321 و321H لوح من الفولاذ المقاوم للصدأكلاهما درجات ممتازة من التيتانيوم-الأوستنيتي المستقر، لكنهما ليسا متماثلين. في هذه المقالة، ستلاحظ بالضبط كيف يختلف تركيبها الكيميائي، وخواصها الميكانيكية، وسلوكها في درجات الحرارة المرتفعة-، واستخداماتها في العالم الحقيقي-.
ما هي 321 و 321 ه؟
كل من 321 و321H عبارة عن فولاذ مقاوم للصدأ الأوستنيتي ومثبت بالتيتانيوم. التثبيت يعني إضافة التيتانيوم (عادة 5× محتوى الكربون، الحد الأدنى 0.10%) إلى السبيكة.
يتمتع التيتانيوم بجاذبية أقوى بكثير للكربون من الكروم. عندما يتم تسخين الفولاذ (أثناء اللحام أو الخدمة عند درجة حرارة عالية-)، يلتقط التيتانيوم الكربون أولاً، مكونًا كربيدات التيتانيوم غير الضارة. وهذا يمنع تكوين كربيدات الكروم عند حدود الحبوب - وهو سبب التآكل بين الحبيبات (غالبًا ما يسمى "اضمحلال اللحام").
لذلك كلا الصفين يقاومان التحسس. ولكن تم تصميم 321H خصيصًا لتطبيقات درجات الحرارة المرتفعة-حيث تكون قوة الزحف وخصائص التمزق الإجهادي أمرًا بالغ الأهمية.
|
ميزة |
321 |
321H |
|
رقم يو إن إس |
S32100 |
S32109 |
|
محتوى الكربون |
أقل من أو يساوي 0.08% |
0.04 – 0.10% |
|
محتوى التيتانيوم |
أكبر من أو يساوي 5×C |
أكبر من أو يساوي 4×(C+N) إلى 0.70 كحد أقصى |
|
آلية القوة الأولية |
تعزيز الحل |
الحل + ترسيب كربيد التقوية |
|
الأفضل ل |
خدمة درجات الحرارة المرتفعة العامة-(تصل إلى 1500 درجة فهرنهايت) |
فترة طويلة-، تحميل-خدمة تحمل درجة حرارة عالية-(أعلى من 1000 درجة فهرنهايت) |
|
بعد المعالجة الحرارية للحام؟ |
غير مطلوب |
غير مطلوب |
|
تطبيقات نموذجية |
مداخن عوادم الطائرات، المعدات الكيميائية، المبادلات الحرارية |
الغلايات وأوعية الضغط والمسخنات الفائقة وأنابيب المصفاة |
التركيب الكيميائي: فرق الكربون
يوضح الجدول أدناه الاختلافات الكيميائية الرئيسية وفقًا للمواصفة ASTM A240.
|
عنصر |
321 (S32100) |
321H (S32109) |
|
الكربون (ج) |
أقل من أو يساوي 0.08% |
0.04 – 0.10% |
|
الكروم (الكروم) |
17.0 – 19.0% |
17.0 – 19.0% |
|
النيكل (ني) |
9.0 – 12.0% |
9.0 – 12.0% |
|
التيتانيوم (تي) |
أكبر من أو يساوي 5×C |
أكبر من أو يساوي 4×(C+N) دقيقة، 0.70 كحد أقصى |
|
المنغنيز (من) |
أقل من أو يساوي 2.00% |
أقل من أو يساوي 2.00% |
|
السيليكون (سي) |
أقل من أو يساوي 0.75% |
أقل من أو يساوي 0.75% |
|
الفوسفور (ف) |
أقل من أو يساوي 0.045% |
أقل من أو يساوي 0.045% |
|
الكبريت (S) |
أقل من أو يساوي 0.030% |
أقل من أو يساوي 0.030% |
|
النيتروجين (ن) |
أقل من أو يساوي 0.10% |
– |
المصدر: ASTM A240 / A240M
ماذا تخبرك الأرقام:
321 يسمح للكربون بنسبة تصل إلى 0.08% ولكن ليس له حد أدنى. 321H يتطلب ما لا يقل عن 0.04% من الكربون ويسمح بما يصل إلى 0.10%. وهذا الكربون الإضافي، عند دمجه مع التيتانيوم، يشكل المزيد من كربيدات التيتانيوم أثناء الخدمة في درجات الحرارة العالية-. تعمل هذه الكربيدات على "تثبيت" حدود الحبوب وتمنعها من الانزلاق تحت الضغط - وهي آلية تسمى تعزيز الهطول. هذا هو السبب في أن 321H يتمتع بقوة زحف أعلى من 321.
الخواص الميكانيكية: درجة حرارة الغرفة مقابل درجة الحرارة العالية
في درجة حرارة الغرفة، 321 و321H لهما خصائص ميكانيكية متطابقة تقريبًا. يصبح الفرق كبيرًا عندما تتجاوز درجات الحرارة 1000 درجة فهرنهايت (537 درجة).
خصائص درجة حرارة الغرفة (حالة التلدين)
|
ملكية |
321 |
321H |
|
قوة الشد (دقيقة) |
75 كيلو لكل بوصة مربعة (515 ميجا باسكال) |
75 كيلو لكل بوصة مربعة (515 ميجا باسكال) |
|
قوة الخضوع (إزاحة 0.2%، الحد الأدنى) |
30 كيلو لكل بوصة مربعة (205 ميجا باسكال) |
30 كيلو لكل بوصة مربعة (205 ميجا باسكال) |
|
استطالة (دقيقة) |
40% |
40% |
|
الصلابة (الحد الأقصى) |
217 اتش بي دبليو |
217 اتش بي دبليو |
|
معامل المرونة |
28.0 × 10³ كيلو لكل بوصة مربعة (193 جيجا باسكال) |
28.0 × 10³ كيلو لكل بوصة مربعة (193 جيجا باسكال) |
المصادر: ASTM A240، ASME SA 240
خصائص درجة الحرارة المرتفعة-
تم تصميم الدرجة "H" خصيصًا لخدمة درجات الحرارة المرتفعة. فيما يلي مقارنة للضغوط المسموح بها عند درجات الحرارة المرتفعة وفقًا لمعيار ASME القسم الثاني، الجزء د.
|
درجة الحرارة (درجة فهرنهايت) |
321 الإجهاد المسموح به (كسي) |
321H الإجهاد المسموح به (KSI) |
اختلاف |
|
800 |
18.7 |
18.7 |
لا أحد |
|
1000 |
14.5 |
14.5 |
لا أحد |
|
1200 |
8.8 |
9.6 |
+9% |
|
1300 |
5.4 |
6.9 |
+28% |
|
1400 |
3.0 |
4.8 |
+60% |
|
1500 |
1.5 |
2.8 |
+87% |
مصدر البيانات: كود ASME للغلايات وأوعية الضغط، القسم الثاني، الجزء د
ماذا يعني هذا: عند 1500 درجة فهرنهايت (816 درجة)، يستطيع 321H التعامل بأمان مع ضغط أكثر بنسبة 87% من 321. وهذا فرق هائل بالنسبة للمعدات التي تعمل بشكل مستمر تحت الحمل - مثل أنبوب التسخين الفائق أو وعاء الضغط في مصنع البتروكيماويات.
مقارنة قوة الزحف
الزحف هو التشوه البطيء والدائم الذي يحدث عندما يتم وضع المعدن تحت ضغط عند درجة حرارة عالية. بالنسبة للخدمة طويلة الأمد-، غالبًا ما تكون قوة الزحف أكثر أهمية من قوة الشد قصيرة الأمد-.
عند 1200 درجة فهرنهايت (649 درجة) تحت ضغط 10000 رطل لكل بوصة مربعة:
321 سوف ينفجر بعد حوالي 5000 ساعة
سوف يتمزق 321H بعد حوالي 10000 ساعة - أي ضعف العمر الافتراضي.
عند 1400 درجة فهرنهايت (760 درجة) تحت 5000 رطل لكل بوصة مربعة:
321 تمزق في حوالي 1000 ساعة
321H يدوم أكثر من 3000 ساعة.
ولهذا السبب تتطلب رموز أوعية الضغط (ASME القسم VIII) استخدام 321H لخدمة درجات الحرارة المرتفعة-المدى الطويل-عندما يكون الزحف أحد اعتبارات التصميم.
الخصائص الفيزيائية
يشترك كلا الصفين في خصائص فيزيائية متطابقة تقريبًا لأن تركيباتهما الأساسية متشابهة جدًا.
|
ملكية |
321 / 321H |
|
كثافة |
7.92 – 8.03 جم/سم³ (0.286 – 0.290 رطل/بوصة³) |
|
نطاق الذوبان |
1400 - 1425 درجة (2550 - 2600 درجة فهرنهايت) |
|
الموصلية الحرارية (عند 100 درجة) |
16.2 W/m·K |
|
السعة الحرارية النوعية (عند 500 درجة) |
540 جول/كجم·ك |
|
المقاومة الكهربائية (عند 20 درجة) |
0.73 µΩ·m |
|
معامل التمدد الحراري (20-1000 درجة) |
16.6 × 10⁻⁶ / درجة |
|
الخصائص المغناطيسية |
غير-مغناطيسي في حالة التلدين |
يظل كلا الدرجين غير-مغناطيسيين بعد التلدين. يمكن أن يؤدي العمل البارد (الثني واللف) إلى حدوث مغناطيسية طفيفة، ولكن هذا لا يؤثر على أداء درجات الحرارة العالية-.
مقاومة التآكل
نظرًا لأن كلا الصفين مصنوعان من التيتانيوم المستقر، فإنهما يوفران مقاومة مماثلة للتآكل بين الحبيبات. لن يعاني أي منهما من "تسوس اللحام" بعد اللحام أو التعرض لدرجات حرارة تتراوح بين 800-1600 درجة فهرنهايت (425-870 درجة).
في البيئات المسببة للتآكل الأخرى:
- التآكل العام:كلاهما يقاوم الأكسدة والقياس حتى حوالي 1500 درجة فهرنهايت (816 درجة) في الخدمة المستمرة، و1600 درجة فهرنهايت (871 درجة) بشكل متقطع.
- مقاومة الأحماض:يتمتع كلاهما بمقاومة مماثلة للأحماض المخففة، لكن أيًا منهما غير مناسب للأحماض المختزلة القوية (مثل الهيدروكلوريك أو الكبريتيك الساخن).
- تكسير التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد (SCC):مثل جميع أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، يمكن أن يتشقق كلا من 321 و321H في محاليل الكلوريد الساخنة التي تزيد درجة حرارتها عن 140 درجة فهرنهايت (60 درجة). بالنسبة لخدمة مياه البحر أو المياه المالحة في درجات حرارة عالية، فكر في الدرجات المزدوجة أو الأوستنيتي الفائقة.
ملاحظة هامة: مقاومة التآكل لكلا الصفين هي الأفضل في حالة التلدين بالمحلول (تسخينه إلى 1850-2050 درجة فهرنهايت / 1010-1120 درجة وتبريده بسرعة). بسبب استقرار التيتانيوم، لا يلزم إجراء معالجة حرارية بعد اللحام - وهي ميزة كبيرة مقارنة بالدرجات غير المستقرة مثل 304 أو 304H.
قابلية اللحام والتصنيع
يتم لحام كل من 321 و321H بشكل جميل. يمكن ربطها باستخدام لحام TIG أو MIG أو العصا أو القوس المغمور. استخدم معادن الحشو المطابقة: ER321 لـ TIG/MIG وE347 (أو E321) للحام العصا. يعمل التيتانيوم على تثبيت حوض اللحام، مما يمنع ترسيب كربيد الكروم في المنطقة المتضررة بالحرارة.
ليست هناك حاجة للتسخين المسبق لأي من الصفين، حتى على المقاطع السميكة. كما أن -المعالجة الحرارية اللاحقة للحام ليست مطلوبة أيضًا - حيث يمكنك اللحام ووضع المعدات مباشرة في الخدمة ذات درجة الحرارة العالية دون القلق بشأن التحسس.
التشكيل والتصنيع الآلي: يعمل كلاهما-على الصلابة بسرعة. استخدم أدوات حادة وسرعات قطع منخفضة والكثير من سائل التبريد للتشغيل الآلي. بالنسبة للتشكيل على البارد (الانحناء والدحرجة)، اسمح بتشكيل الزنبرك الخلفي - قد يكون تشكيل 321H، الذي يحتوي على نسبة كربون أعلى قليلاً، أصعب قليلاً.
المعايير والمواصفات
اطلب دائمًا شهادة اختبار المطحنة (MTC) التي تؤكد الدرجة الصحيحة.
|
معيار |
321 |
321H |
|
أستم A240 / A240M |
لوحة، ورقة، قطاع |
لوحة، ورقة، قطاع |
|
أسمي سا 240 |
تطبيقات أوعية الضغط |
تطبيقات أوعية الضغط |
|
أونس |
S32100 |
S32109 |
|
إن |
1.4541 |
1.4912 (درجة حرارة عالية) |
|
إيسي |
321 |
321H |
|
مقياس الدعم الكلي |
5510, 5570, 5645 |
5511, 5571 |
التطبيقات: متى تستخدم أي منها؟
اختر 321 (قياسي) عندما:
درجات الحرارة معتدلة - أقل من حوالي 1000 درجة فهرنهايت (537 درجة) للخدمة المستمرة.
لا تحتاج إلى أقصى قدر من قوة الزحف - على سبيل المثال، في مداخن العادم، أو أجزاء الفرن غير المحملة بشكل كبير، أو المبادلات الحرارية التي تعمل تحت ضغط منخفض.
ستشهد المعدات تسخين وتبريد دوريين - 321 أكثر مقاومة للتعب الحراري قليلاً من 321H لأنه يحتوي على عدد أقل من الكربيدات.
التكلفة هي أحد العوامل - 321 أقل تكلفة بشكل عام ومتاحة على نطاق أوسع من 321H.
اختر 321H عندما:
تتجاوز درجات الحرارة 1000 درجة فهرنهايت (537 درجة) - خاصة فوق 1200 درجة فهرنهايت حيث يصبح الزحف مصدرًا للقلق.
تتعرض المعدات لضغوط مستمرة - أوعية الضغط، وأنابيب التسخين الغلاية، وأنابيب المصفاة، والمفاعلات الكيميائية.
مطلوب عمر خدمة طويل - يمكن لـ 321H مضاعفة أو ثلاثة أضعاف عمر المكون مقارنة بـ 321 في درجات الحرارة العالية.
يتطلب رمز ASME الدرجة "H" - حيث تنص العديد من رموز الغلايات وأوعية الضغط على استخدام درجات H لخدمة درجات الحرارة المرتفعة.
أنت تقوم بلحام المقاطع السميكة - حيث يوفر الكربون المرتفع قليلًا في 321H قوة أفضل في درجات الحرارة العالية في المنطقة المتأثرة بالحرارة.
خاتمة
الفرق بين ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ 321 و321H يرجع إلى محتوى الكربون.
321 عبارة عن فولاذ مقاوم للصدأ ممتاز ومتعدد الاستخدامات ومثبت بالتيتانيوم للتطبيقات التي تصل إلى حوالي 1000 درجة فهرنهايت (537 درجة). إنه يقاوم التآكل بين الحبيبات، ويلحم بسهولة، ولا يحتاج إلى معالجة حرارية بعد اللحام.
321H هو الإصدار عالي الكربون المصمم للخدمة طويلة الأمد والحاملة في درجات حرارة أعلى من 1000 درجة فهرنهايت (537 درجة). عند 1500 درجة فهرنهايت، فإنه يوفر ما يقرب من ضعف الضغط المسموح به للمعيار 321، مما يجعله الخيار الآمن الوحيد للمعدات ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية.
إذن أي واحد يجب أن تشتري؟
إذا كانت درجة حرارة التشغيل لديك أقل من 1000 درجة فهرنهايت ولم يكن الزحف مشكلة في التصميم، فإن المعيار 321 مناسب تمامًا. إذا كانت أجهزتك ستعمل بشكل مستمر فوق 1000 درجة فهرنهايت تحت ضغط أو إجهاد كبير، فإن 321H هو الخيار الأفضل.
