فولاد زنگ‌نزن

یک ساختمان که با فولاد زنگ‌نزن ساخته شده‌است.

فولاد و سایر فازهای آلیاژی آهن-کربن
دگرشکلی‌های آهن آستنیت سمنتیت گرافیت مارتنزیت
ریزساختار
فولاد کربنی پرلیت بینیت لدبوریت برگشت دادن Widmanstatten structures
رده ها و کلاسهای مختلف
Crucible steel فولاد کربنی فولاد فنر فولاد آلیاژی فولاد مارایجینگ فولاد زنگ‌نزن Weathering steel فولاد ابزاری
سایر مواد پایه-آهنی
چدن آهن خاکستری چدن چدن نشکن چدن مالیبل گل‌نرده

در متالوژی، فولاد زنگ‌نزن یا فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل (به انگلیسی: Stainless Steel)، که Inox نیز خوانده می‌شود، آلیاژی از فولاد می‌باشد، که اصلی‌ترین عناصر تشکیل دهنده آن آهن، کروم و نیکل است که حداقل درصد جرمی کروم در آن ۱۰٫۵ درصد و حداکثر درصد جرمی کربن آن ۱٫۲ درصد می‌باشد.

فولادهای زنگ‌نزن به دلیل خاصیت غیرفعال شدن خود می‌توانند مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی از خود نشان دهند. این فولادها به دلیل شکل گرفتن یک لایه غیرفعال بر روی سطح‌شان که به شدت به ماده زیرین پیوند خورده‌است و از تماس بیشتر ماده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند چنین خاصیتی دارند. برای اینکه این پدیده غیرفعال سازی به‌طور پایدار در فولاد اتفاق بیفتد نیاز است که حداقل ۱۰٫۵ درصد از ماده را کروم تشکیل دهد. با داشتن چنین سطحی از کروم حتی اگر خراشی بر روی سطح فولاد ایجاد شود و این لایه از بین برود فولاد می‌تواند خودش را ترمیم کند و اگر گرید به درستی برای محیط کاری انتخاب شده باشد این لایه غیرفعال دوباره شکل می‌گیرد. در غیر اینصورت شکست غیرفعالی رخ می‌دهد و فولاد زنگ‌نزن، زنگ زده و خورده می‌شود.

فولادهای زنگ‌نزن به خاطر مقاومت در برابر خوردگی خود بسیار مورد توجه هستند که این خاصیت با افزایش میزان کروم افزایش می‌یابد. افزودن عنصر مولیبدن باعث افزایش مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ‌نزن در مقابل اسیدهای کاهنده و در برابر خوردگی در محلول‌های کلرایدی می‌شود. به همین دلیل، انواع مختلفی از فولاد زنگ‌نزن با میزان مختلف کروم و مولیبدن برای مطابقت با محیطی که آلیاژ باید تحمل کند وجود دارد. مقاومت فولاد زنگ‌نزن به خوردگی و زنگ زدگی، نیاز به نگهداری کم و درخشش بالا، آن را تبدیل به یک ماده ایدئال برای بسیاری از کاربردها که در آن هم نیاز به استحکام بالا و هم نیاز به مقاومت به خوردگی بالا است کرده‌است.

فولاد زنگ‌نزن به شکل ورق، صفحه، میله، سیم و لوله ساخته می‌شود تا در :وسایل آشپزی، کارد و چنگال، دستگاه‌های جراحی، لوازم خانگی بزرگ؛ مصالح ساختمانی در ساختمان‌های بزرگ، تجهیزات صنعتی (برای مثال در کارخانجات کاغذ، کارخانه‌های شیمیایی، تصفیه آب)؛ و مخازن ذخیره‌سازی آب و مخازن برای مواد شیمیایی و محصولات غذایی (به عنوان مثال، تانکرهای شیمیایی و تانکرهای کامیونی) استفاده گردد.

مقاومت در برابر خوردگی، راحتی تمیز و استریل نمودن با بخار و عدم نیاز به پوشش دادن سطحی، استفاده از فولاد زنگ‌نزن را در آشپزخانه‌های تجاری و صنعتی متداول کرده‌است.

تاریخچه

پیر بارتبه مهندس فرانسوی در سال ۱۸۲۱، مشاهده کرد که با افزایش مقدار مشخصی کروم به آهن، سفتی و مقاومت به خوردگی اسیدی آن بسیار افزایش می‌یابد. در ۱۹۰۹، لئون گویله و آلبرت پورتوین به‌طور مستقل در فرانسه ریزساختار آلیاژهای Fe-Cr و Fe-Cr-Ni را بررسی کردند. در ۱۹۱۳ هری بریرلی متالوژیست انگلیسی برای اولین بار، با صنعتی سازی فولاد مارتنزیتی، این کشف را تجاری سازی کرد.

مقاومت به خوردگی

فولادهای زنگ‌نزن (ردیف پایین) تحمل بیشتری در مقابل خوردگی نسبت به آلیاژهای مس-نیکل (ردیف وسط) و آلیاژهای آلومینیوم-برنز (ردیف بالا) در آب-نمک از خود نشان می‌دهند.

فولاد زنگ‌نزن برخلاف فولاد کربنی وقتی که در معرض محیط‌های مرطوب قرار می‌گیرد دچار خوردگی یکنواخت نمی‌شود. فولادهای کربنی محافظت نشده در هنگام ترکیب با هوا و رطوبت به راحتی زنگ می‌زنند. لایه اکسید آهن سطحی (زنگ) متخلخل و شکننده است. از آنجایی که اکسید آهن حجم بزرگتری نسبت به فولاد اصلی را اشغال می‌کند، این لایه گسترش می‌یابد و تمایل به لایه برداری دارد و باعث حمله بیشتر به لایه‌های زیرین فولاد می‌شود. در عوض، فولادهای زنگ‌نزن حاوی کروم کافی برای غیرفعال شدن هستند. این پدیده در صورت قرار گرفتن در معرض اکسیژن موجود در هوا یا آب خود به خود اتفاق می‌افتد و باعث ایجاد یک لایه اکسیدکروم خنثی نازک روی سطح می‌شود. این لایه نازک غیرفعال با مسدود کردن مسیر اکسیژن به سطح فولاد از خوردگی آن جلوگیری می‌کند و باعث می‌شود که خوردگی به قسمت داخلی فلز نرسد. این لایه نازک در صورت خراشیده شدن یا از بین رفتن به دلیل قرار گرفتن در شرایط شدیدتر از میزان حد تحمل خوردگی به‌طور موقتی، خود را تعمیر می‌کند.

مقاومت این لایه به خوردگی بستگی به ترکیب شیمیایی فولاد زنگ‌نزن، به ویژه درصد کروم دارد.

خوردگی فولاد زنگ‌نزن می‌تواند زمانی رخ دهد که درجه یا گرید آن برای محیط کاری مناسب نباشد.

معمولاً بین ۴ نوع خوردگی تفاوت در نظر می‌گیرند: یکنواخت، ناحیه ای، گالوانیک و SCC (ترک خوردگی ناشی از تنش).

خوردگی یکنواخت

این خوردگی فقط در فولادهای زنگ نزن درحالت فعال رخ می‌دهد. به عبارتی زمانی‌که روی فولاد لایه اکسید غیرفعال وجود نداشته باشد. داده‌های مربوط به خوردگی یکنواخت در جداولی گردآوری می‌شود که واکنش فولادهای زنگ‌نزن را در محیط‌های اسیدی مختلف جمع‌آوری می‌کند. از جداول خوردگی برای انتخاب صحیح گریدهای فولادهای زنگ‌نزن می‌توان استفاده کرد.

خوردگی ناحیه‌ای

چهار نوع خوردگی ناحیه‌ای برای فولادهای زنگ‌نزن در نظر می‌گیرند:

• 

  خوردگی حفره ای بر روی قسمتی از یک پل آهنی
  حفره‌حفره شدن(Pitting)
• 

  خوردگی شیاری در فولاد ۳۱۶
  خوردگی شکاف‌ها (Crevice Corrosion)
• 

  نمایش میکروسکوپی یک برش پرداخت و صیقل شدهٔ فولاد که مورد حملهٔ خوردگی بین‌دانه‌ای قرار گرفته‌است.
  خوردگی بین‌دانه‌ای(Intergranular Corrosion)
• ترک برداشتن ناشی از تنش و خوردگی (Stress corrosion cracking)

حفره‌حفره شدن(Pitting)

این نوع خوردگی فقط در نواحی کوچکی از فولاد رخ می‌دهد و باقی سطوح توسط لایه غیرفعال محافظت می‌شود. در بعضی نواحی لایه غیرفعال ممکن است از بین برود و اگر این لایه خودش را ترمیم نکند خوردگی رخ می‌دهد و ممکن است به یک سوراخ کامل ختم شود.

برای مرتبط کردن ترکیب شیمیایی فولادها به مقاومت به خوردگی حفره ای آن‌ها در محلول‌های حاوی کلراید، از رابطه ای تجربی به نام عدد PREN که مخفف عبارت Pitting Resistance Equivalent Number می‌باشد استفاده می‌گردد. این عدد برای فولادهای آستنیتی و دوپلکس به این صورت تعریف می‌شود: PREN= Cr+3.3(Mo+0.5W) +16N که در آن Cr بیانگر کروم، Mo مولیبدن، W تنگستن و N نیتروژن بر حسب درصد جرمی می‌باشد.

خوردگی شکاف‌ها (Crevice Corrosion)

این نوع خوردگی همان‌طور که از اسمش پیداست درون شکاف‌ها یا فضاهای بسته اتفاق می‌افتد. این نواحی باعث جمع شدن اسیدها و از بین رفتن لایه غیرفعال شده و در نتیجه باعث خوردگی شود. وقتی PH اسید به مقداری بحرانی (Depassivation PH) می‌رسد خوردگی شروع می‌شود. از مقدار Depassivation PH برای تعیین مقاومت یک آلیاژ در محیط‌های خورنده استفاده می‌شود. هر چه این مقدار کمتر باشد مقاومت به خوردگی بیشتر است.

خوردگی بین‌دانه‌ای(Intergranular Corrosion)

بعضی از فولادها اگر تا دماهای ۵۰۰ تا ۸۰۰ درجه سلسیوس داغ شوند، مرز دانه‌ها می‌تواند «حساس» شده و ممکن است توسط سیال خورنده مورد حمله قرار گیرند. این پدیده معمولاً در هنگام جوشکاری و در ناحیه HAZ رخ می‌دهد.

ترک برداشتن ناشی از تنش و خوردگی(Stress corrosion cracking)

ترک برداشتن ناشی از تنش و خوردگی فرایندی است که در آن تنش‌های مکانیکی ناشی از بارگذاری و محیط خورنده به‌طور همزمان باعث شکل گرفتن ترک‌هایی در جسم می‌شوند. این ترک‌ها ممکن است پس از مدت زیادی قرار گرفتن در معرض سیال خورنده شکل بگیرند ولی با سرعت زیاد رشد کنند و باعث شکست ناگهانی قطعه شوند. فولادهای فریتی در مقابل این پدیده بسیار مقاوم‌اند.

خوردگی دما بالا

اسیدها

محلول‌های اسیدی را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: اسیدهای کاهنده مانند: هیدروکلریک اسید و اسید سولفوریک رقیق و اسیدهای اکساینده مانند: اسید نیتریک و اسید سولفوریک غلیظ. افزایش درصد کروم و مولیبدن باعث افزایش مقاومت به اسیدهای کاهنده می‌شود، در حالیکه افزایش درصد کروم و سیلیکون مقاومت بیشتری به اسیدهای اکساینده می‌دهد.

اسید سولفوریک یکی از بزرگترین مواد شیمیایی صنعتی تولیدی است. در دمای اتاق، فولادهای نوع ۳۰۴ فقط به اسید ۳٪ مقاوم است در حالیکه فولاد نوع ۳۱۶ به اسید ۳٪ تا ۵۰ درجه سلسیوس و اسید ۲۰٪ در دمای اتاق مقاوم است؛ بنابراین فولاد نوع ۳۰۴ به ندرت در تماس با اسید سولفوریک استفاده می‌شود. فولادهای نوع 904L و آلیاژ ۲۰ در برابر اسید سولفوریک در غلظت‌های بالاتر از دمای اتاق مقاوم می‌باشند.

اسید سولفوریک غلیظ دارای خاصیت اکساینده ای مانند اسید نیتریک است و در نتیجه در این محیط‌ها فولادهای زنگ نزن سیلیکون دار کاربرد دارند.

هیدروکلریک اسید به هر نوع فولاد ضدزنگ آسیب می‌رساند و باید اجتناب شود.

تمام انواع فولادهای زنگ نزن در برابر حمله اسید فسفریک و اسید نیتریک در دمای اتاق مقاومت می‌کنند. در غلظت‌های بالاتر و افزایش درجه حرارت حمله رخ می‌دهد و فولاد ضدزنگ آلیاژ بالاتری باید انتخاب شود.

بازها

فولادهای ضدزنگ نوع ۳۰۴ و ۳۱۶ با هیچ‌یک از بازهای ضعیف مانند آمونیوم هیدروکسید، حتی در غلظت‌های بالا و در دماهای بالا، تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند. این فولادها در معرض بازهای قوی مانند سدیم هیدروکسید در غلظت‌های بالا و درجه حرارت بالا، ممکن است به مقداری لایه برداری و ترک خوردگی دچار شوند.

افزایش درصد کروم و نیکل باعث افزایش مقاومت می‌شود.

انواع فولادهای زنگ‌نزن

پنج دسته اصلی از فولادهای زنگ‌نزن وجود دارد که عمدتاً توسط ساختار کریستالی (بلورین) آن‌ها طبقه‌بندی می‌شوند:

ساختار آستنیتی فولاد زنگ نزن AISI 304

فولادهای زنگ نزن آستنیتی

فولاد زنگ نزن آستنیتی بیشترین استفاده را در بین انواع دیگر فولادهای زنگ نزن داشته و تقریباً ۸۰٪ بازار جهان را به خود اختصاص داده‌است. در ساختار آن حداقل ۷٪ عنصر نیکل قرار دارد که ساختار فولاد را تماماً آستنیتی نموده و باعث گردیده فولاد خاصیت انعطاف‌پذیر، مقاوم برای کاربرد در دماهای بالا، غیرمغناطیسی و قابلیت جوشکاری مساعد ازخود نشان دهد؛ بنابراین مشخصه اصلی این طبقه از فولادهای زنگ نزن، سهولت جوشکاری و مقاومت به خوردگی عالی- نرم و انعطاف‌پذیر بودن برای کارسرد و غیرمغناطیس بودن آن‌ها می‌باشد. طبق آنچه بدان اشاره گردید، فولادهای زنگ‌نزن را برای استفاده در محیط‌های اتمسفری، آب دریا و انواع مختلف محیط‌های شیمیایی انتخاب می‌کنند. اما، بستگی به نوع محیط، باید فولاد با ترکیب شیمیایی مناسب انتخاب شود. بجز مقاومت دربرابر محیط‌های خورنده خاص، فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی دارای خواص متالورژیکی الف- تبدیل آستنیت به مارتنزیت در اثر کارسرد درانواع ۳۰۱، ۳۰۲ و۳۰۴ ب- کاهش کربن و عنصر آلیاژی کرم برای حذف امکان تشکیل کاربید کرم و جلوگیری از خوردگی بین دانه یی درانواع ۳۰۴L,316L،۳۲۱٬۳۴۷ ج- آلیاژکردن با مولیبدن برای افزایش مقاومت دربرابر خوردگی حفره‌ای درانواع ۳۱۶ د- استفاده از درصدهای بالای عناصر آلیاژی کرم و نیکل برای افزایش استحکام دردمای بالا (فولادهای نسوز) و مقاومت دربرابر پوسته شدن درانواع ۳۰۹ و ۳۱۰ نیز می‌باشند. موارد کاربرد مخازن نگهدارنده مواد شیمیایی لوازم آشپزخانه لوله‌های صنعتی نمای خارجی بناها فولاد زنگ نزن آستنیتی (Austenitic) بزرگترین خانواده از فولاد زنگ‌نزن یا ضدزنگ است، که حدود دو سوم از تولید فولاد ضدزنگ را به خود اختصاص می‌دهد. این فولادها دارای یک میکروساختار آستنیتی هستند که ساختار کریستال مکعبی وسط-وجهی (Face-Centered) دارند. این ریزساختار با آلیاژ کردن با نیکل و/یا منگنز و نیتروژن کافی برای حفظ ریزساختار آستنیتی در تمام دماها از ناحیهٔ کریوژنیک تا نقطه ذوب حاصل می‌شود. از این رو فولاد ضدزنگ آستنیتی قابل سخت‌کاری از طریق عملیات حرارتی نیست چرا که در همه دماها دارای یک نوع ریزساختار یکسان است.

فولادهای زنگ‌نزن آهنی(Ferritic)

فولاد زنگ‌نزن آهنی دارای یک ریزساختار فریتی مانند فولاد کربنی است که یک ساختار کریستالی مکعبی مرکز-بدنی (body-centered cubic) محسوب می‌شود و حاوی ۱۰٫۵ تا ۲۷ درصد کروم و مقدار بسیار کمی نیکل یا بدون نیکل است. این ریزساختار به علت اضافه شدن کروم، در تمام درجه حرارت‌ها وجود دارد و مانند فولاد ضدزنگ آستنیتی با عملیات حرارتی سخت‌کاری نمی‌شود. مانند فولاد ضدزنگ آستنیتی آن‌ها را نیز با کار سرد نمی‌توان تقویت کرد. این فولادها مانند فولاد کربنی مغناطیسی هستند.

فولادهای زنگ نزن فریتی معمولاً خود به ۴ زیر-خانواده طبقه‌بندی می‌شوند:

گروه ۱ که حاوی ۱۰ تا ۱۴ درصد کروم و عدد معادل مقاومت به خوردگی (PREN, Pitting resistance Equivalent Number = %Cr + 3.3 %Mo+16 %N) حدود ۱۰ است، در شرایط غیر سخت یا زمانی که مقداری خوردگی سطحی قابل قبول است استفاده می‌شود. گریدهای معمول (EN 1.4003) AISI 403 و AISI 409Cb (EN A/4601) است که در لوله‌های اگزوز خودروها استفاده می‌شود.

گروه ۲ که حاوی ۱۴ تا ۱۸ درصد کروم و با عدد PREN حدود ۱۶ است. معروف‌ترین گرید آن AISI 430 (EN 1.4017) است. این گرید برای جوشکاری مناسب نیست، زیرا رشد دانه در منطقه آسیب دیده حرارتی (HAZ) جوش موجب شکنندگی می‌شود.

گروه ۳ بسیار شبیه به گروه ۲ است، اما افزودن Nb, Ti و/یا Zr در مقادیر کم، ته‌نشینی کاربید را افزایش می‌دهد که به نوبه خود سبب جلوگیری از رشد دانه‌ها و شکنندگی جوش‌ها می‌شود؛ بنابراین آن‌ها بدون هیچ مشکل خاصی قابل جوشکاری هستند.

گروه ۴ گریدهای این گروه را می‌توان «فوق آهنی» نامید که دارای مقادیر بیشتری Mo، و/یا Cr می‌باشد. عدد PREN آن‌ها بالای ۱۸ است، که آن‌ها را برابر یا بهتر از (EN 1.4301) AISI 304 می‌کند. شناخته شده‌ترین گرید این خانواده AISI 434 و ۴۴۴ (به ترتیب EN 1.4113 و EN 1.4521) است.

گریدهای با مقاومت الکتریکی بالا Fri-Cr-Al شامل این گروه‌ها نمی‌شود، زیرا آن‌ها را برای مقاومت در برابر اکسید شدن در دمای بالا طراحی کرده‌اند.

ساختار مارتنزیتی فولاد AISI 4140

فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی

فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی طیف وسیعی از خواص را ارائه می‌دهد و به عنوان فولاد زنگ‌نزن مهندسی، فولاد زنگ‌نزن ابزاری و فولاد مقاوم در برابر خزش استفاده می‌شود.

آن‌ها به ۴ دسته تقسیم می‌شوند (با مقداری همپوشانی):

• گریدهای Fe - Cr - C: این دسته اولین گرید استفاده شده بودند و هنوز هم به‌طور گسترده در کاربردهای مهندسی و مقاوم در برابر سایش استفاده می‌شوند.
• گریدهای Fe-Cr-Ni-C: در این گریدها، مقداری از کربن با نیکل جایگزین شده‌است. این دسته دارای سختی و مقاومت به خوردگی بالاتری هستند.
• گریدهای پیرسخت‌کاری شونده: گرید EN 1.4542 (a.k.a. 17 / 4PH)، شناخته شده‌ترین گرید، قابلیت سخت شدن مارتنزیتی و پیرسخت‌کاری را هردو باهم دارد. این فولاد می‌تواند استحکام بالا و چقرمگی خوب را به دست آورد و در صنایع هوافضا و دیگر صنایع کاربرد دارد.
• گرید مقاوم در برابر خزش: افزودن مقدار کمی Nb, V، B, Co استحکام و مقاومت خزش را تا حدود ۶۵۰ درجه سلسیوس افزایش می‌دهد.

فولاد زنگ‌نزن دوپلکس

فولاد زنگ‌نزن دوپلکس دارای میکروساختار ترکیبی آستنیتی و فریتی است که هدف آن معمولاً تولید ترکیب ۵۰/۵۰ است، اگر چه در آلیاژهای تجاری این نسبت می‌تواند ۴۰/۶۰ باشد. آن‌ها با کروم بالا (۱۹–۳۲ درصد) و مولیبدن (تا ۵ درصد) و درصد نیکل پایین‌تر از فولاد ضدزنگ آستنیتی مشخص می‌شوند. فولاد ضدزنگ دوپلکس در مقایسه با فولاد ضدزنگ آستنیتی تقریباً دو برابر استحکام دارد. میکروساختار ترکیبی آن‌ها مقاومت به ترک ناشی از خوردگی توسط کلراید بیشتری نسبت به فولاد ضدزنگ آستنیتی نوع ۳۰۴ و ۳۱۶ فراهم می‌کند.خواص فولاد زنگ‌نزن دوپلکس با مقادیر آلیاژ پایین‌تر از مقادیر فولادهای گرید فوق-آستنیتی با خواص آن مشابه است و استفاده از آن برای بسیاری از کاربردهای مهندسی مقرون به صرفه‌تر است. گریدهای فولاد دوپلکس بر اساس مقدار آلیاژ و مقاومت به خوردگی آن‌ها در گروه‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند.

فولادهای زنگ نزن رسوب سخت شونده

فولادهای زنگ نزن رسوب سخت شونده مقاومت به خوردگی در حدود فولادهای آستنیتی دارند، اما می‌توان آن‌ها را توسط فرایند سخت‌کاری رسوبی (که سخت‌کاری سنی یا سخت‌کاری ذره ای نیز نامیده می‌شود) سخت‌کاری کرد. معروف‌ترین گرید آن 4PH-۱۷ است که تقریباً ۱۷ درصد کروم و ۴ درصد نیکل دارد.

کاربرد فولادهای زنگ‌نزن

فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی

فلنج‌های ساخته شده از فولاد زنگ‌نزن

اصلی‌ترین کاربرد آن‌ها در مخازن ذخیره مواد غذایی و بهداشتی و بیمارستانی می‌باشد. هم‌چنین این دسته از فولادهای زنگ‌نزن متریال استاندارد در ساخت تجهیزات شیمیایی و قاشق و چنگال و لوازم آشپزخانه می‌باشد.

فولادهای زنگ‌نزن آهنی(Ferritic)

فولادهای ۱۱٪ کروم در ساخت اگزوز خودروها استفاده می‌شود. گریدهای ۱۷٪ کروم آن برای ساخت تجهیزات خانگی کاربرد دارد. گریدهای ۲۹٪ کروم آن مقاومت بسیار بالایی به خوردگی دارد و در آب‌های شور دریا کاربرد دارد.

فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی

مانند بسیاری از فولادهای ساده کربنی این فولادها در حالت کوئنچ شده و برگشت داده شده -که سختی مناسبی دارند- استفاده می‌شوند. بستگی به گرید مورد استفاده از این دسته فولادها برای ساخت تجهیزات آشپزخانه و لوازم جراحی استفاده می‌شود.

فولاد زنگ‌نزن دوپلکس

معروف‌ترین گرید آن ۱٫۴۴۶۲ یا AISI 318LN با ترکیب شیمیایی ۰٫۰۲٪کربن - ۲۲٪کروم - ۵٫۵٪نیکل - ۳٪مولیبدن، می‌باشد که اصلی‌ترین کاربرد آن در ساخت تجهیزات کارخانجات کاغذ و شیمیایی و تجهیزات روی آب دریا است.

فولاد زنگ‌نزن حساس‌شده

فولاد زنگ‌نزن حساس‌شده، فولاد زنگ نزنی است که با فرایند گرمایی اتم‌های کروم آن از حلالیت خارج و به صورت کاربید و زیگما در مرز بین دانه‌ها (Grain Boundary) رسوب کرده‌اند.

چنانچه این فولاد در آب دریا باشد، خوردگی بین دانه‌ای در آن رخ می‌دهد.

انواع پرداخت سطح

سطح فولاد زنگ نزن پرداخت نشده، پرداخت نورد

برای رسیدن به حد پرداخت استاندارد نورد به‌طور مستقیم می‌توان از غلتک‌ها و ساینده‌های مکانیکی استفاده کرد. در ابتدا فولاد برای رسیدن به ضخامت مورد نظر از داخل نورد عبور می‌کند و سپس فرایند بازپخت برای رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب انجام می‌شود. اکسیداسیونی که روی سطح تشکیل می‌شود (رسوب نورد) با اسیدشویی حذف می‌شود و یک لایه غیرفعال بر روی سطح ایجاد می‌شود. سپس می‌توان پرداخت نهایی را برای رسیدن به زیبایی مورد نظر اعمال کرد:

شماره ۰: نورد گرم، بازپخت شده، ورق‌های ضخیم

شماره ۱: نورد گرم، بازپخت شده و غیرفعال سازی شده

شماره 2D: نورد سرد، بازپخت شده، اسیدشویی و غیرفعال شده

شماره 2B: همانگونه که در بالا آمده‌است، به علاوه عبور از داخل غلتک‌های بسیار صیقلی

شماره 2BA: بازپخت روشن (BA یا 2R) همانگونه که در بالا ذکر شد، به علاوه تحت شرایط هوای آزاد بدون اکسیژن بازپخت روشن می‌شود

شماره ۳: از ساینده‌های درشت به صورت مکانیکی استفاده می‌شود

شماره ۴: پرداخت به وسیله برس

شماره ۵: پرداخت ساتنی (رسیدن به کیفیت سطح براقی مانند ساتن که به وسیله سمباده و ساینده متوسط بدست می‌آید)

شماره ۶: پرداخت مات (برس کشی اما صاف‌تر از شماره ۴)

شماره ۷: پرداخت منعکس کننده

شماره ۸: پرداخت آینه ای

شماره ۹: پرداخت با Bead Blast (پرتاب دانه‌های ریز شیشه ای صاف با فشار بالا به سطح)

شماره ۱۰: پرداخت حرارت رنگی، ارائه طیف گسترده‌ای از سطوح الکتروپولیشی و گرم رنگی

فولاد زنگ نزن در دماهای بالا

از فولادهای زنگ نزن علاوه بر کاربردهای مقاوم در برابر خوردگی رطوبتی، در محیط‌های دما بالا که فولادهای کربنی و کم آلیاژ مقاومت به خوردگی یا استحکام مناسب ندارند نیز استفاده می‌شود.

در کاربردهای دمابالا معمولاً عوامل زیر مدنظر است:

• استحکام خزشی بالا (و/یا چقرمگی)
• مقاومت مناسب در برابر اکسایش و همچنین خوردگی ناشی از دمای بالا
• ریزساختار پایدار
• مقاومت مناسب در مقابل خوردگی سایشی

نقش عناصر آلیاژی مختلف

کروم: نقش کروم بیشتر در دماهای بالای ۵۰۰ درجه سلسیوس مشخص می‌شود. این عنصر باعث شکل گرفتن یک لایه اکسید غنی از کروم مقاوم بر روی سطح می‌شود که از رسیدن بیشتر اکسیژن به لایه‌های زیرین و در نتیجه زنگ زدگی جلوگیری می‌کند.

سیلیکون و آلومینیوم: نقش سیلیکون و آلومینیوم مشابه نقش کروم است. اگر این عناصر به اندازه کافی در سطح موجود باشند می‌توانند باعث شکل گرفتن لایه‌های SiO₂ و Al₂O₃ در سطح شوند. برای شکل گرفتن بیشتر این لایه‌ها مقدار کمی از عناصر فلزی کم‌یاب کره زمین مانند سریم یا لانتانوم می‌تواند بسیار کمک‌کننده باشد.

نیکل: نیکل باعث افزایش چقرمگی، استحکام دمابالا و افزایش مقاومت در مقابل کربوریزه شدن و نیتریده شدن می‌شود.

نیتروژن و کربن: باعث افزایش استحکام خزش می‌شوند.

مولیبدن: باعث افزایش استحکام ترکیدگی ناشی از خزش می‌شود.

تیتانیوم: درصد کمی تیتانیوم، در حدود ۰٫۳ تا ۰٫۷ درصد، می‌تواند در فولادهای آستنیتی باعث افزایش استحکام شود. در مورد نیوبیوم نیز این مورد صادق است.

برون: برون در غلظت‌های بسیار پایین، در حدود ۰٫۰۰۲ درصد باعث افزایش استحکام ترکیدگی ناشی از خزش می‌شود.

نقش میکروساختار

نقش ریزساختار به اندازه ترکیب شیمیایی برای مقاومت در دماهای بالا چندان مهم نیست اما انتخاب صحیح آن نیز بی تأثیر نیست.

فولادهای فریتی: برای اکثر فولادهای فریتی ماکزیمم دمای کاری ثابت ۲۵۰ درجه سلسیوس است چرا که این فولادها در

روتور توربین‌های بخار از فولادهای زنگ نزن مارتنزیتیک که مناسب برای دماهای بالا است ساخته می‌شود.

دمای ۴۷۵ درجه سلسیوس دچار تردی می‌شوند. این نکته در مورد فولادهای زنگ نزن کروم پایین ۱۰٫۵ تا ۱۲٫۵ درصد چندان مهم نیست و دما می‌تواند بعضی اوقات به ۵۷۵ درجه سلسیوس نیز برسد. فولادهای زنگ نزن با درصد آلیاژ بالا با درصد کروم ۲۳ تا ۲۷ درصد، در دماهای بالا مقاومت به خوردگی فوق‌العاده ای از خود نشان می‌دهند.

فولادهای مارتنزیتی: در استاندارد EN 10088-1 و EN 10302 فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی در رده فولادهای مقاوم به خزش قرار گرفته‌اند. با این حال به دلیل اینکه سطح کروم آن‌ها خیلی بالا نیست (حداکثر ۱۲٫۵٪) این فولادها جرو فولادهای مقاوم به گرما نیستند و فقط در جاهایی استفاده می‌شوند که نیاز به استحکام نهایی بالا، استحکام خزش و خستگی بالا، به علاوه مقاومت مناسب در برابر خوردگی مد نظر باشد و ماکزیمم دما ۶۵۰ درجه ساسیوس باشد از آن‌ها استفاده می‌شود. از فولادهای مارتنزیتی کم کربن و کربن-متوسط عموماً در توربین‌های بخار، موتورهای جت و توربین‌های گاز استفاده می‌شود.

فولادهای آستنیتی: این فولادها در کنار آلیاژهای پایه-نیکل بهترین ترکیب مقاومت به خوردگی دما-بالا و استحکام مکانیکی دما-بالا را ارائه می‌دهند. در کاربردهای دما بالا، فولادهای زنگ نزن آستنیتی دما-بالا اصلی‌ترین انتخاب هستند.

فولادهای دوپلکس: استحکام تسلیم آن‌ها در محدوده ۵۵۰ تا ۶۹۰ مگاپاسکال در حالت بازپخت شده‌است که به‌طور چشمگیری بیشتر از فولادهای فریتی و آستنیتی است. با این حال استفاده از این فولادها در دماهای بالا به دلیل تردی و افت شدید استحکام مکانیکی پیشنهاد نمی‌شود. ماکزیمم دمای کاری آن‌ها معمولاً ۳۰۰ درجه سلسیوس است.

فولادهای پیرسخت شده: این فولادها آلیاژهای کروم-نیکل هستند که در حالت سخت شده برای دماهای بالای ۴۲۵ درجه سلسیوس به دلیل افت شدید استحکام توصیه نمی‌شوند.

خواص مکانیکی در دمای بالا

استحکام مواد در دماهای بالا مانند استحکام آن‌ها در دمای اتاق آزمایش نمی‌شود. در دماهای بالا مهم‌ترین خواص مکانیی خزش و استحکام ترکیدگی (شکست یا پارگی ناگهانی) است. در دماهای معمولی و اتاق اگر یک قطعه زیر تنش تسلیم تحت کشش قرار بگیرد می‌تواند تا بینهایت بدون تغییر باقی بماند اما در دماهای بالا این قطعه شروع به کش آمدن بدون وقفه می‌کند تا زمانی که از هم گسسته شود. سرعتی که فلز کش می‌آید را نرخ خزش می‌نامند. استحکام مکانیکی مواد در دماهای بالا را بر اساس خزش می‌سنجند یعنی توان ماده به مقاومت در برابر تغییر شکل در طول زمان در یک دمای بالا.

جستارهای وابسته

• فولاد
• اسیدشویی
• غیرفعال‌سازی