430 مقابل 201 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تُستخدم الفولاذات المقاوم للصدأ من النوع 430 والنوع 201 كبدائل شائعة عندما يتعين على المصممين تحقيق توازن بين تكلفة المواد ومقاومة التآكل والأداء الميكانيكي وقابلية التصنيع. وغالبًا ما تدور معضلة الاختيار حول ما إذا كان ينبغي إعطاء الأولوية لتكلفة المواد المنخفضة والخصائص المغناطيسية (المرتبطة عادةً بالدرجات الفيريتية) أو تحسين اللدونة والصلابة وقابلية التشكيل من سبيكة أوستنيتية منخفضة النيكل.
430 هو فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي جيد المقاومة للأكسدة ومنخفض المحتوى من النيكل؛ 201 هو فولاذ أوستنيتي منخفض النيكل (عالي المنغنيز) تم تطويره كبديل فعال من حيث التكلفة للفولاذات الأوستنيتية عالية النيكل. يقارن المهندسون عادةً بينهما عند تحديد الصفائح أو الشرائط أو الأجزاء المشكّلة للأجهزة والمكونات المعمارية والعناصر الهيكلية الخفيفة حيث تهم كل من متطلبات التآكل والاقتصاديات الإنتاجية.
1. المعايير والتسميات
- التسميات الدولية الشائعة:
- 430: UNS S43000; AISI/SAE 430; EN 1.4016; JIS SUS430; GB 12Cr17.
- 201: UNS S20100; AISI/SAE 201; EN 1.4372 (تختلف المعادلات التقريبية); JIS SUS201; GB 0Cr17Mn6Ni5N (تختلف التسمية حسب المعيار).
- التصنيف:
- 430 — فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي (مغناطيسي).
- 201 — فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي (غير مغناطيسي بشكل عام في الحالة المعالجة حرارياً؛ قد يصبح مغناطيسيًا قليلاً بعد العمل البارد الشديد).
- أشكال المنتجات النموذجية في المعايير: صفائح/لفائف مدلفنة على البارد، لفائف مدلفنة على الساخن، شرائط، ألواح، وأجزاء مشكّلة.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوضح الجدول أدناه نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (بالوزن%) المستخدمة للمواصفات والمقارنة. يجب استشارة شهادات المواد الفعلية أو المعايير للحصول على حدود دقيقة.
| عنصر | 430 (وزن نموذجي %) | 201 (وزن نموذجي %) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.12 | ≤ 0.15 |
| Mn | ≤ 1.0 | 5.5 – 7.5 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.06 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | ≤ 0.75 | 3.5 – 5.5 |
| Mo | — (أثر) | — (أثر) |
| V, Nb, Ti, B | — (أثر) | — (أثر) |
| N | ≈ 0.01 (أثر) | 0.10 – 0.25 (مضاف في بعض المواصفات) |
استراتيجية السبائك وتأثيراتها: - 430: الهيكل الفيرتي مستقر بواسطة الكروم (Cr). يحافظ النيكل المنخفض على انخفاض التكلفة؛ الحد الأدنى من المنغنيز. يوفر الكروم مقاومة للأكسدة/التآكل ومصفوفة فيريتية مغناطيسية. تعني السبائك المحدودة صلابة محدودة وزيادة نسبية منخفضة من تقوية السبائك. - 201: الأوستنيت مستقر بواسطة المنغنيز العالي والنيكل المضاف (على الرغم من أن النيكل أقل من سلسلة 300). يحل المنغنيز جزئيًا محل النيكل كمثبت للأوستنيت؛ يزيد النيتروجين (حيث يضاف) من القوة ويساهم في مقاومة التآكل. توفر مزيج السبائك مصفوفة أوستنيتية ذات لدونة جيدة وصلابة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- 430:
- البنية المجهرية: في الغالب فيريتية (مكعب مركزي الجسم) في المعالجة القياسية. يعتمد حجم الحبيبات والرسوبات الثانوية (الكربيدات أو مراحل تشي في بعض الظروف) على التاريخ الحراري.
- المعالجة الحرارية: الفولاذات المقاوم للصدأ الفيريتية لا يمكن تقويتها بالتبريد. تعيد المعالجة الحرارية (حوالي 760–820 درجة مئوية تليها تبريد متحكم فيه) اللدونة وتقلل من الضغوط المتبقية. يمكن أن يحدث نمو الحبيبات والهشاشة مع التعرض المطول في نطاق 600–900 درجة مئوية.
- 201:
- البنية المجهرية: أوستنيت (مكعب مركزي الوجه) مستقر في درجة حرارة الغرفة بسبب المنغنيز والنيكل. يؤدي العمل البارد إلى تقوية الإجهاد ويمكن أن يسبب تحولًا جزئيًا أو استجابة مغناطيسية.
- المعالجة الحرارية: يتم تحقيق بنية مجهرية أوستنيتية معالجة حراريًا بالكامل بواسطة معالجة حرارية بالحل (~1020–1120 درجة مئوية) وتبريد سريع لإذابة الكربيدات/النترات وإعادة ضبط تقوية العمل. على عكس الفولاذات المارتنسيتية أو الفيريتية، لا يتم تقوية الأوستنيتي 201 بواسطة التبريد والتقسية؛ يتم التحكم في القوة بشكل أساسي بواسطة العمل البارد أو تقوية العمل.
أثر المعالجة: - يزيد الدرفلة على البارد من القوة من خلال تقوية العمل في كلا الدرجتين؛ التأثير أكثر وضوحًا في الأوستنيتي 201، الذي يقوى بشكل كبير ويمكن أن يحقق قوة عالية بعد التشكيل. - تؤثر دورات اللحام الحرارية بشكل مختلف: 430 عرضة لنمو الحبيبات وفقدان الصلابة في منطقة التأثير الحراري (HAZ) إذا لم يتم التحكم فيها؛ يحتفظ 201 بمصفوفة أوستنيتية خلال دورات اللحام النموذجية ولكن يمكن أن يعاني من تأثيرات التحسس أو النضوب إذا تم سبكه بشكل غير صحيح أو إذا تشكلت مركبات بين المعادن مع المعادن المالئة غير المناسبة.
4. الخصائص الميكانيكية
يوفر الجدول نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية لمنتجات الصفائح/الشرائط المعالجة حراريًا التجارية؛ تعتمد القيم بشكل كبير على السماكة والعمل البارد ومواصفات المورد.
| الخاصية (معالجة حرارية، نموذجية) | 430 (فيريتي) | 201 (أوستنيتي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~400 – 600 | ~500 – 700 |
| قوة الخضوع (ميغاباسكال) | ~150 – 300 | ~250 – 450 |
| التمدد (%) | ~20 – 30 | ~35 – 60 |
| صلابة التأثير (درجة حرارة الغرفة، نوعية) | متوسطة؛ تقل عند درجات الحرارة المنخفضة | عالية؛ لدونة وصلابة ممتازة |
| الصلابة (HB أو ما يعادلها) | متوسطة؛ تزداد مع العمل البارد | متوسطة إلى عالية بعد العمل البارد؛ تقوى أكثر |
التفسير: - عادةً ما يظهر 201 لدونة أعلى وصلابة أكبر محتفظ بها، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة، بسبب مصفوفته الأوستنيتية. - عمومًا، يتمتع 430 بلدونة أقل وقوة شد/خضوع أقل قليلاً في الحالة المعالجة حراريًا ولكن يمكن أن يكون جذابًا حيث تكون القوة المنخفضة والاستجابة المغناطيسية مقبولة. - يزيد العمل البارد بشكل كبير من القوة في 201 بسبب تقوية العمل السريعة؛ يمكن استغلال هذا السلوك في عمليات التشكيل لتلبية متطلبات القوة للتطبيق.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام على محتوى الكربون، والسبائك (Cr، Ni، Mn، Mo)، والقدرة على الصلابة أو الهشاشة في منطقة التأثير الحراري (HAZ). هناك مؤشرين تجريبيين شائعين:
- معادل الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm (لتوقع التشقق البارد في مناطق اللحام HAZ): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - 201: بسبب تركيبها الأوستنيتي ومحتوى الكربون المعتدل، تلحم 201 بشكل مقبول مع المعادن المالئة الأوستنيتية القياسية عندما تأخذ الإجراءات في الاعتبار محتوى المنغنيز والنيتروجين. يتطلب المنغنيز العالي والنيتروجين المحتمل التحكم في اختيار المالئ ومدخلات الحرارة لتجنب التشقق الساخن أو التشوه المفرط. البنية المجهرية الأوستنيتية متسامحة بالنسبة لصلابة منطقة التأثير الحراري. - 430: الفولاذات الفيريتية مثل 430 أكثر حساسية لنمو الحبيبات في منطقة التأثير الحراري (HAZ) والهشاشة المحتملة. غالبًا ما يتطلب لحام 430 مواد مالئة متوافقة أو متطابقة واهتمامًا بمدخلات الحرارة ودرجات حرارة التداخل لتجنب فقدان الصلابة. عادةً ما تكون التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام غير فعالة لزيادة الصلابة (لأن الفيريتات ليست مارتنسيتية)، ولكن التحكم في مدخلات الحرارة المنخفضة واستخدام المالئ المناسب يقلل من مشاكل منطقة التأثير الحراري. - في الممارسة العملية: عادةً ما توفر 201 سلوك لحام أكثر بساطة للوصلات المتداخلة والمستقيمة في الأقسام الرقيقة؛ يتطلب 430 تحكمًا أكثر دقة واختيار المالئ المناسب للحفاظ على السلامة الهيكلية.
6. التآكل وحماية السطح
- عام:
- تعتمد كلا الدرجتين بشكل أساسي على محتوى الكروم (~16–18%) لمقاومة التآكل. لا يحتوي أي منهما على كمية كبيرة من الموليبدينوم، لذا فإن مقاومتهما للتآكل محدودة مقارنة بالفولاذات المقاوم للصدأ المحتوية على الموليبدينوم (مثل 316).
- استخدام PREN:
- PREN مفيد حيث يؤثر الموليبدينوم والنيتروجين على مقاومة التآكل: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- بالنسبة لـ 430 و201، فإن الموليبدينوم فعليًا صفر؛ قد تحتوي 201 على نيتروجين مضاف، لذا فإن PREN يوفر فقط مقارنة تقريبية وسيكون منخفضًا بالنسبة للدرجات المحتوية على الموليبدينوم. بالنسبة لكلا السبيكتين، فإن قيم PREN متواضعة؛ فهي ليست مرشحة للخدمة في بيئات الكلور العدوانية.
- سلوك التآكل العملي:
- عادةً ما يظهر 201 (أوستنيتي) مقاومة أفضل للتآكل العام في العديد من البيئات المعتدلة ويظهر صلابة متفوقة في الخدمة الباردة. ومع ذلك، نظرًا لأن 201 يحتوي على نيكل أقل ومنغنيز أعلى من سلسلة 300، فإن مقاومته للتآكل الناتج عن الكلور والتآكل في الشقوق أسوأ من 304/316 وغالبًا ما تكون مقارنة أو أسوأ قليلاً من 430 اعتمادًا على التعرض.
- يوفر 430 (فيريتي) مقاومة جيدة للأكسدة الجوية والأحماض العضوية الخفيفة، ولكن مقاومته للتآكل في البيئات المحتوية على الكلور محدودة.
- حماية السطح:
- حيث تكون مقاومة التآكل الأصلية غير كافية، يتم تطبيق الطلاءات (التغليف ممكن للفولاذات القابلة للتشكيل ولكن ليس شائعًا من حيث الجمالية الفولاذية)، الطلاء، أو استخدام علاجات التمرير (التنظيف الحمضي والتمرير بحمض النيتريك). بالنسبة للاستخدام الفولاذي، تعيد التشطيبات الميكانيكية والتمرير استعادة فيلم أكسيد الكروم على السطح.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشكيل:
- 201: أداء ممتاز في السحب العميق والتشكيل بالتمدد بسبب اللدونة العالية وتقوية الإجهاد. مناسب للأحواض المرسومة، وأدوات الطهي، والأشكال المعقدة.
- 430: قابلية تشكيل محدودة أكثر؛ الهيكل الفيرتي ينتج تمددًا أقل انتظامًا وارتدادًا أكبر. غالبًا ما يتطلب تشكيل 430 أنصاف انحناءات أكبر وتحكمًا في التشحيم.
- قابلية التشغيل:
- يعمل الأوستنيتي 201 على تقوية الإجهاد بسرعة؛ مما يزيد من تآكل الأدوات ويتطلب أدوات حادة، وإعدادات صلبة، وربما كاسرات الرقائق أو أدوات متخصصة. ومع ذلك، في الحالة المعالجة حراريًا مع التغذية والسرعات الصحيحة، فإن التشغيل يكون ممكنًا.
- يكون الفيرتي 430 عمومًا أسهل في التشغيل من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لأنه لا يقوى بنفس القوة، ولكن لا تزال مواد الأدوات ومعلمات القطع تتطلب ممارسة خاصة بالفولاذ المقاوم للصدأ لتجنب حواف متراكمة وأضرار سطحية.
- تشطيب السطح والتلميع:
- يمكن تلميع 201 إلى تشطيبات مرآة ممتازة؛ ومع ذلك، يمكن أن تؤثر الشوائب من كبريتيد المنغنيز وتقوية العمل على تشطيب السطح إذا لم تتم معالجتها بشكل صحيح.
- يأخذ 430 تلميعًا جيدًا للسطح وغالبًا ما يستخدم للزخارف والألواح الزخرفية حيث يكون التشطيب المصقول مرغوبًا.
8. التطبيقات النموذجية
| 430 — الاستخدامات النموذجية | 201 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| ألواح الأجهزة والزخارف (واجهات الأفران، هودات الطهي)، الألواح المعمارية الزخرفية، الزخارف السيارات، العناصر الزخرفية المقاومة للحرارة، بعض أدوات المطبخ حيث يكون المغناطيس مقبولًا | أدوات المطبخ، الأحواض، أدوات الطهي (تطبيقات أوستنيتية منخفضة التكلفة)، المسامير، المكونات المدلفنة على البارد، الديكورات المعمارية، الأنابيب والأنابيب للخدمة في ظروف تآكل منخفضة إلى معتدلة |
| أجزاء الفرن، بطانات الأفران، والمكونات المعرضة للأكسدة عند درجات حرارة عالية | مكونات مشكّلة ومطروقة تتطلب لدونة وصلابة جيدة؛ بديل منخفض التكلفة لـ 304 في البيئات المقيدة |
مبررات الاختيار: - اختر 430 حيث تكون الخصائص المغناطيسية، ومقاومة التآكل المعتدلة في البيئات الجوية/المعتدلة، وتكلفة المواد المنخفضة هي المحركات الأساسية. - اختر 201 عندما تتطلب القطعة لدونة أعلى، وصلابة متفوقة (خاصة للسحب العميق أو الخدمة عند درجات حرارة منخفضة)، وسلوك غير مغناطيسي، مع تحقيق تكلفة أقل من الفولاذات الأوستنيتية من سلسلة 300.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية:
- عادةً ما تكون 430 من بين درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأقل تكلفة لأنها تحتوي على نيكل ضئيل؛ لا تزال تكلفة الكروم تنطبق ولكن تعقيد السبيكة منخفض.
- تحتوي 201 على نيكل قابل للقياس ومنغنيز أعلى؛ بينما تم تطويرها لتقليل الاعتماد على النيكل، يمكن أن تكون تكلفة إنتاجها أعلى من 430 ولكن أقل من درجات سلسلة 300 في العديد من الأسواق.
- التوافر:
- تتوفر كلا الدرجتين على نطاق واسع في شكل صفائح ولفائف وشرائط. يعتمد التوافر الإقليمي على الطلب في السوق - 430 شائعة في سلاسل إمداد الأجهزة والمعمارية؛ 201 شائعة حيث يتم تحديد صفائح الأوستنيتي منخفضة النيكل.
- اعتبارات شكل المنتج:
- بالنسبة للمكونات المشكّلة والمطروقة، يتم تخزين صفائح 201 في شكل معالجة حرارية. بالنسبة للألواح الزخرفية المغناطيسية والزخارف، تتوفر 430 على نطاق واسع في تشطيبات مصقولة ومرايا.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | 430 (فيريتي) | 201 (أوستنيتي، منخفض النيكل) |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | متوسطة — تتطلب الانتباه إلى منطقة التأثير الحراري واختيار المالئ | جيدة — سلوك أوستنيتي؛ راقب مخاطر المنغنيز/النيتروجين والتشقق الساخن |
| القوة – الصلابة | قوة متوسطة؛ صلابة ولدونة أقل (خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة) | لدونة وصلابة أعلى؛ تقوى إلى قوى أعلى |
| التكلفة | أقل (بشكل عام الخيار الأرخص) | متوسطة (أعلى من 430 ولكن أقل من العديد من سلسلة 300) |
التوصية: - اختر 430 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ منخفض التكلفة ومغناطيسي مع مقاومة كافية للتآكل في البيئات الجوية المعتدلة أو المؤكسدة بشكل معتدل، وعندما تكون تعقيدات الشكل محدودة (مثل ألواح الأجهزة، الزخارف، الأجزاء التجميلية المقاومة للحرارة). - اختر 201 إذا كانت قطعتك تتطلب سحبًا عميقًا، وصلابة عالية، وقابلية تشكيل ممتازة، وسلوك غير مغناطيسي، وترغب في بديل أوستنيتي منخفض التكلفة للفولاذات المقاومة للصدأ من سلسلة 300 للخدمة في بيئات تآكل غير عدوانية.
ملاحظات عملية نهائية: - تأكد دائمًا من الكيمياء الدقيقة والخصائص الميكانيكية من شهادات المصنع لعمليات الشراء وإجراءات اللحام. - بالنسبة للبيئات المحتوية على الكلور أو العدوانية، ضع في اعتبارك الدرجات الأكثر سبائكًا (الفولاذات المقاومة للصدأ المحتوية على الموليبدينوم) بدلاً من الاعتماد على 430 أو 201. - بالنسبة للتصنيع واللحام، قم بتطوير إجراءات العمل التي تتناول التحكم في مدخلات الحرارة، واختيار المالئ، وأي علاجات ضرورية بعد اللحام للحفاظ على مقاومة التآكل والصلابة.