فولاد ضدزنگ آستنیتی | عملیات حرارتی فولادهای زنگ نزن آستنیتی ، 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.
فولاد زنگ نزن آستنیتی (Austenitic Stainless Steel) 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.
فولاد
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.
فولاد
همچنین در بسیاری موارد که آلیاژهای گروه CF با کروم بالا مناسب نیستند، این آلیاژ کاربرد خوبی دارد.
آلیاژ CH-20 با ترکیب 25%Cr-12%Ni حداکثر 0.2% کربن دارد. ریزساختار ریختگی آن،آستنیت با مقدار کمی فریت حاوی کاربید می باشد.
با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نبوده و در مجاورت اسید سولفوریک رقیق با دمای بالا، کاربرد بیشتری دارد.
فولاد
آلیاژ CK-20 با ترکیب 25%Cr-20%Ni حاوی حداکثر 0.2% کربن است. با اینکه ترکیب آن به CH-20 نزدیک می باشد ولی درصد نیکل بالاتر آن، مقاومت به خوردگی بیشتری در دماهای بالا به آن می دهد. ریزساختار قطعه ریختگی آن، آستنیت با رسوب پراکنده کاربید در زمینه است و با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نمی باشد.
آلیاژ CN-7M با ترکیب 29%Ni-20%Cr حاوی مقادیر مس و مولیبدن و حداکثر 0.07% کربن است. تماما آستنیتی بوده و سختی آن با عملیات حرارتی افزایش نمی یابد.
این آلیاژ کاربرد وسیعی در شرایط سخت خورنده در مجاورت موادی چون اسید سولفوریک، اسید نیتریک، اسید هیدروکلریک رقیق، سود سوزآور، آب دریا و محلول های گرم نمک دار دارد.
فولاد
فولاد ضدزنگ آستنیتی (Austenitic Stainless Steel) اساساً آلیاژهای سه‌تایی Fe-Cr-Ni با ۲۰-۱۶% کروم و ۲۰-۷% نیکل می‌باشد. از آنجا که ساختار این فولادها در تمام دماهای عملیات حرارتی، آستنیت (آهن γ) باقی می‌ماند، به آنها فولادهای ضدزنگ 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-۲۰ ،CK-۲۰ ،CN-7M وجود دارد. دو آلیاژ CH-۲۰ ، CK-۲۰ دارای کروم و نیکل بالاتر بوده، ترکیبی تمام آستنیتی دارند و میزان کروم آنها از نیکل بیشتر است. این آلیاژها نسبت به آلیاژ CF-۸ 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 کاغذ و اسید نیتریک است.
فولاد
برای انتقال اسید سولفوریک داغ با غلظت های مختلف، آلیاژ CN-۷M 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.
آلیاژ CH-۲۰ با ترکیب ۲۵%Cr-%۱۲ Ni حداکثر ۰.۲% کربن دارد. ریزساختار ریختگی آن،آستنیت با مقدار کمی فریت حاوی کاربید می باشد. با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نبوده و در مجاورت اسید سولفوریک رقیق با دمای بالا، کاربرد بیشتری دارد.
آلیاژ CK-۲۰ با ترکیب ۲۵%Cr-%۲۰ Ni حاوی حداکثر ۰.۲% کربن است. با اینکه ترکیب آن به CH-۲۰ نزدیک می باشد ولی درصد نیکل بالاتر آن، مقاومت به خوردگی بیشتری در دماهای بالا به آن می دهد. ریزساختار قطعه ریختگی آن، آستنیت با رسوب پراکنده کاربید در زمینه است و با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نمی‌باشد.
فولاد
آلیاژ CN-۷M با ترکیب ۲۹%Ni-۰%۲۰ Cr حاوی مقادیر مس و مولیبدن و حداکثر ۰.۰۷% کربن است. تماماً آستنیتی بوده و سختی آن با عملیات حرارتی افزایش نمی‌یابد. این آلیاژ کاربرد وسیعی در شرایط سخت خورنده در مجاورت موادی چون اسید سولفوریک، اسید نیتریک، اسید هیدروکلریک رقیق، سود سوزآور، آب دریا و محلول های گرم نمک دار دارد.
ترکیب شیمیایی و کاربرد فولاد ضدزنگ آستنیتی
ترکیب شیمیایی و کاربرد بعضی فولادهای ضدزنگ آستنیتی در جدول زیر آمده است.
فولاد
حدود ۶۵% تا ۷۰% فولادهای ضدزنگ تولیدی ایالات متحده امریکا را فولادهای ضدزنگ آستنیتی تشکیل می‌دهند.
این فولادها به علت مقاومت به خوردگی و شکل پذیری مطلوب در این موقعیت قرار دارند، و از این رو برای بیشتر کاربردهای مهندسی خواص خوب و مطلوبی دارند.
فولادهای زنگ نزن نوع ۳۰۴ و ۳۰۲ بیشترین کاربرد را هم در دماهای بالا و هم در دماهای پایین دارند. نوع ۳۱۶، که ۲.۵%Mo دارد، مقاومت به خوردگی بهتر و استحکام بیشتری در دماهای بالا دارد. آلیاژهایی با مقدار بیشتر کروم (23-25%) مثل نوع 309 و 310 ترجیحاً در دماهای بالا به‌کار می‌روند.
فولاد
ریزساختار فولاد ضدزنگ آستنیتی
فولادهای ضدزنگ آستنیتی بعد از تابکاری در دماهای بالا به علت داشتن مقدار زیاد نیکل (پایدارکننده آستنیت) در دمای محیط نیز دارای ساختار آستنیت، FCC، می‌باشند. علاوه بر این، منگنز، کربن و نیتروژن نیز به پایداری ساختار آستنیت کمک می‌کنند. افزایش نیکل به آلیاژهای آهن – کروم منطقه آستنیت پایدار را وسیع‌تر می‌کند و دمای Ms را کاهش می‌دهد.
فولاد
در فولاد ضدزنگ ۱۸%کربن-۸%نیکل پس از سرد کردن از دمای تابکاری (مثلاً ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد) در دمای محیط ساختار آستنیتی به‌دست می‌آید.
اما، در بعضی فولاد های زنگ نزن Fe-Cr-Ni (مثلاً نوع ۳۰۱) به علت کم بودن مقدار کروم و نیکل (نسبت به فولاد فوق‌الذکر)، آستنیت از نظر ترمودینامیکی در دمای اتاق ناپایدار است. اگر آلیاژی از این نوع در دمای اتاق یا کمی کمتر از آن تغییر شکل مومسان دهد، مقداری از آستنیت به مارتنزیت تغییر می‌یابد.
فولاد
بیشتر فولادهای ضدزنگ متداول، مقدار چشمگیری کربن دارند. مثلاً در نوع ۳۰۲ حدود ۰.۱%C و در نوع ۳۰۴ حدود ۰.۶%C وجود دارد. از آنجا که حلالیت کربن در فولادهای ضدزنگ آستنیتی، مثل آلیاژ ۱۸%Cr-۸%Ni ، با کاهش دما سریعاً کاهش می‌یابد اگر این آلیاژها آهسته سرد شوند کاربیدهای کروم رسوب می‌کنند (شکل زیر). مثلاً اگر آلیاژ ۳۰۴ (۱۹%Cr-۹%Ni) از دمای۱۰۵۰ درجه سانتی گراد تا دمای محیط به آهستگی سرد شود، کاربیدهای کروم در گستره ۸۵۰-۴۰۰ درجه سانتی گراد در مرزدانه‌ها رسوب می‌کنند.
به هنگام سرد کردن آرام از گستره دمایی بحرانی یعنی ۸۵۰-۴۰۰ درجه سانتی گراد، تعداد ناکافی از اتم‌های کروم از زمینه دانه نفوذ می‌کند، تا جایگزین اتم‌هایی شود که به وسیله کاربیدهای کروم از مرزدانه ها خارج شده‌اند. در نتیجه، میزان کروم در مناطق نزدیک به مرزدانه ها کمتر از میزان بحرانی لازم، ۱۲%، برای مقاومت به خوردگی است، و از این رو آلیاژ مستعد خوردگی بین دانه ای است.
فولاد
بنابراین، تابکاری این نوع فولادها باید در دمای زیاد انجام شود تا کاربیدهای کروم وارد محلول جامد شوند اما دما نباید به اندازه‌ای زیاد باشد که دانه‌ها خیلی رشد کنند.
بیشتر فولادهای ضدزنگ در گستره ۱۰۵۰ تا ۱۱۲۰ درجه سانتی گراد تابکاری می‌شوند. بعد از تابکاری در دمای بالا، برای جلوگیری از رسوب کردن کاربیدهای کروم، فولادها باید سریعاً سرد شوند.
همیشه امکان سریع سرد کردن آلیاژی مثل فولاد ضدزنگ ۳۰۴ پس از تابکاری در دماهای بالا وجود ندارد، و این کار می‌تواند مشکلاتی ناشی از خوردگی ایجاد کند. مثلاً؛ جوشکاری فولادهای ضدزنگ در محل کار که به آهستگی سرد میشود بدین معنی است که عملیات حرارتی بعدی برای حل شدن مجدد کاربید کروم امکان‌پذیر نیست.
فولاد
برای جلوگیری از رسوب مرزدانه‌ای که بر اثر آهسته سرد کردن به وجود می‌آید، تغییراتی در ترکیب شیمیایی صورت گرفته است که در آن کربن با سایر عناصر ترکیب میشود.
در آلیاژ ۳۲۱، تیتانیوم به میزان پنج برابر کربن به آلیاژ اضافه میشود.
با گرما دادن این آلیاژ در ۸۷۰ درجه سانتی گراد و به مدت زمان کافی، تیتانیم با کربن ترکیب میشود و کاربید تیتانیم (TiC) تشکیل می‌دهد. از آنجا که وقتی عملیات حرارتی با آهسته سرد کردن از گستره دماهای بحرانی همراه باشد از رسوب کردن کاربید کروم جلوگیری میشود به آن عملیات پایدارسازی گویند.
روش دیگری پایدار کردن فولاد زنگ نزن ۸-۱۸ اضافه کردن کلومبیوم (نیوبیوم) است که در آن به جای کاربیدهای کروم کاربیدهای کلومبیم (CbC) تشکیل میشود. در آلیاژ ۳۴۷، به فولاد زنگ نزن ۸-۱۸ ده برابر مقدار کربن آن کلومبیم اضافه شده است.
این آلیاژ برای ترکیب شدن کربن با کلومبیم باید در دمای ۸۷۰ درجه سانتی گراد پایدار شود.
فولاد
روش دیگر برای جلوگیری از رسوب کاربید کروم در مرزدانه‌های فولادهای ضدزنگ آستنیتی این است که مقدار کربن به اندازه کافی کاهش یابد. در آلیاژهای ۳۰۴L و ۳۱۶L حداکثر ۰.۰۳% کربن مجاز است. برای کار در دماهای کمتر از ۴۲۵ درجه سانتی گراد، این آلیاژها معمولاً بر آلیاژهای دارای کاربیدهای تیتانیوم و کلومبیوم (نیوبیوم) ارجحیت دارند.
کاربرد و هزینه است که مشخص می‌کند کدام آلیاژ برای جلوگیری از خوردگی بین‌دانه‌ای انتخاب شود.
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.فولاد
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.
فولاد
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.
فولاد
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:
- فولاد
- 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
- فولاد
- 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.
- فولاد
- مخازن ذخیره سازی مواد شیمیایی
- مخازن تحت فشار
- لوله کشی
کاربرد استیل ۳۲۱ و Ti316 (گریدهای “تثبیت شده”)
- پس سوزها
- فولاد
- 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
- فولاد
- مخازن آب خانگی
- معماری داخلی و غیر ساختاری
- تجهیزات غذایی و آشامیدنی
- قطعات خودرو
بدون دیدگاه