فولادهای زنگ نزن آستنیتی پرکاربردترین نوع فولاد ضد زنگ هستند. آنها حاوی سطوح بسیار کم کربن و مقادیر بالایی از نیکل و کروم هستند که عوامل اصلی شکل پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش آنها هستند. آنها همچنین در حالت بازپخت خود غیر مغناطیسی هستند، اما در هنگام کار سرد می توانند کمی مغناطیسی شوند.
فولادهای زنگ نزن آستنیتی در سری 200 و 300 در سیستم گرید AISI/SAE دسته بندی می شوند که بین 2 تا 20 درصد نیکل و بین 16 تا 30 درصد کروم دارند.
سری 300 فولادهای زنگ نزن آستنیتی آلیاژهای کروم نیکل با حداقل 8 درصد نیکل هستند که حداقل مقدار لازم برای تبدیل تمام فریت به آستنیت در فولاد ضد زنگ کروم 18 درصد است.
سری 200 در دهه 1940 به عنوان یک جایگزین اقتصادی برای سری 300 توسعه یافت. این برای استفاده از نیتروژن علاوه بر مقدار کمتر نیکل در زمانی که نیکل بسیار گرانتر و کمیاب بود، ساخته شد.
فولاد ضد زنگ 304 رایج ترین و پرکاربردترین فولاد ضد زنگ آستنیتی مبتنی بر نیکل است. گرید 304 معمولاً از حدود 8 درصد نیکل و 18 درصد کروم تشکیل شده است.
فولاد ضد زنگ 316 یکی دیگر از گریدهای رایج است که دارای 2% مولیبدن اضافی است که منجر به مقاومت در برابر خوردگی بالاتر می شود.
در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:
- خواص فولاد زنگ نزن آستنیتی
- تولید و فرآوری فولاد زنگ نزن آستنیتی
- کاربردهای فولاد زنگ نزن آستنیتی
- نمرات و استانداردهای فولاد زنگ نزن آستنیتی
- روندهای آینده فولاد زنگ نزن آستنیتی
خواص فولاد زنگ نزن آستنیتی
فولادهای زنگ نزن آستنیتی با ساختار کریستالی مکعبی محور (FCC) خود مشخص می شوند که زمانی حاصل می شود که مقدار کافی از عناصر آستنیته مانند نیکل، منگنز، کربن و نیتروژن به آلیاژ آهن و کروم اضافه شود.
فولادهای زنگ نزن آستنیتی را می توان بسیار نرم با مقاومت تسلیم حدود 200 مگاپاسکال تولید کرد و می توان آنها را با کار سرد تقویت کرد که می تواند استحکام تسلیم را تا 10 برابر افزایش دهد. برخلاف آلیاژهای فریتی، آنها می توانند شکل پذیری خود را در دماهای برودتی و استحکام خود را در دماهای بالا حفظ کنند. مقاومت در برابر خوردگی آنها می تواند از استفاده معمولی روزمره تا استفاده بسیار مشخص مانند در جوشاندن آب دریا متغیر باشد. فولادهای آستنیتی علیرغم برتری آنها در بین فولادهای زنگ نزن، مقاومت کمتری در برابر اکسیداسیون حلقوی نسبت به آلیاژهای فریتی دارند و همچنین در برابر خوردگی تنشی حساس هستند. حد استقامت فولادهای آستنیتی نسبت به فولادهای فریتی (~50 تا 60 درصد استحکام کششی آنها) کمتر است (~30٪ استحکام کششی آنها) به این معنی که آنها بیشتر در معرض شکست خستگی هستند. [1].
علاوه بر این، فولادهای زنگ نزن آستنیتی، با افزودن نیکل، برای دمای پایین یا کاربردهای برودتی مناسب هستند. عناصر دیگری مانند سیلیکون، آلومینیوم و نیوبیم ممکن است به فولاد اضافه شود تا خواص خاصی مانند مقاومت در برابر سوراخ شدن هالید یا اکسیداسیون به فولاد بدهد. گوگرد یا سلنیوم را می توان به گریدهای خاص فولاد اضافه کرد تا قابلیت ماشینکاری آنها را بهبود بخشد [2].
جدول زیر خواص انتخاب شده (در حالت آنیل) برخی از گریدهای رایج فولادهای زنگ نزن آستنیتی را نشان می دهد.
میز 1. خواص گریدهای منتخب فولاد آستنیتی
| AISI 201 آنیل شده | AISI 205 آنیل شده | AISI 301L آنیل شده | AISI 303 آنیل شده | AISI 304L آنیل شده | AISI 316 آنیل شده | |
|
ترکیب بندی |
Fe 67.5 – 75٪ | Fe 62.6 – 68.1 % | Fe 70.7 – 78 % | Fe 66.4 – 74.9 % | Fe 64.8 – 74.5 % | Fe 62 – 72 % |
| Cr 16 – 18٪ | Cr 16.5 – 18.5٪ | Cr 16 – 18٪ | Cr 17 – 19٪ | Cr 17.5 – 20٪ | Cr 16 – 18.5٪ | |
| منگنز 5.5 – 7.5 % | Mn 14 – 15.5٪ | Ni 6 – 8٪ | Ni 8 – 10 % | Ni 8 – 12٪ | نیکل 10 – 14 درصد | |
| نیکل 3.5 – 5.5٪ | Ni 1 – 1.7٪ | S 0 – 0.03٪ | S 0.15 – 0.35٪ | S 0 – 0.03٪ | ماه 2 – 3٪ | |
| S 0 – 0.03٪ | N 0.32 – 0.4٪ | Si 0 – 1٪ | Si 0 – 1٪ | Si 0 – 1٪ | C 0 – 0.08٪ | |
| مدول الاستیک | 200 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 220 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 220 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 200 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 200 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 200 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد |
| قدرت تسلیم | 310 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 460 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 250 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 240 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 200 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 240 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد |
| ازدیاد طول | 46 درصد در 20 درجه سانتیگراد | 46 درصد در 20 درجه سانتیگراد | 52 درصد در 20 درجه سانتی گراد | 52 درصد در 20 درجه سانتی گراد | 42 درصد در 20 درجه سانتیگراد | 42 درصد در 20 درجه سانتیگراد |
| استحکام کششی | 660 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 810 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 630 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 600 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 550 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 580 مگاپاسکال در 20 درجه سانتیگراد |
| رسانایی الکتریکی | 1.45E+7 S/m در 20 درجه سانتیگراد | – | – | 1.39E+7 S/m در 20 درجه سانتیگراد | 7.54E+7 S/m در 20 درجه سانتیگراد | 7.54E+7 S/m در 20 درجه سانتیگراد |
| ضریب انبساط حرارتی | 1.3E-5 1/K در 20 درجه سانتی گراد | 1.4E-5 1/K در 20 درجه سانتیگراد | 1.2E-5 1/K در 20 درجه سانتیگراد | 1.7E-5 1/K در 20 درجه سانتیگراد | 1.7E-5 1/K در 20 درجه سانتیگراد | 1.6E-5 1/K در 20 درجه سانتیگراد |
| رسانایی گرمایی | 15 W/(m·K) در 20 درجه سانتی گراد | 11 – 21 W/(m·K) در 20 درجه سانتیگراد | 11 – 21 W/(m·K) در 20 درجه سانتیگراد | 16 W/(m·K) در 20 درجه سانتی گراد | 16 W/(m·K) در 20 درجه سانتی گراد | 15 W/(m·K) در 20 درجه سانتی گراد |
| نقطه ذوب | 1375 – 1450 درجه سانتی گراد | 1375 – 1450 درجه سانتی گراد | 1375 – 1450 درجه سانتی گراد | 1400 درجه سانتی گراد | 1400 درجه سانتی گراد | 1380 درجه سانتی گراد |
| ظرفیت حرارتی خاص | 500 J/(kg·K) در 20 درجه سانتیگراد | 460 J/(kg·K) در 20 درجه سانتیگراد | 450 J/(kg·K) در 20 درجه سانتی گراد | 500 J/(kg·K) در 20 درجه سانتیگراد | 500 J/(kg·K) در 20 درجه سانتیگراد | 490 J/(kg·K) در 20 درجه سانتی گراد |
تولید و فرآوری فولاد زنگ نزن آستنیتی
تولید فولاد زنگ نزن آستنیتی تا حد زیادی مشابه فرآیند تولید انواع دیگر فولاد ضد زنگ است. تفاوت اصلی در نسبت فلزات مخلوط شده در مذاب و عملیات حرارتی مورد استفاده برای رسیدن به آستنیت در فولاد است. فرآیند ساخت فولاد زنگ نزن آستنیتی را می توان به شکل زیر خلاصه کرد.
- مواد اولیه (آهن، کروم، نیکل و غیره) در یک کوره الکتریکی به نسبت خاصی که برای نوع مورد نظر فولاد زنگ نزن آستنیتی لازم است ذوب می شود. دمای مذاب معمولاً به 1400 تا 1500 درجه سانتیگراد می رسد و تا 12 ساعت در آن دما باقی می ماند.
- هنگامی که ذوب و اختلاط کامل شد، فولاد مذاب بسته به محصول نهایی مورد نظر به اشکالی مانند بلوم، بیلت، اسلب، میله و غیره ریخته می شود.
- سپس فولاد تحت یک عملیات شکل‌دهی نورد گرم قرار می‌گیرد که در آن فولاد تا دمای 1100 درجه سانتیگراد (بالاتر از دمای تبلور مجدد آن) گرم می‌شود تا نرم و انعطاف‌پذیر شود و از میان غلتک‌ها عبور کند که آن را به میله‌ها، ورق‌ها، سیم‌ها یا صفحات فولادی تبدیل می‌کند.
- مرحله بعدی عملیات حرارتی یا آنیل است. این فرآیند گرمایش و سرمایش دقیق برای کاهش تنش‌های داخلی فلز و حفظ ریزساختار خاصی است که دارای خواص مطلوب است. دمایی که فولاد در آن گرم می شود، مدت زمانی که در آن دما می ماند و سرعت و نحوه خنک شدن آن برای خواص فولاد بسیار مهم هستند.
- پس از بازپخت، دیگر فرآیندهای پس از تولید مانند رسوب زدایی، برش و تکمیل را می توان انجام داد. رسوب زدایی برای از بین بردن پوسته هایی که در طول عملیات حرارتی روی فولاد ضد زنگ ایجاد می شود مورد نیاز است و می توان آن را با ترشی کردن با حمام اسید نیتریک-هیدروفلوریک یا از طریق تمیز کردن الکتریکی انجام داد.
فولادهای زنگ نزن آستنیتی را نمی توان از طریق عملیات حرارتی سخت کرد (اگرچه می توان این امر را با افزودن عناصری مانند تیتانیوم و مس به فولاد کاهش داد تا در دماهای بالا کاربرد بیشتری داشته باشد). در عوض، فولاد زنگ نزن آستنیتی معمولاً از طریق سخت کاری سخت می شود. این تقویت فلز با تغییر شکل پلاستیک است.
کاربردهای فولاد زنگ نزن آستنیتی
جدا از مقاومت در برابر خوردگی که یکی از ویژگی های برجسته فولادهای زنگ نزن آستنیتی است، خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی نیز مهم است. ماهیت الزامات اعمال شده بر روی فولادها، اعم از حداکثر بار، صلبیت، کرنش، تنش تسلیم و غیره باید به دقت و به طور کامل مورد مطالعه قرار گیرد.
تحلیل ریزساختاری فولاد باید با توجه به کاربردهای خاص آن درک شود. آگاهی از مکانیسم‌های شکست، هسته‌زایی، انتشار میکرو و ماکرو ترک در شرایط خستگی چرخه کم، به‌ویژه برای سیستم‌های پرخطر مانند کاربردهای هسته ای [3].
با توجه به ماهیت بسیار قابل تنظیم فولادهای زنگ نزن آستنیتی، برای طیف وسیعی از کاربردها، از بخش پزشکی به صنعت خودرو. در زیر برخی از گریدهای رایج فولاد آستنیتی با کاربردهای معمولی مربوط به آنها آورده شده است.
جدول 2. کاربردهای معمولی فولادهای زنگ نزن آستنیتی [4].
| فولاد ضد زنگ آستنیتی | کاربرد |
| 304 و 304 لیتر (نمره استاندارد) | مخازن، مخازن ذخیره سازی و لوله های مایعات خورنده
تجهیزات معدنی، شیمیایی، برودتی و دارویی وسایل آشپزخانه و کارد و چنگال معماری |
| 309 (گریدهای کروم و نیکل بالا) | اجزای کوره، کوره و مبدل کاتالیزوری |
| 310 (گریدهای کروم و نیکل بالا) | |
| 316 لیتر (درجه مولیبدن بالا) | مخازن نگهداری مواد شیمیایی، مخازن تحت فشار و لوله کشی |
| 318 (درجه مولیبدن بالا) | |
| 316 Ti (نمرات تثبیت شده) | پس سوز
سوپرهیترها جبران کننده ها دم انبساط |
| 321 (نمرات تثبیت شده) | |
| سری 200 (گریدهای نیکل کم) | ماشین ظرفشویی و ماشین لباسشویی
کارد و چنگال و وسایل آشپزی مخازن آب داخلی معماری داخلی و غیر سازه ای تجهیزات مواد غذایی و آشامیدنی |
نمرات و استانداردهای فولاد زنگ نزن آستنیتی
نمودار زیر درجات مختلف فولادهای زنگ نزن آستنیتی را نشان می دهد.
شکل 1. نمرات ضد زنگ آستنیتی [1].
روندهای آینده فولاد زنگ نزن آستنیتی
تقاضا برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی با دمای بالا به طور مداوم در حال رشد است و انتظار می رود اندازه بازار تا سال 2025 با سرعت قابل توجهی افزایش یابد. ترکیبی از خواص آن را به ویژه برای طیف گسترده ای از کاربردها در بخش هایی مانند خودرو، نفت، مواد شیمیایی مناسب می کند. ، هوافضا و انرژی [5].
پیش بینی می شود که بخش عمده ای از این رشد مربوط به صنعت خودرو باشد که در آن استفاده رو به رشدی از فولاد زنگ نزن آستنیتی برای برآوردن نیازهای تولید، وزن و استحکام وجود دارد. به طور معمول، فولاد آستنیتی در صنعت خودروسازی برای تولید قاب‌ها، پانل‌های کف باربر، آرماتورها، پانل‌های بدنه، مخازن سوخت، چرخ‌ها، بازوهای تعلیق، شفت‌های دنده و میل پروانه استفاده می‌شود. انتظار می رود این روند در سال های منتهی به 2025 ادامه یابد. افزایش استفاده و تولید ماشین های برقی در تلاش برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای مبتنی بر کربن نیز به افزایش تقاضا برای فولاد زنگ نزن آستنیتی کمک می کند. [6].
آسیا بزرگترین مصرف کننده فولادهای زنگ نزن آستنیتی است و کشورهایی مانند چین، کره جنوبی و هند بازیگران اصلی آن هستند. پیش بینی می شود که آمریکای شمالی به دلیل رشد صنایع هوانوردی و خودروسازی، بازار بیشتری برای فولاد زنگ نزن آستنیتی داشته باشد. [6].
[1] MF McGuire، “فولاد ضد زنگ آستنیتی”، در فولادهای زنگ نزن برای مهندسین طراح، ASM International، 2008، صفحات 69-78. [Online]. در دسترس: https://www.asminternational.org/documents/10192/3473958/05231G_Sample.pdf/7c5e4830-b443-4c71-a8c8-1a85c5b39dc5 [Accessed May 27, 2020].
[2] S. Chaudhuri. “عملیات حرارتی فولادهای زنگ نزن” آزمایشگاه ملی متالورژی جمشدپور. 11-13 اردیبهشت 94 [Online]. در دسترس: http://eprints.nmlindia.org/5764/1/H1-H12.PDF [Accessed 9 May 2020].
[3] Z. Brytan، W. Borek و T. Tański. “فصل مقدماتی: چرا فولادهای زنگ نزن آستنیتی به طور مداوم برای علم جالب هستند.” Intechopen، 20 دسامبر 2017 [Online]. در دسترس: https://www.intechopen.com/books/austenitic-stainless-steels-new-aspects/introductory-chapter-why-austenitic-stainless-steels-are-continuously-interesting-for-science- [Accessed 9 May 2020].
[4] ب. ترنس. “ویژگی های فولاد زنگ نزن آستنیتی.” ThoughtCo، 10 مارس 2020، [Online]. در دسترس: thinkco.com/پروفایل-فلزی-آستنیتی-زنگ-2340126. [Accessed 9 May 2020].
[5] A. بیشتر، “بازار فولاد ضد زنگ آستنیتی با دمای بالا، اندازه صنعت جهانی 2020، سهم، رشد کسب و کار، درآمد، روند، نفوذ تقاضای بازار جهانی و پیش بینی تا سال 2025.” اخبار KAKE، 9 آوریل 2020. [Online]. در دسترس:، https://www.kake.com/story/41990208/high-temperature-austenitic-stainless-steel-market-2020-global-industry-size-share-business-growth-revenue-trends-global-market-demand- نفوذ. [Accessed May 27, 2020].
[6] A. بیشتر، “بازار فولاد ضد زنگ آستنیتی – تجزیه و تحلیل صنعت جهانی، اندازه، سهم، رشد، روندها، و پیش بینی، 2019 – 2027.” تحقیقات بازار شفافیت، 2020. [Online]. در دسترس:، https://www.transparencymarketresearch.com/austenitic-stainless-steel-market.html [Accessed May 27, 2020]