تاثیرات عناصر آلیاژی بر فولاد ضد زنگ (استنلس استیل)
عناصر آلیاژی مختلف دارای تاثیرات متفاوت و خاصی روی ویژگی‌های فولاد ضد زنگ هستند. اثر ترکیبی تمامی عناصر آلیاژی بر روی عملیات حرارتی و برخی شاخصه‌ها وسیع‌تر است که تعیین کننده گرید فولاد ضد زنگ می‌باشند. برای اینکه متوجه شویم چرا گریدهای مختلف فولاد ترکیبات متفاوتی دارند نیاز هست که در این مقاله دید مختصر و کلی از عناصر آلیاژی مختلف و تاثیرات هرکدام بر ریزساختار و شاخصه‌های فولاد را شرح بدهیم.
تاثیرات عناصر آلیاژی بر روی ویژگی‌های استنلس استیل
مقاومت، خوردگی و قیمت استیل بر اساس عناصر تشکیل دهنده آن مشخص میشود در اینجا این نکته حائز اهمیت است که تاثیرت متفاوت عناصر آلیاژی بر روی این فلز مورد بررسی قرار می‌گیرد، با ما همراه باشید.
کروم Chromium (Cr)
این عنصر مهمترین عنصر آلیاژی و عامل مقاومت اصلی در برابر خوردگی فولادهای ضد زنگ است. تمامی فولادهای ضد زنگ حاوی حداقل 10.5 درصد کروم هستند و با افزایش میزان کروم مقاومتشان به خوردگی بیشتر هم میشود. همچنین کروم مقاومت فولاد در برابر اکسیداسیون در دمای بالا را افزایش می‌دهد و موجب ایجاد ریزساختار فریتی میشود.
نیکل Nickel (Ni)
دلیل اصلی برای اضافه کردن نیکل تقویت ساختار آستنیتی در فولاد است. نیکل باعث افزایش انعطاف‌‌پذیری یا قدرت شکل‌پذیری و مقاومت فولاد میشود، علاوه براین در حالت فعال، میزان خوردگی فولاد را در محیطهای اسیدی کاهش می‌دهد و در گریدهای مختلف استنلس استیل، رسوب سختی از نیکل به منظور ایجاد ترکیبات بین فلزی و به منظور افزایش استحکام استفاده میشود. علاوه براین در گرید مارتنزیتی نیکل به همراه کمی کربن قابلیت جوش‌پذیری فولاد را بهبود می بخشد.
مولیبدن Molybdenum (Mo)
به طور قابل ملاحظه‌ای وجود عنصر مولیبدن در استنلس استیل مقاومت آن در برابر خوردگی یکنواخت و موضعی را افزایش می‌دهد و تا حدی مقاومت مکانیکی ریزساختار فریتی را بهبود می‌بخشد. با این حال مولیبدن در گریدهای فریتی، دوبلکس و آستنیتی خطر تشکیل فازهای ثانویه را افزایش می‌دهد. همچنین در فولادهای مارتنزیتی مولیبدن، سختی فولاد در دماهای بالا را به علت تاثیر بر رسوب کاربیدها افزایش می‌دهد.
مس Copper (Cu)
مس به منظور افزایش مقاومت فولاد ضد زنگ در اسیدهای خاص و برای بهبود ساختار آستنیتی استفاده می‌گردد. همچنین مس می‌تواند باعث افزایش مقاومت الکتریکی و بهبود شکل‌پذیری گریدها گردد.
منگنز Manganese (Mn)
به صورت کلی منگنز برای بهبود شکل‌پذیری در استنلس استیل‌ها استفاده میشود. تاثیر این عنصر بر تعادل گرید فریتی و آستینی در برابر درجه حرارت متفاوت است، به صورتی که در دمای پایین منگنز باعث پایداری ساختار آستنیتی است اما در دمای بالا تثبیت کننده ساختار فریتی است. منگنز حلالیت نیتروژن را افزایش می‌دهد و به همین خاطر برای بدست آوردن محتوی نیتروژن زیاد در فولادهای ضدزنگ دوبلکس و آستنیتی استفاده می‌گردد. منگنز همچنین می‌تواند به عنوان عنصر آستنیتی بعنوان جایگزینی برای عنصر نیکل در استنلس استیل باشد.
سیلیسیوم Silicon (Si)
سیلیسیوم مقاومت فولاد در برابر اکسیداسیون و همچنین اکسید کننده‌های قوی، در هر دو دمای بالا و پایین را افزایش می‌دهد. این عنصر ساختار فریتی را تقویت می‌کند و استحکام فولاد را افزایش می‌دهد.
کربن Carbon (C)
کربن یک عنصر آستنیتی قوی است که به طور ذاتی موجب افزایش استحکام مکانیکی میشود. با این حال یک مشکل در استنلس استیل‌های اولیه این بود که کربن به علت تشکیل کاربیدها باعث کاهش استحکام فولاد در برابر خوردگی بین دانهای می‌شد. اما فولادهای زنگ نزن امروزی به علت کربن کم با مشکل خوردگی بین دانهای مواجه نیستند. در گرید فریتی استنلس استیل‌ها، کربن باعث کاهش چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی میشود اما در استنلس استیل‌های مارتنزیتی کربن موجب افزایش استحکام و سختی آلیاژ، اما کاهش چقرمگی میشود.
نیتروژن Nitrogen (N)
نیتروژن یک آستنیت زای خیلی قوی است که باعث افزایش استحکام مکانیکی آلیاژ می‌گردد. نیتروژن همچنین باعث افزایش مقاومت آلیاژ در برابر خوردگی موضعی میشود؛ بالاخص زمانی که با مولیبدن ترکیب میشود. نیتروژن در استنلس استیل‌های فریتی شدیدا باعث کاهش چقرمگی و پایداری در برابر خوردگی میشود اما در فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی نیتروژن موجب افزایش استحکام و سختی آلیاژ، اما کاهش چقرمگی میشود.
تیتانیوم Titanium (Ti)
تیتانیوم یک عنصر فریت‌زا و یک کاربیدزای قوی است، بنابراین محتوی کربن موثر را کاهش می‌دهد و ساختار فریتی را بهبود می‌بخشد. در گرید آستنیتی استیل با افزایش محتوی کربن، تیتانیوم به منظور کاهش خوردگی بین دانهای اضافه می‌گردد اما باعث بهبود خواص مکانیکی آلیاژ در دمای بالا می‌گردد. در فولادهای ضد زنگ فریتی برای تقویت چقرمگی، شکل‌پذیری و پایداری در برابر خوردگی تیتانیوم اضافه میشود. در آلیاژهای مارتنزیتی هم با ترکیب تیتانیوم با کربن، سختی آلیاژ کاهش می‌یابد و پایداری آن در برابر فشار افزایش می‌یابد. در آلیاژهای رسوب سختی استنلس استیل تیتانیوم برای تشکیل ترکیبات بین فلزی و افزایش استحکام مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نئوبیم Niobium (Nb)
نئوبیم یک عنصر قوی فریتی و کاربیدی قوی است. همانند تیتانیوم این عنصر هم ساختار فریتی را تقویت می‌کند. در آلیاژ آستنیتی استیل هم نئوبیم در صورت اضافه شدن موجب افزایش پایداری بین دانهای در برابر خوردگی می‌گردد و همچنین خواص مکانیکی آلیاژ در دمای بالا را نیز بهبود می‌بخشد. در استنلس استیل فریتی نئوبیم گاهی اوقات با افزودن تیتانیوم باعث افزایش چقرمگی و تقویت استحکام به منظور حساسیت در برابر حداقل ریسک در برابر خوردگی بین دانهای میشود. در استیل مارتنزیتی نئوبیم کاهش دهنده سختی و افزایش دهنده استحکام آلیاژ است. لازم بذکر است در استیل سازی امریکا از نام کلمبیوم Columbium (Cb) برای آن استفاده می‌گردد.
آلومینیوم Aluminium (Al)
عنصرآلومینیوم در صورت اضافه شدن به آلیاژ باعث افزایش پایداری آن در برابر اکسیداسیون میشود و به همین خاطر این عنصر در ترکیب شیمیایی گریدهای حرارتی خاص استفاده می‌گردد. در استیل‌های رسوب سختی آلومینیوم برای تشکیل ترکیبات بین فلزی اضافه می‌گردد که باعث افزایش مقاومت در شرایط سالخوردگی و کهنگی آلیاژ میشود.
کبالت Cobalt (Co)
کبالت بعنوان یک عنصر آلیاژی در استیل‌های مارتنزیتی به منظور افزایش سختی و پایداری در برابر فشار به خصوص در دماهای بالا به کار می‌رود.
وانادیوم Vanadium (V)
وانادیوم در دماهای پایین کاربیدها و نیتریدها را تشکیل می‌دهد و موجب افزایش ساختار فریتی و تقویت چقرمگی آلیاژ می‌گردد. همچنین این عنصر بخاطر اثر حضور کاربید باعث افزایش سختی در ساختار مارتنزیتی میشود. علاوه براین باعث بهبود پایداری آلیاژ می‌گردد و از این عنصر فقط در استنلس استیل‌های با قابلیت سخت کاری استفاده میشود.
تنگستن Tungsten (W)
تنگستن در بیشتر گریدهای استنلس استیل بعنوان یک ناخالصی حضور دارد، اگرچه برخی گریدهای خاص به منظور مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای دارای افزودنی‌هایی هستند که از جمله نمونه‌های آن میتوان به گرید سوپردوبلکس اشاره نمود.
گوگرد Sulphur (S)
گوگرد به گریدهای خاصی از استنلس استیل به منظور افزایش قابلیت تراش اضافه می‌گردد. برحسب میزان حضور گوگرد در آلیاژها میزان کمی از مقاومت، انعطاف، خاصیت جوش‌پذیری و شکل‌پذیری کاهش می‌یابد. در شرکت Outokumpu برند تجاری PRODEC® (PRODuction EConomy) برای برخی گریدهای آلیاژ، فولاد با میزان سولفور متفاوت و با هدف بهبود خاصیت ماشین‌کاری استفاده می‌گردد. افزودن مقدار کمی از گوگرد باعث کاهش سختی در گریدها به منظور بهبود شکل‌پذیری آنها میشود. علاوه براین افزایش محتوی گوگرد موجب افزایش خاصیت جوشکاری آلیاژ می‌گردد.
سریم Cerium (Ce)
سریم یکی از عناصر فلزی نایاب است و تنها به مقادیر کمی از گریدهای پایدار حرارتی به منظور افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا اضافه می‌گردد.
لوله استیل، میلگرد و ورق استیل با توجه به نوع استفاده آن در صنایع از عناصر مختلفی تشکیل می‌شوند که تاثیر مستقیمی بر روی قیمت استنلس استیل می‌گذارد.
