904L مقابل 316L - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
904L و 316L هما نوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستخدم على نطاق واسع، وغالبًا ما يتنافسان في اختيار المواد لمعدات العمليات الكيميائية والبحرية والصيدلانية. غالبًا ما يوازن المهندسون ومديرو المشتريات بين مقاومة التآكل، وقابلية اللحام، وتكلفة دورة الحياة عند الاختيار بينهما - موازنين الحاجة إلى أداء متفوق في البيئات العدوانية مقابل قيود الميزانية والإمداد. بشكل عام، يُعتبر 904L درجة أوستنيتية عالية السبيكة ومقاومة للتآكل مصممة للخدمات التي تحتوي على كلوريد وحمض، بينما يُعتبر 316L فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي "عمل" منخفض الكربون يُقدم مقاومة جيدة للتآكل العامة، وقابلية للتشكيل، وتوفر اقتصادي. تفسر هذه الاختلافات سبب مقارنتها بشكل شائع في قرارات التصميم والتصنيع.
1. المعايير والتسميات
المعايير الرئيسية والتسميات الشائعة لكل درجة:
- 316L
- ASTM/ASME: UNS S31603، ASTM A240 (لوح/ورقة)، ASTM A276 (قضبان)، ASTM A479 (مُشكل/أنبوب)، إلخ.
- EN: 1.4404 (يشار إليه أيضًا عادةً كـ X2CrNiMo17‑12‑2)
- JIS: SUS316L
- GB: 0Cr17Ni12Mo2 (تسمية صينية تقريبية)
-
التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي
-
904L
- ASTM/ASME: UNS N08904
- EN: 1.4539 (يشار إليه أحيانًا)
- JIS: لا يُستخدم عادةً كدرجة محددة من JIS؛ غالبًا ما يُحدد بواسطة UNS
- GB: عائلات مكافئة متاحة تحت تسميات مختلفة
- التصنيف: فولاذ مقاوم للصدأ فائق الأوستنيتي (أوستنيتي عالي السبيكة)
كلاهما فولاذ مقاوم للصدأ (أوستنيتي)؛ لا يُعتبر أي منهما كربونيًا أو أداة أو HSLA بالمعنى التقليدي.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
توضح الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية (وزن%) لـ 316L و 904L التجاريين الشائعين. القيم هي نطاقات تمثيلية مستخدمة في مواصفات الصناعة؛ يجب أن تشير الاختيارات النهائية إلى المعيار المحدد أو شهادة المصنع.
| عنصر | 316L (نطاق نموذجي، وزن%) | 904L (نطاق نموذجي، وزن%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.02 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.035 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 19.0 – 23.0 |
| Ni | 10.0 – 14.0 | 23.0 – 28.0 |
| Mo | 2.0 – 3.0 | 4.0 – 5.0 |
| V | – | trace/≤ specification |
| Nb | – | trace/≤ specification |
| Ti | – | trace/≤ specification |
| Cu | trace – 0.75 | 1.0 – 2.0 |
| B | – | trace |
| N | ≤ 0.10 (عادةً منخفض جدًا) | ≤ 0.10 (عادةً منخفض جدًا) |
| Fe | balance | balance |
كيف تؤثر السبيكة على الأداء - يوفر الكروم مقاومة عامة للتآكل واستقرار فيلم الأكسيد (زيادة الكروم ترفع مقاومة النقر الأساسية). - يعمل النيكل على استقرار المرحلة الأوستنيتية، ويحسن المتانة والليونة، ويعزز المقاومة لتصدع الإجهاد الناتج عن الكلوريد في العديد من السياقات. - يزيد الموليبدينوم من المقاومة للنقر والتآكل في الشقوق في البيئات المحتوية على الكلوريد. - يحسن النحاس في 904L المقاومة للأحماض المخفضة (مثل حمض الكبريتيك) ويعزز الاستقرار في بعض الوسائط التآكلية. - يقلل الكربون المنخفض (تسمية "L") من التحسس أثناء اللحام ويحد من التآكل بين الحبيبات.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
كلا من 316L و 904L هما في الأساس أوستنيتيان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) في الحالة المعالجة. السلوكيات الرئيسية للبنية المجهرية والمعالجة الحرارية:
- البنية المجهرية النموذجية
- 316L: أوستنيت مستقر مع احتمال وجود دلتا فيريتي في اللحامات أو المناطق المعالجة بالبرد إذا لم يتم التحكم بها بشكل صحيح. يحدث حجم الحبيبات وتشكيل التوأم اعتمادًا على التاريخ الحراري الميكانيكي.
-
904L: أيضًا أوستنيتي بالكامل ولكن مع محتوى أعلى من النيكل والموليبدينوم/النحاس الذي يستقر الأوستنيت ويقلل من الميل نحو تكوين الفيريتي أو المارتينسيت. يظهر 904L مقاومة قوية لتساقط الكربيد (التحسس).
-
المعالجة الحرارية والمعالجة
- كلا الدرجتين غير قابلة للتصلب بواسطة طرق التبريد والتخمير التقليدية. المعالجة الحرارية (معالجة الحل) هي العملية القياسية لاستعادة الليونة ومقاومة التآكل: عادةً ما يتم التخمير عند حوالي 1,040–1,120 °م يتبعه تبريد سريع (تبريد بالماء) للاحتفاظ بالهيكل الأوستنيتي وإذابة الكربيدات.
- تزيد المعالجة الحرارية الميكانيكية (العمل البارد) من القوة من خلال تصلب الإجهاد. لا يمكن تقوية أي من الدرجتين بشكل كبير بواسطة المعالجة الحرارية التقليدية؛ يتم تحقيق التقوية من خلال العمل الصلب أو التشكيل البارد يتبعه استقرار محتمل (مثل 316Ti).
- يمكن أن يؤدي التعرض المطول في نطاق 450–870 °م إلى تعزيز مرحلة سيغما أو ترسيب كربيد الكروم في الأوستنيتيين عاليي السبيكة؛ تقلل مستويات النيكل والنحاس المرتفعة في 904L ولكن لا تلغي المخاطر في التعرضات الخدمية القصوى.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية النموذجية في الحالة المعالجة على شكل المنتج (ورقة، لوح، قضيب) والمعيار المحدد. يقدم الجدول القيم المعالجة التمثيلية المستخدمة عادةً لمقارنة التصميم؛ استشر شهادات المواد لبيانات المشروع.
| الخاصية (المعالجة) | 316L (تمثيلي) | 904L (تمثيلي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | ~480–620 ميجا باسكال | ~500–650 ميجا باسكال |
| قوة العائد (0.2% انزلاق) | ~170–310 ميجا باسكال | ~200–350 ميجا باسكال |
| التمدد (A%) | ≥ 35–50% | ≥ 30–50% |
| صلابة التأثير (درجة حرارة الغرفة، نموذجية) | عالية (صلابة جيدة عند الشق) | عالية (صلابة ممتازة عند الشق) |
| الصلابة (HB/HRB نموذجية معالجة) | ~90 HRB (أو ≤ 200 HB) | مماثلة أو أعلى قليلاً حسب السبيكة |
التفسير - القوة: تظهر كلا الدرجتين خصائص شد مشابهة بشكل عام في الحالة المعالجة؛ يزيد العمل البارد من القوة لأي منهما. يمكن أن يظهر 904L قوة أعلى قليلاً في بعض أشكال المنتجات بسبب السبيكة، لكن الاختلافات غالبًا ما تكون صغيرة بالنسبة لهوامش التصميم. - المتانة والليونة: كلاهما يتمتع بليونة ومتانة عالية في درجة حرارة الغرفة بسبب الهيكل الأوستنيتي بالكامل. عادةً ما يحسن محتوى النيكل العالي في 904L المتانة في درجات الحرارة المنخفضة ويقلل من القابلية للتقصف. - تتحكم الخصائص الميكانيكية بشكل أساسي في العمل الصلب والتشكيل البارد بدلاً من المعالجة الحرارية؛ يجب أن يشير التصميم إلى شهادة المادة المحددة.
5. قابلية اللحام
تشمل اعتبارات قابلية اللحام محتوى الكربون، والسبيكة، ومؤشرات الصلابة.
- كلا من 316L و 904L لهما مستويات كربون منخفضة (درجات "L")، مما يقلل من خطر التحسس والتآكل بين الحبيبات بعد اللحام ويحسن قابلية اللحام.
- استخدام المعادن الملحومة الأوستنيتية القياسية (مثل النيكل المطابق أو الأعلى، النيكل القائم حيثما كان مطلوبًا) وإجراءات اللحام المناسبة هو أمر معتاد. نادرًا ما تكون معالجة الحل بعد اللحام مطلوبة للتطبيقات القياسية ولكن يمكن استخدامها لمقاومة التآكل الحرجة.
- مؤشرات قابلية اللحام (لإرشاد المقارنة النوعية):
- معادل الكربون (شكل IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
- معادل مقاومة التآكل للنقر لقابلية 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 النوعي
- 316L: قابلية لحام جيدة، مستخدمة على نطاق واسع ومفهومة جيدًا. يقلل الكربون المنخفض من التحسس؛ اختيار المعدن الملحوم بسيط.
- 904L: قابل للحام أيضًا ولكن يتطلب الانتباه. يزيد محتوى الموليبدينوم والكروم العالي من مصطلحات CE و Pcm بالنسبة لـ 316L؛ يقلل النيكل العالي من الصلابة ولكن يمكن أن يؤثر على القابلية للتشقق الساخن إذا تم استخدام معدن ملحوم أو معلمات غير صحيحة. غالبًا ما يتطلب 904L معدن ملحوم مطابق مع النيكل الكافي وقد يكون أكثر حساسية لدخول الحرارة والتحكم في التخفيف. عادةً لا يتطلب التسخين المسبق؛ التحكم في درجات حرارة التداخل والتنظيف مهم.
6. التآكل وحماية السطح
-
بالنسبة للفولاذ غير المقاوم للصدأ: الحمايات القياسية هي الجلفنة، والطلاء، والحماية الكاثودية، والطلاءات. (لا تنطبق على هذين النوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ اللذين يعتمدون على الأفلام السلبية.)
-
مؤشرات تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ
- رقم مقاومة النقر (PREN) يُستخدم عادةً لمقارنة مقاومة النقر: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- رقم PREN التقريبي (باستخدام تركيبات متوسطة تمثيلية):
- 316L: مع Cr ≈ 17% و Mo ≈ 2.5% → PREN ≈ 17 + 3.3×2.5 ≈ 25.25
- 904L: مع Cr ≈ 20% و Mo ≈ 4.5% → PREN ≈ 20 + 3.3×4.5 ≈ 34.85
-
التفسير: يشير رقم PREN الأعلى إلى مقاومة أكبر للهجوم الموضعي (النقر/الشقوق) في البيئات المحتوية على الكلوريد. يوفر رقم PREN الأعلى بشكل ملحوظ في 904L وإضافة النحاس مقاومة متفوقة في العديد من البيئات العدوانية المحتوية على الكلوريد والأحماض المخفضة (مثل حمض الكبريتيك)، بينما يوفر 316L مقاومة جيدة للنقر العامة للتعرضات المعتدلة للكلوريد.
-
عندما لا يكون PREN قابلاً للتطبيق
- PREN هو مؤشر مبسط يركز على النقر؛ لا يعكس السلوك في البيئات المؤكسدة بشدة، أو التآكل العام في حمض الكبريتيك، أو القابلية لتصدع الإجهاد بشكل كامل. يتطلب تقييم التطبيق الحقيقي اختبارًا أو حكم هندسة تآكل ذو خبرة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل
- 316L: قابلية تشغيل عادلة إلى ضعيفة مقارنة بالفولاذ الكربوني؛ يتطلب العمل الصلب أثناء القطع أدوات صلبة وتغذية مناسبة. يتحسن الأداء مع أدوات كربيد مطلية ومعلمات محسنة.
- 904L: عمومًا أكثر صعوبة في التشغيل من 316L بسبب محتوى النيكل الأعلى وزيادة العمل الصلب؛ تآكل الأدوات وقوى القطع أعلى. غالبًا ما تتطلب السبائك الغنية بالنيكل سرعات قطع أقل وأدوات قوية.
- قابلية التشكيل والانحناء
- كلا الدرجتين لهما قابلية تشكيل جيدة في الحالة المعالجة؛ يُستخدم 316L على نطاق واسع في السحب العميق والأشكال المعقدة. يمكن تشكيل 904L ولكن قد يتطلب زيادة في قوة التشكيل والانتباه إلى الارتداد؛ يُستخدم التخمير بعد التشكيل الثقيل بشكل شائع.
- إنهاء السطح
- التلميع والتخميل فعّالان لكليهما؛ قد يتطلب 904L كيمياء تخليل/تنظيف مختلفة قليلاً بسبب محتوى النحاس والموليبدينوم. يستعيد التخليل والتخميل المناسب الفيلم السلبي ويعزز أداء التآكل.
8. التطبيقات النموذجية
| 316L – الاستخدامات النموذجية | 904L – الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| معدات معالجة الطعام والمشروبات، مكونات صيدلانية وطبية، تجهيزات بحرية، مبادلات حرارية، أنابيب عمليات كيميائية عامة (كلوريدات معتدلة) | معدات عمليات كيميائية تتعامل مع الأحماض القوية (خصوصًا الكبريتيك)، أنظمة تبريد مياه البحر ذات مستويات عالية من الكلوريد ودرجات الحرارة، أجهزة التحكم في التلوث، مكونات بحرية وتحت البحر حيث تكون مقاومة النقر/الشقوق أعلى |
| تطبيقات معمارية وجمالية، خزانات وتخزين للبيئات المعتدلة | مفاعلات الإستر، معدات تخليل الأحماض، أنظمة عالية النقاء معرضة للبيئات المخفضة |
مبررات الاختيار - يتم اختيار 316L للمشاريع الحساسة من حيث التكلفة التي تتطلب مقاومة موثوقة للتآكل العامة، وقابلية جيدة للتشكيل، وتوفر واسع. - يتم اختيار 904L عندما تشمل الخدمة بيئات كلوريد عدوانية، وتركيزات عالية من الأحماض المخفضة، أو عندما تكون الحياة الممتدة مع الحد الأدنى من صيانة التآكل أمرًا حاسمًا على الرغم من التكلفة الأولية الأعلى.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة
- عادةً ما تكون 904L أغلى بكثير من 316L بسبب محتوى النيكل والموليبدينوم الأعلى وإضافة النحاس. يمكن أن تكون الفروق السعرية كبيرة وتتقلب مع أسواق المعادن السبيكية.
- التوافر
- 316L: شائع جدًا في المصانع حول العالم في العديد من أشكال المنتجات (ورقة، لوح، أنبوب، أنبوب، قضيب، تشكيلات).
- 904L: متاحة بسهولة من الموردين المتخصصين والمصانع الكبيرة، ولكن قد تكون مجموعة أشكال المنتجات وأوقات التسليم أكثر محدودية من 316L؛ غالبًا ما تكون هناك حاجة للتصنيع المخصص وتخطيط المشتريات لكميات كبيرة.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي)
| السمة | 316L | 904L |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة جدًا (إجراءات قياسية) | جيدة، تتطلب معدن ملحوم مطابق وتحكم في اللحام |
| القوة–المتانة | ليونة ومتانة جيدة؛ قوة معتدلة | متانة قابلة للمقارنة؛ غالبًا ما تكون القوة مماثلة أو أعلى قليلاً في بعض أشكال المنتجات |
| مقاومة التآكل (عامة/نقر) | جيدة (خدمة كلوريد معتدلة) | متفوقة (مقاومة عالية للنقر/الشقوق؛ جيدة للأحماض المخفضة) |
| التكلفة | منخفضة (اقتصادية) | مرتفعة (تكلفة سبيكة مرتفعة) |
| التوافر | ممتاز | جيد (أقل انتشارًا من 316L) |
التوصيات - اختر 316L إذا: - كانت التطبيق يتطلب مقاومة موثوقة للتآكل العامة في بيئات كلوريد معتدلة أو جوية، مع قابلية جيدة للتشكيل وتكلفة اقتصادية. - كانت بساطة سلسلة الإمداد وخيارات المواد والتصنيع الواسعة هي الأولويات. - لا يواجه النظام تعرضًا مطولًا لمستويات عالية من الكلوريد، أو أحماض مخفضة قوية، أو بيئات تتطلب رقم PREN مرتفع جدًا.
- اختر 904L إذا:
- كانت بيئة الخدمة تشمل كلوريدات عدوانية، أو أحماض كبريتيك أو أحماض مخفضة أخرى، أو ظروف عرضة لتآكل شديد بالنقر والشقوق.
- كانت الحياة الطويلة مع الحد الأدنى من صيانة التآكل أولوية وكان المشروع يمكنه تبرير تكلفة المواد الأعلى.
- كانت هناك خبرة في اللحام والتصنيع للتحكم في الإجراءات وتحديد المعادن الملحومة المناسبة.
ملاحظة نهائية: يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار النظام بالكامل - درجة الحرارة، وتركيز الكلوريد، والتدفق، والشقوق، وحالة الإجهاد، وطريقة التصنيع، وتكلفة دورة الحياة. يُوصى بإجراء اختبارات غمر مختبرية، أو بيانات كيميائية كهربائية، أو خبرة ميدانية مع سائل العملية المحدد للخدمات الحرجة.