آشنایی با فولاد زنگ نزن (قسمت دوم)

فصل دوم:

عناصر آلیاژی در فولادهای زنگ نزن

عناصر آلیاژی اصلی که به فولادهای زنگ نزن اضافه می شوند کرم و کربن برای گروه فریتی و مارتنزیتی و با افزودن نیکل نیز برای گروههای آستنیتی و دو فازی می باشند. برخی از این عناصر آلیاژی یا به صورت عمدی به فولادهای زنگ نزن اضافه می شوند مانند منگنز و سیلیسیم و یا اینکه به صورت ناخالصی در فولادهای زنگ نزن وجود دارند مانند نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و فسفر و یا اینکه برای بهبود خواص فولادهای زنگ نزن به آنها اضافه می شوند مانند مولیبدن، تیتانیم، مس و...

در یک جمع بندی کلی می توان بیان داشت که عناصر آلیاژی به دو دسته تقسیم بندی می شوند:

1-عناصر آلیاژی پایدار کننده فریت:

1-کرم

2-مولیبدن

3-سیلیسیم

4-نیوبیم

5-آلومینیوم

6-وانادیم

7-تنگستن

2-عناصر آلیاژی پایدار کننده آستنیت:

1-نیکل

2-منگنز

3-کربن

4-نیتروژن

5-مس

6-کبالت

 در این فصل سعی بر آن است که تاثیر عناصر آلیاژی را در فولادهای زنگ نزن مورد بررسی قرار دهیم.

2-1-کرم

تاثیرات کرم را می توان به موارد ذیل بیان نمود:

1- ایجاد مقاومت به خوردگی در فولادها:

با اضافه نمودن کرم به مقادیری بالاتر از حدود 10.5%wt فولاد در شرایط محیطی زنگ نزن در نظر گرفته می شود هنگامی که کرم به میزان حداقل 12%wt رسید، با ایجاد یک لایه محافظ از اکسید کرم           بر روی سطح فولاد  از زنگ زدن فولاد جلوگیری می کند این میزان کرم با توجه به نوع محیطی که فولاد زنگ نزن در آن قرار می گیرد می تواند افزایش یابد.

2- بعنوان یک عامل فریت زا عمل می کند:

همانگونه که در فصل گذشته بیان شد آلیاژهای آهن- کرم با کرم بیش از 12%wt ، کاملا فریتی می باشند به عبارتی دیگر در آلیاژهای فریتی ،کرم به عنوان پایدار کننده ریزساختار فریتی می باشد. همچنین با افزایش میزان کرم احتمال تشکیل فاز بین فلزی سیگما از فاز فریت نیز وجود دارد.

3- تشکیل کاربید در حضور کربن:

در حضور کربن، کرم باعث تشکیل کاربیدهایی از قبیل                                                                                                                      

می شود و به عنوان یک کاربید زای قوی عمل می کند. این کاربیدها بسیار سخت بوده و باعث افزایش خواص مقاومت در برابر سایش می شود از طرفی وجود این کاربیدها در فولادهای زنگ نزن می تواند نامطلوب باشد چرا که باعث کاهش کرم در ساختار  می شود.

4- استحکام محلول جامد:

کرم یک اتم جایگزینی در شبکه های کریستال مکعبی مرکز دار (Bcc) مکعبی سطوح مرکز دار(Fcc) می باشد و به همین دلیل باعث استحکام محلول جامد می شود.

5- بهبود چقرمگی و داکتیلیتی در مقادیر بالای کرم به مقدار ضعیف

2-2-نیکل:

موارد ذیل از جمله تاثیرات نیکل بر روی فولادهای زنگ نزن می باشد:

1-    پایداری و توسعه فاز آستنیت:

نیکل دارای ساختار Fcc بوده و از آنجایی که این ساختار شبیه ساختار آستنیت است فاز آستنیت را پایدار و باعث گسترش محدوده آن می شود بطوری که آستنیت تا درجه حرارت اتاق و پایین تر از آن نیز پایدار شود.

 

2-    تاثیر گذاری بر روی سینتیک رسوب گذاری:

3-    بهبود مقاومت به خوردگی در آلیاژهای فریتی خصوصا در محیطهای کاهنده نظیر محیطهای حاوی اسید سولفوریک

4-    کاهش مقاومت به ترک خوردگی تنشی (scc) ¹:

منحنی copson نشان می دهد که در محدوده 8 تا 12 درصدوزنی نیکل،کمترین مقاومت به scc وجود دارد و با افزایش و یا کاهش میزان نیکل مقاومت در خارج از این محدوده افزایش   می یابد.[1]

 

شکل2-1 منحنی copson

5-    استحکام محلول جامد، بهبود چقرمگی در شاخه های مارتنزیتی و فریتی

6-    کاهش درجه حرارت انتقال نرمی به تردی(DBTT)¹ در اثر افزودن بیش از 2%wt نیکل به فولاد زنگ نزن فریتی کرم بالا.[2]

 

2-3- منگنز:

1- جلوگیری از شکنندگی داغ² در هنگام ریخته گری:

در اثر ترکیب با گوگرد و تشکیل سولفید منگنز مشکل شکنندگی داغ را تاحد زیادی از بین می برد.

2-واکنش سریع آن با گوگرد:

منگنز نسبت به آن خیلی سریعتر و راحتتر با گوگرد ترکیب می شود و تشکیل سولفید منگنز (MnS) را می دهد.

3-پایدار کننده فاز آستنیت:

منگنز در دماهای پایین آستنیت را پایدار نموده و مانع از استحاله به مارتنزیت می شود. در دماهای بالا توانایی آن در افزایش آستنیت به ترکیب شیمیایی کلی آلیاژ وابسته است همچنین در فولادهای زنگ نزن آستنیتی نظیر نوع 304، تاثیر کمی در افزایش آستنیت در مقابل فریت دارد.

4-افزایش حلالیت نیتروژن در فاز آستنیت:

افزودن 15%wt منگنز به آلیاژ Fe-20Cr میزان حلالیت نیتروژن را از 0.25 تا حدود 0.4%wt بالا می برد.

5-تاثیر کم منگنز در ایجاد استحکام محلول جامد و تردی.

2-4- سیلیسیم

1- اکسیژن زدا در هنگام ذوب

2-بهبود مقاومت به خوردگی در مقادیر 4 تا 5 درصد وزنی

3-بهبود مقاومت لایه اکسیدی در درجه حرارت بالا در آلیاژهای مقاوم به حرارت در محدوده 1تا 3 درصد وزنی

4- تاثیر بر تعادل فازی

در فولادهای زنگ نزن آستنیتی مقادیر بیش از 1 درصد وزنی تاثیری بر تعادل فازی ندارد ولی مقادیر بالاتر سبب فریت زایی می شود و در فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی به افزایش فریت کمک می کند

5-ترکیب سیلیسیم با آهن و کرم:

سیلیسیم با آهن و کرم ترکیب شده و تشکیل سیلیسیدهای آهن¹ و ترکیب بین فلزی          را  می دهد که همگی ساختار را به سمت ترد شدن هدایت می کنند.

6-گسترش محدوده ترکیب شیمیایی برای ایجاد فاز سیگما

7-بهبود سیالیت فولاد مذاب

8-تمایل به ترک ²FISSURING در جوشها:[3]

سیلیسیم در فولادهای کم کربن پر آلیاژ تمایل به ترک FISSURING را افزایش می دهد.

معمولا مقدار سیلیسیم به دلیل تاثیرات موارد 6،5و 8 کمتر از 1 درصد وزنی نگه داشته می شود.

2-5- مولیبدن

1- بهبود مقاومت به خوردگی :

مولیبدن در فولادهای زنگ نزن فریتی، آستنیتی و دوفازی در مقادیر بیش از 6% و یا بیشتر از آن در فوق آستنیتی به منظور بهبود مقاومت به خوردگی، خصوصا نسبت به حفره دار شدن و خوردگی شکافی¹ افزوده می شود.

2-بهبود استحکام فولادهای آستنیتی در درجه حرارت بالا

3-به عنوان کاربیدزا عمل می کنند:

مولیبدن در فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی به عنوان کاربید زا عمل می کند(البته در برخی از فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی).کاربیدهای مولیبدن استحکام مارتنزیتها را افزایش داده و مقاومت به خزش را در آلیاژهای آستنیتی و دوتایی را بهبود می دهد.

4-مقادیر کم MO در حدود 0.5 درصد وزنی باعث افزایش و بهبود سخت گردانی ثانویه فولاد می شود که استحکام تسلیم و کششی بالاتر را  در درجه حرارت اتاق باعث می شود و خواص درجه حرارت بالا را بهبود می بخشد.

5-به عنوان فریت زا عمل می کند:

در فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی فریت باقیمانده در درجه حرارت اتاق می تواند چقرمگی و داکتیلیتی را کاهش دهد که حضور مولیبدن جهت پایداری فریت در ریز ساختار می تواند مشکل ساز باشد.

6-تشکیل فاز کای (chi )در آلیاژهای ریختگی آهن –کرم-نیکل.

2-6- عناصر کاربیدزا:

این عناصر شامل کرم، مولیبدن،نیوبیم،تیتانیم،تنگستن،تانتانیم و وانادیم می باشند که هریک به نوعی در شکل گیری کاربیدها شرکت دارند. تیتانیم و نیوبیم تشکیل کاربیدهای (MC)^2[4]       می دهند که در هنگام فرایندهایی همچون عملیات حرارتی و جوشکاری،مقاوم به حل شدن است به عبارتی کاربیدی را تشکیل می دهند که در دمای بالا پایدار است.همچنین آنها مقاومت به خزش . مقاومت به بازپخت¹ را بهبود می بخشند.از طرفی این عناصر با پایدار نمودن کربن از خوردگی بین دانه ای فولادهای زنگ نزن آستنیتی جلوگیری می کنند.همچنین با تشکیل کاربیدهای تیتانیم و کلومبیم در دماهای بالا مقاومت به خوردگی بین دانه ای فولادهای زنگ نزن فریتی استاندارد در دمای پایین را  بهبود می بخشد.

تنگستن،تانتالیوم،وانادیم هرکدام با تشکیل کاربیدهای ریز و پراکنده در فولادهای زنگ نزن باعث افزایش استحکام در درجه حرارت بالا می شوند. همچنین این عناصر فریت را در ریز ساختار افزایش و مانع از آستنیت زایی می شود

 

2-7- عناصر رسوب سختی شونده²(PH):

این عناصر شامل آلومینیوم، تیتانیم، مس و مولیبدن هستند که جهت افزایش واکنش رسوب زایی به فولادهای زنگ نزن اضافه می شوند.[5]

آلومینیوم مقاومت به پوسته شدن در دمای بالا را بهبود می بخشد.

مس خیلی آرام آستنیت را پایدار می کند و تاثیر آن در رسوب سختی زمینه است. آلیاژهای دارای مس برای رسیدن به استحکام کامل نیاز به پیرسختی دارند در این آلیاژها عملا مس خالص رسوب می کند و درجه حرارت مورد نیاز عمل رسوب گذاری نسبتا کم بوده و در محدوده شکنندگی 470 درجه سانتیگراد می باشد که می تواند به چقرمگی آسیب برساند.

تیتانیم از تشکیل آستنیت در فولادهای پر کرم ممانعت بعمل می آورد همچنین از فقیر شدن موضعی کرم در فولادهای زنگ نزن در ضمن حرارت دادن طولانی جلوگیری می کند.

2-8-کربن :

1-عامل پایداری فاز آستنیت:

2-بهبود استحکام آلیاژها در دمای بالا به علت شرکت در کاربید زایی

3-کاهش مقاومت به خوردگی در اثر ترکیب شدن با برخی از عناصر از قبیل کرم و مولیبدن.

معمولا مقدار کربن تا حدود 0.1 درصد وزنی در نظر گرفته می شود بجز در فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی.

2-9- نیتروژن:

1- استحکام دهنده قوی محلول جامد:

افزودن مقادیر کم آن در حدود 0.15 درصد وزنی باعث افزایش قابل ملاحظه ای در استحکام آلیاژهای آستنیتی می شود و همچنین در فولادهای دوفازی نیز سبب افزایش استحکام می شود.

2-افزایش مقاومت به حفره دار شدن و خوردگی شکافی در فولادهای زنگ نزن دوفازی

3-رسوب             در فاز فریت:

حلالیت نیتروژن در فولادهای زنگ نزن مخصوصا در فریت نسبتا پایین است. با اضافه کردن منگنز به فولادهای زنگ نزن آستنیتی حلالیت نیتروژن افزایش می یابد. در فولادهای زنگ نزن فریتی و دو فازی افزایش حلالیت نیتروژن سبب رسوب            در فاز فریت می شود.

در جدول 2-1 نیز تاثیر عناصر آلیاژی بر روی آلیاژهای مبنا،430فریتی، 302آستنیتی، 410 مارتنزیتی به اختصار بیان شده است.

 

 

عناصر آلیاژی	فولاد زنگ نزن	قابلیت سخت شوندگی	نوع AISI	تاثیر بر آلیاژ مبنا
کرم	مارتنزیتی	قابلیت سخت شوندگی با عملیات حرارتی	403	12% کرم برای خواص مکانیکی خاص
			410	نوع اصلی - 12% کرم
			414	اضافه کردن نیکل به منظور افزایش مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی
			416	P و S اضافه می شود برای اسانتر شدن ماشینکاری
			416Se	Se اضافه می شود  برای بهبود قابلیت ماشینکاری
			418Spec	W اضافه می شود برای بهبود ویژگیهای دما بالا
			420	C بالاتر برای فرایند های برشکاری
			420F	P و S اضافه می شود برای ماشینکاری راحتتر
			431	کرم بالا و اضافه کردن نیکل برای بهتر شدن مقاومت و خواص
			440A	کربن بالاتر برای کاربردهای برشکاری
			440B	کربن بالاتر برای کاربردهای برشکاری
			440C	کربن بالا و ثابت برای مقومت به سایش
			440Se	Se اضافه شدخ برای ماشینکاری راحتتر
	فریتی	غیر قابل سخت شدن	405	اضافه کردن کرم تا 12 % تا از سختی جلوگیری کند
			430	نوع پایه- 17% کرم
			430F	P و S اضافه می شود برای ماشینکاری راحتتر
			430Ti	تیتانیم تثبیت شده
			442	کرم بالتر برای افزایش مقاومت به پوسته شدن
			446	کرم خیلی بالاتربرای بهبود مقاومت به پوسته شدن
کرم- نیکل	آستنیتی	قبلیت سخت شدن با کار سرد	301	کرم و نیکل پایینتر برای سخت کاری بیشتر
			302	نوع پایه-18Cr-Ni 8%
			302B	سیلیس بیشتر برای مقاومت به پوسته شدن بیشتر
			303	P و S اضافه می شود برای بهبود قابلیت ماشینکاری
			303Se	Se اضافه شده برای بهبود قابلیت ماشینکاری
			304	کربن پایینتر برای اجتناب از رسوب کربید
			304L	کربن پایینتر برای کاربرد جوشکاری
			305	نیکل بیشتر برای کار سختی کمتر
			308	کرم و نیکل بالاتر به همراه کربن کم برای مقاومت بیشتر به خوردگی و پوسته شدن
			309	کرم و نیکل بالا و ثابت برای مقاومت به خوردگی و پوسته شدن
			309CT	Cb و Ta اضافه شده برای اجتناب از رسوب کربید
			309S	کربن کمتر برای اجتناب از رسوب کربید
			310	بالاترین کرم و نیکل برای افزایش مقاومت به پوسته شدن
			314	سیلیس بالاتر برای افزایش مقاومت به پوسته شدن
			316	Mo اضافه شده برای مقاومت به خوردگی بیشتر
			316L	کربن کمتر برای کاربرد جوشکاری
			317	Mo بالاتر برای مقاومت به خوردگی بیشتر و استحکام طولانی در دمای بالا
			318	Cb,Ta اضافه شده تا از رسوب کاربید جلوگیری شود
			321	Ti اضافه شده تا از رسوب کاربید جلوگیری شود
			347	Cb,Ta اضافه شده تا از رسوب کاربید جلوگیری شود
			347Se	Se اضافه شده برای بهبود قابلیت ماشینکاری
			348	مشابه 347 اما شامل تانتالیم کمتر
کرم-نیکل-منگنز	استنیتی	قابلیت سخت شدن با کار سرد	201	کرم و نیکل پایینتر برای کار سختی بیشتر
			202	نوع پایه 18%Cr-5%Ni-8%Mn
			204	کربن کمتر برای اجتناب از رسوب کاربید
			204L	کربن کمتر برای کاربرد جوشکاری

 جدول 2-1 تاثیر عناصر آلیاژی بر آلیاژهای مبنا

 

 

 

 

 

---

1- Stress corrosion cracking

 

1- Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT)

دمایی که در آن فولاد فریتی از یک حالت شکست نرم ( که توسط به هم پیوستن حفره های میکرونی مشخص می شود ) به حالت شکست ترد ( مشخص شده توسط تورق Clearage) تغییر وضعیت می دهد را دمای تبدیل یا انتقال نرمی به ترد می گویند.

2- Hot shortness

تردی فلزات در گستره شکل دادن کرم در واقع یک نوع از ترک خوردگی انجمادی است که با شکل گیری اجزاء یوتکتیکی آهن- سولفید با نقطه ذوب پایین مرتبط است.

 

1- Fe₅Si₃ , Fe₃Si , Fe₂Si , FeSi

 

 

1- Crevice corrosion

M  -2 معمولا Cr می باشد و گاهی نیز دارای مقداری Fe و Mo نیز می باشد اما Cr عنصر غالب می باشد

 

1- Tempering

2- Precipitation hardening