الاختيار: - اختر 316Ti إذا: - كان القلق الرئيسي هو منع التحسيس بعد اللحام أو التعرض لدرجات حرارة متوسطة (مثل أجزاء الضغط الملحومة، المكونات المتأثرة حرارياً). - كانت مقاومة التآكل القياسية لعائلة 316 (مع Mo للنخر) كافية لبيئة الخدمة. - تحتاج إلى خيار اقتصادي أكثر وتوافر واسع وسلوك تصنيع متوقع.

• اختر 904L إذا:
• كانت الخدمة تشمل بيئات كلوريدية عدوانية للغاية، ظروف عرضة للنخر أو التآكل في الشقوق، أو أحماض مختزلة (مثل حمض الكبريتيك)، وتطلب مقاومة تآكل فائقة.
• كانت مدة الخدمة الطويلة وانخفاض الصيانة في بيئات كيميائية حادة تبرر التكلفة العالية للمواد والتصنيع.
• يمكن للمشتريات استيعاب تكاليف المواد الاستهلاكية العالية السبائك والمهل الزمنية المحتملة.

تحقق دوماً من اختيار المادة ببيانات التآكل الخاصة بالبيئة، متطلبات الميكانيكا، تأهيل إجراءات اللحام، وتحليل تكلفة دورة الحياة. للأنظمة الحرجة، قم بإجراء اختبارات تآكل مخصصة للتطبيق أو استشر خبراء المعادن وشهادات المصنع قبل المواصفة النهائية.