گروه بندی استنلس استیل

- گروه بندی استنلس استیل

همانطور که گفته شد جهت ایجاد خاصیت محافظت یا رویین شدن اولیه در مقابل خوردگی، حداقل 11% کروم و جهت بهبود خواص خوردگی، مکانیکی و غیره عناصر دیگری به فولاد افزوده می گردند. اثر متفاوت این عناصر بر ریز ساختار، شش گروه استنلس استیل به شرح زیر را به وجود می آورد:

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

2- گروه مارتنزیتی (Martensitic) : با محدوده ترکیبی 0.1، Ni=0-6%، Cr=11-18%

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

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

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

6- گروه ریختگی (Cast)

چهار گروه اول براساس ساختار میکروسکوپی و گروه پنجم براساس نوع عملیات حرارتی مشخص شده اند.

گروه ششم نیز شامل مجموعه آلیاژهایی از پنج گروه اصلی بوده که به روش ریخته گری تولید می شوند. در مورد کلیه گروه های فوق عناصر دیگری نظیر فسفر، سیلیسیم، گوگرد، منگنز، نئوبیم، تیتانیم و مولیبدن نیز ممکن است به عنوان ناخالصی در ترکیب موجود بوده و یا به عنوان افزودنی جهت بهبود خواص معینی به آلیاژ ها اضافه گردند که حدود آنها را استانداردها مشخص نموده اند.

1- گروه فریتی

فریت، فاز اصلی آلیاژهای آهن و دارای شبکه BCC می باشد. برای بدست آوردن ساختار فریتی بایستی عناصر فریت زا مانند کروم، آلومینیم، تیتانیم، نئوبیم و مولیبدن در حد بالا و عناصر آستنیت زا مانند نیکل، کربن و نیتروژن را در حد پایین نگاه داشت که در این بین کروم نقش مهمی دارد. با افزایش کروم دمای محیط منطقه آستنیت (گاما) به شدت محدود شده و ساختار غالب فریت (آلفا) می گردد. از آنجایی که کروم دارای ساختمان بلوری مشابه با ساختمان بلوری فریت است لذا این فلز ناحیه فازی فریت را گسترش می دهد و منطقه فازی آستنیت را محدود می کند.

آلیاژ های این گروه حاوی 11 الی 30% کروم و تقریباً بدون عنصر گران قیمت نیکل بوده و بنابراین در بین گروه های دیگر معمولاً کمترین قیمت را دارا می باشند. تیتانیم و نئوبیم علاوه بر فریت زایی، با بلوکه کردن کربن و نیتروژن و تولید کربونیتریدها اثر مضاعفی در فریت زایی دارند زیراکه کربن و نیتروژن در آلیاژ های فریتی پیشرفته نسل سوم باز هم محدود تر گردیده است. با توجه به مطالب فوق آلیاژ های این گروه به ترتیب در سه نسل مختلف توسعه یافته و بهینه گردیده اند.

استحکام مکانیکی استنلس استیل فریتی در مقایسه با فولاد های کربنی ساده کم کربن بالاتر بوده اما چکش خواری و فرم پذیری آنها کمتر ولی در حد مناسب می باشد. همچنین استحکام مکانیکی آنها در دماهای بالا و چقرمگی در دماهای پایین، مخصوصاً در مقاطع ضخیم، در مقایسه با گروه آستنیتی بسیار کمتر می باشد.

در استنلس استیل فریتی (همانند استنلس استیل مارتنزیتی و دوفازی) امکان به وجود آمدن تردی بازگشت وجود دارد. این پدیده بر اثر عملیات حرارتی بازگشت در محدوده دمای 400 تا 550 درجه سانتی گراد به وجود می آید. بنابراین موقعی که چقرمگی بالایی مورد نیاز باشد، بایستی از کاربرد و یا برگشت آنها در محدوده دمای فوق اجتناب شود. همچنین دانه بندی فولاد های فریتی بعد از جوشکاری درشت گردیده و خواص مکانیکی آنها کم می گردد.

به طور کلی از نظر مقاومت به خوردگی عمومی، استنلس استیل فریتی بعد از گروه های آستنیتی و مارتنزیتی قرار داشته و بسته به درصد کروم از کم تا عالی متغیر می باشد. اما برخلاف گروه آستنیتی مقاومت آنها در مقابل خوردگی تحت تنش بالا می باشند. از طرف دیگر کاهش میزان کربن و نیتروژن اثر نسبتاً زیادی در افزایش مقاومت خوردگی آنها دارد. آلیاژ های فریتی با کروم کم (حدود 11%) مانند 409 و 405 دارای مقاومت خوردگی و اکسیداسیون حداقل بوده اما به دلیل قیمت پایین و سهولت تولید، کاربرد زیادی در مواردی که نیازمند مقاومت خوردگی کم باشند، دارند. آلیاژ های فریتی با کروم متوسط (16 تا 18%) مانند 430 در مقابل اسید های اکسید کننده ضعیف و آلی مقاوم بوده و در ساخت قطعات خودرو و ظروف آشپزخانه کاربرد دارند. ولی محدودیت آنها در مشکلات جوشکاری است.

آلیاژ 430 سرگروه این خانواده است که با 17% کروم مقاومت نسبتاً خوبی به اتمسفر، بعضی از مواد شیمیایی (مخصوصاً اسید های اکسید کننده) دارد. این آلیاژ در مواردی جانشین بسیار مناسبی برای آلیاژ های گران قیمت آستنیتی می باشد. شکل پذیری این آلیاژ خوب است. کاربرد آن در تانک های اسید نیتریک، سبد های بازپخت حرارتی و قطعات تزیینی است.

آلیاژهای 430F و 430FSe برای بهبود ماشینکاری آلیاژ 430 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.

2- گروه مارتنزیتی

عناصر آلیاژی این گروه کروم و کربن هستند. مارتنزیت یکی دیگر از فاز های آهن است. این فاز به دلیل وجود کربن بین نشینی در شبکه اتمی خود از سختی زیادی برخوردار است. آلیاژ های مارتنزیتی فرومغناطیس و قابل عملیات حرارتی بوده و اهمیت و کاربرد آنها بیشتر جهت زیاد بودن استحکام مکانیکی، سختی، خستگی و خزش است. ولی دمای کاربرد آنها تا 650 درجه سانتی گراد محدود است. همچنین انواع پرکربن آن برای جوشکاری توصیه نمی گردد.

درصد کروم آلیاژ های مارتنزیتی معمولاً حدود 11 تا 18% است. حد پایین کروم را مقاومت به خوردگی و حد بالای آن را امکان تبدیل کل ساختار به آستنیت در حین گرم کردن در عملیات حرارتی تعیین نموده است. زیرا که کروم فریت زا بوده و منطقه پایداری و تشکیل آستنیت را محدود تر می نماید.

درصد کربن آلیاژ های مارتنزیتی ممکن است تا 1.2% نیز برسد. افزایش کربن البته تا حدود 0.6% سختی آنها را افزایش داده ولی افزایش بالاتر از این حد، سختی آلیاژ را بالاتر نبرده و فقط مقاومت به سایش را افزایش می دهد که علت تبدیل آن تبدیل کربن اضافی به کاربید کروم می باشد.

عناصر آلیاژی دیگری مانند نئوبیم، سیلیسیم، وانادیم و غیره برای اصلاح ریز ساختار بعد از آب دادن و درصد کمی نیکل برای افزایش چقرمگی و مقاومت به خوردگی نیز استفاده می شوند. همچنین در موقعی که درصد کروم بالا بکار برده شود (برای افزایش مقاومت به خوردگی)، نیکل با کم نمودن فریت آزاد، ساختار را اصلاح می نماید.

مقاومت به خوردگی آلیاژ های مارتنزیتی غالباً از بسیاری از آلیاژ های آستنیتی و فریتی کمتر بوده ولی کلاً در حد متوسط می باشد.

آلیاژ 410 سردسته این گروه و دارای بیشترین کاربرد در گروه مارتنزیتی می باشد. در آمریکا این آلیاژ دارای کاربرد گسترده ای در توربین های بخار، موتور های جت، توربین گازی، کاربرد عمومی، قطعات ماشین آلات، شفت پمپ ها و غیره می باشد.

3- گروه آستنیتی

آستنیت یکی از فاز های آهن با شبکه FCC است که در آهن بدون عناصر آلیاژی در محدوده دمای 910 تا 1400 درجه سانتی گراد پایدار است. با افزودن عناصر آستنیت زا (مانند Ni) می توان آن را در دمای محیط نیز پایدار نمود. وجود 8 تا 10% نیکل به ازای 18% کروم، ساختار فولاد را به صورت آستنیتی پایدار می نماید. این تغییر فاز باعث تغییر عمده خواص مکانیکی از جمله افزایش شکل پذیری آلیاژ می گردد. این آلیاژها در حالت بازپخت به دلیل وجود فاز آستنیت غیرمغناطیسی بوده اما به دلیل تغییر فاز در حالت کار سرد ممکن است کمی خاصیت مغناطیسی در آنها به وجود آید.

آلیاژ های آستنیتی حاوی عناصر اصلی کروم (در محدوده 16 تا 26%) و نیکل می باشند که در تعدادی از آنها (سری 2XX) به جای درصدی از نیکل عناصر منگنز (در محدوده 4 تا 15%) و نیتروژن اضافه گردیده اند تا باعث کاهش قیمت و افزایش استحکام گردند.

نیتروژن همچنین به منظور بهبود استحکام مکانیکی در دمای پایین، کند کردن تشکیل رسوب کاربید کروم، افزایش مقاومت به خوردگی های حفره ای و شیاری (کمک به مولیبدن) بکار می رود. عناصر آلیاژی دیگر مانند مولیبدن، مس، سیلیسیم، آلومینیم، تیتانیم، نئوبیم و غیره برای بالا بردن خواص معینی مانند مقاومت به خوردگی حفره ای و مقاومت در مقابل یون کلرید یا مقاومت به اکسیداسیون به آنها افزوده می شوند.

نورد سرد انجام شده روی این گروه مقاومت خوبی به آنها می دهد. از دیگر قابلیت های این گروه امکان جوشکاری آن به سبب میزان پایین کربن و گوگرد موجود در آنهاست. در واقع افزودن عناصر جدید در راستای بهبود کیفیت مدنظر و تامبن خواص مورد نیاز آلیاژ صورت میگیرد. به طور مثال افزودن تیتانیم به آلیاژ 304 آن را به 321 از دیگر آلیاژ های گروه آستنیتی تبدیل می کند. از دیگر آلیاژ های پرکاربرد این گروه 316 می باشد که با افزودن 2% مولیبدن به 304 تهیه شده ومقاومت بهتری در برابر خوردگی کلر دارد. افزایش میزان کروم آلیاژ 310 را می دهد که مقاومت بالایی در دماهای بالا دارد. ضعف اصلی این گروه سستی آنها در برابر ترک های ناشی از خوردگی تنشی کلر است.

ویژگی ها و خواص گروه ها

غیر مغناطیسی، داکتیل، دارای مقاومت پایین تر نسبت به سایر گروه های استینلس استیل، قابلیت شکل پذیری بالا، قابلیت تحمل دما تا 475 درجه سانتی گراد، دارای خاصیت ضد خوردگی قوی، دارای قابلیت سخت کاری

به طور کلی مقاومت به خوردگی گروه آستنیتی نسبت به گروه های دیگر استنلس استیل بیشتر بوده و در نتیجه کاربرد آنها نیز از این نظر بیشتر می باشد. ولی معمولاً برخلاف گروه فریتی به خوردگی تحت تنش حساس می باشند. آلیاژ های مخصوص آستنیتی پر نیکل حاوی مولیبدن زیاد (حدود 6%) و نیتروژن (0.15 تا 0.25%) در مقابل خوردگی حفره ای بسیار مقاوم بوده و در دماهای بالا نیز مقاومت به اکسیداسیون خوبی دارند.

آلیاژ های آستنیتی متعددی وجود دارند که تحت دو گروه 2XX و 3XX و نام های تجاری دیگری تولید می شوند. سرگروه آلیاژ های آستنیتی آلیاژ معروف (8-18) 302 بوده و آلیاژ های دیگر بر پایه اصلاحات انجام شده بر روی آن به وجود آمده اند.

خواص گروه آستنیتی:

در آلیاژ های این سری نظیر 201، 202، 205، 216، 218، 219 و غیره مقداری از عنصر گران قیمت نیکل با عناصر منگنز و نیتروژن جایگزین شده است. بنابراین استفاده از این آلیاژ هادر بسیاری از موارد که مقاومت به خوردگی کمتری از سری 3XX مورد نیاز باشد، مقرون به صرفه تر است. تعدادی از کاربرد های آنها در ظروف آشپزخانه، رینگ پیستون، قطعات تزیینی، مخازن و تجهیزات حمل مواد و غیره است.

آلیاژ های سری 2XX

گروه آستنیتی 3XX به چهار کلاس تقسیم بندی می شود.

کلاس A:

در این گروه آلیاژ های 301، 302، 303، 303Se، 304، 304L، 304N، 321، 347 و 348 قرار دارند که با کمی تفاوت در ترکیب شیمیایی می توان آنها را همان آلیاژ 8-18 دانست. مقاومت خوردگی کلی این آلیاژ ها با هم تفاوت چندانی ندارند، اما تعدادی که عناصر آلیاژی بیشتری دارند مقاومت خوردگی کمی بالاتری نیز دارند. مثلاً مقاومت خوردگی آلیاژ 304 از 301 و 302 بیشتر است.

آلیاژ خوش تراش 303 در این گروه دارای کمترین مقاومت خوردگی، مخصوصاً در مقابل خوردگی حفره ای است.

آلیاژ های 321، 347 و 348 نیز دارای مقاومت به خوردگی مشابه 302 و 304 بوده اما کربن آنها با افزودن تیتانیم یا نئوبیم پایدار گردیده است تا بعد از جوشکاری پدیده حساسیت و خوردگی کنار درز جوش به وجود نیاید.

کلاس B:

در این گروه تنها دو آلیاژ 305 و 348 قرار دارندکه درصد نیکل آنها نسبتاً زیاد (12 و 15%) می باشد و از نظر مقاومت به خوردگی، بالاتر از کلاس A هستند. آلیاژ های این کلاس برای انجام کارسرد زیاد مانند کشش های فوق عمیق بکار می روند.

کلاس C:

دراین گروه آلیاژ های302B، 308، 309، 309S، 310، 310S، 314 قرار دارند.

آلیاژ های 302B با افزایش 2.5% سیلیسیم به آلیاژ 8-18 به وجود آمده است. این آلیاژ دز مقابل اکسیداسیون در دمای بالا مقاوم می باشد.

آلیاژ 314 با افزایش کروم و نیکل آلیاژ 8-18 به وجود آمده است تا مقاومت خوردگی بالاتری به وجود آید. همچنین با افزودن مقداری سیلیسیم مقاومت به خوردگی آن مخصوصاً در مقابل اسید سولفوریک افزایش یافته است و به همین دلیل دارای مقاومت زیاد در مقابل دمای بالا نیز هستند.

کلاس D:

در این گروه آلیاژ های 316، 316L، 316F، 316N، 317، 317L قرار دارند. خواص کلی مقاومت به خوردگی این آلیاژ ها مانند آلیاژ 310 می باشد. اما به دلیل دارا بودن مولیبدن مقاومت آنها به خوردگی حفره ای، مخصوصاً در محیط های احیا کننده و محیط های حاوی یون کلرید بیشتر از کلاس های دیگر است.

منابع:

1-ف. کاویانی نژاد، فولاد های زنگ نزن و مقاوم به حرارت (1386)؛ فولاد های زنگ نزن و ویژگی های آنها، صفحه 21-64.

2-https://www.assda.asn.au/stainless-steel/types-of-stainless-steel

آلیاژ های سری 3XX