441 مقابل 444 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا خيار الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتية 441 و444 عند تحديد المواد للمكونات المقاومة للتآكل، خاصة حيث تكون التكلفة وقابلية التشكيل ومقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية مهمة. تشمل المقايضات النموذجية في الاختيار مقاومة التآكل مقابل السعر، وقابلية اللحام مقابل محتوى السبائك، والقوة/الصلابة مقابل قابلية التشكيل.
التمييز الفني الرئيسي هو أن كلاهما من الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتية المحسّنة لمقاومة التآكل وقابلية التشكيل، لكن 444 يتم سبكه لتحقيق مقاومة أعلى للتآكل العام والتآكل النقطي (خاصة من خلال الموليبدينوم والعناصر المثبتة)، بينما يركز 441 على تحقيق توازن بين الكروم العالي مع تثبيت التيتانيوم لتحسين الأداء عند درجات الحرارة العالية وقابلية التشكيل الجيدة. هذا الاختلاف يدفع مقارنتهما الشائعة في تطبيقات السيارات والكيماويات ومبادلات الحرارة.
1. المعايير والتسميات
تشمل المعايير الرئيسية والتسميات الشائعة للدرجتين:
- 441
- UNS: S44100
- المعايير/المواصفات الشائعة: ASTM A240 (قد تشير الصفائح/الأوراق للفولاذ المقاوم للصدأ إلى درجات فيريتية مماثلة في الممارسة)، تختلف أوراق بيانات الشركات المصنعة المحددة، والمعادلات JIS وEN.
-
التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي (مستقر مع التيتانيوم).
-
444
- UNS: S44400
- المعايير/المواصفات الشائعة: تشير معايير المنتجات ASTM وEN إلى درجات فيريتية بمكونات كيميائية مماثلة؛ توفر المواصفات التجارية المحددة وكتيبات الموردين بيانات المنتجات الصناعية.
- التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي (مستقر، عادة مع النيوبيوم/الكولومبيوم، ويحتوي على الموليبدينوم لتحسين مقاومة التآكل).
ملاحظة: تختلف المعايير المحددة وحدود العناصر المسموح بها حسب شكل المنتج (لفائف، صفائح، شرائط، أنابيب) والمورد؛ تأكد دائمًا من المواصفات التعاقدية (ASTM/EN/JIS/GB أو معيار المورد).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
فيما يلي جدول تركيبي إرشادي يوضح العناصر الرئيسية ذات الأهمية. هذه هي النطاقات الاسمية النموذجية من أوراق البيانات التجارية ويجب التحقق منها مقابل المعيار المحدد أو شهادة المصنع للمشتريات.
| العنصر (wt%) | 441 — نموذجي (إرشادي) | 444 — نموذجي (إرشادي) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Mn | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~17.0–18.5 | ~17.5–19.5 |
| Ni | ≤ 0.5 | ≤ 0.5 |
| Mo | ~0 | ~1.0–2.0 |
| V | عادةً أثر | عادةً أثر |
| Nb (Cb) | عادةً منخفض/أثر | ~0.15–0.6 |
| Ti | ~0.15–0.45 (مثبت) | منخفض/أثر إلى صغير (بعض المتغيرات) |
| B | عادةً أثر | عادةً أثر |
| N | أثر | أثر |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - الكروم (Cr): يوفر الفيلم السلبي الأساسي لمقاومة التآكل في كلا الدرجتين. يزيد محتوى الكروم من مقاومة الأكسدة والتآكل العام. - الموليبدينوم (Mo، الموجود في 444): يحسن مقاومة التآكل النقطي والتآكل في الشقوق في البيئات التي تحتوي على الكلور ويقوي الفيلم السلبي. - التيتانيوم (Ti، المستخدم في 441): يعمل كمثبت عن طريق ربط الكربون والنيتروجين لمنع ترسيب كربيد الكروم (الحساسية) ويحسن مقاومة التآكل بين الحبيبات والثبات عند درجات الحرارة العالية. - النيوبيوم (Nb، المستخدم في العديد من المتغيرات 444): يثبت أيضًا ضد الحساسية ويمكن أن يزيد من القوة عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف. - يحافظ انخفاض محتوى الكربون والنيكل على الهيكل المجهري الفيرتي، ويقلل التكاليف مقارنة بالفولاذ الأوستنيتي، ويحسن الموصلية الحرارية.
3. الهيكل المجهري واستجابة المعالجة الحرارية
كلا من 441 و444 هما فولاذان مقاومان للصدأ فيريتي؛ الهيكل المجهري المتوازن والمعالج لهما يهيمن عليه الفيريت ذو التركيب المكعب المركزي.
- الهيكل المجهري النموذجي (كما تم إنتاجه): مصفوفة فيريتية بالكامل مع ترسبات مثبتة متناثرة (نيتريد/كربيد التيتانيوم في 441؛ كربيدات أو كاربونيدات النيوبيوم في 444) وكربيدات/نيتريدات سبائكية دقيقة عرضية حسب التاريخ الحراري.
- أثر المثبتات: يربط التيتانيوم أو النيوبيوم الكربون والنيتروجين للحد من ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات، مما يقلل من القابلية للتآكل بين الحبيبات بعد التعرض لدرجات حرارة حساسة.
- المعالجة الحرارية:
- التسخين (تسخين المحلول يليه التبريد السريع) يستعيد القابلية للطرق، ويوحد الهيكل المجهري، ويذيب الترسبات غير المرغوب فيها. بالنسبة للفولاذ الفيرتي، يتبع التسخين عادةً تبريدًا محكومًا.
- التبريد والتقسية غير قابلين للتطبيق بنفس المعنى كما هو الحال مع الفولاذ المارتنسيت، لأن الفولاذ الفيرتي لا يتحول إلى مارتنسيت عند التبريد؛ يبقى فيريتي ويمكن أن يخضع لنمو الحبيبات إذا تم تسخينه بشكل مفرط.
- العمل البارد: تستجيب كلا الدرجتين للعمل البارد مع زيادات كبيرة في القوة بسبب تصلب الإجهاد؛ لذلك، فإن الخصائص الميكانيكية تعتمد بشكل كبير على العملية.
- المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة/التبريد المحكوم) يمكن أن تصقل حجم الحبيبات وتحسن الصلابة؛ يقلل التثبيت من التدهور أثناء التعرض الحراري اللاحق.
4. الخصائص الميكانيكية
تختلف الخصائص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ الفيرتي حسب شكل المنتج والعمل البارد؛ الجدول أدناه يقدم سلوكًا مقارنًا نوعيًا بدلاً من أرقام فردية. للتصميم، استخدم دائمًا شهادات المورد للحرارة المحددة والمنتج.
| الخاصية | 441 | 444 | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (نموذجي بعد التلدين) | متوسطة، مناسبة للأجزاء الهيكلية/المطبوعة | مماثلة أو أعلى قليلاً في حالة التلدين (يمكن أن يعطي Mo/Nb زيادة متواضعة) | يرفع العمل البارد UTS بشكل كبير لكلاهما |
| قوة العائد | متوسطة؛ قابلية تشكيل جيدة | مماثلة أو أعلى قليلاً حسب Nb/Mo | الفروق صغيرة في الحالة الملدنة |
| التمدد (القابلية للطرق) | قابلية طرق جيدة في حالة التلدين | تمدد أقل قليلاً من 441 في بعض أشكال المنتجات | تقلل المثبتات قليلاً من القابلية للطرق مقارنة بالفولاذ الفيرتي غير المثبت |
| صلابة التأثير | جيدة عند درجة حرارة الغرفة؛ تقل عند درجات الحرارة المنخفضة مقارنة بالفولاذ الأوستنيتي | قابلة للمقارنة ولكن قد تكون أقل قليلاً حسب العمل البارد ومحتوى النيوبيوم | تظهر الدرجات الفيرتي سلوك انتقال قابل للطرق-هش |
| الصلابة | منخفضة نسبيًا في الحالة الملدنة؛ تزداد مع العمل البارد | صلابة أساسية مماثلة؛ قد تكون أعلى قليلاً بعد العمل | الصلابة تعتمد على العملية |
أيها أقوى/أصلب/أكثر قابلية للطرق: في الحالة الملدنة، تكون متشابهة بشكل عام. تميل 444، مع Mo وNb، إلى تقديم قوة أعلى قليلاً وقابلية طرق أقل قليلاً مقارنة بـ 441؛ ومع ذلك، فإن المعالجة (العمل البارد، السماكة) عادة ما تهيمن.
5. قابلية اللحام
عادةً ما تكون الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتية قابلة للحام، لكن التثبيت والسبائك المتبقية تؤثر على سلوك اللحام.
- مؤشرات التكافؤ الكربوني ومؤشرات الصلابة مفيدة لتقييم خطر التشقق البارد واحتياجات التسخين المسبق/بعد اللحام. التعبيرات المستخدمة بشكل شائع هي:
- مؤشر قابلية اللحام (مؤشر التكافؤ الكربوني IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- مؤشر مقاومة التآكل (Pcm) لتقييم قابلية 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 (نوعي):
- كلا من 441 و444 لهما محتوى منخفض من الكربون والنيكل، مما ينتج عنه قيم منخفضة إلى متوسطة من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$ مقارنة بالفولاذات عالية السبائك؛ وهذا يشير عمومًا إلى قابلية لحام جيدة يدويًا وآليًا مع مواد استهلاكية قياسية من الفولاذ المقاوم للصدأ.
- يقلل التثبيت مع Ti (441) أو Nb (444) من خطر الحساسية بعد اللحام لأن هذه العناصر تربط الكربون والنيتروجين.
- يمكن أن يزيد الموليبدينوم وNb في 444 قليلاً من الصلابة والميول لتكوين بين المعادن (مثل مرحلة سيغما) إذا تم الاحتفاظ بها في نطاق 600–900 درجة مئوية لفترات طويلة؛ يُوصى بالتحكم الحراري الدقيق واختيار المواد المالئة.
- تكون درجات الحرارة المسبقة ودرجات الحرارة بين اللحام أقل شيوعًا من تلك المطلوبة للفولاذات المارتنسيت، لكن تأهيل إجراء اللحام لا يزال ضروريًا للتطبيقات الحرجة.
6. التآكل وحماية السطح
- السياق غير المقاوم للصدأ: غير قابل للتطبيق - كلاهما من الفولاذات الفيريتية ويشكل أفلامًا سلبية غنية بالكروم.
- لتقييم الفولاذ المقاوم للصدأ، يعتبر رقم مقاومة التآكل النقطي (PREN) مؤشرًا مقارنًا مفيدًا حيث يزيد الموليبدينوم والنيتروجين بشكل كبير من مقاومة التآكل المحلي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- التفسير:
- 441: يوفر الكروم العالي وتثبيت التيتانيوم مقاومة جيدة للتآكل العام ومقاومة ممتازة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية؛ يعني الموليبدينوم المحدود مقاومة متوسطة للتآكل النقطي في البيئات التي تحتوي على الكلور.
- 444: مع إضافة الموليبدينوم وتثبيت النيوبيوم، تحقق 444 عادةً مقاومة أفضل للتآكل النقطي والتآكل في الشقوق في الوسائط التي تحتوي على الكلور ومقاومة محسنة في البيئات المائية العدوانية مقارنة بـ 441.
- PREN هو مؤشر مقارن؛ بالنسبة للدرجات الفيريتية، تكون قيم PREN المطلقة عادةً أقل من الفولاذات الأوستنيتية عالية السبائك، لكن PREN النسبي يساعد في التنبؤ بسلوك التآكل النقطي بين 441 و444.
- حماية السطح: بالنسبة للفولاذات غير المقاومة للصدأ، ستشمل المناقشة الجلفنة/الطلاء؛ بالنسبة لـ 441/444، يمكن أن تعزز التشطيبات السطحية (التخليل، التمرير) والطلاءات (السيراميك، الألمنيوم لدرجات الحرارة العالية جدًا) من عمر الخدمة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- التشكيل: يظهر 441 عمومًا أداءً جيدًا في السحب العميق والتشكيل في حالة التلدين؛ يمكن أن يكون 444 أقل قابلية للتشكيل قليلاً حسب مستويات Nb/Mo وحرارة المنتج.
- الانحناء: كلا الدرجتين تؤديان بشكل جيد عند التلدين؛ تتطلب خصائص الارتداد تعويض الأدوات كما هو الحال مع الفولاذات الفيريتية الأخرى.
- قابلية التشغيل: الفولاذات المقاومة للصدأ الفيريتية أكثر عرضة لتصلب العمل ويمكن أن تكون "لزجة" إلى حد ما أثناء التشغيل. الممارسة النموذجية: استخدم أدوات حادة، وإعدادات صلبة، ومواد تبريد فعالة. يمكن أن تقلل Mo وNb في 444 قليلاً من قابلية التشغيل مقارنة بـ 441.
- تشطيب السطح: كلاهما يأخذ تشطيبات سطحية جيدة، لكن يُوصى بالتخليل/التمرير بعد التصنيع لاستعادة سلامة الفيلم السلبي.
- العمل البارد: يقوي كلا الدرجتين بسهولة - يجب أن تعكس الخصائص المسموح بها في التصميم الحرارة النهائية.
8. التطبيقات النموذجية
| 441 — الاستخدامات النموذجية | 444 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| مكونات عوادم السيارات، كواتم الصوت، والمنافع حيث تكون مقاومة الأكسدة وقابلية التشكيل مطلوبة | أنابيب ومغلفات مبادل الحرارة في المصانع الكيميائية، وأنظمة إزالة الكبريت من غازات العادم، ومعدات بحرية حيث تكون مقاومة التآكل النقطي حرجة |
| مكونات الأفران والمواقد، الزخارف، والأجهزة المنزلية | أنابيب وأنابيب للبيئات المائية التآكلية، التطبيقات الساحلية مع تعرض مرتفع للكلوريد |
| لوحات مقاومة للحرارة والأسطح العاكسة | قنوات ومكونات عالية الحرارة حيث تبرر مقاومة التآكل العامة والمحلية المحسنة تكلفة السبائك |
مبررات الاختيار: - اختر 441 عندما تكون هناك حاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي بتكلفة فعالة مع مقاومة جيدة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية، وقابلية تشكيل ممتازة، وتعرض منخفض إلى متوسط للكلوريد (مثل عوادم السيارات، التطبيقات العامة للصفائح). - اختر 444 عندما يتوقع التعرض للكلوريدات أو الوسائط الأكثر عدوانية (بيئات التآكل النقطي/الشقوق) أو عمر أطول في ظروف تآكل رطبة، وتكون تكلفة السبائك الأعلى قليلاً مبررة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: 444 عمومًا أكثر تكلفة من 441 بسبب محتوى الموليبدينوم والنيوبيوم. تختلف الفروق في التكلفة حسب أسعار السلع العالمية لـ Mo وNb.
- التوافر: يتم إنتاج 441 على نطاق واسع للأسواق السيارات والأسواق الصفائحية/اللفائف؛ 444 شائع للأنابيب واللفائف والصفائح في الأسواق الكيميائية والطاقة ولكن بكميات أقل. سيتفاوت التوافر حسب شكل المنتج (أنبوب، شريط، ورقة) والمعالجة الحرارية حسب المنطقة والمورد - حدد شكل المنتج وحرارته المطلوبة مبكرًا في المشتريات.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (تقييمات نوعية: منخفض / معتدل / مرتفع أو مشابه):
| السمة | 441 | 444 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | عالية (جيدة) | عالية (جيدة)، تحتاج إلى مزيد من الانتباه للتحكم بين المعادن |
| القوة–الصلابة (ملدن) | متوسطة / قابلية طرق جيدة | متوسطة إلى قوة أعلى قليلاً / قابلية طرق أقل قليلاً |
| مقاومة التآكل (عامة) | جيدة | أفضل (خاصة التآكل النقطي/في الشقوق) |
| التكلفة | أقل (أكثر اقتصادية) | أعلى (بسبب Mo/Nb) |
| قابلية التشكيل | أفضل | أقل قليلاً (تعتمد على الحرارة/المنتج) |
| التوافر النموذجي | واسع | جيد، لكن أكثر محدودية في بعض أشكال المنتجات |
التوصية: - اختر 441 إذا: - كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للصدأ فيريتي بتكلفة فعالة مع مقاومة جيدة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية، وقابلية تشكيل ممتازة، وتعرض منخفض إلى متوسط للكلوريد (مثل عوادم السيارات، التطبيقات العامة للصفائح). - اختر 444 إذا: - كانت التطبيق يتضمن بيئات مائية أو كلوريد أكثر عدوانية حيث تكون مقاومة التآكل النقطي والتآكل في الشقوق المحسنة مطلوبة، أو إذا كانت مدة الخدمة الأطول تحت التعرض للتآكل تبرر تكلفة المواد الأعلى (مثل أنابيب مبادل الحرارة، معدات العمليات الكيميائية، المكونات البحرية).
ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين فيريتي ومثبتة لتقليل الحساسية؛ ومع ذلك، فإن الأداء الدقيق يعتمد على شكل المنتج، والحرارة، وتاريخ اللحام/المعالجة. للتطبيقات الحرجة، اطلب شهادات المصنع، وبيانات التآكل للبيئة المحددة، وتأهيل إجراء اللحام من المورد قبل المواصفة النهائية.