استنلس استیل آستنیتی مقاوم در برابر حرارت (309 (S 309) و 310 (S 310))

استیل S 309 و S 310 گونه های کم کربن گریدهای به ترتیب ۳۰۹ و ۳۱۰ می‌باشند و با محتوای کروم و نیکل زیاد، ورق استیل آستنیتی و مقاوم در برابر حرارت محسوب می‌شوند. این فولادهای ضد زنگ در محیط های اکسید کننده و در مجاورت عوامل یا واسطه های اکسیدی، هم در برابر خوردگی مقاومت عالی دارند و هم در درجه حرارت های زیاد از ویژگی های مکانیکی مطلوبی برخوردارند. از این رو جهت ساخت تجهیزات کوره های حرارتی دماهای بالا، تجهیزات خشک کن ها و دیگر قسمت ها و قطعات مهم و کلیدی مربوطه، مواد به کار رفته در کوره ها، صنایع هوایی، پتروشیمی، برق قدرت و نیروگاه های برق و مواردی از این قبیل بسیار مناسب اند. "مقاومت در برابر اکسیداسیون" با قابلیت مقاومت استیل یا فولاد تحت شرایط دمای بالا به مدت طولانی، بدون تشکیل پوسته یا فرسایش توسط آن واسطه یا عامل اکسیدی، مرتبط است. "استحکام حرارتی" نیز برمی‌گردد به آن نقطه ای که در آن نقطه یک لوله فولادی تحت شرایط دمای بالا هنوز دارای استحکام واقعی است بدون اینکه دچار شکستگی و تغییر شکل گسترده ای شده باشد.

مشخصات فولادهای ضدزنگ 309 (S 309) و 310 (S 310)

ASTM A276	JIS G4303	EN 10088-1	GB/T 20878
309	/	X12CrNi23-13/1.4833	16Cr23Ni13
309S	SUS 309S	/	06Cr23Ni20
310	/	X15CrNisI25-21/1.4841	20Cr25Ni20
310S	SUS 310S	X8CrNiSi25-21/1.4845	06Cr25Ni20

ترکیبات شیمیایی فولادهای زنگ نزن 309 (S 309) و 310 (S 310)

گریدها	کربن	سیلیسیوم	منگنز	فسفر	گوگرد	کروم	نیکل
309	0.20	1.00	2.00	0.045	0.03	24-22	15-12
S 309	0.08	1.00	2.00	0.045	0.03	24-22	15-12
310	0.25	1.50	2.00	0.045	0.03	26-24	22-19
S 310	0.08	1.50	2.00	0.045	0.03	26-24	22-19

مشخصات و ویژگی های مکانیکی استنلس استیل 309 (S 309) و 310 (S 310)

گریدها	سطح پایانی	استحکام کششی حداقل (MPa)	استحکام تسلیم حداقل (MPa)	تغییر طور در 50 میلیمتر
309	نورد سرد/ نورد گرم	515	205	30
S 309
310
S 310

ورق استیل 309 (S 309) و 310 (S 310) در مقایسه با اغلب سوپرآلیاژها، مقاومت بهتری نسبت به خوردگی ناشی از درجه حرارت های بالا از خود نشان می‌دهند. مع ذالک، استیل در شرایط جدی کربونیزه یا نیتراته رقیق و سبک، به‌خوبی آلیاژ ۶۰۰ (UNS N06600) یا آلیاژ ۸۰۰ (UNS N08800) عمل نمی‌کند. به لحاظ ترکیب مطلوب دو عامل "مقاومت در برابر خوردگی" و "مقاومت در برابر گرمای زیاد" ورق استیل S 309 و S 310 به طور گسترده در تجهیزاتی که می بایست در مواجهه با گرمای بالا و خوردگی مقاوم و پایدار بمانند، نظیر بویلرها، مخازن تحت فشار، قطعات و تجهیزات صنایع پتروشیمی و صنایع متالورژی به کار رفته اند. در این میان ورق استنلس استیل گرید S 309 در برابر دماهای تا ۹۸۰ درجه سانتیگراد به طور مداوم و ورق گرید S 310 در دماهای بالا حداکثر تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد در کاربرد های مکرر، مقاوم و پایدار هستند.

مقایسه فولاد زنگ نزن و فولاد کربنی

در ترکیب شیمیایی تمام فولادها کربن وجود دارد (تقریبا بین 0.02% تا 2.1%)، اما چرا یکی از انواع فولاد، فولاد کربن نامیده می¬شود؟ در واقع، این از عبارت برای تمایز میان دو دسته فولاد متفاوت از یکدیگر استفاده می¬شود: فولاد کربن و فولاد کم¬آلیاژ. اما فولاد زنگ نزن یا همان استنلس استیل دسته ویژه ای از آلیاژهای فولاد است که به منظور مقاومت در برابر خوردگی طراحی شده اند. در این مقاله به بررسی تفاوت های فولاد زنگ نزن و فولاد کربنی خواهیم پرداخت.

فولاد کربن دقیقا به چه معناست؟

عبارت «فولاد کربن» دو معنی دارد – یک معنی فنی و یک دسته بندی عمومی.

 معنی فنی این عبارت کاملا واضح است: بر اساس استانداردهای موسسه آهن و فولاد آمریکا (به اختصار AISI)، یک فولاد باید مطابق با استانداردهای زیر باشد تا با تعریف فنی فولاد کربنی مطابقت داشته باشد:

هیچ شرطی برای دارا بودن حداقل مقدار کروم، کبالت، کلومبیوم (نوبیوم)، مولیبدن، نیکل، تیتانیوم، تنگستن، وانادیوم، زیرکونیم یا سایر عناصر برای القاء ویژگی ها و خواص آلیاژی وجود ندارد.

حداقل مقداری که برای عنصر مس تعیین می شود نباید بیشتر از 0.4% باشد.

حداکثر مقداری که برای عناصر منگنز، سیلیکون و مس تعیین می شود نباید بیشتر از 1.65% برای منگنز، 0.60% برای سیلیکون و 0.6% برای مس باشد.

این تعریف (تعریف فنی) مقداری پیچیده است اما به زبان ساده¬تر می گوید که فولادهای کربنی واقعی باید تقریبا عاری از عناصر آلیاژی بوده و فقط از دو ماده تشکیل شده باشند: آهن و کربن. مقدار کربن این فولادها متغیر است و می توان از برخی عناصر آلیاژی در آنها استفاده کرد اما در کل، این فولادها بسیار ساده هستند. 

از عبارت «فولاد کربنی» علاوه بر معنی فوق، برای اشاره به دسته وسیعی از آلیاژهای فولاد که از نوع ضدزنگ نیستند نیز استفاده می شود. فولادهای کم آلیاژ برخلاف فولادهای کربنی می توانند مقادیر اندکی از طیف وسیعی از عناصر آلیاژی را در ترکیب شیمیایی خود داشته باشند، و به دلیل این ویژگی¬ می توان آنها را به صورت سفارشی برای طیف گسترده تری از کاربردها تولید کرد. این فولادها از شروط فنی فولادهای کربنی پیروی نمی¬کنند و تفاوت بسیار بزرگتری در دسته بندی فولادها را نشان می دهند.

تعریف فولاد کربنی

تعریف فولاد کربنی بسیار ساده است. این فولاد عمدتا از آهن و مقداری کربن و مقدار بسیار اندکی عناصر آلیاژی تشکیل شده است. آن دسته از فولادهایی که به عناصر آلیاژی نیاز دارند (مانند 4140 و 4340) از نوع فولاد کربنی نیستند. در این تعریف می¬توان فولاد را به دو دسته فولاد کم کربن و فولاد پرکربن تعمیم داد. فولادهای کم کربن بسیار متداول هستند، در حالیکه از فولادهای پرکربن فقط در محیط های غیرخورنده که به استحکام بالایی نیاز دارند استفاده می شود. فولاد 1020 که یک فولاد کم کربن است، یکی از محبوب ترین فولادهای دنیای امروز به حساب می آید.

فولاد A36 یک فولاد کربنی است که در ساخت تیرآهن¬ استفاده می¬شود. 

خواص مکانیکی فولاد کربنی با توجه به مقدار کربن، متغیر است. فولادهای کم کربن ضعیف تر (استحکام کمتر) و نرم تر هستند اما ماشین کاری و جوشکاری این فولادها به آسانی انجام می شود؛ فولادهای پرکربن محکم¬ترند (استحکام بالایی) اما کار با آنها نیز سخت تر است. تمام فولادهای کربنی در برابر زنگ-زدگی آسیب پذیرند و به همین دلیل در بسیاری از کاربردها نمی¬توان از این فولادها استفاده کرد. به طور کلی، اگر به دنبال ماده ای ارزان قیمت هستید، فولاد کربنی گزینه بی نظیریست، اما باید بخاطر داشته باشید که این فولادها برای عملیات¬های تولیدی که به دقت و کیفیت بالایی نیاز دارند مناسب نیستند.

فولادهای کم آلیاژ (گاهی اوقات به این فولادها، فولاد کربن نیز گفته می شود)

در فولادهای کم آلیاژ به منظور بهبود خواص در مقایسه با فولادهای کربنی، از یک یا چند عنصر آلیاژی (مانند کروم، کبالت، نوبیوم، مولیبدن، نیکل، تیتانیوم، تنگستن، وانادیوم یا زیرکونیم) استفاده می شود. این فولادها محکم تر و سفت تر هستند و مقاومت شان در برابر خوردگی از فولادهای کربنی بیشتر است.

در فولادهای آلیاژی، این عناصر اصلی آلیاژی (علاوه بر کربن) هستند که نوع فولاد را تعیین می کنند. به عناون مثال، فولاد 4140، یکی از متداول¬ترین آلیاژهای فولاد، یک آلیاژ فولاد کروم-مولیبدن است. یعنی در این آلیاژ، کروم (که مقاومت فولاد در برابر خوردگی را افزایش می¬دهد) و مولیبدن (که چقرمگی فولاد را افزایش می¬دهد) عناصر آلیاژی اصلی هستند. از فولاد 4140 در دماهای بالا و کاربردهایی که به مقاومت بالا در برابر سایش نیاز دارند استفاده می شود.

از فولاد 4140 در ساخت شفت، پیچ بولت، چرخ دنده و بسیار از قطعات ماشین¬کاری¬شده استفاده می-شود. 

فولادهای آلیاژی یکی از پرکاربردترین فولادها در صنایع امروزی هستند. می¬توان آن¬ها را ماشین¬کاری کرد، قیمت مناسبی دارند، به وفور در دسترس هستند و خواص مکانیکی بسیار خوبی دارند. اگر نیازی به مقاومت در برابر خوردگی ندارید، فولادهای کم¬آلیاژ مقرون¬ به ¬صرفه¬ترین گزینه ممکن هستند.

همان خواصی که باعث می شود تولید قطعات فولادهای آلیاژی با روش های مرسوم، مقرون به صرفه باشد، از اهمیت کمتری برای تولید به روش پرینت سه بعدی برخوردار است. این فولادها ارزان هستند و ماشین¬کاری آن¬ها بسیار راحت است، در نتیجه تولید قطعات فولادی با تکنولوژی چاپ سه بعدی به علت هزینه بالاتر تولید با این روش، به هیچ وجه صرفه اقتصادی ندارد. برخی از شرکت¬های چاپ سه بعدی سفارشات فولادهای کم¬آلیاژ مانند فولاد 4140 را تولید می کنند اما این تعداد این شرکت ها انگشت شمار است.

فولادهای زنگ نزن (استنلس استیل)

خاصیت اصلی فولادهای ضدزنگ مقاومت شان در برابر خودگی است. این خاصیت به علت دارا بودن کروم زیاد (وزنی %>10.5) و کربن کم (وزنی %<1.2) می باشد. خواص مکانیکی و مقاومت این فولادها در برابر خوردگی، از یک گرید تا گرید دیگر بسیار متفاوت است.

از گریدهای ضدزنگ مانند 316L در ساخت پروانه¬ها و سایر قطعات غوطه¬ور در سیالات استفاده می¬شود. م

فولادهای ضدزنگ آستنیتی متداول¬ترین نوع فولاد ضدزنگ هستند. در برابر خوردگی مقاومند، جوشکاری و ماشین کاری آنها به راحتی انجام می شود اما نمی توان روی آنها عملیات حرارتی انجام داد. در بین فولادهای زنگ نزن آستنیتی ورق استیل 304 معروفترین، پر کاربردترین و پر فروش ترین رده آلیاژی در بین استنلس استیل ها است. در بین فولادهای آستنیتی ورق استیل L 316 مقاوم¬ترین گرید در برابر خوردگی است. از این گریدها در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می¬شود – زیرا هم ضد آب هستند و هم می توان از آنها در هر محیطی استفاده کرد. این فولادها گران تر هستند و می¬توان از تکنولوژی پرینت سه بعدی برای ساخت قطعات این فولادها استفاده کرد.

خواص مکانیکی فولادهای ضدزنگ مارتنزیتی از فولادهای آستنیتی بهتر است اما شکل¬پذیری کمتری دارند. کاربردهای این فولادها به طور کلی از فولادهای آستنیتی کمتر است. اما فولادهای مارتنزیتی به علت استحکام و سختی بالا همراه با مقاومت عالی در برابر خوردگی که بسیار بهتر از فولادهای کم¬آلیاژ است، برای ساخت قطعاتی مناسب هستند که علاوه بر مقاومت در محیط¬های اکسیدکننده به استحکام بالا نیز نیاز دارند. همچنین در این فولادها می¬توان به منظور افزایش سختی، استحکام و سفتی فولاد از عملیات حرارتی نیز استفاده کرد.

گرید 17-4 PH نیز یکی از گریدهای بسیار کاربردی مارتنزیتی است که می¬توان خواصش را با انجام عملیات حرارتی تغییر داد. این فولاد سختی بالا و قابلیت ماشین¬کاری بسیار پایینی دارد، و به همین دلیل تولید قطعات این فولاد با چاپ سه¬بعدی معمولا ارزان¬تر از ماشین¬کاری است. 

فولادهای زنگ نزن فریتی (دارای خواص مغناطیسی) دارای 10.5 الی 27 درصد عنصر کروم و کمتر از 0.2 درصد کربن در ترکیب شیمیایی خود هستند. یکی از تفاوت های این فولادها با استیل های آستنیتی مربوط به میزان عنصر نیکل است. فولادهای آستنیتی معمولا دارای حداقل 8 درصد نیکل در ساختار خود هستند. در حالی که میزان این عنصر در گروه فریتی به کمتر از یک درصد می رسد. 

به طور کلی مقاومت به خوردگی عمومی این گروه از فولادها در مقایسه با استیل های آستنیتی کمتر بوده و فقط زمانی که در معرض پدیده خوردگی تنش بالا قرار می گیرند عملکرد بهتری نسبت به گروه آستنیتی دارند. 

معروف ترین و پرکاربردترین رده آلیاژی در بین این فولادها ورق استیل 430 بوده که به استیل بگیر معروف است.

فولاد ضدزنگ در برابر فولاد کربن

بحث مقایسه فولاد کربن در برابر فولاد ضدزنگ از آن چه فکر می¬کردیم اندکی پیچیده¬تر است، زیرا خود فولاد کربن نیز به دو دسته کاملا متفاوت تقسیم می¬شود: فولاد کربن معمولی و فولاد کم آلیاژ.

استنلس استیل ها در مقایسه با فولادهای کم کربن استحکام، سختی و از همه مهم تر، مقاومت بهتری در برابر خوردگی دارند. فولادهای پرکربن استحکام بالایی دارند و استحکام شان گاهی اوقات حتی از فولادهای زنگ نزن نیز بهتر است اما کاربرد چندانی ندارند. فولادهای زنگ نزن برخلاف فولادهای کربنی می¬توانند در محیط¬های خورنده، اکسیداسیونی یا مرطوب دوام بیاورند. اما باید بخاطر داشت که فولادهای کربن بسیار ارزانتر از فولاد ضدزنگ هستند و برای ساخت قطعات سازه ای بزرگ مانند لوله، تیرآهن و ورق فولادی مناسب ترند.

فولاد کم¬ آلیاژ از بسیاری جهات از فولاد کربن بهتر است اما در برابر خوردگی مقاومتی ندارد. بسیاری از خواص این فولادها مشابه خواص فولاد ضدزنگ است. مثلا از آلیاژهایی مانند 4140 و 4340 در ماشین-کاری و کاربردهایی متعددی که اندکی اکسیداسیون مشکلی ایجاد نمی کند استفاده می شود. فولاد ضدزنگ کیفیت بالاتری دارد و در عملیات¬های صنعتی که کیفیت قطعات باید در بالاترین حد ممکن باشد از فولاد ضدزنگ استفاده می¬شود.