طبق موسسه آمریکایی AISI برای گریدهای اساسی، تنها تفاوت عملیاتی میان ورق استیل 304 یا 316، و L 316 یا L 304 محتوای کربن آنهاست. بیشینه مقادیر کربن در آلیاژهای 304 و 316، 0.08 درصد و برای گریدهای L 304 و L 316، 0.030 درصد می باشد. مقادیر همه عناصر دیگر آنها اساساً مساوی است، همچنانکه مثلاً میزان نیکل در 304، 8 تا 10.5 درصد و برای L 304، 8 تا 12 درصد می باشد.
در خصوص فولاد نوع L 304، دو نوع گرید اروپایی وجود دارد: 1.4306 و 1.4307. آلیاژ 1.4306 متداول ترین گونه ی فولاد ارائه شده در خارج از کشور آلمان است. گریدهای (304) 1.4301 و (L 304) 1.4306 به ترتیب دارای بیشینه ی مقدار کربن 0.07 درصد و 0.030 درصد هستند. میزان کروم و نیکل برای گریدهای مزبور یکسان است. چنانچه بیشینه مقدار نیکل در هر دو گرید 8 درصد می باشد. به ازای آلیاژهای 316 و L 316، به ترتیب آلیاژهای اروپایی 1.4401 و 1.4404 وجود دارد که تمام عناصر در آنها یکسان است و بیشینه ی مقادیر کربن شان به ترتیب 0.07 درصد برای گرید 1.4401 و 0.030 درصد برای گرید 1.4404 می باشد.
تاثیر کربن بر مقاومت خوردگی
گونه های کم کربن مثل L 316 به عنوان جایگزین هایی برای گونه های با کربن استاندارد نظیر 316 ساخته شدند بدین منظور که بر مشکل خطر خوردگی بین دانه ای (مثلاً در اثر خرابی جوش)، غلبه نمایند که این موضوع در روزهای آغازین به عنوان مشکلی در جهت استفاده از لوله های استنلس استیل مطرح شده بود. چنانچه فولاد در محدوده دمایی 450 تا 850 درجه سانتی گراد برای مدت چندین دقیقه باقی بماند، این مشکل می تواند بروز کند و در نتیجه ی محیط های شدیداً خورنده (حمله ای) ظاهر می گردد. آنگاه پدیده خوردگی در کنار مرزهای دانه اتفاق می افتد.
چنانچه میزان کربن زیر 0.030 درصد باشد آنگاه این خوردگی بین دانه ای پس از بروز این دماها اتفاق نمی افتد، خصوصاً برای تعیین مدت زمان به کار رفته در مناطق جوشکاری شده ی حرارت دیده در قسمت های ضخیم استیل.
تاثیر میزان کربن بر قابلیت جوشکاری (جوش پذیری)
دیدگاهی وجود دارد مبنی بر اینکه جوشکاری بر روی انواع کم کربن فولادها آسانتر است تا جوشکاری بر روی انواع فولادهای با کربن استاندارد.
به نظر می‌رسد دلیل روشنی برای این مطلب وجود نداشته باشد و تفاوتها احتمالاً مربوط به استحکام پایین تر نوع کم کربن فولاد می شود. نوع کم کربن ممکن است آسان تر شکل گرفته و فرم بپذیرد ولی این امر در جای خود نیز امکان دارد در باقیمانده ی تنش به جامانده بر فولاد پس از فرم دهی و مناسب سازی جهت جوشکاری، تاثیر بگذارد. این مشکل ممکن است ناشی از این مطلب باشد که در تیپ های با کربن استاندارد برای نگهداری حالت شان در وضعیتی که برای جوشکاری آماده سازی شده اند، نیروی بیشتری مورد نیاز است. چنانچه در این حالت به خوبی در جای خود فیکس نشده باشد، میل بیشتری به بازگشت فنری در آن بروز می‌کند.
مواد مصرفی جوشکاری در هر دو نوع بر پایه ترکیبات کربن پایین استوار است. زیرا بدین شکل ریسک خوردگی بین دانه ای در قلاب جامد شده ی جوش از میان می‌رود و یا از پخش و انتشار کربن در فلز مادر (اصلی) پیشگیری می شود.
در بسیاری از پروسه های تولید مدرن از کوره های دمابالا برای تکمیل فرآیند تولید قطعات فلزی استفاده می شود. قرار دادن این قطعات در دماهای بسیار بالا و به مدت طولانی برای مواردی مانند آنیل شدن، پوشش دهی دمابالا یا استریلیزه کردن امری متداول است. اما مسئله این است که هر محفظه ای که برای نگهداشتن این قطعات در این دماها استفاده می شود خود نیز در معرض این دماها قرار دارد.
سبدهایی که برای نگه داشتن قطعات در دمای کوره استفاده می شوند باید از موادی ساخته شده باشند که بتواند چنین دماهای شدیدی را تحمل کند. مقاومت فولاد های زنگ نزن (استنلس استیل ها) در برابر دما معمولا بالاست، اما کدام یک از این فولادها برای استفاده در کاربردهای دما بالا بهترین گزینه است؟
جواب این سوال نه تنها به حداکثر دمای کاربرد بلکه به مدت زمانی که این تجهیزات در معرض دمای قرار دارند نیز بستگی دارد و به همین دلیل است که در مشخصات بسیاری از آلیاژهای فلزی، حداکثر دمای کاری در سرویس دهی های پیوسته و متناوب گزارش می شوند.
بررسی دمای کاری انواع ورق استیل تحت شرایط پیوسته و متناوب
زمانی که می خواهیم ماده ای را برای استفاده در کوره انتخاب کنیم، مهم است بدانیم که این آلیاژ چه مدت در معرض آن دما قرار خواهد گرفت؛ چند ثانیه، چند دقیقه، یک ساعت و یا بیشتر. به تماس کوتاه و متناوب با حرارت که پس از آن آلیاژ از کوره خارج شده تا خنک شود، تماس متناوب یا ادواری و به تماس طولانی مدت با حرارت در کوره تماس پیوسته گفته می شود.
تحمل دمایی آلیاژهای فلزی در برابر دماهای بالا با توجه به متناوب یا پیوسته بودن تماس این آلیاژها با حرارت، ممکن است متفاوت باشد. در فهرست زیر توان تحمل حرارت متناوب و پیوسته برخی از فولادهای زنگ نزن ارائه شده است:
· ورق استیل 304
· پیوسته: 1,700°F (925°C)
· متناوب: 1,600°F (870°C)
· ورق استیل 309
· پیوسته: 2,000°F (1,095°C)
· متناوب: 1,800°F (980°C)
· ورق استیل 310
· سرویس دهی های پیوسته: 2,100°F (1,150°C)
· سرویس دهی های متناوب: 1,900°F (1,025°C)
· ورق استیل 316
· سرویس دهی های پیوسته: 1,700°F (925°C)
· سرویس دهی های متناوب: 1,600°F (870°C)
· ورق استیل 410
· سرویس دهی های پیوسته: 1,300°F (705°C)
· سرویس دهی های متناوب: 1,500°F (815°C)
· ورق استیل 420
· سرویس دهی های پیوسته: 1,150°F (620°C)
· سرویس دهی های متناوب: 1,350°F (735°C)
· ورق استیل 430
· سرویس دهی های پیوسته: 1,500°F (815°C)
· سرویس دهی های متناوب: 1,600°F (870°C)
شاید متوجه روند تحمل دمایی عجیب و غریب ورق استیل سری 300 شده باشید. در این فولادها حداکثر دمای کاری در شرایط پیوسته از حداکثر دمای متناوب بالاتر است. در حالی که حالت طبیعی تر این است که فرض کنیم قرار دادن فولاد در معرض دماهای بالا به مدت کوتاه تر فشار کمتری به فولاد می آورد.
اما تماس متناوب با حرارت کوره عوامل تنش زای دیگری به جز خود حرارت در پی دارد – پدیدهای که به آن «سیکل حرارتی» می گویند. زمانی که دمای آلیاژ از دمای بسیار بالا به دمای به شدت پایین تغییر کند، اتفاقاتی رخ می دهد.
فلزات و آلیاژهای فلزی با افزایش دما منبسط و با کاهش دما منقبض می شوند. بعلاوه، در دمای کوره ممکن است توده هایی به شکل پوسته روی سطح فولاد انباشته شوند – پوسته های تشکیل شده روی سطح فولاد از آهن و اکسید آهن ساخته شده اند که جایگزین لایه خارجی (لایه پسیو) می شود.
زمانی که آلیاژ در معرض سیکل های حرارتی بین دماهای بالا و پایین قرار می گیرد، این توده ها (پوسته ها) ترک خورده و از همدیگر جدا می شوند و در نهایت منجر به تضعیف فولاد می شوند. این مورد ممکن است به علت تفاوت در ضریب انبساط فولاد و پوسته های روی سطح آن روی دهد. به زبان سادهتر، بخش داخلی ماده با یک نرخ منقبض یا منبسط می شود ولی توده ها و یا همان پوسته های روی سطح با نرخ دیگری منقبض یا منبسط میشوند. این پدیده باعث میشود ماده لایه لایه از هم جدا شود و در نهایت از بین برود.
کدام فلز برای استفاده در کوره بهترین گزینه است؟
برای انتخاب بهترین آلیاژ در فرآیندهای مرتبط با کوره باید نه تنها توان تحمل دمای پیوسته و/یا متناوب، بلکه قیمت آلیاژ در مقایسه با عملکرد آن را نیز در نظر گرفت.
به عنوان مثال فولاد Inconel 600® را در نظر بگیرید. این آلیاژ برای استفاده در شرایط دمایی بسیار شدید طراحی شده است. این آلیاژ میتواند دمای عملیاتی 2000 ͦF (1093 ͦC) را به طور پیوسته تحمل کند – و از این نظر با ورق استیل 309 قابل مقایسه است.
اما ممکن است بین قیمت آلیاژ برند Inconel® و یک استنلس استیل معمولی تفاوت فاحشی باشد و همین موضوع تاثیر بسزایی در هزینه تهیه یک قطعه ی کوره دارد درحالی که تاثیر آنچنانی بر طول عمر مفید یا کارایی آن قطعه ندارد.
در برخی موارد برای ساخت قطعه ای از کوره که بتواند قطعات شما را در طول فرآیندهای متعدد پس از فرآیند کوره حمل کند، شاید لازم باشد علاوه بر دمای عملیاتی فلز به مقاومت ماده در برابر مواد شیمیایی نیز توجه کنید.
در بین فولادهای زنگ نزن نیز ورق استیل 310 و 309 تحت آلیاژهای مقاوم به حرارت یا استیل نسوز شناخته می شوند. عمده ترین کاربرد این فولاد بکارگیری در ساخت قطعاتی است که در معرض دمای بالا قرار دارند. ساخت قطعات و تجهیزات کوره نمونه ای کاربردهای این دو فولاد زنگ نزن است.
ورق استیل 316، فولادی ضدزنگِ آستنیتی کروم-نیکل و حاوی 2 تا ۳ درصد مولیبدن می باشد. محتوای مولیبدن موجود در این آلیاژ، مقاومت در برابر خوردگی و حفره ای شدن در محلول های یون کلرید و هم چنین مقاومت در دماهای بالا را افزایش می دهد.
این آلیاژ به ویژه در محیط های اسیدی و در برابر خوردگی ناشی از اسیدهای سولفوریک، هیدروکلریک، استیک، فرمیک و تارتار و همچنین سولفات های اسیدی و کلریدهای قلیایی مقاوم می باشد.
ورق استیل 316 در طبیعت بسیار با دوام می باشد. ساخت آن آسان بوده و آلیاژی بهداشتی محسوب می شود و از قابلیت جوشکاری خوبی برخوردار است. فولاد زنگ نزن گرید 316 به میزان قابل توجهی در برابر محلول های برومید، کلرید، اسید سولفوریک، یدیدها و اسیدهای چرب در دماهای بالا مقاومت بیشتری نسبت به دیگر گریدهای فولادهای ضد زنگ از خود نشان می دهد.
آن دسته از ورق های استیل که حاوی مولیبدن هستند، می توانند در ساخت مخازن تولید و نگهداری دارو های حساس نیز به کار گرفته شوند. این موضوع از بهداشتی بودن این آلیاژ ناشی می شود.
موارد کاربرد ورق استیل 316
آشناترین کاربردهای ورق استیل 316 در ساخت مانیفولد اگزوز، قطعات کوره، مبدل های حرارتی، قطعات موتور جت، فرآوری مواد شیمیایی، تجهیزات دارویی، قطعات شیر و پمپ، مخازن، کاغذ، منسوجات و همچنین تجهیزات پردازش و قطعاتی است که در معرض محیط های دریایی قرار دارند.
انواع ورق استیل 316
ورق استیل 316 شامل گرید L 316 نیز می باشد که نوع کم کربن آن است.
ورق استیل گرید L 316
این ورق استیل، نوع کم کربن گرید 316 است. محتوای پایین کربن در این نوع باعث کاهش رسوب کاربیدها در نتیجه ی جوشکاری می شود. بنابراین، برای اطمینان از حداکثر مقاومت در برابر خوردگی، حتی در صورت نیاز به جوشکاری، از این گرید آلیاژی استفاده می شود.
ورق استیل 316 و L 316 نسبت به گرید 304 از مقاومت در برابر خوردگی و دمای بالای بیشتری برخوردارند. این نوع ورق استیل را نمی توان با استفاده از عملیات حرارتی سخت نمود، اما به راحتی می توان آن را شکل داد و تحت کشش قرار داد.
ویژگی های ورق استیل 316
برخی خواص ورق استیل 316 در ادامه آمده است:
· ورق استیل 316 حاوی مولیبدن است و در کلاس آستنیتی دسته بندی می شود.
· این آلیاژ در بخش های دریایی مورد استفاده بسیار قرار می گیرد، چون در برابر خوردگی مقاوم است و حتی می تواند در شرایط های سخت دریایی به کار گرفته شود.
· این آلیاژ وقتی در دماهای مختلف (از 425 تا 860 درجه سانتی گراد) مورد استفاده قرار گیرد، در برابر رسوب کاربید مقاوم خواهد بود.
· از آنجایی که ورق استیل 316 در برابر خوردگی بسیار مقاوم است، در استفاده های مختلف تجاری و صنعتی و همچنین در محیط های دارای کلرید بسیار بالا کاربرد دارد.