معرفی فولاد های زنگ نزن (دوپلکس)


معرفی فولادهای زنگ نزن دوپلکس به ویژه2205  AISI توجه به علم مواد و متالورژ‍ي نه تنها ميتواند در بهره وري و انتخاب صحيح مواد در صنايع كمك شايان نمايد بلكه از لحاظ اقتصادي و كمك به كاهش هزينه هاي اوليه ساخت ، نگهداري ومحافظت از خوردگي بسيار موثر خواهد بود.
 
1.مقدمه
توجه به علم مواد و متالورژ‍ي نه تنها ميتواند در بهره وري و انتخاب صحيح مواد در صنايع كمك شايان نمايد بلكه از لحاظ اقتصادي و كمك به كاهش هزينه هاي اوليه ساخت ، نگهداري ومحافظت از خوردگي بسيار موثر خواهد بود.
پس از سالها مشاهده خسارت هاي ناشي از خوردگي و زنگ زدگي فولادهاي ساده در محيط هاي خورنده و اتمسفری علم و تكنولوژ‍ي توانست فولاد هاي زنگ نزن آستنيتي( AISI 304,316,…) و فريتي (...AISI 430,409L, ) و   مارتنزيتي (AISI 420,410….) را ابداع  نمايد ،اما پس از مشخص شدن ضعفها و كاستي هاي فولادهاي فوق الذكر ، دانشمندان علم مواد و متالورژ‍ي توانستند با مطالعات گسترده فولادهاي دو فازي يا دوپلكس را به جهانيان معرفي نمايند.به نظر نگارنده، سال 1997، سال انقلاب و تحول در علم مواد بخصوص در زمینه مهندسي خوردگي بود كه در آن فولادهاي دوپلكس با مقاومت به خوردگي فوق العاده و همچنين تنش تسليم بسيار بالا كه حدود دو برابر فولاد هاي زنگ نزن آستنيتي متداول  مانند 316L و 304  ميباشد ،در مقیاس صنعتی ساخته شد.
 به عنوان مثال رآكتوري را كه برای کار در محيط هاي خورنده با فولادهاي زنگ نزن مثل 316L ساخته مي شد ميتوان با حدود 2  وزن قبلی از فولاد زنگ نزن  دوپلكس ساخته و مقاومت در برابر يونهاي خورنده ، بخصوص  کلر 
3                                                                                                  
گوگرد به صورت غير قابل باوري افزايش يابد.
 
2.فولادهای زنگ نزن دوپلكس و انواع متداول آن
 اين فولادها داراي تركيبات شيميايي  و زيرساختار متوازن (Duplex) و تقريباً نسبت مساوي فريتي و آستنيتي هستند.
خواص اين دسته از فولادهاي زنگ نزن به طور خلاصه در زير آمده است:
1. ترکیب شیميايي براساس كروم و مولیبدن بالا به ترتيب مقاومت به خوردگي بين دانه اي و خوردگي حفره اي را بهبود مي بخشد.
2. افزودن نيترو‍ژن ميتواند به وسیله مكانيسم محلول جامد بين نشینی، سختي ساختار را افزايش داده كه در نهايت راندمان مقاومت و چقرمگي را ارتقاء مي بخشد. 
3. زير ساختار دو فازی متضمن مقاومت بالا بوده و در مقابل ايجاد حفره و ترك  ناشي از شكست خوردگي تحت تنش((SCC از خود مقاومت نشان ميدهد.
4. چقرمگي فولادهاي زنگ نزن دوپلكس نسبت به فولاد های زنگ نزن  فريتي بالاتر است ، اما نسبت به فولاد های زنگ نزن  آستنيتي پايين تر می باشد.
5. اين فولادها به راحتي قابل جوشكاری بوده و داراي مقاومت كششي بالايي هستند.
شكل 1 مقايسه رفتار 316L و دوپلكس هاي 2707, 2507, 2205  را بعد از 24 ساعت در دماي 85 درجه سانتی گراد در محلول %6 Fecl3 نشان ميدهد .

جدول 1  خواص مكانيكي  و تركيب شيميايي فولادهاي زنگ نزن 316L و 904Lو انواع دوپلكس هاي متداول (2707,2507,2205,630(17-4PH)) را نشان ميدهد.

Mechanical Properties

Chemical Compositions %

Elongation

Tensile Strength

Proof Strength

Cb

Cu

N

Mo

Ni

Cr

C max

UNS

Grade

A%

R m

R p0.2

Min.

MPa

MPa,min.

 

Duplex

25

920-1100

700

-

-

0.3

5

6.5

27

0.030

S32707

2707HD

25

800-1100

550

-

-

0.3

4

7

25

0.030

S32750

2507

25

680-1000

485

-

-

0.2

3.2

5

22

0.030

S32205

2205

50

1100

1000

0.30

3-5

-

-

4

17

0.070

S17400

630(17-4PH)

 

Austenitic

45

515-690

220

-

-

-

2.1

11.5

17

0.030

S31603

(316L)

35

520-720

230

-

-

-

4.5

25

20

0.020

N08904

(904L)

 

با توجه به گسترش مصرف فولادهاي دوپلكس اجمالاً خواص و وي‍‍‍‍ژگيهاي متداولترين فولادهاي دوپلكس با استاندارد 2205 ، جهت آشنايي بيشتر ارائه ميگردد.

3.فولاد زنگ نزن دوپلكس (دوتايي )(DIN 1.4462)   AISI 2205

هنگامي كه عمليات حرارتي به درستي در مورد فولاد زنگ نزن دوپلكس (دوتايي ) 2205 اعمال ميشود در ساختار متالورژيكي آن آستنيت و فريت به طور مساوي ايجاد خواهد شد.

ساختار مورد نظر،2205  را در مقابل شكست خوردگي  تحت تنش(SCC) مقاومتر از فولاد هاي زنگ نزن آستنیتی نظیر 304 و316 مينمايد .كرم بالاتر همراه با موليبدن و نيتروژن مقاومت در برابر حفره اي شدن و افزايش خوردگي را در حضور يون كلر به ميزان قابل توجهي بهبود ميبخشد .در بيشتر محيط ها ، مقاومت به خوردگي 2205 از 316 بسيار بهتر بوده به اضافه اينكه عموماً تنش تسليم (مقاومت در برابر تغيير شكل پلاستیک ) در 2205 تقريباً دو برابر فولادهاي زنگ نزن آستنيتي مي باشد.

رفتار فيزيكي فولاد 2205  در دماي 50- درجه سانتي گراد ، از نرم به ترد تبديل شده لذا دماي كاربري اين فولاد عمدتاً در محدوده 50- درجه  الي 300+ درجه سانتي گراد مي باشد.

فولاد 2205 به صورت بسيار قابل توجهي درمحيط هاي حاوي يون كلر و سولفيد هيدروژن مانند محيط هاي دريايي ، استخراج نفت و گاز مقاوم و كاربرد دارد.

 

كابرد عمده اين فولاد در خطوط لوله ، مخازن تحت فشار ، مخازن حمل و نگهداري ، صنايع نيشكر ، چوب وكاغذ و صنايع معدن مي باشد بطوريكه فولاد 2205 به صورت همه جانبه اي در خطوط لوله و مخازن استخراج نفت وگاز از چاههاي ترش  و پالايشگاهها و محيط هاي داراي يون كلرو سولفید به کار می رود.

2205 نيز در مبدلهاي حرارتي كه آب شور يا آب داراي يون كلر جهت خنك كن به كار مي رود استفاده ميشود.

2205 با استاندارد ASTMA240  مطابق با (1/4462)DIN با استانداردEN10088-2  ميباشد.

تر كيب شيميايي و خواص مكانيكي2205 در جدول 2 به شرح زير مشهود است .

 

 

%N

%Mo

%Ni

%Cr

%S

%P

%Mn

%Si

%C

Type

0.14

0.20

3.00

3.50

4.50

6.50

22.00

23.00

0.020

max

0.30

max

2.00

max

1.00

max

0.030

max

S32205

 

 

 

MECHANICAL PROPERTIES

 

Impact Energy(J)

Brinell Hardness

Elongation

(%)

Tensile Strength(MPa)

0.2% Proof Stress(MPa)

Product Form 1 or Gauge(mm)

Type

-40 oc

20 oc

 

-

-

293 max

25 min 2

655 min

450 min

-

S32205

                   
 

جدول 2

بالاترين درجه حرارتي كه  ميتوان بصورت مداوم ازفولاد 2205 استفاده نمود  دماي 300+ درجه سانتي گراد است.

 با آنيل كامل و سرد كردن سريع (كوئنچ) ،چقرمگي و مقاومت بالاي خوردگي در اين فولاد به دست خواهد آمد.

 

1-3 رفتار خستگي:

استحكام بالای فولاد 2205 ، مقاومت خوبي نيز در مقابل خستگي ايجاد مي كند .براي مثال در مورد 2205 و 316Lدر آزمايش خستگي تنش معكوس در دماي اتاق نشان داد كه حد خستگي نزدیک به تنش تسليم آنها بود.و اين يعني حد خستگي 2205 دو برابر 316L ميباشد.

در بسیاري از كاربردها خستگي همراه با خوردگي مقاومت خستگي را كاهش داده كه 2205 در اين مورد بسيار بهتر ازفولادهاي آستنيتي از خود مقاومت نشان ميدهد.

2-3 خواص فيزيكي :

در دماي اتاق 20 درجه سانتي گراد خواص فيزيكي فولاد 2205 در جدول شماره 3 لحاظ گرديده است.

 

3-3 كار سرد :

 2205 شكل پذيري خوبي داشته ولي با توجه به تنش تسليم بالاي آن قدرت بيشتری براي شكل پذيري سرد نياز دارد.براي مثال نورد سرد 2205 در مقايسه با ساير فولادهاي آستنيتي مي بايستي با %60 بار وقدرت بيشتر نسبت به فولادهاي آستنيتي صورت پذيرد و كشش عميق در اين فولاد نياز به يك آنيل واسطه دارد.

ظرفيت محدوده ماكزيمم فولاد 2205 در خمكاري توسط دستگاه نسبت به ساير فولادهاي آستنيتي تقريباً نصف     مي باشيد. بدين معني كه حد اقل شعاع خم داخل براي اين فولاد بايد 3 برابر ضخامت ورق باشد.

فولاد 2205 رفتار فنری بيشتري از فولاد هاي ساختماني نشان داده كه اين مورد جبران محدوديت هاي خم كاري را مينمايد.

4-3 ماشين كاري:

مقاومت بالا و تنش تسليم بالاي 2205 در عين حال كه در كاربرد ها بسيار مفيد مي باشد ولي مقداري قابليت تراشكاري را كاهش ميدهد.

سرعت برش  تقريباً 20% كمتر از فولاد 304 بوده و ابزار تراشكاري بايد  خيلي نزديك به تلورانسهاي مورد نظر مورد استفاده قرار گيرد تا از كار سختی  بيش از اندازه جلوگيري شود.

 ابزار بزرگتر مي تواند پايداري و تأثير بيشتري در مقابل اتلاف گرمايي از خود بروز دهد . ابزار با زاويه شيار بزرگتر ، لبه هاي تيز ،سطح صاف  ، نرخ بارگذاري وعمق برش در ايجاد كار سختي سطح بسيار به يكديگر مرتبطند. برش توسط مايعات از بهترين روش ها مي باشد.

5-3 جوش كاري :

فولاد 2205 جوش پذيري خوبي در تمامي كاربردها داشته و با متد TIG-MIG-SAWوPAW سازگاري دارد.

در جوش كاري خودكار خط جوش مي بايستي آنيل شود . براي حفظ ساختار ميكروسكوپي خط جوش حتماً الكترودهاي مخصوص 2205 بكاررود.

تزريق گاز نيتروژن در جوشكاري بايد ساختار آستنيتي متداول را تضمين نمايد.

براي حفظ باريكي خط (HAZ)حرارت اعمالی بايد كمتر از  2Kj/mmبوده و دماي بيشتر از 150 درجه سانتي گراد نباشد .

ضريب انبساط حرارتي پايين تر 2205 در مقايسه با ساير فولادهاي زنگ نزن باعث كاهش كجي و انحراف و تنش هاي مشترك خط جوش خواهد شد.

اگر چه اغلب پيشگرمي در جوش ضروري نيست ولي براي محدوده هاي ضخيم تر توصيه ميگردد.

پيش گرمي عمدتاً در محدوده 100 الي 250 درجه سانتي گراد توصيه ميشود.گرم كردن بعد از جوشكاري چقرمگي و مقاومت خوردگي بین دانه اي را به حالت اول باز مي گرداند.

6-3مقاومت خوردگي :

عموماً مقاومت به خوردگي فولاد 2205 از 316 و 317L  بسيار بهتر است.در ذیل رفتار انواع خوردگی در فولاد 2205  تشریح می گردد.

1-6-3 خورندگي حفره اي(Pitting ):

مقاومت خورگي حفره اي  در محيط هاي اسيدي با حضور يون كلر بسيار مهم مي باشد.

شرايط فوق منجر به نفوذ موضعي در لايه محافظ سطح فولاد و ايجاد حفره دانه اي عميق شده كه آثار تخريبي آن خيلي بيشتر از حفره هاي سطحي مي باشد.

 

Pitting و خوردگي شكافي معمولاً بوسيله مقدار كرم ، موليبدن ونيتروژن موجود در فولاد اندازه گيري ميشود   كه به آن عدد مقاومت معادل PITTING يا PRE   مي گويند كه برابر است با

 

PRE=%Cr + 3.3 x % Mo + 16 x % N

جدول شماره 4 عدد مقاومت معادل حفره اي شدن چند فولاد زنگ نزن را با هم مقايسه نمده و به طور كامل مقاومت فولاد 2205 در برابر Pitting را روشن مي سازد.به وضوح دیده میشود که عدد PER  فولاد 2205 ،  5/1برابر فولاد زنگ نزن 316 می باشد.

 

PRE

%N

%Mo

%Cr

Alloy

19.2

0.0500

0.05

18.20

CS304

24.7

0.0500

2.10

17.00

CS316

26.4

0.2250

0.40

21.50

CS2101

36.1

0.1700

3.30

22.50

CS2205

 

     جدول شماره 4

منحنی شماره 5 رابطه دمای بحرانی شروع حفره ای شدن با مقدار یون کلر محلول را در فولادهای مختلف نشان میدهد .بنابر این کاملاً واضح است که فولاد2205   در محیط های کلریدی و دماهای بالا نسبت به سایر فولادها کاربرد ایمن تری دارد.لذا 2205  در محیط های کلر دار بسیار بهتر از سایر فولادهای ضد زنگ کارایی دارد.

 

2-6-3 اكسيداسيون :

مقاومت اكسيداسيون فولاد2205 درمصارف متناوب و ثابت تا دماي 980 درجه سانتي گراد خوب بود .اگر چه مصرف ثابت بين 300 درجه سانتي گراد الي 950 درجه فولاد را ترد و مقاومت خوردگي را كاهش مي دهد.

براي مثال مبدلهاي حرارتي در دماهاي بالا بدون هيچ مشكلي مورد استفاده قرار ميگيرند ومي توان با آنيل كامل و سرد كردن ناگهاني (كوئنچ) چقرمگي و مقاومت خوردگي 2205 را به حالت اول بازگرداند.

3-6-3 خوردگي محيطي :

مقاومت خوردگي محيطي فولاد 2205 بسیار بالا و غير قابل مقايسه با كليه فولادهاي آستنيتي موجود ميباشد.

 

4-6-3 خوردگي بين دانه اي:

حساسيت خوردگي بين دانه اي در خط جوش HAZ)) زماني است كه دما بين 450 تا 850 درجه سانتی گراد باشد .در اين دما كاربيدها در مرزدانه ها رسوب مينمايند  و هنگامی که در معرض محيط خورنده قرار  بگيرد امكان آسيب توسط خوردگي مرز دانه وجود خواهد داشت .اما به لحاظ كم بودن كربن در 2205 اين نوع خوردگي در اين فولاد اتفاق نمي افتد.

 

5-6-3 شكست خوردگي تحت تنش :( SCC)

 

شكست خوردگي تحت تنش((STRESS CORROSION CRACKING در فولادهاي زنگ نزن آستنيتي در زماني اتفاق ميافتد كه فولاد در محيط كلريدي و تحت تنش و دماي بالاتر از 60 درجه سانتي گراد قرار گيرد.

تنش از طريق اعمال نيرو  يا پس ماند نيرو ها از كار سرد اعمالی يا جوش در فولاد بوجود مي آيد و يون كلر لزوماً به مقدار زياد نبايد وجود داشته باشد. حتي اگر مقدار كمي از نمك به صورت موضعي نيز موجود باشد تأثير خود را خواهد گذاشت و با توجه به مطالب مذكور ارزيابي رخ دادن شكست خوردگي تنش (SCC) بسيار سخت مي باشد.

جايي كه اين پديده رخ ميدهد، افزايش بهره وري  با كاهش تنش اعمالی يا كاهش تنش هاي پس ماند و يا تعدیل حرارت امكان پذير مي باشد.

2205 بسيار كمتر از ساير فولادهاي زنگ نزن آستنيتي در معرض اين نوع خوردگي قرار مي گيرد منحنی شماره 6 تأثير دما و يون كلر در ايجاد اين نوع خوردگي در فولادهاي 304, 316, 2205 را بطور كامل نمايان مي سازد.

 

 

6-6-3 خوردگي سايشي :

با توجه به تلفيق سختي بالاي اوليه و كار سختی و مقاومت به خوردگي فولاد 2205 ، مقاومت اين فولاد در برابر خوردگي سايشي كه به وسيله ذرات جامد و صلب و سايش  از محلولها ايجاد مي شود ، بسيار بالا است .

7-6-3 خستگي خوردگي :

از آنجايي كه فولاد 2205 مقاومت بسيار بهتري از ساير فولادهاي زنگ نزن در برابر خوردگي داردو مقاومت تنش تسليم نسبت به آنها نیز دو برابر است، بنابر اين در آزمايش خستگي خمش چرخشي انجام شده در محلول 3% نمك

7         

طعام PH7 ودماي 40 درجه سانتي گراد و 6000 دور در دقيقه، فولاد2205   با تنش Mpa  430بعد از  10×2  

دور تناوبي چرخش خمشي می شکند ، اين در حالي است كه فولاد  316با تنش Mpa260 در اين آزمايش خواهد

شكست.

4.خلاصه و نتیجه گیری

فولادهای زنگ نزن دوپلکس در مقایسه با فولادهای زنگ نزن آستنیتی متداول (316L,…) ، دارای مزیت های ذیل می باشند.

  1. تنش تسلیم (مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک) دو برابر
  2. مقاومت به خوردگی بسیار بالاتر در محیط های حاوی یون کلرید و سولفید
  3. مقاومت بسیار بالاتر در برابر خوردگی حفره ای (Pitting) و شکست خــوردگی تحت تنش                (Stress Corrosion Cracking )

 

یکی از رایــج ترین و مقرون به صرفه ترین فولادهای دوپلکس ، فولاد زنگ نزن  با استــاندارد AISI220     یا DIN 1.4462 می باشد که در مبدلهای حرارتی و صنایع چوب و کاغذ وپتروشیمی و تأسیسات دریایی ، بالاترین کاربرد را دارد.

گرد آورنده :  مهندس سید سامان لاجوردی

منابع و مأخذ

  1. Technical Properties Of Duplex , Columbus Publish ,June 2007
  2. Sandvik Seamless Heat Exchanger Tubing ,Sandvik Publish,2006
  3. 17-4PH Data Sheet, AK Steel Cooperation , August 2007
  4. Ferrite –Austenite Stainless Steel , Fujikura ,October 1997
  5. High Alloyed Steel Bing Resistive To Corrosion By Natural Gas ,Niehaus Et Al,June 1983
  6. Characterization Of a High Performance Duplex Stainless Steel For Orthepedic Application ,Cigada-A,October 1999