فولادهای زنگ نزن دوفازی-بخش اول

 

جدیدترین خانواده فولادهای زنگ نزن آلیاژهای دو فازی است. این آلیاژها فریت و آسیتنت در ساختارشان دارند که موجب بالاترین استحکام نسبت به هریک از فازها به تنهایی می شود. آلیاژهای دو فازی دارای حداقل %20 کروم هستند، از این رو آن ها به عنوان آلیاژهای با مقاومت به خوردگی بالا شناخته می شوند، اما آلیاژهای دما بالا نیستند، زیرا دارای فازهای ترد هستند. مقدار نیکل کم آن ها موجب می شود نسبت به آلیاژهای آستنیتی مقرون به صرفه تر باشند، مخصوصا هنگامی که استحکام بالاتر آن ها برای کاهش میزان ماده مصرفی در نظر گرفته می شود. آن ها اصولا در آینده جایگزین آلیاژهای  316 و  317 می شوند.

 

1-مقدمه

فولادهای زنگ نزن دو فازی جدیدترین و رو به رشدترین گروه آلیاژی در خانواده فولاد زنگ نزن است. آن ها به فولادهای زنگ نزن دو فازی شناخته می شوند، زیرا در دمای اتاق شامل دو فاز هستند: فریت و آستنیت. این گروه در دهه 1920 کشف شده، آن ها تا به امروز رشد چشمیگری داشته اند. آن ها شامل استحکام، چقرمگی عالی و مقاومت به خوردگی خوب هستند. آن ها همچنین مقاومت خوبی در برابر ترک خوردن خوردگی تنشی ( Stress Cracking Corrosion ) و خستگی خوردگی دارند. گروه های کم آلیاژ مثل 2304 (متناسب با  316 در مقاومت به خوردگی) اما دارای استحکام تسلیم حدود دو برابر هستند، در حالی که گروه های پرآلیاژتر مثل 2507 شامل %6 مولیبدن مشابه آلیاژهای سوپرآستنیتی در مقاومت به خوردگی هستند، در حالی که استحکام بالاتری دارند. محدودیت آن ها در چقرمگی دما پایین، عدم توانایی به مقاومت در دمای بالاتر از  300 بدون تشکیل فازهای ترد است. اما در محدوده 100- تا  300 آن ها مواد خوبی هستند. با این وجود، این آلیاژهای دو فازی به خوبی رشد کردهاند و گسترش کابرد آن ها به موارد زیر بستگی داشته است:

-آیا قیمت نیکل و مولیبدن نیرو محروکه برای جایگزین این مواد به جای گروه آستنیتی خواهد بود؟
-آیا تولید کنندگان برای صرفه جویی هزینه های تولید این مواد را توسعه می دهند؟
-آیا تولید کنندگان روش های قابل اعتماد و مطمئن تری برای تولید محصولات از این مواد ارائه می کنند؟
-آیا طراحان با استفاده از این مواد می توانند نسبت بالای استحکام تسلیم به استحکام کششی را به دست آورند؟
مفهوم فولادهای زنگ نزن دو فازی بسیار ساده است: جزائری از آستنیت در یک زمینه پیوسته از فریت پرآلیاژ (شکل 1). این ترکیب در اصل استحکام بالایی به دلیل اصلاح ساختار دو فازی و افزایش استحکام تسلیم بر اساس رابطه هال-پچ و همچنین سخت گردانی محلول جامد (مخصوصا نیتروژن) دارد. علاوه بر این، عدم حضور فاز آستنیتی پیوسته موجب کاهش   از طریق ممانعت از اشاعه ترک  در آستنیت می شود که این کار توسط فاز فریت انجام می شود.

شکل 1: ریزساختار فولاد دو فازی 2205 کار شده.

بهینه سازی سیستم آلیاژی دو فازی با دو پدیده انجام می شود که هر دو مرتبط با نیتروژن است. ابتدا کنترل نیتروژن در فرایند کربن زدایی توسط آرگون-اکسیژن که به کنترل مقدار نیتروژن تا حد انحلال پذیری کمک می-کند. دوم، فهم ترمودینامیکی سیستم آلیاژی به دلیل فهم و استفاده از مدل های کامپیوتری است.
از این رو، این آلیاژها در اولین 50 سال ابداع آن ها به سرعت پیشرفت کردند و گروه های جدید با مقدار نیتروژن بیشتر توسعه یافتند. علاوه بر این، آلیاژهایی با کاربرد و کارپذیری بهتر روانه بازار شده است.

 

2-ساختار و طراحی آلیاژ

ساختار ایده آل یک گروه دو فازی شامل نسبت 50 به 50 آستنیت به فریت در همه دماهایی است که از آن ها استفاده می شود. آستنیت به صورت جزیره هایی در زمینه فریت است و هر فاز دارای مقاومت به خوردگی مساوی است، با این که با هم اختلاف ترکیب شیمیایی دارند. زمان زیادی به طول انجامید تا این نظریه ثابت شود.
شکل 2 نمودار سرد کردن پیوسته آلیاژ Ni-Cr-Fe را نشان می دهد. نقاط برجسته آلیاژهای متداول هستند که تقریبا به دو میدان فازی آستنیت و فریت تقسیم شده اند. همچنین کاملا روشن است که ترکیب شیمیایی آستنیت و فریت باید معادل سازی شود.

 

شکل 2: نمودارهای فازی آهن-نیکل-کروم. ناحیه حاشور زده ناشی از اضافه کردن نیتروژن است.

 

فریت مقدارکروم بیشتری نسبت به آستنیت دارد، از این رو، مقاومت به خوردگی حفره ای ناشی ازکروم بیشتر از مقاومت به خوردگی حفره ای آستنیت است، زیرا در فولادهای زنگ نزن دو فازی عدد مقاومت به خوردگی حفره ای از رابطه زیر به دست می آید:

PERN=%Cr+3/3%Mo+16×%N

اگر یک واحد مولیبدن اضافه شود تا مقاومت به خوردگی حفره ای افزایش یابد، به طور ترجیحی مقاومت به خوردگی حفره ای فریت افزایش می یابد و اختلاف بین دو فاز زیاد می شود.
اضافه کردن نیتروژن تقریبا به طور کامل در آستنیت حل می شود و این موجب کاهش اکتیویته کروم و در نتیجه جذب موثر کروم بیشتر در فاز آستنیت می شود. این پدیده آستنیت را پایدار می سازد و نسبت فریت به آستنیت را با دما ثابت نگه می دارد. مقاومت به حفره ای شدن آستنیت به طور قابل توجهی افزایش داده شده و معادل با فریت می شود. علاه بر این، نیتروژن موجب سخت گردانی محلول جامد آستنیت می شود و تشکیل فازهای بین فلزی را به تاخیر می اندازد که برای یک عنصر با ارزش اقتصادی کم بسیار خوب است.

نرم افزار ترموکالک یک ابزار مفید در فهم و طراحی بهتر فولادهای زنگ نزن دو فازی است. بدون کمک از مدل-های کامپیوتری ترمودینامیکی، سهم عناصر آلیاژی مختلف به سختی قابل درک است. شکل 3 نمودار ایزوپلت ترکیب شیمیایی 2205 را نشان می دهد که بیان کننده تاثیر اضافه کردن نیکل است. آلیاژ 2205 به عنوان مهمترین آلیاژ گروه فولادهای زنگ نزن دو فازی شناخته می شود، دارای عدد مقاومت به خوردگی 35 است و در مواردی که مقاومت به خوردگی فریت و آستنیت به تنهایی مناسب نباشد، بسیار کاربردی است. مقاومت به خوردگی آن بیشتر از L317 (3=PREN) و کمتر از آلیاژهای حاوی %6 مولیبدن مثل XN6-Al (45= PREN)  و سوپرفریتی (Mo4-Cr28) است. با تغییر کروم، نیکل و مولیبدن، آلیاژهای با مقادیر عناصر آلیاژی کم را می توان طراحی کرد که موجب کاهش هزینه تولید می شود. بر عکس، آلیاژهای با مقاومت به خوردگی بیشتر با عدد مقاومت به خوردگی حفره ای بیشتر را می توان به کار گرفت (شکل 3). شکل 4 ایزوپلت آلیاژ دو فازی 2507 را نشان می دهد.

 

شکل 3: نمودار آهن-نیکل برای %22کروم-%3مولیبدن-%15/0 نیتروژن.

 

سهم عناصر (شکل 5) در آستنیت و فریت بسیار مهم است. تمایل به توزیع وظیفه اصلی دما است. شکل 6 نشان می دهد که با افزایش دما، توزیع عناصر تا ̊C 1300 کاهش می یابد، این برای عناصر آلیاژی جانشین متداول تقریبا یک واحد است. برای نیتروژن، با افزایش دما تمایل به توزیع و جدایش در آستنیت زیاد می شود.

 

شکل 4: نمودار فازی آهن-نیکل برای %25کروم-%4مولیبدن-%25/0 نیتروژن. N: نیترید، χ فاز چی،σ: فریت وγ: آستنیت.

 

 

شکل 5: تمایل به توزیع عناصر مختلف بین فریت و آستنیت.

یک مشکل در این نوع فولادها آن است که در حین حرارت آستنیت از فریت تشکیل می شود، به عنوان مثال در حین جوشکای یا تاب کاری. از این رو، مقادیر بسیار کمی نیتروژن در فریت وجود خواهد داشت. اگر زمان حرارت دادن ایمکان این پدیده نباشد، آستنیت ثانویه دارای نیتروژن کمی خواهد بود. از این رو، کمی مقاومت به خوردگی حفره ای حاصل می شود (شکل 7-ه).نیتروژن پایداری فازی را تغییر می دهد و باعث می شود آستنیت در دماهای بالاتر پایدار باشد. این مانع تشکیل بیش از اندازه در جوش می شود و به نسبت 50 به 50 کمک زیادی می کند. آستنیت ثانویه با نیتروژن کم از طریق نفوذ اصلاح می شود.

 

شکل 6: تغییرات نسبت توزیع با دما.

 

شکل 7: الف)ساختار دو فازی در حالت ریخته گری شده، آستنیت در زمینه فریت کاملا مشخص است، ب)فولاد 2205 تاب کاری شده، فاز آستنیت حاوی دو قلویی است، ج(فولاد 2205 جوشکاری شده، جوش حاوی فریت بیشتری نسبت به آستنیت است که به دلیل نرخ سرد شدن بیشتر می باشد، د)جوش مشابه با حالت ج بعد از عملیات همگن سازی و  ه)اضافه کردن 7 درصد وزنی مولیبدن، مناطق تاریک آستنیت ثانویه است.

 

یک جنبه مهم از طراحی آلیاژ در فولادهای زنگ نزن جلوگیری از تشکیل فازهای ناخواسته است. فولادهای زنگ-نزن دو فازی دارای همه مشکلات بالقوه با فازهای ترد در فولادهای زنگ نزن فریتی و آستنیتی هستند، زیرا آن ها ترکیبی از این دو فاز هستند. فریت دو فاز ترد اصلی α΄ و σ دارد. فاز α΄ معمولا ناشی از شکاف عدم امتزاج در سیستم آهن-کروم است که فریت تحت تجزیه تیزه ای به α غنی از آهن (فریت) و α΄ غنی از کروم تبدیل می-شود. مقادیر زیاد کروم یا حضور مس یا مولیبدن این واکنش را تسریع می کند که از رابطه آرنیومسی با حداکثر مقدار در ̊C 600 پیروی می کند. شکل 8 سینتیک تشکیل α΄ برای 5 آلیاژ دو فازی را نشان می دهد. در حالی که گروه های فازی دارای مقاومت به خوردگی، اکسیداسیون و استحکام دما بالا هستند، فاز α΄ این σ وارد را تا زیر ̊C 315 کاهش می دهد. فریت و آستنیت هر دو فازهای بین فلزی تشکیل می دهند که فاز σ مخرب ترین آن ها است. این فاز ترد است و در مرزدانه ها تشکیل می شود، از این رو، رسوب آن بر چقرمگی تاثیر زیادی می گذارد. کار سرد موجب تسریع فرایند رسوب گذاری می شود. مناطق اطراف فاز σ تشکیل شده معمولا کروم و مولیبدن کمی دارند، از این رو، آلیاژ را به خوردگی موضعی مستعد می کنند.

 

شکل 8: سینتیک تشکیل.

 

شکل 9 نمودار دما-زمان-استحاله فولادهای زنگ نزن پرآلیاژ شامل آستنیت، فریت و دو فازی را نشان می دهد. همه این آلیاژها ساختار فریت، آستنیت و دو فازی دارند که کروم و مولیبدن در آن ها بالا است و به مشکل تشکیل فاز مخرب σ دچار هستند. این به دلیل استفاده از نیتروژن به جای مولیبدن است که برای آلیاژهای ارزان و کم آلیاژ مناسب است. شکل 10 کاهش شدید در تشکیل فاز σ در آلیاژ 2003Al در مقایسه با آلیاژ 2205 با مولیبدن بیشتر را نشان می دهد. فازهای بین فلزی دیگری در فولادهای زنگ نزن دو فازی دیده می شود، آن ها شامل χ، R، π و τ هستند.

 

شکل 9: سینتیک تشکیل فاز سیگما در آلیاژهای مختلف.

 

 

شکل 10: تاخیر در رسوب در آلیاژ دو فازی 2003 کم آلیاژ.

 

کاربیدها و نیتریدها در آلیاژهای دو فازی تشکیل می شوند. هنگامی که فریت در دمای بالا از نیتروژن غنی می شود و سریع سر می گردد نیترید کروم (N2Cr) تشکی می شود. این پدیده در حین جوشکاری دیده می شود. حضور این فاز موجب کاهش مقدار کروم و کاهش مقاومت به خوردگی می شود. تشکیل کاربید به راحتی موجب اتلاف کروم در آلیاژهای دو فازی نمی شود، زیرا در مرزدانه های فریت-آستنیت رسوب می کند.