فولاد زنگ نزن آستنیتی

فولاد زنگ نزن آستنیتی

تعداد بازدید: 10556
کد مطلب: 11874
تاریخ انتشار: 09:38 28 مرداد 1391

فولاد زنگ نزن آستنیتی

 
 

فولاد زنگ نزن آستنیتی (Austenitic Stainless Steel) اساسا آلیاژهای سه‌تایی Fe-Cr-Ni با 20-16% کروم و 20-7% نیکل می‌باشد. از آنجا که ساختار این فولادها در تمام دماهای عملیات 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 25%Cr-12%Ni حداکثر 0.2% 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 25%Cr-20%Ni حاوی حداکثر 0.2% 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 29%Ni-20%Cr حاوی مقادیر مس و مولیبدن و حداکثر 0.07% 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.

 
 

ترکیب شیمیایی و کاربرد بعضی فولادهای زنگ نزن آستنیتی در جدول زیر آمده است.

ترکیب شیمیایی (درصد وزنی) و کاربرد برخی از فولادهای زنگ نزن آستنیتی
نوع AISI Cr Ni C Mn Mo سایر کاربرد
301 17 7 0.15    

منگنز حداکثر 2%،

گوگرد حداکثر 3%،

فسفر حداکثر 45%،

سیلیسیوم حداکثر 1%

آهنگ کار سختی زیاد، جایی که استحکام زیاد و شکل‌پذیری زیاد لازم است، واگن‌ها، بدنه بارکش‌ها، بدنه هواپیماها، اتصالات، قالپاق.
302 18 9 0.15     فولادهای زنگ نزن آستنیتی برای کاربرد عمومی، تزئینی، ابزار حمل غذا، مخازن، فنرها، جواهرسازی، ابزار تصفیه نفت، بیمارستان‌ها، آنتن‌ها.
304 19 9 0.08     نوع کم کربن و اصلاح شده نوع 302 برای کم کردن رسوب کاربید در حین جوشکاری. لوازم برای کارخانجات شیمیایی و غذایی، ابزار نوشابه‌سازی، ظروف، یخچال، فاضلاب، فلاش‌ها.
304L 19 10 0.03     اصلاح شده نوع 304 با حداقل کربن برای محدودیت بیشتر تشکیل رسوب در حین جوشکاری، مخزن‌های سموم و کدهای شیمیایی مایع و رب گوجه‌فرنگی.
309 23 13.5 0.2     استحکام زیاد و مقاومت به پوسته شدن در دمای بالا، گرم‌کننده‌های هواپیما، لوازم عملیات حرارتی، پوشش‌های محفظه تابکاری، قطعات کوره، سینی‌های عملیات حرارتی، داخل اجاق‌ها، قطعات تلمبه.
310 25 20.5 0.25     از نوع 309 در دمای بالا مقاوم‌تر و دارای مقاومت بیشتر به پوسته شدن، قطعات کوره، محفظه احتراق، فلزات پرکننده جوش، قطعات توربین گازی، کوره‌های آشغال‌سوزی.
316 17 12 0.08   2.5 مقاومت به‌ خوردگی بیشتر از 302 و 304، مقاومت خزشی زیاد، ابزار عکاسی، کتری برقی.
316L 17 12 0.03   2.5 اصلاح شده نوع 316 با کربن خیلی کم، در سازه‌های جوشکاری شده جایی که از رسوب کاربیدها در مرز دانه باید جلوگیری شود.
321 18 10.5 0.08   Ti5 پایدار شده برای قطعات جوشکاری که تحت خوردگی شدید می‌باشند، و برای کاربرد در گستره دمایی 800 تا 1800 درجه فارنهایت. پوسته دیگ بخار، گرم‌کننده‌های کابین، ظروف تحت فشار، دیواره‌های آتش، اتصالات قابل تعمیر.
347 18 11 0.08   Cb10 مشابه با نوع 321 با استحکام خزشی بالاتر، دودکش اگزوز در هواپیما، مخازن جوشکاری شده برای مواد شیمیایی، قطعات موتور جت.
201 17 4.5 6   Ti5 آهنگ کار سختی بالا، نیکل کم معادل با نوع 301. قالپاق اتومبیل، تزیین، ظروف مسطح.
202 18 5 0.15 8.75 Ti5 نیکل کم معادل با نوع 302، وسایل آشپزخانه، حمل شیر، کلاهک توپی چرخ.

حدود 65-70% 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 304 و 302 بیشترین کاربرد را هم در دماهای بالا و هم در دماهای پایین دارند. نوع 316، که 2.5%Mo دارد، مقاومت به ‌خوردگی بهتر و استحکام بیشتری در دماهای بالا دارد. آلیاژهایی با مقدار بیشتر کروم (23-25%) مثل نوع 309 و 310 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 18%Cr-8%Ni پس از سرد کردن از دمای تابکاری (مثلا 1050 درجه سانتی گراد) در دمای محیط ساختار آستنیتی به‌دست می‌آید. اما، در بعضی فولاهای زنگ نزن Fe-Cr-Ni (مثلا نوع 301) 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 302 حدود 0.1%C و در نوع 304 حدود 0.6%C وجود دارد. از آنجا که حلالیت کربن در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، مثل آلیاژ 18%Cr-8%Ni ، با کاهش دما سریعا کاهش می‌یابد اگر این آلیاژها آهسته سرد شوند کاربیدهای کروم رسوب می‌کنند (شکل زیر). مثلا اگر آلیاژ 304 (19%Cr-9%Ni) از دمای1050 درجه سانتی گراد تا دمای محیط به آهستگی سرد شود، کاربیدهای کروم در گستره 850-400 درجه سانتی گراد در مرزدانه‌ها رسوب می‌کنند.

اثر کربن بر فولاد زنگ نزن 18-8

به هنگام سرد کردن آرام از گستره دمایی بحرانی یعنی 850-400 درجه سانتی گراد، تعداد ناکافی از اتم‌های کروم از زمینه دانه نفوذ می‌کند، تا جایگزین اتم‌هایی شود که به وسیله کاربیدهای کروم از مرزدانه‌ ها خارج شده‌اند. در نتیجه، میزان کروم در مناطق نزدیک به مرزدانه‌ ها کمتر از میزان بحرانی لازم، 12%، برای مقاومت به‌ خوردگی است، و از این رو آلیاژ مستعد خوردگی بین‌ دانه‌ ای است. بنابراین، تابکاری این نوع فولادها باید در دمای زیاد انجام شود تا کاربیدهای کروم وارد محلول جامد شوند اما دما نباید به اندازه‌ای زیاد باشد که دانه‌ها خیلی رشد کنند. بیشتر فولادهای زنگ نزن در گستره 1050 تا 1120 درجه سانتی گراد تابکاری می‌شوند. بعد از تابکاری در دمای بالا، برای جلوگیری از رسوب کردن کاربیدهای کروم، فولادها باید سریعا سرد شوند.

ریزساختار فولاد زنگ نزن آستنیتی نوع 304 پس از تابکاری در دمای 1050 درجه سانتی گراد و سرد کردن در هوا در شکل الف آمده است. شکل ب تصویری از ورق نازک این آلیاژ را پس از 2 ساعت تابکاری در دمای 1060 درجه سانتی گراد و آبدهی در آب نشان می‌دهد. در این تصویر که با میکروسکوپ الکترونی عبوری گرفته شده است، در مرزدانه‌ها کاربید دیده نمی‌شود. اما، اگر این فولاد مجددا به مدت 2 ساعت در 600 درجه سانتی گراد گرم شود، که در گستره بحرانی رسوب‌دهی است، رسوب‌های کاربیدی که تقریبا پیوسته‌ اند در مرزدانه‌ها دیده می‌شوند (شکل ج).

ساختار فولاد 304 ساختار فولاد زنگ نزن آستنیتی TEM ریز ساختار فولاد 304
الف ب ج

همیشه امکان سریع سرد کردن آلیاژی مثل فولاد زنگ نزن 304 پس از تابکاری در دماهای بالا وجود ندارد، و این کار می‌تواند مشکلاتی ناشی از خوردگی ایجاد کند. مثلا؛ جوشکاری فولادهای زنگ نزن در محل کار که به آهستگی سرد می‌شود بدین معنی است که عملیات حرارتی بعدی برای حل شدن مجدد کاربید کروم امکان‌پذیر نیست. برای جلوگیری از رسوب مرزدانه‌ای که بر اثر آهسته سرد کردن به‌ وجود می‌آید، تغییراتی در ترکیب شیمیایی صورت گرفته است که در آن کربن با سایر عناصر ترکیب می‌شود.

در آلیاژ 321، تیتانیوم به میزان پنج برابر کربن به آلیاژ اضافه می‌شود. با گرما دادن این آلیاژ در 870 درجه سانتی گراد و به مدت زمان کافی، تیتانیم با کربن ترکیب می‌شود و کاربید تیتانیم (TiC) تشکیل می‌دهد. از آنجا که وقتی عملیات حرارتی با آهسته سرد کردن از گستره دماهای بحرانی همراه باشد از رسوب کردن کاربید کروم جلوگیری می‌شود به آن عملیات پایدارسازی گویند.

روش دیگری پایدار کردن فولاد زنگ نزن 8-18 اضافه کردن کلومبیوم (نیوبیوم) است که در آن به جای کاربیدهای کروم کاربیدهای کلومبیم (CbC) تشکیل می‌شود. در آلیاژ 347، به فولاد زنگ نزن 8-18 ده برابر مقدار کربن آن کلومبیم اضافه شده است. این آلیاژ برای ترکیب شدن کربن با کلومبیم باید در دمای 870 درجه سانتی گراد پایدار شود.

روش دیگر برای جلوگیری از رسوب کاربید کروم در مرزدانه‌های فولادهای زنگ نزن آستنیتی این است که مقدار کربن به اندازه کافی کاهش یابد. در آلیاژهای 304L و 316L حداکثر 0.03%C مجاز است. برای کار در دماهای کمتر از 425 درجه سانتی گراد، این آلیاژها معمولا بر آلیاژهای دارای کاربیدهای تیتانیوم و کلومبیوم (نیوبیوم) ارجحیت دارند. کاربرد و هزینه است که مشخص می‌کند کدام آلیاژ برای جلوگیری از خوردگی بین‌دانه‌ای انتخاب شود.

 
 

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

 Smith.W., Structure and Properties of Engineering Materials, McGraw-Hill, 1987

Ally Digest SourceBook :Stainless Steel, ASM Internationl, 2000 

مرعش مرعشی ، متالورژی کاربردی فولادها ( 2 ) ، شرکت نورد و تولید قطعات فولادی ، 1375

 

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

 

 
 

Austenitic steels have austenite as their primary phase (face centered cubic crystal). These are alloys containing chromium and nickel (sometimes manganese and nitrogen), structured around the Type 302 composition of iron, 18% chromium, and 8% nickel. Austenitic steels are not hardenable by heat treatment. The most familiar stainless steel is probably Type 304, sometimes called T304 or simply 304. Type 304 surgical stainless steel is an austenitic steel containing 18-20% chromium and 8-10% nickel... more

 
 

Austenitic stainless steels have high ductility, low yield stress and relatively high ultimate tensile strength, when compare to a typical carbon steel.

A carbon steel on cooling transforms from Austenite to a mixture of ferrite and cementite. With austenitic stainless steel, the high chrome and nickel content suppress this transformation keeping the material fully austenite on cooling (The Nickel maintains the austenite phase on cooling and the Chrome slows the transformation down so that a fully austenitic structure can be achieved with only 8% Nickel)... more

 
 
نظرات درباره این مطلب
 
 
نام
پست الکترونیک
نظر
 
CAPTCHA Image
Reload Image
 
محمد ابراهیم عظیمی راد
با سلام از این اطلاعات در اختیار دیگران قرار می دهید
<<پاسخ به این نظر
09:02 28 فروردين 92
plus  4  
min   0
مطالب مرتبط