فصل اول: فولاد ضد زنگ
اشاره
عکس
ص: 9
سر شناسه: بخت آور، مجتبی، 1382 -
عنوان و نام پدید آور: فولاد های ضد زنگ/ گرد اورندگان مجتبی بخت آور، محمد حسین بختیاری؛ ویراستار علمی مهسا صالحیان، سمیه مظفری، علی رضا مردیها.
مشخصات نشر: اصفهان: انتشارات امیر فدک، 1397.
مشخصات ظاهری: 70 ص.: مصور.
شابک: 4 - 57 - 6521 - 622 - 978: 400000 ریال
وضعیت فهرست نویسی: فیپا
موضوع: فولاد ضد زنگ
موضوع: Stainless steel
موضوع: فولاد ضد زنگ -- جوش کاری
موضوع: Sted, Stainless -- Welding
شناسه افزوده: بختیاری، محمد حسین، 1382 -
رده بندی کنگره: TA 479 / ف 9 ب 3 1397
رده بندی دیویی: 620/17
شماره کتاب شناسی ملی: 5549229
خیراندیش دیجیتالی: کانون فرهنگی اندیشه اصفهان
ویراستار کتاب: زهرا سوسنی
ص: 1
سر شناسه: بخت آور، مجتبی، 1382 -
عنوان و نام پدید آور: فولاد های ضد زنگ/ گرد اورندگان مجتبی بخت آور، محمد حسین بختیاری؛ ویراستار علمی مهسا صالحیان، سمیه مظفری، علی رضا مردیها.
مشخصات نشر: اصفهان: انتشارات امیر فدک، 1397.
مشخصات ظاهری: 70 ص.: مصور.
شابک: 4 - 57 - 6521 - 622 - 978: 400000 ریال
وضعیت فهرست نویسی: فیپا
موضوع: فولاد ضد زنگ
موضوع: Stainless steel
موضوع: فولاد ضد زنگ -- جوش کاری
موضوع: Sted, Stainless -- Welding
شناسه افزوده: بختیاری، محمد حسین، 1382 -
رده بندی کنگره: TA 479 / ف 9 ب 3 1397
رده بندی دیویی: 620/17
شماره کتاب شناسی ملی: 5549229
ص: 2
فولاد های ضد زنگ
گرد آورندگان:
مجتبی بخت آور
دانش آموز پایه ی نهم دبیرستان دکتر محمد شفیعی
محمد حسین بختیاری
دانش آموز پایه ی نهم دبیرستان دکتر محمد شفیعی
ص: 3
انتشارات امیر فدک: اصفهان- خیابان هشت بهشت غربی نبش تقاطع ملک ساختمان فدک
تلفن: 32730360 - 031 - همراه: 09133135694 کد پستی: 43151 - 81546
Fadak.mansori@gmail.com
فولاد های ضد زنگ
مجتبی بخت آور 82 - محمد حسین بختیاری 82
آماده سازی: انتشارات امیر فدک
مدیر مسئول: دکتر محمد رضا محمد شفیعی
مدیر تولید: سید محمد رضا منصوری تهرانی
مدیر فنی: صالحیان - مظفری
ویراستار ادبی: جوهریان
ویراستار علمی: مظفری - نادر سلطانی - علی رضا مردیها
صفحه آرا: عابدی- کاویانی
طراح جلد: کاویانی
● لیتوگرافی: طاها ● چاپ: ملت ● صحافی: ملت
● چاپ اول: 1397 ● تعداد: 1000 ● قیمت: 40000 تومان
© حق چاپ: 1397، انتشارات امیر فدک
شابک: 4-57-6521-622-978 ISBN: 978-622-6521-57-4
هر گونه استفاده از مطالب این کتاب اعم از باز نویسی، خلاصه سازی، نقل مطالب آموزشی، برداشت به صورت دست نویس، کپی، تکثیر و هر گونه چاپ سنتی و دیجیتال، استفاده به صورت کتاب الکترونیکی، لوح فشرده، قرار دادن مطالب بر روی اینترنت و وبسایت ها و هر گونه شبکه ی کامپیوتری دیگر و به طور کل هر گونه استفاده ی اشخاص حقیقی و حقوقی در جهت منافع مادی و معنوی خود، بدون اجازه ی کتبی ناشر ممنوع و بر اساس بند 5 ماده ی 23 قانون حمایت از حقوق مؤلفان و مصنفان و قوانین مربوط به جرایم رایانه ای کشور قابل پیگیری در محاکم قضایی است.
ص: 4
پدر و مادر عزیز و مهربانم
که در سختی ها و دشواری های زندگی همواره یاوری دل سوز و فداکار
و پشتیبانی محکم و مطمئن برایم بوده اند.
مجتبی بخت آور
تقدیم به:
پدر و مادرم
که از نگاهشان صلابت
از رفتارشان محبت
و از صبرشان ایستادگی را آموختم
محمد حسین بختیاری
ص: 5
در مرکز تحقیقات و فنآوری های نوین دمش سپاهان (دکتر محمد شفیعی) آموزش پژوهش محور را نهادینه کردیم، چرا که ایمان داریم گسترش مرز های علم و فنآوری در جهت پیشرفت کشور در گرو کوشش پژوهشگران است و پژوهشگر با ذهن پرسشگرش از لایه های ابر گرفته آسمان دانش می گذرد، تا به افق های جدیدی دست یابد. روح پژوهشگر، پویا و جوینده است و پوسته های جهل
را شکافته، به قنات جاری علم دست می یابد و تا چشمه ی جوشان آن را بر کویر تشنه خویش جاری نسازد، آرام نمی گیرد. در مراکز پژوهش محور دکتر محمد شفیعی اعتقاد داریم؛ پژوهش هزینه نیست، سرمایه است. در اقدامات پژوهشی این مراکز پژوهشی، پژوهشگران کوچک ما تلاش می کنند وضعیت نامطلوب را به وضعیت مطلوب تغییر دهند و یاد می گیرند درست توجه کنند و بدان چه که آموخته اند عمل کنند.
دانش آموزان پژوهنده ی ما می فهمند که هیچ گاه شکست در مسیر کسب دانش وجود ندارد، لذا از ناملایمات علمی و بن بست های مقطعی هراسی نداشته و راه غلبه بر سد های مجازی پیش روی کسب دانش و ارتقای علمی را خوب یاد بگیرند. علاوه براین اصول و مبنای کار گروهی را فرا گرفته تا بتوانند بر اساس خرد جمعی کار کنند. با بیش از 25 سال سابقه آموزشی – پژوهشی و مدیریتی دریافته ایم که پژوهش و تحقیق مثل حروف الفبا باید از سال های نخست آموزش شروع شده و نهادینه شود، و این امر مهم را در طرح آموزش پژوهش محور انجام داده و به نتایج شگرفی دست یافته ایم و با علم به این که می دانستیم دانش آموزان در مقاطع پایین تر توانایی های بزرگی دارند و در عمل تجربه نمودیم و نهادینه کردیم و مصمم هستیم که این امر مهم در کل کشور اجرایی شود. انشا ا...
محمد رضا محمد شفیعی
مدیر مجتمع فرهنگی آموزشی تحقیقاتی دکتر محمد شفیعی
ص: 6
فصل اول...9
تاریخچه...10
فولاد ضد زنگ (استنلس استیل)...10
فولاد ضد زنگ چیست؟...11
آیا فولاد ضد زنگ، زنگ می زند...13
دلیل پاک شدن لایه کروم در عملیات حرارتی...13
فولاد ضد زنگ...14
آلیاژ ها...14
آینده فولاد ضد زنگ...15
فصل دوم...16
انواع فولاد ضد زنگ...17
انواع آلیاژ افزودنی...18
راهنمای انتخاب انواع فولاد ضد زنگ...31
متالورژی فولاد ضد زنگ آستنیتی...31
کاربرد های فولاد های ضد زنگ برای مبدل های حرارتی...32
معایب فولاد ضد زنگ...33
خواص مکانیکی برای کاربرد های برودتی و دما بالا...33
عناصر آلیاژی و ریز ساختار فولاد های ضد زنگ...33
فصل سوم...35
مکانیزم های مقاوم به خوردگی در فولاد ضد زنگ...36
رفتار های پسیو و اکتیو فولاد ضد زنگ...36
مقاومت فولاد ضد زنگ به انواع مختلف خوردگی...37
خوردگی شیاری فولاد ضد زنگ...37
دمای بحرانی خوردگی شیاری...38
مقایسه خوردگی شیاری و حفره دار شدن فولاد ضد زنگ...38
انواع خوردگی...39
خوردگی تنشی اسید پلی تیونیک...41
ص: 7
روش های جلوگیری از خوردگی تنشی فولاد های ضد زنگ...42
خوردگی بین دانه ای فولاد ضد زنگ...43
راه حل های مرتبط با تنش...44
فاکتور های موثر بر خوردگی جوش...44
تاریخچه حرارتی...44
تنش ها...44
محیط...45
روش های غلبه بر خوردگی جوش در فولاد ضد زنگ...45
ساخت فولاد های ضد زنگ آستنیتی...47
اسید شویی...48
رویین شدن...48
روش های مکانیکی برش...49
روش های برش گاز...49
فولاد ضد زنگ سوپر آستنیتی...50
جوش کاری فولاد ضد زنگ سوپر آستنیتی...51
فرآیند های جوش کاری فولاد ضد زنگ سوپر آستنیتی...52
عملیات حرارتی پس از جوش کاری فولاد ضد زنگ سوپر آستنیتی...52
مقاومت به خوردگی جوش فولاد ضد زنگ سوپر آستنیتی...53
جوش کاری قوس فلزی محافظت شده...55
جوش کاری...55
فرآیند های جوش کاری فولاد ضد زنگ آستنیتی...56
انتخاب فلز پر کننده...58
کاربرد فولاد ضد زنگ در معماری...58
منابع...63
ص: 8
عکس
ص: 9
در سال 1913، هری بریرلی از شفیلد انگلستان، فولاد بدون زنگ را کشف کرد. اگر چه قبل از آن تلاش هایی انجام شده است، بریرلی به اختراع اولین فولاد ضد زنگ واقعی مفتخر شده است، که حاوی 8 تا 12 درصد کروم بود. او کروم را به آهن مذاب برای تولید فلزی که زنگ نمی زند اضافه کرد. کروم یک عنصر کلیدی است، به صورتی که مقاومت در برابر خوردگی را فراهم می کند.
بریرلی به این کشف هنگام تلاش برای حل مساله فرسایش سطوح داخلی بشکه های باروت برای ارتش بریتانیا در طول آغاز جنگ جهانی اول رسید. بعد از کشف اولیه، بهبود های بیش تری برای فولاد ضد زنگ در گام های نسبتا سریع رخ داده است. در سال 1919 میلادی، الوود هاینز به یک اختراعی در فولاد ضد زنگ مارنتزیتی دست یافت، در سال 1929 میلادی ویلیام کرول از لوکز امبروگ اولین کسی بود که فولاد ضد زنگ با سخت کاری رسوبی را کشف کرد و در سال 1930 میلادی فولاد ضد زنگ دوگانه اولین بار در سوئد در آهنگری اوستا تولید شد.
عکس
گروه وسیع و گسترده ای از آلیاژ های ویژه ای که بیش تر برای مقاومت در برابر خوردگی توسعه یافته اند را فولاد ضد زنگ می نامند. از جمله ویژگی های ممتاز برای این دسته از آلیاژ ها شکل پذیری عالی، چقرمگی زیاد در دمای اتاق، دمای پایین و مقاومت خوب در برابر پوسته شدن، اکسایش و خزش در دمای بالا می باشد که
ص:10
خواص خود را نیز تا دما های بالا حفظ می کنند. فولاد های ضد زنگ جزء دسته فولاد های آلیاژی حاوی مقادیر قابل توجهی کروم می باشند. حداقل عنصر کروم متعارف در این دسته از فولاد ها 11 درصد می باشد و برای این که آلیاژ های آهنی خاصیت ضد زنگ داشته باشند میزان کروم در آن ها نباید کم تر از این مقدار باشد.
عکس
فولاد یکی از مهم ترین آلیاژ ها است و همه ساله میلیون ها تن از آن در جهان تولید می شود. این فلز مصرف های بسیار گوناگونی دارد، از لوازم آشپز خانه گرفته تا ریل های سنگین راه آهن، همه را از فولاد می سازند. آلیاژ فولاد از آمیختن کربن با آهن درست می شود. اما فولاد ضد زنگ یکی از مهم ترین انواع آلیاژ فولاد می باشد.
کشف این آلیاژ جدید، به این گونه رخداد که روزی دانشمندان متوجه شدند اگر بر فولاد، حدود 10 تا 20 درصد فلز کروم و اندکی نیکل بیفزایند، فولادی به دست می آید که در برابر زنگ زدگی و حمله اسید ها، مقاومت خواهد کرد. پس فولاد ضد زنگ همان فولاد معمولی است، که مقداری کروم و گاهی نیز اندکی نیکل به آن افزوده اند. مصارف فولاد ضد زنگ بسیار است. ما در زندگی روزانه ی خود با صد ها جنس سر و کار داریم که همه از فولاد ضد زنگ ساخته شده اند (مانند، چاقو، دستگیره ی در، سر چوگان گلف، لوازم برقی، وسایل ماهی گیری و بسیاری از چیز های دیگر). فولاد ضد زنگ بسیار خوب صیقل می خورد و براق می شود، از این رو می توان از آن به جای آینه و نور افکن نیز استفاده کرد. در جایی که آینه شیشه ای، در معرض شکستن باشد به جایش فولاد ضد زنگ را هم چون آینه، قرار می دهند.
ص: 11
عنصر کروم موجب می گردد فولاد خاصیت ضد زنگ داشته باشد، به این معنا که مقاومت به خوردگی در آن بهبود یابد. بنا بر این کروم عنصر آلیاژی بهبود دهنده مقاومت به خوردگی فولاد های ضد زنگ است، که این بهبود مقاومت در برابر خوردگی به صورت یک لایه محافظ از اکسید کروم روی سطح فولاد ضد زنگ می باشد. این لایه نازک سر تا سری تحت شرایط مساعد، فولاد را در برابر مواد و محیط های خورنده محافظت می نماید. علاوه بر کروم، عناصر شیمیایی دیگری نیز در ترکیب فولاد های ضد زنگ به کار می روند که از آن جمله می توان به مولییدن و نیکل اشاره نمود. نیکل عمدتا موجبات انعطاف پذیری و فرم پذیری را در فولاد ضد زنگ باعث می گردد. فولاد ضد زنگ به گروهی از آلیاژ ها با پایه آهنی گفته می شود که حاوی حداقل 11 درصد کروم می باشد. کروم عنصری اساسی است که با تشکیل یک لایه اکسید کروم در سطح فولاد آن را ضد زنگ می سازد.
هنگامی که فولاد ضد زنگ بریده یا خراش داده می شود، کروم موجود در سطح سریعا اکسید می شود و لایه اکسید ناحیه صدمه دیده را ترمیم می کند. به همین دلیل خاصیت خود ترمیمی (خود شفایی) (Self healing) دارد، همین امر فولاد را ضد زنگ (Stainless) می نامند. اولین فولاد ضد زنگ به صورت آلیاژ، توسط دانشمند انگلیسی به نام هاری بررلی (Harry Brearley) در سال 1912 تهیه گردید. اولین ریخته گری تجارتی فولاد ضد زنگ در سال 1913 در شفیلد انگلستان به تولید رسید و حق ثبت جهت این اختراع در سال 1916 به آقای هاری بررلی اهدا گردید.
عکس
ص: 12
در واقع این موضوع که فولاد ضد زنگ، زنگ نمی زند یک تصور نا درستی است. این برداشت نا صحیح برخی موارد منجر به مشاجرات و حتی تعقیب قانونی بین کار فرمایان و پیمان کاران می شود. فولاد های ضد زنگ فقط در شرایطی خاص نظیر محیط های غیر آلوده و آب شیرین یا آب دریا (به صورت جاری) بدون زنگ باقی می مانند. در هوای مرطوب دریایی یا در داخل آب ساکن (راکد) فولاد ضد زنگ نوع 304 زنگ می زند و اغلب به صورت موضعی دچار خوردگی حفره ای می گردد. به طور کلی ماهیت محیط و ترکیب شیمایی فولاد هر دو در تشکیل زنگ و خوردگی حفره ای فولاد ضد زنگ نقش تعیین کننده ای دارند.
در عملیات حرارتی و یا جوش کاری، دمای فولاد ضد زنگ به حدود 550 تا 850 درجه سانتی گراد می رسد. کروم و کربن با یک دیگر وارد واکنش می شود و کاربید کروم (Chromium Carbide) تولید می گردد که در امتداد مرز دانه ها رسوب می کند. به همین دلیل کروم موجود در منطقه اطراف مرز دانه (ناحیه مرزی) تخلیه می شود. ناحیه مرزی که کروم آن تخلیه شده ( فقیر نسبت به کروم) نسبت به سایر مناطق سالم سطح فلز که کروم آن مناطق تخلیه نشده اند در برابر خوردگی مقاومت کم تری دارد. فولاد ضد زنگی را که در ساختار بلوری آن از کروم استفاده شده، حساس شده (Sensitized) می نامند. فولاد های حساس شده نسبت به خوردگی یا فساد جوش بیش تر مستعد می شوند.
عکس
ص: 13
فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل به فولاد هایی با مقدار عناصر آلیاژی بالا گفته می شود که توانایی مقاومت به خوردگی در اتمسفر های خورنده و دما های بالا را داشته باشند. فولاد های ضد زنگ معمولی حاوی آهن، کربن و حداقل 11 درصد کروم هستند که کروم استفاده شده عامل اصلی مقاومت به خوردگی در آن ها است.
عکس
آلیاژ های فولاد ضد زنگ به علت داشتن مقاومت بالا نسبت خوردگی یکی از پر کاربرد ترین مواد در مهندسی است. این مقاومت به دلیل وجود مقدار زیادی کروم در آن ها ناشی می شود. مقدار کم کروم، مثلا 5 درصد، مقاومت به خوردگی آهن را مقداری افزایش می دهد، اما برای رسیدن به فولاد ضد زنگ، حداقل 12 درصد نیاز است. برابر با نظریه های کلاسیک، کروم با تشکیل یک لایه اکسید سطحی که لایه های زیرین را از خوردگی محافظت می کند، سطح آهن را ضد زنگ می سازد. برای ایجاد این لایه محافظ، سطح فولاد ضد زنگ باید در تماس با عوامل اکسید کننده باشد. اضافه کردن نیکل به فولاد های ضد زنگ، مقاومت به خوردگی را در محیط های خنثی یا اکسید کننده ضعیف، افزایش می بخشد، اما قیمت آن ها را نیز افزایش می دهد. هم چنین مقدار کافی نیکل قابلیت انعطاف پذیری و شکل پذیری فولاد ها را افزایش می دهد زیرا امکان نگه داری آستینت (FCC) در دمای محیط را
ص: 14
فراهم می کند. افزایش مولیبدن به فولاد های ضد زنگ مقاومت به خوردگی را در حضور یون های کلر افزایش می دهد، حال آن که افزودن آلومینیوم مقاومت به پوسته شدن را در دما های بالا بهبود می بخشد. کروم نیز برای افزایش مقاومت به خوردگی آن، اضافه می شود.
رشد فولاد ضد زنگ احتمالا افزایش می یابد، به صورتی که مزیت های دوام پذیری فولاد ضد زنگ به طور گسترده تری شناخته می شوند. محققان دریافته اند که پوشاندن فولاد ضد زنگ با چسب های زیستی آن را ضد باکتری می گرداند، بنا بر این این نیز به فهرست مزیت های بلند بالای فولاد ضد زنگ اضافه می شود.
ص: 15
عکس
ص: 16
فولاد ضد زنگ با مقاومت به خوردگی، استحکام و انعطاف پذیری بالا را بر حسب درصد کروم استفاده شده می شناسد. برای این که خاصیت ضد زنگ در فولاد پدید آید، حداقل درصد کروم آن باید 10 تا 12 درصد وزنی باشد. در این بین تنها تعداد کمی از فولاد های ضد زنگ شامل بیش از 30 درصد کروم یا کم تر از 50 درصد آهن می باشد. در فولاد های ضد زنگ علاوه بر کروم عناصر آلیاژی دیگر نیز وجود دارد که شامل نیکل، مولیبدن، مس، تیتانیم، سیلیکون، منگنز، کلمبیم، آلومینیوم، نیتروژن و گوگرد می باشد. حرف L برای مشخص کردن فولاد های ضد زنگ کم کربن به کار می رود. هر چه درصد کربن بیش تر باشد، مقاومت نسبت به خوردگی در فولاد های ضد زنگ کم تر است. در زیر به معرفی فولاد های ضد زنگ می پردازیم و سپس به برخی کاربرد های آن ها اشاره می کنیم. ابزار جراحی عموما از فولاد ضد زنگ تولید می شوند. فولاد ضد زنگ در ساخت تجهیزاتی که تمیزی و بهداشت آن ها مهم است استفاده می گردد.
عکس
- فولاد ضد زنگ استنلس استیل Auste نیکل tic 300
- فولاد ضد زنگ استنلس استیل Ferritic 400
- فولاد ضد زنگ استنلس استیل Auste نیکل tic-Ferritic Duplex
- فولاد ضد زنگ استنلس استیل Martensitic
ص: 17
دسته بندی فولاد های ضد زنگ (Classification of Stainless Steel) بر مبنای اختلاف در ساختار و ترکیب شیمیایی آن ها بوده که بر این اساس به پنج گروه اصلی زیر تقسیم می شوند.
- فولاد ضد زنگ فریتی
- فولاد ضد زنگ مارتنزیتی
- فولاد ضد زنگ آستنیتی
- فولاد ضد زنگ آستنیتی فریتی
- فولاد ضد زنگ رسوب سختی
عکس
آلیاژ های مهم فولاد های ضد زنگ بر مبنای عنصر آلیاژی که به آن افزوده شده است، به صورت زیر می باشد.
- آلیاژ های آهن کروم
- آلیاژ های آهن کروم کربن
- آلیاژ های آهن کروم نیکل کربن
عکس
ص: 18
رایج ترین نوع فولاد ضد زنگ استیل های سری 300 هستند، که خود به انواع مختلفی مثل 303، 304، 305، 316، 321 و 347 تقسیم می شوند و در بین آن ها استیل 304 با اختلاف قابل توجهی از بقیه پر کاربرد تر و رایج تر است. استیل 304 و تعداد دیگری از استیل های این سری شامل 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل هستند و به همین دلیل به نام استیل 8 - 18 هم شناخته می شوند. البته نام استیل 8 - 18 اشاره به نوع خاصی از استیل ندارد چون فقط درصد دو آلیاژ نیکل و کروم را نشان می دهد. علاوه بر این کربن این استیل ها کم تر از 0/08 درصد است و خاصیت آهن ربایی ندارند. استیل 316 پس از استیل 304 دومین استیل رایج در بین استیل های آستنیتی است. این استیل که به استیل ضد زنگ گرید دریایی هم معروف است و معمولا شامل 16 درصد کروم، 10 درصد نیکل و 2 درصد مولیبدن است و به همین دلیل به استیل 10 - 18 هم معروف است. تغییر در نسبت کروم و نیکل و افزودن مولیبدن باعث شده تا این استیل مقاومت بیش تری در مقابل فرسایش، به ویژه فرسایش ناشی از کلر داشته باشد و به همین دلیل برای وسایلی که باید در تماس زیاد با عوامل فرساینده مانند مواد شیمیایی، حلال ها و آب شور باشند، مناسب است. این نوع از استیل معمولا در ساخت کارد ها و ابزار های برنده و لوازم مرغوب آشپز خانه استفاده می شود و برای تاسیسات دریایی نیز مناسب است.
عکس
این آلیاژ ها معمولا 10 درصد کروم، 30 درصد نیکل و مقدار متغیری مولیبدن دارند. با اضافه کردن Cu، Al، Ti فاز رسوب سختی تشکیل می شود. این آلیاژ ها برای بسیاری از کاربرد ها مناسب بوده و بدون کاهش در مقاومت به خوردگی دارای استحکام
ص: 19
مکانیکی بالایی می باشند. بیش تر این آلیاژ ها حتی در دما های بالا استحکام مطلوبی دارند.
عکس
این فولاد ها اغلب از کروم، نیکل و منگنز در آهن تشکیل می شوند. غیر مغناطیسی هستند و مقاومت به خوردگی دارند، ولی در برابر ترک خوردگی تنشی ضعیف هستند. فولاد های ضد زنگ آستینی با سرد کاری سخت می شوند. این فولاد انعطاف پذیر ترین فولاد های ضد زنگ هستند و به راحتی می توان آن ها را شکل داد؛ هر چند با افزایش کار سرد، شکل پذیری آن ها کاهش می یابد. این فولاد ها کاربرد های گسترده ای از قبیل لوازم آشپر خانه، اتصالات، سازه های جوشی، تجهیزات سبک وزن حمل و نقل، تجهیزات پزشکی و دارو سازی، قطعات کوره، مبدل های حرارتی و قطعاتی برای محیط های شیمیایی قوی دارند.
این فولاد ها درصد کروم بالایی دارند (تا 27 درصد) و مغناطیسی هستند. مقاومت به خوردگی خوب دارند ولی انعطاف پذیریشان از فولاد های ضد زنگ آستینتی کم تر است. فولاد های ضد زنگ فریتی با سرد کاری سخت می شوند و قابل عملیات حرارتی نیستند. اغلب برای کاربرد های غیر سازه ای مانند لوازم آشپز خانه و لوازم تزیینی خودرو به کار گرفته می شوند.
ص: 20
عکس
بیش تر فولاد های ضد زنگ مارتنزیتی، نیکل ندارند و قابل سخت گردانی با عملیات حرارتی هستند. درصد کروم آن ها ممکن است تا 18 درصد برسد. این فولاد ها دارای مغناطیس، استحکام، سختی و مقاومت به خستگی بالا، انعطاف پذیری خوب و مقاومت به خوردگی متوسط هستند. فولاد های ضد زنگ مارتنزیتی برای قاشق و چنگال، ابزار های جراحی، لوازم شیرآلات و فنر ها به کار می روند.
این فولاد ها حاوی کروم و نیکل، همراه با مس، آلومینیوم، تیتانیوم یا مولیبدن هستند. مقاومت به خوردگی و انعطاف پذیری خوبی دارند و در دما های بالا از استحکام بالایی برخوردار هستند. کاربرد عمده آن ها در هواپیما و قطعات سازه ای فضایی است.
این فولاد ها مخلوطی از آستنیت ها و فریت ها هستند. استحکام خوبی دارند و نسبت به گروه فولاد های آستنیتی، از نظر خوردگی (در بیش تر محیط ها) ترک خوردگی تنشی، مقاومت بیش تری دارند. از این فولاد ها در کارگاه های عملیات آبی و قطعات مبدل حرارتی استفاده می شوند.
سری 300 استنلس استیل حدودا دارای 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل می باشد.
ص: 21
اصطلاح 8 - 18 برای گرید های 302، 303، 304، 305، 384 و در کل گرید هایی با همین ترکیب شیمیایی اطلاق می گردد. در کل گرید های 8 - 18 در خواص مقاومت به خوردگی با هم خیلی متفاوت نیستند. و فقط در ترکیب شیمیایی با هم متفاوت هستند. ترکیب شیمیایی این گرید ها به گونه ای است، که بتوانند در محیط های مختلف و در برابر مواد شیمیایی مختلف مقاومت کنند.
عکس
گرید 304 آلیاژ پایه گروه آستنیتی است. گرید 304 (8 - 18) یک فولاد آستنیتی با حداقل 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل است، این گرید غیر مغناطیسی (نگیر) است و با عملیات حرارتی نمی توان آن را سخت کرد. برای به دست آوردن استحکام کششی های بالاتر باید از کار سرد استفاده کرد. 18 درصد کروم موجود در این آلیاژ مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون آن را فراهم می آورد. خواص متالورژیکی این آلیاژ بر پایه نیکل آن استوار است که سبب افزایش مقاومت به خوردگی در برابر مواد شیمیایی می شود. این آلیاژ در برابر اکثر اسید ها مقاوم است و می تواند در برابر زنگ زدگی عادی مقاومت کند، که البته همراه با کدر و تیره شدن است. 304 می تواند چند خوردگی خوبی برابر مواد غذایی، محلول های استریلیزه، اکثر مواد شیمیایی، رنگ های ارگانیک و طیف گسترده ای از مواد شیمیایی غیر ارگانیک داشته باشد. آلیاژ 304 بیش از 50 درصد مصرف کل استنلس استیل در دنیا را شامل می شود. این گرید به دلیل توانایی مقاومت در برابر اسید های موجود در میوه ها، گوشت، شیر و سبزیجات
ص: 22
جهت تولید انواع سینک ظرف شویی، میز، سماور، قهوه ساز، اجاق گاز، یخچال، بخار پز، لوازم قنادی، آشپزی، فنجان، قابلمه و ظروف استفاده می شود. گرید 304 برای تجهیزات لبنی بسیار مناسب است. مانند، دستگاه های شیر دوشی، منبع ها، دستگاه های هموژنیزه کننده، استرلیزه کننده و تانکر ها همه از این آلیاژ ساخته می شوند. این آلیاژ هم چنین در صنایع تولید آبمیوه بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. در مصارف تهیه مواد غذایی، مانند کارخانه های صنایع غذایی، نانوایی های صنعتی و کشتارگاه ها و در کل همه تجهیزات فلزی که در معرض روغن ها و چربی ها و اسید های حیوانی و گیاهی قرار دارند باید از گرید 304 تولید شوند. در محیط های دریایی چون این گرید خواص مقاومت به خوردگی و سایش بهتری از گرید 316 دارد، برای تولید پیچ، مهره و واشر هم مورد استفاده قرار می گیرد. هم چنان برای تولید فنر و اجزایی که نیاز به مقاومت به سایش و خوردگی دارند، از این گرید استفاده می شود.
فلز انقلابی در جهان مدرن انجام داده و کاربرد هایی را تقریبا در هر بخش از سازندگی، (از مراقبت از سلامتی و تهیه تجهیزات تا صنایع خودکار) پیدا کرده است. به علاوه، بهتر از موارد رقابتی مانند مس، آلومینیوم و فولاد کربن عمل می کند. راز موفقیت فولاد ضد زنگ در خصوصیات فیزیکی و شیمیایی فوق العاده آن قرار دارد فولاد ضد زنگ مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر حرارت تا 1200 درجه سانتی گراد، شکل پذیری، جوش پذیری و دوام بالایی دارد و زنگ نمی زند به غیر از همه این ها، این فلز به آسانی با بسیاری از مواد واکنش نشان نمی دهد و در مقایسه با آلیاژ های غیر خورنده خاص، گران نمی باشد. در قرن گذشته، متخصصین فلزات روش هایی را برای ایجاد فولاد های ضد زنگ و کنترل خصوصیات آن ها اختراع و بهبود داده اند.
عکس
ص: 23
فولاد ضد زنگ حساس شده فولاد ضد زنگی است که با فرآیند گرمایی، اتم های کروم آن از حلالیت خارج شده و به صورت کاربید و زیگما در مرز دانه رسوب کرده اند. چنان چه این فولاد در آب دریا باشد، خوردگی بین دانه ای در آن رخ می دهد و هرگز زنگ نمی زند. این نوع فولاد در برابر زنگ زدگی و خوردگی بسیار مقاوم است و می تواند سال ها بدون خوردگی و زنگ زدگی باقی بماند. این دستاورد در خیلی از ساخت و ساز ها دیده می شود و دارای کاربرد های فراوان است. در ساختمان های بسیاری از جمله راه رو های زیر زمینی کاخ سفید آمریکا به کار رفته است.
عکس
این فولاد ها می توانند استحکام بسیار بالایی را به وسیله ی افزودن عناصری هم چون مس، نیوبیوم و آلومینیم ارائه کنند. با یک عملیات حرارتی پیر سختی مناسب، (ذرات بسیار ریزی در زمینه ی فولاد که بهره مندی از استحکام را فراهم می کند) شکل می گیرد این فولاد ها می توانند، به شکل های پیچیده ای که نیازمند تلرآنس های (خطای مجاز) خوب بوده قبل از عملیات پیر سازی نهایی ماشین کاری شوند، به طوری که از عملیات نهایی حداقل خمیدگی وجود داشته باشد. این در تضاد با سخت سازی و آب دهی مرسوم در فولاد های مارتنزیتی است، جایی که خمیدگی بیش از یک مساله ی ساده است. مقاومت به خوردگی این فولاد ها قابل مقایسه با فولاد های آستنیتی استاندارد
ص: 24
مشابه 304 است. در 100 سال گذشته، حدود 100 نوع از فولاد ضد زنگ کشف شده و به طور تجاری در شکل های مختلف همانند نبشی و ناودانی و قیمت های مختلف موجود است. این درجه ها به چهار گروه اصلی یعنی، مارتنزیتی، آهن دار، خالص و دو گانه تقسیم می شوند. فولاد های ضد زنگ آهن دار و مارتنزیتی، مغناطیسی هستند در حالی که فولاد های ضد زنگ خالص غیر مغناطیسی هستند. مقادیر مختلفی از آلیاژ های مختلف مانند نیکل، تیتانیوم، و مس به آن ها اضافه می شوند. کربن و نیتروژن نیز برای بهبود خصوصیات کلی فولاد ضد زنگ اضافه می شوند.
عکس
فولاد های ضد زنگ مارتنزیتی از مقاومت به خوردگی کم تری برخوردار هستند، زیرا تنها حاوی 11 تا 18 درصد کروم هستند و مقدار کربن آن ها معمولا زیر 0/4 درصد است. حداقل مقدار کروم بر اساس مقاومت به خوردگی انتخاب می شود و بیش ترین مقدار آن بر اساس مقدار لازم برای آستنیته کردن کامل آلیاژ در طی عملیات حرارتی مشخص می شود. یکی از ویژگی های کلیدی این گروه توانایی آن ها برای سخت شدن در حین عملیات حرارتی است. کارایی این فولاد در مبدل های حرارتی و در محیط های آبی محدود است، اما این فولاد ها ترکیب مفیدی از استحکام، چکش خواری، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی را در محیط های ملایم نشان می دهند. مقاومت به خوردگی تنها زمانی در مورد این ماده ایجاد می شود که به طور کامل سخت و تمپر شده باشد. فولاد AISI 410 یکی از پر کاربرد ترین گرید های مارتنزیتی است که گاهی اوقات در مبدل های حرارتی استفاده می شود.
ص: 25
این فولاد ها 12 تا 17 درصد کروم و 1 تا 10 درصد کربن دارند و با عملیات حرارتی سخت می شوند و شبیه به فولاد های ساده کربنی، مارتنزیت تشکیل می دهند. اگر مقدار کربن آن ها حدود 1 درصد باشد و عملیات حرارتی مناسبی به کار رود خیلی سخت می شوند. مقدار کمی از عناصر دیگر برای بهبود مقاومت به خوردگی، استحکام و چقرمگی به آن ها اضافه می شود. روش اصلی سخت کردن این آلیاژ استحاله فاز آستنیت به مارتنزیت با خنک کردن آن در هوا یا روغن است.
این فولاد ها در پایه کروم بودن، مشابه فولاد های فریتی بوده، اما دارای مقادیر بالاتری از کربن تا حدود 1 درصد هستند. این میزان کربن به آن ها اجازه ی سخت شدن و آب دهی شدن بسیار مشابه با فولاد های کم آلیاژ و کربنی را می دهد. آن ها در جاهایی که استحکام بالا و مقاومت به خوردگی متوسط نیاز است، استفاده می شوند. این فولاد ها در محصولات بلند (طویل) به شکل ورقه و صفحه استفاده می شوند. به طور کلی فولاد های مارتنزیتی قابلیت جوش کاری و شکل پذیری کمی داشته و مغناطیس نیز هستند.
عکس
این فولاد ها دارای ریز ساختار 50 درصد فریتی و 50 درصد آستنیتی هستند. این ریز ساختار استحکام بالاتر نسبت به فولاد های کاملا فریتی و کاملا آستنیتی ارائه می کند. آن ها نسبت به ترک خوردگی ناشی از تنش ایجاد شده به وسیله ی خوردگی مقاوم هستند. اصطلاحا فولاد های دو گانه (Lean-Duplex) به منظور مقاومت به خوردگی قابل مقایسه با فولاد های آستنیتی استاندارد، هستند، اما با استحکام و مقاومت به ترک
ص: 26
خوردگی ناشی از تنش ایجاد شده به وسیله ی خوردگی افزوده شده، فرمول بندی شده اند استحکام و مقاومت به خوردگی فولاد های دو فازی در مقایسه با فولاد های آستنیتی استاندارد شده است. آن ها قابل جوش کاری بوده اما دقت در انتخاب توان گرمایی و مواد مصرفی جوش بسیار مهم است. فولاد های دو فازی قابلیت شکل پذیری متوسط داشته و هم چنین مغناطیسی بوده، اما به دلیل فاز آستنیتی 50 درصد مغناطیس شده اند.
فولاد ضد زنگ آستنیت فریتی یا دو فازی (Duplex Stainless Steel) تقریبا از مقادیر یکسان آستنیت و فریت تشکیل شده است. این آلیاژ ها تقریبا حاوی 22 تا 25 درصد کروم، 5 تا 7 درصد نیکل، مقادیری مس و نیتروژن هستند. فولاد های ضد زنگ دو فازی مجموعه ای از فولاد های مقاوم به خوردگی با استحکام بالا و تولید آسان می باشند. خواص فیزیکی آن ها ما بین فولاد های آستنیتی و فریتی بوده، اما تمایل بیش تری به سمت فریتی و کربنی دارند.
این فولاد ها بر پایه ی کروم بوده و با مقادیر اندکی کربن که معمولا کم تر از 0/1 درصد هستند ساخته شده اند. این فولاد ها دارای ریز ساختار مشابهی با فولاد های کم آلیاژ و کربنی دارند. آن ها معمولا در کاربرد های مقاطع نسبتا نازک به علت ضعف چقرمگی در نقاط جوش محدود می شوند. به هر صورت، جایی که جوش کاری مورد نیاز نیست، این فولاد ها دامنه ی گسترده ای از کاربرد ها را ارائه می کنند. فولاد های
ص: 27
فریتی را نمی توان از طریق عملیات حرارتی سخت کرد. فولاد های با میزان کروم بالا با افزودن مولیبدن می توانند در شرایط کاملا تهاجمی هم چون آب دریا استفاده شوند، هم چنین این فولاد ها برای مقاومت با ترک خوردگی ناشی از تنش ایجاد شده به وسیله ی خوردگی انتخاب می شوند. آن ها به اندازه ی فولاد های ضد زنگ قابل شکل پذیری نیستند فولاد های فریتی مغناطیسی نیز هستند.
این فولاد به عنوان مرسوم ترین فولاد ها شناخته می شوند. ریز ساختار آن ها ناشی از افزودن نیکل، منگنز و نیتروژن است. این همان ساختاری است که در فولاد های معمولی در دما های بسیار بالا اتفاق می افتد. این ساختار، به این فولاد ها قابلیت جوش کاری و شکل پذیری را ارائه می کند. مقاومت به خوردگی با افزودن کروم، مولیبدن و نیتروژن زیاد می شود. آن ها را نمی توان از طریق عملیات حرارتی سخت کرد، اما فولاد های آستنیتی دارای خاصیت مفیدی بوده که قادر هستند کار سخت شده را به سطوح بالایی از استحکام برسانند، در حالی که سطح مطلوبی از چکش خواری را نیز حفظ کنند.
فولاد های آستنیتی استاندارد، به ترک خوردگی ناشی از تنش ایجاد شده به وسیله ی خوردگی آسیب پذیر هستند. میزان مقاومت فولاد های آستنیتی با مقدار نیکل بالا نسبت به این تنش زیاد می شود. آن ها به ظاهر غیر مغناطیسی بوده اما مقداری واکنش مغناطیسی بر حسب ترکیب و کار سختی فولاد از خود نشان می دهند.
عکس
فولاد های ضد زنگ دو فازی با ساختار مختلط و تقریبا مساوی از آستنیت و فریت، 80 سال قبل تولید شده است. گرید های اولیه آن، آلیاژ هایی از کروم، نیکل و مولیبدن بود. اولین فولاد ضد زنگ دو فازی کار شده در سال 1930 در کشور سوئد و در صنعت کاغذ سولفیته استفاده شد. در سال 1930 در فنلاند، فولاد دو فازی ریخته گری شد.
ص: 28
نوع AISI 329 بعد از جنگ جهانی دوم شناخته شد و در تیوب مبدل های حرارتی با کاربرد اسید نیتریک استفاده می شد. یکی از اولین گرید های دو فازی که به طور اختصاصی جهت بهبود مقاومت به خوردگی تنشی در محیط کلریدی تولید شد، 3 RE 60 بود. در سال های بعد گرید های ریختگی و هم کار شده این فولاد ها، در کاربرد های مختلفی مانند پمپ ها، مبدل های حرارتی و مخازن استفاده شد.
عکس
خواص فولاد های ضد زنگ دو فازی مشابه خواص فولاد ضد زنگ بوده با مزایای بیش تر که شامل موارد زیر است.
فولاد های دو فازی استحکامی دو برابر فولاد ضد زنگ آستنیتی یا فریتی دارد.
فولاد های دو فازی چقرمگی و شکل پذیری بسیار بهتری نسبت به گرید های فریتی داشته اگر چه به مقادیر بسیار مطلوب و عالی آستنیت نمی رسند.
فولاد های دو فازی مقاومت به خوردگی تنشی بسیار خوبی نشان می دهند که این خاصیت ناشی از بخش فریتی (inheritd) می باشد.
ص: 29
فولاد هایی دو فازی با کروم و نیکل کم تر نسبت به فولاد های آستنیتی، مقاومت به خوردگی یکسانی دارند. به علت کم تر بودن مقادیر آلیاژی، قیمت این آلیاژ ها کم تر است، به ویژه در تولید انبوه، این مسأله بسیار حائز اهمیت می باشد.
حداقل مقدار حداقل 10/5 درصد کروم برای تشکیل لایه پسیو کروم لازم است تا مقاومت کافی جهت حفاظت از فولاد در برابر خوردگی داشته باشد، لازم است. مقاومت به خوردگی یک فولاد با افزایش میزان کروم آن بالاتر می رود. کروم فریت زا بوده یعنی افزودن آن موجب تولید ساختار bcc آهن می شود. در مقادیر بالاتر کروم، نیاز به نیکل بیش تری جهت تشکیل آستنیت یا ساختار دو فازی می باشد. هم چنین کروم بیش تر باعث تشکیل فاز های بین فلزی می شود. معمولا حداقل 16 درصد کروم در فولاد های ضد زنگ آستنیتی و حداقل 20 درصد در گرید های دو فازی آن نیاز است. هم چنین کروم، مقاومت به اکسیداسیون دما بالا را افزایش می دهد.
عکس
ایجاد طرح روی سطح فولاد و پس از آن اعمال فرآیند رنگ کردن منجر به ایجاد طرح های زیبایی می شود. می توان از عملیات سنگ زنی برای حذف رنگ نقاط بر آمده نیز استفاده کرد تا در نهایت محصول به دست آمده ترکیبی از رنگ اعمال شده و رنگ طبیعی فولاد ضد زنگ داشته باشد و از طرفی نقاط بر آمده حساسیت کم تری به آسیب دیدگی نیز پیدا کنند.
ص: 30
راهنمای انتخاب انواع فولاد ضد زنگ توسط براون و دبولد به صورت جداگانه بررسی شده است. بر اساس پژوهش براون، در هنگام انتخاب گرید مناسب باید موارد زیر در نظر گرفته شود.
- انتخاب میزان مقاومت به خوردگی برای کاربرد مد نظر.
- انتخاب مقدار استحکام مورد نیاز.
- به علت وجود برخی مشکلات در هنگام ساخت باید آلیاژ پایه ای انتخاب شود که بهترین ویژگی ها را در ساخت داشته باشد.
- انجام آنالیز هزینه شامل قیمت مواد اولیه، هزینه های نصب و تخمین عمر محصول نهایی.
- تعیین در دسترس بودن مواد اولیه که از نظر هزینه، مقرون به صرفه و از نظر کارایی مناسب باشد.
از نظر دب ولد باید انتخاب فولاد ضد زنگ بر اساس مقاومت به خوردگی و استحکام باشد.
عکس
فولاد های ضد زنگ آستنیتی تقریبا 80 تا 90 درصد فولاد های ضد زنگ را تشکیل می دهند. این کلاس فولاد های ضد زنگ شامل آلیاژ های گروه 200 و 300 می شود که می توان آن ها را با کار سرد، سخت کرد. آلیاژ های سری 200 برای صرفه جویی در مصرف نیکل با جایگزینی آن با منگنز به وجود آمدند، به شکلی که به ازای هر یک درصد نیکل، دو درصد منگنز جایگزین شود. آلیاژ های سری 300 فولاد های ضد زنگ، آلیاژ های کم کربن آهن کروم هستند که با نیکل هم همراه هستند و گاهی اوقات منگنز یا نیتروژن هم دارند یا حاوی مجموعه ای از این عناصر هستند تا در اثر
ص: 31
سرد کردن سریع در دمای اتاق به آستنیت تبدیل شوند. مقدار کروم حدود 15 تا 32 درصد، مقدار نیکل حدود 8 تا 37 درصد و مقدار کربن به کم تر از 0/30 درصد می باشد. کروم مقاومت به اکسیداسیون و مقاومت به خوردگی در محیط خاص را ایجاد می کند. تیپ های معمول فولاد های ضد زنگ xx 3 شامل 304، 316، 310، 309 ، 304 L 347، 321، 316 L، 348 می شوند. آلیاژ پایه این گروه 304، حاوی 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل است. استحکام این آلیاژ و مقاومت به خوردگی آن متوسط و چقرمگی آن عالی است. برای بهبود مقاومت به خوردگی حفره دار شدن، در برابر کلراید باید به آن مولیبدن اضافه کرد که به این ترتیب آلیاژ های 316 و 317 پدید می آیند. فولاد ضد زنگ 316 دارای 18 درصد کروم، 12 درصد نیکل 2/5 درصد مولیبدن و فولاد ضد زنگ
317 دارای 18 درصد کروم، 15 درصد نیکل 3/5 درصد مولیبدن در محیط های کلریدی مقاومت بیش تری نسبت به 304 از خود نشان می دهند.
عکس
فولاد های ضد زنگ آستنیتی به دلیل قیمت پایین، مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی خوب در محدوده وسیعی از دما مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها به طور موفق در محیط های مختلف مانند اسید ها، آب های شیرین و آب های شور مورد استفاده قرار گرفته اند. از طرف دیگر فولاد های ضد زنگ فریتی و مارتنزیتی به دلیل چقرمگی کم تر در دمای اتاق کاربرد های محدود تری دارند. فاکتور هایی که استفاده از فولاد ضد زنگ را برای کاربرد در مبدل های حرارتی مناسب می کنند شامل:
- مقاومت بالا به خوردگی یکن واخت مانند خوردگی سایشی
- مقاومت در برابر محلول هایی با pH بالا
ص: 32
- مقاومت به اکسیداسیون و سولفیداسیون
- سازگاری با روش های ساخت
- توانایی تمیز کردن آسان رسوبات با استفاده از روش های معمول شیمیایی و مکانیکی بدون ایجاد آسیب
- قابلیت رقابت با سایر موادی که معمولا در ساخت مبدل های حرارتی به کار گرفته می شوند
- پایداری خواص در حین کار
- سازگاری با مایعات فرآیند و چقرمگی در کاربرد های برودتی و استحکام در دمای بالا.
حساسیت به خوردگی شیاری زیر رسوبات، حساسیت به حفره دار شدن و خوردگی تنشی در حضور یون کلرید در دمای بالاتر از 50 درجه سانتی گراد، حساس شدن منجر به خوردگی بین دانه ای می شود و حساس به رسوبات می شود.
اگر چه فولاد های ضد زنگ آستنیتی در ابتدا به دلیل مقاومت به خوردگی بالا مورد استفاده قرار گرفتند اما این فولاد ها خواص مکانیکی عالی در محدوده وسیعی از دما، از دما های زیر صفر تا دما های بالا دارند. فولاد های ضد زنگ آستنیتی بر خلاف فولاد های فریتی انتقال از نرمی بهتردی را نشان نمی دهند. آن ها در دما های پایین هم چقرمگی بالای خود را حفظ می کنند. فولاد های ضد زنگ آستنیتی مانند 304، 316 L، 316، 304 L، و 347 در کاربرد های برودتی برای ذخیره گاز مایع و مخازن انتقال به کار گرفته می شوند.
فولاد های ضد زنگ آستنیتی استحکام خزش، گسیختگی خوبی در دما های بالای 600 درجه سانتی گراد نشان می دهند. اگر استحکام خزشی بیش تر در دما های بالاتر مد نظر باشد، افزودن وانادیم، نیوبیوم و تیتانیم الزامی است. اضافه کردن این عناصر آلیاژی منجر به افزایش استحکام و کاهش چقرمگی در دمای پایین می شود.
در فولاد های جوش پذیر فریتی و آستنیتی ریز ساختار بسیار اهمیت دارد. اگر چه کروم و نیکل اصلی ترین عناصر آلیاژی در فولاد های ضد زنگ آستنیتی هستند، سایر
ص: 33
عناصر نیز برای ایجاد خواص ویژه به ترکیب آن ها اضافه می شوند و باید اثر آن ها را بر ریز ساختار در نظر گرفت. مولیبدن، نیوبیوم و تیتانیم، تشکیل فریت دلتا را در زمینه آستنیتی تقویت کرده و هم چنین کاربید هایی مانند کروم تشکیل می دهند. از طرف دیگر مس، منگنز، کبالت، کروم، کربن و نیتروژن اثر مشابه با نیکل در تشکیل فاز آستنیت دارند. به این عناصر، عناصر آستنیت ساز می گویند.
استفاده از آلیاژ هایی با کروم پایین در مواردی که حفظ ظاهر در اولویت نیست و شرایط سخت محیطی وجود ندارد، امکان پذیر است. افزایش کروم و مولیبدن باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی می شود. افزایش تیتانیوم و نیوبیوم نیز خاصیت جوش پذیری را افزایش می دهد.
آلیاژ آهن کروم نیکل با کربن کمتر از 0/1 درصد در حالت استفاده نشده، خاصیت غیر آهن ربایی دارد و بیش از 65 درصد مصرف جهانی استنلس را به خود اختصاص داده است.
شامل آلیاژ آهن کروم با کربن کم تر از 0.1 درصد همراه با خاصیت آهن ربایی می باشد.
شامل آلیاژ آهن کروم با کربن بالای 0/1 درصد و خاصیت آهن ربایی و سختی پذیری می باشد.
شامل آلیاژ آهن کروم و نیکل با ساختمانی از ترکیب استیل های مغناطیسی و غیر مغناطیسی و خاصیت آهن ربایی می باشد.
ص: 34
عکس
ص: 35
مکانیزم های مقاوم به خوردگی در فولاد ضد زنگ نیکل با لایه پسیو ارتباط تنگاتنگی دارد و در واقع فولاد های ضد زنگ مقاومت به خوردگی را مدیون لایه پسیو نازک روی سطح هستند. لایه پسیو مانعی فیزیکی میان فولاد و محیط خورنده ایجاد کرده و ضخامتی به اندازه 20 تا 30 آنگستروم از جنس اکسید کروم هیدراته دارد، که به شدت چسبناک بوده و در برابر حمله های شیمیایی مقاوم است. لایه های پسیو که روی سطح زده می شوند با محیط که معمولا اکسیژن یا اکسید کننده است اندر کنش می کنند. اگر لایه پسیو به دلیل سایش یا خراش آسیب ببیند، فرآیند ترمیم یا پسیو شدن مجدد بلافاصله در حضور اکسیژن رخ می دهد. از طرف دیگر فولاد های ضد زنگ در شرایط کاهنده، با قرار گرفتن زیر شیار ها یا رسوبات که نواحی بدون اکسیژن ایجاد می کنند، سریعا دچار خوردگی می شوند. دلیل دیگر برای کاهش مقاومت به خوردگی در فولاد های ضد زنگ تشکیل لایه اکسیدی روی سطح به دلیل تمیز کاری ناقص پس از عملیات حرارتی است. این لایه اکسیدی با لایه پسیو متفاوت است. تمیز کاری قطعات حرارت دیده شده، باید در محلول خنثی، برای جلوگیری از تشکیل لایه های اکسیدی انجام گیرد تا از ایجاد خوردگی در فولاد ضد زنگ جلوگیری شود.
عکس
در بسیاری از محیط های طبیعی فولاد های ضد زنگ در حالت پسیو باقی می ماند. هنگامی که این فولاد در شرایطی قرار گیرد که لایه پسیو از بین رود، وارد حالت اکتیو می شود. تغییر حالت به اکتیو زمانی رخ می دهد که غلظت کلرید بالا باشد مانند شرایطی که در آب دریا، محلول های کاهنده و کمبود اکسیژن وجود دارد. شرایط
ص: 36
کمبود اکسیژن زمانی ایجاد می شود که دسترسی به اکسیژن آزاد وجود نداشته باشد مانند شرایطی که در شکاف های زیر رسوبات وجود دارد.
به طور کلی، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون فولاد های ضد زنگ با افزایش کروم، افزایش می یابد و این مواد در طیف گسترده ای از محیط های خورنده در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد به خوردگی یک نواخت، سایش و خوردگی سایشی و pH محلول مقاوم هستند. اگر چه در شرایط ویژه ای فولاد های ضد زنگ در معرض خوردگی های موضعی قرار می
گیرند.
شیار ها که در شرایط اتصال فلز به فلز و رسوبات خوردگی به وجود می آیند، دسترسی به اکسیژن را محدود می کنند و منجر به خوردگی شیاری می شوند. برای فولاد های ضد زنگ آستنیتی، فاکتور های زیادی سبب آغاز خوردگی شیاری و رشد آن می شوند که شامل موارد زیر هستند.
نوع شیار (فلز به فلز، فلز به غیر فلز)، عرض و عمق شیار، نسبت مساحت سطحی خارجی به داخلی.
درصد اکسیژن، pH، درصد کلرید، دما، تلاطم، نفوذ و هم رفت، محلول شیار و عوامل بیولوژیکی.
محلول فلزی، کاهش اکسیژن، ایجاد هیدروژن.
ص: 37
برای کاهش اثر خوردگی شیاری باید تا حد امکان از ایجاد شیار ها جلوگیری کرد، این مشکل را می توان با حفظ یک نواخت سرعت جریان در مبدل حرارتی و استفاده از گرید های فولاد با کروم و مولیبدن بالاتر که در برابر خوردگی شیاری مقاوم تر هستند، بهبود داد. فولاد های ضد زنگ آستنیتی با مقادیر بیش تر مولیبدن مانند 316 L، 904 L و 254 SMO، گرید های فریتی مانند 18 کروم 2 Mo و فولاد های دو فازی مانند 2205 مقاومت زیادی در برابر خوردگی شیاری نشان می دهند.
برای یک گرید مشخص فولاد ضد زنگ، خوردگی شیاری تحت تاثیر دمای محیط نیز هست. در دمای بالاتر از دمای بحرانی، خوردگی شیاری آغاز می شود و در دمای پایین تر از دمای بحرانی خوردگی شیاری آغاز نمی شود. بنا بر این انتخاب گرید فولادی که در معرض خوردگی شیاری قرار نگیرد، امکان پذیر است به شرطی که دمای محیط شیمیایی از مقادیر بحرانی تجاوز نکند.
عکس
مکانیزم گسترش حفره و خوردگی شیاری مشابه هستند اگر چه مکانیزم آغاز آن ها متفاوت است. خوردگی شیاری برای آغاز خوردگی به شرایط خورنده شدید نیاز ندارد. فولادی که به حفره دار شدن در یک محلول خاص مقاوم است ممکن است در همان محلول دچار خوردگی شیاری شود. با کنترل معیار های متالورژیکی موثر بر بهبود مقاومت به حفره دار شدن می توان مقاومت به خوردگی شیاری را نیز
ص: 38
بهبود داد. اگر از حضور سولفید های منگنز جلوگیری شود مقاومت به حفره دار شدن و خوردگی شیاری نیز بهبود می یابد. سه راه ممکن برای کاهش نا خالصی سولفید منگنز شامل موارد زیر هستند.
- کاهش درصد منگنز نسبت به مقدار کم تر از حد حلالیت.
- کاهش درصد گوگرد نسبت به مقدار کم تر از حد حلالیت.
- افزودن عناصر آلیاژی مانند تیتانیم و زیرکونیم که سولفید های قوی تر و سود مندتری را ایجاد می کنند.
فولاد های ضد زنگ آستنیتی در معرض خوردگی تنشی قرار دارند. پاره ای از شرایط محیطی در خوردگی تنشی موثر هستند، اما می توان آن ها را به دو دسته بر اساس گسترش ترک دانه ای و مرز دانه ای تقسیم بندی کرد. خوردگی تنشی مرز دانه ای در محیط های با یون کلرید و یون های هیدرو کسیل ایجاد می شود. ترک های دانه ای در محیط های آبی رخ می دهد، اما به ایجاد نواحی حساس وابسته است. مهم ترین محیط هایی که منجر به ایجاد خوردگی تنشی در فولاد های ضد زنگ می شود، شامل موارد زیر هستند.
- محلول های کلریدی
- محلول های سود سوز آور
- اسید پلی تیونیک
عکس
ص: 39
تنش هایی که در مقادیر کم تر آن ها، خوردگی تنشی رخ نمی دهد به خوبی مشخص شده اند، اما باید مقدار آن کم تر در نظر گرفته شود زیرا تنش های باقی مانده جوش اغلب بسیار بالا هستند. معمولا خوردگی تنشی کلرید در فولاد ضد زنگ آستنیتی به صورت مرز دانه ای و منشعب شده است. فاکتور هایی که سرعت و شدت ترک را تحت تاثیر قرار می دهند، مقدار کلراید، اکسیژن، دما، تنش و pH محلول های آبی هستند. به طور کلی، برای این که خوردگی تنشی کلریدی در فولاد های ضد زنگ رخ دهد غلظت کلرید باید ppm 30 یا بیش تر باشد و اگر این غلظت در حدود ppm 20 باشد معمولا شرایط خورنده نیست. در حالتی که مقدار اندکی کلرید وجود دارد ممکن است، تمرکز غلظت به صورت موضعی رخ داده و منجر به ایجاد ترک شود. با طراحی مناسب به عنوان مثال طراحی یک دریچه برای ایجاد جریان می توان از ایجاد مناطق با غلظت بالای کلرید جلوگیری کرد. بیش تر تخریب های ناشی از خوردگی تنشی بالای 170 درجه فار نهایت (75 درجه سانتی گراد) و 120 درجه فار نهایت (50 درجه سانتی گراد)، معمولا به عنوان حد آستانه برای خوردگی تنشی به کار می رود.
خوردگی تنشی سود سوز آور در فولاد های ضد زنگ در دما های بالاتر از 120 درجه سانتی گراد رخ می دهد. در دما های بالاتر، از انواع جدید تر فولاد های ضد زنگ فریتی، نیکل و آلیاژ هایی با درصد بالای نیکل به عنوان جایگزین برای فولاد ضد زنگ آستنیتی در اواپوراتور سوز آور استفاده می شود. ماکزیمم گرایش فولاد ضد زنگ به خوردگی تنشی با درصد نیکل در محدوده 8 تا 12 درصد ایجاد می شود که در فولاد های آستنیتی استاندارد 302، 304 و 316 دیده می شود. کاهش نیکل از این مقدار منجر به بهبود رفتار خوردگی تنشی می شود، اما این تغییر با جایگزینی آستنیت در ریز ساختار همراه می شود. با افزایش درصد نیکل، مقاومت به خوردگی تنشی 42 تا 45 درصد می یابد، تا جایی که عملا آلیاژ در برابر خوردگی تنشی ایمن می شود. که این شرایط در آلیاژ 825، آلیاژ G و آلیاژ 625 دیده می شود. بنا بر این، می توان گفت که آلیاژ هایی با درصد نیکل بیش از 22 درصد به ندرت دچار خوردگی تنشی می شوند و این شامل آلیاژ های 904، آلیاژ 28 و آلیاژ 20 می شود. این مواد در بسیاری از کاربرد های صنعتی که با یون های کلرید سر و کار دارند مورد استفاده قرار می گیرند.
ص: 40
سطح فولاد های ضد زنگ آستنیتی درگیر تنش های کششی است که در هنگام ساخت یا در اثر اعمال تنش خارجی به وجود آمده اند و می توانند در محلول های کلریدی منجر به شکست مرز دانه ای شوند. اتصالات جوش کاری شده به دلایل زیر مستعد خوردگی تنشی هستند.
فرآیند جوش کاری، تنش کششی باقی مانده ای را در منطقه جوش باقی می گذارد، مگر این که عملیات تنش زدایی موثری پس از جوش کاری انجام گیرد.
سیکل های حرارتی ممکن است، ریز ساختار حساس شده ایجاد کند. عملیات حرارتی تنش زدایی می تواند یک راه حل جایگزین برای جلوگیری از خوردگی تنشی باشد. در این رابطه عملیات حرارتی حل سازی کامل در دمای 1050 درجه سانتی گراد ممکن است مورد نیاز نباشد، اما آنیل پایدار سازی در دمای 870 تا 950 درجه سانتی گراد معمولا برای قطعات جوش کاری شده که در صنعت پترو شیمی به کار می روند، برای جلوگیری از خوردگی اسید پلی تیونیک مورد استفاده قرار می گیرد.
عکس
خوردگی بین دانه ای معمولا بر اثر برخورد اسید پلی تیونیک و مواد حساس شده ایجاد می شود و چنین شرایطی می تواند در برخی از تجهیزات پالایشگاه وجود داشته باشد. خوردگی PASCC به حضور ماده حساس شده، اکسیژن، آب، تنش کششی و پوسته های سولفید آهن نیاز دارد. اسید پلی تیونیک می تواند به سرعت در زمان
ص: 41
خاموشی در اثر آندر کنش سولفید با رطوبت و اکسیژن تشکیل شود. گرید های معمولی فولاد ضد زنگ مانند تیپ 304 و 316 و آلیاژ اینکولوی 800 می توانند در حین جوش کاری حساس شوند. راه حل هایی برای کنترل خوردگی PASCC شامل موارد زیر می شود.
- پاک سازی نیتروژنی اجزا یا تجهیزاتی که در معرض اتمسفر قرار دارند.
- خنثی کردن اسید با شست شوی آمونیاک یا سود.
- استفاده از مواد پایدار شده برای ساخت مبدل های حرارتی.
گزارش شده که حتی فولاد های ضد زنگ پایدار شده مانند 321 و 347 هم در معرض خوردگی PASCC قرار می گیرند، مگر آن که به شکل مناسب تحت عملیات حرارتی قرار گیرند.
عکس
از روش های معمولی برای غلبه بر خوردگی تنشی فولاد های ضد زنگ می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- استفاده از مواد جایگزین که مقاومت بیش تری در برابر خوردگی تنشی کلریدی دارند. از نمونه های رایج آن می توان به تیپ 430 فریتی جدید، سوپر فریتی مانند E-Brite، Sea-Cure، فولاد دو فازی ضد زنگ، تیتانیم و آلیاژ های آستنیتی با مقدار بالاتر نیکل اشاره کرد. فولاد های فریتی نسبت به خوردگی تنشی یا SCC ایمن بوده یا کم تر در معرض حمله خوردگی تنشی قرار می گیرند.
- در مبدل های حرارتی عمودی با استفاده از فرآیندی به نام safe ending برخوردگی
ص: 42
تنشی غلبه می شود.
- اگر فضای مرده ای وجود داشته باشد، که در آن کلرید ها در اثر تر و خشک شدن مداوم تجمع کنند آن گاه لوله در معرض خوردگی تنشی قرار خواهد گرفت. این مشکل می تواند با تهویه هوا در منطقه مرده یا فلود کردن تمام سطح لوله برطرف شود.
- جلوگیری از خوردگی تنشی در راکتور های آب جوش
خوردگی تنشی بین دانه ای یا (IGSCC) در مناطق نزدیک جوش های حلقوی در سیستم های لوله کشی ضد زنگ یک مشکل جدی در راکتور های آب جوش (BWR) است. راه حل های برای بر طرف کردن مشکل راکتور های آب جوش برای محافظت در برابر مایع درونی به شکل زیر است.
هدف راه حل های مرتبط با مواد عبارت است از جلوگیری از تماس میان ماده حساس شده و مایع سرد کننده راکتور آب جوش که شامل موارد زیر هستند.
- استفاده از فولاد های ضد زنگ گرید هسته ای یا NG که مقدار کربن و نیتروژن آن ها کنترل شده است و در حین جوش کاری حساس نمی شود.
- عملیات حرارتی حل سازی (SHT) به گونه ای که SHT پس از عملیات جوش کاری، کاربید های مرز دانه و غلظت کروم در مرز دانه را به حالت عادی باز گرداند.
- استفاده از روکش های مقاوم به خوردگی.
حساس شدن فولاد های ضد زنگ با درصد کربن بیش از 0/05 درصد در بازه دمایی 500 تا 900 درجه سانتی گراد هنگامی که در معرض دمای بالا مانند جوش کاری (خوردگی جوش)، عملیات حرارتی یا لحیم کاری قرار می گیرند، رخ می دهد. شدت حساس شدن به متغیر های فرآیند جوش کاری و ضخامت ورق بستگی دارد زیرا این پارامتر ها زمان و محدوده دمای بحرانی را مشخص می کنند.
ص: 43
هدف این کار جلوگیری از IGSCC با قرار دادن ماده حساس شده سطح داخلی منطقه HAZ در معرض تنش های فشاری بزرگ است.
- استفاده از جوش کاری گرما گیر.
- استفاده از فرآیند هایی که تنش حرارتی و تنش مکانیکی را بهبود می دهند.
- استفاده از کنترل شیمیایی هیدروژن آب (HWC)
عکس
فاکتور های اصلی برای تعیین حساسیت فولاد ضد زنگ آستنیتی به شکل زیر هستند.
مهم ترین فاکتور ترکیبی که حساسیت به خوردگی را تعیین می کند، درصد کربن است. افزایش درصد کربن اثر مخربی دارد، حضور فریت برای مقاومت به خوردگی جوش مفید بوده، اما اندازه دانه بزرگ مخرب است.
حساسیت معمولا به ماکزیمم زمانی که فولاد در بازه دمایی 550 تا 850 سانتی گراد می گذراند، بستگی دارد.
تنش های داخلی یا خارجی که در اثر تغییر شکل های گذشته، جوش کاری یا بار های کاری ایجاد شده اند.
ص: 44
فولاد ضد زنگ حساس شده، هنگامی که در معرض محیط خورنده قرار گیرد دچار خوردگی فرا دانه ای می شود. تمام محیط ها منجر به خوردگی جوش نمی شوند. خوردگی جوش تنها در 3 نوع محیط موجب تخریب می شود.
- محیط های اکسید کننده ضعیف
- محیط هایی با اکسید کنندگی متوسط
- محیط های به شدت اکسید کننده
از روش های مناسب برای غلبه بر خوردگی جوش در فولاد ضد زنگ می توان به موارد زیر اشاره کرد.
عکس
- برای دست یابی به مقاومت در برابر خوردگی به خصوص در ورقه های ضخیم، باید روی قطعات جوش شده عملیات حرارتی و کوئنچینگ انجام داد.
- برای حل مشکل حساس شدن در مبدل های حرارتی با دمای پایین باید از فولاد هایی با درصد کربن بسیار کم یا فولاد های پایدار شده مانند تیپ 321 (پایدار شده با Ti) و تیپ 347 (پایدار شده با نیوبیوم) استفاده کرد. تیتانیم و نیوبیوم تمایل بیش تری برای تشکیل کاربید نسبت به کروم دارند و بنا بر این از رسوب کروم 23 C 6 جلوگیری می کنند.
- کاهش حرارت ورودی (کم تر از 3 کیلو ژول بر میلی متر) و حفظ دمای بین پاس ها در حدود 175 درجه سانتی گراد است.
- فیلر ها و الکترود ها نیز باید برای فولاد های با کربن نا چیز پایدار شده باشند.
ص: 45
- افزایش مقدار نیکل و کروم فیلر برای جبران کاهش آرک می باشد. باید توجه داشت که فیلر هایی که با تیتانیم پایدار شده اند را نباید در جوش کاری قوس آرگون به کار برد، زیرا تیتانیم در این شرایط تبخیر شده و اثر خود را به عنوان یک پایدار دهنده کاهش می دهد.
- اگر چه مشکل خوردگی بین دانه ای با استفاده از گرید های کم کربن یا گرید های پایدار شده بر طرف می شود اما این فولاد ها مشکلاتی نیز دارند.
- فولاد هایی با درصد کربن کم، استحکام کم تری نسبت به گرید های پایدار شده دارند.
- گرید های پایدار شده نسبت به ترک گرم حساس بوده و نسبت به گرید های پایدار نشده به کنترل بیش تر فریت نیاز دارند.
- گرید های پایدار شده نسبت به رسوب محلی کاربید ها در منطقه باریکی از HAZ منجر به خوردگی میان دانه ای می شود، حساس هستند. این نوع خوردگی، به خوردگی شیار چاقو معروف است.
عکس
- در حین جوش کاری فولاد های پایدار شده تیپ 321 و 347، ناحیه HAZ تا دمایی بالا تر از 1150 درجه سانتی گراد گرم می شود و این دما می تواند، منجر به حل شدن جزئی TiC و NbC شود. در این حالت کربن در ناحیه باریکی در مجاورت جوش، وارد ساختار شده و می تواند، در دمای حساس شدن، به کاربید کروم تبدیل شود. این ناحیه حساس تنها به اندازه چند دانه ضخامت دارد و می تواند یک ناحیه در معرض خوردگی بین دانه ای تشکیل دهد و در نتیجه به آن خوردگی شیار چاقو گفته می شود.
ص: 46
فولاد هایی که با نیوبیوم پایدار شده اند نسبت به فولاد های پایدار شده با تیتانیم از مقاومت بیش تری به خوردگی شیار چاقو برخوردار هستند.
در هر دو نوع، عملیات حرارتی حل سازی در دمای بالا و کوئنچ کردن نمی تواند به طور کافی خواص اصلی را باز گرداند. خوردگی شیار چاقو یا خوردگی جوش در موارد زیر تفاوت دارد.
- خوردگی شیار چاقو در یک منطقه باریک نزدیک محل جوش کاری در فلز ایجاد می شود اما خوردگی جوش در فاصله قابل ملاحظه ای نسبت به جوش ایجاد می شود.
- خوردگی شیار چاقو در فولاد های پایدار شده رخ می دهد.
- سابقه حرارتی فلز نیز متفاوت است. می توان از خوردگی شیار چاقو با استفاده از انتخاب مناسب پارامتر های جوش کاری و استفاده از عملیات حرارتی پایدار کردن اجتناب کرد. بنا بر این معمولا از فولاد های کم کربن به جای گرید های پایدار شده استفاده می شود.
عکس
ساخت فولاد های ضد زنگ آستنیتی نیکل معمولا با فرآیند هایی مانند کشش، خمش، چرخش و پرس انجام می گیرد. فولاد های ضد زنگ آستنیتی از شکل پذیری خوبی برخوردار بوده اند و کار سرد را تحمل می کنند و به سرعت، کار سخت می شوند و با افزایش ضخامت به عملیات حرارتی پس از شکل دهی نیاز دارند. ماشین کاری فولاد های ضد زنگ دشوار است، زیرا این فولاد ها زود کار سخت می شوند. برای انجام این کار به ماشین های صلب، خشن تراش و تند بر نیاز است. کار گرم ممکن است، در
ص: 47
محدوده 2012 یا 1100 انجام شود که به دلیل مشکل حساس شدن در برخی انواع آن است.
هنگامی که فولاد برای شکل دادن، گرم می شود، برای این کار از کوره های الکتریکی برای کاهش پوسته شده استفاده می شود. کوره های گازی یا نفتی نیز در صنعت تولید استفاده می شوند. استفاده از سوخت هایی با گوگرد کم برای کاهش آلودگی با گوگرد به کار می رود که ماده را ترد کرده و مقاومت به خوردگی را کاهش می دهد. انتخاب شعله نیز در این موارد مهم است، شعله اندک اکسیدی ترجیح داده می شود، زیرا شعله های احیایی می تواند کربن داخل ساختار فولاد را کاهش داده و منجر به افت مقاومت به خوردگی شوند و شعله های به شدت اکسیدی نیز منجر به پوسته شدن می شوند.
عکس
موادی که تحت عملیات کار گرم قرار گرفته اند عمدتا به پوسته زدایی و اسید شویی نیاز دارند. اسید شویی می تواند با یکی از اسید های مناسب، مانند هیدرو کلریک، سولفوریک یا مخلوطی از آن ها به صورت گرم یا سرد انجام گیرد.
رویین شدن فولاد های ضد زنگ با فرو بردن قطعات فولاد ضد زنگ در محلول HNO3 و ترکیب نمک های اکسید کننده انجام می شود. در این فرآیند آهن موجود حل شده و مقاومت به خوردگی سطح بازیابی می شود. گرید های آستنیتی و فریتی
ص: 48
به مدت 20 تا 30 دقیقه در دمای 130 درجه فار نهایت (55 درجه سانتی گراد)، رویین می شوند و سپس در آب گرم شسته می شوند. برای بررسی مقدار آهن حذف شده باید آزمایشاتی روی قطعه فولادی انجام گیرد.
عکس
تمام فولاد های ضد زنگ را می توان با اره های اصطکاکی به ضخامت بیش تر 9/5 میلی متر برید. در این فرآیند خارج کردن حرارت یک مسأله مهم است، که منجر به تخریب سریع تیغه اره و سوختن ماده می شود. دیسک های ساینده با سرعت بالا می توانند برای بریدن لوله ها و میله ها برای ضخامت های دلخواه استفاده شوند. در این موارد باید خنک کننده استفاده شود و نباید ترکیب آن ها بر پایه گوگرد باشد. هم چنین باید از دیسک هایی که به وسیله لاستیک به هم متصل شده اند نیز خود داری کرد.
یکی از بزرگ ترین مشکلاتی که در ساخت فولاد های ضد زنگ وجود دارد استفاده از برش گاز است. فولاد ضد زنگ را نمی توان با استفاده از فرآیند های معمول اکسی استیلن برید زیرا در اثر حرارت لایه ای از اکسید کروم ایجاد می شود. روش برش پودری در گذشته با تزریق پودر آهن به جریان اکسی استیلن انجام می گرفت. این روش نامطلوب است زیرا بخار های زیادی ایجاد می کند و برش انجام شده
ص: 49
معمولا کیفیت پایینی داشته و با پودر آهن نیز آلوده می شود، بنا بر این لبه برش داده شده باید به مقدار قابل توجهی با ماشین کاری برداشته شود. روش جدید برش قوس پلاسما، این مشکل را برطرف کرده است.
عکس
فولاد ضد زنگ سوپر آستنیتی نیکل آلیاژی با ساختار fcc و عناصر آلیاژی بالا هستند که معمولا حاوی مقداری از عناصر جانشین مانند کروم، مولیبدن، نیتروژن و مقدار کافی نیکل برای پایدار ساختن ریز ساختار کاملا آستنیتی هستند. این فولاد ها بر اساس مقدار مولیبدن طبقه بندی می شوند و معمولا مقدار مولیبدن این فولاد ها 4/5 تا 7 درصد است. افزودن 0/3 تا 0/5 درصد نیتروژن استحکام را دو برابر فولاد ضد زنگ معمولی می کند. درصد بالای نیکل (18 تا 31 درصد) به همراه درصد بالای کروم و مولیبدن به آلیاژ ها مقاومت به خوردگی تنشی عالی می دهد. مس به برخی از آلیاژ ها افزوده می شود تا مقاومت به محیط مانند اسید فسفر، اسید استیک و اسید سولفوریک رقیق را افزایش دهد.
ص: 50
عکس
آلیاژ های آستنیتی با 4/5 درصد مولیبدن مانند AL 904L، 254 SLX و JS 700 مقاومت مناسبی را به خوردگی در آب دریا به عنوان سیستم لوله کشی از خود نشان داده اند. این فولاد ها جوش پذیری و کار پذیری خوبی داشته و به اشکال مختلف مانند لوله، ورق و فورجینگ ها در دسترس هستند. مقدار نیتروژن در حدود 0/4 تا 0/5 درصد مقاومت خوبی را در برابر حفره دار شدن و خوردگی شیاری دارند. درصد بالای نیکل (25 درصد) و مولیبدن (4/5 درصد) مقاومت خوبی را در برابر خوردگی تنشی کلریدی نشان می دهد. آن ها هم چنین مقاومت به خوردگی بین دانه ای خوبی از خود نشان می دهند. کلر زنی برای کنترل تخریب میکرو بیولوژیکی برای کاهش خوردگی زیر رسوبات ضروری است، سطوح فلنج و واشر دار در آب های شور و دریا در معرض خوردگی شیاری قرار دارند.
فولاد های سوپر آستنیتی با 6 درصد مولیبدن در صنایع شیمیایی به خوبی شناخته شده هستند. آن ها حاوی 20 درصد کروم، 18 الی 25 درصد نیکل و بیش از 0/1 درصد نیتروژن هستند. افزودن نیتروژن منجر به بهبود استحکام، تثبیت ساختار آستنیت و بهبود مقاومت به خوردگی حفره دار شدن می شود. فولاد های سوپر آستنیتی با 6 درصد مولیبدن چقرمگی و شکل پذیری بسیار خوب فولاد های آستنیتی سری 300 را از خود نشان می دهند.
کل فولاد های ضد زنگ سوپر آستنیتی با 6 درصد مولیبدن جوش پذیری خوبی دارند. موضوع اصلی در هنگام استفاده از فولاد های ضد زنگ سوپر فریتی مقاومت به خوردگی
ص: 51
کافی در جوش ها است. در هنگام جوش کاری، باید توجه خاصی به پدیده های زیر داشت.
- ترک داغ
- ریز جدایش عنصری
- رسوب فاز های بین فلزی
عکس
مهم ترین فرآیند های جوش کاری مورد استفاده SMAW و GTAW اتوماتیک و دستی با فلز پر کننده هستند. فرآیند GTAW بدون فلز پر کننده باید تنها در مواردی استفاده شود که عملیات حرارتی آنیل محلول سازی ثانویه انجام می گیرد. فرآیند های GMAW، SAW و PAW اتوماتیک با فلز پر کننده نیز مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از فلزات پر کننده که به اندازه کافی با مولیبدن آلیاژ شده به گونه ای است که جوش ها نسبت به فلز پایه مقاومت به خوردگی بیش تری دارند (فلز پر کننده ای که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد آلیاژ 352 با 9 درصد مولیبدن است). برای جوش کاری فولاد آستنیتی باید موارد زیر را در نظر داشت.
- اطمینان از تمیز بودن سطح قبل و پس از جوش کاری
- اطمینان از محافظت کافی هنگام جوش کاری
- محدود کردن حرارت ورودی و اندازه جوش برای پرهیز از ترک گرم فلز جوش
اگر فولاد های سوپر آستنیتی 6 درصد Mo نیاز به آنیل یا تنش زدایی داشته باشند، آن ها باید آنیل کامل شده و در آب کوئنچ فرا بگیرند. آنیل محلول سازی در دمای
ص: 52
1150 سانتی گراد معمولا به همراه کوئنچ استفاده می شود؛ این به یک نواخت کردن خواص محل اتصال جوش کمک خواهد کرد. عملیات حرارتی که در آن فولاد ضد زنگ 6 درصد Mo در محدوده دمایی 705 تا 1040 قرار می گیرد، فولاد را در معرض رسوب فاز سیگما، کاهش مقاومت به خوردگی و چقرمگی قرار خواهد داد. بر اساس ترکیب آلیاژ، تنش زدایی در دمای حداکثر 600 سانتی گراد برای چند ساعت، ممکن است، در موارد خاص مورد استفاده قرار گیرد.
عکس
عواملی که منجر به کاهش مقاومت به خوردگی جوش فولاد ضد زنگ سوپر آستنیتی می شوند و اقدامات لازم جهت غلبه بر آن ها شامل موارد زیر است.
- ریز جدایش مولیبدن در نواحی موضعی که معمولا هنگامی که از فرآیند GTAW اتوماتیک استفاده می شود، رخ می دهد.
- نواحی ترکیب نشده. حرارت ورودی جوش کاری بالا می تواند نوار هایی از فلز پایه را در مناطق مجاور خط ذوب ایجاد کند که ذوب شده اند اما با فلز پر کننده ترکیب نشده اند. این مشکل با کنترل حرارت ورودی و جلوگیری از سوختگی جوش برطرف می شود.
- شیار ها، ترک ها و ریز درز ها. مناطق خوردگی شیاری می توانند در ابتدا یا انتهای پاس های جوش کاری، بین پاس های جوش کاری یا زیر قطرات جوش ایجاد شوند.
- حساس شدن و رسوب کاربید
- رسوب فاز های بین فلزی مانند فاز های سیگما
- آلودگی های سطحی که می توان آن را با ساینده ها یا اسید شویی یا حلال های مناسب از بین برد.
ص: 53
عکس
- پوسته های اکسید سطحی یا رنگ که با فرآیند پوسته زدایی بر طرف نشده اند.
- برای بهینه ساختن مقاومت به خوردگی در فلز جوش به خصوص در جوش کاری ماشینی باید این اقدامات انجام گیرد.
- آنیل پس از جوش کاری
- تمیز کاری سطح پس از جوش کاری
- اسید شویی برای بهبود مقاومت به خوردگی و پسیو کردن سطح.
- جوش کاری فولاد ضد زنگ آستنیتی
- حفظ از مقاومت به خوردگی
- جلوگیری از ایجاد ترک
جوش پذیری خوب یکی از ویژگی های بارز فولاد های ضد زنگ است و این به دلیل کاربرد وسیع تر و تنوع بیش تر این مواد در ساخت مخازن تحت فشار، تانک های ذخیره، کارخانجات شیمیایی و کاربرد های خانگی است. جوش ها در فولاد های ضد زنگ آستنیتی معمولا ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و چقرمگی قابل قیاس با فلزات پایه را دارند. این فولاد ها نسبت به ترک سرد حساس نیستند. به دلیل ساختار پایدار نیازی به پیش گرمایش یا عملیات حرارتی پس از جوش کاری ندارند. معمولا هیچ محدودیتی برای حرارت دهی وجود ندارد و می توان از انرژی بالای آرک بدون ایجاد اثرات مخرب استفاده کرد، چون این جوش ها آستنیتی هستند، غیر مغناطیسی بوده و در نتیجه وزش قوس (arc blow) در حین جوش کاری پیش نمی آید. فولاد های ضد زنگ آستنیتی در مقایسه با فولاد های کربنی، کم آلیاژ و سری 400 ضد زنگ نقطه
ص: 54
ذوب پایین تر، مقاومت الکتریکی بیش تر، هدایت حرارتی کم تر (30 تا 50 درصد) و ضریب انبساط حرارتی بیش تری (50 درصد) دارند. به همین دلایل حرارت ورودی کم تر (جریان کم تر) و تجمع حرارت تنها در یک منطقه کوچک در مجاورت جوش نیاز است. اگر چه فولاد های ضد زنگ به اندازه کافی انعطاف پذیر هستند تا مقدار قابل توجهی انقباض را تحمل کنند، جوش ها ممکن است زمانی که سرد می شوند، ترک بخورند.
جوش کاری SMAW، روشی سریع و رایج با کاربرد های فراوان در زمینه فولاد های ضد زنگ است، به خصوص برای اشکالی که نمی توان با روش های جوش کاری اتوماتیک آن ها را به هم متصل کرد. الکترود ها را بر اساس ترکیب آلیاژ و بر اساس پوشش انتخاب می کنند. پوشش الکترود ها معمولا مواد با پایه آهک یا تیتانیا است، که به نوع جوش و تجهیزات به کار رفته بستگی دارد. حمل و نقل و نگهداری الکترود ها از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا پوشش الکترود ها تمایل به جذب رطوبت دارند و حضور رطوبت در حین جوش کاری منجر به تخلخل می شود.
عکس
روش GTAW به راحتی انواع فولاد ضد زنگ را جوش داده و به طور گسترده برای اتصال لوله به لوله گیر و جوش کاری مبدل های حرارتی پوسته لوله به کار می رود. در این روش عمدتا فلز پر کننده به شکل دستی توسط جوش کار تزریق می شود، اما این روش به خصوص برای قطعات ضخیم آهسته است. برای دستیابی به نرخ رسوب گذاری بالا، این فرآیند می تواند به صورت اتوماتیک انجام بگیرد و سیم پر کننده به روش مقاومتی گرم شود. به این فرآیند GTAW با سیم داغ گفته می شود
ص: 55
و سرعت جوش را 100 درصد افزایش می دهد. در نوع دیگری از GTAW از قوس پالسی استفاده می شود. در این فرآیند، قوس پالسی کنترل حوضچه مذاب را ممکن می کند تا به این وسیله نفوذ افزایش یافته و تخلخل کاهش یابد. استفاده از لنز گاز در جوش کاری TIG فولاد ضد زنگ آستنیتی شدیدا توصیه می شود. لنز گاز قطعه ای از جنس مس و برنج با لایه هایی از توری های فولاد ضد زنگ است که جایگزین حلقه معمول در مشعل GTAW می شود. لنز گاز به توزیع یک نواخت گاز در اطراف قوس و حوضچه جوش و به سرمایش جوش نیز کمک می کند. جوش هایی با نفوذ کامل به پشت بندی گازی (back purging) نیاز دارند که در این روش قسمت پشت جوش را گاز های خنثی می پوشانند انجام می شود، تا قسمت زیرین جوش از عناصر موجود در اتمسفر محافظت شوند. در نهایت باید توجه داشت که مقدار کافی گاز پس از جوش کاری باقی بماند (جریان پس از جوش کاری). بهترین راه جوش کاری حفظ 1 ثانیه از جریان پس از جوش کاری به ازای هر 10 آمپر جریان جوش کاری است، که در حین جوش کاری رخ می دهد.
عکس
به طور کلی GMAW چهار برابر سریع تر از GTAW است. بر اساس روش انتقال فلز، سه روش جوش کاری GMAW وجود دارد که شامل موارد زیر هستند.
- انتقال با اسپری کردن
- انتقال اتصال کوتاه
فرآیند های جوش کاری SMAW، SAW، GMAW، GTAW و PAW به طور گسترده برای اتصال فولاد های ضد زنگ استفاده می شوند. عموما، فولاد هایی که حاوی آلومینیم یا تیتانیم یا هر دو عنصر باشند می تواند با فرآیند های گاز محافظ مانند
ص: 56
SMAW و GTAW جوش کاری قوس شوند. برای فرآیند GTAW، باید از جریان مستقیم، پلاریته مستقیم و الکترود تنگستن با 2 درصد توریوم استفاده کرد. فولاد های ضد زنگ آستنیتی مشکلات خاصی با جوش کاری TIG دارند که از جمله می توان به رسوب کاربید ها و خمیدگی اشاره کرد. جوش کاری SAW هنگامی که جوش آستنیتی یا کم فریت مد نظر باشد، توصیه نمی شود. اگر چه هنگامی که درصد فریت جوش تا 4 درصد هم قابل قبول باشد، مناسب است.
عکس
اخیرا، درخواست برای جوش کاری FCAW فولاد های ضد زنگ به طور قابل توجهی افزایش یافته است، زیرا این فرآیند نقش به سزایی در بهبود سطح بدنه و بهبود بازدهی جوش کاری فولاد ضد زنگ دارد. از جوش کاری اکسی فیول (Oxyfuelwelding) فولاد ضد زنگ باید خود داری کرد زیرا حرارت بالا است و احتراق گاز منو اکسید و دی اکسید کربن و مونو اکسید کربن تولید می کند که فلز جوش را کربوره کرده و احتمال حساس شدن را افزایش می دهد. بنا بر این جوش کاری اکسی فیول به جز در مورد تعمیرات اورژآنسی در حالتی که تجهیزات جوش کاری قوس در دسترس نباشد توصیه نمی شود، توصیه می شود که شعله خنثی یا اندکی احیایی باشد. جوش کاری قوس کربن به دلیل خطر کاهش مقدار کربن توصیه نمی شود. در شرایطی که خوردگی شدید نباشد می توان از الکترود مصرفی CO 2 استفاده کرد. اگر مقاومت به خوردگی از اهمیت زیادی برخوردار باشد جوش کاری قوس فلزی با الکترود پوشش دار یا یکی از گاز های خنثی می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
ص: 57
برای بهبود خواص جوش های فولاد ضد زنگ انتخاب دقیق مواد مصرفی جوش و فرآیند تولید اجباری است. استاندارد AWS A 5. 4، مشخصات مقاومت به خوردگی الکترود های جوش کاری با پوشش کروم و فولاد کروم نیکل، لیست انواع، ترکیبات و سایر داده ها برای الکترود های استاندارد می باشد. پر کننده های فلزی AWS ER 3 xx یا فلز پر کننده سری 300 در 90 درصد موارد برای فولاد های ضد زنگ به کار می روند. چنین جوش هایی مقاومت به خوردگی بالا، چقرمگی و استحکام بالا در دما های بالا و پایین در شرایط پس از جوش کاری نشان می دهند.
فولاد های ضد زنگ آستنیتی به دلیل دوام، عدم نیاز به مراقبت و نگهداری به طور فزآینده در معماری به کار می روند. به دلیل مقاومت به خوردگی فولاد ضد زنگ این ماده برای استفاده در خارج از ساختمان مناسب است. کیفیت سطحی فولاد های ضد زنگ متفاوت است و می توانند سطح آینه ای، براق و غیره داشته باشند، اما معمولا از سطوح نورد شده با کد 2 B استفاده می شود. از فولاد ضد زنگ با سطح بسیار نرم برای سقف ها و سطوح هم تراز استفاده می شود زیرا که این ماده به سهولت شکل می گیرد و از دوام خوبی نیز برخوردار است.
عکس
ص: 58
ساختمان کرایسلر در نیویورک از اولین ساختمان هایی بود که در ساخت آن از فولاد ضد زنگ استفاده شد. از زمان ساخت این بنا تا کنون، ساختمان های بسیار دیگری نیز از این سبک پیروی کرده اند. دروازه ای به غرب (Gateway to the West) یک اثر معماری برجسته از فولاد ضد زنگ است که در حاشیه رود می سی سی پی در ایالت میزوری آمریکا قرار دارد.
ضعیف ترین شکل خوردگی در خانه ها و ادارات وجود دارد، اما فولاد ضد زنگ به علت مقاومت در برابر زنگ زدگی و هم چنین ظاهر زیبا و عدم نیاز به رنگ در طراحی مبلمان مورد توجه قرار گرفته است.
عکس
فولاد ضد زنگ یک ماده ضروری در تجهیزات نیروگاهی مانند توربین های گاز تجهیزات تولید برق با استفاده از انرژی هسته ای و سوخت های فسیلی، پیل های سوختی و پنل های خورشیدی است. تمامی طیف های فولاد ضد زنگ در اجزای گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند. فولاد های ضد زنگ مارتنزیتی و رسوب سختی در چرخ دهنده ها و پیچ ها که به استحکام بالایی نیاز دارند به کار می روند و از فولاد های ضد زنگ آستنیتی و فریتی پر آلیاژ در اجزایی که تحت تنش کم تری قرار داشته و نیاز به مقاومت به خوردگی دارند به کار می روند.
ص: 59
عکس
مقاومت به خوردگی، استحکام بالا و سهولت تولید، فولاد های ضد زنگ آستنیتی را برای ساخت لباس شویی و خشک کن های صنعتی و خانگی مناسب می سازد.
عکس
انواع مختلفی از فولاد های ضد زنگ برای تهیه و سرو غذا به کار می روند. محدوده کاربرد آن ها از ظروف آشپز خانه تا تانک ها و مخازن پاستوریزه کننده را شامل می شود. از فولاد ضد زنگ در صنایع لبنی، کارخانجات شیرینی پزی و بسته بندی مواد غذایی نیز استفاده می شود.
ص: 60
عکس
استنلس استیل یا همان فولاد ضد زنگ کاربرد های بسیار متفاوت و متنوعی دارد. یکی از این موارد که اکثر خانواده ها از آن استفاده می کنند و شاید خودشان از این موضوع مطلع نباشند، سینک ظرف شویی است. در اکثر سینک های ظرف شویی که امروزه در جهان بسیار کاربرد دارد از استنلس استیل استفاده شده است. این فولاد ضد زنگ باعث می شود، تا سینک ظرف شویی که همیشه در مجاورت آب است، به هیچ عنوان زنگ نزند و فرم اولیه خود را از دست ندهد. هم چنین زیبایی و درخشندگی خاصی به سینک ها می بخشد تا محیط آشپز خانه از یک نواختی خود خارج شود.
عکس
ص: 61
اگر چه استفاده از فولاد ضد زنگ ابتدا در صنایع غذایی رایج شد، اما به تدریج در مزارع نیز مورد توجه قرار گرفت. کود ها و اسپری های کشاورزی شرایط خورنده ای را ایجاد می کنند و در این شرایط، استفاده از فولاد ضد زنگ آستنیتی گزینه مناسبی است. اگر چه این تجهیزات هزینه اولیه بالاتری دارند، ولی عمر بالا (تقریبا 20 سال) و عدم نیاز به مراقبت و نگهداری این هزینه بالا را جبران می کند.
ص: 62
1) «شناسایی و مقابله با پدیده خوردگی در خطوط لوله فولادی انتقال و شبکه های توزیع نفت و گاز»، بهزاد آهنگری، انتشارات ناقوس
2) «متالورژی و جوش کاری فولاد های ضد زنگ»، جان لیپولد، دامیان کوتکی؛ مترجم امیر خاکزاد، انتشارات طراح
3) مسعود یوسفی، حجت الله زیادی، کلانتر نیستانکی، «فرهنگ نامه تخصصی متالورژی» منبع: ویکی پی جی، 1392.
4) سروپ کالپاکجیان، استیون آر. اشمید؛ مترجم محمد کاظم بشارتی گیوی، «مهندسی تولید و فناوری». انتشارات دانشگاه تهران، 1389.
5) www.article.tebyan.net
6) www.easydoor.ir
7) www.magsci.ir
8) www.namlin.com
9) www.fooladiranian.com
ص: 63