فولادهای زنگ نزن
فولادهای زنگ نزن (stainless steel) جزء آلیاژهای پایه آهن هستند که شامل 12% کروم می باشند که برای جلوگیری از تشکیل زنگ (اکسید شدن) در اتمسفر معمولی لازم است (از این رو، به نام فولادهای ضدزنگ یا زنگ نزن شناخته می شوند). تعدادی از فولادهای زنگ نزن شامل بیش از 30% کروم یا کمتر از 5% آهن هستند. آن ها خصوصیات زنگ نزن خود را از طریق تشکیل یک لایه اکسید غنی از کروم چسبنده و غیرقابل مشاهده به دست می آورند. این اکسید به سرعت تشکیل می شود و از فولاد در برابر اکسیژن محافظت می کند. سایر عناصر برای بهبود خصوصیات اضافه می شود، از جمله: تیتانیوم، سیلسیوم، نایوبیوم، آلومینیوم، گوگرد و سلنیوم. کبابت معمولا در مقادیر کمتر از 0/3 تا حداکثر 1 درصد وزنی در گروه های خاص وجود دارد. شکل 1 مختصری از ترکیب شیمیایی و تغییرات خواص خانواده بزرگ فولادهای زنگ نزن را نشان می دهد.
شکل 1: ترکیب شیمیایی و خواص خانواده بزرگ فولادهای زنگ نزن
تولید فولادهای زنگ نزن
با توجه به محدودیت های خاصی که در برخی از انواع فولادهای زنگ نزن وجود دارد، فولادهای زنگ نزن را می توان با استفاده از روش های متداول تولید و شکل دهی کرد. آن ها به صورت ریختگی، متالورژی پودر و کار شده تولید می شوند. محصولات کارشده در دسترس شامل صفحه، ورق، تسمه، میله، سیم، محصولات نیمه آماده (شمش، تختال و شمشمه) و لوله است. محصولات تخت نورد سرد شده بیش از 60% از تولیدات را به خود اختصاص می دهند. شکل 1-2 فرایندهای نورد برای تولید محصوصات فولاد زنگ نزن کار شده مختلف را نشان می دهد. تولید فولادهای زنگ نزن یک فرایند دو مرحله ای شامل ذوب قراضه و فروآلیاژ در یک کوره قوس الکتریکی و سپس تصفیه با دمش اکسیژن-آرگون به منظور کربن زدایی و تنظیم مقدار کربن و حذف ناخالصی ها است. ذوب و اصلاح شامل ذوب القایی در خلأ، ذوب مجدد قوس در خلأ، ذوب مجدد با سرباره الکتریکی و ذوب پرتو الکترونی نیز از دیگر روش های تولید فولادهای زنگ نزن است. ذوب و تصفیه فولادهای زنگ نزن، اغلب با استفاده از روش های تولید کوره قوس الکتریکی و دمش گاز اکسیژن-آرگون انجام می شود. در حقیقت حدود 90% فولادهای زنگ نزن در آمریکا با استفاده از همین روش تولید می شوند.
در حین مراحل نهایی تولید انواع مختلف نورد شده-ورق، تسمه و میله- و تنظیم شکل و خصوصیات ویژه، مواد تحت کاهش با نورد گرم با یا بدون نورد سر قرار می گیرند و سپس در ادامه تاب کاری و تمیزکاری انجام می شود. در بعضی از موارد، از مراحل بیشتر برای تولید انواع نورد شده دیگر، مثل سیم و لوله، استفاده می شود.
کاربرد فولادهای زنگ نزن
از فولادهای زنگ نزن در کاربردهای گسترده ای استفاده می شود. اغلب کاربردهای ساختاری مثل صنایع مهندسی شیمیایی و تولید برق بیش از 1/3 تولیدات فولادهای زنگ نزن را به خود اختصاص داده است. این کاربردها شامل گستره وسیعی است، شامل مخازن رآکتورهای هسته ای، مبدل های حرارتی و لوله های صنعت گاز و نفت، قطعات فرآوری شیمیایی و صنایع چغندرقند و تولید کاغذ از مهمترین استفاده کنندگان فولادهای زنگ نزن هستند.
نام گذاری فولادهای زنگ نزن کارشده
در ایالات متحده آمریکا، معمولا فولادهای زنگ نزن کارشده بر اساس سیستم عددگذاری انجمن آهن و فولاد آمریکا (AISI) و سیستم نامگذاری یکپارچه (UNS) نامگذاری می شوند. علاوه بر این، سیستم نامگذاری دیگر نیز توسط اغلب کشورهای صنعتی مهم ابداع شده است. از این دو سیستم نامگذاری رایج در ایالات متحده آمریکا استفاده می شود. سیستم نامگذاری AISI قدیمی تر است و کاربردگسترده ای دارد. اغلب گروه ها دارای سه حرف هستند، گروه 200 و 300 معمولا برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی و گروه 400 برای فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی استفاده می شود. برخی از گروه ها دارای یک یا دو حرف هستند که نشان دهنده اصلاح خاص در ترکیب شیمیایی آن ها است.
سیستم UNS تعداد وسیع تری از فولادهای زنگ نزن را در بر می گیرد، زیرا فولادهای زنگ نزن جدید را نیز نامگذاری کرده است. نامگذاری UNS برای فولادهای زنگ نزن شامل حرف S در ادامه 5 عدد است. برای آلیاژهایی که دارای نمادگذاری AISI هستند، اولیه سه حرف نامگذاری UNS معمولا منطبق با نمادگذاری AISI است و دو عدد آخر آن 00 می باشد. اصلاحات گروه های اصلی از دو عدد به جای دو صفر استفاده می شود.
برای فولادهای زنگ نزن که شامل کمتر از 50% آهن می باشند، سیستم UNS شامل حرف N است (برای آلیاژهای پایه نیکل) و سپس در ادامه 5 عدد گذاشته می شود.
شکل 2: روش های تولید فولادهای زنگ نزن
نامگذاری فولادهای زنگ نزن ریختگی
فولادهای زنگ نزن ریختگی اغلب بر اساس ترکیب شیمیایی بر مبنای سیستم آلیاژی نامگذاری گروه محصولات پرآلیاژ موسسه فولاد آمریکا نامگذاری می شود. اولین حرف نامگذاری شامل آلیاژ اصلی است که برای شرایط سرویس خوردگی مذاب (C) یا سرویس دما بالا (H) استفاده می شود. حرف دوم بیان کننده نوع کروم-نیکل آلیاژ است (شکل 3). هنگامی که مقدار نیکل زیاد می شود، حرف دوم نامگذاری تغییر می کند. اعداد در ادامه حرف اول آورده می شود که بیان کننده حداکثر مقدار کربن (100×) آلیاژ است. در نهایت، اگر عناصر آلیاژی اضافی وجود داشته باشد، با یک یا دو حرف نشان داده می شود
شکل 3: مقدار کروم و نیکل در گروه های مختلف فولاد زنگ نزن ریختگی مقاوم به حرارت و خوردگی
طبقه بندی فولادهای زنگ نزن
از لحاظ تاریخی، فولادهای زنگ نزن توسط ریزساختار طبقه بندی می شوند: فولادهای زنگ نزن فریتی، آستنیتی، مارتنزیتی یا دو فازی (آستنیتی+فریتی). علاوه بر این، گروه پنجم به نام فولادهای زنگ نزن رسوب سختی (PH) نیز نوع دیگری از فولادهای زنگ نزن عملیات حرارتی پذیر هستند. لازم به ذکر است که بسیاری از گروه های کارشده دارای مشابه در گروه فولادهای زنگ نزن ریختگی هستند.
-فولادهای زنگ نزن آستنیتی: بزرگترین خانواده فولادهای زنگ نزن از لحاظ استفاده و تنوع آلیاژی است. آن ها شامل گروه های زیر هستند:
• -گروه آهن-کروم-نیکل که شامل هر دو گروه آلیاژی 300-AISI و انواع اصلاح شده این آلیاژها است. این آلیاژها که بر پایه زنگ نزن 304 (8-18) است (شکل 1) معمولا شامل %26-16 کروم، %22-15 نیکل و مقادیر کمی از سایر عناصر آلیاژی (مثل مولیبدن، تیتانیوم، نایوبیوم و نیتروژن) هستند.
• گروه آهن-کروم-منگنز-نیکل متناسب با گروه 200-AISI و انواع مختلف اصلاح شده این گروه است. در این آلیاژها منگنز (%18-5) جایگزین نیکل شده است. معمولا از نیتروژن نیز در این آلیاژها استفاده می شود.
• فولادهای زنگ نزن پرآلیاژ آهن-میکل-کروم برای محیط های بسیار خورنده مناسب است. مقدار نیکل این سیستم ها حدود %35 است. مولیبدن و مس نیز به این آلیاژها اضافه می شود.
• گروه سوپرآستنیتی (شکل 1) شامل %6 مولیبدن همچنین مقادیر آزاد کروم، نیکل و نیتروژن برای بهبود مقاومت به خوردگی است.
-فولادهای زنگ نزن فریتی: جزء آلیاژهای آهن-کروم سختی ناپذیر هستند. آن ها شامل آلیاژهای استاندارد گروه 400 و همچنین انواع اصلاح شده این آلیاژ است که شامل %27-11 کروم، %2/0-08/0 کربن و مقادیر کمی از عناصر پایدار کننده فریت مثل آلومینیوم، نایوبیم و تیتانیوم است.
شکل 4: مقایسه هدایت حرارتی گروه های مختلف مواد با یکدیگر.
• اخیرا گروه های با مقدار عناصر بین نشین (کربن و نیتروژن) کم شامل کروم (تا %30)، مولیبدن (تا %4) و نیکل (تا %2) ابداع شده است. این گروه مقاومت بسیار بالا به ترک خوردن خوردگی تنشی ( SCC) دارند و به فولادهای زنگ نزن سوپرفریتی موسوم هستند (شکل 1).
-فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی ترکیب شیمیایی مشابه با فولادهای زنگ نزن فریتی دارند، ولیکن شامل کربن بالاتر و کروم کمتری برای سخت پذیری توسط عملیات حرارتی هستند. آن ها شامل:
• گروه 400 استاندارد شامل %18-11 کروم، حداکثر 2/1 کربن، مقادیر کمی از منگنز و نیکل است.
• گروه های غیر استاندارد شامل گروه های ماشین کاری، عملیات حرارتی و چرخ دنده ها و یاتاقان ها
-فولادهای زنگ نزن دو فازی، ریزساختار تقریبا مساوری از فریت و آستنیت دارند. این آلیاژها شامل %25-22 کرو، %7-5 نیکل و حداکثر %4 مولیبدن به همراه مقادیری مس و نیتروژن هستند. برخی از آن ها به شدت آلیاژسازی شده اند، گروه های مقاوم به خوردگی به عنوان فولادهای زنگ نزن سوپر دوفازی شناخته می شوند.
فولادهای زنگ نزن دوفازی تحت پوشش استانداردهای 200-AISI ، 300-AISI یا 400-AISI نمی باشند. آن ها از استاندارد UNS تبعیت می کنند، برخی از آن ها نیز بر حسب مقدار کروم و نیکل نامگذاری می شوند. به عنوان مثال آلیاژ 2205 شامل %22 کروم و %5 نیکل است.
-فولادهای زنگ نزن رسوب سختی جزء آلیاژهای کروم-نیکل هستند که شامل عناصر آلیاژی مثل آلومینیوم، مس یا تیتانیوم هستند که اجازه عملیات حرارتی انحلاللی و پیرسازی را به آن ها می دهند. آن ها به زیرگروه های مارتنزیتی، نیمه آستنیتی و آستنیتی تقسیم می شوند. این فولادها معمولا بر اساس نام تجاری یا سیستم نامگذاری UNS نامیده می شوند.
شکل 5: مقایسه انبساط حرارتی گروه های مختلف مواد بایکدیگر.
خواص فیزیکی و مکانیکی فولادهای زنگ نزن
خواص فیزیکی و مکانیکی فولادهای زنگ نزن تقریبا متفاوت از آلیاژهای غیرآهنی مثل آلومینیوم و مس است. به هر حال، هنگامی که فولادهای زنگ نزن با فولادهای کربنی مقایسه می شوند، شباهت های زیادی دیده می شود، اما اختلافات زیادی نیز با هم دارند. شبیه به فولادهای کربنی، چگالی فولادهای زنگ نزن حدود "gr/" 〖cm〗^38 است که تقریبا 3 برابر بیشتر از آلیاژهای آلومینیوم ("gr/" 〖cm〗^37/2) است. شبیه به فولادهای کربنی، فولادهای زنگ نزن دارای مدول الاستیسیته بالا (MPa200) هستند که تقریبا دو برابر آلیاژهای مس (MPa 115) و سه برابر آلیاژهای آلومینیوم (MPa 70) است.
اختلاف بین فولادهای کربنی و فولادهای زنگ نزن در هدایت حرارتی، انبسطا حرارتی و مقاومت الکتریکی این مواد است. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، تغییرات زیادی در هدایت حرارتی انواع مختلف مواد وجود دارد، آلیاژ آلومینیوم 6061 دارای هدایت حرارتی بسیار زیادی است، در ادامه برنز آلومینیوم، فولاد کربنی 1080 و سپس فولادهای زنگ نزن قرار دارند. برای فولادهای زنگ نزن، عناصر آلیاژی اضافی مخصوصا نیکل، مس و کروم موجب کاهش هدایت حرارتی می شوند. انبساط حرارتی (شکل 5) آلیاژ آلومینیوم 6061 بسیار زیاد است، در ادامه برنز آلومینیوم و آلیاژهای زنگ نزن آستنیتی و سپس فریتی و مارتنزیتی قرار دارند. برای آلیاژهای زنگ نزن آستنیتی، اضافه کردن نیکل و مس موجب کاهش ضریب انبساط حرارتی می شود. فولادهای زنگ نزن دارای مقاومت الکتریکی زیادی هستند (شکل 6). اضافه کردن عناصر آلیاژی موجب افزایش مقاومت الکتریکی می شوند. از این رو، فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی دارای مقاومت الکتریکی کمتر از فولادهای زنگ-نزن آستنیتی دوفازی و رسوب سختی هستند، ولیکن بیشتر از فولاد کربنی 1080 است. مقاومت الکتریکی فولادهای زنگ نزن تقریبا 5/7 برابر بیشتر از برنز آلومینیوم و حدود 20 برابر آلیاژهای آلیاژ آلومینیوم 6061 است.
شکل 6: مقایسه مقاومت الکتریکی گروه های مختلف مواد بایکدیگر.
4 خانواده تحت پوشش آلیاژهای آستنیتی استحکام کششی نسبتا کمی در مقایسه با آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر هستند، اما آن ها دارای انعطاف پذیری کششی و چقرمگی بسیار بالایی هستند. دو آلیاژ آستنیتی 20161S و 21800S به صورت خاص ابداع شده اند تا مقاومت خوبی در برابر کندگی و سایش فلز بر فلز داشته باشند. آلیاژ 802N یک فولاد زنگ نزن نیکل بالا (حدود %33) برای استفاده در محیط های خورنده مهاجم است.
عوامل موثر در انتخاب فولادهای زنگ نزن
فولادهای زنگ نزن بر اساس مقاومت به خوردگی، خصوصیات تولید، قابلیت دسترسی، خواص مکانیکی در محدوده دمایی خاص و هزینه تولید انتخاب می شوند. به هر حال، معمولا مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی جزء مهمترین عوامل در انتخاب یک گروه خاص برای یک کاربرد ویژه است.
خصوصیاتی که در انتخاب یک نوع مناسب فولاد زنگ نزن برای کاربردهای خاص در نظر گرفته می شود، شامل:
مقاومت به خوردگی
مقاومت به اکسید شدن و سولفید شدن
استحکام و انعطاف پذیری در دمای محیط و دمای سرویس
سازگاری با تکنولوژی ساخت مورد نظر
سازگاری با روش های تمیزکاری مورد نظر
سازگاری خواص با شرایط سرویس
چقرمگی
مقاومت به سایش، رُفتگی و چسبندگی
پرداخت سطحی و/یا بازتاب
خصوصیات فیزیکی، مثل خواص مغناطیسی، هدایت حرارتی و مقاومت الکتریکی
هزینه کلی، شامل هزینه اولیه، هزینه نصب و ضریب عمر مفید محصول نهایی
دسترسی به محصول
مقاومت به خوردگی یک خصوصیت مهم فولادهای زنگ نزن است، اما ارزیابی آن برای کاربرد خاص بسیار مشکل می باشد. معمولا مقاومت به خوردگی در برابر محلول های خالص به راحتی با هم مقایسه شده است، اما در مورد محیط های واقعی اطلاعات کاملی در دسترس نیست.
معمولا، خوردگی اهمیت کمتری نسبت به انوع موضعی آن مثل ، خوردگی شیاری در فضاهای تنگ یا زیرپوشش ها، خوردگی حفره ای و خوردگی بین دانه ای در مواد حساس مثل مناطق متاثر از حرارت جوش، دارد. چنین خوردگی های موضعی می تواند باعث تخریب و شکست های غیرمنتظره و ناگهانی شود که بیشتر ساختار بدون آسیب باقی مانده ولیکن سازه اصلی دچار تخریب و از هم گسیختگی شده است. باید در طراحی و انتخاب گروه های مناسب فولاد زنگ نزن دقت کافی شود.
حمله خوردگی توسط ناخالصی های بسیار کم در محیط که ممکن است به سختی مقدار آن ها قابل پیش بینی باشد، افزایش می یابد. این ناخالصی ها ممکن است از طریق تماس در حین نورد به داخل ماده وارد شوند. اثرات این ناخاصی ها ممکن است شامل انتقال حرارت از فولاد به یا از محیط خورنده، تماس با مواد فلزی غیرمشابه، جریان الکتریکی و سایر عوامل موثر باشد
