فولادهای ضد زنگ دوبلکس ترکیبی از دو فاز فریت و آستنیت تقریباً مساوی دارند. این به آنها امکان می دهد از مزایای فولادهای زنگ نزن آستنیتی و فریتی بهره مند شوند که منجر به افزایش استحکام، بهبود جوش پذیری، چقرمگی بالاتر و مقاومت در برابر چندین نوع خوردگی می شود. از نظر تجاری، آنها همچنین ارزان تر از فولادهای زنگ نزن آستنیتی هستند زیرا محتوای نیکل کمتری دارند.

فولاد ضد زنگ دوبلکس در سال 1930 در سوئد توسعه یافت، اما تولید تجاری به دلیل فرآیند بسیار پیچیده تولید آن تا دهه 1970 آغاز نشد. پس از پیشرفت‌های چشمگیر در تکنیک‌های فولادسازی که تولید آن را آسان‌تر کرده است، فولاد در دوران مدرن ظهور مجددی داشته است. با این حال، آنها هنوز یک گروه نسبتاً کم استفاده از فولادهای زنگ نزن هستند که به دلیل محدودیت های کاربرد آنها، تنها بین 1 تا 3 درصد در جهان استفاده می شود.

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• خواص فولاد ضد زنگ دوبلکس
• نمرات و استانداردهای فولاد ضد زنگ دوبلکس
• کاربردهای فولاد ضد زنگ دوبلکس
• روندهای آینده فولاد ضد زنگ دوبلکس

شکل 1. فولاد ضد زنگ دوبلکس مورد استفاده در ساخت پل.

خواص فولاد ضد زنگ دوبلکس

ریزساختار فولادهای زنگ نزن دوبلکس دارای ساختارهای کریستالوگرافی تقریباً 50٪ فریت (یک ساختار مکعبی متمرکز بر بدن) و 50٪ آستنیت (ساختار مکعبی محور) است. هر دوی این فازها بر خلاف آلیاژهای دو فازی که در آن یکی از دو فاز به صورت رسوب ظاهر می شود، به صورت یک مخلوط پایدار با هم وجود دارند. عناصر آلیاژی در فولادهای زنگ نزن دوبلکس یا فریت کننده (به عنوان مثال کروم، سیلیکون، مولیبدن) یا آستنیته کننده (به عنوان مثال کربن، نیکل، نیتروژن) هستند، به این معنی که آنها به ترتیب به شکل گیری فازهای فریتی و آستنیتی کمک می کنند.

در دماهای بالا، فاز فریت نسبتاً ناپایدار در فولادهای دوبلکس به فاز نامطلوب α’ (آلفا اول) تبدیل می شود که باعث کاهش خواص مکانیکی آنها مانند استحکام و چقرمگی و همچنین مقاومت در برابر خوردگی آنها می شود. این پدیده نامیده می شود شکنندگی [1]. بدترین دمایی که در آن شکنندگی رخ می دهد، دمای 475 است oج با این حال، تولید فاز اول آلفا ممکن است در دماهای پایین 300 شروع شود oC، و این حداکثر دمای سرویس فولادهای دوبلکس را محدود می کند.

فولادهای زنگ نزن دوبلکس معمولی استحکام تسلیم بالاتری نسبت به گریدهای معمولی مارتنزیتی، آستنیتی و فریتی نشان می دهند. با این حال، به دلیل بارش فازهای بین فلزی که شروع به وقوع در بالای 300 می کند، دامنه باریکی از دمای کاری دارند. oC و شروع شکنندگی با نزدیک شدن به دمای برودتی [2]. جدول زیر خواص منتخب برخی از گریدهای رایج فولادهای زنگ نزن دوبلکس را نشان می دهد.

میز 1. ویژگی های منتخب فولاد دوبلکس عملیات حرارتی شده (همه مقادیر گرفته شده است در 20 درجه سانتیگراد).

نمرات و استانداردهای فولاد ضد زنگ دوبلکس

در مراحل اولیه توسعه فولادهای ضد زنگ دوبلکس، تنها چند درجه وجود داشت که محبوب ترین آنها در میان آنها بود. فولاد ضد زنگ دوبلکس UNS S31803. پس از آن، توسعه نمرات جدید آغاز شد و آنها با کاربرد نهایی آنها تعیین شدند که می توان آنها را به دو نوع اصلی طبقه بندی کرد:

• فولادهای ضد زنگ هایپر دوبلکس و فوق دوبلکس، که برای عملکرد در محیط های بسیار خورنده اما با تمرکز کمتر بر روی استحکام خود ساخته شده اند
• فولادهای ضد زنگ دوبلکس ناب و استاندارد، که تمرکز بیشتری بر افزایش استحکام داشتند و قرار بود در محیط های با خورندگی خفیف مانند کاربردهای سازه ای استفاده شوند.

این دسته‌ها اکنون با عدد معادل مقاومت حفره‌ای (PREN) شناسایی می‌شوند که با فرمولی بر اساس ترکیب فولادهای ضد زنگ دوبلکس

`PREN = % Cr + 3.3 بار % Mo + 16 بار % N`

جدول زیر چهار زیر گروه را نشان می دهد.

جدول 2. زیر گروه های فولاد ضد زنگ دوبلکس [3]

تایپ کنید	نمرات نمونه	ترکیب بندی				PREN
		% Cr	Ni%	ماه%	N%
لاغر	S31500, S32304, S32404	20-24	1-5	0.1-0.3	0.1-0.22	24-25
استاندارد	S31803, S32205	21-23	4.5-6	2.5-3.5	0.1-0.22	33-35
فوق العادهدوبلکس	S32520, S32550, S32750	24-29	4.5-8	2.7-4.5	0.1-0.35	> 40
هایپر دوبلکس	S32707, S33207	27	6.5	5	0.4	49

کاربردهای فولاد ضد زنگ دوبلکس

با توجه به محدودیت های فولادهای زنگ نزن دوبلکس مانند شکل پذیری و ماشین کاری ضعیف، علاوه بر فرآیند متالورژیکی بسیار پیچیده تولید آنها در مقایسه با فولادهای زنگ نزن فریتی، آستنیتی و مارتنزیتی، فولادهای دوبلکس بیشتر برای کاربردهای طاقچه ای استفاده می شوند.

کاربردهای فولادهای زنگ نزن دوبلکس محدودیت ها و مزایای آنها را در نظر می گیرد، اما کاربردهای عمده آن به مقاومت در برابر خوردگی مانند مقاومت در برابر خوردگی حفره ای و شکافی، مقاومت در برابر خوردگی تنشی، خوردگی خستگی، خوردگی سایشی یا مقاومت در برابر محیط های خورنده که اسیدی یا سوزاننده هستند نیاز دارند. برخی از کاربردهای صنعتی رایج در زیر بیان شده است [4].

تولید کاغذ

فولادهای زنگ نزن دوبلکس به فولادهای زنگ نزن آستنیتی و فریتی برای ساخت ظروف حاوی سفید کننده و سایر مایعات خورنده در پردازش کاغذ ترجیح داده می شوند.

نمک زدایی

نمک زدایی آب دریا، فرآیندی که کلر بسیار خورنده را در محیطی با دمای بالا ارائه می کند، یک آزمایش قوی برای مواد مقاوم در برابر خوردگی است. فولادهای ضد زنگ دوبلکس به ماده انتخابی برای ساخت اواپراتور تبدیل شده اند. همچنین به دلیل استحکام و مقاومت در برابر خوردگی بالاتر فولادهای زنگ نزن دوبلکس، می توان آنها را با مقاطع نازکتر ساخت.

نفت و گاز

توسعه فولادهای زنگ نزن دوبلکس با اعداد PRE بالای 40 امکان ساخت قطعاتی مانند پمپ ها، لوله کشی ها و منیفولدهایی را فراهم کرده است که به مقاومت بالایی در برابر خوردگی حفره ای و شکافی نیاز دارند که در صنعت نفت و گاز بسیار مهم هستند.

ساخت و ساز

فولادهای ضد زنگ دوبلکس در ساخت اعضای باربر که به مقاومت در برابر خوردگی نیز نیاز دارند استفاده می شود. کاربردهای معمولی شامل ساخت پل ها بر روی آب دریا یا سازه هایی است که در مجاورت دریا قرار دارند.

انبار غذا و نوشیدنی

فولادهای دوبلکس بدون چربی در نگهداری تجاری مواد غذایی و نوشیدنی ها در طول فرآوری به دلیل هزینه نسبتاً پایین آنها و در عین حال حفظ مقاومت در برابر خوردگی و استحکام عالی، نویدبخش است.

شکل 2. پل های دریایی در ارتفاعات کم به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی عموما از فولاد ضد زنگ دوبلکس ساخته می شوند.

روندهای آینده فولاد ضد زنگ دوبلکس

گریدهای جدید فولادهای ضد زنگ دوبلکس هنوز در حال توسعه هستند. محرک اصلی این تلاش افزایش بیشتر مقاومت در برابر خوردگی حفره ای است و این امر عمدتاً با افزایش عناصر آلیاژی کلیدی مانند کروم، مولیبدن و نیتروژن حاصل می شود. مزایای این عناصر آلیاژی افزایش یافته نیز با معایبی همراه است، به طور عمده بی ثباتی فاز فریت، که منجر به رسوبات ناخواسته می شود. چالش ایجاد تعادل بین خواص مطلوب است که عمدتاً با افزایش مقاومت در برابر خوردگی حفره ای منجر می شود و در عین حال تولید فازهای بین فلزی نامطلوب مانند کروم را محدود می کند.2N با عملیات حرارتی بسیار دقیق. یک گرید فولادی دوبلکس، SAF 2707 HD، یک 27Cr-7Ni-5Mo-0.4N با عدد PRE تقریبا 50 ساخته شده است که برای آینده فولادهای دوبلکس به طور کلی امیدوارکننده است. [5].

[1] Tahchieva، AB، Llorca-Isern، N.، & Cabrera، JM (2019). فولادهای ضد زنگ دوبلکس و سوپردوپلکس: ریزساختار و تکامل خواص با فرآیندهای اصلاح سطح فلزات، 9(3)، 347.

[2] https://www.worldstainless.org/Files/issf/non-image-files/PDF/ISSF_Duplex_Stainless_Steels.pdf

[3] دکتر سونیل د.کهار. بین المللی مجله تحقیقات و کاربرد مهندسی www.ijera.com. ISSN : 2248-9622, Vol. 7، شماره 4، (قسمت -4) آوریل 2017، pp.27-36

[4] انجمن بین المللی مولیبدن (2009). دستورالعمل های عملی برای ساخت فولادهای ضد زنگ دوبلکس. لندن، انگلستان، 1-64.

[5] Nilsson, JO, Chai, G., & Kivisäkk, U. (2007). توسعه اخیر فولادهای ضد زنگ دوبلکس. CEDINOX-Stainless Steel. سوئد: مرکز تحقیق و توسعه، فناوری مواد ساندویک. بازیابی شده از http://www.cedinox.es/opencms901/export/sites/cedinox/.galleries/publicaciones-tecnicas/13-DUPLEX-SSSM_proceedings08_EN-5.pdf