استنلس استیل – متریال فولاد ضد زنگ

آشنایی با متریال فولاد زنگ نزن ( Stainless Steel ) در صنایع و نفت و گاز و پتروشیمی

استنلس استیل چيست؟

استنلس استیل یا فولاد زنگ نزن ، نوعی آلیاژ آهن محسوب می شود که بيشتر برای مقاومت در برابر خوردگی ، دمای بالا و فشار بالا توسعه يافته اند.

از ويژگي هاي ممتاز اين آلياژها ، شکل پذيري عالي، چقرمگي زياد در دماي اتاق و دماي پايين و مقاومت خوب در برابر پوسته شدن، اکسايش و خزش در دماي بالا ميباشد که خواص خود را نيز تا دماهاي بالا حفظ ميکنند.

اولین فولاد ضد زنگ به صورت آلیاژ، مارتنزیتی Fe-Cr-C توسط دانشمند انگلیسی به نام هری بررلی (Harry Brearley) در 1912 تهیه گردید.

اولین ریخته‌گری تجارتی فولاد ضد زنگ در سال 1913 در شفیلد انگلستان به تولید رسید و حق ثبت آمریکایی جهت این اختراع در سال 1916 به آقای هری بررلی اهدا گردید.

ترکیب شیمیایی آلیاژ استنلس :

کروم عنصر کلیدی در تولید استنلس است. استنلس استیل با افزایش 10.5 درصد کروم به فولاد معمولی بوجود می آید بنابراین هر استنلس استیلی که کمتر از 10.5 درصد کروم داشته باشد نباید آنرا استنلس استیل دانست .

عنصر کروم موجب ميگردد فولاد خاصيت ضد زنگ داشته باشد .اين بهبود مقاومت در برابر خوردگي به خاطر تشکيل لايه محافظ اکسيد کروم روي سطح فولاد ميباشد.

کروم در مجاورت اکسیژن موجود در هوا به اکسید کروم Cr2O3 تبدیل می شود ضخامت این پوشش 130 آنگستروم Angstroms می باشد .

هنگامی که فولاد ضد زنگ بریده یا خراش داده می‌شود، کروم موجود در سطح سریعاً اکسید می‌شود و فیلم اکسید ناحیه صدمه دیده را ترمیم می‌کند. که به این خاصیت خود ترمیمی ( Self healing) می گویند.

این پوشش اگر چه مانند سرامیک سخت است ولی آسیب پذیر می باشد وبه مجرد خراش چنانچه اکسیژن کافی درمحیط موجود نباشد امکان تشکیل لایه مجدد را پیدا نکرده و به تدریج دچار زنگ زدگی می گردد .
به خاطر همین مطلب است که وقتی یک واشر استنلس استیل را همراه با یک واشر لاستیکی به شدت محکم می کنیم به مرور زمان در اثر کمبود اکسیژن دچار زنگ زدگی می شود .

ترکیبات دیگر خواص دیگری را در استنلس استیل افزایش می دهند. از آن جمله ميتوان به مولييدن و نيکل اشاره نمود.

عنصر نیکل دومین رکن اساسی استنلس است که خواص قابلیت فرم دهی ، شفاف بودن ومقاومت در دمای بالا، انعطاف پذيری و شکل پذیری را به استنلس استیل می بخشد.

تاثیر مولیبدن در فولاد و استنلس استیل : مولیبدن خالص به رنگ سفید نقره ای بوده و نسبتا نرم بوده و جزو فلزات با بالاترین نقطه ذوب است.

بیش از دو سوم مولیبدن در تولید آلیاژها علی الخصوص آلیاژهای کروم نیکل 316 استنلس استیل استفاده می شوند.

حداقل 3 % مولیبدن باعث می شود که فریت در تمام دماها پایدار باشد. سختی پذیری را افزایش می دهد.

در حدود 0.5-1.5 % مولیبدن به فولادهای آلیاژی اضافه می شود تا استحکام و مقاومت به خزشی آنها در دماهای بالا حفظ شود.

فولادهای زنگ نزن از 0.5 تا 4.0 % مولیبدن دارند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی برای مقاومت خوردگی بیشتر در محیط های خورنده حاوی مولیبدن مناسب هستند.

در عملیات حرارتی فولادها ،Mo تشکیل دانه های ریز را تسریع کرده و بر قابلیت جوشکاری تاثیر مطلوبی دارد. افزایش استحکام را در پی داشته و بنابراین قابلیت چکش کاری کم می شود.

مولیبدن به عنوان عنصر آلیاژی در فولادهای میکروآلیاژی کربنی، کم کربن با استحکام بالا در محدوده 0.05-0.25 بکار رفته و چقرمگی و استحکام را بالا می برد.
معمولا همراه با افزودن مولیبدن از منگنز بالا و کمی نیکل نیز استفاده می کنند.

---

 

انواع فولاد ضدزنگ (Stainless Steel) :

از آنجایی که ریز ساختارهای فولاد ، خواص آن را تعیین می کند، فولاد ضد زنگ به طور سنتی بر اساس ساختارهایشان تقسیم بندی شده اند.
این موضوع ، طبقه بندی کلی ای از ترکیب (شیمیایی) و خواص (مکانیکی) را ارائه می دهد که بیشتر بر پایه خواص مغناطیس استنلس است:

فولاد استنلس آستنیتی Austenitic 300
فولاد استنلس استیل فریتی Ferritic 400
فولاد استنلس داپلکس Austenitic-Ferritic Duplex
فولاد استنلس استیل مارتنزیتی Martensitic

همچنین ازلحاظ طبقه بندی استانداردها ، فولاد ضد زنگ به گرید (Grade) های مختلفی طبقه بندی می شود که در اینجا فقط تیتر وار بررسی و در مطالب بعدی جزییات هر گرید استنلس بررسی می شود مهمترین گرید ها به شرح زیر است:

استنلس  : گرید 304 – گرید 304L – گرید 310 – گرید 309 – گرید 309S – گرید 316 و 301L و 316Ti – گرید 430 و …

استنلس آستنیتی Austenitic 300

فولاد ضد زنگ آستنیتی بیشترین استفاده را در بین انواع دیگر فولادهای زنگ نزن داشته و تقریبا 80% بازارجهان را به خود اختصاص داده است. درساختار آن حداقل 7% عنصر نیکل قرار دارد

این فولادها در استاندارد سری AISI 300 و AISI 200 بوده و شامل نیکل با مقدار کم و یا خیلی کم کربن هستند.
این مواد دارای مقاومت عالی در برابر خوردگی و مقاومت به اکسیداسیون با درجه حرارت بالا است.
مقاومت و سختی می تواند با کار سرد افزایش یابد.

آنها خواص برودتی عالی دارند. به لحاظ مغناطیسی آنها غیر مغناطیسی (نگیر) هستند. در فولاد های سری 200 ، نیکل تا حدی با منگنز جایگزین شده است.
این دسته، خواص مشابه ای با سری 300 دارند، اما با استحکام و مقاومت در برابر خوردگی بالاتر.

بجز مقاومت دربرابر محیط‌های خورنده خاص، فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی دارای خواص متالورژیکی زیر نیز می‌باشند:

الف- تبدیل آستنیت به مارتنزیت دراثر کارسرد درانواع 301 ، 302 و304

ب- کاهش کربن و عنصرآلیاژی کرم برای حذف امکان تشکیل کاربید کرم و جلوگیری از خوردگی بین دانه ‌‌يی درانواع 304L،316L،321،347

ج- آلیاژکردن با مولیبدن برای افزایش مقاومت دربرابر خوردگی حفره‌ ای درانواع 316

د- استفاده از درصدهای بالای عناصرآلیاژی کرم و نیکل برای افزایش استحکام دردمای بالا (فولادهای نسوز) و مقاومت دربرابر پوسته شدن درانواع 309 و 310

موارد کاربرد : مخازن ذخیره – لوازم آشپزخانه – لوله های صنعتی (مطالعه بیشتر: متریال پایپینگ) – نمای خارجی بناها – استراکچرها

استنلس استیل فریتی Ferritic 400

این دسته ازفولادهای ضدزنگ خاصیت مغناطیسی و خواص فیزیکی و مکانیکی مناسبی دارند.عنصرآلیاژی عمده دراین گروه کرم در حد کافی جهت پایدار کردن کامل فاز فریت می باشد.

به منظور جلوگیری ازتشکیل فازهایی که در رابطه با انعطاف پذیری و چقرمگی مخرب اند، سریع سردکردن این نوع فولادها که حاوی درصد زیادتری ازعناصر آلیاژی هستند الزامی است .

فولادهای ضدزنگ فریتی خواصی مشابه به فولاد ساده کربن استیل داشته با این تفاوت که مقاومت آنها دربرابر خوردگی به مراتب بهتراست.

دو مشخصه برتر اینگونه استنلس استیل ها نسبت به استنلس های نگیر انبساط حرارتی و هدایت حرارتی آنها می باشد.

در استنلس استیل های 436 و 444 به علت داشتن مولیبدن مقاومت در برابر خوردگی در سطح بالاتری از 304 قرار دارد هرچند استنلس نگیر 304 مقاومتش بیشتر از استنلسهای بگیر سری 441، 439، 430 می باشد .

عموما این فولادها حاوی مقادیر بین 12 تا 17 درصد کرم درساختار خود می باشند که فولادهای با مقادیر حدودا 12 درصد کرم بیشتر برای کاربرد در استراکچرها و فولادهای بامقادیر حدودا 17 درصد کرم بیشتر در بویلرها – ماشین های لباسشویی – دکوراسیون داخلی و لوازم خانگی بکارمی روند.

به طور اختصار دسته بندی استنلسهای مغناطیسی (بگیر) به صورت زیر خواهد بود :

گروه اول : کروم 14 – 10 درصد( 409-410-420) .
گروه دوم : کروم 18- 14 درصد (430) .
گروه سوم : کروم 18- 14 درصد و فلزات تثبیت کننده مانند نیوبیوم و تیتانیوم مانند انواع 430TI، 439، 441 .
گروه چهارم : حاوی 5 درصد مولیبدن اضافه مانند انواع 434، 436 و444 .
گروه 5 : حاوی 30- 18 درصد کروم که در گروه های دیگر نباشد مانند انواع 445،446،447 .

استنلس داپلکس Austenitic-Ferritic Duplex

این دسته ازفولادهای ضدزنگ هردو ساختارمتالورژیکی مربوط به فاز های فریت و آستنیت را همزمان در خود داشته از اینرو آنها را فولادهای ضدزنگ duplex نیز نامگذاری کرده اند.

استنلس استیل های دوپلکس به طور کلی از نطر مقاومت مکانیکی در سطح بالاتری نسبت به انواع معمول استنلس های بگیر(مغناطیسی) ونگیر(غیرمغناطیسی)قرار دارند.

استنلس های نوع 1.4462 یا AISI 318LN با ترکیب شیمیایی ۰٫۰۲٪کربن – ۲۲٪کروم  – ۵٫۵٪نیکل – ۳٪مولیبدن، پرمصرف ترین آنها می باشد.

این نوع فولاد در پالایشگاه کاربردهای فراوانی دارد که به عنوان مثال میتوانید از استاندارد مصارف استنلس داپلکس در پالایشگاه نفت دیدن نمایید.

این فولادها حاوی مقادیری ازعنصر نیکل به منظور پایدارکننده فاز آستنیت و حصول خواص انعطاف پذیری همچنین مقادیری از عنصر کروم به منظور پایدارکننده فاز فریت و حصول خواص استحکام و چقرمگی مناسب درفولادمی باشند.

ساختمان میکروسکوپی استنلسهای دوپلکس موجب افزایش توانایی (قدرت) و مقاومت آن در برابر ترک خوردگی های ناشی از تنشهای خوردگی می گردد.

استنلسهای دوپلکس درای خصوصیت جوش پذیری خوبی نیز می باشند.

انواع استنلس دوپلکس

طبق استاندارد EN :
EN 1.4162  – EN1.4362 – EN1.4462 – EN1.4501 – EN1.4410

طبق استاندارد ASTM :
S32101 – S32304 – S32205 – S32760 – S32750

استنلس استیل مارتنزیتی Martensitic

برای بسیاری ازکاربردها که مستلزم نه تنها مقاومت دربرابر خوردگی است بلکه نیاز به استحکام بالا،سختی بالا،مقاومت به سایش و حفظ لبه های تیز و زوایا درقطعه است ، ازفولادهای مارتنزیتی استفاده می کنند.

این فولادها را می توان ابتدا آهنگری نمود و سپس با آستنیته و سریع سردکردن (تشکیل مارتنزیت) و بازپخت دادن عملیات حرارتی کرد.

فولاد ضدزنگ مارتنزیتی خاصیت مغناطیسی داشته و قابلیت حصول محدوده متغیر ازسختی رادارد. برای ساخت تیغه توربین های بخار ازاین نوع فولاد استفاده می گردد.

---

 

خوردگی و زنگ زدن در استنلس استیل

باید توجه داشت که فولادهای ضد زنگ فقط در شرایطی خاص نظیر محیط‌ های غیرآلوده و آب شیرین یا آب دریا (به صورت جاری) بدون زنگ باقی می‌مانند.

در هوای مرطوب دریایی یا در داخل آب راکد فولاد ضد زنگ نوع 304 زنگ می‌زند، و اغلب به صورت موضعی دچار خوردگی حفره‌ای می‌گردد.

استنلش استیل در مقابل آب دریا که مقدار زیادی نمک دارد و همچنین آب های که دارای کلر زیاد هستند ، دچار آسیب می گردد زیرا کلر در سطح خارجی اثر گذار بوده و در صورتی که خراش بر روی سطح استنلس استیل باشد امکان ترمیم آن را پیدا نمی کند .

آنچه در مورد استنلس استیل و مشتقات آن باید مورد توجه قرار داد اینست که استنلس استیل بایستی مرتب با هوا در تماس باشد و اگر در اثر کار سرد مثل خمکاری ، برش ، فرم دهی و غیره پوشش سطحی آن دچار آسیب شده باشد و در مجاورت اکسیژن نباشد ، دچار زنگ زدگی خواهد شد.

به طور کلی ماهیت محیط و ترکیب شیمیایی فولاد هر دو در تشکیل زنگ و خوردگی حفره‌ای فولاد ضد زنگ نقش تعیین کننده‌ای دارند.

انواع خوردگی استنلس :

خوردگی یکنواخت (uniform corrosion)
این نوع خوردگی در هنگامی اتفاق می افتد که کل سطح استیل در مجاورت محیط خورنده قرار گرفته و بصورت یکنواخت در معرض خوردگی قرار می گیرد .

بطور کلی هنگامی که سرعت خوردگی در استیل کمتر از 0/1 میلیمتر در سال باشد ، استیل با مقاومت خوب در برابر خوردگی تلقی می گردد.

استیلهای دوپلکس به علت برخورداری از درصد بالای کروم مقاومت بسیار عالی در برابر خوردگی در بسیاری از محیطها را دارند.
SAF_2304 در بسیاری از مواقع معادل 4404 بوده و انواع دیگر استیلهای دوپلکس با آلیاژهای بالاتر مقاومتهای بیشتری در برابر خوردگی از خود نشان می دهند.

در اسید سولفوریک که یا یونهای کلر همراه گردیده ، دوپلکس 2205 از استنلس نوع 4404 مقاومت خیلی بهتری در برابر خوردگی از خود نشان داده و مقاومت آن معادل استنلس نوع 904 L می باشد

خوردگی حفره ای و موئی (PITTING)
با افزایش کروم ، مولیبدن و نیتروژن در استیل مقاومت آن در برابر خوردگی حفره ای افزایش می یابد.

ترک ناشی از تنش خوردگی :در محیط های کلریدی با درجه حرارت بالا، استنلس استیلهای نگیر در معرض بروز ترک بر اثر تنش خوردگی قرار می گیرند. استنلس استیلهای از نوع دوپلکس به علت تداوم فاز مغناطیسی به میزان بسیار کمتری در مقابل اینگونه خوردگی حساس می باشند.

تنش خوردگی سولفاید منجر به ترک :در شرایط حضور محلول های هیدرو سولفاید و هیدروکلراید، امکان بروز تنش خوردگی منجر به ترک در درجه حرارت های پائین تر بیشتر می گردد. چنین شرایطی در بدنه چاههای نفت و گاز به شدت امکان وقوع پیدا می کند.

انواع استیلهای SAF_2205 و SAF_2507 مقاومت خوبی در اینگونه شرایط از خود نشان می دهند در حالیکه استنلسهای با 13 درصد کروم تمایل بیشتری به تنش خوردگی منجر به ترک دارند.

خستگی خوردگی (CORROSION FATIGUE)

استیلهای دوپلکس به علت قدرت مکانیکی بالا و مقاومت زیاد در برابر خوردگی دارای توانائی بالا در برابر خستگی خوردگی می باشند مقاومت استیل 2205 در آب دریا (مصنوعی) بیشتر از انواع دیگر آن می باشد.

خوردگی استنلس در اثر عملیات حرارتی:

در عملیات حرارتی و یا جوشکاری استنلس ، دمای فولاد ضد زنگ به حدود 850-550 درجه سانتیگراد می‌رسد. کروم و کربن با یکدیگر وارد واکنش می‌شود و کاربیدکرومیوم (Chromium Carbide) تولید می‌گردد که در مرز دانه بندی فولاد رسوب می‌کند.

به همین دلیل کروم موجود در ناحیه مرزی تخلیه می‌شود. ناحیه مرزی که کروم آن تخلیه شده نسبت به سایر مناطق سالم سطح فلز که کروم آن مناطق تخلیه نشده‌اند در برابر خوردگی مقاومت کمتری دارد. (مطالعه بیشتر: خوردگی بین دانه ای)

---

 

جوشکاری استنلس

استنلس استیل در حالت ذوب به علت داشتن کروم بالا دارای قابلیت اکسید شدن بالا می باشد چنانچه در هنگام ذوب این فلز از هوا مصون نگردد کروم موجود در فلز به اکسید تبدیل شده و مقاومت در برابر خورندگی در محل جوش کاهش می یابد.

برای جلوگیری از وقوع این امر از گاز محافظ استفاده می گردد گازهای محافظ می توانند آرگون و یا هلیوم و ترکیبی از آنها باشند.
گاز آرگون معمول ترین گاز حفاظتی در پشت کار می باشد و گاز نیتروژن نمی بایست در استنلس های بگیر (مغناطیسی) مورد استفاده قرار گیرد.

جوش پذیری استیل های دوپلکس خوب بوده و روشهای معمول جوشکاری در استنلس استیل ها در مورد آنها نیز صادق می باشد.

روشهای معمول جوش استنلس استیل
جوش قوسی فلز با حفاظت
جوش قوسی تنگستن با گاز
جوش قوسی فلز با گاز
جوش قوسی با الکترود
جوش قوسی با پلاسما
جوش قوسی زیر پودری

---

 

اسید شویی ، خنثی سازی و گند زدایی استنلس

تغییر رنگ جزئی ناشی از جوشکاری باید با روشهای مکانیکی و یا شیمیایی ( به نام اسید شویی) از بین برده شود .

اسید شویی استنلس به وسیله ترکیبی از اسید های فلوئیدریک و نیتریک و یا خمیر های مخصوص می باشد.

عملیات خنثی سازی و گند زدایی جهت بازیافت لایه سطحی و آزاد شدن رسوبات متالیک از طریق غوطه ور کردن قطعه در آب سرد حاوی 20 تا 25 درصد اسید نیتریک بدست می آید.

پایان