فولاد ضد زنگ آهنی است?

یک سوال اساسی در علم مواد و کاربردهای صنعتی این است: فولاد ضد زنگ آهنی است? پاسخ به تعریف بستگی دارد فلزات آهنی و درک دقیق از ترکیب شیمیایی فولاد ضد زنگ, ساختار کریستالی, و استانداردهای طبقه بندی مواد.

در هسته آن, فولاد ضد زنگ یک است آلیاژ آهنی- حاوی آهن است (Fe) به عنوان جزء اصلی آن – در عین حال کروم منحصر به فرد آن (Cr) محتوای آن را از فولاد کربنی و چدن متمایز می کند, برخورداری از مقاومت در برابر خوردگی که صنایع را از ساخت و ساز تا تجهیزات پزشکی متحول کرد.

1. «آهنی» در مهندسی مواد به چه معناست

در مهندسی و متالورژی اصطلاح خونی به فلزات و آلیاژهایی اطلاق می شود که ماده اولیه تشکیل دهنده آهن است.

مواد آهنی معمولی عبارتند از فولادهای فرفورژه, آیرونز, آهن های فرفورژه و آلیاژهای مبتنی بر آهن مانند فولاد ضد زنگ.

در مقابل, غیر عاقلانه فلزات فلزاتی هستند که عنصر اصلی آنها آهن نیست (نمونه: آلومینیوم, مس, تیتانیوم, آلیاژهای پایه نیکل).

نکته کلیدی: طبقه بندی ترکیبی است (بر پایه آهن) به جای عملکردی (به عنوان مثال, «آیا زنگ می‌زند؟?”). فولادهای زنگ نزن آلیاژهای مبتنی بر آهن هستند و بنابراین در خانواده آهنی قرار می گیرند.

2. چرا فولاد ضد زنگ آهنی است - ترکیب و استانداردها

• آهن عنصر تعادل است. فولادهای ضد زنگ با آهن به عنوان عنصر ماتریس فرموله می شوند; عناصر آلیاژی دیگر برای به دست آوردن خواص مورد نظر اضافه می شوند.
  گریدهای صنعتی معمولی حاوی الف اکثریت آهن با کروم, نیکل, مولیبدن و سایر عناصر به عنوان افزودنی های آلیاژی عمدی وجود دارند.
• مورد نیاز کروم. تعریف فنی استاندارد فولاد زنگ نزن آلیاژی مبتنی بر آهن است که حداقل حاوی آن است ≈10.5٪ کروم جرمی, که مفعول را افاده می کند, فیلم سطحی مقاوم در برابر خوردگی (cr₂o₃).
  این آستانه کروم در استانداردهای اصلی مدون شده است (به عنوان مثال, خانواده اسناد ASTM/ISO).
• طبقه بندی استانداردها. استانداردهای بین المللی فولادهای ضد زنگ را به عنوان فولاد طبقه بندی می کنند (یعنی, آلیاژهای مبتنی بر آهن).
  برای تهیه و آزمایش آنها در چارچوب استانداردهای مواد آهنی مورد استفاده قرار می گیرند (تجزیه و تحلیل شیمیایی, تست های مکانیکی, روش های عملیات حرارتی و غیره).

کوتاه: ضد زنگ = آلیاژ بر پایه آهن با کروم کافی برای غیرفعال شدن; بنابراین ضد زنگ = آهنی.

3. شیمی معمولی - نمرات نماینده

جدول زیر شیمی های معرف را نشان می دهد تا نشان دهد آهن فلز پایه است (مقادیر محدوده های معمولی هستند; برگه های داده درجه را برای محدودیت های دقیق بررسی کنید).

"تعادل" به این معنی است که باقیمانده آلیاژ آهن به اضافه عناصر کمیاب است.

4. ساختارهای کریستالی و طبقات ریزساختاری - چرا ساختار ≠ غیر آهنی

فولادهای زنگ نزن از نظر متالورژی با ساختار کریستالی غالب خود در دمای اتاق تقسیم می شوند:

• آستنیتی (γ-FCC) - به عنوان مثال, 304, 316. غیر مغناطیسی در شرایط آنیل شده, چقرمگی عالی و مقاومت در برابر خوردگی, نیکل بالا آستنیت را تثبیت می کند.
• فریتیک (α-BCC) - به عنوان مثال, 430. مغناطیسی, چقرمگی کمتر در دماهای بسیار پایین, مقاومت خوب در برابر ترک خوردگی تنشی - خوردگی در برخی محیط ها.
• مارتنزیتی (BCT تحریف شده / مارتنزیت) - به عنوان مثال, 410, 420. با عملیات حرارتی سخت می شود; برای کارد و چنگال استفاده می شود, سوپاپ ها و شفت ها.
• دوبلکس (مخلوط الف + ج) - فریت و آستنیت متعادل برای افزایش استحکام و مقاومت در برابر کلرید.

مهم است: این تفاوت‌های ساختار کریستالی آرایش اتم‌ها را توصیف می‌کنند, نه عنصر پایه.

صرف نظر از آستنیتی بودن, فریتی یا مارتنزیتی, فولادهای ضد زنگ باقی می مانند بر پایه آهن آلیاژها - و در نتیجه آهنی.

5. تمایز عملکردی: "ضد زنگ" به معنای "غیر آهنی" یا "غیر مغناطیسی" نیست.

• "زنگ نزن" به مقاومت در برابر خوردگی ناشی از انفعال ناشی از کروم اشاره دارد (فیلم Cr₂o₃). این کار را انجام می دهد نه این واقعیت را تغییر دهید که فلز بر پایه آهن است.
• رفتار مغناطیسی است نه یک شاخص قابل اعتماد از ترکیب آهن: برخی از فولادهای زنگ نزن آستنیتی اساساً در حالت آنیل شده غیر مغناطیسی هستند, اما هنوز هم آلیاژهای آهنی هستند. کار سرد یا انواع نیکل کمتر ممکن است مغناطیسی شوند.
• رفتار خوردگی (مقاومت در برابر زنگ زدگی) بستگی به محتوای کروم دارد, ساختار, شرایط محیطی و سطحی - نه تنها در طبقه بندی آهنی/غیرآهنی.

6. کاربردهای صنعتی و مفاهیم انتخاب مواد

• مشخصات و تدارکات. فولادهای ضد زنگ با استفاده از استانداردها و گریدهای فولادی مشخص می شوند (ASTM, در, او, گیگابایت, و غیره).
  تست مکانیکی, صلاحیت روش جوشکاری, و عملیات حرارتی از روش های متالورژی آهنی پیروی می کند.
• جوشکاری و ساخت. فولادهای ضد زنگ به همان اقدامات احتیاطی اساسی مانند سایر فلزات آهنی نیاز دارند (بسته به درجه پیشگرم/بعد گرمایش, کنترل کربن برای جلوگیری از ایجاد حساسیت در سری 300, انتخاب فلز پرکننده سازگار).
• مغناطیسی و NDT. NDT مبتنی بر مغناطیسی (ذره ماگ) برای گریدهای فریتی/مارتنزیتی کار می کند اما برای گریدهای کاملا آستنیتی نه مگر اینکه به سختی کار شده باشند.; تست های اولتراسونیک و رنگ نافذ در بین خانواده ها رایج است.
• طراحی: مهندسان از خانواده های ضد زنگ مختلف برای نیازهای خاص استفاده می کنند (آستنیتیکس برای شکل پذیری و مقاومت در برابر خوردگی; فریت ها که در آن نیکل باید به حداقل برسد; دوبلکس برای استحکام بالا و مقاومت در برابر کلرید).

7. مزایای فولاد ضد زنگ فریتی

فولادهای زنگ نزن فریتی یک خانواده مهم در خانواده فولاد ضد زنگ هستند.

آنها آلیاژهای مبتنی بر آهن هستند که با مکعب در مرکز بدن مشخص می شوند (α-Fe) ساختار کریستالی در دمای اتاق و محتوای کروم نسبتاً بالا با نیکل کم یا بدون نیکل.

مقاومت در برابر خوردگی در محیط های اکسید کننده و خفیف تهاجمی

• فریتیک ها معمولاً حاوی ~ 12-30٪ کروم, که یک اکسید کروم پیوسته تولید می کند (cr₂o₃) فیلم منفعل. که می دهد مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون عمومی خوب است در هوا, بسیاری از محیط‌های جوی و برخی رسانه‌های فرآیندی خفیف تهاجمی.
• آنها به ویژه در جایی که عملکرد خوبی دارند ترک خوردگی تنشی کلرید (SCC) یک نگرانی است: گریدهای فریتی هستند به SCC ناشی از کلرید بسیار کمتر حساس است نسبت به بسیاری از درجات آستنیتی,
  آنها را برای برخی کاربردهای پتروشیمی و دریایی که در آن خطر SCC باید به حداقل برسد مناسب می کند.

راندمان هزینه و اقتصاد آلیاژی

• زیرا گریدهای فریتی حاوی نیکل کم یا بدون, آنها هستند حساسیت کمتری نسبت به نوسانات قیمت نیکل دارد و به طور کلی هزینه کمتری از آستنیتی (بلبرینگ نیکل) فولادهای ضد زنگ برای مقاومت در برابر خوردگی در بسیاری از محیط‌ها.
  این مزیت هزینه برای برنامه های کاربردی با حجم زیاد یا حساس به قیمت قابل توجه است.

پایداری حرارتی و مقاومت در برابر کربوریزه شدن / شکنندگی در دمای بالا

• فولادهای ضد زنگ فریتی حفظ می شود ریزساختارهای فریتی پایدار در محدوده دمایی وسیعی قرار دارند و هستند کمتر مستعد حساسیت (بارش بین دانه ای کاربید کروم) از آستنیتیکس.
• بسیاری از فریتیک ها دارند مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون در دمای بالا و در سیستم های اگزوز استفاده می شود, سطوح مبدل حرارتی و سایر کاربردهای با دمای بالا.
  گریدهای فریتی خاص (به عنوان مثال, 446, 430) برای سرویس مداوم در دماهای بالا مشخص شده اند زیرا مقیاس های اکسیدی بادوام را تشکیل می دهند.

ضریب انبساط حرارتی کمتر (CTE)

• مقادیر معمول CTE برای فولادهای زنگ نزن فریتی عبارتند از ≈10-12 × 10-6 / ° C, به طور قابل ملاحظه ای کمتر از درجه های آستنیتی معمولی است (≈16-18 × 10-6 / ° C).
• انبساط حرارتی کمتر اعوجاج حرارتی و تنش‌های عدم تطابق را زمانی که فریتیک‌ها به مواد با انبساط کم جفت می‌شوند یا در خدمات چرخه‌ای با دمای بالا استفاده می‌شوند، کاهش می‌دهد. (سیستم اگزوز, اجزای کوره).

هدایت حرارتی بهتر

• نمرات فریتی به طور کلی دارند هدایت حرارتی بالاتر (تقریباً 20– 30 وات بر متر · کلوین) نسبت به درجه های آستنیتی (~15-20 W/m·K).
  انتقال حرارت بهبود یافته در لوله های مبدل حرارتی مفید است, اجزای کوره و کاربردهایی که در آن حذف سریع حرارت مورد نظر است.

خواص مغناطیسی و کاربرد عملکردی

• فولادهای ضد زنگ فریتی هستند مغناطیسی در ایالت آنیل. این یک مزیت زمانی است که پاسخ مغناطیسی مورد نیاز است (موتورها, محافظ مغناطیسی, حسگرها) یا هنگام جداسازی مغناطیسی, بازرسی و جابجایی بخشی از فرآیند تولید / مونتاژ است.

مقاومت در برابر سایش خوب و پایداری سطح

• گریدهای فریتی خاصی نشان داده می شوند مقاومت در برابر سایش و اکسیداسیون خوب و سطح را در اتمسفرهای اکسید کننده با دمای بالا حفظ کند.
  این باعث می شود آنها برای منیفولدهای اگزوز, اجزای دودکش, و عناصر معماری تزئینی که چرخه حرارتی را تجربه می کنند.

ساخت و شکل پذیری (جنبه های عملی)

• بسیاری از آلیاژهای فریتی ارائه می شود شکل پذیری و شکل پذیری کافی برای کار با ورق و نوار و می توان آن را به صورت سرد و بدون همان درجه برگشت فنری مرتبط با آلیاژهای با استحکام بالاتر تشکیل داد..
  جایی که به ترسیم عمیق یا شکل دهی پیچیده نیاز است, انتخاب درجه مناسب (کروم پایین تر, خلق و خوی بهینه شده) نتایج خوبی به همراه دارد.
• به دلیل ساختار فریتی ساده آنها, فریتیک ها برای به دست آوردن مجدد مقاومت در برابر خوردگی، نیازی به بازپخت محلول پس از جوش نیست به همان روشی که گاهی اوقات آستنیتی‌های حساس به حساسیت انجام می‌دهند - اگرچه کنترل فرآیند جوشکاری هنوز مهم است.

محدودیت ها و اخطارهای انتخاب

یک دیدگاه مهندسی متوازن باید محدودیت‌ها را بپذیرد تا مواد اشتباه به کار نرود:

• چقرمگی کمتر در دماهای بسیار پایین: فریت ها معمولاً در دماهای برودتی چقرمگی ضربه ضعیف تری نسبت به آستنیتی دارند.
  از فریت ها برای کاربردهای ساختاری بحرانی در دمای پایین اجتناب کنید، مگر اینکه به طور خاص واجد شرایط باشند.
• محدودیت های جوش پذیری: در حالی که جوشکاری روتین است, رشد دانه و شکنندگی اگر گرمای ورودی و خنک‌سازی پس از جوش کنترل نشود، می‌تواند در فریت‌های با کروم بالا رخ دهد;
  برخی از فریت ها در ناحیه تحت تاثیر گرما رفتار شکننده دارند مگر اینکه از روش های مناسب استفاده شود.
• شکل پذیری کمتر برای برخی از گریدهای با کروم بالا: محتوای بسیار بالای کروم می تواند شکل پذیری و شکل پذیری را کاهش دهد; انتخاب درجه باید با عملیات شکل دهی مطابقت داشته باشد.
• در حفره های کلریدی برتری جهانی ندارد: اگرچه فریت ها در برابر SCC مقاومت می کنند, مقاومت حفره ای/حفره ای در محیط‌های تهاجمی حاوی کلرید اغلب با درجه‌های آستنیتی با مو یا درجه‌های دوبلکس بهتر برخورد می‌شود.;
  اعداد معادل مقاومت حفره ای را ارزیابی کنید (چوب) که در آن قرار گرفتن در معرض کلرید قابل توجه است.

8. مقایسه با جایگزین های غیر آهنی

هنگامی که مهندسان مواد را برای کاربردهای مقاوم در برابر خوردگی در نظر می گیرند, فولاد ضد زنگ یک انتخاب پیشرو آهنی است.

با این حال, فلزات و آلیاژهای غیر آهنی (ال, آلیاژهای مس, از, آلیاژهای Ni-base, Mg, روی) اغلب روی وزن رقابت می کنند, هدایت, مقاومت در برابر خوردگی خاص, یا پردازش پذیری.

9. پایداری و بازیافت

• قابلیت بازیافت: فولادهای زنگ نزن از جمله بازیافت ترین مواد مهندسی هستند; ضایعات به راحتی در مذاب های جدید با محتوای بازیافتی بالا وارد می شود.
• چرخه زندگی: عمر طولانی و نگهداری کم اغلب فولاد ضد زنگ را اقتصادی می کند, انتخاب کم تاثیر در طول عمر یک قطعه علیرغم هزینه اولیه بالاتر نسبت به فولاد کربنی ساده.
• کدهای محیطی و بازیابی: تولید ضد زنگ به طور فزاینده ای از کوره های قوس الکتریکی و مواد اولیه بازیافتی برای کاهش شدت انرژی و انتشار استفاده می کند..

10. باورهای غلط و روشنگری

• «ضد زنگ» ≠ «برای همیشه زنگ نزن». تحت شرایط شدید (ترک خوردگی تنشی کلرید, اکسیداسیون در دمای بالا, حملات اسیدی, خوردگی شکاف, و غیره), فولادهای ضد زنگ می توانند خورده شوند; آنها به دلیل ضد زنگ بودن غیرآهنی نمی شوند.
• مغناطیسی ≠ آهنی: غیر مغناطیسی در برخی از گریدهای ضد زنگ آنها را غیر آهنی نمی کند. مشخصه تعیین کننده است شیمی مبتنی بر آهن, نه پاسخ مغناطیسی.
• آلیاژهای نیکل بالا در مقابل ضد زنگ: برخی از آلیاژهای پایه نیکل (اینکونل, هاستلوی) غیر آهنی هستند و در مواردی که ضد زنگ خراب می شود استفاده می شود; آنها "فولاد ضد زنگ" نیستند حتی اگر به طور مشابه در برابر خوردگی مقاومت کنند.

11. نتیجه گیری

فولادهای ضد زنگ هستند خونی مواد بر اساس ترکیب و طبقه بندی. آنها آهن را به عنوان عنصر پایه با کروم و سایر عناصر آلیاژی ترکیب می کنند تا آلیاژهایی ایجاد کنند که در شرایط مختلف در برابر خوردگی مقاومت می کنند..

ساختار کریستالی (آستنیتی, فریتی, مارتنزیتی, دوبلکس) مشخصات مکانیکی و مغناطیسی را تعیین می کند, اما نه این واقعیت اساسی که فولادهای ضد زنگ بر پایه آهن هستند.

بنابراین انتخاب مواد باید فولاد ضد زنگ را به عنوان عضوی از خانواده آهنی تلقی کند و خانواده و درجه ضد زنگ مناسب را برای مطابقت با محیط خدمات انتخاب کند., الزامات ساخت و اهداف چرخه عمر.

 

سوالات متداول

آیا ویژگی "ضد زنگ" فولاد ضد زنگ به این معنی است که فلز آهنی نیست؟?

خاصیت "ضد زنگ" فولاد ضد زنگ از یک فیلم غیرفعال متراکم از اکسید کروم ناشی می شود. (cr₂o₃) هنگامی که محتوای کروم ≥10.5٪ باشد روی سطح تشکیل می شود.; این ربطی به محتوای آهن ندارد.

صرف نظر از رفتار ضد زنگ آن, تا زمانی که آهن جزء اصلی باشد, مواد به عنوان یک طبقه بندی می شوند خونی فلزی.

آیا فولاد ضد زنگ در دماهای بالا ماهیت آهنی خود را از دست می دهد؟?

طبقه بندی به عنوان فلز آهنی با ترکیب شیمیایی تعیین می شود, نه دما.

حتی اگر تبدیل فاز در دمای بالا رخ دهد (برای مثال, درجه آستنیتی که در دمای بالا به فریت تبدیل می شود), عنصر پایه آهن باقی می ماند, بنابراین یک فلز آهنی باقی می ماند.

آیا مغناطیس فولاد ضد زنگ بر آهنی بودن آن تأثیر می گذارد؟?

مغناطیس با ساختار بلوری مرتبط است: فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی معمولاً مغناطیسی هستند, در حالی که فولادهای زنگ نزن آستنیتی آنیل شده معمولاً غیر مغناطیسی هستند.

با این حال, مغناطیس است نه ملاک آهنی بودن - میزان آهن است. این که آیا گرید ضد زنگ مغناطیسی است یا خیر, اگر عنصر اصلی آهن باشد، فلز آهنی است.

آیا بازیافت فولاد ضد زنگ به ماهیت آهنی آن مرتبط است?

بله. زیرا فولاد ضد زنگ بر پایه آهن است, جریان بازیافت آن مشابه سایر فلزات آهنی است.

ضایعات ضد زنگ به راحتی دوباره ذوب می شوند; فولادهای ضد زنگ نرخ بازیافت بسیار بالایی دارند و انرژی بازیافت معمولاً کسری است (در حدود 20-30٪) انرژی تولید اولیه.

این امر فولاد ضد زنگ را به یک ماده با ارزش برای کاربردهای اقتصادی پایدار و دایره ای تبدیل می کند.

اگر فولادهای ضد زنگ فریتی در برخی محیط ها خورده شوند, آیا این بدان معنی است که آنها آهنی نیستند؟?

خیر. عملکرد خوردگی به محیط و ترکیب بستگی دارد; برخی از گریدهای ضد زنگ ممکن است در محیط خاصی خورده شوند, اما این وضعیت آنها را به عنوان فلزات آهنی تغییر نمی دهد.

به عنوان مثال, فولادهای زنگ نزن فریتی ممکن است در محیط های احیا کننده قوی مقاومت ضعیف تری نشان دهند اما در محیط های اکسید کننده عملکرد عالی دارند..

انتخاب درجه و سطح مناسب، مقاومت در برابر خوردگی را برای سرویس مورد نظر بهینه می کند.