فولادهای زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن گروه وسیع و گسترده ای از آلیاژهای ویژه اند که حاوی 12تا50 درصد عناصر آلیاژی می باشند و بیشتر برای مقاومت در برابر خوردگی توسعه یافته اند. از جمله ویژگی های دیگر مورد نظر برای این آلیاژها عبارت از شکل پذیری عالی, چقرمگی زیاد در دمای اتاق و دمای پایین و مقاومت خوب در برابر پوسته شدن, اکسایش و خزش در دماهای بالاست. کروم عنصر آلیاژی بهبود دهنده مقاومت خوردگی فولادهای زنگ نزن است, ولی بسیاری از عناصر آلیاژی دیگر(نیکل, منگنز و مولیبدن) نیز برای پایدار کردن فازهای دیگر به این فولادها اضافه می شوند. همچنین این عناصر, مقاومت خوردگی را افزایش داده و خواص مکانیکی را نیز بهتر می کنند.

عملیات حرارتی بر روی فولادهای زنگ نزن اساسا به منظور تغییر در ویژگی های مکانیکی, فیزیکی, تعدیل تنش های موجود و ایجاد حداکثر مقاومت به خوردگی در قطعه, انجام می گیرد.

بطور کلی فولادهای زنگ نزن را می توان براساس فازهای پایدار و یا نیمه پایداری که در هر گروه از زنگ نزنها عمومیت دارند, به پنج دسته کلی زیر تقسیم بندی کرد:

• فولادهای زنگ نزن آستنیتی
• فولادهای زنگ نزن فریتی
• فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی
• فولادهای زنگ نزن رسوب سختی
• فولادهای زنگ نزن دوفازی

فولادهای زنگ نزن آستنیتی, فریتی و دوفازی را نمی توان توسط عملیات حرارتی سخت کرد. در این فولادها, با استفاده از عناصر آلیاژی و فرآیند صحیح مکانیکی-حرارتی تشکیل فازهای مخرب در ارتباط با مقاومت خوردگی و چقرمگی را به حداقل می رسانند. به علاوه, استحکام فولادهای زنگ نزن آستنیتی را نیز می توان توسط کار سرد و تشکیل مارتنزیت در اثر کرنش افزایش داد. همچنین سختی و استحکام فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی را می توان توسط سرد کردن سریع و بازپخت به حداکثر مقدار خود افزایش داد. فولادهای زنگ نزن رسوب سختی نیز, با افزودن عناصری چون Cu , Al و Ti و رسوب یک فاز ثانویه در زمینه مارتنزیت کم کربن ایجاد می گردد.

نامگذاری فولادهای زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن کارپذیر توسط انیستیتوی آهن و فولاد آمریکا(AISI) و با توجه به ترکیب شیمیایی, طبقه بندی و علامت گذاری شده اند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی Cr-Ni-Mn شامل xx2, فولادهای زنگ نزن آستنیتی Cr-Ni شامل سریهای xxx3 و فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی و فریتی کروم دار شامل سریهای xx4 می شوند. انواع فولادهای زنگ نزن رسوب سختی نیز بسته به مقادیر Ni و Cr خود در سریهای xx2 دسته بندی شده اند. 

تعدادی از فولادهای زنگ نزن کارپذیر هستند که بوسیله AISI طبقه بندی نشده اند. برخی از انها مشابه با بعضی از انواع علامتگذاری شده AISI بوده و برخی دیگر با نام های تجاری خود شناخته می شوند. در هر یک از انواع فولادهای زنگ نزن, تغییرات کمی نیز می توان اعمال کرد مثل کنترل کربن برای مصارف دمای بالا و محیط های خورنده, پایدارسازی شیمیایی بوسیله Al , Nb یا Ti , افزودن S یا Se برای بهبود ماشینکاری و دیگر افزودنی های آلیاژی برای مقاصد خاص.

استانداردگذاری فولادهای زنگ نزن مقاوم به خوردگی ریختگی توسط بخش انیستیتو ریخته گری از جامعه سازندگان فولاد آمریکا انجام می گیرد. سیستم نامگذاری آنها براساس سیستم دو حرفی HX , و  یا سیستم حرف-عددی Cx-xxx مانند 8-CF یا M12-CF می باشد.

عناصر آلیاژی در فولادهای زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن آلیاژهای پایه آهن می باشند که مقدار آهن در ترکیب آنها بین 50تا88درصد وزنی متغیر است. عناصر آلیاژی اصلی که به فولاد زنگ نزن افزوده می شوند, عبارتند از کروم و کربن برای انواع فریتی و مارتنزیتی, همچنین نیکل, برای انواع آستنیتی و دوفازی است.ضمنا تمام این فولادها دارای منگنز و سیلیسیم می با شند که به جهت مقاصد خاصی به آنها افزوده می شوند. از عناصر آلیاژی دیگری که به این فولادها افزوده می شوند می توان به مولیبدن, نایوبیم, تیتانیم, آلومینیم, مس, تنگستن, نیتروژن و عناصر دیگر اشاره کرد که به جهت بهبود خواص شکل پذیری و ساخت, ایجاد خواص ویژه, افزایش مقاومت به خوردگی و یا تاثیر گذاشتن بر روی ریز ساختار, به فولادها اضافه می گردند. عناصر ناخالصی از جمله نیتروژن, اکسیژن, گوگرد و فسفر نیز عموما در فولادها یافت می شوند. هریک از این افزودنیها و ناخالصی ها تاثیر جداگانه ای بر کارآیی آلیاژ بدست آمده, دارند.

فولادهای زنگ نزن فریتی

زنگ نزن های فریتی فولادهایی هستند که اساسا از یک فاز با شبکه مکعب مرکزدار تشکیل شده اند. وجود کروم(با شبکه مکعب مرکزدار) در فولاد, موجب توسعه منطقه فریت در نمودار آهن-کربن می شود و منطقه گاما را محدود می کند. از روی نمودار آهن –کروم می توان دید که یک فولاد,بایستی حداقل دارای حدود 12/7درصد کروم باشد,تا در هنگام گرم کردن آن, آستنیت بوجود نیاید. حد فوقانی مقدار کروم نیز, به علت تشکیل فاز شکننده سیگما, محدود می باشد. مقدار کروم در زنگ نزن های فریتی, حداکثر تا 27درصد در نظر گرفته می شود

• آلیاژها و مواد مصرفی

در طی سالیان متمادی فولادهای زنگ نزن فریتی بسته به ترکیب شیمیایی کلی آنها در سه نسل مختلف رشد و تکامل پیدا کرده اند. نسل اول این آلیاژها دارای میزان کروم متوسط و درصد کربن تقریبا بالایی می باشند و به دلیل آنکه در حین انجماد و سرد شدن و یا گرم شدن تا دماهای بالا مقداری آستنیت تشکیل می گردد, ریز ساختار آنها 100 درصد فریتی نیست. آستنیتی که در دمای بالا به وجود می آیید در حین سرد کردن تا دمای اتاق به مارتنزیت تبدیل می شود. نسل دوم آلیاژهای فریتی به گونه ای توسعه یافتند که مقدار مارتنزیت در ساختار فریتی آنها به حداقل رسیده و این آلیاژها مقادیر کربن پایینتری داشته و بعضا دارای عناصر پایدار کننده مانند Nb یا Ti هستند که با کربن و نیتروژن ترکیب شده و در نتیجه پایداری فریت را افزایش می دهند. نسل سوم فولادهای زنگ نزن فریتی دارای کروم بالا, عناصر بین نشینی(C,N) کم و مقدار کمی از سایر ناخالصی ها می باشند. این از فولادها عموما تحت نامهای تجاری مختلف و برای مصارف خاص تولید می شوند. انواع بسیار خالص فولادهای زنگ نزن فریتی دارای مقاومت به خوردگی عالی و چقرمگی و داکتیلیته متوسط می باشند. نامگذاری بسیاری از این فولادها همانند انواع زنگ نزن مارتنزیتی عموما به صورت xxx4 می باشد, اما ریز ساختار و خواص آنها متفاوت است.برهمین اساس:

زنگ نزن های فریتی را می توان به دوگروه تقسیم کرد:

• فریتی های معمولی مثل انواع:

                                                                                      446, 434, 430, 409

• فریتی های با مقدار کمی عناصر بین نشینی از قبیل:

                                                                                       AL29-4-2, AL29-4C, 444, 439, E-BRITE, SEA-CURE

• زنگ نزن های فریتی را نمی توان با سرد کرن سریع از درجه حرارت بالا سخت کرد. ولی پس از بازپخت و سرد کردن قطعه, سختی آن حداقل شده و چکش خواری, استحکام و مقاومت به خوردگی آن به حداکثر می رسد. بنابراین تنها عملیات حرارتی که بر روی این نوع فولادها انجام می شود بازپخت آنها می باشد. انجام هرگونه عمل بازپخت بر روی این قطعات, باید با سرد کردن آنها در آب و یا سرد کردن خیلی سریع در روغن, همراه باشد.
• فولادهای زنگ نزن فریتی, آلیاژهای Fe-Cr-C , حاوی مقدار کافی از کروم همراه با عناصر دیگر پایدار کننده فریت(مانند Al , Nb , Mo و Ti ) می باشند. حضور عناصر پایدار کننده فریت از تشکیل آستنیت در هنگام گرم کردن جلوگیری می کند. در نتیجه این فولادها عملیات حرارتی پذیر نمی باشند.
• مقاومت مطلوب در برابر ترکهای ناشی از خوردگی تنشی(SCC) , خوردگی حفره ای, خوردگی شیاری( به خصوص در محیط های کلراید), از خواص مهم این آلیاژها می باشد. از اینرو فولادهای زنگ نزن در کاربردهایی که مقاومت در برابر خوردگی, خواص مکانیکی(استحکام, چقرمگی و داکتیلیته), از ملزومات اصلی شرایط کاری است, استفاده می شوند.
• گروه کم کروم(5/10 تا 5/12) در کاربردهایی نظیر اگزوز خودرو, بدلیل خواص خوردگی بهتر نسبت به فولادهای کربنی استفاده می شوند. گروه های کروم متوسط و کروم بالا در محیط های با شرایط خوردگی شدید کاربرد دارند. آلیاژهای سوپر فریتی در فرآیندهای شیمیایی و صنایع کاغذ, جایی که مقاومت در برابر اکسیداسیون شدید مورد نیاز است, استفاده می شوند.
• محدوده دمایی کاربردفولادهای زنگ نزن فریتی, به دلیل قابلیت تشکیل فازهای ترد کمتر از 400 درجه سانتیگراد است.
• اثر عناصر آلیاژی بر ریز ساختار

حضور عناصر دیگر, چه آنهایی که به طور معمول به فولادها اضافه می شوند و چه آنهایی که به صورت ناخالصی وجود دارند, به طور قابل توجهی شکل و وسعت منطقه آستنیت را تغییر داده و بر ریز ساختار فولادهای زنگ نزن فریتی تاثیر گذار می باشند. نیتروژن که معمولا به عنوان یک عنصر ناخالصی شناخته می شود, اثری مشابه با کربن بر پایداری منطقه آستنیت دارد(محدوده فاز آستنیت را گسترش می دهد). بنابراین کاهش کربن و نیتروژن تا سطوح خیلی کم(کمتر از ppm 100 ), یا افزودن عناصر آلیاژی پایدار کننده فریت, جهت حفظ ریز ساختار عمدتا فریتی در فولادهای کم کروم و کروم متوسط لازم است.

علاوه بر کروم, عناصر دیگر پایدار کننده فریت که به فولادهای فریتی افزوده می شود, شامل سیلیسیم,نایوبیم, مولیبدن و آلومینیم می باشد. عناصر تیتانیم و نایوبیم, در غلظتهای کم, به دلیل تمایل بالا به ترکیب با کربن و نیتروژن موثر است. همچنین این عنصر به منظور بهبود مقاومت به اکسیداسیون, به خصوص در دماهای بالا افزوده می شود. سیلیسیم معمولا به عنوان یک اکسیژن زدا و مقاوم در برابر پوسته شدن افزوده می شود. مولیبدن نیز به برخی از آلیاژها, به خصوص گروه سوم فولادهای زنگ نزن , جهت افزایش مقاومت به خوردگی به خصوص جلوگیری از حفره دار شدن اضافه می گردد.

عناصر پایدار کننده آستنیت شامل منگنز,نیکل و مس همراه با کربن و نیتروژن می باشند. منگنز جهت کنترل گوگود و بهبود قابلیت ریختکری و خواص کارگرم بعدی اضافه می شود. نیکل و مس به طور معمول به فولادهای زنگ نزن افزوده نمی شوند, اگرچه مقدار کمی از نیکل ممکن است در بهبود چقرمگی موثر باشد.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی

فولادهای زنگ نزن آستنیتی بزرگترین گروه از انواع متداول فولادهای زنگ نزن بوده و میزان تولید آن از تمام انواع دیگر بیشتر است. و به دسته ای از فولادها اطلاق می شود که ساختار میکروسکوپی آنها آستنیتی است. این ساختار با اضافه شدن عناصر قوی گاماژن حاصل می شود که در نتیجه موجب پایداری آستنیت و جلوگیری از تشکیل فریت می گردد. برای پایدار کردن آستنیت, نیکل متداول ترین عنصری است که به آلیاژ آهن-کروم مبنا اضافه می شود همچنین, در این مورد کربن نیز عنصر مهم دیگری است.

بطورکلی این فولادها را می توان به پنج گروه تقسیم کرد:

•  آستنیت های معمولی نظیر زنگ نزن های: 316-317,308-310,301-305
• آستنیت هائی با ترکیب پایدار از قبیل: 348,341,321
• انواع آستنیت های کم کربن نظیر: 317L,310L,304L
• انواع آستنیت های پرازت نظیر: AISI 201,202,304N,316N و انواع آلیاژهای Nitronic
• آستنیت های پرآلیاژی از قبیل Carpenter 20cb-3,JS 700,317LX,317LM,Sanicro 28,Al-6X,254 SMO

این فولادها مقاومت به خوردگی خوبی را در اکثر محیط ها از خود نشان می دهند. استحکام این فولادها تقریبا برابر با استحکام فولادهای نرم بوده و حداقل استحکام تسلیم در آنها MPa 210 می باشد. خواص ضربه ای دماهای پایین در این فولادها بسیار مطلوب بوده و این امر آنها را برای مصارف دماهای بسیار کمتر از صفر درجه سانتیگراد مناسب کرده است. دمای کار در آنها می تواند حتی بیش از 760 درجه سانتیگراد نیز باشد, اما استحکام ومقاومت به اکسیداسیون بسیاری از این فولادها در این دماها محدود می شود. کار سرد استحکام فولادهای زنگ نزن آستنیتی را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد. بیشترین کاربرد آنها در شرایطی است که مقاومت به خوردگی در برابر محیط یا دماهای بالا نیاز باشد.

معمولا عناصر آستنیت زا که مهمترین آنها نیکل می باشد, در مقادیر زیاد به این فولادها افزوده می شوند. دیگر عناصر آستنیت زا عبارتند از C , N و Cu . کربن و نیتروژن عناصر آستنیت زای قوی می باشند که این امر را می توان از مقادیر مختلف موجود در فرمولهای نیکل معادل دریافت کرد.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی معمولا داکتیلیته و چقرمگی خوبی داشته و میزان تغییر طول بالایی را در بارگذاری کششی از خود نشان می دهند. این فولادها به دلیل بالاتر بودن مقادیر عناصر آلیاژی , از انواع مارتنزیتی و فریتی کروم متوسط تا کم کروم گرانتر می باشند.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی اصولا غیرمغناطیس بوده(نفوذپذیری مغناطیسی آنها حدود 02/1 است), اما کار سرد انجام گرفته بر روی آنها جهت بهبود استحکام, موجب افزایش نفوذپذیری مغناطیسی آنها می شود. فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی دارای نفوذپذیری مغناطیسی بین 1100-600 هستند, اما انواع رسوب سختی ضریب نفوذشان زیر 100 می باشد.

فولادهای زنگ نزن استنیتی دارای کاربردهای زیاد می باشند که علت آن تنها مربوط به مقاومت به خوردگی مطلوبشان نمی باشد, قابلیت شکل پذیری , ساخت و با دوام بودنشان نیز از عوامل موثر در کاربرد گسترده آنها است که از جمله می توان به استفاده آنها در تجهیزات ذخیره سازی, معماری, تجهیزات آشپزخانه و تولیدات دارویی اشاره کرد. برخی از رده های پرآلیاژ این فولادها برای کاربرد در دماهای بسیار بالا(بیشتر از 1000 درجه سانتیگراد) به عنوان مثال در سبدهای عملیات حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین علاوه بر مقدار بالای کروم, این آلیاژها معمولا حاوی میزان بالایی از سیلیسیم(و بعضی مواقع آلومینیم) و کربن می باشند تا به ترتیب مقاومت در برابر اکسیداسیون و یا کربوره شدن و استحکام حفظ شود.توجه به این نکته مهم است که فولادهای زنگ نزن آستنیتی معمولی به دلیل مستعد بودن به ترک خوردگی تنشی انتخاب مناسبی برای برخی از محیط های مثل آب دریا یا دیگر محیط های حاوی کلراید نمی باشند.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی در طبقه بندی AISI شامل سریهای 200 و 300 می باشند.آلیاژهای سری 200 دارای مقادیر بالایی از کربن, منگنز و نیتروژن بوده و کاربردهای ویژه ای به عنوان مثال در شرایطی که نیاز به مقاومت در برابر پوسته شدن می باشد, دارند. همچنین این آلیاژها نسبت به سری های 300 , به دلیل مقادیربالای کربن و نیتروژن خود, مقدار نیکل کمتری دارند. آلیاژهای سری 300 در بین انواع فولادهای زنگ نزن آستنیتی, از قدیم کاربرد بیشتری دارند.

آلیاژهایی که بیشترین کاربرد را دارند یعنی انواع 304,316,321,347 و انواع مختلف هریک از آنها, از نوع 8-18 با مقادیر اسمی Cr 18 درصد و Ni 8-10 درصد می باشند. حرف L در هریک از این آلیاژها نشان دهنده کم کربن بودن آن نوع از آلیاژ با درصد اسمی کربن حدود 03/0 درصد است. این آلیاژها مقاومت خوبی در برابر خوردگی مرزدانه ای در محیط های خورنده دارند. انواع H دارای مقادیر کربنی در حدود 1/0 درصد وزنی هستند. این آلیاژها به دلیل بالاتر بودن استحکام نسبت به آلیازهای استاندارد و کم کربن در دماهای بالا کاربرد دارند. انواع N دارای نیتروژن می باشد که جهت مقاصد خاص تا 2/0 درصد به آلیاژهای سری 300 (N316 و  N304)و به آلیاژهای دارای میزان منگنز بالا, در مقادیر بیشتر افزوده می شود(منگنز حلالیت نیتروژن در فاز آستنیت را بالا می برد). افزودن نیتروژن, استحکام و مقاومت به خوردگی حفره ای را در فولادهای زنگ نزن آستنیتی افزایش می دهد. آلیاژهای حاوی تیتانیم و نایوبیم مثل انواع 321 و 347 به عنوان انواع پایدارشده شناخته می شوند. زیرا افزودن این دو عنصر آلیاژ را در برابر تشکیل کاربیدهای کروم  پایدار می کند. این عناصر با تشکیل کاربیدهای پایدار نوع MC در دماهای بالا, شکل گیری کاربیدهای پرکروم را محدود می کنند. افزودن این عناصر تا 1/0 درصد وزنی, کربن موجود در شبکه را به طور قابل ملاحظه ای کاهش داده و در نتیجه رسوبگذاری کاربیدهای پرکروم را مشکل خواهد کرد. همین امر احتمال حساس شدن را که منجر به خوردگی مرزدانه ای در آلیاژهای آستنیتی می شود, کاهش می دهد.

سیلیسیم نیز از عناصر آلیاژی مهم در برخی از فولادهای زنگ نزن آستنیتی است که با افزایش آن, مقاومت در برابر اکسیداسیون و کربوره شدن در دماهای بالا افزایش می یابد. همچنین مقدار بالای سیلیسیم, موجب بهبود سیالیت فلز مذاب و در نتیجه ریختگری خواهد شد.

در موقع گرم کردن فولادهای زنگ نزن آستنیتی در کوره ها, باید به انبساط زیاد این فولادها که حدود 50درصد بیشتر از فولادهای کربنی, با کربن متوسط است, توجه کرد. فولادهای آستنیتی معمولی را نمی توان با عملیات حرارتی سخت کرد. سخت کردن این فولادها با انجام کارسرد حاصل می شود.

درصورتیکه حداکثر مقاومت به خوردگی برای انواع آلیاژهای آستنیتی مورد نظر باشد, ممکن است قطعه را تحت یک نوع بازپخت, به نام باز پخت تثبیت قرار داد. عملیات حرارتی بازپخت تثبیت, شامل نگهداری قطعه در 900-845 درجه سانتیگراد بوده و زمان نگهداری, بستگی به ضخامت قطعه دارد. زمان نگهداری حداقل به 5 ساعت می رسد. عملیات حرارتی مذکور ممکن است پیش از ساخت قطعه, و یا در جریان ساخت آن, صورت گیرد. 

فرمولاسیون و فرآیندهای ترمومکانیکی انجام گرفته بر روی فولادهای زنگ نزن آستنیتی به گونه ای است که ریز ساختار غالب آنها آستنیتی باشد. بسته به نسبت عناصر فریت زا به آستنیت زا, ریز ساختار ریختگی یا کار شده می تواند کاملا آستنیتی یا مخلوطی از آستنیت و فریت باشد.