عکس های زیر 5 دسته عمده استنلس استیل را به شکل نموداری توضیح داده و درصد عناصرآلیاژی و همچنین برخی کاربردهای آن در صنعت را شرح داده است.
استنلس استیل آستنیتی یا سری 300 که مشهور ترین گریدهای آن استنلس استیل 304 و 316 می باشد.
استنلس استیل فریتی یا سری 400 شامل استنلس استیل 430 یا همان بگیر
استنلس استیل مارتنزیتی مانند 410 و 420 با کاربردهای حساس مثل ساخت تیغه ها و ابزار جراحی
استنلس استیل دوپلکس و استنلس استیل منگنز دار سری 200 مانند استنلس استیل 201
آلیاژ های 309 و S309 استنلس استیل های آستنیتی کروم-نیکلی هستند که مقاومت عالی در برابر خوردگی و حرارت به اضافه استحکام خوب در دمای اتاق و دماهای بالا دارند. آلیاژ استنلس استیل S309 همان نوع 309 اما با درصد کمتر کربن برای به حداقل رساندن ته نشینی کاربید ها و بهبود خواص جوشکاری می باشد. این آلیاژ الزاماً غیرمغناطیسی بوده که در حین کار سرد اندکی مغناطیسی می گردد.
ترکیب شیمیایی
|
S309 % |
309 % |
|
0.08 |
0.20 |
کربن |
2.00 |
2.00 |
|
0.045 |
0.045 |
|
0.030 |
0.030 |
|
2.5-1.5 |
0.75 |
|
24.0-22.0 |
24.0-22.0 |
|
13.0-11.0 |
15.0-12.0 |
|
متعادل |
متعادل |
آهن |
آنالیز
استنلس استیل های 309 و S309 با توجه به استاندارد های زیر آنالیز می شوند.
S309 |
309 |
5523 AMS |
167A ASTM |
240A ASTM |
|
خواص مکانیکی
خواص مکانیکی در دمای اتاق
سختی راکول |
E % in 50.8mm |
0.2% YS Ksi (Mpa) |
UTS Ksi (MPa) |
|
85B |
45 |
(345) 50 |
(655) 95 |
آنیل |
مقاومت در برابر خوردگی
آلیاژهای استنلس استیل 309 و S309 مقاومت در برابر خوردگی فوق العاده ای دارند. مقاومت آنها در محیط های دریایی بسیار بیشتر از آلیاژ استنلس استیل 304 می باشد. مقاومت بالایی در مواجهه با مایعات سولفیتی از خود نشان می دهند و برای انتقال نیتریک اسید، ترکیبات نیتریک سولفید اسدها، استیک، سیتریک و لاکتیک اسید کاملاً مناسب هستند.
این مواد عموماً به عنوان آلیاژ های مقاوم در برابر حرارت در نظر گرفته می شوند. گستره دمای تخریب آن در حدود 1093 درجه سانتی گراد است. این آلیاژ ها مقاومت مناسبی در هر دو سرویس مداوم و متناوب از خود نشان می دهند، اما نباید برای دماهای بالاتر از 982 درجه سانتی گراد برای سرویس های متناوب استفاده گردند.
عملیات حرارتی
استنلس استیل های 309 به وسیله عملیات حرارتی قابل سخت شدن نیستند. آنیل: گرم کردن تا 1120 درجه سانتی گراد، سپس در آب یا به سرعت در هوا کوئنچ می شود.
شکل پذیری
این آلیاژ ها را میتوان به راحتی به شکل رول، استامپ و مورد کشش قرار داد. به منظور کاهش سختی و بازگرداندن شکل پذیری از آنیل استفاده می شود. آلیاژ استنلس استیل 309 به شدت پایدار بوده و در حین کار سرد غیر مغناطیسی باقی می ماند. تغییر طول پایین باعث می شود شکل پذیری این سری از آلیاژها نسبت به بقیه آلیاژ های سری 300 سخت تر باشد.
جوش پذیری
کلاس های آستنیتی استنلس استیل، عموماً جوش پذیری مناسبی با هر دو روش نفوذی و مقاومتی از خود نشان می دهند.
کاربرد ها
قطعات کوره، قطعات موتور هواپیما و جت، مبدل های حرارتی، تجهیزات انتقال سولفیت ها، آستر های کوره، دیگ های بخار، تجهیزات فرایند های شیمیایی و پالایش، قطعات اگزوز خودرو.
معرفی استنلس استیل 304
آلیاژ استنلس استیل 304 بر پایه اصلاحات انجام شده روی آلیاژ معروف 302 (8-18) به وجود می آید. این اصلاحات شامل افزودن کروم و کاهش کربن است. مقدار کربن پایین، ته نشینی کاربید کروم را کاهش داده که تأثیر مستقیمی روی جوش پذیری و مقاومت در برابر خوردگی مرزدانه ای خواهد داشت.
آلیاژ استنلس استیل L304 نیز اصلاح شده نوع 304 اما با مقدار کربن کمتر (حداکثر 0.030%) است. که ته نشینی کاربید ها را به حداقل رسانده و جوش پذیری را بهبود می بخشد. در نتیجه از لحاظ جوشکاری بسیار مناسب، حتی در محیط های خورنده می باشند.
این آلیاژ ها به استنلس استیل نگیر مشهور هستند. در واقع، نگیر بودن، نشان دهنده خواص غیرمغناطیسی این آلیاژ ها به علت دارا بودن زمینه و ساختار آستنیتی آنهاست. 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.
ترکیب شیمیایی
|
L304 % |
304 % |
|
0.03 |
0.07 |
کربن |
2.00 |
2.00 |
منگنز |
0.045 |
0.045 |
فسفر |
0.030 |
0.030 |
گوگرد |
0.75 |
0.75 |
سیلیسیم |
19.5-17.5 |
19.5-17.5 |
کروم |
12.0-8.0 |
10.5-8.0 |
نیکل |
0.01 |
0.01 |
نیتروژن |
متعادل |
متعادل |
آهن |
استنلس استیل های 304 و L304 با توجه به استاندارد های زیر آنالیز می شوند.
L304 |
304 |
5511 AMS |
5513 AMS |
240A ASTM |
240A ASTM |
666A ASTM |
666A ASTM |
خواص مکانیکی
خواص مکانیکی در دمای اتاق
سختی راکول |
E % in 50.8mm |
0.2% YS Ksi (Mpa) |
UTS Ksi (MPa) |
|
80B |
55 |
(241) 35 |
(586) 85 |
L304 |
82B |
55 |
(290) 42 |
(621) 90 |
304 |
مقاومت در برابر خوردگی
آلیاژهای استنلس استیل 304 مقاومت به خوردگی فوق العاده ای در برابر گستره وسیعی از شرایط جوی، شیمیایی، صنایع غذایی، نساجی و نفت از خود نشان می دهند.
مقاومت در برابر اکسیداسیون
حداکثر دمایی که آلیاژهای 304 مقاومت در برابر پوسته پوسته شدن از خود نشان می دهند.
مداوم |
تناوبی |
°C 830 |
°C 800 |
عملیات حرارتی
استنلس استیل های 304 به وسیله عملیات حرارتی قابل سخت شدن نیستند. آنیل: گرم کردن تا 1120 درجه سانتی گراد، سپس به سرعت کوئنچ می شود. استریپ های نازک بار در هوا، اما کلفت بار ها به منظور به حداقل رساندن ته نشینی کاربید ها باید در آب کوئنچ گردند.
شکل پذیری
این آلیاژ ها خواص کششی خیلی خوبی دارند. استحکام تسلیم پایین و قابلیت تغییر طول زیاد این اجازه را به آنها می دهد که قابلیت شکل پذیری در اشکال پیچیده را داشته باشند.
جوش پذیری
کلاس های آستنیتی استنلس استیل، عموماً جوش پذیری مناسبی با هر دو روش نفوذی و مقاومتی از خود نشان می دهند.
کاربرد ها
دکوراسیون داخلی، تجهیزات آشپزخانه، صنایع شیمیایی، نساجی، کاغذ و دارویی
معرفی استنلس استیل 316
استنلس استیل 316 شامل عنصر مولیبدن می باشد. این ماده مقاومت عمومی در برابر خوردگی را افزایش داده، مقاومت خوردگی حفره ای در برابر محلول های دارای یون کلر را بهبود بخشیده و استحکام در دماهای بالا را افزایش می دهد. خواص این آلیاژ مشابه استنلس استیل 304 است با این تفاوت که استنلس استیل 316 در دماهای بالا قوی تر است. مقاومت در برابر خوردگی، مخصوصاً در مقابل سولفوریک اسید، هیدروکلریک اسید، استیک اسید، فورمیک اسید، تانتاریک اسید، کلرید های سولفات، و آلکالین بسیار بالا می باشد. استنلس استیل L316 آلیاژ اصلاح شده با درصد پایین تر کربن جهت به حداقل رساندن ته نشینی کاربید های مضر در جوشکاری می باشد.
ترکیب شیمیایی
|
L316 % |
316 % |
|
0.03 |
0.08 |
کربن |
2.00 |
2.00 |
منگنز |
0.045 |
0.045 |
فسفر |
0.030 |
0.030 |
گوگرد |
0.75 |
0.75 |
سیلیسیم |
18.0-16.0 |
18.0-16.0 |
کروم |
14.0-10.0 |
14.0-10.0 |
نیکل |
0.01 |
0.01 |
نیتروژن |
متعادل |
متعادل |
آهن |
3.00-2.00 |
3.00-2.00 |
مولیبدن |
خواص مکانیکی در دمای اتاق
سختی راکول |
E % in 50.8mm |
0.2% YS Ksi (Mpa) |
UTS Ksi (MPa) |
|
79B |
50 |
(290) 42 |
(579) 84 |
316 |
79B |
50 |
(290) 42 |
(558) 81 |
L316 |
مقاومت در برابر خوردگی
آلیاژ های استنلس استیل 316 و L316 مقاومت در برابر خوردگی بهتری نسبت به آلیاژ های 304 از خود نشان می دهند. این آلیاژ ها مقاومت در برابر حفره ای شدن و مقاومت خوبی در برابر اکثر مواد شیمیایی درگیر در صنایع کاغذ، نساجی و عکاسی دارند.
عملیات حرارتی
استنلس استیل های 316 به وسیله عملیات حرارتی قابل سخت شدن نیستند. آنیل: گرم کردن تا 1149 درجه سانتی گراد، سپس به سرعت کوئنچ می شود.
شکل پذیری
آلیاژ های 316 و L316 به راحتی شکل گرفته و مورد کشش واقع می شوند.
جوش پذیری
کلاس های آستنیتی استنلس استیل، عموماً جوش پذیری مناسبی با هر دو روش نفوذی و مقاومتی از خود نشان می دهند.
کاربرد ها
محیط های حاوی کلر و آلوده دریایی، آب های شیرین، لوله ها، مخازن، پتروشیمی، صنایع کاغذ و خمیر کاغذ، کنترل آلودگی، نفت و هیدرومتالورژی
استنلس استیل
علت نامگذاری این آلیاژها تحت عنوان استنلس استیل این است که برخلاف فولاد های معمولی در مقابل هوا و رطوبت لکه نشده و زنگ نمی زنند. استنلس استیل آلیاژهایی از آهن با حداقل 11% کروم می باشند. کروم در فولاد باعث ایجاد خاصیت محافظت یا رویین شدن در مقابل خوردگی می گردد. علت به وجود آمدن این خاصیت، تشکیل لایه اکسید کروم بسیار چسبنده با ضخامت تقریبی 100 آنگستروم بر سطح فولاد می باشد که اکسیژن موجود در هوا برای ایجاد آن کافی است. در استنلس استیلی که فقط حاوی کروم بوده و عناصر آلیاژی دیگری ندارند، این لایه اکسیدی دارای ترکیب Cr2O3 و در فولادهایی با عناصر آلیاژی دیگر، ترکیبی از اکسید آنها می باشد که معمولاً باعث تثبیت آن در محیط های شیمیایی می گردند.
خاصیت رویینگی با افزایش درصد کروم افزایش می یابد. حداقل درصد کروم برای تشکیل محافظ 10.5% می باشد که در این حالت استنلس استیل تنها در مقابل اتمسفر عادی مقاوم می باشد. وقتی درصد کروم به 25 تا 30% افزایش یابد، خواص اصلی استنلس استیل یعنی مقاومت به خوردگی، افزایش یافته و مقاومت به اکسیداسیون به حداکثر خود می رسد. رویینگی وضعیتی موقتی و غیرپایدار از استنلس استیل می باشد که پایداری آن علاوه بر ترکیب فولاد، بستگی به عواملی نظیر نوع و غلظت محیط خورنده، درجه حرارت و غیره دارد.
اگرچه بیشترین کاربرد استنلس استیل به علت خاصیت مقاومت به خوردگی آنها در محیط های مختلف شیمیایی است، اما کاربرد مهم دیگر آنها در درجه حرارت های بالا تحت عنوان آلیاژهای مقاوم به دما می باشد که معمولاً کمتر به آنها توجه می شود.
گروه بندی استنلس استیل
آلیاژ استنلس استیل برای اینکه در مقابل خوردگی از خود مقاومت نشان دهد، بایستی حداقل 11% کروم در ساختار آن وجود داشته باشد. 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<C<1.2%، 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.
ویژگی ها و خواص گروه ها
1-گروه فریتی
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.
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.
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 استیل 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.
استیل 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.
2-گروه مارتنزیتی
عناصر آلیاژی این گروه کروم و کربن هستند. مارتنزیت یکی دیگر از فاز های آهن 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. درصد کربن آلیاژ های مارتنزیتی ممکن است تا 1.2% نیز برسد. 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. مقاومت به خوردگی آلیاژ های مارتنزیتی غالباً از بسیاری از آلیاژ های آستنیتی و فریتی کمتر بوده ولی کلاً در حد متوسط می باشد. استیل 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
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 استنلس استیل 304 آن را به استنلس استیل 321 از دیگر آلیاژ های گروه آستنیتی تبدیل می کند. از دیگر آلیاژ های پرکاربرد این گروه استنلس استیل 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.
خواص گروه آستنیتی:
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.
