بررسی علل زنگ زدن فولاد S.S 316

امروز مقاله ای را که برای شما تهیه نموده ام ، در پاسخ به سوال دوست عزیزم جناب مهندس فرجی میباشد. و اما سوال به شرح زیر است:
چرا فولاد زنگ نزن(stainless steel) نوع ۳۱۶ ،زنگ می زند؟

در جواب به این سوال ابتدا به معرفی این نوع فولاد می پردازیم.
فولادهای زنگ نزن (S.S) طبق دسته بندی موسسه آهن و فولاد امریکا (AISI) به دو گروه سری ۳۰۰-۲۰۰ و سری ۴۰۰ طبقه بندی می شوند که هر سری شامل چندین فولاد با رفتارهای مختلف می باشد.
فولادهای زنگ نزن سری ۳۰۰-۲۰۰ آستنیتی (Austenitic) می باشند که بسیار چقرمه (tough) و نرم (ductile) بوده و نیازی به عملیات حرارتی ندارند در نتیجه این فولادها برای جوشکاری مناسب اند و تحت شرایط عادی اتمسفری نیازی به آنیله شدن ندارند.

این فولادها در برابر خوردگی مقاومند و معمولا غیر مغناطیسی هستند و فقط از طریق کار سرد (cold work) سخت میشوند.
محدوده کربن در این فولادها ۰٫۰۸ تا ۰٫۲۵ درصد، میزان کروم ۱۶ تا ۲۶ درصد و میزان نیکل ۶ تا ۲۲ درصد است.
آنچه که در نوع ۳۱۶ باعث تمایز آن نسبت به انواع دیگر فولاد S.S همچون ۳۰۴ شده وجود میزان حداکثر ۳ درصد مولیبدنیوم در آن می باشد.مولیبدنیوم مقاومت خوردگی این آلیاژ کروم-نیکل را در برابر تخریب اکثر مواد و حلالهای شیمیایی صنعتی بالا برده و همچنین در برابر خوردگی حفره ای (pitting) حاصل از کلرایدها مقاومت میکند.به همین خاطر نوع ۳۱۶ مهمترین فولادی است که در محیطهای دریایی استفاده میگردد.
Type Analysis of Stainless Type 316:

۱٫۰۰% max. Silicon 0.08% max. Carbon
16.00-18.00% Chromium 2.00% max. Manganese
10.00-14.00% Nickel 0.045% max. Phosphorus
2.00-3.00% Molybdenum 0.030% max. Sulfur

دو عامل مهم در خوردگی این نوع فولادها یکی حساس شدن (sensitization) و عامل دیگر که باعث زنگ زدن جوشهای آن می شود اکسید زدایی نکردن آن می باشد.حال هر کدام بطور مختصر توضیح داده می شود.
حساس سازی یا حساس شدن (sensitization):
رسوب (ته نشین شدن) کرباید در مرز دانه ها ،هنگامی که فولادهای زنگ نزن آستنیتی در یک بازه زمانی در محدوده دمای بین ۴۲۵ تا ۸۷۰ درجه سانتیگراد(۸۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه فارنهایت) حرارت داده می شوند(بخصوص در جوشکاری) را حساس شدن می گویند.

مدت زمانی که فولاد در این دما قرار میگیرد مقدار کرباید رسوب شده را تعیین میکند.وقتی کرومیوم کرباید در مرز دانه ای رسوب میکند نواحی کناری فورا از کروم تهی میشود.در صورتیکه این ته نشینی و تهی سازی نسبتا پیوسته باشد ،فولاد را نسبت به خوردگی بین دانه ای (intergranular corrosion) مستعد می سازد.همچنین حساس شدن مقاومت فولاد را در برابر انواع دیگر خوردگی همچون خوردگی حفره ای (pitting) ،خوردگی شکافی (crevice corrosion) و ترک خوردگی تنشی(SCC) کاهش میدهد.

روش جلوگیری از sensitization
با استفاده از منحنی های حساس سازی دما-زمان میتوان از حساس شدن جلوگیری نمود و تاثیر میزان کربن را روی این پدیده مشاهده نمود.در شکل پايين نمونه ای از اين منحنی ها را برای فولاد ۳۰۴ را مشاهده می تماييد.
روش دیگر جلوگیری از حساس شدن استفاده از فولادهای پایدار( stabilized steels) همچون ۳۲۱ و ۳۴۷ میباشد.اینگونه فولادهای زنگ نزن محتوی تیتانیوم (titanium) و یا نیوبیوم(niobium) بوده که میل به ترکیب با کربن دارند و به آسانی کرباید تشکیل میدهند،این موضوع باعث میشود حتی وقتی در طولانی مدت در معرض دمای sensitization قرار بگیرد کروم در حلال باقی بماند .
تنها راه حل اصلاح فولادهای زنگ نزن حساس شده، آنیله کردن آن می باشد.
در جلسه بعد اسید شویی(pickling) و غیر فعال سازی (passivation) فولادها شرح داده خواهد شد.

پیش گرمی و پس گرمی

در جوشکاری فولادهای پر کربن یا آلیاژی همیشه خطری وجود دارد که فلز جوش نشسته (weld deposit) و ناحیه متاثر از جوش (heat-affected zone) فلز سخت و شکننده ای بنام مارتنزیت(martensite) تشکیل دهند. در اینصورت فلز نرمی (ductility) خود را از دست داده و امکان ترک خوردن هنگام سرد شدن دارد. با استفاده از پیش گرمی و پس گرمی ،می توان میزان مارتنزیت جوش را در حداقل نگهداشت.
پیش گرمی و پس گرمی را در کوره یا با استفاده از مشعل گازی ایجاد نمود.

پیش گرمی. پیش گرمی دمای فلز مجاور جوش را بالا برده و در نتیجه اختلاف دمای بین جوش و فلز مجاور آنرا تا حد امکان پایین نگه میدارد. فولادهای کم کربن به ندرت نیاز به پیش گرمی دارند.از آنجایی که سختی پذیری فولاد نسبت مستقیم با میزان کربن و عناصر آلیاژی دارد ،دماهای پیش گرمی مختلف خواهد بود.

محاسبه دمای پیش گرمی:
برای فولادهای با ترکیب مشخص،دمای پیش گرمی را می توان بر اساس معادل کربن(CE) طبق معادله تجربی زیر محاسبه نمود:

طبق جدول زیر میتوان دمای پیش گرمی را با محاسبه CE از فرمول بالا بدست آورد:

کربن معادل(%) دمای پیش گرمی
تا ۰٫۴۵ پیش گرمی اختیاری میباشد
۰٫۴۵ تا ۰٫۶۰ ۲۰۰ تا ۴۰۰ درجه فارنهایت
بالای ۰٫۶۰ ۴۰۰ تا ۷۰۰ درجه فارنهایت

پس گرمی. هدف از پس گرمی مشابه پیش گرمی می باشد.در حقیقت پس گرمی همراه با پیش گرمی استفاده میشود.بوسیله حرارت دادن قطعه جوش خورده همینکه جوش تکمیل شد ،دمای قطعه کار را می توان در حد بالایی نگه داشت تا جوش به آرامی سرد شود.همچون پیش گرمی هرگونه عملیات پس گرمی ناحیه جوش خورده را نرم تر نگه میدارد.
دماهای پس گرمی و مدت زمان آن به نوع و ضخامت فولاد بستگی دارد.دما از ۶۰۰ درجه فارنهایت برای فولاد نوع ۱۰XX تا ۱۲۰۰ درجه فارنهایت برای فولادهای ۴۳XX می تواند تغییر کند،این در حالی است که زمان مورد نیاز جهت پس گرمی از ۵ دقیقه تا چندین ساعت متغیر می باشد.

عناصر مختلف در فولاد چه تاثيری در خواص جوشکاری آن ايجاد ميکنند؟
تاثیر عناصر در فولاد

عناصر مختلف که بطور متداول در فلزات یافت میشوند تاثیر مشخصی روی قابلیت جوشکاری آنها دارند. بعضی از این عناصر مهم و اثرات حاصل از آنها بر جوشکاری فولاد عبارتند از:
۱- کربن (Carbon) از آنجایی که میزان سختی پذیری (hardenability) در فولاد را معین میکند مهمترین عنصر موجود در فولاد است. هرچه میزان کربن بیشتر باشد فولاد سخت تر میشود.اگر فولاد کربنی (بالای ۰٫۳۰ درصد) جوشکاری شود و ناگهان سرد شود یک ناحیه ترد و شکننده (brittle) در کنار جوش ایجاد میگردد. بعلاوه اگر کربن اضافی از مخلوط گازهای جوشکاری بدست آید، جوش بوجود آمده آنقدر سخت میشود که به آسانی ترک میخورد.

بطور کلی بهترین جوش هنگامی ایجاد میشود که میزان کربن موجود در فولاد تا جای ممکن کمترین حد خود باشد.

۲- منگنز (Manganese) در فولاد باعث افزایش سختی پذیری و استحکام کششی (tensile strength) میشود. به هر حال اگر مقدار منگنز بالای ۰٫۶۰ درصد باشد و بخصوص اگر با درجه بالایی از کربن ترکیب شود، قابلیت جوشکاری قطعا کم خواهد شد.در این شرایط معمولا ترک افزون ایجاد خواهد شد. اگر میزان منگنز خیلی کم باشد تخلخل داخلی (internal porosity) و ترک ممکن است گسترش یابد.

بهترین نتیجه جوشکاری وقتی بدست می آید که فولاد محتوی ۰٫۴۰ تا ۰٫۶۰ درصد منگنز باشد.

۳- سیلیکون (Silicon) برای بهبود کیفیت و استحکام کششی در فولاد بکار می آید.میزان بالای سیلیکون بخصوص همراه با کربن بالا منتج به ترک می شود.

۴- گوگرد (Sulfur) اغلب برای بهبود خواص ماشین کاری(machining) فولاد به آن اضافه میگردد. به هر حال مقدار آن در انواع دیگر فولاد پایین نگه داشته میشود (۰٫۰۳۵ درصد و حداکثر ۰٫۰۵ درصد) زیرا که درصد بالای گوگرد احتمال ترک را افزایش میدهد. فولادهای ماشینی پر گوگرد بطور معمول با الکترود کم هیدروژن بدون هیچ دشواری جوشکاری می شوند.

۵- فسفر (Phosphorus) به عنوان ناخالصی در فولاد در نظر گرفته می شود در نتیجه مقدار آن تا حد امکان پایین نگهداشته میشود .میزان فسفر بالای ۰٫۰۴ درصد باعث میشود که جوش شکننده (brittle) شود.

۶- عناصر دیگر (نیکل،کروم،وانادیم و غیره) تاثیرهای مختلفی بر قابلیت جوشکاری فلزات دارند.جوشکاری این آلیاژها باید با احتیاط خاصی انجام گیرد و معمولا برای جلوگیری از ایجاد نواحی سخت و شکننده در جوش پیش گرمی(preheat) و پس گرمی(postheat) مورد نیاز میباشد.

۸:۲۸ || محمد رضایی