430 مقابل 446 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يُعد اختيار بين درجات الفولاذ المقاوم للصدأ 430 و446 قرارًا شائعًا للمهندسين ومديري المشتريات ومخططي التصنيع الذين يجب عليهم الموازنة بين مقاومة التآكل، والثبات في درجات الحرارة العالية، وقابلية التصنيع، والتكلفة. تتضمن سياقات اتخاذ القرار النموذجية اختيار المواد لأغلفة الأجهزة والتشطيبات الداخلية (حيث تُعتبر التكلفة وقابلية التشكيل مهمة) مقابل اختيار السبائك لأنظمة غازات المداخن عالية الحرارة، ومكونات الأفران، أو أنظمة العادم (حيث تكون مقاومة الأكسدة و المقاومة طويلة الأمد للتقشير حرجة).

التمييز الفني الرئيسي هو أن كلا من 430 و446 هما فولاذ مقاوم للصدأ فيريتية، لكن 446 هي سبيكة فيريتية عالية الكروم مصممة لمقاومة أكسدة وتآكل فائقة في درجات الحرارة العالية؛ أما 430 فهي درجة فيريتية منخفضة الكروم لأغراض عامة، مُحسّنة من حيث التكلفة وقابلية التشكيل ومقاومة التآكل المتوسطة. وبما أن كلاهما فيريتي (هيكل مكعب متمركز بالوسط)، فإنهما يُقارنَان غالبًا في أعمال التصميم حيث تتقاطع علم المعادن الفيريتية، وقابلية اللحام، والخيارات القائمة على التكلفة.

1. المعايير والتسميات

• 430: UNS S43000 — يذكر عادةً في معايير ASTM/ASME (مثل A240 للألواح/الصفيح)، EN (مثل 1.4016)، JIS (SUS430)، ومعايير GB. التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي.
• 446: UNS S44600 — يُستخدم غالبًا في معايير ASTM/ASME (مثل أنواع A240 للفولاذ الفيريت عالي الكروم)، EN (مثل 1.4762/1.4763 حسب الدرجة الفرعية)، JIS (SUS446)، ونظائرها في GB. التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي عالي الكروم.

كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ (وليس فولاذ كربوني، أو أداة، أو فولاذ عالي القوة منخفض السبائك HSLA). وأرقام التسميات والتركيبات الدقيقة يمكن أن تختلف حسب المعيار الإقليمي والدرجة الفرعية؛ يجب دائمًا الرجوع إلى المعيار المحدد في الرسومات أو أوامر الشراء.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

الجدول: نطاقات التركيب النموذجية (نسبة الوزن %) — راجع المعيار المحدد أو شهادة المصنع للحدود الدقيقة.

العنصر	430 (النطاق النموذجي)	446 (النطاق النموذجي)
C	≤ 0.12	≤ 0.20 (يختلف حسب المواصفة)
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	0.5–1.5
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	16.0–18.0	23.0–27.0
Ni	≤ 0.75	≤ 1.0
Mo	— (عادة 0)	0–1.5 (بعض الدرجات الفرعية)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	كميات ضئيلة	كميات ضئيلة

ملاحظات:

• القيم تقريبية وتعتمد على المعيار الدقيق والمصنع. 430 هي درجة فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي nominal يحتوي على 16–18% كروم مع نيكل منخفض جدًا وبدون إضافات تقوية تقريبًا. 446 فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي عالي الكروم، وتركيز الكروم المرتفع (غالبًا 23–27%) هو استراتيجية السبيكة الأساسية لتعزيز مقاومة الأكسدة في درجات الحرارة العالية وتقليل التقشير. بعض مواصفات 446 تشمل كميات صغيرة من الموليبدينوم أو محتوى أعلى من السيليكون لتحسين مقاومة التآكل والأكسدة.
• استراتيجية السبائك: يوفر الكروم تكوين طبقة خاملة والتصاق طبقة الأكسيد في درجات الحرارة العالية. يمكن للسيليكون تعزيز مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية. الكربون المنخفض يحافظ على استقرار الفريت ويحسن الليونة؛ الكربون الأعلى (إذا وُجد ضمن الحدود) قد يزيد من القوة لكنه يمكن أن يؤثر سلبًا على مقاومة التآكل.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• البنية المجهرية (كما هو مُصنّع، ومُعالج حراريًا بالتخمير): كلا الدرجتين فيريتية تحتوي على حبوب فريت متساوية الأبعاد أو موجهة أحيانًا، وفي بعض المنتجات الملدنة بالبرودة تظهر البنية أليافية. لا تتحول أي من الدرجتين إلى أوستنيت عند درجة حرارة الغرفة (على عكس الدرجات الأوستنيتية) وكلاهما لا يخضعان عادة لمعالجة حرارية للتقسية بتنويع الطور.
• تأثير السبائك: محتوى الكروم العالي والسيليكون المحتمل في 446 يعززون تكوين واستقرار طبقة أكسيد الكروم في درجات الحرارة المرتفعة؛ يمكن لأنواع العناصر عند حدود الحبوب التأثير على مقاومة التقشير والكربنة في درجات الحرارة العالية.
• المعالجة والعمليات الحرارية:
• التخمير (لتخفيف الإجهاد) يطبق غالبًا لاستعادة الليونة وتقليل الإجهادات المتبقية. التخمير النموذجي للفولاذات الفيريتية فوق $900^\circ\mathrm{C}$ يليه تبريد مسيطر عليه؛ وتختلف درجات الحرارة الدقيقة وفقًا للمعيار المعمول به.
• الدورات مثل التسوية أو التبريد السريع والتلدين لا تُستخدم عادةً لزيادة القوة كما في الفولاذ الكربوني؛ الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتية لا تتقسى بتحول مارتنسيتي. تتم السيطرة على الخواص الميكانيكية النهائية (مقاومة الخضوع، مقاومة الشد، الليونة) عبر المعالجة الحرارية الميكانيكية (التدحرج البارد + التخمير) من خلال تقسية الشغل وإعادة التبلور.
• التحكم في حجم الحبوب عبر التدحرج والتحكم في التخمير مهم للمتانة ومقاومة الزحف في درجات الحرارة المتوسطة. البنية عالية الكروم في 446 مصممة لمتانة طبقة التقشير بدلاً من القابلية للتقسية.

4. الخواص الميكانيكية

الجدول: نطاقات الخواص الميكانيكية النموذجية (مُعالجة حراريًا، عند درجة حرارة الغرفة). القيم تقريبية؛ يجب التحقق من تقرير اختبار المصنع.

الخاصية	430 (مُعالج حراريًا، نموذجي)	446 (مُعالج حراريًا، نموذجي)
مقاومة الشد (MPa)	400–600	450–650
مقاومة الخضوع (انزياح 0.2%, MPa)	200–350	220–400
الاستطالة (في 50 mm, %)	20–40	15–35
مقاومة الصدمات (شاربي، جول)	متوسطة؛ مطيلة عند درجة حرارة الغرفة؛ تقل عند درجات حرارة تحت الصفر	عادة أقل من 430 عند درجات الحرارة المنخفضة؛ جيدة عند درجة حرارة الغرفة حسب شكل المنتج
الصلادة (HB / HRB)	حوالي 120 HB (تختلف حسب مستوى تقسية الشغل)	قد تكون أعلى قليلاً عند المعالجة بالبرودة

تفسير:

• القوة: قد يُظهر 446 قوة أعلى قليلاً في بعض أشكال المنتجات بسبب التركيب الكيميائي والمعالجة، لكن لا تُستخدم أي من الدرجتين أساسًا لتطبيقات القوة العالية؛ حيث تتحكم تكوين الشغل وشكل المنتج في قوتهما.
• المتانة والليونة: 430 تميل إلى أن تكون أكثر ليونة وقابلية للتشكيل عند درجة حرارة الغرفة، بينما 446 — مع محتوى الكروم العالي (وأحيانًا كربون أو سيليكون أعلى) — تظهر غالبًا ليونة أقل ومقاومة صدمات أدنى، خاصة في درجات الحرارة المنخفضة. كلاهما أداءهما أقل من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي في مقاومة الصدمات عند درجات حرارة التبريد.
• الخواص الميكانيكية تعتمد بشكل كبير على عمليات التصنيع (صفيح مقابل لوح مقابل أنابيب) ويجب التأكد من بيانات المورد.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على معادل الكربون، والسباكة، والتوسع الحراري. الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتية تلحم عادة بسهولة باستخدام عمليات شائعة لكنها قد تواجه مشكلات محددة (مثل نمو الحبوب، السيطرة على الدلتا-فيريت الهش غير ذات صلة هنا لأن كلا الدرجة فيريتي، لكن الحساسية وتكوين طور السيغما عند درجات حرارة مرتفعة قد تكون مشاكل في الخدمة).

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (توجيهات نوعية): - صيغة معادل الكربون المستخدمة شائعًا: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - مؤشر اللحام لحدة التآكل/الحفر: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي:

• 430: يحتوي على كربون منخفض ومحتوى سبائكي منخفض مما يوفر بشكل عام قابلية لحام جيدة بطرق اللحام بالانصهار واللحام بالمقاومة الشائعة. مقاومة التآكل بعد اللحام مقبولة للعديد من البيئات الداخلية والخدمية. التشوه منخفض لأن معامل التمدد الحراري أقل من الأوستنيتي.
• 446: يحتوى على كروم أعلى وأحيانًا كربون أو سيليكون أعلى، مما قد يزيد من قابلية نمو الحبوب والهشاشة المحلية في منطقة التأثير الحراري إذا لم تُستخدم إجراءات صحيحة. التسخين المسبق نادرًا ما يكون مطلوبًا، لكن اختيار سلك الحشو والتحكم في إدخال الحرارة مهمان لمنع زيادة الصلابة المحلية وتغيرات البنية المجهرية. 446 أقل تسامحًا من 430 — ويتطلب اهتمامًا أكبر بتركيبة معدن الحشو والعلاجات بعد اللحام.
• يجب دائمًا التخطيط لمواصفات إجراءات اللحام (WPS) واختيار الحشو بمشاركة المورد؛ وإجراء تجارب اللحام على التجميعات الحرجة.

6. مقاومة التآكل والحماية السطحية

• السلوك المقاوم للصدأ:
• 430: مقاومة تآكل متوسطة في البيئات منخفضة التآكل (جوية، داخلية، وحمضية خفيفة). غير مناسبة للبيئات الغنية بالكلوريد أو البيئات البحرية. تقدم مقاومة جيدة للبيئات المؤكسدة الخفيفة عند درجات حرارة الغرفة.
• 446: يحتوي على نسبة عالية من الكروم التي تحسّن بشكل كبير مقاومة الأكسدة والتهيج الحراري عند درجات الحرارة العالية؛ أداءه أفضل من 430 في غازات المدخنة، وأجواء الأفران، وبعض البيئات المسببة للتكبّر أو التكربن. كما أنه أكثر مقاومة للتآكل النقطي وتآكل الشقوق عند درجات حرارة مرتفعة.
• PREN (مقاومة التآكل النقطي) يُطبّق عادةً على درجات الأوستنیتیك والدوبلکس ولكن يمكن الإشارة إليه كما يلي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• التفسير: PREN له فائدة محدودة مباشرة للدرجات الفيريتية بسبب اختلاف سلوك التآكل النقطي في الكلوريدات؛ مع ذلك، فإن ارتفاع محتوى الكروم (وأي مو) في 446 يمنحه مقاومة فعالة أعلى للتآكل النقطي والأكسدة مقارنة بـ 430.
• حماية السطح للفولاذات غير المقاومة للصدأ: غير مطبّقة هنا لأن كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ؛ ومع ذلك، لتحسين المظهر أو زيادة الحماية يمكن طلاء كلا النوعين، أو تمريرهما بعملية التمرير الكيميائي (passivation)، أو تنعيمهما بالصباغة الميكانيكية. في البيئات العدوانية، يُفضل استخدام الطلاءات أو البدائل ذات السبائك الأعلى.

7. التصنيع، قابلية التشغيل والتشكيل

• قابلية التشكيل:
• 430: قابلة للتشكيل جيدًا في الحالة المعالجة حراريًا (المطابقة annealed)؛ مناسبة للطرق العميق، والثني، والختم الذي يُستخدم عادة في الأجهزة المنزلية والتطبيقات المعمارية.
• 446: أقل ليونة؛ قابليته للتشكيل أقل، خصوصًا في القطاعات ذات السماكة الأكبر. يجب مراعاة أنصاف أقطار الثني وتعويضات الأدوات بسبب صلابة العمل المرتفعة والعودة المرنة (springback) الأعلى.
• قابلية التشغيل (الماكينات):
• كلا الدرجة الفيريتية يمكن تشغيلها باستخدام الأدوات والسرعات المناسبة. يُعتبر 430 أسهل بشكل عام في التشغيل من 446 بسبب انخفاض الكروم وتكون رقائق أكثر ملاءمة.
• خاصية 446 في تكوين قشور صلبة عند درجات حرارة القطع العالية وسبائكه العالية تزيد من تآكل الأدوات؛ يفضل استخدام أدوات كربيد وتوفير تبريد كافٍ.
• التشطيب السطحي: كلاهما يقبل التلميع الميكانيكي، والطحن، والفرشاة. قد يتطلب 446 تشطيبًا أكثر عدوانية لإزالة قشور الأكسيد الصلبة عند التشكيل الحراري.
• تخطيط تسلسل اللحام والتشكيل مهم: التشكيل قبل التلدين النهائي يحسن الليونة ويقلل خطر التشقق لـ 446.

8. التطبيقات النموذجية

الدرجة 430 – الاستخدامات النموذجية	الدرجة 446 – الاستخدامات النموذجية
الأجهزة المنزلية (الأفران، مداخن الشفاط، التغليف)	أجزاء الأفران، بطانات غرف الاحتراق
الزخرفة الداخلية وخطوط التكسية للسيارات	بطانات المداخن، مجاري غازات العادم، مكونات الغلايات
لوحات HVAC، الزخرفة المعمارية الداخلية	مكونات العادم والمبادلات الحرارية عند درجات حرارة مرتفعة
معدات الخدمة الغذائية (غير معقمة، منخفضة الكلوريد)	أنظمة معالجة الغاز والحرارة الصناعية ذات درجات الحرارة العالية
صفائح وشريط مقاوم للتآكل عام	أجزاء معرضة لأكسدة وتكبّر دوري عند درجات حرارة عالية

مبرر الاختيار: - اختر 430 عندما تكون التكلفة، قابلية التشكيل، ومقاومة التآكل البيئي المقبولة ذات أهمية، ودرجات الخدمة منخفضة إلى متوسطة. - اختر 446 عندما تشمل الخدمة درجات حرارة عالية مستمرة أو دورية، أجواء أكسدة شديدة، أو حيث مطلوب مقاومة طويلة الأمد للقشور رغم ارتفاع تكلفة المادة وقلة قابليتها للتشكيل.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 430 هو نوع فيريت عالي الإنتاج وواسع الانتشار، عادة من بين الخيارات الاقتصادية للفولاذ المقاوم للصدأ. 446، بمحتواه العالي من الكروم وعملية التصنيع المتخصص غالبًا، يكون أغلى لكل كيلوجرام/متر وأقل جدوى للأجزاء الكبيرة منخفضة الإجهاد.
• التوافر: 430 متوفر في أشكال متعددة (ألواح، صفائح، لفائف، شرائط، أنابيب). 446 متوفر ولكن في أشكال ومقاسات أقل، مع أوقات توريد أطول، وقد تتطلب كميات طلب أدنى أو مصنّعين متخصصين لأشكال محددة.
• ملاحظة الشراء: للمشاريع الحساسة للميزانية، تحقق من تكاليف دورة الحياة الإجمالية؛ فقد تقلل 446 عمليات الصيانة والاستبدال في التطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة رغم تكلفة الشراء الأولية الأعلى.

10. الملخص والتوصية

الجدول: مقارنة سريعة (نوعية)

الخاصية	430	446
قابلية اللحام	جيدة – متسامحة مع حشوات قياسية	مقبولة – تتطلب إدخال حرارة محكم وحشوات مناسبة
توازن القوة–المتانة	ليونة جيدة؛ قوة متوسطة	قوة أعلى قليلاً ممكنة؛ ليونة ومتانه أقل
مقاومة الأكسدة عند درجات حرارة عالية	متوسطة	ممتازة
قابلية التشكيل	ممتازة	مقبولة إلى ضعيفة (تعتمد على السماكة)
التكلفة	منخفضة (اقتصادية)	أعلى (متميزة بسبب السبائك)
التوافر (الأشكال القياسية)	جيد جدًا	متوسط – متخصص

التوصيات: - اختر 430 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ فيريتي مقاوم للصدأ اقتصادي وقابل للتشكيل للاستخدامات الداخلية أو الظروف الخفيفة التي لا تتطلب مقاومة أكسدة حرارية عالية (الأجهزة، لوحات HVAC، الزخارف، قطع صفائح عامة). - اختر 446 إذا كانت الخدمة تعرض المادة لدرجات حرارة عالية مستمرة أو دورية، غازات المدخنة، أو أجواء أكسدة/تكربن حيث تتطلب مقاومة طويلة الأمد لقشور الأكسدة (مكونات الأفران أو الغلايات، بطانات المداخن، أجزاء العادم وروافد الغازات عالية الحرارة)، ويمكن قبول تكلفة المادة الأعلى ومتطلبات التصنيع الأكثر تقييدًا.

ملاحظة نهائية: كلا من 430 و446 هما فولاذان مقاومان للصدأ من النوع الفيريت، والاختيار الأنسب يعتمد على موازنة درجة حرارة الخدمة، البيئة (الأكسدة/الهالوجين/الكلوريد)، قابلية التشكيل، إجراءات اللحام، وتكلفة دورة الحياة. من الضروري دائمًا تأكيد التركيب والبيانات الميكانيكية بشهادات اختبار المصنع والتحقق من إجراءات اللحام والتجارب التشكيلية للمكونات الحرجة.