همه چیز درباره آلیاژ محبوب استیل (قسمت دوم)

در قسمت قبلی مقاله (همه چیز درباره آلیاژ محبوب استیل) به مفهوم ساختاری این آلیاژ و مواردی از ویژگی های تخصصی آن و همچنین انواع استیل ، کاربرد آن‌ها و دسته بندی های استیل پرداختیم. در این مقاله تک تک دسته بندی ها را نام برده و به بررسی کامل ویژگی های هر دسته میپردازیم.

 طبقه بندی استنلس استیل

باتوجه به اینکه جهت ایجاد خاصیت نگهداری یا رویین شدن اولیه در مقابل سایس ویا خوردگی، حداقل ۱۱% کروم و برای بهتر شدن ویژگی خوردگی، مکانیکی و غیره عناصر دیگری به فولاد افزوده می شوند. تاثیر متفاوت این عنصرها بر ریز ساختار، شش دسته استنلس استیل به شرح زیر را به وجود می آورد:

۱-دسته فریتی (Ferritic): با محدوده ترکیبی C<0.1%، Ni=0-4%، Cr=11-30%

۲-دسته مارتنزیتی (Martensitic): با محدوده ترکیبی ۰.۱<c<1.2%< span=””></c<1.2%<>، Ni=0-6%، Cr=11-18%

۳-دسته آستنیتی (Austenitic): با محدوده ترکیبی C<0.15%، Ni=8-20%، Cr=15-27%. همچنین آلیاژهایی با نیکل زیادتر نیز جزء آلیاژ های سوپر آستنیتی و نیکل می باشد و غالباً در این گروه قرار می گیرند.

۴-دسته دوفازی (Duplex): با محدوده ترکیبی C<0.08%، Ni=4-7%، Cr=18-27% و کمی عناصر کمک افزودنی مانند N و Cu

۵-دسته رسوب سختی (Precipitation Hardening): با محدوده ترکیبیC<0.15%، Ni=3-27%، Cr=12-28% و کمی عناصر کمک افزودنی مانندN، Cu، B، Ti، Al

۶-دسته ریختگی (Cast)

ورق استیل

چهار دسته اول براساس ساختار میکروسکوپی می باشد و دسته پنجم براساس نوع عملیات حرارتی مشخص شده اند.

دسته ششم نیز شامل مجموعه آلیاژهایی از پنج دسته اصلی و مهم می باشد که به روش ریخته گری تولید می گردند. در مورد کلیه دسته های فوق عنصرهای دیگری نظیر فسفر، سیلیسیم، گوگرد، منگنز، نئوبیم، تیتانیم و مولیبدن نیز ممکن است به عنوان ناخالصی در ترکیب بوده و یا به عنوان افزودنی برای بهبود ویژگی معینی به آلیاژ ها افزوده گردند که حدود آنها را استانداردها مشخص نموده اند.

دسته فریتی

فریت، فاز اصلی آلیاژهای آهن و دارای شبکه BCC می باشد. برای به وجود آوردن ساختار فریتی باید عنصرهای فریت را مثل کروم، آلومینیم، تیتانیم، نئوبیم و مولیبدن در حد بالا و عنصرهای آستنیت را مثل نیکل، کربن و نیتروژن را در حد پایین نگاه داشت که در این بین کروم نقش مهمی  را ایفا می نماید.

با زیاد شدن کروم دمای محیط منطقه آستنیت (گاما) به شدت کم شده و ساختار غالب فریت (آلفا) می شود. با توجه به اینکه کروم دارای ساختمان بلوری شبیه با ساختمان بلوری فریت می باشد لذا این فلز ناحیه فازی فریت را افزایش می دهد و منطقه فازی آستنیت را کم می نماید.

فولاد های این دسته حاوی ۱۱ الی ۳۰% کروم و معمولاً بدون عنصر گران قیمت نیکل می باشد و لذا در بین دسته های دیگر غالباً کمترین قیمت را دارند. تیتانیم و نئوبیم ضمن فریت زایی، با بلوکه کردن کربن و نیتروژن و تولید کربونیتریدها اثر بیشتری در فریت زایی دارند چون کربن و نیتروژن در آلیاژ های فریتی پیشرفته نسل سوم باز هم محدود تر شده است. با عنایت به تحریر مذکور آلیاژ های این دسته به ترتیب در سه نسل متفاوت گسترش یافته و بهینه شده اند.

مقاومت استیل فریتی

مقاومت مکانیکی استنلس استیل فریتی در برابر با فولاد های کربنی ساده کم کربن بالاتر می باشد ولی چکش خواری و فرم پذیری آنها کمتر اما در حد معقول و مناسب می باشد. نیز مقاومت مکانیکی آنها در دماهای بالا و چقرمگی در دماهای پایین، به ویژه در قطرهای ضخیم، در مقایسه با دسته  آستنیتی خیلی کمتر می باشد.

در استنلس استیل فریتی (مانند استنلس استیل مارتنزیتی و دوفازی) امکان به ایجاد تردی بازگشت وجود دارد. این پدیده بر اثر عملیات حرارتی بازگشت در محدوده دمای ۴۰۰ تا ۵۵۰ درجه سانتی گراد به وجود می آید. لذا زمانی که چقرمگی بالایی مورد نیاز باشد، باید از استفاده و یا برگشت آنها در محدوده دمای مذکور دوری کرد. نیز دانه بندی آلیاژ های فریتی بعد از جوشکاری درشت شده و ویژگی مکانیکی آنها کاهش می یابد.

در مجموع از نظر پایدری به خوردگی عمومی، استنلس استیل فریتی بعد از دسته های آستنیتی و مارتنزیتی قرار می گیرد و بسته به درصد کروم از کم تا عالی متغیر می باشد. ولی برخلاف دسته آستنیتی پایداری آنها در مقابل سایش و خوردگی تحت تنش بالا هستند. از طرف دیگر کم شدن مقدار کربن و نیتروژن اثر قابل توجه زیادی در افزایش پایداری خوردگی آنها دارد. فولاد های فریتی با کروم کم (حدود ۱۱%) مانند ۴۰۹ و ۴۰۵ دارای پایداری خوردگی و اکسیداسیون بسیار کم می باشد ولی به علت قیمت پایین و سهولت تولید، مصرف زیادی در مواردی که نیازمند پایداری خوردگی کم باشند، دارند. فولاده های فریتی با کروم متوسط (۱۶ تا ۱۸%) مثل  ۴۳۰ در برابر اسید های اکسید کننده ضعیف و آلی پایدار می باشد و در ساخت قطعات خودرو و ظروف آشپزخانه کاربرد دارند. ولی محدودیت آنها در مشکلات جوشکاری است.

فولاد ۴۳۰ جز این دسته هست …

فولاد ۴۳۰ سرگروه این خانواده می باشد که با ۱۷% کروم پایدار خوبی به اتمسفر، بعضی از مواد شیمیایی (مخصوصاً اسید های اکسید کننده) دارد. این فولاد در بعضی از موارد جایگزین بسیار خوبی برای آلیاژ های گران قیمت آستنیتی می باشد. فرم پذیری این فولاد مناسب می باشد.

کاربرد خانواده فریتی

کاربرد آن در تانک های اسید نیتریک، سبد های بازپخت حرارتی و قطعات تزیینی است.

فولادهای ۴۳۰F  و ۴۳۰FSe  برای عملکرد مناسب ماشین‎کاری آلیاژ ۴۳۰ با افزودن گوگرد یا سلنیم به وجود آمده اند. کاربرد آن در قطعاتی مانند پیچ می باشد که در فرآیند آنها کله زنی سرد به همراه ماشینکاری لازم می باشد.

دسته مارتنزیتی

عناصر فولادی این طبقه کروم و کربن هستند. مارتنزیت یکی دیگر از فاز های آهن می باشد. این فاز به علت وجود کربن بین نشینی در شبکه اتمی خود از سختی بالای برخوردار می باشد. آلیاژ های مارتنزیتی فرو مغناطیس و قابل عملیات حرارتی بوده و اهمیت و مصرف آنها بیشتر بدلیل بالا بودن استحکام مکانیکی، سختی، خستگی و خزش می باشد. اما دمای کاربرد آنها تا ۶۵۰ درجه سانتی گراد محدود می باشد. و نیز انواع پرکربن آن برای جوشکاری توصیه نمی شود.

درصد کروم آلیاژ های مارتنزیتی غالباً حدود ۱۱ تا ۱۸% می باشد. حد پایین کروم را مقاومت به خوردگی و حد بالای آن را امکان تبدیل همه ساختار به آستنیت در حین گرم نمودن در عملیات حرارتی تعیین کرده است. چون کروم فریت زا می باشد و منطقه پایداری و تشکیل آستنیت را محدود تر می نماید.

درصد کربن آلیاژ های مارتنزیتی امکان دارد تا ۱.۲% نیز برسد. ازدیاد کربن البته تا حدود ۰.۶% سختی آنها را بالاتر می برد اما افزایش بیشتر از این حد، سختی آلیاژ را بالاتر نمی برد و تنها پایدری به سایش را افزایش می دهد که دلیل تبدیل آن تغییر کربن اضافی به کاربید کروم می باشد.

عنصرهای فولادی دیگری همچون نئوبیم، سیلیسیم، وانادیم و غیره برای اصلاح ریز ساختار بعد از آب دادن و درصد کمی نیکل برای ازدیاد چقرمگی و پایداری به خوردگی نیز استفاده می شوند. لازم به ذکر است در موقعی که درصد کروم بالا بکار برده شود (برای افزایش مقاومت به خوردگی)، نیکل با کم نمودن فریت آزاد، ساختار را اصلاح می کند.

پایداری به خوردگی آلیاژ های مارتنزیتی معمولاً از بسیاری از آلیاژ های آستنیتی و فریتی پایین تر می باشد اما بطور کلی در حد متوسط می باشد.

فولاد ۴۱۰ سردسته این طبقه و دارای بیشترین مصرف در گروه مارتنزیتی می باشد. در آمریکا این فولاد دارای مصارف وسیعی در توربین های بخار، موتور های جت، توربین گازی، کاربرد عمومی، قطعات ماشین آلات، شفت پمپ ها و غیره می باشد.

دسته آستنیتی

آستنیت یکی از فاز های آهن با شبکه FCC می باشد که در آهن بدون عنصرهای آلیاژی در محدوده دمای ۹۱۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد پایدار است. با افزودن عنصرهای آستنیت زا (مانند Ni) می توان آن را در دمای محیط نیز مقاوم نمود. وجود ۸ تا ۱۰% نیکل به ازای ۱۸% کروم، ساختار آلیاژ را به صورت آستنیتی مقاوم می نماید. این تبدیل فاز منجر به تغییر زیاد ویزگی مکانیکی از جمله زیاد شدن شکل پذیری آلیاژ می شود. این فولادها در حالت بازپخت به علت وجود فاز آستنیت غیرمغناطیسی می باشد ولی به علت تبدیل فاز در حالت کار سرد امکان دارد مقداری خاصیت آهن ربایی و مغناطیسی در آنها به وجود آید.

فولاد های آستنیتی شامل عنصرهای اصلی کروم (در محدوده ۱۶ تا ۲۶%) و نیکل می باشند که در تعدادی از آنها (سری ۲XX) به جای درصدی از نیکل عنصرهای منگنز (در محدوده ۴ تا ۱۵%) و نیتروژن افزوده شده است تا منجر به کاهش قیمت و افزایش استحکام گردند.

نیتروژن نیز به جهت بهبود مقاومت مکانیکی در دمای کم، کند کردن تشکیل رسوب کاربید کروم، ازدیاد پایدری به خوردگی های حفره ای و شیاری (کمک به مولیبدن) بکار می رود. عناصر فولا

دی دیگر مثل مولیبدن، مس، سیلیسیم، آلومینیم، تیتانیم، نئوبیم و غیره برای افزایش ویژگی معینی مثل پایداری به خوردگی حفره ای و مقاومت در مقابل یون کلرید یا پایداری به اکسیداسیون به آنها اضافه می شود.

نورد سرد انجام شده بر روی این دسته پایداری خوبی به آنها می دهد. از دیگر توانایی های این دسته امکان جوشکاری آن به دلیل میزان کم کربن و گوگرد موجود در آنها می باشد. در حقیقت ازدیاد عنصرهای تازه در راستای بهتر شدن کیفیت مورد نظر و تامبن ویژگی مورد نیاز فولاد انجام می گیرد. مثلاً افزودن تیتانیم به فولاد ۳۰۴ آن را به ۳۲۱ از دیگر فولاد های دسته آستنیتی تبدیل می نماید. از دیگر فولاد های پر مصرف این دسته ۳۱۶ می باشد که با افزودن ۲% مولیبدن به ۳۰۴ تهیه شده و پایداری مناسبتری در برابر خوردگی کلر دارد. ازدیاد میزان کروم آلیاژ ۳۱۰ را می دهد که پایداری زیادی در دماهای بالا دارد. نقطه ضعف مهم این دسته سستی آنها در مقابل ترک های ناشی از خوردگی تنشی کلر می باشد.

خواص گروه آستنیتی:

غیر آهن ربایی، داکتیل، دارای پایداری کمتر نسبت به سایر دسته های استینلس استیل، توانایی فرم پذیری زیاد، توانایی تحمل دما تا ۴۷۵ درجه سانتی گراد، دارای ویژگی ضد خوردگی و ضد سایش بسیار خوب، دارای توانایی سخت کاری

به طور کلی پایداری به خوردگی و سایش دسته های آستنیتی نسبت به دسته های دیگر استنلس استیل زیادتر می باشد و در نتیجه مصرف آنها نیز از این نظر زیادتر خواهد بود. اما غالباً برخلاف دسته های فریتی به خوردگی تحت تنش حساس هستند. فولادهای خاص آستنیتی پر نیکل حاوی مولیبدن بالا (حدود ۶%) و نیتروژن (۰.۱۵ تا ۰.۲۵%) در برابر خوردگی و سایش حفره ای بسیار مقاومت خوبی دارد و در دماهای زیاد نیز پایداری به اکسیداسیون خوبی از خود نشان می دهند.

فولادهای آستنیتی گوناگونی وجود دارند که تحت دو دسته ۲XX و ۳XX و نام های تجاری دیگری تولید می شوند. سرگروه فولادهای آستنیتی فولاد معروف (۸-۱۸) ۳۰۲ می باشد و فولاد های دیگر بر پایه اصلاحات انجام شده بر روی آن به وجود آمده اند.

فولاد های سری ۲XX

در فولاد های این سری نظیر ۲۰۱، ۲۰۲، ۲۰۵، ۲۱۶، ۲۱۸، ۲۱۹ و غیره مقداری از عنصر گران قیمت نیکل با عنصرهای منگنز و نیتروژن جایگزین شده است. لدا استفاده از این فولادها در بیشتر از موارد که پایداری به خوردگی و سایش کمتری از سری ۳XX مورد نیاز باشد، مقرون به صرفه تر م می باشد. تعدادی از کاربرد های آنها در ظروف آشپزخانه، رینگ پیستون، قطعات تزیینی، مخازن و تجهیزات حمل مواد و غیره است.

فولاد های سری ۳XX

دسته آستنیتی ۳XX به چهار سطح تقسیم می گردد:

سطح A:

در این دسته فولاد های ۳۰۱، ۳۰۲، ۳۰۳، ۳۰۳Se، ۳۰۴، ۳۰۴L، ۳۰۴N، ۳۲۱، ۳۴۷ و ۳۴۸ قرار می گیرند که با مقداری اختلاف در ترکیب شیمیایی می توان آنها را همان آلیاژ ۸-۱۸ دانست. پایداری خوردگی و سایش کلی این فولادها با هم اختلاف چندانی ندارند، اما تعدادی که عنصرهای آلیاژی زیاتری دارند پایداری خوردگی و سایش مقدار بیشتری همچنین دارند. به عنوان مثال پایداری خوردگی فولاد ۳۰۴ از ۳۰۱ و ۳۰۲ زیادتر می باشد.

فولاد خوش تراش ۳۰۳ در این دسته دارای پایینترین پایداری خوردگی و سایش، به ویژه در برتبر خوردگی حفره ای می باشد.

فولاد های ۳۲۱، ۳۴۷ و ۳۴۸ همچنین دارای پایداری و مقاومت به خوردگی و سایش مانند ۳۰۲ و ۳۰۴ می باشد ولی کربن آنها با زیاد نمودن تیتانیم یا نئوبیم مقاوم شده است تا پس از جوشکاری پدیده حساسیت و خوردگی کنار درز جوش تشکیل نشود.

سطح B:

در این دسته فقط دو فولاد ۳۰۵ و ۳۴۸ قرار می گیرند که درصد نیکل آنها معمولاً بالا (۱۲ و ۱۵%) است و از نظر پایداری به خوردگی و سایش، بیشتر از سطح A می باشند. فولادهای این سطح برای انجام کارسرد بالا مثل کشش های فوق عمیق استفاده می شوند.

سطح C:

دراین دسته فولادهای ۳۰۲B، ۳۰۸، ۳۰۹، ۳۰۹S، ۳۱۰، ۳۱۰S، ۳۱۴ قرار می گیرند.

فولادهای ۳۰۲B با ازدیاد ۲.۵% سیلیسیم به فولاد ۸-۱۸ تشکیل شده است. این فولاد دز برابر اکسیداسیون در دمای زیاد پایدار است.

فولاد ۳۱۴ با افزودن کروم و نیکل آلیاژ ۸-۱۸ تشکیل شده است تا پایداری خوردگی و سایش بیشتری به وجود آید. و نیز با افزودن کمی سیلیسیم مقاومت به خوردگی آن به ویژه در برابر اسید سولفوریک  بالاتر می رود و به این علت دارای پایداری بالای در برابر دمای بیشتر نیز می باشند.

سطح D:

در این دسته  فولادهای ۳۱۶، ۳۱۶L، ۳۱۶F، ۳۱۶N، ۳۱۷، ۳۱۷L قرار می گیرند. ویژگی کلی پایداری به خوردگی و سایش این فولادها مشابه فولاد ۳۱۰ می باشد. ولی به علت داشتن مولیبدن پایداری آنها به خوردگی حفره ای، به ویژه در محیط های احیا کننده و محیط های دارای یون کلرید زیادتر از سطهای های دیگر است.

در قسمت بعدی استیل های نگیر و موارد استفاده همه نوع استیل را بررسی خواهیم کرد.

با ما همراه باشید.