کاربرد ورق استیل 304 در صنعت دریایی

انتخاب مواد مناسب برای استفاده در صنعت تحت هر شرایطی بسیار مهم است زیرا حتی کوچک ترین تغییر در ترکیب شیمیایی آلیاژ ممکن است منجر به تفاوت فاحشی در عملکرد یک قطعه صنعتی شود. اما زمانی که کاربرد مدنظر شما باید در شرایط بسیار شدید دوام بیاورد انتخاب مواد مناسب، با دوام و مقاوم به امری ضروری بدل می شود.

 

 

 

این مسئله به ویژه در محیط های دریایی صادق است. در این محیط ها که بسیاری از عواملی که به فولاد آسیب می رسانند مانند آب، نمک و سایر کانی ها همگی باهم حضور دارند، تنها گریدهای خاصی از فولاد ضدزنگ می توانند در این شرایط دوام بیاورند. در این مقاله به بررسی عواملی خواهیم پرداخت که منجر به خوردگی دریایی می شوند و خواهیم دید که آیا ورق استیل 304 برای کاربردهای دریایی مناسب است یا خیر.

چه عواملی باعث خوردگی دریایی می­شوند؟

اغلب مردم نمی دانند که مشکل خوردگی دریایی تا چه حد جدی است. اخیرا در پژوهشی با عنوان «اقدامات پیشگیرانه بین­المللی، کاربرد و اقتصاد تکنولوژی خوردگی (International Measures of Prevention, Application and Economics of Corrosion Technology به اختصارMPACT)» مشخص شد که خوردگی، سالانه 2.5 تریلیون دلار خسارت به بار می آورد. این رقم برابر با 3.5% کل تولید ناخالص داخلی جهان است. یافتن راه حلی مناسب برای غلبه بر این مشکل بسیار هزینه بر، مواد و انرژی تلف شده می تواند باعث صرفه جویی قابل توجهی در هزینه می شود.

در واقع چندین نوع خوردگی وجود دارند که می­توان همه آن­ها را خوردگی دریایی به حساب آورد. اغلب اوقات این آسیب به علت تماس با آب شور است. اما انواع دیگر خوردگی نیز وجود دارند مانند خوردگی اتمسفری موادی که در مجاورت ساحل هستند و خوردگی نمک داغ که به ویژه به موتورها و اجزا متحرک سریع در زیر آب آسیب می رساند.

خورندگی آب شور یک فرآیند الکتروشیمیایی است که به علت تماس با آب دریا توسط پتانسیل الکتریکی آلیاژ رخ می دهد و به میزان اسیدی یا قلیایی بودن آب دریا بستگی دارد. آب دریا به علت مقدار بالای کلراید، یک الکترولیت قوی نیز به حساب می آید. تحرکات مدام آب و حضور اکسیژن باعث می شوند فلزات در معرض محلول های اسیدی و آندی گوناگونی قرار بگیرند. این محلول ها وارد ترک ها و شکاف های فلز شده و فرآیند خوردگی آغاز می شود.

 

 

 

برخی عوامل این مشکل­ را حادتر می سازند. میکروارگانیسم­های آلی که به وفور در اقیانوس­ها یافت می شوند، pH آب را به شدت تحت تاثیر قرار می دهند. سازه ها باید در برابر مشکل انباشتگی ماسه و گل و لای مقاوم باشند. هرچند این مواد می­توانند مانع از تماس اکسیژن با فلز شوند اما منجر به ایجاد شرایط محلی برای خوردگی آلیاژ می شوند. همچنین حضور باکتری­های کاهنده سولفات (به اختصار SRB) باعث افزایش غلظت سولفید هیدروژن می­شود که برای فولاد و آلیاژهای مسی بسیار خطرناک است. البته می­توان با استفاده از طلا، پلاتین یا تانتال به طور کلی مانع از خوردگی شد اما به علت هزینه بالای این مواد مقاوم در برابر خوردگی، از آن­ها فقط در موارد خاص و آزمایشگاهی استفاده می شود. این یعنی تولیدکنندگان باید همیشه قیمت را نیز در انتخاب خود در نظر بگیرند.

چگونه فولادهایی مانند ورق استیل در برابر خوردگی مقاومت می کنند؟

در اکثر آلیاژهایی که مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند، یک لایه اکسید بر روی سطح آن­ها وجود دارد. مقاوم­ترین گریدهای ورق استیل نه تنها پایدار هستند و بلکه دارای خاصیت خود ترمیمی نیز هستند که به آنها این امکان را می دهد تا خود را ترمیم کنند و دوام آن­ها را افزایش می دهد.

اخیرا وبسایت Scientific American در یکی از مطالب خود درباره نحوه عملکرد فولاد ضدزنگ توضیح خوبی ارائه می­دهد. مقاومت ورق استیل (ورق استنلس استیل) در برابر زنگ­زدگی و خوردگی به علت توانایی آن در ارتباط با محیط اطرافش است. فولاد با افزودن مقادیر مشخصی کروم، منگنز، سیلیکون، کربن، نیکل و/یا مولیبدن به آهن ساخته می شود. این مواد موجود در آلیاژ می­توانند با اکسیژن موجود در هوا یا آب در محیط های دریایی واکنش دهند. لایه اکسیدی که از فولاد ضدزنگ محافظت می کند از این واکنش بدست می آید.

این لایه اکسیدی با جلوگیری از تماس مستقیم اکسیژن و آب با ورق استیل از آن در برابر خوردگی محافظت کرده و به طور مداوم با محیط اطراف خود واکنش می دهد. در بهترین آلیاژها این واکنش می­تواند هر آسیبی به لایه اکسید را ترمیم کند، به این معنی که فولاد قابلیت خودترمیمی دارد و به طور موثر مانع از خوردگی می شود.

این لایه نازک، که آنقدر نازک است که با چشم غیرمسلح دیده نمی­شود، در واقع خود یک لایه خوردگی است. این یعنی در فولاد ضدزنگ خوردگی به نحوی رخ می­دهد که از خوردگی بیشتر جلوگیری می­کند. در فولاد معمولی سطح فلز با اکسیژن موجود در آب دریا واکنش می­دهد و منجر به تولید فیلم اکسید/هیدروکسید آهن ناپایدار می شود. این لایه محافظت شده نیست و تا زمانی که در معرض آب دریا باشد گسترش می یابد.

 

 

 

آیا ورق استیل 304 برای استفاده در محیط های دریایی مناسب است؟

ورق استیل 304 محبوب ترین گرید فولاد ضدزنگ موجود در بازار است. این فولاد بنابر ساختار آستنیتی فاقد خواص مغناطیسی است. فرث براون در حدود یک قرن پیش، اولین فردی بود که این فولاد را ساخت. این محصول در ابتدا به علت حضور کروم (تقریبا 18%) و نیکل (تقریبا 8%) با نام تجاری استیل  18/8 فروخته می شد.

نقطه یوتکتوئید ورق استیل 304 تقریبا برابر (F֯ 1341) C֯ 727 است. این فولاد برای کاربردهایی که به رسانایی الکتریکی یا حرارتی نیاز دارند مناسب نیست ولی قابلیت فرم­پذیری آن فوق العاده است. حداکثر مقدار کربن این فولاد 0.03% و برای جوشکاری در دمای کمتر از F֯ 800 مناسب است. انجام عملیات­ حرارتی روی این فولاد غیرممکن است اما می­توان با سردکاری، سختی و استحکام آن را افزایش داد.

مقاومت ورق استیل 304 در برابر خوردگی عالیست. ترکیب مولکولی این فولاد از آن در برابر تمام آسیب های زیست محیطی مانند خوردگی بین دانه­ای (این نوع خوردگی به علت جوشکاری یا رهاسازی تنش رخ می­دهد) محافظت می کند. کروم موجود در ورق استیل 304 مقاومت آن در برابر خوردگی در محیط های اکسنده را بهبود می دهد و نیکل موجود در این فولاد از آن در برابر اسیدهای ارگانیک محافظت می کند.

اما ورق استیل 304 یک نقطه ضعف دارد و آن این است که در محیط های کلرایدی، به خصوص آب دریا عملکرد ضعیفی دارد. این فولاد در این شرایط در برابر خوردگی آسیب­پذیر است. ورق استیل 316 که دارای 2% مولیبدن است، در مواردی که خوردگی دریایی مسئله مهمی باشد گزینه بهتری به حساب می آید. همین تفاوت است که باعث می شود این فولاد در کاربردهای دریایی بسیار بهتر عمل کند.

 

معرفی ورق استیل 321

 

 

مقدمه

ورق استیل 321 (استیل ضد سایش) در گروه استنلس استیل های (فولاد زنگ نزن) آستنیتی قرار داشته و همچون دیگر فولادهای این خانواده آلیاژی فاقد خاصیت مغناطیسی است. این گرید نیز مانند دیگر فولادهای آستنیتی دارای ویژگی هایی نظیر جوش پذیری و شکل پذیری است. همچنین چقرمگی بسیار خوبی حتی در دماهای زیر صفر درجه سانتی گراد (کاربردهای برودتی) نیز از خود نشان می دهد. ورق استیل 321 ترکیب شیمیایی نزدیکی به فولاد زنگ نزن 304 دارد. عمده ترین تفاوت این گرید با ورق استیل 304 مربوط به حضور تیتانیم در ساختار استنلس استیل 321 است. حضور تیتانیم از رسوب زایی کاربیدها و خوردگی بین دانه ای حین بکارگیری و جوشکاری در محدوده دمایی C ֯ 860 – 425 ممانعت می کند. در حالی که یکی از معضلات ورق استیل 304، رسوب زایی کاربیدها و وقوع خوردگی بین دانه ای حین بکارگیری و جوشکاری در محدوده دمایی اشاره شده می باشد. ورق استیل 321 برای کاربرد تا دمای C ֯ 900 مناسب بوده و ترکیب بهینه ای از استحکام در دمای بالا، مقاومت در برابر پوسته شدن، پایداری فازی و مقاومت به خوردگی را ارائه می دهد.   

ترکیب شیمیایی ورق استیل 321

جدول 1: آنالیز ترکیب شیمیایی ورق استیل 321

عنصر آلیاژی (%)			استیل 321	استیل H 321
کربن (C)	حداقل مقدار		-	04/0
	حداکثر مقدار		08/0	10/0
منگنز (Mn)			2	2
سیلسیم (Si)			75/0	75/0
فسفر (P)			045/0	045/0
گوگرد (S)			03/0	03/0
کروم (Cr)		حداقل مقدار	17	17
		حداکثر مقدار	19	19
نیکل (Ni)		حداقل مقدار	9	9
		حداکثر مقدار	12	12
نیتروژن (N)			1/0	-
تیتانیم		حداقل مقدار	( N + C ) × 5	( N + C ) × 4
		حداکثر مقدار	7/0	7/0
آهن (Fe)			عنصر پایه	عنصر پایه

همانطورکه در جدول 1 ملاحظه می شود گرید H 321 نسبت به استیل 321 کربن بیشتری دارد. ورق استیل H 321 عمدتاً برای افزایش مقاومت به خزش و استحکام در دماهای بالاتر C ֯ 537 توسعه یافته است.

خواص مکانیکی ورق استیل 321

جدول 2: خواص مکانیکی ورق استیل 321

رده آلیاژی	استحکام کششی نهایی (MPa) (حداقل مقدار)	استحکام تسلیم (MPa) (حداقل مقدار)	الانگیشن (%)	سختی
	UTS (MPa)-min	YS (%2 proof stress) (MPa-min	E ( % in 50 mm)-min	راکول (HR B) حداکثر مقدار	برینل (HB) حداکثر مقدار
321	515	205	40	95	217
H 321	515	205	40	95	217

 

خواص فیزیکی ورق استیل 321

جدول 3: خواص فیزیکی ورق استیل 321

خواص فیزیکی استیل 321
چگالی (g/cm3)		92/7
دمای ذوب (C֯)		1446 - 1398
مدول الاسیسیته (GPa)		193
مقاومت الکتریکی (m.Ωn)		720
رسانایی حرارتی (m.k / W)	C ֯ 100	1/16
	C ֯ 500	2/22
انبساط حرارتی (C ֯ / m / mµ)	C ֯ 100 - 0	6/16
	C ֯ 315 - 0	2/17
	C ֯ 538 - 0	6/18

 

 

 

مقاومت به خوردگی ورق استیل 321

رفتار مقاومت به خوردگی ورق استیل 321 مشابه با گرید 304 است به جز زمانی که در معرض خوردگی بین دانه ای (بازه دمایی C ֯ 860 – 425) قرار می گیرد. به عنوان مثال این گرید نیز مانند استیل 304 در بسیاری از محیط ها مقاومت به خوردگی خوبی از خود نشان می دهد اما در محیط های کلریدی در معرض خوردگی های حفره ای، شکافی و تنشی (SCC) قرار دارد. ورق استیل 321 نیز همچون گرید 304 در برابر آشامیدنی حاوی کلر در دمای محیط و C ֯ 60 به ترتیب تا میزان lit / mg 200 و lit / 150 کلر مقاوم است. اما همانطور که پیش تر نیز اشاره شد یکی از معضلات و مشکلات ورق استیل 304 هنگام بکارگیری و جوشکاری در محدوده دمایی C ֯ 860 – 425، رسوب زایی کاربیدها و به تبع آن وقوع خوردگی بین دانه ای می باشد. اما تیتانیم موجود در ورق استیل 321 از رسوب زایی کاربیدها و مصرف کروم آلیاژ جلوگیری می کند. به این ترتیب همچون گرید 304 در معرض خوردگی بین دانه ای قرار نمی گیرد. البته ورق استیل L 304 به دلیل کربن کمتر مقاومت بیشتری در مقایسه با استیل 304 در برابر رسوب زایی کاربیدها دارد و می توان از این گرید جهت بکارگیری در محدوده دمایی C ֯ 860 – 425 در صورتی که فقط مقاومت به خوردگی مهم باشد استفاده کرد. زیرا این گرید در مقایسه با ورق استیل 321 قیمت پایین تری دارد. اما زمانی که علاوه بر مقاومت به خوردگی، استحکام نیز در بازه دمایی C ֯ 860 – 425 مد نظر باشد و گرید L 304 نتواند استحکام مورد نیاز را تامین کند اولیت با ورق استیل 321 است.

مقاومت به اکسیداسیون ورق استیل 321

ورق استیل 321 در سرویس دهی های پیوسته تا دمای 925 درجه سانتی گراد و در سرویس دهی های متناوب تا دمای 900 درجه سانتی گراد مقاومت به اکسیداسیون خوبی از خود نشان می دهد. بر خلاف دیگر استنلس استیل های آستنیتی سری 300 بنا بر دلایلی که در قسمت قبلی اشاره در محدوده دمایی C ֯ 860 – 425 عملکرد خوبی دارد.

عملیات حراتی استیل 321

استنلس استیل 321 بواسطه عملیات حرارتی سخت نمی شود. سیکل عملیات آنیل این فولاد شامل حرارت دهی C ֯ 1120 – 920 و سرمایش سریع به منظور دست یابی به حداکثر مقاومت به خوردگی می باشد.

 

 

 

شکل پذیری ورق استیل 321

ورق استیل 321 نیز همچون دیگر گریدهای آستنیتی سری 300 به راحتی تحت فرایندهای شکل دهی قرار می گیرد.

جوش پذیری ورق استیل 321

استنلس استیل 321 قابلیت جوش پذیری بسیار بالایی بوسیله روش های ذوبی و مقاومتی دارد. همچنین پس از جوشکاری نیز به عملیات آنیل نیاز ندارد.

کاربردهای ورق استیل 321

ساخت قطعات کوره، مبدل های حرارتی، قطعات موتورهای هوایی، مخازن تحت فشاز، سیستم اگزوز خوردو و تجهیزات مورد استفاده در صنایع شیمیایی.

تهیه ورق استیل 321

جهت تهیه ورق استیل می بایست به مجموعه های بازرگانی که در امر واردات استنلس استیل ها مشغول به فعالیت هستند مراجعه نمود. زیرا این فولادها در کشور تولید نمی شوند. در این بین شرکت فلزپایا نمونه های از مجموعه های بازرگانی فعال در امر واردات استنلس استیل ها همچون ورق استیل 321 بوده و توانسته نیاز واحدهای صنعتی در این زمینه را تامین کند.

ورق استیل در ساخت تجهیزات پزشکی

 

 

همه ما به پزشک یا دندان پزشک مراجعه­ کرده­ایم و تجهیزات پزشکی آن­ها را دیده­ایم. اما آیا می­دانید چرا وسایلی که روی مریض ها استفاده می کنند از جنس ورق استیل (ورق استنلس استیل) هستند؟

مزایای بکارگیری ورق استیل در صنایع پزشکی

در ساخت تجهیزات و دستگاه های پزشکی به دلایل بیشماری از استنلس استیل (فولاد زنگ نزن) استفاده می شود. این فولادها به علت مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر آتش و نگهداری آسان ماده بسیار بادوامی است. سهولت در تمیزی و بهداشتی کردن وسایل ورق استیل در صنعت پزشکی اهمیت بسیار بالایی دارد. و در نتیجه به هیچ وجه احتمال پخش عفونت ها و باکتری ها وجود ندارد. احتمال بروز این مشکلات در وسایلی که از مواد با مقاومت کمتر ساخته شده اند وجود دارد.

در تجهیزات پزشکی ساخته شده از جنس ورق استیل هیچ نگرانی درباره خوردگی وجود ندارد

 

 

ورق استیل با فولاد گالوانیزه فرق دارد و بسیاری از مردم بدون آن که تفاوت های ذاتی این دو نوع فولاد را بدانند، از این اسامی به جای یکدیگر استفاده می کنند. مقاومت فولاد گالوانیزه در برابر خوردگی به علت هات دیپ و پوشاندن آن با زینک (روی) است. این ویژگی می تواند برای مدت محدودی خواص فوق العاده ای را ارائه دهد. اما به تدریج این پوشش خراشیده یا فرسوده شده و فولاد زیر آن کاملا آسیب­پذیر می شود. در بیمارستان ها و سایر محیط های عفونی و خورنده این مشکل به سادگی ایجاد می شود. اما در ورق استیل این مقاومت به علت اثر رویینگی ایجاد می شود. این اثر به فولاد این قابلیت را می­دهد هنگام آسیب­دیدگی بتواند خودش را ترمیم کند.

مقاومت در برابر آتش و حرارت

ورق استیل در برابر تاثیرات خطرناک شعله و آتش تقریبا مصون است. این ویژگی اهمیت بسیار بالایی دارد زیرا باید مطمئن شد که احتمال خرابی ابزار و تجهیزات وجود ندارد. خرابی تجهیزات می تواند برای بیماران و کادر پزشکی خطرناک باشد. برای جلوگیری از این مسئله، آزمایشات آتش در شرایط مشخصی انجام می شوند. پس از انجام آزمایشات به فولاد امتیازی داده می شود که میزان مقاومت آن را مشخص می کند. ورق استیل به طور ذاتی در برابر اکسیداسیون مقاوم است و استحکام دمایی بالایی دارد و این ویژگی ها به مقاومت آن در برابر آتش کمک می کند.

نیازی به نگهداری ندارد و تمیز کردن آن راحت است

ورق استیل بر خلاف برخی فلزات (مس) به طور ذاتی خاصیت ضدمیکروبی ندارد. اما می­توان آن را به سادگی با محلول­ های بهداشتی تمیز کرد. و در نتیجه کارکنان بیمارستان می­توانند آلودگی­های رو سطوح و ابزار را به راحتی از بین ببرند. امروزه، تولیدکنندگان تجهیزات پزشکی از یک پوشش مدرن میسل (micelle) بر روی ورق استیل استفاده می کنند. این فرآیند به ورق استیل قابلیت مقاومت عالی در برابر باکتری ها را می دهد و به کمک آن فولاد می تواند خودش را تمیز کند. در آینده ای نزدیک شاهد استفاده از این نوآوری در طیف وسیعی از ابزارها و دستگاه های پزشکی خواهیم بود.

نتیجه ­گیری

 

 

گزینه ­های بسیاری برای ساخت ابزار و تجهیزات پزشکی وجود دارد. اما در اکثر زمینه­ ها ورق استیل به خاطر ویژگی­هایی که در بالا بیان شد، رایج­ترین گزینه محسوب می شود. ورق استیل 316 ، 304 و برخی از فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی نمونه ای از استنلس استیل های مورد استفاده در صنعت ساخت تجهیزات پزشکی هستند.

 

ورق استیل : بررسی مقاومت به حرارت

مقاومت به خوردگی عمده ترین دلیل توسعه و استفاده از استنلس استیل ها (فولادهای زنگ نزن) در شاخه های مختلف صنعتی است. دومین دلیل استفاده از این فولادها به خاطر خواص و ویژگی های آنها در دمای بالاست؛ به همین دلیل از این فولادها در کاربردهایی که مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا ضروری باشد و کاربردهایی که به مقاومت در دمای بالا نیاز است، استفاده می شود. کروم اصلی ترین عنصر آلیاژی در ترکیب شیمیایی انواع ورق استیل (ورق استنلس استیل) است. افزایش میزان کروم افزایش مقاومت به خوردگی در ورق استیل در محیط های مرطوب را به همراه دارد. اما علاوه بر مقاومت به خوردگی عنصر همانطورکه در شکل 1 نشان داده شده است با افزایش میزان این عنصر استحکام و مقاومت در برابر پوسته شدن (سایش) در دمای بالا نیز افزایش می یابد.

مقاومت ورق استیل در برابر پوسته شدن

همانطور که در گراف زیر نشان داده شد است، مقاومت ورق استیل در برابر اکسیداسیون یا پوسته شدن (scalling) درست مانند مقاومت در برابر خوردگی، به مقدار کروم فولاد بستگی دارد. از اکثر فولادهای زنگ نزن آستنیتی که حداقل 18% کروم دارند، می­توان تا دمای 870  ͦC و از ورق استیل 309، 310 و گرید  2111HTR(UNS S30815) می توان در دماهای بالاتر از این دما نیز استفاده کرد. اکثر فولادهای مارتنزیتی (همچون ورق استیل 410) و فریتی (ورق استیل 430) در برابر اکسیداسیون مقاومت کمتری دارند و در دماهای پایین مفید ترند. ورق استیل 446 که در گروه استنلس استیل های فریتی قرار داشته و 24% کروم دارد از این قاعده مستثناست و تا دمای C֯ 1100 نیز در برابر پوسته شدن مقاوم است.

 

در جدول 1  حداکثر دمای عملیاتی که انواع ورق استیل می­توانند در برابر اکسیداسیون در هوای خشک مقاومت کنند، نشان داده شده است. بخاطر داشته باشید که این دماها به شرایط واقعی محیط عملیات بستگی دارند و در برخی موارد حتی در دماهایی بسیار پایین تر از موارد گزارش شده نیز پوسته شدن در حد بسیار مخربی رخ می­دهد.

جدول 1. حداکثر دمای عملیاتی انواع ورق استیل در هوای خشک، مبتنی بر مقاومت در برابر پوسته شدن (مرجع: کتاب ASM Metals Handbook)

مداوم (ͦC  )	متناوب (ͦC  )	گرید
925	870	304
1095	980	309
1150	1035	310
925	870	316
925	870	321
705	815	410
675	760	416
620	735	420
815	870	430
1150	1150	2111HTR

 

بررسی رفتار خزشی ورق استیل

استحکام مواد در دمای بالا به صورت «استحکام خزشی (creep strength) » بیان می­شود – استحکام خزشی یعنی توانایی مواد برای مقاومت در برابر تغییر شکل زمانی که به مدت طولانی در معرض حرارت بالا قرار بگیرند. ورق استیل آستنیتی مقاومت خزشی بسیار خوبی دارند.

در قوانین طراحی مانند استانداردهای AS1210 (Australian Standard) برای «مخازن تحت فشار» و AS4041 برای «لوله های تحت فشار» در استرالیا (و همچنین قوانین مشابه در انجمن مهندسان آمریکا و سایر ارگان­ها) مقدار تنش کاری مجاز برای هر یک از گریدها در محدوده­های دمایی مختلف، مشخص شده است. استحکام استنلس استیل های آستنیتی  کم کربن (ورق استیل L 304 و L 316) در دمای بالا کاهش می یابد و به همین دلیل برای ورق استیل 304H) کربن بیشتری دارند و در نتیجه استحکام خزشی آنها نیز به طرز چشمگیری بیشتر است. از گریدهای  “H”برای برخی کاربردها در دمای بالا استفاده می­شود.

استنلس استیل های داپلکس علی رغم اینکه به علت دارا بودن مقدار کروم بالا، مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون دارند اما در صورتی که در معرض دمای بیش از 350  ͦC قرار بگیرند شکننده می شوند و به همین دلیل از آنها فقط در کاربردهای کمتر از 350  ͦC استفاده می شود.

فولادهای زنگ نزن رسوب سختی و مارتنزیتی به علت عملیات های حرارتی که روی آنها صورت گرفته، استحکام بالایی دارند؛ اما اگر این گریدها در معرض دمایی بیش از دمای عملیات حرارتی که روی آنها انجام شده قرار بگیرند برای همیشه نرم می شوند و در نتیجه از این گریدها به ندرت در دماهای بالا استفاده می شود.

پایداری ساختاری

مشکل رسوب زایی کاربیدها همیشه همراه با خوردگی بین دانه ای مطرح می شود. این پدیده هنگامی که ورق استیل در محدوده دمایی 425 الی C֯ 815 قرار می گیرد نیز رخ می دهد که منجر به کاهش مقاومت آن در برابر خوردگی می شود و ممکن این است کاهش بسیار زیاد باشد. برای حل این مشکل می توان از گریدهای پایدارشده مانند ورق استیل 321 یا گریدهای کم کربن (گریدهای L) استفاده کرد. به عنوان مثال ورق استیل L 304 در مقایسه با گریدهای 304 و H 304 کمتر در معرض رسوی زایی کاربیدها و خوردگی بین دانه ای قرار دارند. ورق استیل 321 ترکیبی نزدیک به استیل 304 دارد. اما تفاوت این دو رده آلیاژی مربوط به حضور تیتانیم به میزان پنج برابر مقدار کربن است. تیتانیم موجود در این فولاد از رسوب زایی کاربیدها و مصرف کروم ساختار جلوگیری می کند.

 

 

 

یکی دیگر از مشکلاتی که در برخی فولادهای ضدزنگ در دمای بالا رخ می­دهد تشکیل فاز سیگما است. تشکیل فاز سیگما در فولادهای آستنیتی به زمان و دما بستگی دارد و برای هر فولاد ضدزنگ متفاوت است. به طور کلی ورق استیل 304 عملا در برابر تشکیل فاز سیگما مصون است اما گریدهایی که مقدار بیشتری کروم (ورق استیل 310) و مولیبدن (ورق استیل 316 و 317) یا سیلسیم بیشتری (ورق استیل 314) دارند اینگونه نیستند. در تمام این گرید­ها در صورتی که به مدت طولانی در معرض دمای 590 تا C֯ 870 قرار گیرند احتمال تشکیل فاز سیگما وجود دارد. شکنندگی فاز سیگما به تشکیل رسوب در میکروساختار فولادی که به مدت طولانی در این محدوده دمایی قرار گرفته است اشاره دارد. تشکیل این فاز فولاد را به شدت شکننده (تُرد) کرده و منجر به از کار افتادگی قطعات فولادی در اثر شکست ترد می گردد. پس از آنکه فولاد به علت تشکیل فاز سیگما شکننده (تُرد) شد می­توان با گرم کردن فولاد تا دمای بالاتر از محدوده تشکیل فاز سیگما آن را احیا کرد (حذف تردی ناشی از فاز سیگما) اما این کار همیشه عملی نیست. از آنجایی که شکنندگی فاز سیگما در ورق استیل 314 (که مقدار سیلیکون آن بالاست) یک مشکل جدی است، اکنون این مسئله محبوبیتی ندارد و معمولا به جای آن از آلیاژهای نیکل بالا یا فولادهای ضدزنگ مقاوم در برابر شکنندگی فاز سیگما، به ویژه 2111HTR (UNS S30815) استفاده می شود. ورق استیل 310 نیز در محدوده دمای 590 تا C֯ 870 در برابر تشکیل فاز سیگما آسیب پذیر است و این گرید «مقاوم در برابر حرارت» برای استفاده در این محدوده دمایی نسبتا پایین چندان مناسب نیست و معمولا ورق استیل 321 برای این محدوده دمایی گزینه بهتری به حساب می­آید.

شرایط محیطی

مقاومت در برابر کربوریزاسیون و سولفیداسیون نیز از عواملی هستند که ممکن است در کاربردهای دما بالا بسیار مهم باشند. حملات گازهای سولفوردار به آلیاژهای فولاد ضدزنگ نیکل بالا در فرآیند احیا، با شدت بیشتری انجام می شود. در برخی کاربردها ورق استیل 310 عملکرد قابل قبولی دارد و در برخی دیگر گرید S30815 که نیکل کمتری دارد بهتر عمل کرده می کند اما در سایر موارد آلیاژهای عاری از نیکل از همه بهتر هستند. در صورتی که گازهای سولفور تحت شرایط محیطی کاهش یابد. پیشنهاد می­شود که ابتدا انواع گریدها در شرایطی مشابه شرایط عملیاتی در آزمایشگاه تست شوند تا بهترین نوع آلیاژ مشخص شود.

انبساط حرارتی

یکی دیگر از خواصی که ممکن است در کاربردهای دما بالا مهم باشد انبساط حرارتی مواد است. ضریب انبساط حرارتی به صورت نسبت افزایش طول جسم در ازای یک درجه افزایش دما تعریف می­شود و به صورت       x10^-6/  ͦC, μm/m/  ͦC یا x10^-6 cm/cm/  ͦC نمایش داده می­شود که البته تفاوتی بین آ­ن­ها نیست. این افزایش طول (یا قطر، ضخامت و ...) را می­توان با ضرب بعد اصلی در تغییرات دما در ضریب انبساط حرارتی محاسبه کرد. به عنوان مثال، اگر دمای یک میله سه متری از جنس فولاد گرید 304 (ضریب انبساط حرارتی 17.2 μm/m/  ͦC) از 20  ͦC به 200  ͦC افزایش یابد، افزایش طول آن برابر است با:

3.00 x 180 x 17.2 = 9288 μm = 9.3 mm

ضریب انبساط حرارتی فولادهای ضدزنگ آستنیتی از اکثر گریدهای دیگر بیشتر است و در جدول زیر نیز ارائه شده است.

جدول 2. ضریب انبساط حرارتی – مقدار میانگین در محدوده 1 – 100  ͦC

ضریب انبساط حرارتی (x10-6/  ͦC)
12	فولادهای کربن
17	فولادهای آستنیتی
14	فولادهای داپلکس
10	فولادهای فریتی
10	فولادهای مارتنزیتی
	*یا  μm/m/  ͦC

 

ضریب انبساط حرارتی نه تنها بین گریدهای مختلف، بلکه با تغییر دما نیز اندکی تغییر می­کند. ضریب انبساطی گرید 304 در محدوده 0 – 100  ͦC برابر 17.2 x 10^-6/  ͦC است و با افزایش دما این ضریب نیز افزایش می­یابد.

تاثیر انبساط حرارتی بیشتر در قطعات غیرمتحرک و ثابت دیده می­شود زیرا این انبساط ممکن است باعث تغییر شکل و خم شدن آن­ها بشود. در صورتی که دو فلز متفاوت به یکدیگر متصل شوند و در معرض گرما قرار بگیرند ممکن است مشکلاتی پیش بیاید؛ تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی باعث تغییرشکل و خمیدگی می­شود. به طور کلی، بزرگ بودن ضریب انبساط حرارتی فولادهای ضدزنگ آستنیتی به این معناست که احتمال بروز مشکلات حاصل از انبساط در قطعات آستنیتی در مقایسه با قطعاتی از جنس فولادهای کربنی یا کم آلیاژ، فریتی، مارتنزیتی یا داپلکس بیشتر است.

رسانایی گرمایی فولادهای ضدزنگ غیرآستنیتی از گریدهای آستنیتی بیشتر است که ممکن است در برخی کاربردها مفید باشد.

تنش­های موضعی حاصل از انبساط در مراحل گرمایش و سرمایش ممکن است در مناطقی از فولاد باعث ترک­ ناشی از خوردگی تنشی شود که در شرایط نرمال رخ نمی­دهد. در این کاربردها طراح باید تاثیرات تغییر دما را به حداقل برساند مثلا از درزهای انبساطی استفاده کند تا قطعات بتوانند بدون تعییرشکل حرکت کنند و هیچ دندانه یا تغییرشکل ناگهانی در مسیر حرکت قطعه نباشد.