فولاد ضدزنگ، دومین ماده پرکاربرد پس از فولاد کربنی در صنایع فرآیندی است که مقاومت به خوردگی فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌دهد. این آلیاژ فولادی حداقل ۱۰.۵٪ کروم و کمتر از ۱.۲٪ کربن دارد. مقاومت به خوردگی فولاد ضدزنگ به دلیل تشکیل یک لایه نازک و غیرفعال از اکسید کروم (Cr2O3) بر روی سطح آن است که به‌عنوان یک مانع محافظ عمل می‌کند.
خواص فولاد ضدزنگ با تغییر ریزساختار آن تغییر می‌کند. بر این اساس، انواع لوله استیل بر اساس فولاد ضد زنگ به پنج دسته اصلی تقسیم می‌شود:
- فولاد ضدزنگ آستنیتی Austenitic stainless steel
- فولاد ضدزنگ فریتی Ferritic stainless steel
- فولاد ضدزنگ مارتنزیتی Martensitic stainless steel
- فولاد ضدزنگ سخت‌کاری‌شده با بارش Precipitation Hardened stainless steel
- فولاد ضدزنگ دابلکس/سوپر دابلکس Duplex / Super Duplex stainless steel
فولاد ضدزنگ آستنیتی (Austenitic Stainless Steel)
این نوع فولاد ضدزنگ به دلیل ویژگی‌های برجسته زیر، بسیار پرکاربرد است:
- غیرمغناطیسی و مقاومت به خوردگی بسیار بالا: در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی ناشی از رطوبت، مواد شیمیایی و اسیدها مقاوم است، که آن را برای محیط‌های دریایی یا کارخانه‌های فرآوری شیمیایی ایده‌آل می‌کند.
- قابلیت جوش‌پذیری، شکل‌پذیری و انعطاف‌پذیری عالی: به راحتی می‌توان آن را به مواد دیگر جوش داد، به اشکال پیچیده درآورد و بدون از دست دادن یکپارچگی ساختاری، تغییر شکل داد.
- مقاومت به خوردگی در دماهای بالا: مقاومت خود را تا دمای ۱۵۰۰ درجه فارنهایت (۸۱۵ درجه سانتی‌گراد) حفظ می‌کند.
- مناسب برای سرویس‌دهی در دماهای پایین و بالا: خواص مکانیکی خود را در گستره وسیعی از دماها، از کاربردهای برودتی گرفته تا دماهای بالا، حفظ می‌کند.
- سخت‌کاری‌پذیر از طریق کار سرد: با فرآیندهایی مانند نورد یا خم‌کاری، استحکام و سختی آن افزایش می‌یابد.
- ساختار بلوری مکعبی با وجوه پر (FCC): این ساختار ریزدانه به خواص مکانیکی عالی آن از جمله استحکام، انعطاف‌پذیری و چقرمگی کمک می‌کند.
- استحکام ضربه‌ای بالا در دماهای پایین: مقاومت خود را در برابر ضربه حتی در محیط‌های سرد حفظ می‌کند.
- این فولادها به طور گسترده در صنایع فرآوری شیمیایی، نفت و گاز، مواد غذایی، داروسازی و… استفاده می‌شوند. برای تولید ظروف آشپزخانه نیز به دلیل خواص بهداشتی و ظاهر زیبا کاربرد دارند.
- نمونه‌ها: گریدهای ۳۰۴, ۳۰۴L, ۳۱۶, و ۳۱۶L.
| گرید | ترکیب آلیاژی | ویژگی‌ها و کاربردها |
|---|---|---|
| 303 | 18% کروم – 8% نیکل – گوگرد | فولاد خوش‌تراش (مناسب برای ماشین‌کاری آسان). |
| 304 | 18% کروم – 8% نیکل | گرید پایه فولاد ضدزنگ؛ فولاد همه‌منظوره برای بسیاری از کاربردها در صنایع مختلف. |
| 304H | 18% کروم – 8% نیکل – کربن بالا | مناسب برای دماهای بالا با استحکام حرارتی بیشتر. |
| 304L | 18% کروم – 8% نیکل – کربن کم | مقاومت بهتر در برابر خوردگی بین‌دانه‌ای؛ مناسب جوشکاری. |
| 304N | 18% کروم – 8% نیکل – نیتروژن | استحکام بالا. |
| 304LN | 18% کروم – 8% نیکل – کربن کم – نیتروژن | مقاومت در برابر خوردگی بین‌دانه‌ای. |
| 309 | 22% کروم – 12% نیکل | مقاومت به اکسیداسیون؛ کاربرد در لوله‌ها و تیوب‌های کارخانه‌های شیمیایی، لوله‌های تابشی، لوله‌های محافظ ترموکوپل. |
| 309S | 22% کروم – 12% نیکل | مشابه گرید 309 با کربن کمتر برای بهبود جوش‌پذیری. |
| 310 | 25% کروم – 20% نیکل | مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون و دماهای بالا. |
| 310S | 25% کروم – 20% نیکل | مشابه گرید 310 با کربن کمتر برای جوش‌پذیری بهتر. |
| 312L | 20% کروم – 18% نیکل – 6% مولیبدن – 0.2% نیتروژن | مقاومت در برابر آب دریا؛ استفاده در لوله‌های آب‌شیرین‌کن دریایی. |
| 316 | 18% کروم – 12% نیکل – 2% مولیبدن | مقاومت به خوردگی بالا؛ کاربرد در لوله‌های کارخانه LNG، بویلرها، نیروگاه‌های هسته‌ای و صنایع شیمیایی. |
| 316H | 18% کروم – 12% نیکل – 2% مولیبدن – کربن بالا | مناسب دماهای بالا با استحکام حرارتی بیشتر. |
| 316L | 18% کروم – 12% نیکل – 2% مولیبدن – کربن کم | مقاومت بهتر به خوردگی بین‌دانه‌ای؛ مناسب جوشکاری. |
| 316Ti | 18% کروم – 12% نیکل – مولیبدن – تیتانیوم | مقاومت به خوردگی بین‌دانه‌ای. |
| 317 | 18% کروم – 12% نیکل – 3% مولیبدن | مقاومت به خوردگی حفره‌ای؛ کاربرد در لوله‌های تانکرهای شیمیایی. |
| 317L | 18% کروم – 12% نیکل – 3% مولیبدن – کربن کم | مقاومت بالا به خوردگی همراه با جوش‌پذیری بهتر. |
| 321 | 18% کروم – 9% نیکل – تیتانیوم | مقاومت به خوردگی بین‌دانه‌ای؛ کاربرد در لوله‌های کارخانه‌های شیمیایی. |
| 321H | 18% کروم – 9% نیکل – تیتانیوم – کربن بالا | استحکام بالا در دماهای زیاد؛ مناسب برای لوله‌های هیتر و ری‌هیتر بویلر. |
| 347 | 18% کروم – 9% نیکل – نیوبیوم | مقاومت به خوردگی بین‌دانه‌ای؛ کاربرد در لوله‌ها و تیوب‌های کارخانه‌های شیمیایی. |
| 347H | 18% کروم – 9% نیکل – نیوبیوم – کربن کم | استحکام بالا در دماهای زیاد؛ مناسب برای لوله‌های هیتر و ری‌هیتر بویلر. |
| 310MoLN | 25% کروم – 22% نیکل – 2% مولیبدن – نیتروژن | مقاومت به خوردگی بین‌دانه‌ای؛ کاربرد در لوله‌های راکتور اوره. |
فولاد ضدزنگ فریتی (Ferritic Stainless Steel)
این فولادها از جهات مختلفی با نوع آستنیتی متفاوت هستند:
- مغناطیسی و مقاومت به خوردگی پایین‌تر: به دلیل ساختار بلوری و محتوای کربن بالاتر، مغناطیسی هستند و مقاومت به خوردگی کمتری نسبت به فولادهای آستنیتی دارند.
- عدم قابلیت سخت‌کاری با عملیات حرارتی: ریزساختار آن‌ها با چرخه‌های گرمایش و سرمایش تغییر قابل توجهی نمی‌کند.
- ساختار بلوری مکعبی با بدنه پر (BCC): این ساختار در مقایسه با آستنیت، شکنندگی و انعطاف‌پذیری کمتری به ماده می‌دهد.
- مقاومت بسیار بالا در برابر ترک‌خوردگی ناشی از خوردگی تنشی کلریدی: این یک مزیت کلیدی است که آن‌ها را برای استفاده در محیط‌های حاوی کلرید مانند تجهیزات دریایی و مبدل‌های حرارتی مناسب می‌کند.
- نمونه‌ها: گریدهای ۴۰۹, ۴۳۰, ۴۳۹, ۴۴۴, و ۴۴۶.
| گرید | ترکیب آلیاژی | ویژگی‌ها و کاربردها |
|---|---|---|
| 430 | 18% کروم | مقاومت در برابر خوردگی کلریدی و ترک‌خوردگی ناشی از تنش؛ کاربرد در لوله‌های آبگرمکن. |
| 444 | 19% کروم – 2% مولیبدن – تیتانیوم / نیوبیوم | مقاومت به خوردگی بالاتر به‌ویژه در محیط‌های حاوی کلرید؛ مناسب برای تجهیزات آبگرمکن و سیستم‌های آب گرم. |
| 446 | 25% کروم – نیتروژن | مقاومت بسیار عالی در برابر اکسیداسیون و خوردگی در دماهای بالا؛ کاربرد در صنایع شیمیایی و سیستم‌های حرارتی. |
فولاد ضدزنگ مارتنزیتی (Martensitic Stainless Steel)
این نوع فولاد خواصی متمایز از آستنیت و فریت دارد:
- سختی بالا و مقاومت به خوردگی ضعیف‌تر: به دلیل محتوای کربن بالاتر و نبود نیکل، سختی بسیار بالایی دارد اما مقاومت به خوردگی آن نسبت به آستنیت کمتر است.
- قابلیت سخت‌کاری با عملیات حرارتی: با فرآیندهای کوئنچ و تمپرینگ (سرد کردن سریع و تعدیل)، می‌توان به سطوح سختی بسیار بالایی دست یافت.
- ساختار بلوری تحریف‌شده: ساختار آن در طول عملیات حرارتی از FCC به BCC تغییر می‌کند که منجر به افزایش سختی و استحکام می‌شود.
- کاربردها: به دلیل سختی بالا و مقاومت خوب در برابر سایش، در ساخت چاقوهای ورزشی و ابزارهای چندکاره استفاده می‌شود.
| گرید | ترکیب آلیاژی | ویژگی‌ها و کاربردها |
|---|---|---|
| 405 | 13% کروم – آلومینیوم | ضریب انبساط حرارتی پایین؛ استفاده در لوله‌های سیستم اگزوز خودرو. |
| 410 | 13% کروم | مقاومت خوب در برابر خوردگی و سایش؛ کاربرد در قطعات ماشین‌آلات و لوازم خانگی. |
فولاد ضدزنگ سخت‌کاری‌شده با بارش (Precipitation Hardened – PH)
این نوع فولاد ترکیبی منحصر به فرد از خواص را ارائه می‌دهد:
- مغناطیسی و قابلیت سخت‌کاری با عملیات حرارتی: از طریق فرآیند سخت‌کاری با بارش، به استحکام بسیار بالایی می‌رسد.
- نسبت استحکام به وزن بسیار بالا با مقاومت به خوردگی خوب: استحکام زیادی را با وزن نسبتاً کم ارائه می‌دهد، که برای کاربردهایی که کاهش وزن حیاتی است، مناسب است.
- کاربردها: به دلیل ترکیب استحکام بالا و وزن کم، در ساخت قطعات هوافضا و فنرها استفاده می‌شود.
- نمونه‌ها: ۱۷-۷PH و ۱۷-۴PH.
| گرید | ترکیب آلیاژی | ویژگی‌ها و کاربردها |
|---|---|---|
| 17-4PH | 17% کروم – 4% نیکل – 3-5% مس | استحکام بسیار بالا با مقاومت خوب در برابر خوردگی؛ کاربرد در صنایع هوافضا، قطعات مکانیکی و فنرها. |
| 17-7PH | 17% کروم – 7% نیکل – 3% مس | مقاومت به خوردگی خوب با نسبت استحکام به وزن بالا؛ استفاده در قطعات هوافضا و اجزای مکانیکی سبک. |
فولاد ضدزنگ دابلکس/سوپر دابلکس (Duplex/Super Duplex)
این فولادهای تخصصی دارای ریزساختار دوگانه (شامل هر دو فاز آستنیت و فریت) هستند:
- ترکیب خواص آستنیت و فریت: مزایای هر دو نوع فولاد را با هم ترکیب می‌کند؛ استحکام و مقاومت به خوردگی فریت و چقرمگی و شکل‌پذیری آستنیت.
- مقاومت خوب در برابر خوردگی حفره‌ای و شکافی: این ساختار دوگانه، مقاومت بهتری در برابر خوردگی حفره‌ای و شکافی در محیط‌های حاوی کلرید ارائه می‌دهد.
- استحکام بالا و مقاومت زیاد در برابر ترک‌خوردگی ناشی از خوردگی تنشی: برای کاربردهای سازه‌ای مناسب است.
- کاربردها: در سیستم‌های آب دریا، مبدل‌های حرارتی و کاربردهای سازه‌ای در صنایع نفت و گاز، فرآوری شیمیایی و… به طور گسترده استفاده می‌شود.
- نمونه‌ها: UNS S32205, S31803 و S32760.
| گرید | ترکیب آلیاژی | ویژگی‌ها و کاربردها |
|---|---|---|
| 329J3L | 22% کروم – 5% نیکل – 3% مولیبدن – 0.15% نیتروژن | استحکام بالا و مقاومت عالی در برابر خوردگی؛ مناسب برای انواع لوله‌های مبدل حرارتی. |
| 329J4L | 25% کروم – 7% نیکل – 3% مولیبدن – 0.2% نیتروژن | مقاومت به خوردگی حفره‌ای و شکافی بهبود یافته؛ ایده‌آل برای محیط‌های دریایی و تجهیزات فرآوری شیمیایی. |
| S31500 | 18.5% کروم – 5% نیکل – 2.7% مولیبدن | مقاومت خوب در برابر خوردگی و خواص مکانیکی مناسب؛ مورد استفاده در محیط‌های با کلرید ملایم و کاربردهای سازه‌ای. |
| S32205 | 22.5% کروم – 6% نیکل – 3% مولیبدن – 0.2% نیتروژن | تعادل عالی بین استحکام، چقرمگی و مقاومت به خوردگی؛ کاربرد گسترده در صنایع نفت و گاز دریایی، آب‌شیرین‌کن‌ها و کارخانه‌های شیمیایی. |
| S32750 | 25% کروم – 7% نیکل – 4% مولیبدن – 0.3% نیتروژن | استحکام بسیار بالا و مقاومت برتر در برابر خوردگی حفره‌ای، شکافی و تنشی ناشی از کلرید؛ ایده‌آل برای لوله‌های آب‌شیرین‌کن دریایی و شرایط سخت محیطی. |
گریدهای متداول لوله استیل بر اساس استاندارد ASTM
در این بخش، به برخی از استانداردهای ASTM برای لوله‌های فولاد ضدزنگ اشاره می‌شود:
ASTM A312: لوله‌های فولاد ضدزنگ آستنیتی بدون درز، جوش داده‌شده و با کار سرد سنگین.
ASTM A790: لوله‌های فولاد ضدزنگ فریتی/آستنیتی (دابلکس) بدون درز و جوش داده‌شده.
ASTM A928: لوله‌های فولاد ضدزنگ فریتی/آستنیتی (دابلکس) جوش داده‌شده با قوس الکتریکی و افزودن فیلر.
ASTM A999: الزامات عمومی برای لوله‌های فولاد آلیاژی و ضدزنگ.