آلیاژهای استلایت- بخش چهارم: مقاومت به خوردگی آلیاژهای استلایت
آلیاژهای استلایت (stellite) جز سوپرآلیاژهای پایه کبالت است که برای اهداف مختلف در صنایع متفاوت طراحی شده اند. از این آلیاژها در بسیاری از صنایع مثل موتور توربین گازی، تولید روغن و پالایش آن، صنایع فرآوری شیمیایی و محیط های با دمای زیاد، تنش زیاد و خورندگی بالا استفاده می شود. آلیاژهای استلایت ترکیبی از خواص مکانیکی و تریبولوژیکی بسیار خوب مثل تنش و سختی زیاد، مقاومت به سایش خراشان و چسبان بسیار خوب و مقاومت به حباب زدگی-رفتگی بسیار عالی هستند.
به طور کلی، آلیاژهای استلایت مقاومت به خوردگی (Corrosion resistance) خوبی در محیط های خورنده و اکسید کننده دارند، زیرا مقدار کروم آن ها زیاد است. مقاومت به خوردگی آلیاژهای تک فاز بیشتر از آلیاژهای چند فاز است و این ناشی از فصل مشترک های کمتر بین فازها است. بنابراین، از نظر خوردگی، آلیاژهای استلایت به دو گروه تقسیم بندی می شوند. آلیاژهای با مقدار کربن کم (حدود 025/0 تا 15/0 درصد وزنی) که برای استفاده در محیط های با خورندگی زیاد کاربرد دارند (در دماهای بالا یا جاهایی که انعطاف پذیری بسیار مهم است)، زیرا فصل مشترک های کمتری در ریزساختار آن ها وجود دارد. آلیاژهای با مقدار کربن زیاد (1 تا بیشتر از 3 درصد وزنی) که سختی بیشتری دارند و برای شرایط سایش خراشان کم تنش (و سایر انواع سایش) مناسب است، اما انعطاف پذیری آن ها کم است. در آلیاژهای استلایت با مقدار کربن زیاد مقاومت به خوردگی در محیط های آبی کم است که به دلیل رسوب کاربیدهای مرزدانه ای، عناصر آلیاژی کم در زمینه و جدایش شیمیایی در زمینه ساختار است. به عنوان مثال، استلایت 1، استلایت 6، استلایت 12 و استلایت 21. بر اساس نقش عناصر آلیاژی مختلف، عناصر کروم، مولیبدن و تنگستن انحلال پذیری بالایی در ساختار fcc و hcp دارد. کروم به آلیاژهای استلایت اضافه می شود تا لایه روئین (Passive) در گستره وسیعی از پتانسیل تشکیل شود و مقاومت به اکسیداسیون ایجاد کند. مولیبدن و تنگستن مقاومت به خوردگی را با حالت فعال افزایش می دهند. نیکل پایدار کننده ساختار fcc است و علاوه بر این، انعطاف پذیری در شرایط سرویس را بهبود، مقاومت به اسیدهای معدنی و ترک خوردن خوردگی تنشی را افزایش می دهد.
محیط خورنده (اسیدها) نیز می توانند اکسید کننده یا احیا کننده باشند. برخی فلزات در برابر اسیدهای اکسید کننده مثل اسید نیتریک مقاوم هستند، در حالی که سایرین در برابر اکسیدهای احیاء کننده مثل اسید هیدروکلریدریک و سوفلوریک مقاوم می باشند. مطالعات بر مقاومت به خوردگی تعدادی از آلیاژهای استلایت مثل استلایت 21، استلایت 25، استلایت B6 و ... در اسید سولفوریک (H2SO4) و اسید هیدروکلریدریک (HCl) انجام شده است، گزارشات نشان می دهد که آلیاژهای با مقادیر بالار کروم و مولیبدن مقاومت به خوردگی مشابهی در H2SO4 رقیق دارند. در H2SO4 و HCl، مقدار کبالت بر رفتار آلیاژهای استلایت حاکم است، همچنین حداقل مقدار کروم و مولیبدن یا تنگستن وجود دارد. مقاومت به خوردگی آلیاژهای استلایت در برابر اسید نیتری رقیق شده بسیار خوب است، به دلیل مقدار کروم مناسب می باشد. به هر حال، در محیط اسید نیتریک غلیظ استلایت B6 که مقدار کروم بالایی دارد، نرخ خوردگی بالایی نیز نشان می دهد، در حالی که استلایت 25 که شامل مقدار کروم کمتر است، نرخ خوردگی کمتری دارد. این ناشی از مقدار کربن بالای استلایت B6 است. مقدار کربن و کروم بالا در این آلیاژ باعث تشکیل کاربیدهای کروم برای مقاومت به سایش خراشان می شود، اما اسید نیتریک غلیظ به فلزهای غنی از کروم مثل فاز سیگما (σ) و کاربیدهای غنی از کروم حمله می کند.
مقاومت به خوردگی موضعی (خوردگی حفره ای و شیاری) آلیاژهای استلایت معمولا با مقدار کروم، مولیبدن وتنگستن تعیین می شود که با آزمون های غوطه وری در محلول های کلریدی اکسید کننده یا آزمون الکتروشیمیایی در محلول های کلریدی اندازه گیری می شود. نتایج آزمایشگاهی بر استلایت 21، استلایت 25، استلایت B6 در محلول های اکسید کننده حاوی کلرید نشان داد که استلایت 25 بالاترین و استلایت B6 کمترین مقاومت به خوردگی را دارند. در آلیاژهای با مقادیر زیاد تنگستن (به عنوان مثال استلایت 25) و مقادیر زیاد کروم+مولیبدن (به عنوان مثال استلایت 21) نرخ خوردگی کمتر است.
از آلیاژهای استلایت برای مقاومت در برابر تردی هیدروژنی استفاده می شود، مخصوصا در جاهایی که فولادها با این مکانیزم آسیب می بینند. حساسیت به تردی هیدروژنی با استحکام تسلیم در ارتباط است. با توجه به این که آلیاژهای استلایت استحکام تسلیم و کششی بالاتری نسبت به آلیاژهای پایه نیکل دارند، از این رو، پتانسیل تردی هیدروژنی در آلیاژهای استلایت ممکن است زیادتر باشد. آلیاژهای استلایت تاب کاری شده (آنیل شده) به تردی هیدروژنی (حتی در شرایط با مقدار هیدروژن زیاد )حساس نیستند. آلیاژهای استلایت مقاومت بسیار عالی به حمله خوردگی دما بالا در محیط های اکسید کننده، سولفیدی و کربن ده دارند.
رفتار خوردگی و اکسیداسیون آلیاژهای استلایت را می توان با اضافه کردن عناصری مثل نیکل، مس یا مولیبدن تحت تاثیر قرار دارد. 6 آلیاژ با مقادیر نزدیک کربن، کروم و تنگستن و مقادیر متفاومت نیکل، مس و مولیبدن در جدول 1 آورده شده است که برای بررسی مقاومت به خوردگی در H2SO4%10 و در محلول های آبی شامل HF%2+ H2SO4%13+P2O4%28 در دمای اتاق به مدت 192 ساعت و در محلول H2SO4%13+P2O4%28 در دمای ℃60 به مدت 140 ساعت بررسی شده است. نتایج آزمایشگاهی در شکل 2 نشان می دهد اتلاف وزن در هر دو محلول تقریبا مشابه است. اضافه کردن نیکل و مس موجب می شود تا لایه روئین در کل فرایند حفظ شود. بررسی ها نشان داده است که اضافه کردن فقط نیکل، مس و مولیبدن اتلاف وزن نسبتا زیادی ایجاد می کند. این مربوط به رسوب ذرات مس در زمینه آلیاژ است. دما تاثیر زیادی بر مقاومت به خوردگی آلیاژها دارد. مولیبدن مقاومت به خوردگی آلیاژ در دماهای زیاد را بهبود می دهد. اضافه کردن مس و نیکل همچنین اثرات مطلوبی دارد. به نظر می رسد این اثر برای ترکیب دوتایی و سه تایی از این عناصر بیشتر باشد.
الف
ب
شکل 1: مقاومت به خوردگی آلیاژهای استلایت با مقادیر مختلف از نیکل، مس و مولیبدن. الف)در دمای اتاق و ب)در دمای ℃60 در محلول شامل HF%2+ H2SO4%13+P2O4%28.
مقاومت به خوردگی آلیاژهای استلایت به خوبی آلیاژهای پایه نیکل نمی باشد، زیرا با اضافه کردن کروم غلبه بر لایه غیرمحافظ CoO مشکل می شود. این مشکل در توسعه آلیاژ استلایت 188 از طریق استفاده از مقادیر کم لانتانیوم (0/03درصد وزنی) حل شده است. خوردگی داغ یک مسئله پیچیده است که شامل خوردگی از طریق اکسیداسیون و سولفید شدن هنگام رسوب Na2SO4 بر سطح آلیاژ رخ می دهد. Na2SO4 هنگامی تشکیل می شود که گوگرد در سوخت با NaCl در بخار هوا واکنش می دهد که در محیط های دریایی نیز ممکن است اتفاق بیفتد. این نوع از خوردگی مخصوصا در دماهای ℃870 تا ℃950 بسیار شدید است. معمولا مقاومت به خوردگی داغ آلیاژهای استلایت بهتر از آلیاژهای پایه نیکل است. استلایت 188 مقاومت به خوردگی داغ بسیار بهتری نسبت به اسلایت 25 دارد (شکل 2).
شکل 2: خوردگی داغ آلیاژهای استلایت در نمک ppm50 محیط سوخت با گوگرد %4/0 در دمای ℃900.
استلایت 21 مقاومت بهتری به ترک خوردگ خوردگی تنشی در محلول های رینگر (Ringer) در دمای ℃37 نسبت به محلول MgCl2 %30 جوشان دارد و همچنین نمونه ریختگی مقاومت بهتری نسبت به ترک خوردن خوردگی تنشی نسبت به نمونه کار شده و متالورژی پودر نشان می دهد. آزمون متالوگرافی نشان داد هنگامی که زمان آزمون کوتاه باشد (9 ساعت)، همه نمونه ها به جزء نمونه های ریختگی در محلول MgCl2 دچار ترک خوردن خوردگی تنشی می شوند. برای زمان های طولانی (حدود 14 ساعت) ترک خوردن خوردگی تنشی در نمونه ریختگی نیز اتفاق می افتد. ترک خوردن خوردگی تنشی در نمونه های با محلول رینگر مشاهده نشده است.