با بیش از ربع قرن تجربه در زمینه ارائه انواع محصولات استنلس استیل

کاهش استحکام و خزش ورق استیل

استحکام مکانیکی ورق استیل مقاوم به حرارت نیز مانند کلیه آلیاژ‌های دیگر با افزایش دما کاهش پیدا می نماید. بنابراین در طراحی قطعات خصوصاً تحت تنش بایستی به آن توجه شود. استحکام ورق استیل رسوب سختی با ساختار نیمه آستنیتی تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد بیشتر از ورق استیل آستنیتی می باشد. اما بالاتر از دمای فوق، استحکام آنها به سرعت افت نموده و کمتر از ورق استیل آستنیتی می گردد. بعد از دو گروه فوق به ترتیب ورق استیل مارتنزیتی، ورق استیل فریتی و کربن استیل قرار دارند.

خزش پدیده‌ای است که در آن بر اثر دمای بالا و تنشی حتی کمتر از تنش تسلیم، قطعه دچار کرنش، اعوجاج و تغییر فرم دائم می گردد. در ادامه بحث به خواص خزشی آلیاژ های مختلف پرداخته می شود:

1-کربن استیل: این فولادها به طور گسترده‌ای در دماهای متوسط، کمتر از ۴۰۰ درجه برای کارکرد طولانی، مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این میان ساختار یکنواخت شده با عملیات حرارتی و کاربیدی لایه ای در بهبود مقاومت خزشی موثر می باشد. برعکس آن وجود ساختار بازپخت شده اثر معکوس داشته و تمایل به کروی شدن کاربید ها را زیاد می نمایند.

در این بین نقش اندازه دانه ها بستگی به محدوده زمان و دمای کاربرد قطعه دارد. در زمان های کم و متوسط و دمای بیشتر از دمای موسوم به هم چسب استحکام خزشی استیل دانه درشت، بهتر از انواع دانه ریز خود می باشد.

البته سالیان متمادی اعتقاد بر این بود که ساختار درشت دانه ها به تنهایی عامل اصلی بهتر بودن خواص خزشی دمای بالای کربن استیل داده درشت (مانند  A515) نسبت به معادل دانه ریز خود (مانند A516) می باشد. اما تحقیقات انتشار یافته توسط Glen در سال ۱۹۶۳ مشخص نمود که در دماهای بالاتر از ۴۵۰ درجه و در زمان‌های طولانی، خواص خزشی هر دو گروه تقریباً یکسان می باشد. تحقیقات بعدی نشان داد که برتری خواص خزشی کربن استیل دانه درشت در دماهای بالا وابسته وجود اتمهای آزاد نیتروژن بین نشین در شبکه می باشد. هر عامل حرارتی مانند عملیات حرارتی بعد از جوش، بازگشت و یا نگهداری استیل در دمای بالا، معمولا باعث رسوب نیتروژن آزاد به شکل ترکیبات فلزی گردیده و خواص خزشی دمای بالای این استیل ها را مشابه استیل های دانه ریز می نماید. بنابراین به طور کلی کربن استیل دانه ریز، خصوصاً یکنواخت شده با عملیات حرارتی به دلیل خواص چقرمگی بهتر، از ارجحیت خاصی نسبت به دانه درشت برخوردار می باشند. اما باید توجه داشت که در اینگونه موارد فولادهای اکسیژن زدایی شده با سیلیسیم نسبت به اکسیژن زدایی شده با آلومینیوم مقاومت بیشتری در مقابل گرافیتی شدن داشته و جهت کار در دمای بالا مناسب تر می باشند.

استفاده از کربن استیل در دماهای بالاتر از ۴۰۰ درجه به دلیل تنش مجاز و مقاومت به اکسیداسیون کم معمولاً اقتصادی نمی باشد.

2-استیل های کم آلیاژ: دربین عناصر آلیاژی، مولیبدن و وانادیم نقش زیادی در افزایش مقاومت خزشی دارند. افزودن مولیبدن حتی به مقدار 0.5 درصد به کربن استیل ساده (مانند لوله های سوپر هیترها) باعث می گردد تا دمای کاری پیوسته آنها تا ۴۵۰ درجه افزایش یابد. از این دما به بالا احتمال کروی و گرافیتی شدن کاربید‌ها و در نتیجه کاهش مقاومت خزشی وجود دارد. افزودن 1 درصد کروم به اینگونه آلیاژها (مانند لوله های بویلرها) از این پدیده جلوگیری نموده و دمای کاری پیوسته آنها تا ۵۴۰ درجه افزایش می‌دهد.

3-ورق استیل مارتنزیتی و ورق استیل فریتی: هر دو گروه ورق استیل فوق نسبت به کربن استیل مقاومت به خوردگی، اکسیداسیون و خزشی بالاتری دارند. ورق استیل فریتی معمولا به حالت بازپخت استفاده شده و دارای مقاومت خزشی کمتر ولی مقاومت به اکسیداسیون بیشتری نسبت به انواع مارتنزیتی می باشند.

4-ورق استیل آستنیتی و آلیاژهای نیکل: به طور کلی مقاومت به خوردگی، اکسیداسیون و خزش ورق استیل آستنیتی و آلیاژهای ویژه اینکه نسبت گروه‌های قبلی بالاتر می باشد.

ورق استیل ۳۲۱، ورق استیل ۳۱۶، ورق استیل 3۴۷، ۳۳۰، ورق استیل نسوز ۳۰۹، ورق استیل ۳۱۰، اینکونل ۶00 چند گزینه نسبتاً عالی جهت کاربرد مطمئن در دماهای بالا بوده که در بین آنها مقاومت به اکسیداسیون و دمای کارکرد آلیاژهایی نظیر ورق استیل ۳۱۰ از همه بالاتر می باشد. در بین فولادهای کم آلیاژ تر این گروه دو آلیاژ ورق استیل ۳47 و ورق استیل ۳۱۶ تا دماهای حدود ۸۰۰ درجه خواص خزشی بسیار مناسبی دارند که مقام خزشی ورق استیل 3۴۷ تا دمای حدود ۶۵۰ درجه بسیار استثنایی می باشد.

به طور کلی در مورد ورق استیل آستنیتی جهت به دست آوردن بهترین مقاومت مکانیکی در دمای بالا به نکات ذیل توجه گردد:

الف-استفاده از آلیاژهای پرکربن تر یا پایدار شده: در دماهای عادی و بالا هنگامی که استحکام بالاتری مورد نظر باشد، آلیاژهای ستون اول جدول زیر نسبت به ستون دوم دارای ارجحیت می باشند.

همانطور که دیده می‌شود آلیاژهای پر کربن و پر کربن پایدار شده (مانند ورق استیل ۳۲۱، ورق استیل ۳۰۴ و ورق استیل 347) مشابه کم کربن خود (مانند استیل ۳۰۴L) دارای استحام بالاتری بوده و از این نظر ارجح می باشند. باید توجه داشت که طبق استاندارد درصد کربن آلیاژ های ورق استیل ۳۱۶ و ورق استیل ۳۰۴ نیز در محل حداکثر 0.08 درصد حداقل صفر درصد مجاز است. اما مطابق کد ASME BPV Sec.II در موقع کاربرد این گونه آلیاژها در دماهای بالاتر از ۵۴۰ درجه، درصد کربن حتماً بایستی حداقل 0.04 درصد باشد.

ب-استفاده از آلیاژ های با پسوند H: به طور کلی بعد از عامل نوع و ترکیب آلیاژ، ریزساختار در مقاومت خزشی آلیاژ تاثیر مهمی دارد. در دهه ۱۹۵۰ مشاهده گردید که بویلر های ساخته شده از ورق استیل ۳۲۱ در فشار ۱۰۰ بار و دماهای بیشتر ۵۴۰ درجه قبل از زمان پیش‌بینی شده دچار آسیب شدند. در بررسی‌های به عمل آمده مشخص شد که دلیل این پدیده دانه ریز شدن آلیاژ به علت انجام عملیات حرارتی انحلال در دماهای پایین‌تر از حالت عادی بوده است. بنابراین برخلاف دماهای پایین که وجود ریز ساختار دانه ریز معمولاً در چقرمگی و در نتیجه کاربرد اثر مثبت دارد، در خزش ریزساختار دانه درشت بهتر می باشد. همانند کربن استیل در اینجا نیز علت این پدیده محدوده دمای هم چسب (دمایی در حدود ۴۲۰ الی ۵۲۰ درجه) می باشد. چون بالاتر از این حدود استحکام مرزدانه ها از استحکام خود دانه ها کمتر گردیده و بنابراین وجود تعداد کمتری مرز دانه (دانه های درشت) موثرتر می باشد.

از آن زمان به بعد آلیاژهای کارپذیر با پرونده با پسوند H مانند ورق استیل ۳۲۱H و ورق استیل ۳۱۶H  با مقاومت خزشی خیلی بهتر ارائه گردیدند. این گونه آلیاژها دارای 0.04 الی 0.1 درصد کربن بوده که با عملیات بازپخت انحلال در دماهای بالا ریزساختار درشت و مناسبی جهت مقاومت به خزش پیدا نموده اند.

ج-استفاده از آلیاژهای با پسند N: در سال ۱۹۶۹ اثر مثبت نیتروژن در بهبود مقاومت خزشی ورق استیل آستنیتی ارائه گردید و از آن تاریخ به بعد آلیاژهای مانند ورق استیل 316N و ورق استیل 304N با 0.1 الی 0.16 درصد نیتروژن معرفی و توسط سازمان‌های ASTM/ASME در رده استاندارد قرار گرفتند. مکانیزم اثر نیتروژن قرارگیری بین نشینی در شبکه آلیاژ و بالا بردن مقاومت آن می‌باشد. البته در دماهای خیلی بالا، به علت احتمال تشکیل نیتریدها و در نتیجه خارج شدن نیتروژن بینشین از شبکه، حداکثر دمای مجاز کاری اینگونه آلیاژها به 6۵۰ درجه سانتیگراد محدود می باشد.

د-توجه به خواص مکانیکی دمای بالا: انتخاب آلیاژهای مناسب با نرخ‌ خزشی کمتر و استحکام گسیختگی بالاتر، بر حسب نوع کاربرد قطعه و با توجه به مطالب بخش های قبلی به همراه در نظر گرفتن مسائل اقتصادی صورت گیرد.

تردی بازگشت ورق استیل ۴۷۵ درجه

در کلیه آلیاژهای آهن با ۱۳ الی ۹۰ درصد کروم دارای فاز فریت، مانند ورق استیل فریتی و ورق استیل دوفازی، امکان کم شدن چقرمگی در محدوده دمای ۴۰۰ تا ۵۵۰ درجه وجود دارد. به این پدیده تردی بازگشت ۴۷۵ درجه می گویند که بر اثر نگهداری یا آهسته سرد نمودن آلیاژ در محدوده فوق سختی، استحکام مکانیکی افزایش یافته و چقرمگی کاهش می یابد.

شدت تردی بازگشت به درصد کروم بستگی دارد. به طوری که این پدیده در مورد آلیاژهایی با حدود ۱۳ درصد کروم به ندرت رخ داده ولی شدت آن در آلیاژهای حاوی ۱۸ درصد کروم و بالاتر به حدی است که به عنوان مثال حتی در عملیات حرارتی بازپخت، سرد نمودن سریع آلیاژ از دمای بالا تا زیر محدوده دمایی فوق، امری لازم می باشد.

البته از نظر سینتیکی، زمان نیز در پیدایش این پدیده موثر می باشد. به طوری که در مورد بعضی از آلیاژها حتی با ۱۵ الی ۱۸ درصد کروم، نگهداری در دمای کم ۲۶۰ درجه به مدت چند هزار ساعت نیز باعث ایجاد تردی می گردد. وجود عناصری نظیر کربن، نیتروژن در عناصر کاربیدزا مانند آلومینیوم، مولیبدن، وانادیم، تیتانیم، نایبیم، تنگستن و همچنین میزان کار سرد قبل از ترد شدن، مخصوصاً در مورد آلیاژهای پرکروم، نیز در شدت این پدیده تاثیر دارند. خوشبختانه تردی به وجود آمده برگشت پذیر بود و حتی در بالاترین حد آن با چند دقیقه گرم نمودن آلیاژ در دمای 6۸۰ درجه و یا بالاتر از بین خواهد رفت.

از نظر تئوری پدیده تردی بازگشت در آلیاژ  ورق استیل آستنیتی نباید رخ دهد. اما در عمل از آنجاییکه معمولاً این آلیاژها و خصوصاً فلز جوش آن حاوی مقداری می باشند، بنابراین کاهش چقرمگی به تناسب درصد فریت آنها، ممکن است رخ دهد.

تردی ورق استیل بر اثر فاز های ثانویه

در کلیه ورق های استیل آستنیتی و خصوصاً ورق استیل فریتی و ورق استیل دوفازی احتمال ایجاد شکست ترد بر اثر نگهداری طولانی آلیاژ در محدوده دمایی 550 الی 950 درجه یا سرد نمودن آهسته در محدوده فوق وجود دارد. این امر به دلیل تشکیل فازهای ثانویه نظیر سیگما با ترکیبی تقریباً معادل FeCr با شبکه تتراگونال و سختی ۶۸ RC می باشد. بر اثر وجود این فازها چقرمگی آلیاژ کم گردیده در حالی که ممکن است در استحکام مکانیکی و سختی کلی آن تغییر نسبتاً کمی مشاهده شود. با ادامه سرد شدن چنین آلیاژهایی زیر دمای ۵۰۰ درجه، چقرمگی کاملا از دست خواهد رفت. مقطع شرکت  این آلیاژها به صورت مضرس و کنگره دار دیده می‌شود. افزایش کار سرد قبلی نیز باعث افزایش سرعت تشکیل فاز سیگما می گردد.

جدول-اثر نگهداری تعدادی ورق استیل در دمای بالا بر روی خواص مقومت به ضربه و سختی (دمای محیط)

به طور کلی بر اثر نگهداری هر یک از گروه های ورق استیل در محدوده خاصی از دمای بالا، ممکن است انواع گوناگون فاز های ثانویه تشکیل شده که بعضی از آنها مانند فاز سیگما باعث کاهش چقرمگی در دمای محیط می گردند. در آلیاژهای آهن-کروم در مناطقی از درصد کروم احتمال تشکیل فاز سیگار وجود دارد.

عموماً در ورق استیل فریتی و ورق استیل آستنیتی مرسوم عناصر فریت زا مانند سیلیسیم، مولیبدن،  آلومینیم، کروم، تنگستن، وانادیوم، تیتانیم و نایبیم تشکیل فاز سیگما را تسریع می نمایند که در این بین نقش سیلیسیم و مولیبدن بیشتر از همه می باشد. وجود درصد کم عناصر نیکل، منگنز و مخصوصاً نیتروژن (عناصر آستنیت زا) نیز اثر مشابه دارد، اما مقادیر زیاد آنها به دلیل تثبیت فاز آستنیت در تشکیل فاز سیگما تأخیر ایجاد می نماید. همچنین نیتروژن اثر بسیار قوی در این خصوص دارا می باشد. در مورد آلیاژهای ورق استیل آستنیتی باید گفت که سرعت و شدت این پدیده در انواع کم آلیاژتر مانند ورق استیل ۳۰۴ کمتر از انواع پرآلیاژتری مانند ورق استیل ۳۱۶، ۳۱۷ و ۳۴۷ بوده ولی در مجموع کمتر از آلیاژهای ورق استیل فریتی و دوفازی می باشند.

در ورق استیل دو فازی که معمولاً کروم و مولیبدن بالایی دارند، تشکیل فازهای سیگما و چی راحت تر اتفاق می‌افتد، مخصوصاً اگر در محدوده 700 تا 850 درجه به سرعت سرد نگردند. اما این پدیده در مقاومت به خوردگی آنها تاثیری نخواهد داشت.

تردی آلیاژ ورق استیل فریتی در دمای بالا

به طور کلی در ورق استیل فریتی احتمال شکست ترد تحت تنش از ۴۶۰ درجه به بالا وجود دارد.
 

اثر بخار آب

وجود بخار آب فرایند اکسیداسیون آلیاژها را تسریع می نماید. در این شرایط حداکثر دمای کاربرد بستگی به عوامل متعددی داشته ولی به طور کلی کاهشی در حدود 50 الی 150 درجه در حداکثر دمای قابل تحمل آلیاژها مورد انتظار می باشد. استفاده از آلیاژ کار سرد شده مقاومت در این محیط ها را افزایش می دهد.

اثر گوگرد و ترکیبات آن بر ورق استیل

وجود بخار گوگرد و ترکیبات آن مانند سولفید هیدروژن و دی اکسید گوگرد فرایند اکسیداسیون آلیاژها را تسریع نموده و دمای کاری ورق استیل را به شدت کم می نماید. اثر این ترکیبات بسیار خطرناک تر از اکسیژن بوده که در بین آنها دو ترکیب اول از دی اکسید کربن خطرناک تر می باشد. این ترکیبات با ایجاد سولفیدهای فلزی زود ذوب در سطح فولاد نفوذ نموده و تشکل‌های فازهای پراکنده و غیر چسبنده به سطح، خوردگی را تشدید می نماید. ورق استیل آستنیتی معمولی در محیط بخار گوگرد به راحتی مورد حمله قرار می‌گیرند. اما ورق استیل ۳۱۰ تا دمای 4۸۰ درجه مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهد. در مورد گوگرد مذاب اکثر ورق استیل آستنیتی  تا دمای 200 درجه مقاوم بوده و در دماهای بالاتر ال 450 درجه انواع ورق استیل آستنیتی پایدار شده  مانند ورق استیل 321 و 347 مقاومت مطلوبی دارند. در محیط سولفید هیدروژن، ورق استیل ۳۰۴ کاربرد گسترده‌ای دارد.
در آلیاژهای نیکل، گوگرد با تشکیل ترکیب یوتکتیک سولفید نیکل باعث اجرای تردی گوگرد و ترک مخصوصاً در مرز دانه ها می گردد.

اثر اکسیدهای فلزی بر ورق استیل

وجود بعضی اکسیدهای فلزی، مخصوصاً در شرایطی که اتمسفر اکسید کننده راکد باشد، خوردگی را تشدید می نماید. به عنوان مثال اکسید سرب در ۷۰۰ درجه نیز ممکن است باعث خوردگی شدید ورق استیل آستنیتی گردد. اکسید وانادیوم موجود در دود اکثر سوخت های جامد، باعث شکست ورق استیل ۳۰۹ و ورق استیل 3۱۰ در دمای 1050 درجه می گردد. اکسید مولیبدن نیز اثر مشابه دارد.

خوردگی گرم در ورق استیل

وجود بعضی ترکیبات معدنی نظیر اکسیدها، سولفات ها، کربنات ها، فلوریدها و . . . باعث انحلال فیلم اکسیدهای محافظ و کم شدن نقطه ذوب و در نتیجه خوردگی آلیاژ می گردد. به عنوان مثال Na2SO4 حاصل واکنش گوگرد موجود در سوخت (حتی به میزان کمتر از 0.3 درصد) و نمک موجود در هوای مکش (در کنار آب دریا حتی به میزان کمتر از 0.1 ppm) باعث ایجاد خوردگی در پره توربین های گازی می شود.

ذوب موضعی در ورق استیل

در این پدیده، با نفوذ عناصر خاصی در آلیاژ پایه، ترکیبات یوتکتیکی (نقطه ذوب کم) بین فلزی تشکیل گردیده که ممکن است در دمای کاری عالی ذوب گردند. مثلاً در کوره‌های با اتمسفر احیایی، بخار سیلیسیم احیا شده از ترکیبات سیلیس دارف در ترموکوپل های پلاتینی نفوذ و تشکیل ترکیب زود ذوب پلاتین سیلیساید را می دهد.

کربوریزه شدن ورق استیل

در شرایط خاصی در دمای بالا اکسیژن کم و ترکیبات کربن دار مانند منواکسید کربن وجود داشته باشند، کربن در سطح  آلیاژ تشکیل و به مرور به زیر سطح نیز نفوذ نموده و با تشکیل انواع کاربیدها آلیاژ را ترد و مستعد به ترک های سطحی یا مقطعی می نماید.

به دلیل انحلال بیشتر کربن در آستنیت، ورق استیل آستنیتی نسبت به ورق استیل فریتی با سرعت بیشتری کربوریزه می‌شوند. در مورد ورق استیل فریتی و ورق استیل مارتنزیتی رفتار آلیاژ بستگی به درصد کروم دارد. در مقادیر زیر ۱۳ درصد کروم، آلیاژ در دماهای بالای مختلف، درصدهای متفاوت آستنیت دارد که بنابراین باعث حساسیت آنها به کربوریزه شدن در این دماها می گردد. در مقادیر ۱۳ الی ۲۰ درصد کروم، آلیاژ با جذب مقدار کمی کربن تشکیل آستنیت داده و کربوریزه شدن ادامه می‌یابد. در مقادیر کروم ۲۰ درصد به بالا، جذب کربن قبل از آستنیتی شدن باعث تشکیل کاربیدهای نظیر (CrFe)23C6 در آلیاژ می‌گردد.

نقش عناصر آلیاژی در این پدیده به سه دسته تقسیم می شود:

الف-عناصر سیلیسیم، نایبیم، تنگستن و تیتانیم اثر بازدارنده دارند.
ب-عناصر سرب، مولیبدن، کبالت، زیرکونیم و بور اثر تشدید کننده دارند.
ج-عناصر آلومینیم و منگنز اثرات متغیری از خود نشان داده‌اند.

پودر شدن ورق استیل

این پدیده در ادامه کربوریزه شدن و مسیر معکوس آن رخ می‌دهد. به این نحو که تحت شرایط اتمسفری خاصی در دمای بالا کاربیدها به سرعت تجزیه گردیده و با ایجاد مناطق میکروسکوپی از فلزات پراکنده و گرافیت های با حجم زیاد، سطوح آلیاژ را به مرور متخلخل و پوک می نمایند. بر اثر ریزش این قسمت ها حفراتی در سطح به وجود می‌آید.

جهت جلوگیری از این پدیده باید فیلم‌محافظ اکسیدی آلیاژ در طی فرآیند حفظ گردد. بدین منظور توصیه می گردد که از آلیاژهایی با ترکیب Cr+2Si بیشتر از 24 درصد استفاده شود. در واحدهایی نیز با تزریق کنترل شده بخار آب، فیلم اکسید کروم را تقویت می نمایند.

فساد سبز در ورق استیل

وقتی که فولادهای آلیاژی پر نیکل در شرایط مخصوصی در دمای بالا قرار گیرند که نسبت به کروم اکسیدکننده و نسبت به نیکل احیاکننده باشد، یک نوع خاص اکسیداسیون داخلی در مرزدانه ها پدید می‌آید که اصطلاحا به آن فساد سبز می گویند.