معرفی فولادهای زنگ نزن دوپلکس

توجه به علم مواد و متالورژی نه تنها میتواند در بهره وری و انتخاب صحیح مواد در صنایع کمک شایان نماید بلکه از لحاظ اقتصادی و کمک به کاهش هزینه های اولیه ساخت، نگهداری ومحافظت از خوردگی بسیار موثر خواهد بود. پس از سالها مشاهده خسارت های ناشی از خوردگی و زنگ زدگی فولاده های ساده در محیط های خورنده و اتمسفری علم و تکنولوژی توانست فولاد های زنگ نزن آستنیتی AISI 304,316,… و فریتی … AISI 430,409L, و مارتنزیتی AISI 420,410 را ابداع نماید، اما پس از مشخص شدن ضعفها و کاستی های فولادهای فوق الذکر، دانشمندان علم مواد و متالورژی توانستند با مطالعات گسترده فولادهای دو فازی یا دوپلکس را به جهانیان معرفی نمایند.به نظر نگارنده، سال ۱۹۹۱ ، سال انقلاب و تحول در علم مواد بخصوص در زمینهه مهندسی خوردگی بود که در آن فولادهای دوپلکس با مقاومت به خوردگی فوق العاده و همچنین تنش تسلیم بسیار بالا که حدود دو برابر فولاد های زنگ نزن آستنیتی متداول مانند ۳۱۶L و ۳۰۴ میباشد، در مقیاس صنعتی ساخته شد. به عنوان مثال رآکتوری را که برای کار در محیط های خورنده با فولادهای زنگ نزن مثه ۳۱۶L ساخته می شد میتوان با حدود ۲ درصد وزن قبلی از فولاد زنگ نزن دوپلکس ساخته و مقاومت در برابر یونهای خورنده، بخصوص کلر و گوگرد به صورت غیر قابل باوری افزایش یابد.

 

Duplex Stainless Steel

 

 

 

فولادهای زنگ نزن دوپلکس و انواع متداول آن

این فولادها دارای ترکیبات شیمیایی و زیرساختار متوازن (Duplex) و تقریبا نسبت مساوی فریتی و آستنیتی هستند. خواص این دسته از فولادهای زنگ نزن به طور خلاصه در زیر آمده است:
۱- ترکیب شیمیایی براساس کروم و مولیبدن بالا به ترتیب مقاومت به خوردگی بین دانه ای و خوردگی حفره ای را بهبود می بخشد.
۲- افزودن نیتروژن میتواند به وسیله مکانیسم محلول جامد بین نشینی، سختی ساختار را افزایش داده که در نهایت راندمان مقاومت و چقرمگی را ارتقاء می بخشد.
۳- زیر ساختار دو فازی متضمن مقاومت بالا بوده و در مقاب ایجاد حفره و ترک ناشی از شکست خوردگی تحت تنش (SCC) از خود مقاومت نشان میدهد.
۴- چقرمگی فولادهای زنگ نزن دوپلکس نسبت به فولاد های زنگ نزن فریتی بالاتر است، اما نسبت به فولاد های زنگ نزن آستنیتی پایین تر می باشد.
۵- این فولادها به راحتی قاب جوشکاری بوده و دارای مقاومت کششی بالایی هستند.

 

فولاد زنگ نزن دوپلکس (دوتایی) ۲۲۰۵AISI -DIN 1.4462
هنگامی که عملیات حرارتی به درستی در مورد فولاد زنگ نزن دوپلکس (دوتایی)۲۲۰۵ اعمال میشود در ساختار متالورژیکی آن آستنیت و فریت به طور مساوی ایجاد خواهد شد. ساختار مورد نظر، ۲۲۰۵ را در مقابل شکست خوردگی تحت تنش( SCC) مقاومتر از فولاد های زنگ نزن آستنیتی نظیر ۳۰۴ و ۳۱۶ مینماید .کرم بالاتر همراه با مولیبدن و نیتروژن مقاومت در برابر حفره ای شدن و افزایش خوردگی را در حضور یون کلر به میزان قاب توجهی بهبود میبخشد .در بیشتر محیط ها، مقاومت به خوردگی ۲۲۰۵ از ۳۱۶ بسیار بهتر بوده به اضافه اینکه عموما تنش تسلیم (مقاومت در برابر تغییر شک پلاستیک) در ۲۲۰۵ تقریبها دو برابر فولادهای زنگ نزن آستنیتی می باشد. رفتار فیزیکی فولاد ۲۲۰۵ در دمای ۵۵ درجه سانتی گراد، از نرم به ترد تبدیل شده لذا دمای کاربری این فولاد – عمدتا در محدوده ۵۵ درجه الی ۳۵۵ + درجه سانتی گراد می باشد.
فولاد ۲۲۰۵ به صورت بسیار قاب توجهی در محیط های حاوی یون کلر و سولفید هیدروژن مانند محیط های دریایی، استخراج نفت و گاز مقاوم و کاربرد دارد.

 

کابرد عمده این فولاد در خطوط لوله، مخازن تحت فشار، مخازن حمل و نگهداری، صنایع نیشکر، چوب و کاغذ و صنایع معدن می باشد بطوریکه فولاد ۲۲۰۵ به صورت همه جانبه ای در خطوط لوله و مخازن استخراج نفت و گاز از چاههای ترش و پالایشگاهها و محیط های دارای یون کلرو سولفید به کار می رود. ۲۲۰۵ نیز در مبدلهای حرارتی که آب شور یا آب دارای یون کلر جهت خنک کن به کار می رود استفاده میشود. ۲۲۰۵ با استاندارد ASTMA240 مطابق با  ۱/۴۴۶۲ DIN با استاندارد EN10088-2 می باشد.

 

 رفتار خستگی
استحکام بالای فولاد ۲۲۰۵ ، مقاومت خوبی نیز در مقاب خستگی ایجاد می کند. برای مثال در مورد ۲۲۰۵ و ۳۱۶L در آزمایش خستگی تنش معکوس در دمای اتاق نشان داد که حد خستگی نزدیک به تنش تسلیم آنها بود و این یعنی حد خستگی ۲۲۰۵ دو برابر ۳۱۶L میباشد. در بسیاری از کاربردها خستگی همراه با خوردگی مقاومت خستگی را کاهش داده که ۲۲۰۵ در این مورد بسیار بهتهر ازفولادهای آستنیتی از خود مقاومت نشان میدهد.

 

 کار سرد
۲۲۰۵ شک پذیری خوبی داشته ولی با توجه به تنش تسلیم بالای آن قدرت بیشتری برای شک پهذیری سرد نیاز دارد. برای مثال نورد سرد ۲۲۰۵ در مقایسه با سایر فولادهای آستنیتی می بایستی با % ۶۵ بار و قدرت بیشتر نسبت به فولادهای آستنیتی صورت پذیرد و کشش عمیق در این فولاد نیاز به یک آنی واسطه دارد. ظرفیت محدوده ماکزیمم فولاد ۲۲۰۵ در خمکاری توسط دستگاه نسبت به سایر فولادهای آستنیتی تقریبا نصف می باشید. بدین معنی که حداقل شعاع خم داخل برای این فولاد باید ۳ برابر ضخامت ورق باشد.

فولاد ۲۲۰۵ رفتار فنری بیشتری از فولاد های ساختمانی نشان داده که این مورد جبران محدودیت های خم کاری را مینماید.

 

ماشین کاری
مقاومت بالا و تنش تسلیم بالای ۲۲۰۵ در عین حال که در کاربرد ها بسیار مفید می باشد ولی مقداری قابلیت تراشکاری را کاهش میدهد. سرعت برش تقریبا ۲۵ % کمتر از فولاد ۳۰۴ بوده و ابزار تراشکاری باید خیلی نزدیک به تلورانس های مورد نظر مورد استفاده قرار گیرد تا از کار سختی بیش از اندازه جلوگیری شود. ابزار بزرگتر می تواند پایداری و تأثیر بیشتری در مقابل اتلاف گرمایی از خود بروز دهد . ابزار با زاویه شیار بزرگتر، لبه های تیز، سطح صاف،  نرخ بارگذاری وعمق برش در ایجاد کار سختی سطح بسیار به یکدیگر مرتبطند. برش توسط مایعات از بهترین روش ها می باشد.

 

جوش کاری
فولاد ۲۲۰۵ جوش پذیری خوبی در تمامی کاربردها داشته و با متد TIG-MIG-SAW و PAW سازگاری دارد.
تزریق گاز نیتروژن در جوشکاری باید ساختار آستنیتی متداول را تضمین نماید. حرارت اعمالی باید کمتر از ۲Kj/mm بوده و دمای بیشتر از ۱۵۵ درجه سانتی گراد نباشد. ضریب انبساط حرارتی پایین تر ۲۲۰۵ در مقایسه با سایر فولادهای زنگ نزن باعث کاهش کجی و انحراف و تنش های مشترک خارجوش خواهد شد. اگر چه اغلب پیشگرمی در جوش ضروری نیست ولی برای محدوده های ضخیم تر توصیه میگردد.
پیش گرمی عمدتا در محدوده ۱۵۵ الی ۲۵۵ درجه سانتی گراد توصیه میشود. گرم کردن بعد از جوشکاری چقرمگی و
مقاومت خوردگی بین دانه ای را به حالت اول باز می گرداند.

 

مقاومت خوردگی
عموما مقاومت به خوردگی فولاد ۲۲۰۵ از ۳۱۶ و ۳۱۷L بسیار بهتر است.در ذیر رفتار انواع خوردگی در فولاد ۲۲۰۵ تشریح می گردد.

 

خورندگی حفره ای (Pitting)

مقاومت خورگی حفره ای در محیط های اسیدی با حضور یون کلر بسیار مهم می باشد. شرایط فوق منجر به نفوذ موضعی در لایه سطح فولاد و ایجاد حفره دانه ای عمیق شده که آثار تخریبی آن خیلی بیشتر از حفره های سطحی می باشد.

 

 کار سرد
۲۲۰۵ شک پذیری خوبی داشته ولی با توجه به تنش تسلیم بالای آن قدرت بیشتری برای شک پذیری سرد نیاز دارد. برای مثال نورد سرد ۲۲۰۵ در مقایسه با سایر فولادهای آستنیتی می بایستی با % ۶۵ بار وقدرت بیشتر نسبت به فولادهای آستنیتی صورت پذیرد. ظرفیت محدوده ماکزیمم فولاد ۲۲۰۵ در خمکاری توسط دستگاه نسبت به سایر فولادهای آستنیتی تقریبا نصف می باشید. بدین معنی که حداقل شعاع خم داخل برای این فولاد باید ۳ برابر ضخامت ورق باشد. فولاد ۲۲۰۵ رفتار فنری بیشتری از فولاد های ساختمانی نشان داده که این مورد جبران محدودیت های خم کاری را
مینماید.

 

اکسیداسیون
مقاومت اکسیداسیون فولاد ۲۲۰۵ درمصارف متناوب و ثابت تا دمای ۹۵۵ درجه سانتی گراد خوب بود .اگر چه مصرف ثابت بین ۳۵۵ درجه سانتی گراد الی ۹۵۵ درجه فولاد را ترد و مقاومت خوردگی را کاهش می دهد.
برای مثال مبدل های حرارتی در دماهای بالا بدون هیچ مشکلی مورد استفاده قرار میگیرند ومی توان با سرد کردن ناگهانی یا کوئنچ و چقرمگی و مقاومت خوردگی ۲۲۰۵ را به حالت اول بازگرداند.

 

خوردگی محیطی
مقاومت خوردگی محیطی فولاد ۲۲۰۵ بسیار بالا و غیر قاب مقایسه با کلیه فولادهای آستنیتی موجود می باشد.

 

 

خوردگی بین دانه ای
حساسیت خوردگی بین دانه ای در HAZ زمانی است که دما بین ۴۵۵ تا ۵۵۵ درجه سانتی گراد باشد .در این دما کاربیدها در مرزدانه ها رسوب می نمایند و هنگامی که در معرض محیا خورنده قرار بگیرد امکان آسیب توسط خوردگی مرز دانه وجود خواهد داشت .اما به لحاظ کم بودن کربن در ۲۲۰۵ این نوع خوردگی در این فولاد اتفاق نمی افتد.

 

شکست خوردگی تحت تنش (SCC)
شکست خوردگی تحت تنشSTRESS CORROSION CRACKING در فولادهای زنگ نزن آستنیتی در زمانی اتفاق می افتد که فولاد در محیا کلریدی و تحت تنش و دمای بالاتر از ۶۵ درجه سانتی گراد قرار گیرد. تنش از طریق اعمال نیرو یا پسماند نیرو ها از کار سرد اعمالی یا جوش در فولاد بوجود می آید و یون کلر لزوما به مقدار زیاد نباید وجود داشته باشد. حتی اگر مقدار کمی از نمک به صورت موضعی نیز موجود باشد تأثیر خود را خواهد گذاشت و با توجه به مطالب مذکور ارزیابی رخ دادن شکست خوردگی تنش بسیار سخت می باشد.
جایی که این پدیده رخ میدهد، افزایش بهره وری با کاهش تنش اعمالی یا کاهش تنش های پسماند و یا تعدی حرارت امکان پذیر می باشد. ۲۲۰۵ بسیار کمتر از سایر فولادهای زنگ نزن آستنیتی در معرض این نوع خوردگی قرار می گیرد.

 

 

 خوردگی سایشی
با توجه به تلفیق سختی بالای اولیه و کار سختی و مقاومت به خوردگی فولاد ۲۲۰۵ ، مقاومت این فولاد در برابر خوردگی سایشی که به وسیله ذرات جامد و صلب و سایش از محلولها ایجاد می شود ، بسیار بالا است.

 

خستگی خوردگی
از آنجایی که فولاد ۲۲۰۵ مقاومت بسیار بهتری از سایر فولادهای زنگ نزن در برابر خوردگی دارد و مقاومت تنش تسلیم نسبت به آنها نیز دو برابر است، بنابر این در آزمایش خستگی خمش چرخشی انجام شده در محلول ۳% نمک طعام PH7 و دمای ۴۵ درجه سانتی گراد و ۶۵۵۵ دور در دقیقه، فولاد ۲۲۰۵ با تنش Mpa 2× ۴۳۵ بعد از ۱۵ دور تناوبی چرخش خمشی می شکند، این در حالی است که فولاد ۳۱۶ با تنش Mpa 265 در این آزمایش خواهد شکست.

 

خلاصه و نتیجه گیری
فولادهای زنگ نزن دوپلکس در مقایسه با فولادهای زنگ نزن آستنیتی متداول مانند ۳۱۶L دارای مزیت های زیر می باشند.
۱- تنش تسلیم (مقاومت در برابر تغییر شک پلاستیک) دو برابر
۲- مقاومت به خوردگی بسیار بالاتر در محیا های حاوی یون کلرید و سولفید
۳- مقاومت بسیار بالاتر در برابر خوردگی حفره ای (Pitting) و شکست خوردگی تحت تنش (Stress Corrosion Cracking)