مقالات, مقالات استنلس استیل
تفاوت استیل 321 با 304 چیست؟
آذر
انتخاب گرید مناسب استنلساستیل صرفاً یک تصمیم خرید ساده نیست، بلکه تصمیمی فنی است که میتواند مستقیماً بر دوام، ایمنی و هزینه نهایی پروژه اثر بگذارد. بسیاری از پروژهها در ظاهر با متریال درست آغاز میشوند، اما بهدلیل انتخاب نادرست گرید، در میانه راه با شکست فنی روبهرو میشوند.
تصور کنید در یک پروژه ساخت سیستم اگزوز برای خودرویی، از استیل 304 استفاده شده است. در ماههای ابتدایی، همهچیز طبیعی به نظر میرسد، اما پس از مدتی کارکرد در دماهای بالا، نشانههایی از تغییر رنگ، افت استحکام در نواحی جوش و در نهایت ترکهای ناشی از خستگی حرارتی ظاهر میشود. این مورد برای بسیاری از فعالان صنایع خودروسازی، دریایی و حتی برخی پروژههای صنعتی آشناست.
در مقابل، تجربه نشان داده است که اگر در همین شرایط از استیل 321 استفاده شود، بهدلیل وجود عنصر تیتانیوم بهعنوان پایدارکننده، ساختار آلیاژ در برابر رسوب کاربید کروم مقاومتر باقی میماند و قطعه در برابر خوردگی بیندانهای و خستگی حرارتی عملکرد بسیار بهتری از خود نشان میدهد.
در این مقاله، به بررسی تفاوت استیل 321 با 304 میپردازیم. تلاش کردهایم تصویری شفاف ارائه دهیم؛ که به شما کمک کند در پروژههای صنعتی، انتخابی دقیق، ایمن و اقتصادی داشته باشید. درک صحیح این تفاوتها، بهویژه در صنایعی مانند نفت و گاز، خودروسازی و تجهیزات حرارتی، نهتنها باعث کاهش هزینههای تعمیر و توقف میشود، بلکه نقش مستقیمی در افزایش ایمنی و طول عمر تجهیزات دارد.
بررسی تخصصی استیل 321 و 304
استیلهای سری 300، از جمله 304 و 321، در خانواده فولادهای زنگنزن آستنیتی قرار میگیرند؛ خانوادهای که به دلیل مقاومت مناسب در برابر خوردگی، شکلپذیری بالا و رفتار پایدار در بسیاری از شرایط صنعتی، پرکاربردترین گروه استنلساستیلها محسوب میشوند. با این حال، تفاوت استیل 321 با 304 تنها به نام یا حتی کاربرد ظاهری آنها محدود نمیشود، بلکه ریشه در پایداری حرارتی و رفتار متالورژیکی آنها در دماهای بالا دارد.
استیل 304
استیل 304 که در جاهایی با نام 18-8 یا استیل نگیر نیز شناخته میشود، حاوی حدود ۱۸ درصد کروم و ۸ درصد نیکل است و بهعنوان یک گرید عمومی، قیمت، مقاومت به خوردگی و قابلیت ساخت بهینهای دارد. در مقاله “استیل 304 چیست” به طور کامل خواص این آلیاژ را بررسی کردهایم.
کاربردهای رایج:
- تجهیزات غذایی و دارویی
- سینک، کابینت و تجهیزات آشپزخانه صنعتی
- مخازن، لولهها و سازههای عمومی
- معماری داخلی و دکوراتیو
استیل 321
استیل 321 نسخهای پایدارشده (Stabilized) از خانواده 304 است که با افزودن تیتانیوم (Ti) طراحی شده تا مشکل حساسشدن در دماهای بالا را برطرف کند. در مقاله “خواص و ویژگیهای استیل 321” به طور کامل خواص این آلیاژ را معرفی کردهایم.
کاربردهای رایج:
- خطوط لوله با دمای بالا
- مبدلهای حرارتی
- محیطهایی با سیکل حرارتی مداوم
- مخازن و سازهها در شرایط دمایی بالا
- سیستمهای اگزوز و خروجی گاز
- قطعات نزدیک به موتور احتراقی
خواص فیزیکی استیل 304 و 321
| خاصیت فیزیکی / حرارتی | استیل 304 | استیل 321 |
| چگالی (g/cm³) | 7.9 | 7.9 |
| نقطه ذوب (°C) | 1400 – 1450 | 1400 – 1450 |
| ضریب انبساط حرارتی (µm/m·°C) | ~17.3 | ~16.5 |
| هدایت حرارتی (W/m·K) | ~16.2 | ~16.0 |
| ظرفیت گرمایی (J/kg·K) | ~500 | ~500 |
| حداکثر دمای کار مداوم (°C) | ~870 | ~900 |
| مقاومت به اکسیداسیون | خوب | بسیار خوب |
| مقاومت به Sensitization | پایینتر | بالا |
ترکیب شیمیایی استیل 321 و 304
ترکیب شیمیایی پایهایترین تفاوت بین این دو گرید است. طبق استاندارد ASTM A240، که یکی از معتبرترین استانداردهای بینالمللی برای ورقهای استیل است، آنالیز شیمیایی این دو گرید به شرح زیر است:
ترکیب شیمیایی استیل 304 و 321
| عنصر آلیاژی | استیل 304 (%) | استیل 321 (%) |
| کربن (C) | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| منگنز (Mn) | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| سیلیسیم (Si) | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| کروم (Cr) | 18.0 – 20.0 | 17.0 – 19.0 |
| نیکل (Ni) | 8.0 – 10.5 | 9.0 – 12.0 |
| فسفر (P) | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| گوگرد (S) | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| نیتروژن (N) | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
| تیتانیوم (Ti) | — | ≥ 5×C تا ≤ 0.70 |
نقش کلیدی تیتانیوم در استیل 321
تفاوت استیل 321 با 304 دقیقاً همینجاست. تیتانیوم تمایل بیشتری نسبت به کروم برای ترکیب با کربن دارد. این ویژگی باعث میشود:
- کربن بهجای تشکیل کاربید کروم، با تیتانیوم واکنش دهد
- کروم در ساختار فولاد آزاد بماند
- مقاومت به خوردگی بیندانهای حفظ شود
این مورد میتواند در خواص استیل پس از جوشکاری تاثیر بسزایی داشته باشد. چرا که پس از جوشکاری احتمال ایجاد کاربید در اطراف ناحیه جوش بسیار زیاد است. این تیتانیوم میتواند در ناحیه جوش مانع از ایجاد کاربید کروم شود.
خواص مکانیکی استیل 321 و 304
در دمای محیط، خواص مکانیکی استیل 304 و 321 تفاوت قابلتوجهی ندارند. هر دو دارای استحکام کششی حدود ۵۱۵ مگاپاسکال، حد تسلیم مناسب و ازدیاد طول بالا هستند که فرآیندهای فرمدهی و ساخت آنها را تسهیل میکند. همین شباهت باعث میشود در بسیاری از پروژهها، این دو گرید بهاشتباه معادل یکدیگر در نظر گرفته شوند.
اما زمانی که قطعه در معرض دماهای بالا قرار میگیرد، تفاوتها بهتدریج نمایان میشود. طبق دادههای منتشرشده در ASM Handbook و دیتاشیتهای Outokumpu، استیل 321 در دماهای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد مقاومت بهتری در برابر خزش و خستگی حرارتی از خود نشان میدهد. این در حالی است که استیل 304 در بازه دمایی حدود ۴۲۵ تا ۸۶۰ درجه سانتیگراد مستعد پدیده حساس شدگی (sensitization) و افت خواص خوردگی است.
خواص مکانیکی استیل 304 و 321
| ویژگی مکانیکی | استیل 304 | استیل 321 | تحلیل کاربردی |
| استحکام کششی (MPa) | ≥ 515 | ≥ 515 | در دمای محیط تفاوتی ندارند |
| حد تسلیم 0.2% (MPa) | ≥ 205 | ≥ 205 | رفتار مشابه در بارگذاری اولیه |
| ازدیاد طول (%) | ≥ 40 | ≥ 40 | شکلپذیری عالی هر دو گرید |
| سختی (Brinell) | ≤ 201 | ≤ 201 | مناسب فرمدهی سرد |
| مدول الاستیسیته (GPa) | ~193 | ~193 | رفتار الاستیک مشابه |
| مقاومت به خستگی حرارتی | متوسط | بالا | برتری 321 در دماهای بالا |
مقاومت در برابر خوردگی 321 و 304
در محیطهای معمولی، مانند فضاهای داخلی یا شرایط با رطوبت متعادل، هر دو گرید عملکرد رضایتبخشی دارند و تفاوت محسوسی دیده نمیشود. به همین دلیل، استیل 304 همچنان انتخاب اول بسیاری از پروژههای عمومی و دکوراتیو است.
اما در شرایطی که قطعه در معرض حرارت بالا، تنش مکانیکی و یا جوشکاری قرار دارد، رفتار این دو گرید متفاوت میشود. در مرزدانههای استیل 304 پس از حرارتدهی یا جوشکاری ممکن است کاربید کروم باعث کاهش مقاومت آن در برابر خوردگی بیندانهای شود. در مقابل، استیل 321 بهدلیل پایدارسازی با تیتانیوم، ساختار یکنواختتری را حفظ میکند.
- خوردگی پیتینگ: هر دو مشابه (PREN حدود ۱۹-۲۰)، اما 321 در حضور کلریدها رفتار مقاومت به خوردگی بهتری دارد.
- خوردگی تنشی: 321 در محیطهای داغ و تنشی مانند لولهکشی نفت، مقاومت بیشتری دارد.
در تستهای انجام شده بر روی 321 پس از حرارتدهی تا ۹۰۰ درجه سانتی گراد، هیچ نشانهای از خوردگی بیندانهای مشاهده نشد، در حالی که 304 در مواردی تا ۲۰٪ کاهش مقاومت خوردگی داشته است.
مقاومت حرارتی استیل 321 و 304
تفاوت استیل 321 با 304 در مقاومت به حرارت نیز قابل مشاهده است.
- استیل 304 در بازه 450 تا 850 درجه سانتیگراد مستعد پدیده حساس شدگی است.
- استیل 321 بهدلیل پایدارسازی با Ti، در همین بازه دمایی پایدار باقی میماند.
- استیل 321 تا ۹۰۰ درجه سلسیوس بدون از دست دادن خواص، مقاومت میکند.
- طبق Euro Inox و Outokumpu، استیل 321 برای کاربردهای حرارتی بالا مانند کورهها یا اگزوزها طراحی شده است.در سیستمهایی که دما بالا است، حرارت بهصورت متناوب افزایش و کاهش مییابد و جوشکاری وجود دارد، استیل 321 عملکرد بهمراتب مطمئنتری دارد.
کاربردهای استیل 321 و 304
استیل 304 و 321 هر کدام در صنایعی مورد استفاده قرار میگیرند.
- استیل 304: صنایع غذایی، لولهکشی عمومی، دکوراتیو، و کارکردهای استاندارد. گزینه ای مناسب و در دسترس است.
- استیل 321: سیستمهای اگزوز توربو، هواپیما، کورههای صنعتی، و محیطهای داغ شیمیایی. گزینهای نسبتاً اقتصادی و بادوامتر است.
- جوشپذیری: هر دو جوش پذیری خوبی دارند، اما 321 بدون نیاز به عملیات حرارتی پس از جوشکاری دوام خوبی دارد.
- هزینه و دسترسی: 304 ارزانتر (حدود ۲۰-۳۰٪ کمتر) و در دسترستر است.
- ماشینکاری: خواص ماشینکاری مشابهی دارند، اما 321 به دلیل تیتانیوم سختی بالاتری دارد.
تجربه واقعی در صنعت استیل
در مجموعه استیل رخ، با تکیه بر دههها تجربه در تأمین ورق و مقاطع استنلساستیل برای پروژههای صنعتی، بارها شاهد تفاوت عملکرد واقعی گریدهای مختلف در شرایط عملیاتی بودهایم. برای نمونه، در یکی از پروژههای توسعه محصول، در ساخت چندراهه(منیفولد) اگزوز خودرو، گرید استیل 321 بهطور آزمایشی به کار گرفته شد. پس از آزمونهای دوام و کارکرد مداوم در دماهایی بالاتر از ۸۰۰ درجه سانتیگراد، هیچگونه نشانهای از ترک، اکسیداسیون یا افت خواص مکانیکی مشاهده نشد. این در حالی است که در پروژهای مشابه از که از استیل 304 استفاده شد، تنها پس از نیمی از همان آزمون، قطعه دچار خستگی حرارتی و نهایتا شکست شده بود.
در پروژهای دیگر مرتبط با سیستم لولهکشی یک کارخانه شیمیایی، پیشتر با بروز خوردگی نقطهای (Pitting Corrosion) در لولههای ساختهشده از استیل 304، بهویژه در شرایط رطوبت بالا، مواجه بودند. با بررسی شرایط محیطی و پیشنهاد جایگزینی استیل 321، این مشکل بهطور کامل برطرف شد؛ بهگونهای که پس از ۹ ماه بهرهبرداری، سطح داخلی و خارجی لولهها بدون رسوب، زنگزدگی یا نشانههای تخریب باقی ماند.
این تجربیات میدانی بهروشنی نشان میدهد که رفتار واقعی استیل در محیطهای صنعتی فراتر از دادههای تئوریک دیتاشیتهاست. استیل 304 در شرایط رطوبت معمولی و کاربردهای عمومی، عملکرد بسیار مناسبی دارد، اما زمانی که پای دماهای بالا، سیکلهای حرارتی و تنشهای مداوم به میان میآید، استیل 321 بهواسطه ساختار پایدارتر و حضور عنصر تیتانیوم، عملکردی بهمراتب مطمئنتر و بادوامتر از خود نشان میدهد.
سخن آخر؛ کدام گرید برای شما مناسبتر است؟
در نهایت، تفاوت ورق استیل 304 و 321 را باید در رفتار آنها در شرایط واقعی جستوجو کرد، نه صرفاً در جدولهای ترکیب شیمیایی. استیل 304 یک گرید همهکاره و اقتصادی برای کاربردهای عمومی است، اما استیل 321 برای محیطهایی طراحی شده که حرارت بالا و پایداری بلندمدت اهمیت دارد. اگر پروژه شما شامل دمای بالا، جوشکاری گسترده یا سیکلهای حرارتی است، انتخاب استیل 321 نه یک هزینه اضافی، بلکه تصمیمی فنی و آیندهنگرانه است که میتواند از خرابی، توقف تولید و هزینههای پنهان جلوگیری کند.
