جهت ایجاد خاصیت محافظت یا مقاوم شدن اولیه ورق استیل در مقابل خوردگی، حداقل ۱۱% کروم و جهت بهبود خواص خوردگی، مکانیکی و غیره عناصر دیگری به این آلیاژ افزوده می گردد. اثر متفاوت این عناصر بر ریز ساختار، شش گروه ورق استیل به شرح زیر را به وجود می آورد .
۱٫ گروه ورق استیل فریتی ( Ferritic ) :
با محدوده ترکیبی C < 0.1 % – Ni = 0-4 % – Cr = 11- 30 %
۲٫ گروه ورق استیل مارتنزیتی ( Martensitic ) :
با محدوده ترکیبی 0.1 – Ni = 0 – ۶ % – Cr = 11 – ۱۸ %
۳٫ گروه ورق استیل آستنیتی ( Austenitic ) :
با محدوده ترکیبی C < 0 . 15 % – Ni = 8 – 20 % – Cr = 15 – 27 % همچنین آلیاژهایی با نیکل بیشتر نیز جز آلیاژ های سوپر آستنیتی و نیکل بوده و معمولاً در این دسته قرار می گیرند.
۴٫ گروه ورق استیل دوپلکس ( Duplex ) :
با محدوده ترکیبی C < 0 . 08 % – Ni = 4-7% – Cr = 18 – 27% و مقداری عناصر کمک افزودنی مانند N و Cu
۵٫ گروه ورق استیل رسوب سختی ( Precipitation Hardening ) :
با محدوده ترکیبیC < 0.15 % – Ni = 3 – ۲۷ % – Cr = 12 – 28 % و مقداری عناصر کمک افزودنی مانند N ، Cu ، B، Ti، Al
۶٫ گروه استنلس استیل ریختگی ( Cast )
چهار گروه اول ورق استیل براساس ساختار میکروسکوپی و گروه پنجم براساس نوع عملیات حرارتی مشخص شده اند. گروه ششم نیز شامل مجموعه آلیاژهایی از پنج گروه اصلی بوده که به روش ریخته گری تولید می شوند. در مورد کلیه گروه های فوق عناصر دیگری نظیر فسفر، سیلیسیم، گوگرد، منگنز، نئوبیم، تیتانیم و مولیبدن نیز ممکن است به عنوان ناخالصی در ترکیب موجود بوده و یا به عنوان افزودنی جهت بهبود خواص معینی به آلیاژ ها اضافه گردند که حدود آنها را استانداردها مشخص نموده اند.
ویژگی ها و خواص گروه های استنلس استیل
۱٫ ورق استیل فریتی
فریت، فاز اصلی آلیاژهای آهن و دارای شبکه BCC می باشد. برای بدست آوردن ساختار فریتی بایستی عناصر فریت زا مانند کروم، آلومینیم، تیتانیم، نئوبیم و مولیبدن در حد بالا و عناصر آستنیت زا مانند نیکل، کربن و نیتروژن را در حد پایین نگاه داشت که در این بین کروم نقش مهمی دارد. با افزایش کروم دمای محیط منطقه آستنیت ( گاما ) به شدت محدود شده و ساختار غالب فریت (آلفا) می گردد. از آنجایی که کروم دارای ساختمان بلوری مشابه با ساختمان بلوری فریت است لذا این فلز ناحیه فازی فریت را گسترش می دهد و منطقه فازی آستنیت را محدود می کند.
ورق استیل فریتی حاوی ۱۱ الی ۳۰% کروم و تقریباً بدون عنصر گران قیمت نیکل بوده و بنابراین در بین گروه های دیگر معمولاً کمترین قیمت را دارا می باشند. تیتانیم و نئوبیم علاوه بر فریت زایی، با بلوکه کردن کربن و نیتروژن و تولید کربونیتریدها اثر مضاعفی در فریت زایی دارند، چون کربن و نیتروژن در آلیاژ های فریتی پیشرفته نسل سوم باز هم محدود تر گردیده است. با توجه به مطالب فوق آلیاژ های این گروه به ترتیب در سه نسل مختلف توسعه یافته و بهینه گردیده اند.
استحکام مکانیکی ورق استیل فریتی در مقایسه با فولاد های کربنی ساده کم کربن بیشتر بوده اما چکش خواری و فرم پذیری آنها کمتر ولی در حد مناسب می باشد. همچنین استحکام مکانیکی آنها در دماهای بالا و چقرمگی در دماهای پایین، مخصوصاً در مقاطع ضخیم، در مقایسه با گروه آستنیتی بسیار کمتر می باشد.
در ورق استیل فریتی (همانند ورق استیل مارتنزیتی و دوفازی) امکان به وجود آمدن تردی بازگشت وجود دارد. این پدیده بر اثر عملیات حرارتی بازگشت در محدوده دمای ۴۰۰ تا ۵۵۰ درجه سانتی گراد به وجود می آید. بنابراین موقعی که چقرمگی بالایی مورد نیاز باشد، بایستی از کاربرد و یا برگشت آنها در محدوده دمای فوق اجتناب شود. همچنین دانه بندی فولاد های فریتی بعد از جوشکاری درشت گردیده و خواص مکانیکی آنها کم می گردد.
به طور کلی از نظر مقاومت به خوردگی عمومی، ورق استیل فریتی بعد از گروه های استیل آستنیتی و مارتنزیتی قرار داشته و بسته به درصد کروم، از کم تا عالی متغیر می باشد. اما برخلاف گروه آستنیتی، مقاومت آنها در مقابل خوردگی تحت تنش بالا می باشند. از طرف دیگر کاهش میزان کربن و نیتروژن، اثر نسبتاً زیادی در افزایش مقاومت خوردگی آنها دارد. آلیاژهای فریتی با کروم کم (حدود ۱۱%) مانند ۴۰۹ و ۴۰۵ دارای مقاومت خوردگی و اکسیداسیون حداقل بوده، اما به دلیل قیمت پایین و سهولت تولید، کاربرد زیادی در مواردی که نیازمند مقاومت خوردگی کم باشند، دارند. آلیاژهای فریتی با کروم متوسط (۱۶ تا ۱۸%) مانند ورق استیل ۴۳۰ در مقابل اسید های اکسید کننده ضعیف و آلی مقاوم بوده و در ساخت قطعات خودرو و ظروف آشپزخانه کاربرد دارند. ولی محدودیت آنها در مشکلات جوشکاری است.
ورق استیل ۴۳۰ سرگروه این خانواده است که با ۱۷% کروم مقاومت نسبتاً خوبی به اتمسفر، بعضی از مواد شیمیایی (مخصوصاً اسید های اکسید کننده) دارد. این آلیاژ در مواردی جانشین بسیار مناسبی برای آلیاژهای گران قیمت آستنیتی می باشد. شکل پذیری این آلیاژ خوب است. کاربرد آن در مخازن اسید نیتریک، سبد های بازپخت حرارتی و قطعات تزیینی است.
آلیاژهای استیل ۴۳۰F و ۴۳۰FSe برای بهبود ماشینکاری ورق استیل ۴۳۰ با افزودن گوگرد یا سلنیم به وجود آمده اند. کاربرد آن در قطعاتی مانند پیچ می باشد که در فرآیند آنها کله زنی سرد به همراه ماشینکاری لازم می باشد.
۲٫ ورق استیل مارتنزیتی
عناصر آلیاژی این گروه، کروم و کربن هستند. مارتنزیت یکی دیگر از فاز های آهن است. این فاز به دلیل وجود کربن بین نشینی در شبکه اتمی خود از سختی زیادی برخوردار است. آلیاژ های مارتنزیتی فرومغناطیس و قابل عملیات حرارتی بوده و اهمیت و کاربرد آنها بیشتر جهت زیاد بودن استحکام مکانیکی، سختی، خستگی و خزش است. ولی دمای کاربرد آنها تا ۶۵۰ درجه سانتی گراد محدود است. همچنین انواع پرکربن آن برای جوشکاری توصیه نمی گردد.
درصد کروم آلیاژ های مارتنزیتی معمولاً حدود ۱۱ تا ۱۸% است. حد پایین کروم را مقاومت به خوردگی و حد بالای آن را امکان تبدیل کل ساختار به آستنیت در حین گرم کردن در عملیات حرارتی تعیین نموده است. زیرا که کروم فریت زا بوده و منطقه پایداری و تشکیل آستنیت را محدود تر می نماید.
درصد کربن یک ورق استیل مارتنزیتی ممکن است تا ۱٫۲% نیز برسد. افزایش کربن البته تا حدود ۰٫۶% سختی آنها را افزایش داده ولی افزایش بالاتر از این حد، سختی آلیاژ را بالاتر نمی برد و فقط مقاومت به سایش را افزایش می دهد، که علت تبدیل آن، تبدیل کربن اضافی به کاربید کروم می باشد.
عناصر آلیاژی دیگری مانند نئوبیم، سیلیسیم، وانادیم و غیره برای اصلاح ریز ساختار بعد از آب دهی و درصد کمی نیکل برای افزایش چقرمگی و مقاومت به خوردگی نیز استفاده می شوند. همچنین در موقعی که درصد کروم بالا بکار برده شود (برای افزایش مقاومت به خوردگی)، نیکل با کم نمودن فریت آزاد، ساختار را اصلاح می نماید. مقاومت به خوردگی آلیاژ های مارتنزیتی غالباً از بسیاری از آلیاژ های آستنیتی و فریتی کمتر بوده ولی کلاً در حد متوسط می باشد. ورق استیل ۴۱۰ سردسته این گروه و دارای بیشترین کاربرد در گروه مارتنزیتی می باشد. در آمریکا این آلیاژ دارای کاربرد گسترده ای در توربین های بخار، موتور های جت، توربین گازی، کاربرد عمومی، قطعات ماشین آلات، شفت، پمپ ها و غیره می باشد.
۳٫ ورق استیل آستنیتی
آستنیت یکی از فاز های آهن با شبکه FCC است که در آهن بدون عناصر آلیاژی در محدوده دمای ۹۱۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد پایدار است. با افزودن عناصر آستنیت زا ( مانند نیکل ) می توان آن را در دمای محیط نیز پایدار نمود. وجود ۸ تا ۱۰% نیکل به ازای ۱۸% کروم، ساختار فولاد را به صورت آستنیتی پایدار می نماید. این تغییر فاز باعث تغییر عمده خواص مکانیکی از جمله افزایش شکل پذیری آلیاژ می گردد. این آلیاژها در حالت بازپخت به دلیل وجود فاز آستنیت غیرمغناطیسی بوده اما به دلیل تغییر فاز در حالت کار سرد ممکن است کمی خاصیت مغناطیسی در آنها به وجود آید.
آلیاژ های آستنیتی حاوی عناصر اصلی کروم (در محدوده ۱۶ تا ۲۶%) و نیکل می باشند که در تعدادی از آنها سری ۲XX به جای درصدی از نیکل عناصر منگنز (در محدوده ۴ تا ۱۵%) و نیتروژن اضافه گردیده اند تا باعث کاهش قیمت و افزایش استحکام گردند.
نیتروژن همچنین به منظور بهبود استحکام مکانیکی در دمای پایین، کند کردن تشکیل رسوب کاربید کروم، افزایش مقاومت به خوردگی های حفره ای و شیاری (کمک به مولیبدن) بکار می رود. عناصر آلیاژی دیگر مانند مولیبدن، مس، سیلیسیم، آلومینیم، تیتانیم، نئوبیم و غیره برای بالا بردن خواص معینی مانند مقاومت به خوردگی حفره ای و مقاومت در مقابل یون کلرید یا مقاومت به اکسیداسیون به آنها افزوده می شوند.
نورد سرد انجام شده روی این گروه مقاومت خوبی به آنها می دهد. از دیگر قابلیت های این گروه امکان جوشکاری آن به سبب میزان پایین کربن و گوگرد موجود در آنهاست. در واقع افزودن عناصر جدید در راستای بهبود کیفیت مدنظر و تامبن خواص مورد نیاز آلیاژ صورت می گیرد. به طور مثال افزودن تیتانیم به ورق استیل ۳۰۴ آن را به ورق استیل ۳۲۱ از دیگر آلیاژ های گروه آستنیتی تبدیل می کند. از دیگر آلیاژ های پرکاربرد این گروه، ورق استیل ۳۱۶ می باشد که با افزودن ۲% مولیبدن به استیل ۳۰۴ تهیه شده و مقاومت بهتری در برابر خوردگی کلر دارد. افزایش میزان کروم، ورق استیل ۳۱۰ را می دهد که مقاومت بالایی در دماهای بالا دارد. ضعف اصلی این گروه سستی آنها در برابر ترک های ناشی از خوردگی تنشی کلر است.
خواص انواع ورق استیل آستنیتی
غیر مغناطیسی، داکتیل، دارای مقاومت پایین تر نسبت به سایر گروه های استیل، قابلیت شکل پذیری بالا، قابلیت تحمل دما تا ۴۷۵ درجه سانتی گراد، دارای خاصیت ضد خوردگی قوی، دارای قابلیت سخت کاری.
به طور کلی، مقاومت به خوردگی ورق های استیل آستنیتی نسبت به گروه های دیگر استیل بیشتر بوده و در نتیجه، کاربرد آنها نیز از این نظر بیشتر می باشد. ولی معمولاً برخلاف گروه فریتی، به خوردگی تحت تنش حساس می باشند. آلیاژ های مخصوص آستنیتی پر نیکل حاوی مولیبدن زیاد (حدود ۶%) و نیتروژن (۰٫۱۵ تا ۰٫۲۵%) در مقابل خوردگی حفره ای بسیار مقاوم بوده و در دماهای بالا نیز مقاومت به اکسیداسیون خوبی دارند.
آلیاژ های استنلس استیل آستنیتی متعددی وجود دارند که تحت دو گروه ۲XX – 3XX و نام های تجاری دیگری تولید می شوند. سرگروه آلیاژ های آستنیتی آلیاژ معروف (۸-۱۸) ۳۰۲ بوده و آلیاژ های دیگر بر پایه اصلاحات انجام شده بر روی آن به وجود آمده اند.
ورق استیل سری ۲ XX
در آلیاژ های این سری نظیر 201 – 202 – 205 – 216- 218- 219 و غیره مقداری از عنصر گران قیمت نیکل با عناصر منگنز و نیتروژن جایگزین شده است. بنابراین استفاده از این آلیاژ هادر بسیاری از موارد که مقاومت به خوردگی کمتری از سری ۳XX مورد نیاز باشد، مقرون به صرفه تر است. تعدادی از کاربرد های آنها در ظروف آشپزخانه، رینگ پیستون، قطعات تزیینی، مخازن و تجهیزات حمل مواد و غیره است.
ورق استیل سری ۳ XX
ورق استیل آستنیتی ۳ XX به چهار کلاس تقسیم بندی می شود.
کلاس A :
در این گروه، انواع ورق استیل 301- 302 – 303- 303Se- 304- 304L – 304N – 321- 347 – 348 قرار دارند که با کمی تفاوت در ترکیب شیمیایی می توان آنها را همان ورق استیل ۸-۱۸ دانست. مقاومت خوردگی کلی این آلیاژ ها با هم تفاوت چندانی ندارند، اما تعدادی که عناصر آلیاژی بیشتری دارند مقاومت خوردگی کمی بالاتری نیز دارند. مثلاً مقاومت خوردگی ورق استیل ۳۰۴ از ۳۰۱ و ۳۰۲ بیشتر است.
آلیاژ خوش تراش ۳۰۳ در این گروه دارای کمترین مقاومت خوردگی، مخصوصاً در مقابل خوردگی حفره ای است.
ورق استیل ۳۲۱، ۳۴۷ و ۳۴۸ نیز دارای مقاومت به خوردگی مشابه ورق استیل ۳۰۲ و ۳۰۴ بوده اما کربن آنها با افزودن تیتانیم یا نئوبیم پایدار گردیده است تا بعد از جوشکاری پدیده حساسیت و خوردگی کنار درز جوش به وجود نیاید.
کلاس B :
در این گروه تنها دو آلیاژ استیل ۳۰۵ و 348 قرار دارند، که درصد نیکل آنها نسبتاً زیاد (۱۲ و ۱۵%) می باشد و از نظر مقاومت به خوردگی، بالاتر از کلاس A هستند. آلیاژ های این کلاس برای انجام کارسرد زیاد مانند کشش های فوق عمیق بکار می روند.
کلاس C :
دراین گروه ورق استیل 302 B- 308- 309- 309S- 310- 310S- 314 قرار دارند.
آلیاژ های ۳۰۲B با افزایش ۲٫۵% سیلیسیم به ورق استیل ۸-۱۸ به وجود آمده است. این آلیاژ دز مقابل اکسیداسیون در دمای بالا مقاوم می باشد. ورق استیل ۳۱۴ با افزایش کروم و نیکل به ورق استیل ۳۰۴ به وجود آمده است تا مقاومت خوردگی بالاتری به وجود آید. همچنین با افزودن مقداری سیلیسیم مقاومت به خوردگی آن مخصوصاً در مقابل اسید سولفوریک افزایش یافته است و به همین دلیل دارای مقاومت زیاد در مقابل دمای بالا نیز هستند.
کلاس D :
در این گروه، ورق استیل 316- 316 L- 316F- 316N- 317- 317L قرار دارند. خواص کلی مقاومت به خوردگی این آلیاژ ها مانند ورق استیل ۳۱۰ می باشد. اما به دلیل دارا بودن مولیبدن مقاومت آنها به خوردگی حفره ای، مخصوصاً در محیط های احیا کننده و محیط های حاوی یون کلرید بیشتر از کلاس های دیگر است.