321 مقابل 347 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

النوع 321 والنوع 347 هما نوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستقر المستخدمان في الأماكن التي تتطلب الجمع بين مقاومة التآكل، وقابلية اللحام، واستقرار درجات الحرارة المرتفعة. غالبًا ما يقرر المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بينهما عند الموازنة بين أداء التآكل وسلوك التصنيع وتكلفة دورة الحياة - على سبيل المثال، الاختيار بين مقاومة أفضل للهجوم بين الحبيبات بعد اللحام مقابل تكلفة المواد أو توفرها بشكل أقل قليلاً.

التمييز المعدني الأساسي هو أن 321 مستقر بشكل أساسي بإضافات التيتانيوم بينما 347 مستقر بالنيوبوم (الكولومبيوم) - كل منهما يشكل رواسب كربونيدرايد مستقرة تقلل من تشكيل كربيد الكروم أثناء التعرض الحراري. نظرًا لأن كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من نوع 18-8، غالبًا ما يتم مقارنتهما للتطبيقات مثل مكونات العادم، وأجهزة الفرن، ومعدات العمليات الكيميائية حيث تكون الحساسية وخدمة درجات الحرارة المرتفعة مصدر قلق.

1. المعايير والتسميات

المعايير والتسميات الشائعة حيث يظهر 321 و347:

• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (صفائح، وأوراق، وشريط الفولاذ المقاوم للصدأ)
• EN: سلسلة EN 10088 (معايير الفولاذ المقاوم للصدأ الأوروبية)
• JIS: JIS G4303 / G4311 (الفولاذ المقاوم للصدأ الياباني) - توجد معادلات ولكن تحقق من خريطة الدرجات المحددة
• GB: معايير GB/T الصينية (توجد درجات قابلة للمقارنة؛ تحقق من الكيمياء والتسمية)
• UNS: UNS S32100 (النوع 321)، UNS S34700 (النوع 347)

التصنيف: كلا من 321 و347 هما فولاذان مقاومان للصدأ الأوستنيتي (مقاوم للصدأ)، وليس فولاذ كربوني، أو فولاذ أدوات، أو HSLA. هما درجات فولاذ مقاوم للصدأ الأوستنيتي المستقرة تهدف إلى الحد من الحساسية والتآكل بين الحبيبات.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوضح الجدول التالي العناصر التركيبية النموذجية ونطاقات التحكم الشائعة للنوعين 321 و347 في متغيراتهما التجارية القياسية. القيم المعروضة هي نطاقات تمثيلية موجودة في المعايير الشائعة (مثل ASTM A240، مواصفات EN)؛ يجب التحقق من الحدود التركيبية الدقيقة في شهادة المصنع لدفعة معينة.

عنصر	النوع 321 (نطاقات نموذجية)	النوع 347 (نطاقات نموذجية)
C (wt%)	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn (wt%)	≤ 2.0	≤ 2.0
Si (wt%)	≤ 1.0	≤ 1.0
P (wt%)	≤ 0.045	≤ 0.045
S (wt%)	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr (wt%)	17–19	17–19
Ni (wt%)	9–13	9–13
Mo (wt%)	— / آثار	— / آثار
V (wt%)	— / آثار	— / آثار
Nb (wt%)	عادة ≤ 0.10 (قد تحتوي على آثار)	عادة 0.8–1.25
Ti (wt%)	عادة 0.5–1.0 (على الأقل ~5×C)	عادة ≤ 0.10 (قد تحتوي على آثار)
B (wt%)	آثار إذا كانت موجودة	آثار إذا كانت موجودة
N (wt%)	كميات صغيرة (≤ 0.1)	كميات صغيرة (≤ 0.1)

كيف تعمل استراتيجية السبائك: - ينتج الكروم والنيكل مصفوفة الفولاذ الأوستنيتي الأساسية، مما يوفر مقاومة للتآكل ومرونة. - يتحد التيتانيوم أو النيوم بشكل تفضيلي مع الكربون والنيتروجين لتشكيل جزيئات كربيد/نيتريد مستقرة (TiC/TiN أو NbC/Nb(C,N))، مما يمنع ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات أثناء الدورات الحرارية (الحساسية). - تحد الحدود المنخفضة للكربون أيضًا من كمية كربيد الكروم التي قد تتشكل؛ تعمل المثبتات كهامش أمان، وهو أمر مهم بشكل خاص أثناء اللحام أو التعرض المطول في نطاق الحساسية (~450–850°C).

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية: - كلا الدرجتين أوستنيتيتان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في حالة التلدين الحلولي. - تشكل العناصر المثبتة كربونيدات التيتانيوم أو النيوم الموزعة بدقة. يعتمد توزيعها وحجمها على ممارسة الصهر، والعمل الساخن، والتاريخ الحراري. - إذا كان محتوى المثبت غير كافٍ بالنسبة للكربون، يمكن أن يترسب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات أثناء التعرض لدرجات حرارة حساسة، مما يقلل من مقاومة التآكل بين الحبيبات.

استجابة المعالجة الحرارية والمعالجة: - التلدين الحلولي: تتراوح درجات حرارة التلدين الحلولي النموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من حوالي 1010°C إلى 1120°C تليها تبريد سريع (ماء أو هواء) للاحتفاظ بهيكل أوستنيتي متجانس. يتم عادةً توفير كل من 321 و347 في الحالة الملدنة. - التخمير/التبريد: على عكس الفولاذ الفيريتك أو المارتنسيت، فإن دورات التبريد والتخمير التقليدية لا تنطبق على هذه الدرجات الأوستنيتية؛ فهي لا تتحول مارتنسيتياً بطريقة تستفيد من التخمير. - التطبيع: لا يستخدم عادةً للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يزيد العمل البارد (الدرفلة، السحب) من القوة عبر تصلب العمل ويؤثر على تشوه الحبيبات؛ يتم استخدام التلدين اللاحق لاستعادة المرونة. - فعالية الاستقرار: عادةً ما تشكل كربونيدات النيوم رواسب مستقرة جدًا عبر نطاق واسع من درجات الحرارة ويمكن أن توفر استقرارًا ممتازًا للتعرضات ذات درجات الحرارة المرتفعة أو لفترات طويلة. يعتبر استقرار التيتانيوم فعالًا للعديد من دورات التصنيع/اللحام الشائعة ولكنه يتطلب التحكم في نسبة Ti/C لتجنب تشكيل رواسب خشنة.

4. الخصائص الميكانيكية

تظهر كلا الدرجتين خصائص ميكانيكية نموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 18-8 في الحالة الملدنة. نظرًا لأنهما سبائك مرتبطة ارتباطًا وثيقًا، فإن نطاقات الخصائص الميكانيكية لهما تتداخل بشكل كبير.

الخاصية (ملدن، نطاقات نموذجية)	النوع 321	النوع 347
قوة الشد (ميغاباسكال)	500–700 (نموذجي)	500–700 (نموذجي)
قوة الخضوع، 0.2% (ميغاباسكال)	190–310 (نموذجي)	190–310 (نموذجي)
التمدد (%)	40–60%	40–60%
صلابة التأثير	صلابة عالية في درجة حرارة الغرفة؛ لا يوجد متطلب عالمي محدد لشاري	صلابة عالية في درجة حرارة الغرفة؛ مشابهة لـ 321
الصلابة (ملدن)	~70–95 HRB (تقريبًا)	~70–95 HRB (تقريبًا)

التفسير: - القوة الميكانيكية متشابهة أساسًا في الحالة الملدنة لأن مستويات النيكل والكروم الأساسية قابلة للمقارنة. - سيؤدي تصلب العمل أثناء التشكيل إلى زيادة القوة وتقليل المرونة لكلا الدرجتين؛ الميل إلى تصلب العمل السريع مشابه. - يمكن أن تنشأ أي اختلافات صغيرة في الزحف عند درجات الحرارة العالية أو القوة على المدى الطويل من استقرار وتوزيع مختلف لرواسب الكربيد/النيتريد (يمكن أن يظهر المواد المستقرة بالنيوم مقاومة أفضل للزحف في بعض التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية على المدى الطويل).

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام العامة: - كلا الدرجتين تلحم بشكل جيد مع إجراءات اللحام الأوستنيتي القياسية (TIG، MIG، لحام المقاومة) بسبب انخفاض الكربون وبنية الأوستنيت التي تقاوم التشقق. - يقلل الاستقرار من خطر التآكل بين الحبيبات بعد اللحام عن طريق ربط الكربون، مما يلغي الحاجة إلى بعض عمليات التلدين الحلولي بعد اللحام في العديد من الحالات.

مؤشرات قابلية اللحام ذات الصلة: - صيغة المعادل الكربوني المستخدمة عادةً لتقييم قابلية التصلب وميل التشقق: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - صيغة الفوسفور-المنغنيز-الكروم الأكثر تفصيلاً: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - كلا الدرجتين عمومًا لهما قيم منخفضة من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ مقارنة بالفولاذ المارتنسيت، مما يشير إلى قابلية لحام جيدة. - وجود المثبتات (Ti أو Nb) يقلل من خطر الحساسية بعد اللحام؛ ومع ذلك، يمكن أن تؤدي الرواسب الخشنة للمثبت أو نسب Ti/Nb غير الصحيحة إلى خلق تباينات محلية. يجب أن تتبع إجراءات اللحام أفضل الممارسات: التحكم في إدخال الحرارة، اختيار الملء المناسب، وإذا لزم الأمر، تلدين الحل بعد اللحام للخدمة الحرجة الشديدة. - قد يؤدي 347 أداءً أفضل من 321 في بعض التعرضات الطويلة أو ذات درجات الحرارة العالية لأن النيوم يشكل رواسب أكثر استقرارًا عند درجات حرارة معينة؛ ومع ذلك، يُعتبر كلاهما قابلًا للحام وغالبًا ما يُستخدم في التجميعات الملحومة.

6. التآكل وحماية السطح

سلوك التآكل: - كلا الدرجتين مقاومتان للتآكل في مجموعة واسعة من البيئات النموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 18-8. تستهدف استراتيجيات استقرارهما بشكل خاص مقاومة التآكل بين الحبيبات بعد التعرض الحراري (اللحام أو التسخين المطول في نطاق الحساسية). - لا يُعتبر أي من الدرجتين أكثر مقاومة للتآكل المنتظم من الأخرى في البيئات المائية أو الجوية الشائعة؛ تظهر الاختلافات في السياقات المتخصصة ذات درجات الحرارة العالية أو الحساسية.

متى تستخدم مؤشرات التآكل: - PREN (عدد مقاومة التآكل) قابل للتطبيق لمقارنة مقاومة التآكل (ذو صلة بشكل أساسي عندما يكون Mo وN مهمين): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - بالنسبة لـ 321 و347، يكون Mo عادةً غائبًا أو موجودًا فقط بكميات ضئيلة، وN منخفض، لذا فإن PREN ليس مؤشرًا مميزًا بين هذين النوعين.

حماية السطح في السياقات غير المقاومة للصدأ: - لا ينطبق هنا - كلاهما مقاوم للصدأ. بالنسبة للفولاذ غير المقاوم للصدأ، ستكون الخيارات هي الجلفنة، أو الطلاء، أو الطلاءات.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

ملاحظات التصنيع: - قابلية التشغيل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، بما في ذلك 321 و347، أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذ الكربوني بسبب تصلب العمل العالي وانخفاض الموصلية الحرارية. يُوصى باستخدام أدوات كربيد، وإعدادات صلبة، وتغذيات/سرعات مضبوطة. - قابلية التشكيل: كلا الدرجتين لهما مرونة جيدة ويمكن تشكيلهما، وسحبهما، ودورانهما؛ ومع ذلك، فإنهما يتصلبان بسرعة - قد تكون هناك حاجة إلى تلدين متكرر لتسلسلات التشوه الثقيلة. - تشطيب السطح: تتطلب القابلية للتآكل والتآكل الانتباه؛ تحسين التلميع الكهربائي أو التمرير من مقاومة التآكل بعد التصنيع. - مواد اللحام: تُستخدم عادةً سبائك ملء مطابقة أو ذات محتوى نيكل أعلى قليلاً؛ يجب أن يأخذ اختيار الملء في الاعتبار درجة حرارة الخدمة وبيئة التآكل.

8. التطبيقات النموذجية

النوع 321 (الاستخدامات الشائعة)	النوع 347 (الاستخدامات الشائعة)
أنظمة العادم للطائرات والسيارات	معدات العمليات الكيميائية المعرضة لدرجات حرارة مستمرة أعلى
أجهزة الفرن، وأفران الخبز، ومبادلات الحرارة حيث تكون استقرار اللحام مطلوبًا	أوعية الضغط والأنابيب في خدمة درجات الحرارة العالية حيث قد يحدث تعرض مطول عند درجات حرارة مرتفعة
مكونات البتروكيماويات، والمثبتات، والزنبركات حيث يُرغب في الاستقرار ضد الحساسية	أنابيب الغلايات والسخانات، حيث يمكن أن يساعد استقرار النيوم في مقاومة الزحف على المدى الطويل
معدات معالجة الطعام حيث تكون الدورات الحرارية واللحام شائعة	مكونات الفرن ذات درجات الحرارة العالية وتركيبات البتروكيماويات مع فترات طويلة عند درجات حرارة مرتفعة

منطق الاختيار: - اختر بناءً على العامل الخدمي السائد: إذا كانت اللحام والدورات الحرارية المعتدلة هي القلق الرئيسي، فإن كلاهما يؤدي بشكل جيد؛ إذا كان من المتوقع حدوث زحف طويل الأمد أو تعرض مستمر عند درجات حرارة أعلى، يمكن أن يوفر 347 المستقر بالنيوم ميزة. كما تؤثر التوافر، الشكل (أنبوب، صفيحة، ملف)، ومخزونات الموردين المحليين أيضًا على الاختيار.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: كلا الدرجتين متشابهتان بشكل عام في السعر لأن محتويات النيكل والكروم الأساسية لهما متشابهة. قد يكون النوع 347 أغلى قليلاً في بعض المناطق بسبب محتوى النيوم وتغيرات السوق لهذا العنصر السبائكي.
• التوافر: كلاهما متاح على نطاق واسع في أشكال الصفائح، والصفيحات، والأنابيب، والبار من مصانع الفولاذ المقاوم للصدأ الرئيسية والموزعين. يجب تأكيد أشكال المنتجات المحددة (مثل الصفائح الثقيلة أو أحجام الأنابيب الخاصة) مع الموردين؛ يمكن أن تختلف أوقات التسليم حسب المنطقة ودورة السوق.

10. الملخص والتوصية

المعايير	النوع 321	النوع 347
قابلية اللحام	ممتازة؛ يقلل استقرار التيتانيوم من خطر الحساسية	ممتازة؛ يقلل استقرار النيوم من خطر الحساسية (يفضل غالبًا للتعرضات ذات درجات الحرارة العالية)
القوة–الصلابة	قوة أوستنيتية نموذجية وصلابة عالية؛ مشابهة لـ 347	قابلة للمقارنة مع 321؛ ميزة محتملة في الاستقرار عند درجات الحرارة العالية على المدى الطويل
التكلفة	عادةً أقل قليلاً أو مشابهة	قابلة للمقارنة؛ قد تكون أعلى قليلاً بسبب النيوم

التوصية: - اختر النوع 321 إذا: كنت بحاجة إلى فولاذ أوستنيتي مستقر مثبت جيدًا للتجميعات الملحومة والدورات الحرارية حيث يكون استقرار التيتانيوم فعالًا؛ إذا كانت أشكال المواد ومخزون الموردين تفضل 321؛ أو إذا كانت حساسية التكلفة وخدمة درجات الحرارة المرتفعة التقليدية (فترات معتدلة) هي القلق الرئيسي. - اختر النوع 347 إذا: كانت المكون سيشهد تعرضًا مطولًا عند درجات حرارة أعلى، حيث توفر كربيدات النيوم المستقرة استقرارًا فائقًا ومقاومة محتملة للزحف؛ إذا كانت تاريخ اللحام أو الخدمة تشير إلى أوقات طويلة في نطاق الحساسية؛ أو إذا كانت المواصفات تتطلب سبائك مستقرة بالنيوم لأسباب تتعلق بالأداء.

ملاحظة ختامية: كلا من 321 و347 هما خياران ممتازان حيث يتطلب الاستقرار ضد الحساسية. عادةً ما يعتمد القرار على الملف الحراري المحدد (المدة ودرجة الحرارة القصوى)، وتوقعات الزحف عند درجات الحرارة العالية على المدى الطويل، واللوجستيات (توافر شكل المنتج والتكلفة). بالنسبة للتطبيقات الحرجة أو ذات المدة الطويلة عند درجات الحرارة العالية، استشر بيانات اختبار المواد وشهادات الموردين للدفعة المحددة، واعتبر التقييم الهندسي (اختبارات الزحف، تجارب التعرض للتآكل، أو مؤهلات إجراءات اللحام) للتحقق من الدرجة المختارة للخدمة المقصودة.