معرفی

فولاد ضد زنگ با آلیاژ کردن عناصر مختلف به فولاد به خواص خود دست می یابد. بیشتر آلیاژها حاوی 70 تا 75 درصد یا بیشتر آهن هستند و به همین دلیل خواص متالورژیکی آهن باید بسیار مهم باشد.

جدول عناصر آلیاژی مهم و تأثیر آنها

کروم (Cr)

کروم استحکام کششی را به میزان 80 نیوتن بر میلی متر مربع در هر درصد کروم افزایش می دهد. کروم به دلیل تمایل به تولید کاربید باعث افزایش سختی می شود. فولادهای با 12 درصد کروم بیشتر در برابر آب و اسیدهای خاص در برابر خوردگی مقاوم هستند. کروم مقاومت حرارتی را به ویژه همراه با نیکل افزایش می دهد.

هنگامی که کروم اکسید شده یک لایه اکسیدی محکم تشکیل می دهد که نسبتاً در برابر خوردگی مقاوم است و ممکن است باعث شود فولادها در تمام دماها فریتی شوند.

نیکل (Ni)

نیکل هم انعطاف پذیر و هم قوی است، اما از آنجایی که نسبتاً گران است، فقط در حد محدودی استفاده می شود. نیکل استحکام کششی را به میزان 40 نیوتن بر میلی متر مربع در درصد افزایش می دهد. نیکل سرعت خنک کننده بحرانی را کاهش می دهد. هنگامی که بیش از 25 درصد نیکل آلیاژ می شود، فولادهای آستنیتی غیر مغناطیسی و مقاوم در برابر خوردگی تولید می شوند.

اگر فولاد نیز با کروم آلیاژ شود، حالت آستنیتی مطلوب با محتوای 8 درصد نیکل و 18 درصد کروم (فولاد کروم نیکل 18/8) به دست می‌آید.

مولیبدن (Mo)

Mo استحکام، شکل پذیری و خواص مقاوم در برابر حرارت فولاد را افزایش می دهد. Mo به شدت کاربید تولید می کند و در فولادهای با سرعت بالا (فولاد HS) و فولادهای عملیات حرارتی استفاده می شود زیرا مقاومت در برابر حرارت را افزایش می دهد.

Mo در فولادهای زنگ نزن باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی در برابر:

• اسید سولفوریک
• اسید فسفریک
• اسید فرمیک
• انواع اسیدهای آلی داغ

Mo همچنین در برابر خوردگی حفره ای به ویژه برای محلول های کلر محافظت می کند.

حفره در بخش “انواع خوردگی” بیشتر توضیح داده شده است.

تیتانیوم (Ti)

مزایای استفاده از Ti خالص در مقاومت خوردگی خوب آن است که کم و بیش مشابه فولاد ضد زنگ است و استحکام خوب نسبت به وزن آن.

با این حال، این خواص خوب در دماهای بالا ناپدید می شوند، که در آن Ti به شدت واکنش می دهد و ترکیبات شیمیایی با همه گازها به جز گازهای بی اثر ایجاد می کند. به عنوان مثال، آیا تیتانیم در نیتروژن خالص در دمای 800 درجه سانتیگراد به نیترید تیتانیوم تحت تولید گرمای شدید می سوزد.

Ti به عنوان یک عامل اکسیدزدایی و نیترات زدایی کارآمد به عنوان مثال در فولادهای ضد زنگ خاصی استفاده می شود که عمدتاً کربن را با کاربید تیتانیوم ترکیب می کند، اما همچنین با نیتروژن مضر به نیترید تیتانیوم ترکیب می شود.

نیوبیم (Nb)

Nb یک مولد کاربید قوی است و در فولادهای کروم نیکل آستنیتی از رسوب نامطلوب کاربید عناصر دیگر جلوگیری می کند.

آلیاژهای کروم نیکل

در سیستم دو فازی آهن-کروم ناحیه گاما چسبانده شده است و از حدود. 12.5 درصد کروم تنها فریت از دمای همجوشی تا دمای اتاق خواهد بود (ساختار شبکه فضایی مکعبی).

هنگامی که محتوای نیکل افزایش می یابد، ناحیه گاما به سیستم دو فازی آهن نیکل افزایش می یابد. از یک محتوای نیکل معین، ساختار کاملا آستنیتی (مکعبی سطح مرکزی) خواهد شد.

عناصری که برای آلیاژسازی فولادهای زنگ نزن به منظور دستیابی به خواص خاص مورد استفاده قرار می گیرند را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد:

• عناصر مولد فریت – کروم، سی، آل، Mo،

Nb، Ti، W و V

• عناصر مولد آستنیت – Ni, Mn, C, Co

و N

…

پیشنهاد می کنیم برای تکمیل اطلاعات خود مطلب مربوط به فولادهای ضد زنگ و جوش را هم مطالعه نمایید

فولادهای ضد زنگ آلیاژی  – کروم  و نیکل

فولادهای زنگ نزن فریت آستنیتی

این فولادها با 18 تا 26 درصد کروم، 5 تا 6 درصد نیکل و 0.03 تا 0.15 درصد کربن آلیاژ می شوند. فولادها نسبت به فولادهای کاملاً فریتی راحت تر قابل جوش هستند و مقاومت در برابر خوردگی آنها کم و بیش مانند فولاد 18/8 است.

این فولادها نسبت به فولادهای فریتی استحکام ضربه ای بسیار بهتری دارند، اما می توانند در سرما شکننده باشند. در برخی از انواع ممکن است مارتنزیت در حین جوشکاری تشکیل شود.

به دلیل خواص ریخته گری ریز این فولادها، اغلب برای کالاهای ریخته گری ضد زنگ مانند شیرآلات و محصولات مشابه استفاده می شود.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی

یکی از اولین فولادهای ضد زنگ تولید شده دارای تجزیه و تحلیل زیر بود:

C 0.12%

Cr 18%

Ni 8%

این فولاد را فولاد 18/8 می نامیدند و از همین نوع است که بعداً تعدادی دیگر از فولادهای ضد زنگ ساخته شد.

با افزودن تا 5% مو به همراه مقدار بیشتری از نیکل، بهبود خواص مقاوم در برابر خوردگی حاصل شد.

این فولاد یک فولاد تک فاز است، به این معنی که در تمام دماها آستنیتی است به جز اینکه دلتافریت می تواند در فولادهای خاص در دماهای بالا تشکیل شود.

درصد کربن در فولادهای آستنیتی باید کم باشد زیرا کروم تولیدکننده بسیار قوی کاربید است و تشکیل کاربید کروم عنصری نامطلوب در اکثر فولادهای ضد زنگ است.

کاهش محتوای کربن تا این حد کم بسیار دشوار و پرهزینه است و بنابراین فولاد اغلب با Ti و Nb که مولدهای قوی کاربید هستند آلیاژ می شود تا از تشکیل کاربیدهای کروم جلوگیری شود.

فولاد آستنیتی را می توان از نظر ترکیب آلیاژی به ویژه از نظر درصد کربن به چهار گروه تقسیم کرد:

• فولادهای با محتوای تقریبی. 0.10 درصد کربن
• فولادهای با محتوای تقریبی. 0.06 درصد کربن
• فولادهای ELC با درصد کربن بسیار کم، تقریباً. 0.03٪
• فولاد تثبیت کننده آلیاژی با تیتانیوم یا نیکل، محتوای کربن تقریباً. 0.06٪

کربن با تیتانیوم یا نیوبیم ترکیب می شود و بنابراین از تولید کروم کاربید جلوگیری می کند.

آلیاژ کردن مو باعث بهبود خواص مقاوم در برابر خوردگی در برابر کلریدها و اسیدهای رقیق می شود.

به منظور حفظ ساختار آستنیتی، محتوای Ni باید با افزایش محتوای Mo افزایش یابد.

تجزیه و تحلیل – وزن %

نمونه هایی از محتوای Cr-Ni-Mo در فولادهای آستنیتی

قابلیت جوشکاری فولادهای آستنیتی

فولادهای آستنیتی به راحتی بدون تولید مارتنزیت در ناحیه متاثر از گرما (HAZ) قابل جوش هستند.

با این حال، باید در نظر گرفت که فولادهای آستنیتی رسانایی حرارتی کمی دارند، تقریباً. 40 درصد کمتر از فولاد معمولی است.

ضریب انبساط حرارتی تقریبا 50 درصد بزرگتر از فولاد معمولی است.

این شرایط به معنای تمایل بیشتر به تنش و تحریف است. اگر درصد کربن به اندازه کافی زیاد باشد، می تواند کاربیدهای کروم در HAZ رسوب کند، جایی که دما به محدوده 450 تا 800 درجه سانتیگراد افزایش می یابد.

بارش عمدتاً در مرزهای دانه آستنیت اتفاق می افتد و به این معنی است که نواحی کریستال های گاما نزدیک به کاربیدهای کروم “کروم زدایی” می شوند و در نتیجه مقاومت در برابر خوردگی خود را از دست می دهند (به بخش: انواع خوردگی مراجعه کنید).

محتوای کربن باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا کاربیدهای کروم تولید شود. این مورد در گروه های 1 و 2 است و بنابراین این نوع فولادها باید پس از فرآیند جوشکاری تحت عملیات حرارتی قرار گیرند تا دوباره محتوای کروم در دانه های آستنیت قرار گیرد.

این عملیات حرارتی را می توان در دمای 1000 تا 1100 درجه سانتی گراد انجام داد که در آن کاربیدهای کروم حل می شوند و محتوای کروم به طور مساوی در کریستال های گاما توزیع می شود.

سرمایش تا زیر 400 درجه سانتیگراد باید خیلی سریع انجام شود تا از تغییر شکل کاربیدها جلوگیری شود. حتی در چنین دمای عملیات حرارتی بالا، فولاد آستنیتی تمایل چندانی به رشد دانه ها ندارد.

هنگام کار با ساخت و ساز به قدری بزرگ که چنین عملیات حرارتی امکان پذیر نباشد، باید یک فولاد ELC گروه 3 را انتخاب کرد که محتوای کربن بسیار کمی دارد و بنابراین کاربید تولید نمی کند.

جوش پذیری فولاد تثبیت شده

فولادهای تثبیت شده (گروه 4 مطابق با صفحه 45) را نیز می توان بدون عملیات حرارتی پس از آن جوش داد.

فولاد را می توان با Ti، Ni، Cr یا Ta آلیاژ کرد که میل ترکیبی بیشتری به کربن نسبت به کروم دارد. این عناصر کربن را مصرف می کنند و تولید کاربید کروم را غیرممکن می کنند.

با توجه به مشکلات عملیات حرارتی فوق، فولادهای زنگ نزن قابل جوشکاری که پس از جوشکاری نیازی به عملیات حرارتی ندارند (فولادهای گروه 4 با محتوای کربن کمتر از 0.1%).

این فولادها برای کاربرد در دماهای بالاتر نیز مناسب هستند.

هنگام آلیاژ کردن با تثبیت کننده هایی مانند Ta، Ti یا Nb، کاربیدهای پایدار تولید می شوند که از تولید کاربیدهای کروم نامطلوب جلوگیری می کنند.

مقدار تثبیت کننده ها به محتوا بستگی دارد.

محتوای Ti باید 10 برابر محتوای C باشد و محتوای Ta که معمولاً جایگزین بخشی از محتوای Nb می شود باید 20 برابر مقدار C باشد.

Ti در مواد پرکننده استفاده نمی شود زیرا به راحتی اکسید می شود و TO تولید می کند. مواد پرکننده معمولاً با Nb تثبیت می شود.

Ti دارای مزایای اقتصادی مهمی است، اما به هر حال کمتر از Nb فعال است. Ti دارای این عیب است که به سختی می توان سطحی کاملاً صاف را با پولیش بدست آورد.

ساخت معمولی صفحات و پروفیل ها باعث می شود که کربن به عنوان کاربید تیتانیوم به هم متصل شود، به طوری که فولادها معمولاً در برابر خوردگی بین دانه ای مقاوم هستند.

فولادهای تثبیت شده برای سازه های تحت فشار و دماهای بالا سودمند هستند زیرا استحکام خزشی و استحکام کششی آنها در دماهای بالا بهتر از فولادهای غیر پایدار است. همچنین در دماهای بالاتر از 400 درجه سانتیگراد در برابر خوردگی بین دانه ای پایدارتر هستند.