مقالات, مقالات استنلس استیل
استنلس استیل رسوب سخت شونده
آبان
استیل رسوب سخت شونده (Precipitation Hardening stainless steel – PH) از آلیاژهای فولاد ضد زنگ است که استحکام بسیار بالایی دارد و برای استفاده در کاربری‌های تحت تنش بالا گزینه‌ای بسیار مناسب می‌باشد. ترکیب شیمیایی استیل رسوب سخت شونده به گونه‌ای است که مانند فولادهای مارتنزیتی استحکام بسیار بالایی دارد و مانند فولادهای آستنیتی مقاومت به خوردگی خوبی از خود نشان می‌دهد. در کنار هم قرار گرفتن این دو ویژگی سبب شده است تا فولاد زنگ‌نزن رسوب سخت شونده از آلیاژهای مورد توجه در صنعت به شمار آید. در این مقاله از استیل رخ بیشتر به بررسی این آلیاژها می‌پردازیم و برخی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد آن را شرح می‌دهیم.
استنلس استیل رسوب سخت شونده چیست؟
در ابتدا به بررسی نام این آلیاژها بپردازیم. این آلیاژ آلیاژی است که استحکام بالای آن به دلیل تشکیل رسوباتی به صورت ترکیبات بین‌فلزی در ریزساختار آن می‌باشد. کلمه رسوب سختی ترجمه واژه Precipitation Hardening می‌باشد که به آنها Alloys PH نیز گفته می‌شود. این آلیاژ علاوه بر کروم و نیکل در ساختار خود مقادیری از مس، آلومینیم و تیتانیوم نیز دارد، که وجود این عناصر باعث ایجاد ذرات رسوب در ساختار استیل می‌شوند. پدیده رسوب سختی با انجام عملیات حرارتی صورت می‌گیرد که در ادامه به بررسی کامل آن می‌پردازیم.
استیل رسوب سخت شونده را می‌توان به سه دسته اصلی تقسیم‌بندی کرد. این دسته‌بندی بر اساس فازهای تشکیل‌دهنده فولاد زنگ‌نزن است. این سه گروه عبارتند از استیل مارتنزیتی کم‌کربن، آستنیتی و نیمه آستنیتی.
عملیات حرارتی استیل رسوب سخت شونده
استیل رسوب سخت شونده برای افزایش سختی یک عملیات حرارتی دو مرحله‌ای را طی می‌کند. در مرحله اول که محلول‌سازی نام دارد، آلیاژ را تا دمایی بالاتر از انحلال و به مدت زمان کافی گرم می‌کنند. در این مرحله ذرات رسوب در فاز زمینه حل می‌شود. پس از آن قطعات را با سرعت بسیار زیادی(در آب) خنک می‌کنند. با انجام این کار ذرات رسوب فرصتی برای جوانه‌زنی ندارد و به صورت فوق اشباع درون ساختار استیل حل می‌شوند. استنلس این آلیاژ در این مرحله دارای ویژگی‌ها و کاربردهایی است که در ادامه توضیح خواهیم داد.
در مرحله دوم عملیات حرارتی ، قطعات را تا دمایی بسیار پایین‌تر از دمای انحلال گرم می‌کنند. این مرحله به نام پیرسازی شناخته می‌شود. در مدت زمان کافی، ذرات رسوب در زمینه آلیاژ تشکیل می‌شوند. این ذرات سخت در زمینه‌ای نرم تشکیل می‌شوند و به طور یکنواخت در ساختار استیل پراکنده می‌شوند. استحکام استیل پس از انجام این عملیات بسیار زیاد خواهد شد.
استیل رسوب شونده را باید طبق استانداردهای ASM یا ASTM عملیات حرارتی کرد چرا که عملیات حرارتی نقش مهمی در میزان استحکام و مقاومت به خوردگی این آلیاژها دارد.
ویژگی‌های استیل رسوب سخت شونده چیست؟
این آلیاژ پس از انجام فرآیند حل‌سازی (solution)، دارای استحکام پایین و شکل‌پذیری بسیار مناسبی است. علت آن نیز حل شدن ذرات فاز ثانویه در زمینه آلیاژ است. در این مرحله قابلیت شکل‌پذیری سرد استیل بسیار خوب است. البته باید در نظر داشت این قابلیت شکل‌پذیری برای استیل رسوب شونده آستنیتی است و در صورت مارتنزیتی بودن قابلیت شکل‌پذیری آن کاهش می‌یابد.
استیل رسوب سخت شونده پس از فرآیند سلوشن یا حل‌سازی، دارای قابلیت ماشین‌کاری بسیار مناسبی است. به همین دلیل در صنعت برای ساخت قطعات، در این مرحله، فرآیندهای ماشین‌کاری را بر روی استیل انجام می‌دهند و پس از آن نیز به منظور افزایش استحکام و سختی، فرآیند پیرسازی را بر روی قطعات اجرا می‌کنند.
این آلیاژ قبل از پیرسازی، قابلیت جوشکاری بسیار خوبی دارد. به صورتی که می‌توان آنها را با انواع روش‌های مرسوم جوشکاری کرد. هرچند در جوشکاری با فرآیند TIG می‌توان بهترین چقرمگی را به دست آورد.
انواع استیل رسوب سخت شونده
همان‌طور که گفته شد این آلیاژ بر اساس فاز زمینه به سه دسته تقسیم می‌شود. آستنیتی، نیمه آستنیتی و مارتنزیتی، انواع دسته‌بندی این آلیاژ است. هر کدام از این آلیاژها دارای خواصی است که برای کاربردهای متفاوت مناسب است. در این بخش به بررسی هر کدام از آنها می‌پردازیم
استیل رسوب سخت شونده آستنیتی: گریدهای آستنیتی این آلیاژها در کاربردهایی که نیاز به استحکام بالا و همچنین مقاومت به خوردگی خوب دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند. شناخته‌شده‌ترین آنها، گرید A286 است. این آلیاژ از آهن، نیکل و کروم به همراه عناصر تیتانیوم و آلومینیم به عنوان ذرات سخت‌شونده، تشکیل شده است. از ویژگی‌های این آلیاژ می‌توان به استحکام بسیار خوب، و مقاومت به خوردگی تا دمایی در حدود 700 درجه سانتی‌گراد اشاره کرد. گریدهای آستنیتی به دمای پیرسازی بالایی نیاز دارند. با انجام پیرسازی، مقاومت به خوردگی آنها اندکی کاهش می‌یابد اما مقاومت در برابر اکسیداسیون آنها همچنان خوب باقی می‌ماند.
این آلیاژ مارتنزیتی: این گریدها دارای استحکام بسیار بالایی هستند و محتوای کروم بالایی دارند و به همین دلیل نیز در برابر اکسیداسیون بسیار مقاوم هستند. همچنین می‌توانند خواص مکانیکی خوبی را نیز در دمای بالا از خود به نمایش بگذارند. از ویژگی‌های بسیار خوب گریدهای مارتنزیتی می‌توان به پایداری ابعادی در طول فرآیند پیرسازی اشاره کرد. این امر سبب می‌شود برای تولید قطعاتی که قبل از پیرسازی شکل داده می‌شوند، از این آلیاژ استفاده شود. گرید 17-4PH را می‌توان از شناخته‌شده‌ترین آلیاژهای این گروه دانست.
این آلیاژ نیمه آستنیتی: این دسته از آلیاژهای رسوب سخت شونده، پس از انجام فرآیند سلوشن آستنیتی هستند و سپس به مارتنزیت تبدیل می‌شوند. پس از انجام این فرآیند، با سریع خنک کردن، (بسته به سرعت سرد شدن) مقداری از ساختار به مارتنزیت تبدیل می‌شود. از آلیاژهای این دسته می‌توان به آلیاژ 15-7PH اشاره کرد. این آلیاژ شباهت بسیار زیادی به 17-7PH دارد و تفاوت آن میزان مولیبدن بیشتر است.
برای آشنایی بیشتر با انواع آلیاژ استیل و خواص آنها، مطلب آن را در وبلاگ مطالعه کنید.
| آلیاژ | کربن C | کروم Cr | نیکل Ni | مس Cu | مولیبدن Mo | آلومینیوم Al | سایر عناصر |
| استنلس استیل رسوب سخت شونده مارتنزیتی | |||||||
| 17-4 PH | 0.04 | 17 | 4 | 1 | Cb 0.3 | ||
| 15-5 PH | 0.04 | 15 | 5 | 4 | Cb 0.3 | ||
| PH 13-8 Mo | 0.04 | 13 | 8 | 2 | 1 | ||
| استنلس استیل رسوب سخت شونده نیمه آستنیتی | |||||||
| 17-7 PH | 0.07 | 17 | 7 | 1 | |||
| PH 15-7 Mo | 0.07 | 15 | 7 | 2 | 1 | ||
| PH 14-8 Mo | 0.04 | 14 | 8 | 2 | 1 | ||
| AM 350 | 0.08 | 17 | 4 | 3 | |||
| Alloy 355 (AISI134) | 0.12 | 15.5 | 4.5 | 3 | N 0.10 | ||
| استنلس استیل رسوب سخت شونده آستنیتی | |||||||
| 17-10 P | 0.12 | 17 | 10 | P 0.25 | |||
| A 286 | 0.05 | 15 | 25 | 1.5 | 0.15 | Ti 2.2, V 0.3 | |
کاربرد استیل رسوب سخت شونده
استیل رسوب سخت شونده به دلیل استحکام بسیار زیاد و مقاومت خوب در برابر خوردگی و اکسیداسیون، کاربردهای بسیار خاص و زیادی در صنایع مختلف دارد. در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی از آن برای ساخت شیرها یا ولوها استفاده می‌شود. این آلیاژها در صنایع هوافضا برای ساخت پره‌های توربین و قطعات موتور هواپیما نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
بیشتر بخوانید: واژه شناسی فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل
بسیاری از قطعات ساخته‌شده از این آلیاژها، مانند شفت، پین، بوش و بدنه شیر، از میلگرد استیل ماشین‌کاری می‌شوند. معمول‌ترین روش این است که میلگرد در حالت محلول‌سازی‌شده تهیه شود، قطعه در همین حالت که ماشین‌کاری آسان‌تری دارد تراشیده شود و در پایان با پیرسازی به استحکام نهایی برسد.
به همین دلیل هنگام سفارش میلگرد از گریدهایی مانند 17-4PH باید به شرایط عملیات حرارتی تأمین‌شده (مانند Condition A) و استاندارد ساخت توجه کرد، زیرا شرایط حرارتی مستقیماً بر سختی، ماشین‌کاری و خواص نهایی قطعه اثر می‌گذارد.
سخن آخر
این آلیاژ از دسته آلیاژهایی است که دارای خواص مکانیکی بسیار خوب و مقاومت به خوردگی بالاست. این آلیاژها با داشتن عناصری مانند آلومینیم، تیتانیوم، نایوبیوم و … در ساختار خود، دارای ذراتی در ریزساختار خود هستند که باعث افزایش استحکام آنها می‌شود. عملیات حرارتی سلوشن و پیرسازی برای افزایش استحکام این آلیاژ توصیه می‌شود.