فولادهای مقاوم به دمای بالا

(فولادهای نسوز)

فولادهای مقاوم در برابر حرارت :

اغلب خواص مکانیکی فولادها و بلاخص خواص مکانیکی آن ها ، در هنگام مواجهه با درجه حرارت های بالا ، با جذب گرما توسط فولاد به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

فولادهای مقاوم در برابر حرارت با هدف استفاده در درجه حرارت های بالای 500 درجه ی سانتیگراد و با هدف غلبه بر این مشکل وارد بازار شده اند. فولادهای مقاوم در برابر حرارت استحکام خوبی در این درجه حرارت ها دارند . همچنین فولادهای مقاوم در برابر حرارت در مقابل عواملی همچون مجاورت با گازهای داغ و محصولات احتراقی در دمای بالای بالاتر از 500 درجه سانتیگراد نیز مقاوم هستند.

فولادهای مقاوم در برابر حرارت از فولادهای آلیاژی مستحکم تر می باشند. از آنجا که فولادهای مقاوم در برابر حرارت در محدوده ی خاصی از درجات حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند، معمولا توسط مکانیزم سخت شوندگی در عملیات حرارتی سخت سازی می گردند.

تمامی فولادهای مقاوم در برابر حرارت از چند عنصر آلیاژی برای رسیدن به خواص موردنظر تشکیل شده اند و در زمینه هایی کاربرد دارند که مقاومت در برابر درجه حرارت های بالا در آن ها حائز اهمیت می باشد.

سطح مقاومت حرارتی فولادهای مقاوم در برابر حرارت بستگی به شرایط محیطی دارد که فولاد در آن ها کار می کند و نمی توان تنها با اکتفا به یک روش تستی آن را مشخص کرد.حداکثر دمای سرویس دهی که می تواند تا 1150 درجه ی سانتیگراد هم برسد بسته به عناصر آلیاژی ممکن است به شدت کاهش یابد و بوسیله ی حضور برخی ترکیبات مانند ترکیبات سولفوری ،بخار آب یا خاکستر تحت تاثیر قرار گیرد، در ضمن مقاومت در برابر فلزات مذاب و سرباره ها نیز در این فولادها محدود است.

در تمامی فولادهای مقاوم در برابر حرارت دوتا از مهمترین عناصر عبارتند از کروم برای ایجاد مقاومت در برابر اکسیداسیون و نیکل برای ایجاد استحکام و انعطاف پذیری . عناصر دیگری نیز برای بهبود این خواص در درجه حرارت های بالا اضافه شدنی هستند.

اثر عناصر آلیاژی مختلف به اختصار در زیر شرح داده شده است:

• کروم : کروم از عناصر اصلی موجود در تمامی فولادهای مقاوم در برابر حرارت می باشد.این عنصر علاوه بر ایجاد مقاومت در برابر اکسیداسیون ، به افزایش استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی نیز کمک می کند . کروم عنصری است که ریز ساختار یک فولاد را فریتی می کند.
• نیکل : هنگامیکه این عنصر به فولادهای مقاوم در برابر حرارت افزوده می شود ، قابلیت انعطاف پذیری، استحکام در درجه حرارت های بالا و مقاومت در برابر کربوریزه و نیتریده شدن را افزایش می دهد . نیکل تمایل به ایجاد ساختار اتمی آستنیته دارد و میزان حلالیت هر دو عنصر کربن و نیتروژن را در آستنیت کاهش می دهد.
• کربن : این عنصر اصلی ترین عنصر تقویت کننده ی استحکام در فولادهاست. میزان کربن در مقادیر مشخص در فولادهای مقاوم در برابر حرارت کنترل می شود. اکثر فولادهای مقاوم در برابر حرارت شامل 0.05 تا 0.10 کربن می باشند . کربن در یک آلیاژ حل می گردد و سبب استحکام آن می گردد. این عنصر همچنین به صورت ذرات ریز و بسیار سختی به نام کاربید رویت می شود که سبب استحکام بخشی آلیاژ ها می گردد. کاربیدها ترکیبات شیمیایی کربن با عناصر فلزی همچون کروم،مولیبدن ،تیتانیوم و نایوبیوم و… می باشد.
• نیتروژن : نیتروژن در مقادیر کم در فولادهای مقاوم در برابر حرارت دیده می شود. تاثیر آن کمک به استحکام هردو فولادهای مارتنزیتی و آستنیتی می باشد.
• سیلیسیوم : این عنصر حلالیت کربن در آلیاز را کاهش می دهد که یک متغیر مهم در فرایند ساخت فولاد است. عنصری استحکام بخش که به صورت طبیعی بالای 0.04% را به خود اختصاص می دهد. سیلیسیوم بهبود دهنده ی مقاومت در برابر اکسیداسیون و کربوریزه شدن است. این عنصر همچنین مقاومت در برابر جذب نیتروژن در دماهای بالا را در فولادهای مقاوم به حرارت بهبود می دهد.
• گوگرد : این عنصر به عنوان یک ناخالصی تلقی می گردد و به این دلیل معمولا حد بالایی برای آن در فولادهای مقاوم در برابر حرارت در نظر می گیرند. گوگرد برای جوش پذیری زیان آور است اما ماشینکاری را بهبود می بخشد.
• فسفر : از آنجاییکه شکنندگی را ایجاد می کند، فسفر معمولا یک عنصر شیمیایی نامطلوب در فولادهای مقاوم در برابر حرارت به شمار می رود .این عنصر همچنین برای جوشکاری آلیاژهای نیکل مضر است و از اینرو برای آن حد بالایی در اکثر فولادهای مقاوم در برابر حرارت مشخص می شود.
• سایر عناصر آلیاژی : سایر عناصر آلیاژی در فولادهای مقاوم در برابر حرارت عبارتند از : منگنز، مولیبدن ، تیتانیوم ، وانادیوم ، تنگستن ، آلومینیوم ، کبالت ، نایوبیوم ، زیرکونیوم ، مس و عناصر خاکی کمیاب همچون بور ، سریم ، لانتانیوم و یتیریوم

برخی از این عناصر برای استحکام دهی و دلیل اصلی حضور برخی دیگر ایجاد مقاومت در برابر اکسیداسیون ، کارایی فرایند و پایداری ریز ساختار می باشد.

به طور کلی دو طبقه بندی اساسی در مورد فولادهای مقاوم در برابر حرارت وجود دارد که در ادامه به آن ها اشاره می گردد:

• فولادهای مقاوم در برابر حرارت فریتی / مارتنزیتی :

این فولادها داراری ساختار کریستالی مکعب مرکزی همانند آهن می باشند. (BCC)

این نوع فولادها اساسا از آهن به همراه درصد کمی از عناصر آلیاژی تشکیل یافته اند. عنصر اصلی آلیاژی کروم است که درصد آن 2 تا 13% است. این گروه همچنین حاوی درصد کمی از کربن ، سیلیکون ، منگنز ، مولیبدن ، آلومینیوم و نیتروژن است. این عناصر از طریق رسوب سختی به سخت شوندگی کمک می کنند که پشتیبانی کننده ی استحکام در درجه حرارت های بالا می باشد. این فولادهای داراری چقرمگی نسبتا کم در برابر بارگذاری های ضربه ای می باشند.

در درجات دمایی بالای 900 درجه سانتیگراد، شاهد زمخت شدن دانه ها و در نتیجه شکننده شدن این نوع فولادها هستیم.

شکل دهی فولادهای فریتی دشوار است و بنابراین تنها بوسیله ی جوشکاری قوس الکتریکی جوش داده می شوند. این فولادها نسبت به گازهای سولفور دار حساس هستند.

فولادهای فریتی محبوب ترین و پراستفاده ترین فولادهای مقاوم در برابر حرارت هستند زیرا اقتصادی و مقرون به صرفه اند. علت به کار رفتن میزان کمی از عناصر آلیاژی می باشد. از این گروه کاها تحت عنوان فولادهای کم آلیاژ مقاوم در برابر حرارت نیز یاد می شود. علاوه بر کروم سایر عناصر آلیاژی موجود در فولادهای فریتی مولیبدن ، تنگستن و… می باشند.

میزان مقاومت در برابر اکسیداسیون فولادهای فریتی با مقدار کروم موجود در آن ها ارتباط مستقیم دارد. فولادهای فریتی / مارتنزیتی مورد استفاده برای سرویس دهی در دماهای بالا، بر اساس مقدار عناصر آلیاژی و ریزساختار فولاد، خود به دو گروه تقسیم می گردند:

فولادهای کم آلیاز که به میزان 1 تا 3% کروم دارند و کا محتوای عناصر آلیاژی آن ها کم تر از 5% می باشد.

دومین گروه فولادهای مقاوم در برابر مارتنزیتی می باشند. محتوای کروم این فولادها گاهی متوسط و در حدود 5 تا 9% است و گاهی بالا و در حدود 9 تا 12% است. کل محتوای عناصر آلیاژی در این گروه 10 تا 20% است. فولادهای مقاوم در برابر حرارت پر آلیاژ استحکام خزشی بهتری دارند.

• فولادهای مقاوم در برابر حرارت آستنیتی:

هنگامیکه مقدار نیکل کافی (بیش از 8%)  به فولادهای کروم – آهن اضافه می گردد. ساختار فولاد به ساختار کریستالی مکعبی (BCC) تبدیل می گردد.

فولادهای آستنیتی استحکام ، شکل پذیری ، استحکام خزشی بیشتری از فولادهای فریتی/ مارتنزیتی دارند. میزان تافنس بالا این فولادها را نسبت به ضربه و تغییرات ناگهانی دما حساس می سازد.

همچنین می توان گفت در درجات حرارتی بالا هم استحکام و استحکام خزشی این فولادها نسبت به فولادهای فریتی بالاتر است.

فولادهای آستنیتی در دمای اتاق شکل پذیرترند بنابراین در مجموع پروسه ی ساخت آسانتری دارند. این فولادها نیز نسبت به گازهای سولفور دار حساس می باشند.

ماشینکاری این فولادها نسبت به فولادهای فریتی دشوارتر است. همچنین فولادهای آستنیتی به علت محتوای بالاتر عناصر آلیاژی شان گرانقیمت تر هستند.

ترکیبات شیمیایی فولادهای مقاوم در برابر حرارت فریتی:

.EN-No	ASTM	.C max	Cr	Ni	Ti	N	Al	Si	Ce	Other	Max o.T. (*)
1.4713		0.12	6.0-8.0	–	–	–	0.5-1.0	0.5-1.0	–	–	800°C
1.4724		0.12	12.0-14.0	–	–	–	0.7-1.2	0.7-1.4	–	–	850°C
1.4742		0.12	17.0-19.0	–	–	–	0.7-1.2	0.7-1.4	–	–	1000°C

ترکیبات شیمیایی فولادهای مقاوم در برابر حرارت آستنیتی:

.EN-No	ASTM	.C max	Cr	Ni	Ti	N	Al	Si	Ce	Other	Max o.T.(*)
1.4948	304H	0.2	17.0-19.0	8.0-11.0		Max. 0.10	–	Max. 0.50	–	–	750°C
1.4878	321H	0.1	17.0-19.0	9.0-12.0	Min 4x (C+N); Max 0.70	Max. 0.10	–	Max. 0.75	–	–	850°C
1.4828	–	0.2	19.0-21.0	11.0-13.0	–	Max. 0.11	–	1.5-2.5	–	–	1000°C
1.4883	309S	0.08	22.0-24.0	12.0-15.0	–	Max. 0.11	–	Max. 0.75	–	–	1000°C
1.4845	310S	0.1	24.0-26-0	19.0-22.0	–	Max. 0.11	–	Max. 1.5	–	–	1050°C
1.4818	–	0.08	18.0-20.0	9.0-11.0	–	0.12-0.20	–	1.0-2.0	0.03-0.08	–	1050°C
1.4835	–	0.12	20.0-22.0	10.0-12.0	–	0.12-0.20	–	1.4-2.5	0.03-0.08	–	1150°C
1.4841	314	0.2	24.0-26.0	19.0-22.0	–	–	–	1.5-2.5		–	1150°C

ترکیبات شیمیایی فولادهای مقاوم در برابر حرارت بر پایه ی نیکل:

.EN-No	ASTM	.C max	Cr	Ni	Ti	N	Al	Si	Ce	Other	Max o.T.(*)
2.4816	Alloy 600	0.05-0.10	14.0-17.0	Min, 72	Max. 0.3	–	Max. 0.3	Max. 0.5	–	Co, Cu, B	600-900°C
2.4851	Alloy 600	0.03-0.01	21.0-25.0	58.0-63.0	Max. 0.5	–	1.0-1.7	Max. 0.5	–	Cu, B	550-1200°C

 *حداکثر دمای عملیاتی پیشنهادی

ویژگی های فولادهای مقاوم در برابر حرارت:

تفاوت عمده ی آلیاژهای رایج با انواع آلیاژ های مقاوم در برابر حرارت ، بی شک تمرکز بر تنش های ناشی از درجه حرارت های بالاست.

مهمترین معیارهای فولادهای مقاوم در برابر حرارت عبارتند از:

• مقاومت در برابر خستگی / مقاومت خزشی در درجه حرارت های مورد نظر
• مقاومت به خوردگی در درجه حرارت های بالا
• مقاومت در برابر پوسته پوسته شدن با ایجاد یک لایه ی اکسیدی
• ویژگی های خاص در برابر تنش های ایجاد شده توسط تغییرات مداوم درجه ی حرارت و خطر تردشدگی ناشی از ان.
• ریز ساختار پابیدار
• تحمل بار مکانیکی بالا

کاربردهای فولادهای مقاوم در برابر حرارت:

فولادهای مقاوم در برابر حرارت طیف گسترده ای از کاربردها را شامل می شوند. در ادامه به ذکر چند نمونه از این صنایع اکتفا می کنیم:

• صنایع سرامیک
• صنایع شیشه
• صنایع شیمیایی و پتروشیمی
• صنایع غذایی
• کارخانجات زباله سوزی
• دیگ های بخار
• صنایع تولید خمیر کاغذ
• برنام های کاربردی مختلف در تجهیزات مهندسی
• صنعت سیمان ( به عنوان مثال برای کوره ی استوانه ی چرخشی)
• ساخت کوره های صنعتی ( کوره های مورد استفاده برای عملیات حرارتی، سیستم های تابشی مناسب برای فولادها ، فولادهای ضدزنگ و فلزات سنگین غیر آهنی، کوره های فشاری و …)
• مبدل های حرارتی برای کاربردهای مختلف در محدوده های دمایی بالا
• سیستم های اگزوز . به عنوان مثال در صنعت خودرو برای لوله ی اگزوز

سطوح فولادهای مقاوم در برابر حرارت:

فولادهای مقاوم در برابر حرارت عمدتا به صورت ورقه ای مورد استفاده قرار می گیرند.هم به صورت ورقه های نازک و هم به صورت ورق ضخیم.

رایج ترین سطوح مورد استفاده در زیر گردآوری شده اند:

• 2B: نورد سرد شده و آنیل شده و اسید شویی شده
• 2C: نورد سرد شده و آنیل شده و رسوب زدایی شده
• 2E: اسید شویی شده و رسوب زدایی مکانیکی شده
• 1C: رسوب گیری نشده و آنیل شده و نورد گرم شده
• 1D: اسید شویی شده و آنیل شده و نورد گرم شده

ورق های با دقت بالا نیز در انواع 2R موجود هستند. ( نورد سرد شده و آنیل براق شده)

هنگام استفاده از سطوح اسید شویی یا غیر اسید شویی شده ، نظرات در بازارهای بین المللی متفاوت است. بسیاری از تولیدکنندگان تجهیزات سطوح اسیدشویی شده را ترجیح می دهند. به گفته ی آن ها در این سطوح نقص های سطحی بلافاصله قابل رویت هستند و اینچنین به نظر می زسد که فرآیند جوشکاری در این سطوح آسان تر است و ساختار ظاهری تجهیزات بی عیب و نقص تر خواهد بود. از سوی دیگر تولیدکنندگانی وجود دارند که امتیازات قابل توجهی را در استفاده از فولادهای غیر اسیدشویی شده می بینند، به گفته ی آن ها مقادیر کم رسوبات همچنان در فولادهای اسیدشویی شده موجود می باشند.

جوشکاری فولادهای مقاوم در برابر حرارت:

جوش پذیری فولادهای مقاوم در برابر حرارت به میزان قابل توجهی بسته به طبق ی فولاد متفاوت می باشد.

انواع فریتی را می توان به عنوان جوش پذیر مشروط در نظر گرفت.

انواع آستنیتی به طور کلی با نتایج عالی قابل جوش هستند.

در هر دو گروه مواد فیلر بایستی مشابه با ماده ی پایه در نظر گرفته شود. معمولا همه ی مراحل معمول جوشکاری همچون TIG ،   MAG، MIG و یا جوشکاری الکترودی قابل اعمال هستند.

همچنین جوش لیزری که یک روش استاندارد تولید پروفیل هاست ، قابل انجام است که مشروط بر عاری بودن سطح از هر نوع رسوبات ، جهت ممانعت از آسیب درز جوش ، می باشد.

برخی نکات مهم در ارتباط با فولادهای مقاوم در برابر حرارت:

انتخاب فولاد مقاوم در برابر حرارت برای یک کاربرد خاص ، بر اساس سطح مقاومت حرارتی مورد نیاز و خواص مکانیکی مورد انتظار از فولاد است . استفاده از فولاد مقاوم  در برابر حرارت پر آلیاژ تر و در نتیجه مقاوم تر در برابر حرارت ، ممکن است به دلیل شکنندگی و همچنین تحمیل هزینه های بالاتر چندان مطلوب نباشد.

نکته ی قابل تامل دیگر در مورد فولادهای مقاوم در برابر حرارت جلوگیری از تماس مستقیم آن با شعله می باشد. همچنین جهت کاسته شدن مقاومت در برابر حرارت اینگونه فولادها در اثر کربوریزه شدن بایستی از تماس مستقیم با کربن نیز اجتناب گردد.