فولاد ضدزنگ آستنیتی
۱۹ فروردین ۱۳۹۹ ۰ دیدگاه
فولاد آستینیتی، فولادهای ضد زنگ غیر مغناطیسی هستند که حاوی مقادیر زیادی کروم، نیکل و مقدار کمی کربن هستند. لازم است بدانید که از ساختار مکعبی با مرکز وجوه پر (FCC)، برای تعریف این فولاد استفاده میشود. فولاد ضدزنگ آستنیتی به‌دلیل شکل پذیری عالی و مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی، به عنوان پرکاربردترین گرید فولاد ضد زنگ شناخته می‌شوند.
ویژگی‌های فولاد ضد زنگ آستنیتی
فولادهای فریتی، دارای ساختار دانه‌ای مکعبی مرکزدار (BCC) هستند، اما ساختار فولاد آستنیتی، مکعب با مرکز وجوه پر (FCC) می‌باشد؛ که در این ساختار کریستالی، یک اتم در هر گوشه مکعب و همچنین یک اتم در مرکز وجوه وجود دارد. این ساختار دانه‌ای، هنگامی تشکیل میشود که مقدار کافی از نیکل (۸-۱۰%) به ۱۸% از آلیاژ کروم استاندارد اضافه شود.
عملیات حرارتی استنلس استیل آستنیتی
فولادهای ضد زنگ آستینی، علاوه بر غیر مغناطیسی بودن، قابل عملیات حرارتی نیز نمی‌باشند. اگرچه با استفاده از کارسخت می‌توان سختی، استحکام و مقاومت به تنش این فولادها را افزایش داد.
انجام عملیات حرارتی آنیل بر روی فولاد در دمای ۱۰۴۵˚C و سپس به سرعت خنک کردن آن، فولاد را به وضعیت اصلی خود برمی‌گرداند؛ که منجر به از بین رفتن تجمع ناخالصی‌ها و چکش خواری آلیاژ پس از کارسرد میشود. فولاد زنگ نزن آستنیتی بر پایه نیکل، در سری ۳۰۰ دسته بندی می‌شوند. رایج‌ترین آنها گرید ۳۰۴ است که به طور معمول، حاوی ۱۸ درصد کروم و ۸ درصد نیکل می‌باشد. در این فولاد، حداقل مقدار نیکل هشت درصد است که می‌توان به فولاد ضد زنگ حاوی ۱۸% کروم اضافه کرد، تا بتواند تمام فریت را به آستنیت تبدیل کند. همچنین؛ برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی گرید ۳۱۶، می‌توان حدود ۲ درصد مولیبدن به آن اضافه کرد.
فولادهای آستینیتی، در شرایط آنیل شده غیر مغناطیسی هستند، اگرچه در هنگام کارسرد می‌توانند کمی مغناطیسی شوند. این فولادها از قابلیت شکل پذیری و جوشکاری خوب، و همچنین چقرمگی عالی به‌خصوص در دماهای کم یا کرایوژنیک برخوردار هستند. گریدهای آستنیتی نیز دارای تنش تسلیم کم و استحکام کششی نسبتاً بالایی می‌باشند. لازم به ذکر است که فولادهای آستنیتی گران‌تر از فولادهای ضد زنگ فریتی هستند، اما معمولاً با دوام‌تر و در برابر خوردگی مقاوم می‌باشند.
تاثیر نیتروژن در ترکیب فولاد آستنیتی
اگرچه نیکل عنصر آلیاژی است که بیشتر برای تولید فولاد ضدزنگ آستنیتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما وجود نیتروژن در فولاد، امکان دیگری را ارائه می‌دهد. فولادهای ضد زنگ حاوی نیکل کم و نیتروژن زیاد، در فولادهای سری ۲۰۰ طبقه بندی می‌شوند. از آنجا که نیتروژن یک گاز می‌باشد، با این وجود فقط مقدار محدودی نیتروژن می‌توان قبل از ایجاد اثرات مضر از جمله تشکیل نیتریدها و تخلخل گازی که آلیاژ را تضعیف می‌کند؛ اضافه کرد. افزودن منگنز به فولادهای آستنیتی همراه با گنجاندن نیتروژن، این امکان را فراهم می‌کند که مقادیر بیشتری گاز اضافه شود. در نتیجه، این دو عنصر به همراه مس (که دارای خاصیت تشکیل دهنده فاز آستنیت است) اغلب به جای نیکل در فولاد ضد زنگ سری ۲۰۰ استفاده می‌شوند.
در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ هنگامی که نیکل خیلی کم وجود داشت و قیمت آن بالا بود؛ سری ۲۰۰ که به آنها فولادهای ضد زنگ کروم-منگنز گفته میشود، (CrMn نیز گفته میشود) توسعه یافت. امروزه این سری یک جایگزین مقرون به صرفه برای فولاد ضد زنگ سری ۳۰۰ محسوب میشود که می‌تواند تنش تسلیم بهتری ارائه دهد. گریدهای مستقیم فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارای حداکثر ۰.۰۸ درصد کربن می‌باشند. گرید کم کربن یا گرید ” ” Lحاوی حداکثر ۰.۰۳ درصد کربن به منظور جلوگیری از رسوب کاربید است.
کاربرد فولاد ضد زنگ آستنیتی
فولادهای ضد زنگ آستنیتی، در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شوند، از جمله:
تزیینات داخلی خودرو
وسایل آشپزی
تجهیزات غذایی و آشامیدنی
تجهیزات صنعتی
کاربرد فولاد زنگ نزن آستنیتی گرید ۳۰۴ و L304 (گرید استاندارد):
مخازن
مخازن و لوله‌های ذخیره شده برای مایعات خورنده
معدن، مواد شیمیایی، کرایوژنیک، مواد غذایی و آشامیدنی و تجهیزات دارویی
کارد و چنگال
معماری
سینک ظرفشویی
کاربرد استیل ۳۰۹ و ۳۱۰ (گریدهای کروم و نیکل بالا):
اجزای مبدل پاتیل، کوره و کاتالیزور
کاربرد استنلس استیل ۳۱۸ و L316 (گریدهایی با مقدار مول بالا):
فولاد ضدزنگ آستنیتی ۳۱۸ در موارد زیر استفاده می شود.
مخازن ذخیره سازی مواد شیمیایی
مخازن تحت فشار
لوله کشی
کاربرد استیل ۳۲۱ و Ti316 (گریدهای “تثبیت شده”)
پس سوزها
اَبَر گرمکن‌ها
دستگاه‌های متعادل کننده
حلقه‌های انبساط
کاربرد فولاد ضدزنگ آستنیتی سری ۲۰۰ (گریدهای کم نیکل)
ماشین ظرفشویی و ماشین لباسشویی
کارد و چنگال و وسایل آشپزی
مخازن آب خانگی
معماری داخلی و غیر ساختاری
تجهیزات غذایی و آشامیدنی
قطعات خودرو
فولاد زنگ نزن آستنیتی (به انگلیسی: Austenitic Stainless Steel) فولادهایی با مقدار عناصر آلیاژی بالا گفته میشود که توانایی مقاومت به خوردگی در اتمسفرهای خورنده و دماهای بالا را داشته باشند. فولادهای ضد زنگ معمولی حاوی حداقل ۱۱ درصد کروم هستند که عامل اصلی مقاومت به خوردگی آنهاست. اساسا آلیاژهای سه‌تایی Fe-Cr-Ni با 20-16% کروم و 20-7% نیکل می‌باشد. از آنجا که ساختار این فولادها در تمام دماهای عملیات حرارتی، آستنیت (آهن γ) باقی می‌ماند، به آنها فولادهای زنگ نزن آستنیتی گویند. می‌توان مقداری از نیکل این آلیاژها را با منگنز جایگزین کرد در حالی که ساختار آنها آستنیت باقی خواهد ماند. در این گروه آلیاژهای CH-20،CK-20،CN-7M وجود دارد. دو آلیاژ CH-20، CK-20 دارای کروم و نیکل بالاتر بوده، ترکیبی تمام آستنیتی دارند و میزان کروم آنها از نیکل بیشتر است. این آلیاژها نسبت به آلیاژ CF-8 مقاومت بیشتری در برابر اسید سولفوریک داشته و دارای استحکام بهتری در دماهای بالا هستند. کاربرد اختصاصی آنها در صنایع شیمیایی و در مجاورت محلول های خمیر کاغد و اسید نیتریک است. برای انتقال اسید سولفوریک داغ با غلظت های مختلف، آلیاژ CN-7M با نیکل زیاد که حاوی مولیبدن و مس بوده وسیعا به کار می رود و نیز در برابر اسید هیدروکلریک رقیق و محلول های کلریدی داغ به خوبی مقاوم است. این آلیاژ در کارخانجات نورد فولاد در مجاورت مواد تمیز کننده از محلول های هیدروفلوریک نیتریک بکار می رود. همچنین در بسیاری موارد که آلیاژهای گروه CF با کروم بالا مناسب نیستند، این آلیاژ کاربرد خوبی دارد. این فولادها اغلب از کروم، نیکل و منگنز در آهن تشکیل می‌شوند. غیر مغناطیسی اند و مقاومت به خوردگی دارند، ولی برای ترک خوردگی تنشی مستعدند. فولادهای ضدزنگ آستینی با سردکاری سخت می‌شوند. انعطاف پذیرترین فولادهای ضدزنگ هستند و بنابراین به راحتی می‌توان آنها را شکل داد؛ هرچند با افزایش کارسرد، شکل‌پذیری آنها کاهش می‌یابد. این فولادها در کاربردهای گسترده‌ای از قبیل لوازم آشپرخانه، اتصالات، سازه‌های جوشی، تجهیزات سبک وزن حمل و نقل، تجهیزات پزشکی و داروسازی، قطعات کوره و مبدل‌های حرارتی و قطعاتی برای محیط‌های شیمیایی قوی استفاده می‌شوند. بنابراین مشخصه اصلی این طبقه از فولادهای زنگ نزن، سهولت جوشکاری و مقاومت به خوردگی عالی- نرم و انعطاف‌پذیر بودن برای کارسرد و غیرمغناطیس بودن آنها می باشد. طبق آنچه بدان اشاره گردید، فولادهای زنگ نزن را برای استفاده در محیط های اتمسفری، آب دریا و انواع مختلف محیط‌های شیمیایی انتخاب می‌کنند. اما، بستگی به نوع محیط، باید فولاد با ترکیب شیمیایی مناسب انتخاب شود. بجز مقاومت دربرابر محیط‌های خورنده خاص، فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی دارای خواص متالورژیکی • تبدیل آستنیت به مارتنزیت دراثر کارسرد درانواع 301، 302 و304 • کاهش کربن و عنصرآلیاژی کرم برای حذف امکان تشکیل کاربید کرم و جلوگیری از خوردگی بین دانه‌‌یی درانواع L304،L316،321،347 • آلیاژکردن با مولیبدن برای افزایش مقاومت دربرابر خوردگی حفره‌یی درانواع 316 • استفاده از درصدهای بالای عناصرآلیاژی کرم و نیکل برای افزایش استحکام دردمای بالا (فولادهای نسوز) و مقاومت دربرابر پوسته شدن درانواع 309 و 310 نیز می‌باشند.
انواع فولادهای زنگ نزن
فولادهای ضد زنگ بر مبنای ترکیبات شیمیایی و متالوژیکی، معمولا در پنج کلاس مختلف دسته‌بندی می‌شوند:
مارتنزیتی (Martensitic)
فریتی (Ferritic)
آستنیتی (Austenitic)
آستنیتی- فریتی یا دو فازی (Duplex or ferritic-austenitic)
رسوب سختی (Precipitation-Hardening or PH)
در ادامه هر کدام را به صورت جداگانه توضیح می‌دهیم.
مارتنزیتی (Martensitic)
این نوع گروهی از آلیاژهای ضد زنگ است که آلیاژ سه‌گانه‌ای از آهن، کروم و کربن است و ساخته شده تا در برابر خوردگی و عملیات حرارتی مقاوم باشد. تمام گریدهای مارتنزیتی، فولادهای کروم مستقیم بدون نیکل هستند. به عبارت دیگر در این نوع از فولاد ضدزنگ نیکل وجود ندارد و عملیات سخت‌گردانی به صورت حرارتی انجام میشود.
میزان کروم موجود در این فولاد می‌تواند از ۱۱ تا تا ۱۸ درصد باشد و همچنین مقدار یک درصد نیز کربن دارد. استحکام، سختی و مقاومت در برابر خستگی در این نوع از استنلس استیل بالا است. از نظر انعطاف‌پذیری و استحکام در سطح خوبی قرار دارد، ولی در برابر خوردگی مقاومت متوسطی را داراست؛ به طور کلی نسبت به سایر انواع فولادهای ضد زنگ، از مقاومت کمتری در برابر خوردگی برخوردارند، مغناطیسی بوده و از قابلیت جوش و شکل‌پذیری پایینی برخوردارند. معمولا برای ساخت شیرآلات، فنرها، قاشق و چنگال از فولاد ضد زنگ مارتنزیتی استفاده می‌کنند.
فریتی (Ferritic)
به طور کلی فولادهای فریتی مقدار کروم بالاتری نسبت به فولادهای مارتنزیتی دارد و به طور نرمال درصد کروم آن بین ۱۱ تا ۳۰ درصد وزنی است. اما درصد نیکل آن یا خیلی کم است و یا بدون نیکل است. ساختار کریستالی این نوع فولاد Bcc است و این فولادها مغناطیسی بوده اما عملیات حرارتی‌پذیر نمی‌باشند. این فولادها عموما در کاربردهای غیرساختاری مورد استفاده قرار می‌گیرد که نیاز به مقاومت به خوردگی بالایی دارد. فولادهای ضد زنگ فریتی از مقاومت حرارتی و خوردگی خوبی برخوردار هستند اما به طور خاص و ویژه‌ای از مقاومت بالایی در برابر کلراید برخوردار است. گرچه خواص مکانیکی مثل تافنس در دمای پایین و آن نسبت به فولادهای ضدزنگ فریتی پایین‌تر است. از جمله کاربرد این نوع از فولادهای ضد زنگ عبارتند از: اگزوز خودرو، ظروف پخت و پز و لوازم خانگی
