فولاد نسوز چیست
فولاد نسوز، فولادی است که در دمای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد مقاوم است. از مشخصات فولاد نسوز به وجود یک لایه اکسید استثنایی بر روی آن و توانایی مقاومت در برابر حرارت می توان اشاره کرد. این لایه، برای حفظ شکل فولاد در هنگام عدم پوشش، مناسب است که باعث مقاومت آن در دماهای بیش از ۶۵۰ درجه سانتیگراد می‌شود. مقاومت در برابر گرمای انواع فولاد نسوز ، به محتوای کروم، سیلیکون و آلومینیوم آن وابسته است.
فولادهای مقاوم در برابر حرارت، برای استفاده در دمای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد منظور شده‌اند.
زیرا در این دما از مقاومت خوبی برخوردار می‌باشند؛ به ویژه هنگامی که در مدت کوتاه یا طولانی، در معرض گازهای داغ و محصولات احتراق قرار می‌گیرند. این فولادها، فولادهای آلیاژی تقویت شده با محلول جامد هستند.
از آنجا که از این فولادها در یک بازه دمایی وسیع استفاده می‌شوند، معمولاً توسط مکانیسم سخت عملیات حرارتی، محلول جامد و رسوب تقویت می‌شوند.
برای رساندن فولادهای نسوز به خواص مورد نظر، عنصر آلیاژی مختلف به آن اضافه شده است.
این فولادها در شرایطی که مقاومت در برابر افزایش دما بسیار مهم است؛ کاربرد دارند.
خواص مکانیکی فولاد نسوز
این فولاد، بسیار سخت ساییده می‌شود و در برابر تغییرات زیاد دما از خود مقاومت نسان می‌دهد.
این فولاد، در دمای بسیار بالا از ویژگی‌هایی مانند مقاومت در برابر خوردگی، خزش، اکسیداسیون و شکنندگی هیدروژنی برخوردار است.
سطح مقاومت در برابر حرارت این فولادها، به شرایط محیطی که در آن قرار دارند؛ بستگی دارد و با یک آزمایش قابل توصیف نیست.
حداکثر دمای خدمات که بسته به میزان آلیاژ می‌تواند تا ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد افزایش یابد، با حضور برخی از ترکیبات مانند ترکیبات گوگرد، بخار آب یا خاکستر به شدت کاهش می‌یابد. لازم به ذکر است که مقاومت در برابر فلز مذاب و سرباره نیز در این فولادها محدود است.
ترکیب شیمیایی فولاد نسوز
این فولادها، از آلیاژهایی بر پایه نیکل و تیتانیوم با عملکرد عالی در دمای بالا ساخته شده‌اند.
فولاد کروم- مولیبدن (Chrome Moly steel)
فولاد کروم_ مولیبدن، یکی از محبوب‌ترین فولادهای نسوز است و معمولاً در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی یافت می‌شود.
ترکیب کروم و مولیبدن در این فولاد، آن را در برابر خوردگی و حرارت مقاوم کرده و استحکام کششی را افزایش می‌دهد. به همین دلیل این فولاد به گزینه‌ای ایده آل برای محیط‌های کاری با درجه حرارت بالا تبدیل شده است.
در فولادهای نسوز، دو عنصر مهم کروم برای مقاومت در برابر اکسیداسیون و نیکل برای استحکام و شکل پذیری است. عناصر دیگر برای بهبود این خواص در دمای بالا اضافه می‌شوند.
تأثیر عناصر آلیاژی بر فولاد نسوز
تأثیر عناصر مختلف آلیاژی بر فولاد نسوز در زیر شرح داده شده است:
کروم: کروم، عنصری است که در تمام فولادهای نسوز وجود دارد. علاوه بر مقاومت در برابر اکسیداسیون، کروم به استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر کربن دهی می افزاید. کروم عنصری است که باعث میکرو ساختار فریتی می‌شود.
نیکل: نیکل وقتی به این فولادها اضافه می‌شود باعث افزایش خاصیت انعطاف پذیری، استحکام دمای بالا و مقاومت در برابر کربن دهی و نیتروژن دهی می‌شود. نیکل تمایل دارد ساختار اتمی را آستنیتی کند و باعث کاهش حلالیت کربن و نیتروژن در آستنیت می‌شود.
کربن: کربن، مهم‌ترین عنصر تقویت کننده است. کربن، در این فولادها در محدوده مشخصی کنترل می‌شود. بیشتر فولادهای مقاوم در برابر حرارت حاوی ۰.۰۵٪ تا ۰.۱۰٪ کربن هستند. فولادهای نسوز چدن، معمولاً ۰.۳۵٪ تا ۰.۷۵٪ کربن دارند. کربن در آلیاژ حل می‌شود و استحکام آن را افزایش می‌دهد. همچنین، این مواد به عنوان ذرات سخت و کوچک به نام “کاربید” می‌باشند که حاصل ترکیبات شیمیایی کربن با عناصر فلزی مانند کروم، مولیبدن، تیتانیوم و نیوبیوم و غیره هستند.
نیتروژن: نیتروژن، به میزان کمی در این فولادها وجود دارد و در تقویت فولادهای مارتنزیتی و آستنیتی نیز مفید می‌باشد.
سیلیکون: سیلیکون، باعث کاهش حلالیت کربن در فلز می‌شود؛ که یک متغیر مهم در فرآیند ساخت فولاد است. سیلیکون، یک عنصر تقویت کننده بوده و به طور معمول بالاتر از ۰.۰۴% است.
سیلیکون، باعث افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر جذب نیتروژن برای این فولادها در دمای بالا می‌شود.
گوگرد: این عنصر، ناخالصی محسوب شده و برای قابلیت جوشکاری مضر بوده اما باعث بهبود قابلیت ماشینکاری می‌شود.
سایر عناصر آلیاژی
سایر عناصر آلیاژی مورد استفاده در فولادهای نسوز عبارتند از: منگنز، مولیبدن، تیتانیوم، وانادیوم، تنگستن، آلومینیوم، کبالت، نیوبیوم، زیرکونیوم، مس و عناصر کمیاب خاکی مانند بور، سریم، لانتانیم و اتریم.
فسفر: فسفر، معمولاً یک عنصر نامطلوب در این فولادها است؛ زیرا هنگام جدا شدن از تجمع دانه، خاصیت شکننده‌ای دارد. همچنین، برای قابلیت جوشکاری آلیاژ نیکل مضر است. معمولاً بعنوان حد بالاتر برای بیشتر فولادهای نسوز مشخص می‌شود.
این عناصر، خواص مکمل فولادها را در دمای بالا بهبود می‌بخشند. بعضی از عناصر برای استحکام و بعضی دیگر برای افزودن مقاومت در برابر اکسیداسیون،افزوده می‌شوند
انواع فولاد نسوز
به طور کلی، دو دسته مهم فولادهای مقاوم در برابر حرارت وجود دارد. این موارد در ادامه معرفی شده‌اند:
فولادهای نسوز فریتی / مارتنزیتی
این فولادها، همانند آهن، از ساختار کریستالی مکعبی مرکز دار برخوردار هستند. این فولادها، در اصل از آهن با درصد کمی از عناصر آلیاژی تشکیل شده‌اند. عنصر آلیاژی اصلی، کروم با محدوده ۲ تا ۱۳٪ است. این فولادها همچنین حاوی درصد کمی از کربن، سیلیکون، منگنز، مولیبدن، آلومینیوم و نیتروژن هستند. این عناصر، در رسوب سختی که از عملکرد دمای بالای فولاد پشتیبانی می‌کند؛ کمک می‌کنند. در این فولادها، ساختار فریتی بدون تغییر شکل باقی مانده است. این فولادها در برابر نیروی ضربه، مقاومت نسبتاً کمی را نشان میدهند. همچنین در دمای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتیگراد، درشت دانه و ترد می‌شوند.
فولادهای فریتی به سختی شکل می‌گیرند؛ از این رو فقط باید با جوش قوس الکتریکی جوش داده شوند. این فولادها نسبت به گازهای سولفور حساس نیستند. گریدهای فریتی فولادهای نسوز، محبوب‌تر هستند؛ زیرا به دلیل وجود عناصر آلیاژی پایین در آن‌ها، مقرون به صرفه می‌باشند. به این فولادها، فولاد نسوز کم آلیاژ نیز گفته می‌شود.
علاوه بر کروم، برخی از عناصر آلیاژی مانند: مولیبدن، تنگستن، نیوبیوم، وانادیوم، بور و تیتانیوم و غیره در گریدهای فریتی وجود دارند.
مقاومت در برابر اکسیداسیون این فولادها در شرایط گرم و گداخته به نسبت مستقیم میزان کروم در فولاد وابسته است.
انواع فولادهای فریتی/ مارتنزیتی
بر اساس میزان عناصر آلیاژی و ریزساختارها به دو دسته تقسیم می‌شوند.
دسته اول، فولادهای کم آلیاژی هستند که دارای ۱٪ تا ۳٪ کروم و کمتر از ۵٪ عناصر آلیاژی هستند.
دسته دوم این فولادها، فولادهای نسوز مارتنزیتی هستند. این فولادها، شامل فولادهای کروم متوسط با میزان کروم ۵٪ تا ۹٪ و فولادهای پر کروم با محتوای کروم ۹٪ تا ۱۲٪ هستند که از مقاومت به خزش بهتری برخوردار هستند.
کل عناصر آلیاژی موجود در این فولادها از ۱۰٪ تا ۲۰٪ است.
گریدهای فولاد نسوز فریتی/مارتنزیتی
- Wnr. 1.4724
- Wnr. 1.4742
- Wnr. 1.4762
- این گریدها در برابر نیروی ضربه، چقرمگی نسبتا پایینی از خود نشان میدهند.
- Wnr. 1.4724 (H-12): مقاوم در برابر حرارت تا ۹۵۰˚C
- Wnr. 1.4762 (H-14): مقاوم در برابر حرارت تا ۱۲۰۰˚C
کاربرد گریدهای فولاد نسوز فریتی/مارتنزیتی
- Wnr. 1.4724 (H-12): کوره های صنعتی ، دیگهای بخار ، جعبه ، لوله ، چوب لباسی ، رکوپراتور و…
- Wnr. 1.4762 (H-14): تولید کوره های صنعتی ، قسمت هایی از دیگهای بخار
فولادهای نسوز آستنیتی
هنگامی که نیکل (بیش از ۸٪) به فولادهای کروم آهن اضافه شود، ساختار فولاد به ساختار آستنیتی، بدون تغییر تبدیل می‌شود.
در این صورت فولاد دارای یک ساختار کریستالی مکعبی با وجوه پر می‌باشد.
فولادهای آستنیتی از استحکام، انعطاف پذیری و مقاومت به خزش بیشتری نسبت به فولادهای نسوز فریتی / مارتنزیتی برخوردارند.
چقرمگی بالای این فولادها، باعث می‌شود در برابر نیروهای ضربه و تغییرات ناگهانی دما، حساس نباشند. در این فولادها، درشت شدن دانه در دمای بالا اتفاق نمی‌افتد.
این فولادها، از استحکام دمایی و همچنین استحکام خزشی بالاتری نسبت به فولادهای فریتی برخوردار هستند.
فولادهای آستنیتی، در دمای اتاق چقرم‌تر بوده و شکل پذیری خوبی دارند. به طور کلی ساخت این فولاد آسان‌تر بوده و به گازهای سولفور حساس هستند.
ماشینکاری این فولادها، در مقایسه با فولادهای فریتی دشوارتر است و به دلیل داشتن آلیاژ بیشتر گران‌تر هستند.
گریدهای فولاد نسوز آستنیتی
- Wnr. 1.4828
- Wnr. 1.4841
- Wnr. 1.4845
فولادهای نسوز آستنیتی نسبت به فولادهای فریتی دارای درجه حرارت و استحکام خزشی بسیار بالاتری هستند.
- Wnr. 1.4828 (H-8): به خوردگی بین مرزدانه ای حساس نیست، مقاومت به خوردگی کمی در برابر اکسیداسیون و کاهش گازهای گوگردی ایجاد می کند. مقاوم در برابر حرارت تا ۱۰۰۰˚C
- Wnr. 1.4845 (H-9): مقاوم در برابر حرارت تا ۱۰۵۰˚C
- Wnr. 1.4841 (H-10): مقاوم در برابر حرارت تا ۱۱۵۰˚C
- Wnr. 1.4878: خواص مکانیکی خوب، مقاوم در برابر حرارت تا ۸۵۰˚C
کاربرد فولاد نسوز آستنیتی
- Wnr. 1.4828: سیستم های اگزوز و…
- Wnr. 1.4845: ساخت قطعات برای صنایع شیمیایی و نفتی ، خطوط گاز ، خطوط سوخت ، جعبه آتش نشانی ، مقاومت های هیتر
- Wnr. 1.4841: فولاد نسوز ۴۸۴۱ در اجزای سازنده در معرض استحکام مکانیکی بالا ، کوره های صنعتی ، کارخانه های سوزاندن زباله ، کارخانه های عملیات حرارتی ، صنعت پتروشیمی و…
- Wnr. 1.4878: مبدلهای حرارتی ، دیگهای بخار در کارخانه های شیمیایی و پتروشیمی و…
کاربرد فولاد نسوز
کاربرد فولاد نسوز، براساس میزان مقاومت در برابر حرارت و خواص مکانیکی مورد نیاز فولاد است.
استفاده از فولاد مقاوم‌تر در برابر حرارت، ممکن است به دلیل ترد بودن، گران . مضر نیز باشد. این فولاد، نباید در معرض شعله قرار گیرد و از تماس مستقیم آن با کربن باید جلوگیری شود
فولادهای نسوز در کوره های صنعتی ، دیگهای بخار ، لوله های بخار ، رکوپراتورها ، صنایع شیمیایی و نفتی ، خطوط گاز و سوخت ، جعبه های آتش نشانی ، بخاری ها ، مقاومت ها ، مبدلهای حرارتی و کارخانه های سوزاندن زباله و غیره استفاده می شوند
