تفاوت اصلی بین فولاد ضد زنگ 316 و 316 لیتر به محتوای کربن مربوط می شود. 316 حاوی حداکثر 0.08٪ کربن است، در حالی که 316 لیتر یک نوع کم کربن است که دارای 0.03٪ کربن است. این شکاف به ظاهر کوچک عواقب قابل توجهی برای یکپارچگی جوش، مقاومت در برابر خوردگی و عمر مفید دارد - به ویژه در پردازش های شیمیایی، محیط های دریایی و تولید تجهیزات پزشکی. برای آهنگری فولاد ضد زنگ، این تمایز اغلب تعیین می کند که کدام درجه در مرحله مهندسی مشخص شود.
محتوای کربن: ریشه هر تفاوت
هر دو گرید به خانواده آستنیتی فولادهای زنگ نزن تعلق دارند و دارای آلیاژهای اسمی مشابه کروم (16-18٪)، نیکل (10-14٪) و مولیبدن (2-3٪) هستند. مولیبدن همان چیزی است که خانواده 316 را از گرید 304 متداولتر جدا میکند - به طور چشمگیری مقاومت در برابر حفرههای کلرید و خوردگی شکاف را بهبود میبخشد و آلیاژهای سری 316 را به انتخاب استاندارد برای زیرساختهای ساحلی، حمل و نقل شیمیایی و تجهیزات دارویی تبدیل میکند.
واگرایی بین 316 و 316 لیتر کاملاً از میزان کربن مجاز در مذاب ناشی می شود. کربن در فولاد زنگ نزن آستنیتی خنثی نیست: در دماهای بالا، مانند دمایی که در طول جوشکاری یا آهنگری داغ به دست میآید، کربن به مرز دانهها مهاجرت میکند و با کروم ترکیب میشود تا کاربیدهای کروم را تشکیل دهد. این فرآیند - که حساسسازی نامیده میشود - ماتریکس اطراف کروم را تخلیه میکند و آن مناطق را با آستانه کروم کمتر از 10.5 درصد برای تشکیل فیلم غیرفعال باقی میگذارد. نتیجه، خوردگی بین دانه ای در ناحیه تحت تأثیر حرارت است.
حداکثر سطح کربن 0.03٪ 316L بسیار کم است تا بارش کاربید قابل توجهی رخ ندهد، حتی پس از قرار گرفتن در معرض حرارت طولانی مدت. این باعث میشود هر زمان که جوشکاری انجام میشود، یا هر جایی که قطعه دمای سرویس بین 425 درجه سانتیگراد و 860 درجه سانتیگراد (797 درجه فارنهایت تا 1580 درجه فارنهایت) - محدوده حساسسازی - را ببیند، انتخاب مطمئنتری است.
316
- کربن: ≤ 0.08٪
- استحکام کششی بالاتر
- خطر ایجاد حساسیت پس از جوشکاری
- هزینه کمتر به ازای هر کیلوگرم
- مناسب برای قطعات ماشینکاری شده یا غیر جوشی
316L
- کربن: ≤ 0.03٪
- مقاومت در برابر خوردگی ناحیه جوش عالی
- عدم ایجاد حساسیت در مناطق متاثر از گرما
- برای مجموعه های ساخته شده ترجیح داده می شود
- استاندارد برای مصارف پزشکی و دارویی
خصوصیات شیمیایی و مکانیکی ساید بای ساید
جدول زیر مقایسه کامل ترکیبی و مکانیکی استانداردهای ASTM A276 و ASTM A182 را نشان میدهد که به ترتیب بر استوک میله و آهنگری فولاد ضد زنگ نظارت میکنند.
جدول 1 – 316 در مقابل 316L: ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی (استانداردهای ASTM) | اموال | 316 | 316L |
| کربن (حداکثر درصد) | 0.08 | 0.03 |
| کروم (%) | 16.0 - 18.0 | 16.0 - 18.0 |
| نیکل (%) | 10.0 - 14.0 | 10.0 - 14.0 |
| مولیبدن (%) | 2.0 - 3.0 | 2.0 - 3.0 |
| مقاومت کششی (min MPa) | 515 | 485 |
| قدرت تسلیم (min MPa) | 205 | 170 |
| ازدیاد طول (حداقل درصد) | 40 | 40 |
| سختی (حداکثر برینل) | 217 | 217 |
| چگالی (g/cm³) | 7.99 | 7.99 |
| خطر حساسیت | بله (425–860 درجه سانتیگراد) | ناچیز |
توجه داشته باشید که استحکام کششی برای 316 حداقل 515 مگاپاسکال در مقابل 485 مگاپاسکال برای 316 لیتر است. این اختلاف 6% نتیجه مستقیم محتوای کربن پایین در 316L است که باعث کاهش تقویت محلول جامد می شود. در کاربردهای سازهای که ظرفیت باربری کامل مورد نیاز است و نیازی به جوش نیست، استاندارد 316 میتواند مزیت مقاومت متوسطی را ارائه دهد. با این حال، در اکثر قطعات ساخته شده و آهنگری فولاد ضد زنگ که برای محیط های تهاجمی تعیین شده است، مزایای خوردگی 316L بیشتر از آن استحکام کوچک است.
چگونه رفتار جوشکاری بین دو درجه متفاوت است
جوشکاری جایی است که تفاوت بین 316 و 316L در عمل بسیار مهم است. هنگامی که 316 با استفاده از فرآیندهای رایج مانند TIG، MIG یا جوشکاری چوبی جوش داده می شود، ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) مجاور حوضچه جوش به اندازه کافی در محدوده حساسیت نگه داشته می شود تا بارش کاربید کروم شروع شود. در یک محیط دریایی یا شیمیایی، این مرزهای دانه خالی از کروم به عنوان محل شروع خوردگی عمل می کنند. خرابیها در این ناحیه به خوبی مستند شدهاند - مقالهای که در مجله Corrosion Science منتشر شده است، حمله بین دانهای را در 316 ناحیه جوش ضد زنگ حساس شده در معرض آب دریا حاوی کلرید، با عمق نفوذ تنها پس از 90 روز قرار گرفتن به 0.2 میلیمتر، مستند کرده است.
316L این حالت خرابی را از بین می برد. از آنجایی که سطح کربن آن بسیار پایین است، به سادگی کربن کافی برای تشکیل شبکه پیوسته ای از کاربیدهای کروم در مرزهای دانه وجود ندارد، حتی پس از خنک شدن آهسته در محدوده حساسیت. به همین دلیل است که کدهای مخازن تحت فشار ASME (بخش VIII، بخش 1) اجازه میدهند که 316L در شرایط جوشکاری برای بسیاری از محیطهای خدماتی استفاده شود، در حالی که استاندارد 316 ممکن است به بازپخت محلول پس از جوش برای بازگرداندن مقاومت به خوردگی نیاز داشته باشد - یک عملیات پرهزینه و نه همیشه عملی برای ساختهای بزرگ.
برای آهنگری های فولادی ضد زنگ که بعداً به مجموعه ها جوش داده می شوند - بدنه شیرها، محفظه پمپ ها، فلنج ها، بلوک های منیفولد - 316L مشخصات استاندارد است دقیقاً به این دلیل که از یکپارچگی مونتاژ نهایی محافظت می کند و نه فقط از خود قطعه آهنگری.
01 316 بعد از جوشکاری
کربن بین 425-860 درجه سانتیگراد به مرزهای دانه مهاجرت می کند و کاربیدهای Cr23C6 را تشکیل می دهد. مناطق خالی از کروم تشکیل می شود. بازپخت پس از جوش در دمای 1010-1120 درجه سانتیگراد برای حل کردن کاربیدها و بازیابی لایه غیرفعال مورد نیاز است.
02 316 لیتر پس از جوش
کربن ناکافی برای تشکیل شبکه کاربید پیوسته. سطوح کروم مرز دانه بالاتر از آستانه فیلم غیرفعال 10.5٪ باقی می ماند. کامپوننت را می توان در شرایط جوش داده شده در اکثر محیط های خدماتی استفاده کرد.
316 و 316L در آهنگری های فولادی ضد زنگ: مهندسین چه چیزی را مشخص می کنند و چرا
آهنگری های فولادی ضد زنگ در 316 و 316L به ASTM A182 برای فلنج ها و اتصالات، ASTM A473 برای آهنگری های عمومی و ASTM A336 برای مخازن تحت فشار تولید می شوند. این استانداردها نه تنها ترکیب شیمیایی، بلکه آزمایشهای مکانیکی، عملیات حرارتی و مستندسازی مورد نیاز را نیز تعریف میکنند. هر دو درجه به طور معمول جعلی هستند. انتخاب بستگی به شرایط استفاده نهایی دارد.
در عملیات آهنگری گرم، بیلت ها معمولاً تا 1150-1260 درجه سانتیگراد (2100-2300 درجه فارنهایت) گرم می شوند که بالاتر از محدوده حساسیت است. پس از آهنگری، قطعات با محلول آنیل می شوند - تا 1010 درجه سانتیگراد یا بالاتر حرارت داده می شوند، سپس با آب خاموش می شوند - تا کاربیدهایی که ممکن است تشکیل شده باشد حل شود و مقاومت کامل در برابر خوردگی بازیابی شود. پس از بازپخت مناسب محلول، هر دو آهنگری فولاد ضد زنگ 316 و 316L مقاومت خوردگی قابل مقایسه ای را در شرایط آهنگری نشان می دهند. این تمایز تنها زمانی خود را نشان می دهد که متعاقباً قطعه جوش داده شود یا در معرض گرمای طولانی مدت سرویس قرار گیرد.
تقسیم برنامه در پروژه های واقعی
در بخش نفت و گاز، بدنه دریچههای درخت کریسمس زیر دریا معمولاً به عنوان آهنگری فولاد ضد زنگ 316 لیتری مشخص میشوند، زیرا جوشکاری تعمیرات میدانی باید بدون ایجاد حساسیت امکانپذیر باشد. در تولید دارو، 316L انتخاب جهانی برای مخازن راکتور، تجهیزات اختلاط، و اتصالات لوله است زیرا تست زیست سازگاری را تحت استانداردهای USP کلاس VI و ISO 10993 گذرانده است، و به دلیل اینکه جوشکاری بهداشتی در ساخت تجهیزات مرکزی است. در کاربردهای معماری و سازهای - اتصالات تزئینی، بستها، گیرههای کابل - آهنگرهای استاندارد 316 اغلب در جایی که هیچ جوشکاری در کار نیست مشخص میشود و استحکام کمی بالاتر و هزینه کمتر سودمند است.
مواد دارای گواهی دوگانه: یک واقعیت تجاری مشترک
در زنجیرههای تامین تجاری، بسیاری از مواد 316/316L که امروزه در دسترس هستند دارای گواهی دوگانه هستند - گرما هر دو الزامات شیمیایی و مکانیکی هر دو درجه را به طور همزمان برآورده میکند. این امکان پذیر است زیرا فولادسازی مدرن می تواند به طور قابل اعتماد کربن زیر 0.03٪ را کنترل کند در حالی که هنوز به حداقل های مکانیکی 316 دست می یابد. آهنگرهای فولادی ضد زنگ 316/316L دارای گواهی دوگانه، هر دو مشخصات را در یک گزارش آزمایشی برآورده میکنند و سردرگمی درجه در تهیه را از بین میبرند و پیچیدگی موجودی را کاهش میدهند. با این حال، مهندسان هنوز باید بفهمند که کدام مشخصات بر طراحی حاکم است - در سرویسهای با دمای بالا بالای 425 درجه سانتیگراد، حتی مواد دارای گواهی دوگانه باید از نقطه نظر طراحی به عنوان 316 لیتر در نظر گرفته شوند.
کاربردهای صنعتی که در آن انتخاب درجه بیشتر اهمیت دارد
تصمیم 316 در مقابل 316L آکادمیک نیست - پیامدهای مستقیمی بر یکپارچگی دارایی در صنایع زیر دارد:
◆
پردازش شیمیایی
راکتورها، مبدلهای حرارتی و قرقرههای لولهای که اسید استیک، اسید فسفریک یا حلالهای کلردار را مدیریت میکنند، از آهنگری و صفحه فولاد ضد زنگ 316 لیتری ساخته میشوند. حساس شدن در اتصالات جوش در این محیط می تواند باعث حمله سریع بین دانه ای شود که منجر به نشت و آلودگی فرآیند در عرض چند ماه پس از راه اندازی شود.
◆
دریایی و فراساحلی
آب دریا حاوی تقریباً 19000 ppm کلرید است که بسیار بالاتر از آستانه حفره شدن در فولاد ضد زنگ غیر حساس است. 316 ناحیه جوش حساس شده، حمله کلرید را به طور چشمگیری تسریع می کند. اتصالات عرشه سکوی فراساحلی، براکتهای شفت قایق، و فلنجهای آهنگری زیردریایی همیشه بهعنوان 316L مشخص میشوند.
◆
تجهیزات پزشکی و ایمپلنت
ISO 5832-1 316L را برای کاربردهای ایمپلنت جراحی حاکم می کند. کربن کم تضمین می کند که هیچ ناحیه حساسی در اجزای ایمپلنت ماشینکاری شده یا جعلی که با مایعات بدن در تماس هستند وجود ندارد. استاندارد 316 برای دستگاه های قابل کاشت تحت این استاندارد مجاز نیست.
◆
فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی
مخازن، اتصالات و شیرها در خطوط لبنیات، دم کردن و فرآوری مواد غذایی به هم جوش داده می شوند و به طور مکرر با محلول های داغ CIP (تمیز در محل) حاوی پاک کننده های سوزاننده و اسیدی تمیز می شوند. آهنگرهای فولادی ضد زنگ 316L و اجزای ساخته شده از طریق این چرخه های حرارتی و شیمیایی مکرر بدون ایجاد حفره های مرتبط با حساسیت، سطح تمیز و غیرفعال را حفظ می کنند.
◆
خمیر و کاغذ
برج ها و هاضم های سفید کننده در عملیات خمیرسازی کرافت، دی اکسید کلر و اسید سولفوریک را در دماهای بالا کنترل می کنند. مناطق جوش حساس در 316 از ترکیب اسید، کلرید و گرما دوام نمی آورند. 316L یا گریدهای آلیاژی بالاتر استاندارد پذیرفته شده است.
◆
مخازن تحت فشار و لوله کشی
ASME B31.3 Process Piping و کدهای مخزن تحت فشار ASME Section VIII هر دو 316L را در شرایط جوش داده شده برای بسیاری از خدمات مجاز می کنند. استفاده از استاندارد 316 در یک کاربرد ممکن است به عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیاز داشته باشد و هزینه و ریسک برنامه را اضافه کند. برای قطعات فشار آهنگری مانند نازل، فلنج و بدنه شیر، مشخص کردن آهنگرهای فولادی ضد زنگ 316L از ابتدا یک مانع نظارتی را از بین می برد.
مقاومت در برابر خوردگی: سوراخ شدن، شکاف و ترک خوردگی تنشی
در شرایط غیر حساس (به درستی آنیل شده)، 316 و 316L اساساً مقاومت خوردگی یکسانی دارند. هر دو به عدد معادل مقاومت حفره ای (PREN) تقریباً 24-26 دست می یابند که به صورت Cr% 3.3×Mo% 16×N درصد محاسبه می شود. این به طور قابل توجهی بالاتر از PREN 304/304L در حدود 18 تا 20 است، که مزایای مولیبدن را تأیید می کند.
جایی که 316L یک مزیت قابل اندازه گیری به دست می آورد، در شرایط پس از جوش یا در معرض حرارت قرار دارد. تستهای ترک خوردگی تنشی (SCC) که روی 316 حساس شده در مقابل 316L در محلول کلرید منیزیم در دمای 154 درجه سانتیگراد انجام شد، نشان میدهد که 316 حساس شده در کسری از زمان لازم برای شکستن مواد حساسنشده شکست میخورد. 316L در همان آزمایش، حتی پس از جوشکاری بدون آنیل پس از جوش، شتاب قابل توجهی در شروع SCC نشان نمی دهد. زیرا لایه غیرفعال در مرزهای دانه به خطر نمی افتد.
برای خوردگی شکاف - یک نگرانی در اتصالات فلنج پیچ و مهرهای، زیر رسوبات، و در اتصالات رزوهای - هر دو گرید در حالت کاملا آنیل شده عملکرد مشابهی دارند. اجزای آهنگری با تلورانسهای ابعادی تنگ، خطر هندسه شکاف را در مقایسه با قطعات ریختهگری کاهش میدهند، که یکی از استدلالهای انتخاب آهنگری فولاد ضد زنگ به جای ریختهگری در خدمات خورنده است: ساختار دانه متراکمتر و عدم وجود تخلخل، محلهای شکاف داخلی را حذف میکند.
اثر افزودن نیتروژن (316LN)
یک نوع تقویت شده با نیتروژن، 316LN، تنها نقطه ضعف 316L - استحکام کششی و تسلیم کمتر آن را برطرف می کند. با افزودن 0.10 تا 0.22 درصد نیتروژن، آلیاژ استحکام قابل مقایسه با استاندارد 316 را بازیابی می کند و در عین حال مزایای کم کربن را نیز حفظ می کند. نیتروژن همچنین PREN را اندکی افزایش می دهد و مقاومت حفره ای را بهبود می بخشد. در آهنگریهای بزرگ فولاد ضد زنگ برای کاربردهای هستهای یا برودتی، 316LN اغلب ماده ترجیحی است که مقاومت در برابر خوردگی، استحکام و جوشپذیری را در یک مشخصات متعادل میکند.
تفاوت هزینه ها و ملاحظات تدارکات
تفاوت قیمت بین 316 و 316L به طور قابل توجهی کاهش یافته است زیرا فولادسازان عمل مذاب را بهینه کرده اند. در قیمت گذاری بازار 2024 برای میله و شمش، حق بیمه 316 لیتر بیش از 316 معمولاً 2 تا 5 درصد در اندازه های استاندارد است. برای آهنگری های فولادی ضد زنگ تولید شده با ASTM A182، حق بیمه مشابه است - اکثر تامین کنندگان آهنگری از سهام دارای گواهی دوگانه کار می کنند که هر دو درجه را برآورده می کند، بنابراین تفاوت هزینه واقعی مواد ناچیز است.
فاکتور هزینه مهمتر آن چیزی است که در پایین دست اتفاق می افتد. تعیین 316 در برنامهای که نیاز به عملیات حرارتی پس از جوش دارد، میتواند 15 تا 30 درصد به هزینه ساخت اضافه کند. برای یک مخزن تحت فشار معمولی، زمانی که زمان کوره بازپخت، بازرسی مجدد و اصلاح ابعاد بالقوه در نظر گرفته شود. در مقابل، 316L این مرحله را به طور کامل حذف می کند. در طول عمر یک پروژه با مجموعه های ساخته شده متعدد، صرفه جویی در هزینه مواد 316 به سرعت توسط حق بیمه هزینه ساخت که تحمیل می کند پاک می شود.
مهندسان تدارکات همچنین باید توجه داشته باشند که زمانهای تحویل برای بار، صفحه و ذخایر آهنگری 316 و 316 لیتر اساساً از طریق اکثر کانالهای توزیع یکسان است. در اندازههای تخصصی یا آهنگریهای تأیید شده برای چاپ، انتخاب درجه معمولاً بر برنامه تحویل تأثیر نمیگذارد، اگرچه 316L با توجه به تسلط آن در بیشتر مشخصات صنعتی تمایل به در دسترس بودن موجودی بالاتری دارد.
سوالات متداول در مورد 316 در مقابل 316L در تمرین مهندسی
آیا می توان از 316L به عنوان جایگزین مستقیم 316 در همه برنامه ها استفاده کرد؟
در اکثر برنامه ها، بله. استحکام تسلیم کمی کمتر 316L (حداقل 170 مگاپاسکال در مقابل 205 مگاپاسکال برای 316) ممکن است به ضخامت دیوار یا تنظیم مقطع در کاربردهای سازه ای با تنش بالا نیاز داشته باشد. در کاربردهای جوشکاری، خوردگی بحرانی یا پزشکی، 316L همیشه انتخاب ارجح یا اجباری است. استاندارد 316 برای آهنگری های فولادی ضد زنگ بدون جوش و غیر بحرانی در سرویس های خشک یا خورنده خفیف، کاملاً مناسب است و هزینه کمی دارد.
آیا می توانید 316 را با پرکننده 316 لیتری جوش دهید؟
بله - و این یک روش معمول است. استفاده از سیم پرکننده ER316L بر روی یک فلز پایه 316، خود فلز جوش را به ترکیب کم کربن می رساند و از جوش رسوب شده در برابر حساسیت محافظت می کند. با این حال، اگر فلز پایه استاندارد 316 باشد، ناحیه متاثر از حرارت در فلز پایه همچنان حساس می شود. هر دو فلز پایه و سیم پرکننده باید 316 لیتر باشند.
آیا آهنگری فولاد ضد زنگ برای 316 در مقابل 316L نیاز به پردازش متفاوتی دارد؟
محدوده دمای آهنگری اساساً یکسان است - معمولاً 1100-1260 درجه سانتیگراد برای آهنگری داغ. هر دو گرید به بازپخت محلول پس از آهنگری برای بازیابی مقاومت در برابر خوردگی نیاز دارند. دمای بازپخت (حداقل 1010 درجه سانتیگراد، خاموش کردن آب) یکسان است. در فورج قالب بسته یا قالب باز، هیچ یک از گریدها ویژگیهای سایش ابزار متفاوتی را نشان نمیدهند. ملاحظات اصلی فرآیند این است که 316L با کربن کمتری که دارد، دارای مقاومت تغییر شکل داغ کمی کمتر است، که در واقع میتواند جعل آن را در دماهای معین تا حدی آسانتر کند.
حداکثر دمای سرویس برای 316 لیتر چقدر است؟
برای مقاومت در برابر اکسیداسیون در هوای خشک، هر دو 316 و 316L به تقریباً 870 درجه سانتیگراد (1600 درجه فارنهایت) برای سرویس متناوب و 925 درجه سانتیگراد (1700 درجه فارنهایت) برای سرویس مداوم درجه بندی می شوند. با این حال، برای کاربردهای نگهدارنده فشار، طراحی ASME برای 316 لیتر به دلیل حداقل استحکام تسلیم کمتر، با شیب تندتری بالاتر از 450 درجه سانتیگراد نسبت به استاندارد 316 کاهش می یابد. بالاتر از 450 درجه سانتیگراد در سرویس تحت فشار، استاندارد 316 - یا گریدهای مقاوم در برابر خزش با آلیاژ بالاتر - مشخصات بهتری است.
چگونه بین 316 و 316L برای برنامه خود انتخاب کنید
چارچوب تصمیم زیر، منطق مهندسی عملی را که توسط مهندسان مواد در سراسر صنایع اعمال میشود، نشان میدهد:
- جوشکاری درگیر است؟ اگر بله، 316L را مشخص کنید، مگر اینکه مجموعه پس از جوشکاری کاملاً محلول آنیل شود.
- دمای سرویس بالای 425 درجه سانتی گراد در محیط های خورنده؟ استاندارد 316 تنها در صورتی قابل قبول است که هیچ جوشکاری صورت نگیرد. در غیر این صورت 316L یا گریدهای تثبیت شده (316Ti) مورد نیاز است.
- کاربرد پزشکی، غذایی یا دارویی؟ 316L در اکثر حوزه های قضایی بدون توجه به الزامات جوشکاری اجباری است.
- بار استاتیک بالا، بدون جوش، محیط ملایم؟ آهنگری استاندارد 316 فولاد ضد زنگ را می توان در مواردی استفاده کرد که استحکام تسلیم کمی بالاتر مزیت حاشیه را فراهم می کند.
- مطمئن نیستید یا برای انعطاف پذیری آینده مشخص می کنید؟ 316/316L دارای گواهی دوگانه را مشخص کنید. تفاوت هزینه مواد ناچیز است و شما انعطاف کامل را برای تصمیم گیری های ساخت بعدا حفظ می کنید.
برای اکثر پروژه های صنعتی و تجاری، 316L پاسخ صحیح پیش فرض است - در مقایسه با استاندارد 316 در اکثر محیطها، هیچ نقطه منفی معنیداری ارائه نمیدهد، و رایجترین حالت شکست در ساختهای ضد زنگ آستنیتی را حذف میکند: خوردگی بین دانهای ناشی از حساسیت در اتصالات جوش. آهنگرهای فولادی ضد زنگ تولید شده تا 316 لیتر دقیقاً به همین دلیل در صنایع شیمیایی، فراساحلی، صنایع غذایی و پزشکی هستند.
