فولادهای زنگ نزن، فولادهای آلیاژی پیچیده ای هستند که دارای حداقل 10.5% کروم بدون و یا همراه با عناصر آلیاژی دیگری هستند که می توانند زمینه‌های آستنیتی، فریتی، دوفازی فریتی-آستنیتی، مارتنزیتی یا رسوب سخت شونده داشته باشند. در ادامه به توضیحی مختصر در خصوص انواع فولادهای زنگ نزن پرداخته میشود.
فولادهای زنگ نزن آستنیتی:
فولادهای آستنیتی 70-65% کل فولادهای زنگ نزن تولیدی آمریکا را به خود اختصاص میدهند زیرا آنها دارای مقاومت به خوردگی، استحکام و چقرمگی بالایی در دماهای پایین و بالا و خواص عالی در دماهای زیر صفر هستند. بطور کلی این فولادها از نوع Fe-Cr-Ni-C و Fe-Cr-Mn-Ni-N هستند که 26-16 درصد کروم، 0.75-19 درصد منگنز، 40-1 درصد نیکل، 0.35-0.03 درصد کربن و مقداری نیتروژن، برای پایدار کردن آستنیت در دمای اتاق و دماهای بالا دارند. سری 2XX این فولادها (Cr-Mn-Ni) شامل نیتروژن، 15.5-5.5% منگنز و تا 6% نیکل میباشد و سری 3XX (Cr-Ni) دارای مقدار بیشتری نیکل و 2% منگنز میباشد. مولیبدن، مس و سیلیسیم برای افزایش مقاومت خوردگی میتواند اضافه شود. تیتانیوم و نایوبیوم برای کاهش حساسیت به خوردگی مرزدانهای اضافه میشود. افزودن مولیبدن و نیتروژن میتواند مقاومت به حفرهای شدن را بالا ببرد. سیلیسیم و مس نیز برای افزایش مقاومت به ترک ناشی از تنش-خوردگی افزوده میشود.
گوگرد و سلنیوم به برخی انواع این فولادها برای افزایش قابلیت ماشین کاری اضافه میشود. نیتروژن هم روی افزایش استحکام فولادهای آستنیتی اثر میگذارد.
فولادهای آستنیتی ترکیب بسیار خوبی از مقاومت خوردگی، انعطاف پذیری، چقرمگی و جوش پذیری ارائه میکنند. اگرچه، استحکام تسلیم آنها در حالت آنیل شده نسبتا پایین و در محدودهیMpa 200 تا 250 است. برای جبران قابلیت جوش پذیری فولادهای آستنیتی پر نیتروژن، منگنز به آنها افزوده میشود. بعلاوه، منگنز میتواند جایگزین بخشی از نیکل به عنوان یک عنصر پایدارکنندهی آستنیت شود و میزان حلالیت نیتروژن را بالا ببرد.
راه دیگر افزایش استحکام فولادهای آستنیتی کار سختی است. انرژی نقص چیدن کم این فولادها و تشکیل مارتنزیت در حین تغییر شکل موجب کارسختی زیاد این فولادها و افزایش استحکام تسلیم آنها به بالاتر از Mpa1200 میشود. البته گرم شدن این فولادها در اثر جوش کاری یا کار باعث بازیابی، تمپر مارتنزیت، و حتی تبلور مجدد و در نتیجه افت استحکام میشود.
فولادهای زنگ نزن فریتی
فولادهای زنگ نزن فریتی اصولا شامل 30-10.5% کروم هستند و مقادیری Mn و Si و گاهی نیز Mo، Ni، Al، Ti یا Nb برای منظورهای خاص افزوده میشوند. چون این فولادها در دمای اتاق و دماهای بالا بصورت فریتی هستند، بنابراین قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی را ندارند. دمای انتقال تردی-نرمی فولادهای زنگ نزن فریتی بالاتر از دمای اتاق است. استحکام تسلیم فولادهای زنگ نزن در حالت آنیل معمولا در محدودهیMpa 415-275 میباشد. این فولادها از انعطاف پذیری خوب، مقاومت به خوردگی در محیط مایع و اکسیداسیون دمای بالا، مقاومت به حفره ای شدن و ترک خوردن ناشی از تنش-خوردگی و قیمت پایین تر نسبت به نوع آستنیتی برخوردار است. این فولادها با کد 4XX مشخص میشوند. این فولادها مقاومت عالی در برابر خوردگی عمومی، حفره ای شدن و خوردگی تنشی شیاری در محیطهای حاوی یونهای کلر دارند. کابردهای عمدهی آنها در صنایع شیمیایی، پتروشیمیایی، کاغذ و نمک زدایی میباشد.
فولادهای زنگ نزن دوپلکس
فولادهای زنگ نزن دوپلکس دارای 29-18% کروم، 8.5-2.5% نیکل و 4-1% مولیبدن، تا 2.5% منگنز، تا 2% سیلیسیم و تا 3.5% نیتروژن میباشند. این فولادها شامل ترکیبی از فریت و آستنیت میباشند. نسبت بین فریت و آستنیت تعیین کننده خواص مکانیکی فولادهای دوپلکس میباشد. با افزایش درصد حجمی فریت، استحکام تسلیم افزایش مییابد. بیشترین استحکام نهایی مربوط به ساختاری با با حداکثر 80% فریت میباشد. در مقایسه با فولادهای آستنیتی، این فولادها دارای استحکام تسلیم به مراتب بالاتری هستند (حدود 2 تا 3 برابر بزرگتر) و مقاومت بیشتری به ترک خوردن ناشی از تنش-خوردگی دارند ولی خاصیت کشش عمیق آنها از فولادهای آستنیتی کمتر است. در مقایسه با فولادهای فریتی، دارای چقرمگی، شکل پذیری و جوش پذیری بالاتری میباشند. فولادهای دوپلکس در محدوده دمایی°C 300 تا 950 کاربرد ندارند. بطور کلی این فولادها دارای استحکام تسلیم بیش از دو برابر فولادهای آستنیتی یا فریتی است. آنها هم چنین چقرمگی و انعطاف پذیری بهتری نسبت به فولادهای فریتی و مارتنزیتی و مقاومت به خوردگی مرزدانه ای و تنشی بهتری نسبت به فولادهای آستنیتی دارند. این ترکیب خوب از خواص موجب شده است که آنها در صنایع نفت و گاز به کار گرفته شوند.
فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی
آهن خالص، فولادهای کم آلیاژی مقاومت به خوردگی خوبی در هوا، آب یا اغلب محیطها ندارند. مقاومت فولادها به خوردگی را میتوان با افزودن برخی عناصر آلیاژی بالا برد. استحکام بالای این فولادها با کوئنچ و تشکیل مارتنزیت و سپس تمپر کردن بدست میآید. چنین فولادهایی به نام فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی معروف هستند.
فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی شامل 18-11.5% کروم، 1.2-0.8% کربن و سایر عناصر آلیاژی کمتر از 0.3% میباشند. آنها پس از کوئنچ و تمپر به استحکام تسلیم از Mpa 550 تا 1900 میرسند. کروم باعث افزایش سختی پذیری این فولادها میشود به طوری که میتوان آنها را حتی ضخامتهای زیاد در هوا سخت کرد. با افزایش درصد کروم، درصد کربن نیز باید بیشتر شود تا آستنیت پایدار بماند.
عناصر آلیاژی دیگری مانند نیکل و مولیبیدن نیز به فولادهای مارتنزیتی افزوده میشود. افزودن نیکل موجب میشود که به کربن کمتری نیاز باشد و در نتیجه چقرمگی و مقاومت خوردگی افزایش یابد. در فولادهای نرم و چقرمهی مارتنزیتی شامل کربن کم، مقدار نیکل به 5% وزنی افزایش مییابد. استحکام این فولادهای مارتنزیتی نرم با فرآیند رسوب سختی بالا میرود. مولیبدن نیز چقرمگی و مقاومت خوردگی را بهبود میدهد. باید خاطر نشان کرد که مقاومت خوردگی فولادهای مارتنزیتی به طور قابل توجهی نسبت به سایر فولادهای زنگ نزن پایینتر است.
یکی از مهمترین فولاد این گروه، فولاد AISI 410 با ترکیب 12.5% کروم و 0.1% وزنی کربن میباشد. در حالت سخت شده، استحکام تسلیم این فولاد حدودMpa 1300 اگرچه با تمپر در دماهای بالا، این استحکام به مقدار زیادی کاهش مییابد. حداکثر مقدار نیکل به 18% وزنی و کروم نیز به 0.1% وزنی میرسد. کروم و مولیبدن ناحیهی آستنیت را کوچک میکنند که با افزودن کربن و نیکل آن را جبران میسازند.
