مقالات, مقالات استنلس استیل
تفاوت استیل 316L و 316Ti
دی
استیل 316Ti یا EN 1.4571 یا UNS S31635 در اصل همان گرید 316 است که با عنصر تیتانیوم تثبیت شدهاست؛ تیتانیوم با کربن ترکیب میشود و مانع تشکیل کاربید کروم در نواحی مرزدانهها میشود. این امر سبب میشود از حساس-شدن (Sensitization) و خوردگی بیندانهای در نواحی جوش جلوگیری شود. بنابراین استیل 316Ti برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت به خوردگی بالا پس از جوشکاری دارند بسیار مناسب است. با این حال، در بسیاری از کاربردهای عادی، استیل 316L عملکرد مشابهی دارد و در بازار رایجتر است.
چرا مقایسه 316Ti و 316L برای مهندسان مهم است؟
انتخاب بین 316Ti و 316L میتواند تأثیر مستقیم بر دوامِ قطعه، رفتار خوردگی، نیازهای جوشکاری و هزینه نگهداری داشته باشد. اشتباه در انتخاب گرید به ویژه در صنایع نفت و گاز، نیروگاهی، پتروشیمی و صنایع حرارتی میتواند منجر به خوردگی بیندانهای، کاهش عمر سرویس دهی و توقفهای پرهزینه در خطوط لوله و تولید شود. این مقاله تفاوتهای شیمیایی، متالورژیکی، عملکردی و راهنمای انتخاب بین 316Ti و 316L را بهصورت فنی و عملی توضیح میدهد.
به طور خلاصه:
- هر دو گرید از خانواده آستنیتی سری 300 (کروم-نیکل-مولیبدن) هستند.
- 316Ti حاوی تیتانیوم (حدود Ti ≥ 5×C تا 0.7 درصد وزنی) است که کربن را تثبیت میکند و از تشکیل کاربید کروم جلوگیری میکند؛ این باعث پایداری در برابر خوردگی مرز دانهای میشود.
- در آلیاژ 316L با کمکردن کربن (C ≤ 0.03%) از خوردگی مرز دانهای جلوگیری میکنند.
- در بسیاری از شرایط سرویس، 316L و 316Ti قابل تجایگزیاند؛ تفاوت کاربردی در مواردی نمایان میشود که قطعات جوشکاریشده در معرض دماهای حساس یا حرارتدهی طولانی قرار دارند.
معرفی گریدهای 316L و 316Ti
پیش از بررسی تفاوتهای استیل 316Ti و 316L، بهتر است به طور مختصر با این دو آلیاژ آشنا شویم.
استیل 316L: گرید 1.4306 نسخه کم-کربن استیل 316 است که با کاهش C به 0.03% یا کمتر (بسته به استاندارد) طراحی شده تا از رسوب کاربید کروم در بازه دمایی حدود 425–850 درجه سانتیگراد جلوگیری کند؛ بنابراین برای جوشکاری مناسب است و در کاربردهای دریایی و شیمیایی پیشنهاد میشود.
استیل 316Ti: این آلیاژ با کد 1.4571 و UNS S31635 نیز شناخته میشود. این گرید با مقداری تیتانیوم تولید میشود که این تیتانیوم وظیفه تثبیت این آلیاژ را برعهده دارد. مقدار تیتانیوم حداکثر 0.7% است. تیتانیوم با تشکیل کاربید یا کربونیترید پایدار، کربن را جذب میکند و پیش از آنکه کربن با کروم کاربید تشکیل دهد، تثبیت میشود؛ این مکانیزم، مقاومت در برابر خوردگی بیندانهای را در نواحی جوش افزایش میدهد. 316Ti معمواً در کاربردهای دمای نسبتا بالا (مانند اگزوز، کورهها، قطعات جوشکاریشده) یا وقتی که عملیات تثبیت پس از جوشکاری مورد نظر است، استفاده میشود.
مقایسه فنی 316L و 316Ti
تفاوت اصلی بین آلیاژها به دلیل میزان و نوع عناصر آلیاژی آنها ایجاد میشود.
جدول 1 — ترکیب شیمیایی
| عنصر | 316L – ASTM A240 | 316Ti -EN 1.4571 |
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.08 |
| Cr | 16.0–18.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 10.0–14.0 | 10.0–14.0 |
| Mo | 2.0–3.0 | 2.0–3.0 |
| Ti | — | Ti ≥ 5×C |
| Mn, Si, P, S, N | trace | trace |
جدول 2 — خواص مکانیکی
| ویژگی | 316L | 316Ti |
| استحکام کششی (MPa) | 480–620 | 480–620 |
| حد تسلیم 0.2% (MPa) | 170–205 | 170–205 |
| ازدیاد طول (%) | ≥ 40 | ≥ 40 |
جدول 3 — خواص فیزیکی و حرارتی (تقریبی)
| ویژگی | مقدار |
| چگالی (g/cm³) | 8.0 |
| ضریب انبساط حرارتی (20–100°C) (µm/m·°C) | 16–17 |
| محدوده سرویس دمایی مداوم (°C) | 800–850 |
چرا تیتانیوم؟ مکانیسم تثبیت و اثربخشی آن
مکانیزم کلیدی که 316Ti را از 316L متمایز میکند، تشکیل ترکیبهای Ti–C (و Ti–C–N) است. در بازه دمایی 425–850 درجه سانتیگراد، کربن میل دارد با کروم کاربید (Cr23C6) تشکیل دهد که منجر به کاهش کروم محلول در نزدیکی مرز دانهها و در نتیجه افزایش حساسیت به خوردگی بیندانهای میشود. وجود تیتانیوم باعث میشود کربن پیش از آنکه با کروم ترکیب شود، با تیتانیوم ترکیب شده و TiC تشکیل دهد؛ بنابراین کروم آزاد باقی میماند و پایداری پوشش پسیو حفظ میشود. این مکانیزم پایه طراحی 316Ti است.
نکته مهم: تثبیت با Ti مؤثر است اما باید نسبت Ti و C مناسب برقرار باشد (نسبت Ti ≥ 5×C معمولاً مرسوم است) تا ظرفیت تثبیت کافی فراهم شود.
مقاومت در برابر خوردگی بین دانهای و کاربرد در جوشکاری
حساسشدن (Sensitization) به معنی رسوب کاربید کروم در مرز دانهها و کاهش مقاومت خوردگی بیندانهای است. دو رویکرد برای جلوگیری از این اتفاق وجود دارد:
- کاهش کربن (راهکار 316L): محدود کردن C به کمتر از 0.03% باعث میشود اساساً مشکل تشکیل کاربید کروم رخ ندهد. اما همچنان احتمال تشکیل این کاربیدها وجود دارد.
- تثبیت با Ti (راهکار 316Ti): جذب کربن توسط تیتانیوم پیش از تشکیل کاربیدکروم، این راهکار برای قطعاتی که قرار است در بازه دماهای حساس قرار بگیرند یا جوشکاری شوند مناسب است.
در عمل، برای جوشکاری معمولی 316L اغلب کفایت میکند و بهدلیل کم کربن بودن نیازی به عملیات تثبیتکننده پس از جوشکاری (PWHT) نیست. برای 316Ti نیز عموما پس از جوشکاری نیاز به عملیات حرارتی بعد از جوشکاری (Post weld heat treatment) وجود ندارد و حتی در بعضی کاربردها 316Ti بهعنوان گزینهای برای جلوگیری از حساس شدن انتخاب میشود؛ البته برخی مراجع نیز عملیات حرارتی خاصی (مثلاً تثبیت در 845–900 درجه سانتیگراد برای رسوب TiC) را پیشنهاد میدهند.
مقاومت خوردگی حفرهای و عدد PREN
مقاومت به خوردگی حفرهای را معمولاً با PREN = Cr + 3.3*Mo + 16*N تخمین میزنند. برای گرید استاندارد 316L عدد PREN معمولاً در محدوده 20–25 قرار میگیرد که خوردگی حفرهای یا پیتینگ را تا حدی کنترل میکند. وجود Ti بهتنهایی بهطور مستقیم PREN را بالا نمیبرد (چون Cr, Mo, N پارامترهای اصلی PREN هستند)، اما اثر غیرمستقیم آن در جلوگیری از حساس شدن نواحی جوشکاری شده است که میتواند مقاومت عملیاتی در شرایط خاص را بهبود بخشد.
نکته کاربردی: برای محیطهای کلریدی شدید یا دمای بالا که پیتینگ و خوردگی شیاری (crevice corrosion) تهدید هستند، بهتر است ازگریدهای با PREN بالاتر (super-austenitic یا duplex) استفاده کنید؛ زیرا 316Ti/316L محدوده دمایی میانی را پوشش میدهند.
عملکرد 316L و 316Ti در دماهای بالا
316Ti به دلیل تثبیت Ti در برابر حساس شدن در دماهای میانی (مانند مناطق جوش یا سرویس در بازههای 400–800 درجه سانتیگراد) مزیت دارد. گزارشها محدوده سرویسپذیری تا حدود 500–800 درجه را برای 316Ti ذکر میکنند اما طراحی در دماهای بالاتر نیازمند بررسی خزش و شرایط خوردگی خاص است.
هشدار: تثبیتکنندهها ممکن است در برخی شرایط باعث تشکیل گنجایشهای فازی ناخواسته یا ناخالصیهای سطحی شوند که در موارد خاص میتواند اثرات محلی بر خوردگی داشته باشد؛ مقالات تحقیقاتی به نقش ذرات غنی از Ti در ایجاد نوعی خوردگی موضعی اشاره کردهاند، بنابراین انتخاب گرید باید بر اساس بررسی کامل پروژه انجام شود.
انتخاب بین 316Ti و 316L
جدول 4- راهنمای تصمیمگیری مهندسی
| شرایط پروژه | توصیه فنی |
| جوشکاری زیاد + سرویس در محدوده حساس (گرم کردن مکرر) | 316Ti ، به دلیل پایداری بهتر در برابر حساس شدن |
| نیاز به حداقل کربن برای پیشگیری از حساس شدن بدون تثبیت | 316L ، رایج، اقتصادی و در دسترستر. |
| محیط دریایی معمولی (آب دریا) | هر دو قابل استفاده؛ 316L مرسومتر است. |
| سرویسهای مداوم در دمای بالا (>500°C) یا کاربردهای حرارتی | 316Ti ممکن است مزیت داشته باشد، اما باید تحلیل خزش و اکسیداسیون انجام شود. |
| هزینه و در دسترسبودن | 316L معمولاً ارزانتر و دسترسپذیرتر است. |
تجربه میدانی از عملکرد 316L و 316Ti و راهنمای انتخاب میان 316L و 316Ti
در یک واحد تولیدی نیروگاهی که اتصالات خطوط لوله، جوشکاری مکرر و عملیات حرارتی محلی داشتند، استفاده از 316L باعث شد نواحی HAZ بعد از سیکلهای حرارتی طولانیمدت علائم خوردگی مرزدانه ای نشان دهند. در بازطراحی قطعات، با جایگزینی موضعی به 316Ti در قطعات حساس به جوش و گرما، وقوع خوردگی بیندانهای کاهش یافت و نرخ تعمیرات کمتر شد. این مثال نشان میدهد که در پروژههای حساس به جوشکاری و دمای بالا، هزینه اولیه بالاتر 316Ti میتواند در بلندمدت توجیه اقتصادی داشته باشد.
- برای کاربردهای معمول مهندسی که جوشکاری سبک دارند و محیط خیلی خورنده نیست، 316L گزینه اقتصادی و قابلاعتمادی است.
- اگر قطعه در معرض سیکلهای حرارتی مکرر یا نواحی جوش با دمای حساس قرار دارد، 316Ti مزیت محسوسی در جلوگیری از حساس شدن دارد.
- در محیطهای کلریدی شدید یا در دماهای بالا، بررسی گریدهای پرفورمنس-بالاتر (مانند super-austenitic, duplex) پیشنهاد میشود.
سخن آخر
تفاوت 316L و 316Ti نه در ترکیب پایه و نه در خواص مکانیکی است، بلکه در پایداری ریزساختار در برابر سیکلهای حرارتی و رفتار ناحیه HAZ پس از جوشکاری تعریف میشود. هر دو آلیاژ از نظر مقاومت عمومی به خوردگی، پیتینگ و خواص مکانیکی در محدوده مشابهی قرار دارند و در شرایط سرویس ایزوترمال و جوشکاری معمول، عملکردی قابل مقایسه ارائه میدهند. برتری 316Ti زمانی معنا پیدا میکند که قطعه جوشکاریشده در دمای بالا حساس قرار گیرد یا تحت حرارتدهی طولانیمدت باشد؛ در این شرایط، تثبیت کربن توسط Ti مانع افت کروم محلول در مرزدانهها شده و خطر خوردگی بیندانهای در بلندمدت کاهش مییابد. در مقابل، 316L با اتکا به کاهش کربن، این ریسک را کاهش میدهد اما در مواجهه با سیکلهای حرارتی ممتد یا تکرارشونده، حاشیه ایمنی متالورژیکی محدودتری دارد.
