شنبه , ۱۳ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی
فولاد زنگ نزن

فولاد زنگ نزن و کاربرد های آن

فولاد زنگ  نزن و کاربرد های آن

ارسالی از : فاطمه نادرنژاد

 

فولاد زنگ نزن :

فولاد زنگ نزن یا استنلس استیل (به انگلیسی: Stainless Steel) به فولادهایی با مقدار عناصر آلیاژی بالا گفته می‌شود که توانایی مقاومت به خوردگی در اتمسفرهای خورنده و دماهای بالا را داشته باشند. فولادهای ضد زنگ معمولی حاوی حداقل ۱۱ درصد کروم هستند که عامل اصلی مقاومت به خوردگی آنهاست.

فولاد زنگ نزن

خصوصیت کلیدی :

مقاومت در برابر خوردگی – زیبایی شناسی – مقاومت در برابر حرارت – کم هزینه چرخه زندگی کامل – بازیافت – بیولوژیکی خنثی – طرز کار و تمیز کردن آسان – مقاومت نسبت وزن

انواع مغناطیسی :

پرمصرف ترین آنها ۱٫۴۰۱۶ می‌باشد. استفاده از آلیاژهایی با کروم پائین درمواردی که حفظ ظاهر در اولویت نیست و شرایط سخت محیطی وجود ندارد، امکان‌پذیر است. افزایش کروم و مولیبدن باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود. افزایش تیتانیوم و نیوبیوم نیز خاصیت جوش پذیری را افزایش می‌دهد.

گروه اصلی :

استنلس نگیر یا غیر مغناطیسی: آلیاژ آهن – کروم- نیکل با کربن کمتر از ۰٫۱  % (شامل انواع۱٫۴۳۰۱/۳۰۴که معمولاً به عنوان ۸/۱۸ و۱۰/۱۸ نیز نام برده می‌شوند.) در حالت استفاده نشده خاصیت غیر آهن‌ربایی دارد و بیش از ۶۵ درصد مصرف جهانی استنلس را به خود اختصاص داده است.

استنلس بگیر یا مغناطیسی: آلیاژ آهن – کروم با کربن کمتر از ۰٫۱٪ همراه با خاصیت آهن‌ربایی.

استنلس مارتنزیت: آلیاژآهن – کروم با کربن بالای ۰۱٪ و خاصیت آهن ربایی وسختی پذیر.

استیل دوپلکس (Super Duplex stainless steel):آلیاژ آهن-کروم ونیکل با ساختمانی از ترکیب استیل‌های مغناطیسی و غیر مغناطیسی وخاصیت آهن ربایی.

تاریخچه :

پیر بارتیه مهندس فرانسوی در سال ۱۸۲۱، مشاهده کرد که با افزایش مقدار مشخصی کروم به آهن، سفتی و مقاومت به خوردگی اسیدی آن بسیار افرایش می‌یابد. در ۱۹۰۹، لئون گویله و آلبرت پورتوین بطور مستقل در فرانسه ریزساختار آلیاژهای Fe-Cr و Fe-Cr-Ni را بررسی کردند.

فولاد ضد زنگ حساس‌شده :

فولاد ضد زنگ حساس‌شده (Sensitized) فولاد زنگ نزنی است که با فرایند گرمایی اتم‌های کروم آن از حلالیت خارج و بصورت کاربید و زیگما در مرزدانه رسوب کرده‌اند.

چنانچه اگر این فولاد در آب دریا باشد، خوردگی بین دانه‌ای در آن رخ می‌دهد.

هرگز زنگ نمی‌زند :

این نوع فولاد در برابر زنگ زدگی و خوردگی بسیار مقاوم است و می‌تواند سال‌ها بدون خوردگی و زنگ زدگی باقی بماند. این دستاورد در خیلی از ساخت و سازها دیده می‌شود و دارای کاربردهای فراوان است. در ساختمان‌های بسیاری از جمله راهروهای زیر زمینی کاخ سفید آمریکا بکار رفته است.

آلیاژها :

آلیاژهای فولاد زنگ نزن به علت داشتن مقاومت بالا نسبت خوردگی عالی یکی از پر کاربردترین مواد درمهندسی است. این مقاومت به دلیل وجود مقدار زیادی کروم درآن‌ها ناشی می‌شود. مقدار کم کروم، مثلاً ۵٪، مقاومت به خوردگی آهن را مقداری افزایش می‌دهد، اما برای رسیدن به فولاد زنگ نزن، حداقل ۱۲Cr% نیاز است. برابر با نظریه‌های کلاسیک، کروم با تشکیل یک لایه اکسید سطحی که لایه‌های زیرین را از خوردگی محافظت می‌کند، سطح آهن را زنگ نزن می‌سازد. برای ایجاد این لایه محافظ، سطح فولاد زنگ نزن باید در تماس با عوامل اکسید کننده باشد.

اضافه کردن نیکل به فولادهای زنگ نزن مقاومت به خوردگی را در محیط‌های خنثی و یا اکسید کننده ضعیف افزایش می‌بخشد اما قیمت آن‌ها را نیز افزایش می‌دهد. هم‌چنین مقدارکافی نیکل قابلیت انعطاف‌پذیری وشکل‌پذیری فولادها را افزایش می‌دهد زیرا امکان نگهداری آستینت (FCC) در دمای محیط را فراهم می‌کند. افزایش مولیبدن به فولادهای زنگ نزن مقاومت به خوردگی را در حضور یون‌های کلر افزایش می‌دهد، حال آن‌که افزودن آلومینیوم مقاومت به پوسته شدن را در دماهای بالا بهبود می‌بخشد. کروم نیز برای افزایش مقاومت به خوردگی آن، اضافه می‌شود.

انواع :

آلیاژهای مهم فولادهای زنگ نزن بر مبنای عنصر آلیاژی که به آن افزوده شده است به صورت زیر می‌باشد.

  1. آلیاژهای آهن – کروم
  2. آلیاژهای آهن – کروم ـ کربن
  3. آلیاژهای آهن – کروم – نیکل – کربن

فولادهای زنگ نزن بر اساس ساختار متالورژیکی و ترکیب شیمیایی، به صورت زیر تقسیم می‌شوند:

  1. فولاد زنگ نزن فریتی
  2. فولاد زنگ نزن مارتنزیتی
  3. فولاد زنگ نزن آستنیتی
  4. فولاد زنگ نزن آستنیتی – فریتی (دوفازی)
  5. فولاد زنگ نزن رسوب سختی

فولاد زنگ نزن فریتی : (Ferritic Stainless Steel) آلیاژهای آهن- کروم با ۳۰-۱۲α )  باقی می‌ماند، فریتی نامیده می‌شوند. این گروه تحت نام های CB-30 و CC-50 شناخته می شود. نوع CB-30 ، آلیاژهایی هستند که توسط عملیات حرارتی قابل سخت کاری نیستند. اگر تعادل بین عناصر در ترکییب شیمیایی حفظ شود این آلیاژ کاملا فریتی می شود.  اگر کروم آن در پایین ترین میزان مشخص شده و کربن و نیکل آن در بالاترین مقدار خود باشد ، می توان توسط عملیات حرارتی تا حدی ساختار مارتنزیتی به وجود آورد. از این آلیاژ در ساخت بدنه شیرها ، تجهیزات تولید مواد شیمیایی و مواد غذایی استفاده می شود.

آلیاژ CC-50 با کروم بالا مقاومت خوبی در برابر مواد اکسید کننده ، اسیدهای نیتریک و سولفوریک و مایعات قلیایی دارد. همچنین از این گروه آلیاژی برای ساخت قطعاتی که در معرض اسیدهای معدنی دیگر و فرآورده های سلولزی قرار دارند، به کار می رود.

ترکیب شیمیایی و کاربرد :

بر اساس ترکیب فولادهای زنگ نزن فریتی به دو دسته تقسیم می شوند:

۱- سری ۴۰۰ استاندارد: که حاوی ۲۷-۱۱%Cr ، ۲۰-۰٫۰۸%C و مقادیر کمی پایدار کننده فریت مانند آلومینیوم ، نیوبیوم و تیتانیوم هستند.

۲- سری دوم که حاوی کروم بیشتر تا ۳۰% ، مولیبدن تا ۴% و نیکل تا ۲% می باشند که مقاومت عالی در برابر SCC دارند.

فولادهای زنگ نزن فریتی از این جهت مورد توجه مهندسین طراح‌ قرار دارند که مقاومت به‌ خوردگی آن‌ها مثل فولادهای زنگ نزن نیکل‌ دار بوده اما ارزان‌ترند زیرا در ترکیبشان نیکل وجود ندارد. با وجود این، فولادهای زنگ نزن فریتی نسبت به فولادهای آستنیتی کاربرد محدودتری دارند، زیرا شکل‌پذیر نیستند، به فاق حساس‌ بوده و قابلیت جوشکاری ضعیفی دارند. برای غلبه بر مشکل شکل‌ پذیر نبودن فولادهای زنگ نزن فریتی استاندارد، فولادهای فریتی جدید با مقدار کم کربن و نیتروژن به‌ صورت تجاری ساخته شده است . این آلیاژها جوش‌ پذیرند و مقاومت به‌ خوردگی بهتری دارند.

ساختار فولادهای زنگ نزن فریتی در تمام دماهای معمول عملیات حرارتی به‌صورت فریتی ( آهن α ) باقی می‌ماند. بیشتر فولادهای زنگ نزن فریتی را می‌توان بر مبنای مقدار کروم به دو گروه تقسیم کرد:

گروه ۱٫ فولادهای زنگ نزن فریتی با ۱۸-۱۵% کروم و حدود ۰٫۰۶% کربن. مثل؛ آلیاژ ۴۳۰ (۱۷% کروم، ۰٫۰۶% کربن)

گروه ۲٫ فولادهای زنگ نزن فریتی با ۳۰-۲۵% کروم و حدود ۰٫۰۸% کربن. مثل؛ آلیاژ ۴۴۶ (۲۵% کروم، ۰٫۰۸% کربن)

ریزساختار آلیاژهایی که ۱۸-۱۵% کروم دارند (گروه ۱) در دماهای کمتر از ۹۰۰ درجه سانتی گراد تماما فریتی است. ریزساختار فولاد نوع ۴۳۰ (۱۷% کروم و ۰٫۰۶% کربن) پس از تابکاری در دمای ۷۸۸ درجه سانتی گراد در شکل زیر آمده است. ساختار محلول جامد فریت α غنی از کروم است که بیشتر کربن به‌صورت کاربید (Cr و Fe) در مرزدانه‌ها و یا به‌ صورت کاربید ریز در داخل دانه‌ها پخش شده است.

فولاد زنگ نزن مارتزنیتی : فولاد زنگ نزن مارتنزیتی (Martensitic Stainless Steel) آلیاژهای آهن- کروم با ۱۷-۱۲%Cr و مقدار کافی کربن بوده که با آبدهی از منطقه آستنیت، ساختار مارتنزیتی به‌دست آید، به همین علت به آن‌ها فولادهای مارتنزیتی می‌گویند چون با عملیات آستنیته کردن و آبدهی ساختار مارتنزیتی ایجاد می‌شود.

آلیاژهای این گروه عبارتند از : CA-15 ، CA-40 ، CA-15M ، CA-6NM

آلیاژ CA-15 : با توجه به مقدار تناژ تولید بیشتر نسبت به سایر آلیاژهای این گروه، از مهمترین آنها محسوب می شود. آلیاژ ساده آهن – کروم بوده و مقاومت خوبی در برابر خوردگی اتمسفری داشته و در برابر مواد آلی نیز نسبتا مقاوم است.

استفاده از این آلیاژ در توربین های بخاری و آبی سبب رشد تولید آن گردیده است. روش اصلی سخت کردن آن، استحاله فاز آستنیت به مارتنزیت با خنک کردن آن در هوا (نرمالیزه کردن) یا روغن است.

آلیاژ CA-15M : با افزودن مولیبدن به آلیاژ CA-15 بدست می آید. این امر به منظور بهبود استحکام در دمای بالا صورت می گیرد.

آلیاژ CA-40 : مشابه آلیاژ CA-15 بوده ولی کربن بیشتری دارد که موجب می شود در اثر سخت کاری تا سختی حدود ۵۰۰ برینل برسد.

آلیاژ CA-6MN : آلیاژی از گروه توسعه یافته فولاد زنگ نزن ریختگی ۱۲% کروم می باشد. تفاوت اساسی آن با آلیاژ CA-15  در کربن کمتر (۰٫۰۶%) و نیکل بیشتر (حدود ۴٫۵-۳٫۵%) در مقایسه با آلیاژ CA-15 که دارای ۰٫۱۵% کربن و حداکثر ۱% نیکل است، می باشد. پایین بودن کربن آلیاژ، سبب شکل گیری ساختار فریت در دمای آستنیتی کردن شده و در نتیجه هنگام سرد شدن آلیاژ، میزان تشکیل فاز مارتنزیت را کاهش می دهد. در این شرایط نیکل جهت افزایش منطقه دو فازی فریت – آستنیت به آلیاژ اضافه می گردد.افزودن این مقدار نیکل به آلیاژ حاوی کروم بالا قطعا منجر به تشکیل ساختار آستنیتی در دمای نرمالیزه کردن می شود.

ریزساختار به وجود آمده اساسا یک ساختار مارتنزیت کم کربن خواهد بود که سبب بهبود در قابلیت جوشکاری و چقرمگی ضربه ای آن می شود.

روش عمومی سخت کردن این آلیاژ رساندن آن به دمای ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد و سرد کردن در هوا یا روغن است. دمای تمپر برای آن حدود ۳۱۵ درجه سانتی گراد است. به دلیل تغییر شکل در ایجاد کاربید کروم Cr7C3 و کاهش چقرمگی ضربه، نباید این آلیاژ را در ۴۸۰ درجه سانتی گراد تمپر کرد. تمپر کردن (برگشت) در دمای بین ۶۲۰-۵۹۰ درجه سانتی گراد سبب افزایش خاصیت چکش خواری و چقرمگی شده ولی سختی آلیاژ را کاهش خواهد داد. اگر دمای برگشت از ۶۵۰ درجه سانتی گراد فراتر رود، ساختار مارتنزیت به تدریج به آستنیت تبدیل خواهد شد.تشکیل این فاز آستنیت و استحاله آن در طول سرد کردن آلیاژ از دمای تمپر، سبب تشکیل آستنیت باقیمانده می شود که از لحاظ چقرمگی و ماشین کاری مضر می باشد.

فولاد زنگ نزن آستنیتی : فولاد زنگ نزن آستنیتی (Austenitic Stainless Steel) اساسا آلیاژهای سه‌تایی Fe-Cr-Ni با ۲۰-۱۶% کروم و ۲۰-۷% نیکل می‌باشد. از آنجا که ساختار این فولادها در تمام دماهایعملیات حرارتی، آستنیت (آهن γ) باقی می‌ماند، به آن‌ها فولادهای زنگ نزن آستنیتی گویند. می‌توان مقداری از نیکل این آلیاژها را با منگنز جایگزین کرد در حالی که ساختار آن‌ها آستنیت باقی خواهد ماند.

در این گروه آلیاژهای CH-20 ،CK-20 ،CN-7M وجود دارد. دو آلیاژ CH-20 ، CK-20 دارای کروم و نیکل بالاتر بوده، ترکیبی تمام آستنیتی دارند و میزان کروم آنها از نیکل بیشتر است. این آلیاژها نسبت به آلیاژ CF-8 مقاومت بیشتری در برابر اسید سولفوریک داشته و دارای استحکام بهتری در دماهای بالا هستند. کاربرد اختصاصی آنها در صنایع شیمیایی و در مجاورت محلول های خمیر کاغد و اسید نیتریک است. برای انتقال اسید سولفوریک داغ با غلظت های مختلف، آلیاژ CN-7M با نیکل زیاد که حاوی مولیبدن و مس بوده وسیعا به کار می رود و نیز در برابر اسید هیدروکلریک رقیق و محلول های کلریدی داغ به خوبی مقاوم است. این آلیاژ در کارخانجات نورد فولاد در مجاورت مواد تمیز کننده از محلول های هیدروفلوریک نیتریک بکار می رود. همچنین در بسیاری موارد که آلیاژهای گروه CF با کروم بالا مناسب نیستند، این آلیاژ کاربرد خوبی دارد.

آلیاژ  CH-20 با ترکیب ۲۵%Cr-12%Ni حداکثر ۰٫۲% کربن دارد. ریزساختار ریختگی آن،آستنیت با مقدار کمی فریت حاوی کاربید می باشد. با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نبوده و در مجاورت اسید سولفوریک رقیق با دمای بالا، کاربرد بیشتری دارد.

آلیاژ CK-20 با ترکیب ۲۵%Cr-20%Ni حاوی حداکثر ۰٫۲% کربن است. با اینکه ترکیب آن به CH-20 نزدیک می باشد ولی درصد نیکل بالاتر آن، مقاومت به خوردگی بیشتری در دماهای بالا به آن می دهد. ریزساختار قطعه ریختگی آن، آستنیت با رسوب پراکنده کاربید در زمینه است و با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نمی باشد.

آلیاژ CN-7M با ترکیب ۲۹%Ni-20%Cr حاوی مقادیر مس و مولیبدن و حداکثر ۰٫۰۷% کربن است. تماما آستنیتی بوده و سختی آن با عملیات حرارتی افزایش نمی یابد. این آلیاژ کاربرد وسیعی در شرایط سخت خورنده در مجاورت موادی چون اسید سولفوریک، اسید نیتریک، اسید هیدروکلریک رقیق، سود سوزآور، آب دریا و محلول های گرم نمک دار دارد.

حدود ۶۵-۷۰% فولادهای زنگ نزن تولیدی ایالات متحده امریکا را فولادهای زنگ نزن آستنیتی تشکیل می‌دهند. این فولادها به علت مقاومت به‌ خوردگی و شکل‌ پذیری مطلوب در این موقعیت قرار دارند، و از این رو برای بیشتر کاربردهای مهندسی خواص خوب و مطلوبی دارند. فولادهای زنگ نزن نوع ۳۰۴ و ۳۰۲ بیشترین کاربرد را هم در دماهای بالا و هم در دماهای پایین دارند. نوع ۳۱۶، که ۲٫۵%Mo دارد، مقاومت به ‌خوردگی بهتر و استحکام بیشتری در دماهای بالا دارد. آلیاژهایی با مقدار بیشتر کروم (۲۳-۲۵%) مثل نوع ۳۰۹ و ۳۱۰ ترجیحا در دماهای بالا به‌کار می‌روند.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی بعد از تابکاری در دماهای بالا به علت داشتن مقدار زیاد نیکل (پایدارکننده آستنیت) در دمای محیط نیز دارای ساختار آستنیت، FCC، می‌باشند. علاوه بر این، منگنز، کربن و نیتروژن نیز به پایداری ساختار آستنیت کمک می‌کنند. افزایش نیکل به آلیاژهای آهن – کروم منطقه آستنیت پایدار را وسیع‌تر می‌کند و دمای Ms را کاهش می‌دهد. در فولاد زنگ نزن ۱۸%Cr-8%Ni پس از سرد کردن از دمای تابکاری (مثلا ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد) در دمای محیط ساختار آستنیتی به‌دست می‌آید. اما، در بعضی فولاهای زنگ نزن Fe-Cr-Ni (مثلا نوع ۳۰۱) به علت کم بودن مقدار کروم و نیکل (نسبت به فولاد فوق الذکر)، آستنیت از نظر ترمودینامیکی در دمای اتاق ناپایدار است. اگر آلیاژی از این نوع در دمای اتاق یا کمی کمتر از آن تغییر شکل مومسان دهد، مقداری از آستنیت به مارتنزیت تغییر می‌یابد.

بیشتر فولادهای زنگ نزن متداول، مقدار چشمگیری کربن دارند. مثلاً در نوع ۳۰۲ حدود ۰٫۱%C و در نوع ۳۰۴ حدود ۰٫۶%C وجود دارد. از آنجا که حلالیت کربن در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، مثل آلیاژ ۱۸%Cr-8%Ni ، با کاهش دما سریعا کاهش می‌یابد اگر این آلیاژها آهسته سرد شوند کاربیدهای کروم رسوب می‌کنند (شکل زیر). مثلا اگر آلیاژ ۳۰۴ (۱۹%Cr-9%Ni)از دمای۱۰۵۰ درجه سانتی گراد تا دمای محیط به آهستگی سرد شود، کاربیدهای کروم در گستره ۸۵۰-۴۰۰ درجه سانتی گراد در مرزدانه‌ها رسوب می‌کنند.

 

فولاد زنگ نزن آستنیتی – فریتی ( دوفازی – duplex) :

فولاد زنگ نزن آستنیت-فریتی یا دوفازی (Duplex Stainless Steel) تقریبا از مقادیر یکسان آستنیت و فریت تشکیل شده است. این آلیاژها تقریبا حاوی ۲۲-۲۵%Cr ، ۵-۷%Ni ،تا ۴%Moو مقادیری مس و نیتروژن هستند. فولادهای زنگ نزن دو فازی مجموعه ای از مقاومت به خوردگی خوب با استحکام بالا و تولید آسان می باشند.خواص فیزیکی آنها مابین فولادهای آستنیتی و فریتی بوده اما تمایل بیشتری به سمت فریتی و کربنی می باشد.

تصویر زیر ریزساختار فولاد دو فازی را نشان می دهد که فاز آستنیت زرد رنگ به مانند جزایری بوده که فاز آبی فریتی آن را احاطه کرده است. وقتی آلیاژ تا دمای محیط سرد می شود نیمی از دانه های فریتی به دانه های آستنیتی (جزایر) تبدیل می شود.

فولادهای زنگ نزن دو فازی با ساختار مختلط و تقریبا مساوی از آستنیت و فریت، ۸۰ سال قبل تولید شده است. گریدهای اولیه آن، آلیاژهایی از کروم، نیکل و مولیبدن بود. اولین فولاد زنگ نزن دوفازی کار شده در سال ۱۹۳۰ در کشور سوئد و در صنعت کاغذ سولفیته استفاده شد. در سال ۱۹۳۰ در فنلاند، فولاد دو فازی ریخته گری شد. نوع AISI 329 بعد از جنگ جهانی دوم شناخته شد و در تیوب مبدل های حرارتی با کاربرد اسید نیتریک استفاده میشد. یکی از اولین گرید های دوفازی که به طور اختصاصی جهت بهبود مقاومت به خوردگی تنشی در محیط کلریدی تولید شد، ۳RE60 بود. در سال های بعدی، هم گریدهای ریختگی و هم کار شده این فولادها، در کاربردهای مختلفی مانند پمپ ها، مبدل های حرارتی و مخازن استفاده شد.

خواص فولادهای زنگ نزن دوتایی مشابه خواص فولاد زنگ نزن بوده با مزایای بیشتر:

استحکام: فولادهای داپلکس استحکامی دو برابر فولاد زنگ نزن آستنیتی یا فریتی دارد.

چقرمگی و شکل پذیری: فولادهای دوتایی چقرمگی و شکل پذیری بسیار بهتری نسبت به گریدهای فریتی داشته اگرچه به مقادیر بسیار مطلوب و عالی آستنیت نمی رسند.

مقاومت به خوردگی SCC: فولادهای دو فازی مقاومت به خوردگی تنشی بسیار خوبی نشان می دهند که این خاصیت ناشی از بخش فریتی (inheritd) می باشد. SCC تحت بعضی شرایط (circumstance) می تواند مشکلی باشد (کلرایدها،رطوبت، دمای بالا) برای فولادهای استاندارد آستنیتی مانند نوع ۳۰۴ و ۳۱۶ .

قیمت: فولادهایی دوتایی با کروم و نیکل کمتر نسبت به فولادهای آستنیتی، مقاومت به خوردگی یکسانی دارند. به علت کمتر بودن مقادیر آلیاژی، قیمت این آلیاژها کمتر است به ویژه در تولید انبوه این مسئله بسیار حائز اهمیت می باشد. علاوه بر این، امکان کاهش سطح مقطع فولادهای زنگ نزن دوتایی به واسطه استحکام بالای آن در مقایسه با فولاد زنگ نزن وجود دارد.

فولاد زنگ نزن رسوب سختی : فولاد زنگ نزن رسوب سختی (Precipitation Hardening Stainless Steel) اولین بار در سال ۱۹۴۰ توسعه یافت و از آن روز به بعد به دلیل خواص مطلوب توانست کاربردهای متنوع و اهمیت زیادی بیابد. بعضی از خواص مهم این فولاد عبارت‌اند از: سادگی ساخت، استحکام زیاد، شکل پذیری نسبتا خوب، و مقاومت به‌ خوردگی عالی. در این بحث دو گروه فولاد زنگ نزن رسوب سختی که کاربرد زیادی دارند بررسی می‌شوند. این گروه‌ها فولادهای مارتنزیتی و نیمه ‌آستنیتی‌اند.

فولاد زنگ نزن رسوب سختی نیمه آستنیتی :

این فولادها از این نظر نیمه ‌آستنیتی نامیده می‌شوند که در شرایط آنیل دارای ساختار آستنیتی هستند، اما با عملیات حرارتی ساده و یا عملیات ترمودینامیکی به مارتنزیت تبدیل می‌شوند. برای ساخت این آلیاژها، موازنه فریت و آستنیت باید با دقت انجام گیرد. اگر میزان آستنیت (یا فریت) خیلی زیاد باشد، آستنیت برای تبدیل به مارتنزیت خیلی پایدار است. اگر میزان آستنیت خیلی کم باشد، در شرایط تابکاری نمی‌ توان آستنیت پایداری ایجاد کرد که در برابر دگرگونی، جزئی یا کامل به مارتنزیت مقاومت کند.

ترکیب شیمیایی بعضی فولادهای زنگ نزن رسوب سختی در  جدول زیر آمده است. فولاد ۱۷-۷PH تقریبا دارای همان مقدار کروم و نیکل است که در فولاد زنگ نزن آستنیتی ۳۰۱ وجود دارد، اما برای رسوب سختی ۱٫۲% آلومینیوم دارد.

این آلیاژها معمولا به‌‌صورت آنیل شده که با حالت A مشخص می‌شود وارد بازار می‌شوند. در این حالت، ساختار شامل زمینه‌ای آستنیتی است که در آن رشته‌هایی از فریت δ وجود دارد (شکل روبرو)، در حالت A، ساخت این آلیاژها خیلی ساده است مثل این که فولادهایی کاملا آستنیتی باشند. پس از تهیه و سخت آلیاژ، برای دگرگونی آستنیت به مارتنزیت، آستنیت باید آماده شود. برای آماده‌سازی باید فولاد را به اندازه کافی گرم کرد تا کربن از محلول جامد خارج شود و با تشکیل کاربید کروم (Cr23C6) رسوب کند. رسوب ابتدا در فصل مشترک فریت – آستنیت تشکیل می‌شود (شکل روبرو). خارج کردن کربن و مقداری کروم از زمینه آستنیتی، آستنیت را نیمه‌پایدار می‌کند و به هنگام سرد کردن به دمای Ms، آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود.

پس از تهیه و سخت آلیاژ، برای دگرگونی آستنیت به مارتنزیت، آستنیت باید آماده شود. برای آماده‌سازی باید فولاد را به اندازه کافی گرم کرد تا کربن از محلول جامد خارج شود و با تشکیل کاربید کروم (Cr23C6) رسوب کند. رسوب ابتدا در فصل مشترک فریت – آستنیت تشکیل می‌شود. خارج کردن کربن و مقداری کروم از زمینه آستنیتی، آستنیت را نیمه‌پایدار می‌کند و به هنگام سرد کردن به دمای Ms، آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود. فولاد ۱۷-۷PH در دمای ۷۶۰ درجه سانتی گراد تا دمای حدود ۱۶ درجه سانتی گراد سرد می‌شود (شکل زیر). گرم کردن تا بیشتر از ۹۵۰ درجه سانتی گراد منجر به تشکیل کاربید کمتری می‌شود و بنابراین برای دگرگونی آستنیت به مارتنزیت باید فولاد تا دمای کمتری سرد شود (حدود ۷۳- درجه سانتی گراد)، نکته مهم اینکه، چون کربن و کروم دمای Ms را کاهش می‌دهند، چنانچه کربن و نیتروژن یا کروم کمتر حذف شوند، دمای Ms آلیاژ کمتر است. آخرین قدم در عملیات حرارتی این دسته فولادهای زنگ نزن، رسوب سختی است که در دمای ۶۵۰-۴۸۰ درجه سانتی گراد انجام می‌شود. آثار رسوب سختی با میکروسکوپ نوریدیده نمی‌شود، اما وقتی آلیاژ در شرایط رسوب سختی است با میکروسکوپ الکترونی یک حالت رگه‌دار، دیده می‌شود. به هنگام رسوب سختی، آلومینیوم موجود در مارتنزیت با مقداری نیکل ترکیب و رسوب های Ni3Al و NiAl را ایجاد می‌کند که به مقدار چشمگیری آلیاژ را سخت می‌کند.

استیل‌های سری ۳۰۰ :

رایجترین نوع فولاد ضدزنگ استیل‌های سری ۳۰۰ هستند که خود به انواع مختلفی مثل ۳۰۳، ۳۰۴، ۳۰۵، ۳۱۶، ۳۲۱ و ۳۴۷ تقسیم می‌شوند و در بین آن‌ها استیل ۳۰۴ با اختلاف قابل توجهی از بقیه پرکاربردتر و رایج‌تر است. استیل ۳۰۴ و تعداد دیگری از استیل‌های این سری شامل ۱۸ درصد کروم و ۸ درصد نیکل هستند و به همین دلیل به نام استیل ۸-۱۸ هم شناخته می‌شوند. البته نام استیل ۸-۱۸ اشاره به نوع خاصی از استیل ندارد چون فقط درصد دو آلیاژ نیکل و کروم را نشان می‌دهد. علاوه بر این کربن این استیل‌ها کمتر از ۰.۰۸ درصد است و خاصیت آهنربایی ندارند.

استیل ۳۱۶ پس از استیل ۳۰۴ دومین استیل رایج در بین استیل‌های آستنیتی است. این استیل که به «استیل ضدزنگ گرید دریایی» هم معروف است و معمولا شامل ۱۶ درصد کروم، ۱۰ درصد نیکل و ۲ درصد مولیبدن است و به همین دلیل به استیل ۱۰-۱۸ هم معروف است. تغییر در نسبت کروم و نیکل و افزودن مولیبدن باعث شده تا این استیل مقاومت بیشتری در مقابل فرسایش، به‌ویژه فرسایش ناشی از کلر داشته باشد و به همین دلیل برای وسایلی که باید در تماس زیاد با عوامل فرساینده مانند مواد شیمیایی، حلال‌ها، و آب شور باشند، مناسب است. این نوع از استیل معمولا در ساخت کاردها و ابزارهای برنده و لوازم مرغوب آشپزخانه استفاده می‌شود و برای تاسیات دریایی نیز مناسب است.

کاربردهای فولاد ضد زنگ :

کاربرد های فولاد زنگ نزن (Stainless Steel Apllications) بسیار گسترده است. فولاد زنگ نزن و به اصطلاح بازار ایران همان استیل، یکی از مهمترین آلیاژ های آهن است که در زندگی روزمره با آن سر و کار داریم. از اشکال مختلف فولاد زنگ نزن در صنایع می توان به  ورق ، لوله ، پروفیل و .. اشاره کرد . از فولاد زنگ نزن برای موارد تزئینی بسیاری همچون دیوار آسانسور ها، دستگیره درب ها، ساخت ساعت، وسائل تزئینی منزل و .. استفاده می شود هم چنین یکی از بیشترین کاربرد های فولاد زنگ نزن در آشپزخانه است که برای تولید سینک های ظرف شویی، کابینت ها، یخچال و فریزر، اجاق گاز، ماکروفر و … مورد استفاده قرار می گیرد.

فولاد زنگ نزن به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی با آب و زیبایی ظاهری آن در شرایط بسیاری امتحان خود را پس داده است و به همین دلیل این فولاد در گرید های (گرید های فولاد زنگ نزن) مختلف با درصد مواد متفاوت ساخته می شود تا هر کدام از آن ها یکی از این نیاز ها را بر طرف کند . نزدیک به ۱۵۰ گرید مختلف از استینلس استیل وجود دارد که نزدیک به ۵۰ تای آن ها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد فولاد زنگ نزن در معماری :

فولاد های زنگ نزن 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 زنگ نزن این ماده را برای استفاده در خارج از ساختمان مناسب است. کیفیت سطحی فولاد های زنگ نزن  متفاوت است و می توانند سطح آینه ای، براق و …. داشته باشند، اما معمولا از سطوح نورد شده با کد ۲B استفاده می شود. از فولاد زنگ نزن با سطح بسیار نرم (dead soft) برای سقف ها و سطوح همتراز استفاده می شود زیرا که این ماده به سهولت شکل می گیرد و از دوام خوبی نیز برخوردار است

 

ساختمان کرایسلر در نیویورک از اولین ساختمان هایی بود که در ساخت آن از فولاد زنگ نزن 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 زنگ نزن است که در حاشیه رود می سی سی پی در ایالت میزوری آمریکا قرار دارد.

 

کاربرد فولاد زنگ نزن در سیستم های حمل و نقل:

استفاده از فولاد های زنگ نزن فریتی در تزئینات داخلی اتومبیل تا حد زیادی مسئول افزایش تولید فولادهای زنگ نزن ۴۳۰ و ۴۳۴ بوده است. فولاد زنگ نزن ۴۰۹، فولاد زنگ نزن فریتی با ۱۱ درصد کروم است که در صفحه راکتورهای کاتالیستی برای اتومبیل ها به کار می روند. این نوع فولاد توانایی تحمل شرایط خورنده را داشته و می تواند در برابر نمک و گازهای خورنده حاصل از احتراق مقاومت کنند.

انواع اولیه فولادهای زنگ نزن مانند ۲۰۱ و ۳۰۱ به طور گستره در صنایع اتومبیل سازی به کار می رفتند زیرا نسبت استحکام به وزن این فولادها پس از عملیات نورد سرد، سه برابر بیشتر از فولادهای کربنی می گردید. در نتیجه امکان ساخت ماشین های سبک تر که نیاز به نیروی محرکه کمتری داشتند فراهم شد. فولادهای زنگ نزن در قیاس با سایر مواد مستحکم که در رقابت با فولادهای ساختمانی کربنی قرار دارند، از مزیت مقاومت به خوردگی بر خوردار است. مقاومت به خوردگی و سطح لغزنده فولادهای زنگ نزن، آن ها را برای مخازن حمل و نقل مواد مناسب می سازد.

کاربرد فولاد زنگ نزن در مبلمان:

ضعیف ترین شکل خوردگی در خانه ها و ادارات وجود دارد. اما فولاد زنگ نزن 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.

کاربرد فولاد زنگ نزن تولید برق:

فولاد زنگ نزن 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 زنگ نزن در اجزای گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند. فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی و رسوب سختی در چرخ دهنده ها و پیچ ها که به استحکام بالایی نیاز دارند به کار می روند و از فولادهای زنگ نزن آستنیتی و فریتی پرآلیاژ در اجزایی که تحت تنش کمتری قرار داشته و نیاز به مقاومت به خوردگی دارند به کار می روند.

کاربرد فولاد زنگ نزن در تجهیزات شست و شو:

مقاومت به خوردگی، استحکام بالا و سهولت تولید، فولادهای زنگ نزن آستنیتی را برای ساخت لباسشویی و خشک کن های صنعتی و خانگی مناسب می سازد.

کاربرد فولاد زنگ نزن در صنایع غذایی و تجهیزات آشپزخانه:

انواع مختلفی از فولادهای زنگ نزن برای تهیه و سرو غذا به کار می روند. محدوده کاربرد آن ها از ظروف آشپزخانه تا تانک ها و مخازن پاستوریزه کننده را شامل می شود. از فولاد زنگ نزن در صنایع لبنی، کارخانجات شیرینی پزی و بسته بندی مواد غذایی نیز استفاده می شود.

کاربرد فولاد زنگ نزن در کشاورزی:

اگر چه استفاده از فولاد زنگ نزن ابتدا در صنایع غذایی رایج شد اما به تدریج در مزارع نیز مورد توجه قرار گرفت. کودها و اسپری های کشاورزی شرایط خورنده ای را ایجاد می کنند و در این شرایط، استفاده از فولاد زنگ نزن آستنیتی گزینه مناسبی است. اگر چه این تجهیزات هزینه اولیه بالاتری دارند ولی عمر بالا (تقریبا ۲۰ سال) و عدم نیاز به مراقبت و نگهداری این هزینه بالا را جبران می کند.

کاربرد فولاد زنگ نزن در نساجی:

برای تولید منسوجات رنگی، نیاز به ماشین آلاتی است که به راحتی تمیز شوند و از ترکیب رنگ های مختلف تا حد امکان جلوگیری شود. هر گونه آلودگی ناشی از رنگ دانه ها یا محلول های سفید کننده نه تنها منجر به هدر رفتن مواد شیمیایی می شود بلکه می تواند محصول نهایی را نیز خراب کند. فولادهای زنگ نزن در ماشین های نساجی،  مخازن پر اکسید و سفید کننده های حاوی کلر مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد فولاد زنگ نزن در تجهیزات بیمارستانی:

فولاد های زنگ نزن مارتنزیتی در تجهیزات بیمارستانی به کار می روند. ابزار های ساخته شده از فولاد زنگ نزن به راحتی استریل می شوند، مقاومت به خوردگی مطلوبی دارند و تیز باقی می مانند. از این مواد به عنوان ایمپلنت هم استفاده می شود زیرا با بدن انسان سازگاری دارند. تجهیزات استریل کننده، اتوکلاو ها، کابینت های نگهداری وسایل و تخت های جراحی معمولا از فولاد زنگ نزن ساخته می شوند. آشپزخانه ها، اتاق های معاینه و آزمایشگاه های بیمارستان نیز از تجهیزاتی از جنس فولاد زنگ نزن استفاده می کنند.

کاربرد فولاد زنگ نزن در صنایع شیمیایی و پترو شیمیایی:

شدیدترین شرایط خوردگی دراین صنایع وجود دارد، زیرا دما بالا است و از مواد بسیار خورنده استفاده می شود. در فرآیند هیدروکرکینگ در برج تقطیر، فولاد زنگ نزن آستنیتی در معرض خوردگی سولفید هیدروژن قرار می گیرد. افزایش دمای واحدهای کرکینگ کاتالیستی (تا ۷۵۰ درجه سانتی گراد یا ۱۳۰۰ درجه فارنهایت) منجر جایگزینی فولادهای کربنی ساده یا کم آلیاژ با فولاد زنگ نزن شد. در صنایع شیمیایی مانند تولید اسیدها، آمونیاک، کودها و پلاستیک نیز فولاد زنگ نزن آستنیتی به عنوان یک ماده استاندارد به کار می رود. در واحدهای تبخیر و معیان و نیروگاه هایی که از انرژی ژئوترمال استفاده می کنند نیاز به فولادهای زنگ نزن و پر آلیاژ است تا شرایط بسیار خورنده را تحمل کنند.

 

 

 

کاربرد فولاد زنگ نزن در صنایع هوا – فضا:

طراحان هواپیما در جستجوی موادی با نسبت استحکام به وزن بالا در دمای اتاق و در دمای بالا هستند که مقاومت مطلوبی در برابر خوردگی و اکسیداسیون داشته باشند. فولاد زنگ نزن این مشخصات را دارد و از نظر اقتصادی نیز به صرفه است و به همین دلیل در موتور، نازل و اسکلت هواپیما به کار می روند. آلیاژهای رسوب سختی شده در پوسته راکت ها به کار می روند در حالی که فولاد های زن نزن آستنیتی برای مخازن سوخت استفاده می شوند.

کاردبرد فولاد زنگ نزن در پزشکی :

فولاد های ضد زنگ رکورد بزرگی را در کاربرد های به شکل ذرات در علم بیومواد دارند. فولاد ضد زنگ  L316، فولاد آستنیتی است که از کاربرد های آن در علم بیومواد می توان به تثبیت کننده های استخوان(صفحات شکسته بندی، پیچ و پلاک های ارتوپدی و …)، تثبیت کننده های ستون فقرات، کاربرد های قلبی عروقی(استنت ها و ترمینال های الکتریکی)و به عنوان کتتر ها نام برد.

Refrences :

[۱] François Cardarelli, Ferrous Metals and Their Alloys, in Materials Handbook, 2nd Ed. Springer London, 2008

[۲]مجله ی علمی ویکی پی جی

[۳]tebyan.net

[۴]iransteel.blogfa.com

[۵] worldstainless.org

[۶]iranstainless.com

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

RavrJ_big_03

تست غیر مخرب مایعات نافذ pt

موضوع پروژه :تست مایعات نافذ PT در صنعت دانشجویان: هادی جوان بخت  /  علی تلگردی …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.