تأثیر عناصر آلیاژی بر ساختار و عملکرد فولاد ضد زنگ

تاثیر عناصر آلیاژی بر خواص قطبش آهن

نوع و غلظت عناصر آلیاژی به طور مستقیم بر مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ تأثیر می گذارد. نقش اصلی آنها در تأثیرگذاری بر رفتار قطبش آهن و پتانسیل الکترود نهفته است.

فرآیند قطبش آندی فلزات رایج مانند Fe، Cr، Ni، Ti الگوهای قطبش متمایز را نشان می دهد. پلاریزاسیون نقش مهمی در افزایش مقاومت در برابر خوردگی فلز دارد. عواملی که قطبش آندی یا کاتدی را تقویت می کنند مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشند. آنهایی که آن را کاهش می دهند، مقاومت فلز را در برابر خوردگی کاهش می دهند. عناصر آلیاژی مختلف تأثیرات متفاوتی بر قطبش آهن دارند. عناصری که ناحیه غیرفعال را گسترش می دهند، پتانسیل Ecp، ناحیه P را کاهش می دهند و پتانسیل نقطه Er را افزایش می دهند، مقاومت به خوردگی فولاد را افزایش می دهند. مواردی که خواص غیرفعال سازی را تشدید می کنند، موقعیت های Icp و I1 را به سمت چپ تغییر می دهند، جریان خوردگی را کاهش می دهند و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشند. عناصری که پتانسیل نقطه Er را افزایش می‌دهند، تمایل به خوردگی حفره‌ای را کاهش می‌دهند، زیرا پتانسیل پایین نقطه Er می‌تواند منجر به شکسته شدن فیلم غیرفعال‌سازی و خوردگی حفره‌ای تحت پتانسیل‌های نوسانی نزدیک به پتانسیل بیش از حد منفعل شدن شود. در میان عناصر آلیاژی رایج، کروم به طور قابل توجهی خواص غیر فعال سازی آهن خالص را افزایش می دهد و آن را به موثرترین عنصر برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی آهن تبدیل می کند. Ni، Si، Mo، و دیگران نیز به طور متغیر منطقه غیرفعال سازی را گسترش می دهند و خواص غیرفعال سازی را تقویت می کنند. Mo نه تنها غیرفعال شدن آهن را افزایش می دهد، بلکه پتانسیل نقطه Er را نیز افزایش می دهد و در نتیجه مقاومت آهن را در برابر خوردگی حفره ای بهبود می بخشد.

تاثیر بر پتانسیل الکترود آهن

به طور کلی، پتانسیل الکترود محلول های جامد فلزی کمتر از سایر ترکیبات است و آنها را به عنوان آند در معرض خوردگی قرار می دهد. افزایش پتانسیل الکترود آهن باعث افزایش مقاومت به خوردگی آن می شود. مطالعات نشان می دهد که وقتی کروم برای تشکیل محلول جامد به آهن اضافه می شود، پتانسیل الکترود محلول جامد آهن به طور قابل توجهی افزایش می یابد و مقاومت در برابر خوردگی مواد را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. به دلیل اثرات مفید کروم بر غیرفعال شدن و پتانسیل الکترود آهن، به عنصر آلیاژی اولیه در فولادهای ضد زنگ مختلف تبدیل شده است.

3. اثر عناصر آلیاژی بر مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ

  • کروم (Cr): کروم عنصر اصلی تعیین کننده مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ است. هنگامی که محتوای نسبت اتمی آن به 1/8، 2/8 و غیره می رسد، پتانسیل الکترود آهن به طور چشمگیری افزایش می یابد و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می دهد. کروم یک تثبیت کننده آلفا است. اکسید آن یک فیلم محافظ متراکم و مقاوم در برابر خوردگی را تشکیل می دهد.
  • کربن (C) و نیتروژن (N): کربن به طور قابل توجهی آستنیت را تثبیت می کند، حدود 30 برابر موثرتر از نیکل، و یک عنصر تقویت کننده اصلی در فولاد ضد زنگ است. کربن مجموعه ای از کاربیدها را با کروم تشکیل می دهد که به طور قابل توجهی بر مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ تأثیر می گذارد. با این حال، کربن فرآیند پذیری و جوش پذیری فولاد ضد زنگ را بدتر می کند و فولاد ضد زنگ فریتی را شکننده می کند. بنابراین، کاربرد و کنترل کربن در تولید و توسعه فولاد ضد زنگ بسیار مهم است.

برهمکنش کربن و کروم در تشکیل فولاد ضد زنگ

ساختار در نمودار همراه نشان داده شده است. نمودار نشان می دهد که ساختار فریتی با محتوای کربن کمتر و محتوای کروم بالاتر به دست می آید. برعکس، یک ساختار مارتنزیتی با محتوای کربن بالاتر و محتوای کروم کمتر تشکیل می‌شود. در فولادهای ضد زنگ کروم، زمانی که محتوای کروم کمتر از 17 درصد است، افزایش محتوای کربن منجر به فولاد ضد زنگ مارتنزیتی می شود. در محتوای کربن کمتر و 13 درصد کروم، فولاد ضد زنگ فریتی به دست می آید. همانطور که محتوای کروم از 13٪ به 27٪ افزایش می یابد، کروم افزایش یافته ساختار فریتی را تثبیت می کند، و محتوای کربن فولاد می تواند به ترتیب افزایش یابد (از 0.05٪ به 0.2٪) در حالی که همچنان ماتریس فریتی حفظ می شود.

  • نیکل (نیکل): نیکل، یکی از سه عنصر ضروری در فولاد ضد زنگ، مقاومت در برابر خوردگی آن را افزایش می دهد. این یک تثبیت کننده فاز گاما و یک عنصر اولیه برای دستیابی به آستنیت تک فاز و ترویج تشکیل آستنیت است. نیکل به طور موثر نقطه Ms را کاهش می دهد و به آستنیت اجازه می دهد در دماهای بسیار پایین (زیر 50 درجه سانتی گراد) پایدار بماند.

افزایش محتوای نیکل حلالیت C و N را در فولاد آستنیتی کاهش می دهد که منجر به تمایل بیشتر برای رسوب کربنیتریدها می شود. با افزایش محتوای نیکل، محتوای کربن حیاتی برای خوردگی بین دانه ای کاهش می یابد، به این معنی که فولاد در برابر این نوع خوردگی حساس تر می شود. تاثیر نیکل بر مقاومت فولاد زنگ نزن آستنیتی در برابر خوردگی حفره ای و شکافی قابل توجه نیست. علاوه بر این، نیکل مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا فولاد زنگ نزن آستنیتی را بهبود می بخشد، که عمدتاً به دلیل بهبود لایه اکسید کروم در ترکیب، ساختار و عملکرد است. با این حال، وجود نیکل باعث کاهش مقاومت فولاد در برابر سولفیداسیون در دمای بالا می شود.

  • منگنز (Mn): منگنز عنصر تشکیل دهنده آستنیت ضعیف تری است اما اثر تثبیت کننده قوی بر ساختار آستنیتی دارد. در فولاد زنگ نزن آستنیتی، منگنز تا حدی جایگزین نیکل می شود و 2% منگنز تقریبا معادل 1% نیکل است. منگنز همچنین مقاومت به خوردگی فولاد ضد زنگ کروم را در اسیدهای آلی مانند اسید استیک، فرمیک و اتانوئیک به طور موثرتری نسبت به نیکل افزایش می دهد. هنگامی که محتوای کروم در فولاد از 14% بیشتر شود، نمی توان تنها با منگنز به یک ساختار آستنیتی واحد دست یافت. از آنجایی که مقاومت خوب در برابر خوردگی در فولاد زنگ نزن به محتوای کروم بیش از 17 درصد نیاز دارد، فولادهای زنگ نزن آستنیتی نیکل جایگزین شده با منگنز صنعتی، معمولاً از نوع فولادهای Fe-Cr-Mn-Ni-N مانند 12Cr18Mn9Ni5N هستند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی Fe-Cr-Mn-N بدون نیکل کمتر مورد استفاده قرار می گیرند.
  • نیتروژن (N): نیتروژن که در ابتدا در فولادهای زنگ نزن آستنیتی Cr-Mn-N و Cr-Mn-Ni-N برای صرفه جویی در مصرف نیکل استفاده شد، در سال های اخیر به یک عنصر آلیاژی مهم در فولادهای زنگ نزن آستنیتی Cr-Ni تبدیل شده است. افزودن نیتروژن به فولاد زنگ نزن آستنیتی، ساختار آستنیتی را تثبیت می کند، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشد، به ویژه در برابر خوردگی موضعی مانند خوردگی بین دانه ای، حفره ای و شکافی. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی کم کربن و فوق کم کربن معمولی، مقاومت در برابر خوردگی بین دانه ای را بهبود می بخشد. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی با خلوص بالا، نیتروژن پایداری لایه غیرفعال را افزایش می دهد و میانگین نرخ خوردگی را کاهش می دهد.

در حال حاضر، فولادهای زنگ نزن آستنیتی حاوی نیتروژن عمدتاً به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بالا استفاده می شوند که به انواع نیتروژن کنترل شده، نیتروژن متوسط ​​و نیتروژن بالا تقسیم می شوند. انواع نیتروژن کنترل شده حاوی 0.05٪ - 0.10٪ نیتروژن در فولادهای زنگ نزن آستنیتی Cr-Ni با کربن بسیار کم (C≤0.02٪~0.03٪) است.

برای افزایش استحکام و در عین حال بهینه سازی مقاومت در برابر خوردگی بین دانه ای و تنشی. انواع نیتروژن متوسط ​​حاوی 0.10٪ - 0.50٪ نیتروژن، ذوب شده و ریخته گری تحت فشار معمولی اتمسفر است. انواع نیتروژن بالا دارای محتوای نیتروژن بالای 0.40 درصد هستند، عموماً ذوب شده و تحت فشار افزایش یافته ریخته می شوند و عمدتاً در حالت های کار شده با محلول یا نیمه سرد استفاده می شوند که هم استحکام و هم مقاومت در برابر خوردگی بالا را ارائه می دهند. فولادهای آستنیتی با نیتروژن بالا با محتوای نیتروژن به 0.8٪ -1.0٪ قبلاً کاربردهای عملی داشته و تولید صنعتی را آغاز کرده اند.

  • عناصر تیتانیوم (Ti)، نیوبیم (Nb)، مولیبدن (Mo) و عناصر کمیاب خاکی: تیتانیوم و نیوبیم عناصر تشکیل دهنده کاربید قوی هستند. آنها ترجیحاً کاربیدهایی را با کربن قبل از کروم تشکیل می دهند و از خوردگی بین دانه ای جلوگیری می کنند و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می دهند. افزودن تیتانیوم و نیوبیم باید متناسب با محتوای کربن در فولاد باشد.

مولیبدن توانایی غیرفعال سازی فولاد ضد زنگ را بهبود می بخشد و محدوده متوسط ​​غیرفعال سازی آن را مانند اسید سولفوریک داغ، اسید هیدروکلریک رقیق، اسید فسفریک و اسیدهای آلی افزایش می دهد. فیلم های غیرفعال حاوی مولیبدن در بسیاری از رسانه ها بسیار پایدار هستند و در برابر انحلال مقاومت می کنند. آنها از تخریب لایه غیرفعال توسط یون های کلرید جلوگیری می کنند، بنابراین فولادهای ضد زنگ حاوی مولیبدن توانایی مقاومت در برابر خوردگی حفره ای را دارند.

افزودن عناصر خاکی کمیاب مانند سریم (Ce)، لانتانیم (La)، ایتریوم (Y) و غیره، به فولاد ضد زنگ امکان ریزآلیاژسازی در ماتریس، خالص‌سازی مرزهای دانه‌ها، اصلاح اجزاء، همگن کردن ساختار و کاهش تفکیک را می‌دهد. و رسوب ترکیبات در مرزهای دانه، در نتیجه مقاومت در برابر خوردگی و خواص مکانیکی فولاد را بهبود می بخشد.

4. تأثیر عناصر آلیاژی بر ساختار فولاد ضد زنگ تأثیر عناصر آلیاژی بر ساختار ماتریس فولاد ضد زنگ را می توان به دو نوع اصلی طبقه بندی کرد: عناصر تشکیل دهنده فریت، مانند کروم، پلاتین، سیلیکون، تیتانیوم، نیوبیم و غیره. و عناصر تشکیل دهنده آستنیت مانند کربن، نیتروژن، نیکل، منگنز، مس و غیره. هنگامی که این عناصر با اثرات متفاوت به طور همزمان به فولاد اضافه شوند، ساختار فولاد ضد زنگ به تأثیر ترکیبی آنها بستگی دارد. برای سادگی، اثر عناصر تشکیل دهنده فریت با اثر کروم که به عنوان معادل کروم [Cr] نامیده می شود، و اثر عناصر تشکیل دهنده آستنیت بر اثر نیکل، که به عنوان معادل نیکل [Ni] نامیده می شود، برابر است. یک نمودار بر اساس معادل کروم [Cr] و معادل نیکل [Ni] برای نشان دادن ترکیب واقعی فولاد و وضعیت ساختاری حاصل استفاده می شود.

فولاد 12Cr18Ni9 در ناحیه فاز آستنیتی قرار دارد که نشان دهنده فولاد ضد زنگ آستنیتی است. فولاد ضد زنگ Cr28 در ناحیه فاز فریتی است که نشان دهنده فولاد ضد زنگ فریتی است. فولاد ضد زنگ 30Cr13 در ناحیه فاز مارتنزیتی قرار دارد که نشان دهنده فولاد ضد زنگ مارتنزیتی است. برای دستیابی به ساختار آستنیتی تک فاز، این دو نوع عنصر آلیاژی باید به تعادل خاصی برسند. در غیر این صورت، فولاد حاوی مقدار مشخصی ساختار فریتی خواهد بود و در نتیجه ساختار دوبلکس ایجاد می شود.

ارسال نظر

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخشهای موردنیاز علامتگذاری شدهاند *

رفته به بالا