برای بررسی فولادهای زنگ نزن مورد استفاده در ساخت مبدل حرارتی (Stainless steel for Heat Exchanger Construction) باید ابتدا بر بررسی این دسته از فولاد ها پرداخت. فولاد های زنگ نزن (SS) آلیاژ هایی هستند که درصد کروم آن ها با یا بدون عناصر آلیاژی دیگر کمتر از 12 درصد نباشد. فولادهای زنگ نزن در برابر زنگ زدن نسبت به فولادهای کربنی ساده و فولادهای کم آلیاژ مقاوم ترند. آن ها مقاومت به خوردگی عالی دارند زیرا درصد کروم آن ها بالاست. این فلزات به شکل کارشده و ریختگی در دسترس هستند.

فولادهای زنگ نزن را می توان به 5 خانواده بر اساس ساختار متالورژیکی آن ها تقسیم بندی کرد. 1- فولاد زنگ نزن مارتنزیتی 2- فولاد زنگ نزن آستنیتی 3- فولاد زنگ نزن فریتی 4- فولاد زنگ نزن دوفازی 5- فولاد زنگ نزن رسوب سختی

چهار دسته نخست توسط فازهای متالورژیکی شناخته می شوند. در آهن و فولاد، به ساختار BCC فریت و به ساختار FCC آستنیت گفته می شود. بنابراین فولاد های فریتی یا آستنیتی حاوی مقادیر زیادی از این فاز ها هستند. فولادهای دوپلکس حاوی هر دو فاز فریت و آستنیت هستند. پنجمین گروه فولادهای زنگ نزن آن هایی هستند که می توان با عملیات حرارتی پیرسازی استحکام آن ها افزایش داد. این فولاد برای ساخت مبدل های حرارتی مورد استفاده قرار نمی گیرد و در نتیجه در این مطلب راجع به آن بحث نخواهد شد.

نامگذاری فولادهای زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن کارشده بر اساس استاندارد انستیتو آهن و فولاد آمریکا (AISI) و بر اساس ترکیب دسته بندی می شوند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی Cr-Ni-Mn به عنوان سری 2xx، و فولادهای زنگ نزن آستنیتی Cr-Ni به عنوان سری xx3 و xx4 نامگذاری می شوند. فولادهای گرید رسوب سختی بر اساس درصد نیکل و کروم دسته بندی می شوند.

مشخصات ASTM برای فولادهای زنگ نزن:

بیشتر انواع فولادهای زنگ نزن  AISI مانند آستنیتی، فریتی، مارتنزیتی، و برخی انواع ویژه آن ها مانند سوپر فریتی و سوپر آستنیتی در A240 بیان شده است.

راهنمای انتخاب فولاد زنگ نزن

راهنمای انتخاب انواع فولاد زنگ نزن توسط براون و دبولد به صورت جداگانه بررسی شده است. بر اساس پژوهش براون، در هنگام انتخاب گرید مناسب باید موارد زیر را در نظر گرفت:

1- انتخاب میزان مقاومت به خوردگی برای کاربرد مد نظر.

2- انتخاب مقدار استحکام مورد نیاز.

3- به علت وجود برخی مشکلات در هنگام ساخت باید آلیاژ پایه ای انتخاب شود که بهترین ویژگی ها را در ساخت داشته باشد.

4- انجام آنالیز هزینه شامل قیمت مواد اولیه، هزینه های نصب و تخمین عمر محصول نهایی.

5- تعیین در دسترس بودن مواد اولیه که از نظر هزینه، مقرون به صرفه و از نظر کارایی مناسب باشد.

از نظر دبولد باید انتخاب فولاد زنگ نزن بر اساس مقاومت به خوردگی و استحکام باشد.

فولاد زنگ نزن مارتنزیتی

فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی از مقاومت به خوردگی کمتری برخوردارند زیرا تنهای حاوی 11 تا 18 درصد کروم هستند و مقدار کربن آن ها معمولا زیر 0.4 درصد است. حداقل مقدار کروم بر اساس مقاومت به خوردگی انتخاب می شود و بیشترین مقدار آن بر اساس مقدار لازم برای آستنیته کردن کامل آلیاژ در طی عملیات حرارتی مشخص می شود. یکی از ویژگی های کلیدی این گروه توانایی آن ها برای سخت شدن در حین عملیات حرارتی است. کارآیی این فولاد در مبدل های حرارتی و در محیط های آبی محدود است.

اما این فولاد ها ترکیب مفیدی از استحکام، چکش خواری، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی را در محیط های ملایم نشان می دهند. مقاومت به خوردگی تنها زمانی در مورد این ماده ایجاد می شود که به طور کامل سخت و تمپر شده باشد. فولاد  AISI 410 یکی از پرکاربردترین گریدهای مارتنزیتی است که گاهی اوقات در مبدل های حرارتی استفاده می شود.

متالورژی و خواص فولاد زنگ نزن آستنیتی

فولادهای زنگ نزن آستنیتی تقریبا 80 تا 90 درصد فولاد های زنگ نزن را تشکیل می دهند. این کلاس فولاد های زنگ نزن شامل آلیاژهای گروه 200 و 300 می شود که می توان آن ها را با کار سرد، سخت کرد. آلیاژهای سری 200 برای صرفه جویی در مصرف نیکل با جایگزینی آن با منگنز به وجود آمدند به شکلی که به ازای هر یک درصد نیکل، دو درصد منگنز جایگزین شود. آلیاژ های سری 300 فولادهای زنگ نزن، آلیاژهای کم کربن – آهن – کروم هستند که با نیکل هم همراه هستند و گاهی اوقات منگنز یا نیتروژن هم دارند یا حاوی مجموعه ای از این عناصر هستند تا در اثر سرد کردن سریع در دمای اتاق به آستنیت تبدیل شوند. مقدار کروم در محدوده 15 تا 32 درصد، مقدار نیکل در محدوده 8 تا 37 درصد و مقدار کربن به کمتر از 0.03 درصد محدود شده است. کروم مقاومت به اکسیداسیون و مقاومت به خوردگی در محیط خاص را ایجاد می کند.

تیپ های معمول فولادهای زنگ نزن 3xx شامل  شامل 304، 304L ،309 ،310 ،316 ،316L ،321 ،347 و 348 می شوند. آلیاژ پایه این گروه 304، حاوی 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل است. استحکام این آلیاژ  و مقاومت به خوردگی آن متوسط  و چقرمگی آن عالی است. برای بهبود مقاومت به خوردگی حفره دار شدن در برابر کلراید باید به آن مولیبدن اضافه کرد که به این ترتیب آلیاژهای 316 و 317 پدید می آیند. فولاد زنگ نزن 316 (18 درصد کروم، 12درصد نیکل، 2.5 درصد مولیبدن) و 317 (18 درصد کروم، 15 درصد نیکل، 3.5 درصد مولیبدن) در محیط های کلریدی مقاومت بیشتری نسبت به 304  از خود نشان می دهند. خواص فولادهای زنگ نزن آستنیتی عبارت است از :

- غیر مغناطیسی (نگیر)، داکتیل، کارسخت

- با عملیات حرارتی سخت نمی شوند.

- تک فاز از صفر کلوین تا دمای ذوب

- ساختار کریستالی FCC

- جوشکاری آسان

- عدم ایجاد تردی 475 درجه سانتی گراد و تردی هیدروژنی

- عدم وجود دمای انتقال نرمی به تردی

توسعه آلیاژ

فولادهای زنگ نزن آستنیتی 18Cr–8Ni به طور موفقیت آمیز در آب های شیرین و محیط های صنعتی با خورندگی ملایم به مدت 50 سال مورد استفاده قرار گرفته اند. مقاومت به خوردگی، جوشکاری و استحکام خانواده فولادهای زنگ نزن آستنیتی دائما در کاربردهای صنعتی با تغییر ترکیب شیمیایی آن ها ثابت شده است. این ویژگی ها عبارتند از:

1- مولیبدن برای بهبود مقاومت به خوردگی در محیط های کلریدی مانند تیپ 316 و 317 به کار می رود. مقاومت این فولادها در برابر حمله های شیمیایی نسبت به تیپ 304 بیشتر است.

2- فولادهای کم کربن (304L، 316L و 317L) به رسوب کاربید در دمای 425 تا 870 درجه سانتی گراد (800 تا 1600 درجه فارنهایت) مقاومند و در نتیجه در حین جوشکاری دچار کاهش مقاومت به خوردگی نمی شود. معمولا توصیه می شود که در دمای کمتر از 425 درجه سانتی گراد (800 درجه فارنهایت) از این فولادها استفاده شود.

3- نیتروژن برای جبران کاهش استحکام در فولادهای کم کربن یا گرید های L اضافه می شود. افزودن نیتروژن استحکام را در تمام دماها افزایش می دهد، مقاومت به خوردگی محلی را در محلول های اسید کلر دار افزایش داده، مقاومت به حفره دار شدن و پایداری فاز را نیز بهبود می دهد. افزودن نیتروژن پسیو شدن را نیز بهبود می دهد و اثر سایر عناصر آلیاژی را به خصوص کروم و مولیبدن را افزایش می دهد. درصد نیتروژن معمولا از 0.1 تا 0.25 درصد در فولادهای زنگ نزن آستنیتی بیشتر نمی شود تا از مشکلات مربوط به ایجاد تخلخل در شمش، کارپذیری گرم و رسوب نیتروژن که در اثر حضور مقدار زیاد نیتروژن ایجاد می شوند، جلوگیری شود.

4- افزایش کروم برای افزایش مقاومت به حفره دار شدن و خوردگی شیاری.

5- افزایش نیکل برای پایدار کردن ریزساختار آستنیتی و بهبود مقاومت به خوردگی تنشی و محیط های احیا کننده. اثر نیکل بر خوردگی تنشی با استفاده از منحنی کاپسون مشخص می شود.

6- گریدهای پایدار شده: اضافه کردن تیتانیم و نیوبیوم کاربیدهای پایدار ایجاد می کند تخلیه کروم به وسیله تشکیل کاربیدهای کمپلکس کروم جلوگیری می کند و در نتیجه از حساس شدن مناطق جوش یا قطعات عملیات حرارتی شده جلوگیری می کند مانند فولاد 321 که با تیتانیم و فولاد 347 که با نیوبیوم پایدار شده است.

7- عبارت LR مخفف low residual بوده و در این حالت به معنای محدود کردن کربن برای مقاومت به خوردگی است. کاهش کربن هم چنین ریسک تشکیل فیلم های بین دندریتی غنی از نیوبیوم را کاهش می دهد. هم چنین محدودیت هایی برای سیلیسیم، گوگرد و فسفر برای بهبود مقاومت به ترک های ناشی از جدایش وجود دارد.منگنز معمولا برای بهبود مقاومت به ترک های انجمادی به ترکیب افزوده می شود.

کاربردهای فولادهای زنگ نزن برای مبدل های حرارتی

فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دلیل قیمت پایین، مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی خوب در محدوده وسیعی از دما مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها به طور موفق در محیط های مختلف مانند اسیدها، آب های شیرین و آب های شور مورد استفاده قرار گرفته اند. از طرف دیگر فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی به دلیل چقرمگی کمتر در دمای اتاق کاربردهای محدود تری دارند. فاکتورهایی که استفاده از فولاد زنگ نزن را برای کاربرد در مبدل های حرارتی مناسب می کنند عبارتند از :

- مقاومت بالا به خوردگی یکنواخت مانند خوردگی سایشی - مقاومت در برابر محلول هایی با pH بالا - مقاومت به اکسیداسیون و سولفیداسیون - سازگاری با روش های ساخت - توانایی تمیز کردن آسان رسوبات با استفاده از روش های معمول شیمیایی و مکانیکی بدون ایجاد آسیب - قابلیت رقابت با سایر موادی که معمولا در ساخت مبدل های حرارتی به کار گرفته می شوند. - پایداری خواص در حین کار - سازگاری با مایعات فرآیند - چقرمگی در کاربردهای برودتی و استحکام در دمای بالا

- مقاومت در برابر کچلی و چسبندگی

- هدایت حرارتی متوسط

- پایداری ابعادی

- فولادهای زنگ نزن جدید برای کاربرد در مبدل های حرارتی

روش های جدید فولادسازی مانند AOD و VIM در دو دهه اخیر گرید های جدید از فولاد های زنگ نزن فریتی، آستنیتی و دوپلکس را با ناخالصی های کم در محدوده وسیعی از عناصر آلیاژی برای کاربردهای خاص معرفی کرده است. در کنار ویژگی های خوب، فولادهای زنگ نزن معایبی نیز دارند:

1- حساسیت به خوردگی شیاری زیر رسوبات

2- حساسیت به حفره دارشدن و خوردگی تنشی در حضور یون کلرید در دمای هوای بالاتر از 50 درجه سانتیگراد

3- حساس شدن منجر به خوردگی بین دانه ای می شود.

4- حساس به رسوبات

خواص مکانیکی برای کاربردهای برودتی و دما بالا

اگرچه فولادهای زنگ نزن آستنیتی در ابتدا به دلیل مقاومت به خوردگی بالا مورد استفاده قرار گرفتند اما این فولادها خواص مکانیکی عالی در محدوده وسیعی از دما از دماهای زیر صفر تا دماهای بالا دارند.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی بر خلاف فولادهای فریتی انتقال از نرمی به تردی را نشان نمی دهند. آن ها در دماهای پایین هم چقرمگی بالای خود را حفظ می کنند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی مانند 304، 304L، 316، 316L و 347 در کاربردهای برودتی برای ذخیره گاز مایع و مخازن انتقال به کار گرفته می شوند.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی استحکام خزش – گسیختگی خوبی در دما های بالای 600 درجه سانتی گراد نشان می دهند. اگر استحکام خزشی بیشتر در دماهای بالاتر مد نظر باشد، افزودن وانادیم، نیوبیوم و تیتانیم الزامی است. اضافه کردن این عناصر آلیاژی منجر به افزایش استحکام و کاهش چقرمگی در دمای پایین می شود.

عناصر آلیاژی و ریزساختار فولادهای زنگ نزن

در فولادهای جوشپذیر فریتی و آستنیتی ریزساختار بسیار اهمیت دارد. اگرچه کروم و نیکل اصلی ترین عناصر آلیاژی در فولادهای زنگ نزن آستنیتی هستند، سایر عناصر نیز برای ایجاد خواص ویژه به ترکیب آن ها اضافه می شوند و باید اثر آن ها را بر ریزساختار در نظر گرفت. مولیبدن، نیوبیوم و تیتانیم تشکیل فریت دلتا را در زمینه آستنیتی تقویت کرده و هم چنین کاربیدهایی مانند کروم تشکیل می دهند. از طرف دیگر مس، منگنز، کبالت، کروم، کربن و نیتروژن اثر مشابه با نیکل در تشکیل فاز آستنیت دارند. به این عناصر، عناصر آستنیت ساز می گویند.

ترکیب معمول فولادهای زنگ نزن آستنیتی در جدول زیر نمایش داده شده است.

تیپ های آلیاژی و کاربردهای آن ها در مبدل های حرارتی

مواد مقاوم برای استفاده در صنایع فرآیندی 304، 304L، 316 و 347 هستند. فولاد زنگ نزن در کندانسور ها، هیتر های آب ورودی و سایر مبدل های حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند و کاربرد وسیعی در پالایشگاه ها، صنایع شیمیایی، صنایع کود، صنایع خمیر سلولزی و کاغذ، صنایع غذایی و غیره دارند. خواص و کاربرد تیپ های 304، 310، 316، 321 و 347 در ادامه مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

تیپ 304 (18Cr-8Ni) محبوب ترین گرید این سری فولادهای زنگ نزن است و در کاربردهایی به کار گرفته می شود که به ترکیب مناسبی از مقاومت به خوردگی و شکل پذیری نیاز دارند. ساختار یکنواخت، داکتیلیته بالا و  استحکام عالی، عملکرد عالی در شکل دهی سرد، کشش عمیق و شکل دهی چرخشی تضمین می کند. این فولاد در حالت آنیل شده غیر مغناطیسی است. چقرمگی بسیار بالایی در دمای پایین دارد و برای ساخت مخازن برودتی از آن استفاده می شود. هم چنین برای کاربرد در سازه های جوشکاری شده که در آن ها محصول نهایی باید در محیط هایی با خورندگی بیشتر کار کند، مناسب است. مقاطع نازک را می توان بدون مشکلات مربوط به رسوب کاربید یا کاهش مقاومت به خوردگی جوش داد. بنابراین به همین دلیل عملیات حرارتی پس از جوش در بسیاری از موارد مورد نیاز نیست.

تیپ 304 به شدت در برابر زنگ زدگی مقاوم است و در برابر مواد غذایی، بسیاری از مواد شیمیایی آلی، رنگ ها و تعداد زیادی از مواد شیمیایی معدنی ایمن است. این ماده در محلول های اکسید کننده مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد. این ماده مقاومت خوبی در برابر اسید نیتریک دارد اما در برابر اسید سولفوریک مقاومت متوسط و در برابر اسیدهای هالوژنی مقاومت ضعیفی از خود نشان می دهد. برای حصول بهترین نتیجه توصیه می شود که این ماده پسیو شود تا مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن حفظ شود. فولاد 304 تا دمای 870 درجه سانتی گراد در برابر پوسته شدن مقاوم است. برای کاربردهایی که گرم شدن و سرد شدن مداوم در آن ها صورت می گیرد دما نباید از 815 درجه سانتی گراد فراتر رود، ماکزیمم دمای کارکرد مداوم ماکزیمم 898 درجه سانتی گراد است.

تیپ 310

تیپ 310 (25Cr-20Ni) پرآلیاژ ترین ترکیب را در بین فولادهای زنگ نزن محبوب آستنیتی دارد و بیشترین مقاومت را به خوردگی و اکسیداسیون نشان می دهد.

تیپ 316

اضافه شدن مولیبدن در ترکیب این فولاد، بیشترین مقاومت در برابر حفره دار شدن را  نسبت به تمام گریدهای کروم-نیکل ایجاد کرده است و در نتیجه برای کاربردهایی با خوردگی بالای کلر مناسب هستند. بنابراین آلیاژهای 316 و 316L هر دو مواد مقاومی در صنایع شیمیایی، خمیر سلولز و کاغذ هستند. فولاد زنگ نزن تیپ 316 در برابر سولفات ها، کلرید ها، فسفات ها و سایر نمک ها مقاوم است. با این حال مقاومت 316 و 316L در برابر حفره دار شدن در آب های آرام دریا با سرعت کمتر از 1.5 متر بر ثانیه به اندازه کافی بالا نیست. به همین دلیل در دو دهه اخیر گریدهایی با آلیاژهای بیشتر توسعه پیدا کرده اند. این فولادها به فولادهای زنگ نزن سوپرفریتی، دوپلکس و سوپر آستنیتی معروف شدند. تیپ 316 برای کاربردهایی که به استحکام بالا و مقاومت به حرارت در دمای بالا نیاز دارند به کار گرفته می شود. به علت وجود مولیبدن مقاومت این فولاد در برابر خزش از نوع 304 بیشتر است. تیپ 316 مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون دارد و نرخ پوسته شدن آن ها در اتمسفر معمولی و در دماهای بیشتر از 898 درجه سانتی گراد به طور متوسط و در دمای 851 درجه سانتی به صورت متناوب کاهش می یابد. می توان این فولاد را بدون مشکل خاصی جوش داد و معمولا نیازی به عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیست. این فولاد برای کاربردهایی که به استحکام بالا و مقاومت خزشی در دمای بالا نیاز دارند، استفاده می شود.

تیپ های 321 (18 درصد کروم، 1.5 درصد نیکل، تیتانیم)، 347 (18 درصد کروم، 11درصد نیکل، نیوبیوم) و 348 (18 درصد کروم، 11 درصد نیکل، نیوبیوم) به دلیل عدم وجود کاربید کروم و در نتیجه عدم ایجاد حمله های بین دانه ای به نام "فولادهای زنگ نزن پایدار شده" معروفند.

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن