الفولاذ المقاوم للصدأ 347: النيوبيوم-درجة الأوستنيتي المستقرة لدرجات الحرارة العالية-والخدمة النووية

ما هو الفولاذ المقاوم للصدأ 347؟

الفولاذ المقاوم للصدأ 347 هو درجة أوستنيتي مثبتة بالنيوبيوم والتنتالوم، تم تعيينه UNS S34700 في ASTM A240 وEN 1.4550 (X6CrNiNb18-10) في EN 10088، مع المعادل الياباني SUS347 لكل JIS G4303 وG4304. التثبيت يعني أن الكربون يرتبط بكربيدات النيوبيوم المستقرة (NbC) بدلاً من أن يكون حراً في التفاعل مع الكروم. وهذا يمنع ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبوب أثناء اللحام أو التعرض المستمر لدرجة الحرارة العالية-، وبالتالي يقاوم الفولاذ التآكل بين الحبيبات ويمكن استخدامه في-حالة اللحام بدون التلدين- بعد اللحام. الدرجة 347 هي الخيار المفضل عندما تواجه المكونات دورات تسخين وتبريد متكررة، لأن كربيدات النيوبيوم لا تذوب وتترسب مرة أخرى أثناء التدوير الحراري بسهولة مثل كربيدات التيتانيوم.

التركيب الكيميائي

تتبع حدود التركيب أدناه ASTM A240 للألواح والألواح والشرائط؛ تنطبق نفس الكيمياء على الأنابيب والأنابيب بموجب ASTM A312 وA269.

عنصر	التركيب (بالوزن%)
الكربون (ج)	0.08 كحد أقصى
المنغنيز (من)	2.00 كحد أقصى
الفوسفور (ف)	0.045 كحد أقصى
الكبريت (S)	0.030 كحد أقصى
السيليكون (سي)	0.75 كحد أقصى
الكروم (الكروم)	17.0-19.0
النيكل (ني)	9.0-13.0
النيوبيوم + التنتالوم (Nb+Ta)	10 × درجة مئوية دقيقة، 1.00 كحد أقصى

إن متطلبات Nb+Ta التي تبلغ 10 أضعاف محتوى الكربون على الأقل، بحد أدنى عملي يبلغ 0.70%، تضمن وجود ما يكفي من النيوبيوم للدمج مع كل الكربون الموجود في الفولاذ.

الخواص الميكانيكية

في الحالة الملدنة، يوفر 347 الحد الأدنى من الخصائص التالية لكل ASTM A240.

الملكية (ملدن)	قيمة
قوة الشد الدنيا (MPa)	515
قوة الخضوع الدنيا (MPa)	205
استطالة دقيقة (٪)	40
الصلابة القصوى (HB)	217

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ 347 بقوة مفيدة، وعلى عكس الدرجات غير المستقرة-، فإنه يحافظ على مقاومته للتآكل حتى بعد فترات طويلة في نطاق درجة حرارة التحسس الذي يتراوح بين 425-815 درجة.

استقرار النيوبيوم مقابل استقرار التيتانيوم

يستخدم الصف 321 التيتانيوم لنفس غرض التثبيت، لكن العنصرين يتصرفان بشكل مختلف عند درجة الحرارة العالية. تظل كربيدات التيتانيوم (TiC) مستقرة حتى حوالي 1000 درجة، بينما تظل كربيدات النيوبيوم (NbC) مستقرة حتى حوالي 1200 درجة. في الخدمة فوق 1000 درجة، أو في ظل التدوير الحراري المتكرر، يمكن أن تذوب كربيدات التيتانيوم وتترسب مرة أخرى عند حدود الحبوب، مما يؤدي إلى استنفاد الكروم محليًا وتقليل مقاومة التآكل. تكون كربيدات النيوبيوم أقل تأثرًا بالتدوير الحراري، ولهذا السبب تم تحديد 347 لمكونات عادم الطائرات وأجزاء التسخين الزائد والمكونات النووية التي تتعرض للتدفئة والتبريد بشكل متكرر. تظل الدرجة 321 الخيار الأكثر اقتصادًا لخدمة درجة الحرارة الثابتة-المرتفعة التي تقل عن 1000 درجة.

اللحام والتطبيقات النموذجية

الصف 347 قابل للحام بسهولة من خلال عمليات TIG وMIG وMMA باستخدام معدن حشو مطابق 347 يحمل نفس محتوى النيوبيوم. يؤدي إدخال الحرارة المنخفضة إلى تقليل نمو الحبوب في المنطقة-المتأثرة بالحرارة، كما أن درع الأرجون بنسبة نقاء 99.99% يمنع المسامية على وجه اللحام. التسخين المسبق غير مطلوب. نظرًا لاستقرار الفولاذ، تحافظ الوصلات الملحومة على مقاومتها للتآكل بين الحبيبات دون التلدين بعد اللحام، وهو ما يعد ميزة كبيرة للسفن الكبيرة والتصنيع المعقد. تشمل التطبيقات النموذجية مكونات محركات الطائرات وأنظمة العادم، وأوعية الضغط النووي والأجزاء الداخلية للمفاعلات، والمفاعلات الكيميائية والبتروكيماوية، وأنابيب التسخين الفائق وأنابيب إعادة التسخين، وأجزاء الفرن التي تعمل فوق 800 درجة.

التعليمات

كيف يختلف تثبيت النيوبيوم عن تثبيت التيتانيوم في 321؟

يشكل النيوبيوم كربيدات NbC التي تظل مستقرة حتى حوالي 1200 درجة، بينما يشكل التيتانيوم TiC مستقرًا حتى حوالي 1000 درجة. في ظل التدوير الحراري المتكرر، تقاوم كربيدات النيوبيوم الذوبان وإعادة الترسيب-بشكل أفضل بكثير، لذا يحافظ 347 على مقاومته للتآكل بين الحبيبات في خدمة درجات الحرارة المرتفعة- المتقلبة. تتطلب الدرجة 347 أيضًا 10 أضعاف محتوى الكربون في النيوبيوم، مقابل 5 مرات للتيتانيوم في 321، مما يوفر قفلًا أكثر اكتمالًا للكربون-.

لماذا يستخدم 347 في أوعية الضغط النووي؟

يجب ألا تفقد الوصلات الملحومة في السفن النووية مقاومتها للتآكل، لأن أي هجوم بين الخلايا الحبيبية يمكن أن يصبح مسارًا لتسرب الوسائط المشعة. يحافظ تثبيت النيوبيوم لـ 347 على مقاومة تآكل المفاصل الملحومة -بدون تلدين ما بعد اللحام، ويقاوم الهيكل الأوستنيتي التقصف الإشعاعي بشكل أفضل من درجات الحديد، ويساعد التوزيع الدقيق لـ NbC في احتجاز العيوب الناجمة عن الإشعاع - مع الحفاظ على الليونة.

كيف يمكن مقارنة 347 مع 304L؟

يعتمد 304L على محتوى منخفض جدًا من الكربون (0.03% كحد أقصى) لتجنب ترسيب الكربيد، ولكن يتم فقدان الحماية في الخدمة الملحومة أو ذات درجة الحرارة العالية- التي تزيد عن 425 درجة. يقاوم الصف 347 التآكل الحبيبي من خلال التثبيت ويحتفظ بالقوة فوق 600 درجة . 304L وهو أرخص بالنسبة لتطبيقات الضغط المنخفض- مثل المعدات الغذائية؛ 347 هو الاختيار الصحيح للمكونات الملحومة ذات درجات الحرارة العالية{10} مثل أنابيب الغلايات.

ما هي أفضل طريقة للحام 347؟

استخدم TIG أو MIG مع معدن حشو مطابق 347 بحيث يتمتع معدن اللحام بنفس تثبيت النيوبيوم. حافظ على انخفاض المدخلات الحرارية للحد من نمو الحبوب في المنطقة-المتأثرة بالحرارة، وقم بدرع باستخدام الأرجون عالي النقاء- لمنع المسامية، وتجنب النسيج الواسع. ليست هناك حاجة للتسخين المسبق، كما أن عملية الطحن أو التخليل اللاحقة للحام- تعمل على إزالة قشور الأكسيد من منطقة اللحام.

هل يمكن استخدام 347 في درجات الحرارة المبردة؟

نعم. يظل الهيكل الأوستنيتي لـ 347 مستقرًا حتى -196 درجة، لذلك يمكن استخدامه في التطبيقات المبردة غير الحرجة مثل أوعية النيتروجين السائل الصغيرة. بالنسبة للمكونات المبردة شديدة الضغط، عادةً ما يُفضل 321 لأن كربيدات التيتانيوم الدقيقة تعطي صلابة أفضل للصدمات؛ تعمل كربيدات النيوبيوم الأكبر حجمًا في 347 كمركزات إجهاد ثانوية.