موضوع: معرفی فولاد زنگ نزن

فولاد زنگ نزن شامل گروهی از فولادهای پر آلیاژ بر پایه سیستمهای Fe-Cr ، Fe-Cr-C و Fe-Cr-Ni می باشد. این فولادها برای زنگ نزن بودن باید حاوی حداقل 10.5 درصد وزنی کروم باشند. این میزان کروم باعث تشکیل یک سطح غیر فعال اکسیدی می شود که از اکسیداسیون و خوردگی فلز زیری ، در شرایط محیط و غیر خورنده جلوگیری می کند. برخی از فولادها که حاوی کمتر از 11 درصد وزنی کروم هستند ، همانند آلیاژهای 9 درصد وزنی کروم برای کاربردهای تولید انرژی استفاده می شوند و گاهی هم با فولادهای زنگ نزن در یک گروه قرار می گیرند. باید در نظر گرفت که بسیاری از فولادها با 12 درصد وزنی کروم و یا فولادهایی با میزان کروم بیشتر در شرایط محیط دچار زنگ زدگی می شوند. این موضوع ناشی از آن است که مقداری از کروم به صورت کاربید و یا ترکیبات دیگر در می آید و میزان کروم محلول در زمینه کاهش می یابد و به کمتر از حد مورد نیاز جهت تشکیل پوسته محافظ اکسیدی پیوسته می رسد. مثال معمول این وضعیت آلیاژهای روکش کاری سخت ، دارای ترکیب اسمی 25 درصد وزنی کروم و 4 درصد وزنی کربن می باشد که به علت تشکیل مقدار زیادی کاربیدهای کروم دچار زنگ زدگی می شوند. محیط های خورنده که با حمله کردن به پوسته ی اکسیدی باعث از بین رفتن آن می گردند ، سبب خوردگی فولادهای زنگ نزن می شوند. خوردگی به صورتهای مختلفی به وقوع می پیوندد که شامل خوردگی حفره ای ، خوردگی شیاری و خوردگی بین دانه ای می باشد. نوع خوردگی متأثر از نوع محیط خورنده ، شرایط متالورژیکی ماده و تنشهای موضعی موجود می باشد. مهندسین و طراحان باید در هنگام انتخاب فولادهای زنگ نزن برای استفاده در شرایط خورنده ، محیط استفاده و اثر عملیات تولید بر رفتار متالورژیکی آنها را در نظر گیرند. فولادهای زنگ نزن از مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون ، حتی در دماهای بالا برخوردارند وبه همین خاطر به عنوان آلیاژهای مقاوم به حرارت شناخته شده اند. مقاومت به اکسیداسیون در دماهای بالا نیز به خاطر میزان بالای کروم فولاد می باشد ، به طوری که برخی از آلیاژهای پر کروم (30-25 درصد وزنی ) می توانند در دماهای بالاتر از C˚1000 (F˚1830 ) نیز مقاومت کنند. نوع دیگر مقاومت حرارتی مقاومت در برابر کربوره شدن می باشد که فولادهای زنگ نزن با میزان کروم متوسط ( حدود 16 درصد وزنی ) و نیکل بالا ( حدود 35 درصد وزنی ) برای این منظور توسعه یافته اند. فولادهای زنگ نزن دارای کاربرد های گسترده ای از جمله استفاده در عملیات تولید انرژی ، شیمیایی و کاغذ سازی ، ساخت بسیاری از محصولات تجاری نظیر تجهیزات آشپزخانه و قطعات اتومبیل هستند. فولادهای زنگ نزن همچنین به خاطر خلوص و بهداشتی بودن به طور گسترده در کاربردهای استریل مثل فرآیندهای داروسازی ، تولید لبنیات و صنایع غذایی مورد استفاده قرار می گیرند. بیشتر فولادهای زنگ نزن قابل جوشکاری هستند ولی بسیاری از آنها نیاز به دستورالعملهای ویژه ای دارند. در بیشتر موارد جوشکاری منجر به تغییرات قابل توجه فلز جوش و ریز ساختار ناحیه متأثر از حرارت ( HAZ ) در مقایسه با فلز پایه می شود که می تواند منجر به تغییر در تعادل فازی مطلوب ، ایجاد فازهای بین فلزی ، رشد دانه ها ، جدایش عناصر آلیاژی و ناخالصی ها و واکنش های دیگر گردد. به طور معمول این موارد منجر به از بین رفتن بعضی از خواص و کارایی ها می شود که باید به عنوان یکی از فاکتور های طراحی و ساخت در نظر گرفته شود.

محدوده کربن در این فولادها 0.08 تا 0.25 درصد، میزان کروم 16 تا 26 درصد و میزان نیکل 6 تا 22 درصد است.
آنچه که در نوع 316 باعث تمایز آن نسبت به انواع دیگر فولاد S.S همچون 304 شده وجود میزان حداکثر 3 درصد مولیبدنیوم در آن می باشد.مولیبدنیوم مقاومت خوردگی این آلیاژ کروم-نیکل را در برابر تخریب اکثر مواد و حلالهای شیمیایی صنعتی بالا برده و همچنین در برابر خوردگی حفره ای (pitting) حاصل از کلرایدها مقاومت میکند.به همین خاطر نوع 316 مهمترین فولادی است که در محیطهای دریایی استفاده می گردد. Type Analysis of Stainless Type 316:
دو عامل مهم در خوردگی این نوع فولادها یکی حساس شدن (sensitization) و عامل دیگر که باعث زنگ زدن جوشهای آن می شود اکسید زدایی نکردن آن می باشد.حال هر کدام بطور مختصر توضیح داده می شود.
حساس سازی یا حساس شدن (sensitization):
رسوب (ته نشین شدن) کرباید در مرز دانه ها ،هنگامی که فولادهای زنگ نزن آستنیتی در یک بازه زمانی در محدوده دمای بین 425 تا 870 درجه سانتیگراد(800 تا 1600 درجه فارنهایت) حرارت داده می شوند(بخصوص در جوشکاری) را حساس شدن می گویند.
مدت زمانی که فولاد در این دما قرار میگیرد مقدار کرباید رسوب شده را تعیین میکند.وقتی کرومیوم کرباید در مرز دانه ای رسوب میکند نواحی کناری فورا از کروم تهی میشود.در صورتیکه این ته نشینی و تهی سازی نسبتا پیوسته باشد ،فولاد را نسبت به خوردگی بین دانه ای (intergranular corrosion) مستعد می سازد.همچنین حساس شدن مقاومت فولاد را در برابر انواع دیگر خوردگی همچون خوردگی حفره ای (pitting) ،خوردگی شکافی (crevice corrosion) و ترک خوردگی تنشی(SCC) کاهش میدهد.
روش جلوگیری از sensitization
با استفاده از منحنی های حساس سازی دما-زمان میتوان از حساس شدن جلوگیری نمود و تاثیر میزان کربن را روی این پدیده مشاهده نمود.در شکل پايين نمونه ای از اين منحنی ها را برای فولاد ۳۰۴ را مشاهده می تماييد.
روش دیگر جلوگیری از حساس شدن استفاده از فولادهای پایدار( stabilized steels) همچون 321 و 347 می باشد.اینگونه فولادهای زنگ نزن محتوی تیتانیوم (titanium) و یا نیوبیوم(niobium) بوده که میل به ترکیب با کربن دارند و به آسانی کرباید تشکیل میدهند،این موضوع باعث میشود حتی وقتی در طولانی مدت در معرض دمای sensitization قرار بگیرد کروم در حلال باقی بماند .
تنها راه حل اصلاح فولادهای زنگ نزن حساس شده، آنیله کردن آن می باشد.

فولاد زنگ نزن فولادی است که 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل دارد. ورق های کمتر از 2/1 میلیمتر را به سختی می توان با جوش برق جوشکاری کرد زیرا احتمال سوراخ شدن آنها زیاد است. در موقع جوشکاری باید از گیره و بستهای مناسب برای جلوگیری از تاب خوردگی کار استفاده کرد.
اشکال جوشکاری فولاد زنگ نزن در آن است که احتمال دارد فلز در اثر حرارت تجزیه شده و خاصیت یکنواخت خود را از دست داده و محل جوش بعداً زنگ بزند.

عملیات بعد از جوشکاری فولادهای زنگ نزن و ضد اسید کرم نیکلی

مقاومت در مقابل خوردگی های شیمیائی بر اساس منفی کردن سطح خارجی استوار است. در اثر منفی کردن حالتی به وجود می آید که در مقابل مواد اکسیدکننده ومولد اکسیژن یک قشر محافظ تشکیل می شود. وجود کرم در فولادها به تشکیل این قشر منفی کمک می کند. منفی بودن فولادهای مقاوم در برابر خوردگی تا زمانی به قوت خود باقی می ماند که قطعات شفافیت فلزی خود را از دست نداده باشند. به کار بردن سنگ سمباده ، برس یا حلقه نمدی که قبلاً برای پاک کردن آهن و فولاد معمولی به کار رفته است ، خطر انتقال اکسید و زنگ از خارج پیدا می شود. برای سنگ سمباده باید فقط انواعی ازآن را به کار برد که در کروند آنها اکسید آهن موجود نباشد. همچنین از نظر جلوگیری از ورود زنگ و اکسیدهای خارجی باید فقط برسهائی را به کار برد که سیم آنها از فولادها کرم نیکل باشد. ضمناً برای رسیدن به حداکثر مقاومت شیمیائی مهمتر از همه این است که زنگ زدگی آهن و پوسته های ایجاد شده با دقت پاک شوند. برای پاک کردن رنگ حرارتی فولاد ( فولادهای کرم نیکل در اثر گرم شدن بطئی رنگهای مختلفی به خود می گیرند که این رنگ پس از سرد شدن باقی می ماند بخصوص اگر گرم کردن و سر شدن موضعی باشد.) و برای پاک کردن پوسته های ناشی از اکسیداسیون محلولهای مختلفی به کار می برند. قبل از اینکه قطعات فولادی کرم – نیکل اسید خور یا جوشکاری شوند باید از زنگ و پوسته پاک شوند. برای زودودن چربی و روغن قطعات را در محلول قلیائی داغ یا حلالهای آلی مثل تترا کربن یا پرکلراتیلن قرار می دهند.
ماده اسیدخوری درز جوش مخوطی است با ترکیبات شیمیائی زیر :
50 قسمت جوهر نمک غلیظ اسید کلرئیدریک HCl ( وزن مخصوص 19/1).
5 قسمت جوهر شوره غلیظ اسید لتریک HNO3 ( وزن مخصوص 40/1 ).
45 قسمت آب مقطر H2O
به جای ماده خمیر کننده محلول را با خاک بیتومه ( Kieselgur ) به هم می زنند.

این خمیر خورنده را با قلم مو نازک روی درز جوش اطراف آن که رنگ حرارتی به خود گرفته است می مالند. پس از مدت تاثیر که در حدود 4 تا 6 دقیقه است قشر پوسته مانند را که آزاد شده با شن مالی پاک می نمایند و بلافاصله پس از اسید خور کردن قطعات را با آب می شویند. پوسته ای را که باز هم باقی مانده باشد با برس پاک می کنند . سیم برس باید فولاد کرم – نیکل باشد.

اگر ورقهای فولادی و قطعات جوش داده در حال اسید خوردگی ارسال شوند فقط اسیدخوری با خمیره مذکور و سپس منفی کردن تمام سطح با اسید نیتریک 15% کفایت طرح شده اند مفید می باشد.

مواد اسیدخوری سطحی به قرار زیر است:
5 قسمت اسید کلرئیدریک غلیظ HCL ( وزن مخصوص 19/1 )
5 قسمت اسید نیتریک غلیظ HNO3 ( وزن مخصوص 40/1 )
11 قسمت اسید سولفوریک غلیظ SO4H2 ( وزن مخصوص 8/12 )
71 قسمت آب مقطر H2O
درجه حرارت حمام اسید خوری را می توان از 20 الی 40 درجه سانتیگراد انتخاب نمود. مدت زمان اسیدخوری بسته به تکنیک عملیات است. پس از عملیات اسید خوری سطحی باید قطعات خوب با آب شسته شوند.

چون سطح خارجی قطعات و قشراکسیدی به علت اسیدخوری تحت تاثیر خوردگیهای شیمیائی قرار گرفته است بهتر است که قطعات را پس از عملیات اسید خوری دوباره منفی نمائیم.برای منفی کردن سطح خارجی به طوری که قبلاً ذکر شد محلول اکسید کننده ومولد اکسیژن به کار می برند.

عملاً برای منفی کردن تمام سطح از اسید نیتریک 15% استفاده می کنند زیرا سطح خارجی قطعات هم اثر هنگام عملیات کم و بیش با مواد خارجی در تماس بوده و این اسید هم اثر منفی کردن سطح را دارد و هم اثر زدودن مواد خارجی را ، البته باید قطعات را پس از منفی کردن ،با آب شست علاوه بر این خشک کردن دقیق قطعات نیز ارزش فراوان دارد.

چنانچه به عللی منفی کردن بلافاصله بعد از اسیدخوری انجام نگیرد، باید قطعات اسیدخوری را با یک محلول قلیائی ( مانند محلول سودا) خنثی نمود. و باز هم بعد از خنثی کردن باید قطعات را با آب فراوان شست.

پوسته و زنگ را با شن پاشی نیز می توان زدود. توصیه می شود که پس از شن پاشی نیز سطح خارجی منفی گردد. چنانچه در عمل شن پاشی، شن فولادی به کار رود بایستی عملیات اسیدخوری سطحی انجام گیرد تا مواد خارجی که در سطح فولاد جمع شده است از بین بروند. منفی کردن بلافاصله به وسیل محلول 15% اسید نیتریک توصیه می شود. در غیر این صورت باید قطعات را پس از اسیدخوری با یک محلول قلیائی ( محلول سودا) خنثی نمود.

الکترودهای جوشکاری فولاد زنگ نزن با برق

در پوشش این الکترودها مقداری روانساز به کار رفته است که در موقع جوشکاری از ورود هوا به محل مذاب جلوگیری می کند و در نتیجه جوش محکم و در مقابل خورندگی مقاوم می باشد. شلاکه حاصل از ذوب شدن الکترود روی جوش طوری قرار می گیرد که بلافاصله بعد از جوشکاری می توان آن را پاک کرد. جنس الکترود باید حتی المقدور با جنس قطعه کار یکسان باشد. الکترودهای مرطوب را برای جوشکاری به کار نبرید بلکه آنها را در درجه حرارت 150 درجه سانتیگراد قرار داده و خشک کنید .

شدت جریان جوشکاری فولاد زنگ نزن

برای جوشکاری فولاد زنگ نزن می توان از جریان مستقیم با قطب معکوس و از جریان متناوب استفاده کرد. شدت باید حدود 20% کمتر از شدت جریان لازم برای آهن در نظر گرفت.