فولادهای زنگ نزن مورد استفاده در ساخت مبدل حرارتی

برای بررسی فولادهای زنگ نزن مورد استفاده در ساخت مبدل حرارتی(Exchanger ConstructionStainless steel for Heat) باید ابتدا بر بررسی این دسته از فولاد ها پرداخت. فولاد های زنگ نزن (SS) آلیاژ هایی هستند که درصد کروم آن ها با یا بدون عناصر آلیاژی دیگر کمتر از ۱۲ درصد نباشد. فولادهای زنگ
نزن در برابر زنگ زدن نسبت به فولادهای کربنی ساده و فولادهای کم آلیاژ مقاوم ترند. آن ها مقاومت به
خوردگی عالی دارند زیرا درصد کروم آن ها بالاست. این فلزات به شکل کارشده و ریختگی در دسترس هستند.
فولادهای زنگ نزن را می توان به ۵ خانواده بر اساس ساختار متالورژیکی آن ها تقسیم بندی کرد:

۱- فولاد زنگ نزن مارتنزیتی
۲- فولاد زنگ نزن آستنیتی
۳- فولاد زنگ نزن فریتی
۴- فولاد زنگ نزن دوفازی
۵- فولاد زنگ نزن رسوب سختی

چهار دسته نخست توسط فازهای متالورژیکی شناخته می شوند. در آهن و فولاد، به ساختار BCC فریت و به ساختار FCC آستنیت گفته می شود. بنابراین فولاد های فریتی یا آستنیتی حاوی مقادیر زیادی از این فاز ها هستند. فولادهای دوپلکس حاوی هر دو فاز فریت و آستنیت هستند. پنجمین گروه فولادهای زنگ نزن آن هایی هستند که می توان با عملیات حرارتی پیرسازی استحکام آن ها افزایش داد. این فولاد برای ساخت مبدل های حرارتی مورد استفاده قرار نمی گیرد و در نتیجه در این مطلب راجع به آن بحث نخواهد شد.

نام گذاری فولادهای زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن کارشده بر اساس استاندارد انستیتو آهن و فولاد آمریکا (AISI) و بر اساس ترکیب دسته بندی می شوند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی Cr-Ni-Mn به عنوان سری 2xx، و فولادهای زنگ نزن آستنیتی Cr-Ni به عنوان سری 3xx , 4xx نامگذاری می شوند. فولادهای گرید رسوب سختی بر اساس درصد نیکل وکروم دسته بندی می شوند. مشخصات ASTM برای فولادهای زنگ نزن: بیشتر انواع فولادهای زنگ نزن AISI مانند آستنیتی، فریتی، مارتنزیتی، و برخی انواع ویژه آن ها مانند سوپر فریتی و سوپر آستنیتی در A240 بیان شده است.

راهنمای انتخاب انواع فولاد زنگ نزن

راهنمای انتخاب انواع فولاد زنگ نزن توسط براون و دبولد به صورت جداگانه بررسی شده است. بر اساس
پژوهش براون، در هنگام انتخاب گرید مناسب باید موارد زیر را در نظر گرفت:

•  انتخاب میزان مقاومت به خوردگی برای کاربرد مد نظر.
•  انتخاب مقدار استحکام مورد نیاز.
•  به علت وجود برخی مشکلات در هنگام ساخت باید آلیاژ پایه ای انتخاب شود که بهترین ویژگی ها را در ساخت داشته باشد.
•  هزینه ها شامل قیمت مواد اولیه، انجام آنالیز، هزینه های نصب و تخمین عمر محصول نهایی.
•  تعیین در دسترس بودن مواد اولیه که از نظر هزینه مقرون به صرفه و از نظر کارایی مناسب باشد.

از نظر دبولد باید انتخاب فولاد زنگ نزن بر اساس مقاومت به خوردگی و استحکام باشد.

فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی

فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی از مقاومت به خوردگی کمتری برخوردارند زیرا تنهای حاوی 11 تا 18 درصد کروم هستند و مقدار کربن آن ها معمولا زیر 0.4 درصد است. حداقل مقدار کروم بر اساس مقاومت به خوردگی انتخاب می شود و بیشترین مقدار آن بر اساس مقدار لازم برای آستنیته کردن کامل آلیاژ در طی عملیات حرارتی مشخص می شود. یکی از ویژگی های کلیدی این گروه توانایی آن ها برای سخت شدن در حین عملیات حرارتی است.

کارآیی این فولاد در مبدل های حرارتی و در محیط های آبی محدود است. اما این فولاد ها ترکیب مفیدی از استحکام، چکش خواری، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی را در محیط های ملایم نشان می دهند. مقاومت  به خوردگی تنها زمانی در مورد این ماده ایجاد می شود که به طور کامل سخت و تمپر شده باشد. فولاد AISI 410  یکی از پرکاربردترین گریدهای مارتنزیتی است که گاهی اوقات در مبدل های حرارتی استفاده می شود.

متالورژی و خواص فولاد زنگ نزن آستنیتی

فولادهای زنگ نزن آستنیتی تقریبا 80 تا 90 درصد فولاد های زنگ نزن را تشکیل می دهند. این کلاس فولادهای زنگ نزن شامل آلیاژهای گروه 200 و 300 می شود که می توان آن ها را با کار سرد، سخت کرد. آلیاژهای سری 200 برای صرفه جویی در مصرف نیکل با جایگزینی آن با منگنز به وجود آمدند به شکلی که به ازای هر یک درصد نیکل، دو درصد منگنز جایگزین شود. آلیاژ های سری 300 فولادهای زنگ نزن، آلیاژهای کم کربن – آهن– کروم هستند که با نیکل هم همراه هستند و گاهی اوقات منگنز یا نیتروژن هم دارند یا حاوی مجموعه ای از این عناصر هستند تا در اثر سرد کردن سریع در دمای اتاق به آستنیت تبدیل شوند. مقدار کروم در محدوده 15 تا 32 درصد، مقدار نیکل در محدوده 8 تا 37 درصد و مقدار کربن به کمتر از 0.03 درصد محدود شده است. کروم
مقاومت به اکسیداسیون و مقاومت به خوردگی در محیط خاص را ایجاد می کند. تیپ های معمول فولادهای زنگ نزن 3xx شامل 304، 347، 321، 316 ، L316، 310، 309، L304 و 348 می شوند. آلیاژ پایه این گروه 304، حاوی 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل است. استحکام این آلیاژ و مقاومت به خوردگی آن متوسط و چقرمگی آن عالی است. برای بهبود مقاومت به خوردگی حفره دار شدن در برابر کلراید باید به آن مولیبدن اضافه کرد که به این ترتیب آلیاژهای 316 و 317 پدید می آیند. فولاد زنگ نزن 316 (18 درصد کروم، 12 درصد نیکل، 2.5 درصد مولیبدن) و 317 (18 درصد کروم، 15 درصد نیکل، 3.5 درصد مولیبدن) در محیط های کلریدی مقاومت بیشتری نسبت به 304 از خود نشان می دهند.خواص فولادهای زنگ نزن آستنیتی عبارت است از :

• غیر مغناطیسی (نگیر)
• داکتیل
• کارسخت (با عملیات حرارتی سخت نمی شوند.) 
• تک فاز از صفر کلوین تا دمای ذوب 
• ساختار کریستالی FCC
• جوشکاری آسان (عدم ایجاد تردی 475 درجه سانتی گراد و تردی هیدروژنی)
• عدم وجود دمای انتقال نرمی به تردی

توسعه آلیاژ

فولادهای زنگ نزن آستنیتی 18Cr–8Ni به طور موفقیت آمیز در آب های شیرین و محیط های صنعتی با خورندگی ملایم به مدت ۵۰ سال مورد استفاده قرار گرفته اند. مقاومت به خوردگی، جوشکاری و استحکام خانواده فولادهای زنگ نزن آستنیتی دائما در کاربردهای صنعتی با تغییر ترکیب شیمیایی آن ها ثابت شده است. این ویژگی ها عبارتند از:

• مولیبدن برای بهبود مقاومت به خوردگی در محیط های کلریدی مانند تیپ 316 و 317 به کار می رود.
  مقاومت این فولادها در برابر حمله های شیمیایی نسبت به تیپ 304 بیشتر است.
• فولادهای کم کربن (317L، 304L، 316L) به رسوب کاربید در دمای 425 تا 870 درجه سانتی گراد (800 تا 1600 فارنهایت) مقاومند و در نتیجه در حین جوشکاری دچار کاهش مقاومت به خوردگی نمی شودمعمولا توصیه می شود که در دمای کمتر از ۴۲۵ درجه سانتی گراد ( ۸۰۰ درجه فارنهایت) از این فولادها استفاده شود.
• نیتروژن برای جبران کاهش استحکام در فولادهای کم کربن یا گرید های L اضافه می شود. افزودن نیتروژن استحکام را در تمام دماها افزایش می دهد، مقاومت به خوردگی محلی را در محلول های اسید کلر دار افزایش داده، مقاومت به حفره دار شدن و پایداری فاز را نیز بهبود می دهد. افزودن نیتروژن پسیو شدن را نیز بهبود می دهد و اثر سایر عناصر آلیاژی را به خصوص کروم و مولیبدن را افزایش می دهد. درصد نیتروژن معمولا از 0.1 تا 0.25 درصد در فولادهای زنگ نزن آستنیتی بیشتر نمی شود تا از مشکلات مربوط به ایجاد تخلخل در شمش، کارپذیری گرم و رسوب نیتروژن که در اثر حضور مقدار زیاد نیتروژن ایجاد می شوند، جلوگیری شود.
• افزایش کروم برای افزایش مقاومت به حفره دار شدن و خوردگی شیاری.
• افزایش نیکل برای پایدار کردن ریزساختار آستنیتی و بهبود مقاومت به خوردگی تنشی و محیط های احیا کننده. اثر نیکل بر خوردگی تنشی با استفاده از منحنی کاپسون مشخص می شود.
• گریدهای پایدار شده: اضافه کردن تیتانیم و نیوبیوم کاربیدهای پایدار ایجاد می کند تخلیه کروم به وسیله تشکیل کاربیدهای کمپلکس کروم جلوگیری می کند و در نتیجه از حساس شدن مناطق جوش یا قطعات عملیات حرارتی شده جلوگیری می کند مانند فولاد 321 که با تیتانیم و فولاد 347 که با نیوبیوم پایدار شده است.
• عبارت LR مخفف low residual  بوده و در این حالت به معنای محدود کردن کربن برای مقاومت به خوردگی است. کاهش کربن هم چنین ریسک تشکیل فیلم های بین دندریتی غنی از نیوبیوم را کاهش می دهد. هم چنین محدودیت هایی برای سیلیسیم، گوگرد و فسفر برای بهبود مقاومت به ترک های ناشی از جدایش وجود دارد.منگنز معمولا برای بهبود مقاومت به ترک های انجمادی به ترکیب افزوده می شود.

منبع: ویکی پی جی