رفتار استنلس استیل در دماهای بالا و نزدیک ذوب

فولادهای ضد زنگ یا استنلس‌ استیل از جمله اقلامی هستند که اغلب در صنعت به دلیل مقاومت در برابر خوردگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این در حالی است که این محصولات به دلیل خواص خود در دماهای بالا و نزدیک به ذوب نیز می‌توانند کاربردهای زیادی داشته باشند. از آنجایی که ذوب شدن استنلس‌ استیل در آتش می‌تواند باعث بروز رفتارهایی از سمت این فلز شود، در این مطلب قصد داریم تا در خصوص استنلس استیل دما بالا بیشتر صحبت کنیم؛ پس با ما همراه باشید.

مشخص ‌کردن محدوده دمایی برای استیل

فلز استیل یکی از مقاوم‌ترین فلزات موجود در صنعت از لحاظ مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون است. این امر به دلیل وجود عنصر کروم در استیل، رخ می‌دهد. همچنین کروم می‌تواند بر مقاومت استیل در برابر حرارت نیز تأثیرگذار باشد (استنلس استیل دما بالا).

به همین دلیل، استنلس ‌استیلی که از حداقل 18% کروم تشکیل شده باشد (استنلس استیل دما بالا)، می‌تواند در گریدهای 304، 316 و 330 و تا دماهای 870 درجه سانتی‌گراد و حتی بالاتر نیز مورد استفاده قرار بگیرد. در این بین، ذکر این نکته الزامی است که فاکتورهای مختلفی نیز می‌توانند بر ذوب شدن استنلس ‌استیل در آتش تأثیرگذار باشند. فاکتورهای زیر می‌توانند به ‌صورت مستقیم بر میزان تحمل و مقاومت استیل در دمای بالا تأثیر بگذارند:

• نوع آلیاژ فولاد زنگ نزن
• مدت زمانی که قطعه استیل در معرض آتش و دمای بالا قرار می‌گیرد
• نوع مواد شیمیایی موجود در محیط
• شکل هندسی و ضخامت قطعه

بیشتر بخوانید: راهنمای انتخاب استیل نسوز و مناسب درجه حرارت زیاد 

تغییر رفتار استیل در دماهای نزدیک به ذوب

رفتار استنلس ‌استیل در دماهای بالا

تحمل دمایی استیل برای گریدهای مختلف، متفاوت است. برخی از گریدهای استیل برای کاربردهای دما بالا مناسب‌تر هستند و برخی دیگر در دماهای بالا دچار افت در برخی خواص می‌شوند. به عنوان مثال در بعضی آلیاژها، مقاومت به خوردگی کاهش قابل توجهی پیدا می‌کند. برخی از گریدهای استیل نیز با افزایش دمای کاری دچار افت خواص مکانیکی می‌شوند. زمانی که ورق استیل در دماهای بالا و نزدیک به ذوب قرار می‌گیرد، رفتار آن تغییر می‌کند و همین رفتار می‌تواند به‌ صورت مستقیم بر کاربرد استیل تأثیرگذار باشد. باید اشاره کرد که میزان تحمل استیل در برابر حرارت به میزان عناصر الیاژی موجود در آن بستگی دارد. زمانی که به دمای ذوب شدن استنلس ‌استیل نزدیک می‌شویم، انبساط حرارتی در فلز رخ می‌دهد. این انبساط حرارتی می‌تواند باعث شود تا استنلس ‌استیل شکل خود را از دست دهد و با خمش یا کمانش مواجه شود.

از سوی دیگر، داغ شدن استنلس استیل دما بالا می‌تواند استحکام کششی آن را نیز به خطر بیندازد. به بیان دیگر، زمان که دمای استیل افزایش پیدا می‌کند، مقاومت آن در برابر خوردگی کم می‌شود و به ‌نوعی خزش در آن پدید می‌آید. همچنین باید اشاره کرد که دماهای بالا می‌توانند مقاومت استیل را در برابر اکسیداسیون به خطر بیندازد. از این ‌رو، فلز مستعد زنگ‌زدگی بیشتر، پوسته پوسته شدن و تضعیف یکپارچگی ساختاری می‌شود.

بیشتر بخوانید: چرا رنگ استیل بر اثر حرارت تغییر می‌کند؟

مقاومت متفاوت گریدهای استیل در دماهای بالا

مقاومت به خوردگی استیل در دمای بالا

خواص مکانیکی و خوردگی، یا تحمل دمایی استیل با افزایش دما کاهش می‌یابد. اما آلیاژها و گریدهای مختلف استیل مقاومت‌های مختلفی در برابر حرارت از خود نشان می‌دهند. برخی از گریدها مانند استیل 310 که با نام استیل نسوز نیز شناخته می‌شود در دماهای بالا مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون دارند. در جدول زیر مقاومت برخی از گریدهای استیل در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا نشان داده شده است.

آلیاژ	کروم	نیکل	کربن	نرخ اکسیداسیون (میلی‌متر در سال(MPY))
				871˚c	1093˚c
304	18.8	9.3	0.08	≤5	1571
310	23.3	19.8	0.25	≤5	64
321	17.9	9.6	0.08	≤5	2183
330	18.6	34.3	0.2	≤5	23
INCONEL 600	15.2	75.4	0.15	37	12

معیار نرخ اکسیداسیون، برای تعیین میزان خوردگی در لوله‌ها و یا سایر سطوح فلزی در طول زمان، استفاده می‌شود. واحد نرخ اکسیداسیون MPY یا میلی‌متر در سال(mm/Year) است و برای سنجش خوردگی در لوله و سایر سطوح مورد استفاده قرار می‌گیرد و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

mpy = weight loos * 22,300 / (A * d * t)

mpy, نرخ خوردگی یا اکسیداسیون به میلی‌متر در سال

weight loos, کاهش وزن به گرم

A, مساحت سطح به اینچ مربع

d, چگالی به گرم بر سانتی‌متر مکعب

t, زمان به روز

مقاومت در برابر پوسته شدن

تحمل دمایی استیل ترکیبی از مقاومت آن در برابر خوردگی و پایداری آن در حفظ استحکام و خواص مکانیکی است. مقاومت در برابر پوسته شدن به میزان کروم موجود در ساختار استیل بستگی دارد. با افزایش میزان کروم موجود در استیل می‌توان مقاومت بهتری در برابر خوردگی و در برابر پوسته شدن در دمای بالا انتظار داشت.

تحمل دمایی استیل‌های آستنیتی با محتوای 18 درصد کروم، حدود 870 درجه سانتی‌گراد است. برخی از گریدها نسوز مانند استیل 309 و 310 در دماهای بالاتر نیز خواص مکانیکی خود را حفظ می‌کنند. تحمل دمایی استیل در گریدهای فریتی و مارتنزیتی پایین‌تر از گریدهای آستنیتی است. این گریدها برای کاربری‌های دما بالا مناسب نیستند. هرچند که گرید استیل 446 با محتوای 24 درصد کروم یک استثناست و این گرید می‌تواند تا دمای 1100 درجه در برابر پوسته‌ای شدن مقاومت کند.

جدول زیر حداکثر دمای تحمل گریدهای مختلف استیل یا فولادهای زنگ نزن را در شرایط عملیاتی نشان می‌دهد. این مقادیر را می توان برای مقاومت در برابر اکسیداسیون در هوای خشک استفاده کرد. توجه داشته باشید که این دماها به شرایط محیطی واقعی بستگی زیادی دارند و در برخی موارد، دمای بسیار پایین تر منجر به پوسته پوسته شدن و تخریب می‌شود. (مرجع، هندبوک فلزات ASM)

گرید استیل	تحمل دمای متناوب (درجه سانتی‌گراد)	تحمل دمای ثابت (درجه سانتی‌گراد)
201	790	845
202	815	845
301	790	900
302	815	900
303	815	900
304	870	925
308	925	980
309	980	1095
310	1035	1150
314	1035	1204
316	870	925
317	870	925
321	870	925
330	1035	1150
347	815	900
348	815	900
403	650	675
405	815	705
410	815	705
416	760	675
420	735	620
430	870	815
431	870	815
434	870	815
440A	815	760
440B	815	760
440C	815	760
442	1035	980
446	1175	1095
فولاد رسوب سخت شده PH17-4	316	300
فولاد رسوب سخت شده PH15-5	316	300
فولاد رسوب سخت شده PH17-7	316	300
904L	500	450
داپلکس 2101	315	300
داپلکس 2202	315	300
داپلکس 2304	315	300
داپلکس 2205	315	300
داپلکس 2507	315	300

مقایسه محدوده دمایی آلیاژهای 304، 316 و 330

استنلس ‌استیل دارای گریدهای بسیار مختلفی است که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به گریدهای 304، 316 و 330 اشاره کرد. تفاوت این گریدها به تفاوت میزان عناصری که در آن‌ها به ‌کار رفته است، بستگی دارد. ما در این قسمت قصد داریم این موضوع را بررسی کنیم که با نزدیک ‌شدن به دمای ذوب شدن استنلس ‌استیل در آتش، هر کدام از این عناصر چه رفتاری نشان می‌دهند و به طور کلی، از آن‌ها می‌توان در چه محدوده دمایی استفاده کرد.

تحمل دمایی گرید 304

هنگامی که استنلس ‌استیل 304 به عنوان پُر کاربردترین گرید استیل، در دماهایی بین 870 تا 925 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد، همچنان مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون از خود نشان می‌دهد. با این ‌وجود، اگر مقاومت در برابر رطوبت مد نظر باشد، بهتر است که از استفاده مداوم این فلز در محدوده دمایی 425 تا 860 درجه سانتی‌گراد خودداری شود.

به‌ عبارت‌ دیگر، استنلس استیل دمای بالا می‌تواند با حفظ خواص خود برای مدت کوتاهی در دماهای 870 تا 925 درجه سانتی‌گراد مورد استفاده قرار بگیرد. در صورتی که این محدوده دمایی همچنان برقرار باشد، باعث می‌شود که مقاومت فلز در برابر رطوبت کاهش پیدا کند و گرید 304 در معرض آسیب‌های خوردگی و زنگ‌زدگی قرار بگیرد. دمای ذوب استنلس استیل 304 بین 1399 تا 1454 درجه سانتی‌گراد است. طبیعی است که هر چه به این دما نزدیک‌تر شویم، استحکام کششی آن کاهش پیدا می‌کند.

تحمل دمایی گرید 316

از استنلس ‌استیل 316 می‌توان در محیط‌هایی استفاده کرد که احتمال خوردگی و بخصوص خوردگی کلریدی بسیار زیاد است. دلیل این امر این است که مقاومت در برابر خوردگی این گرید در مقایسه با گرید 304 بیشتر است. محدوده ذوب این آلیاژ 1371 تا 1399 درجه سانتی‌گراد است. از این ‌رو، دمای ذوب آن تقریباً بین 10 تا 40 درجه سانتی‌گراد کمتر از استیل با گرید 304 است. به همین دلیل، آلیاژ گرید 316 نسبت به آلیاژ گرید 304 برای استفاده در دماهای بالاتر کمی نامطلوب‌تر خواهد بود. در دماهای بالا مقاومت این فلز نیز در برابر خوردگی فلزات و زنگ‌زدگی کاهش پیدا می‎کند و گرید 316 مستعد خزش و شکست می‌شود.

تحمل دمایی گرید 330

بدون شک، در میان سه گرید اشاره شده از استنلس استیل دما بالا، گرید 330 به عنوان مقاوم ‌ترین استیل در برابر آتش شناخته می‌شود. از این ‌رو می‌توان از آن به ‌عنوان یک آلیاژ مقاوم در برابر حرارت‌های بالا نام برد. استیل 330 به دلیل مشخصات مقاوم به حرارت در کوره‌ها و سبدهای عملیات حرارتی بسیار کاربرد دارد و از جمله آلیاژهای پُر نیکل و گران قیمت استیل است. از آنجایی که دو عنصر کروم و نیکل در این گرید حضور دارند، استنلس ‌استیل 330 می‌تواند دماهای نزدیک به 1094 درجه سانتی‌گراد را تحمل کند. این دما نزدیک به دمای ذوب شدن استنلس ‌استیل در آتش است.

به‌ طور معمول، این آلیاژ بین 18 تا 22 درصد کروم و 34 تا 37 درصد نیکل دارند. با این که استنلس ‌استیل با گرید 330 می‌تواند در برابر پوسته‌ پوسته شدن و اکسیداسیون در دماهای نزدیک به 1094 درجه مقاومت کند، اما بهتر است تا از آن در دماهای بالاتر از 940 درجه سانتی‌گراد استفاده نشود. این کار می‌تواند شکل فلز را تغییر دهد و مقاومت آن در برابر خزش و شکست را کم کند.

استنلس ‌استیل می‌تواند دماهای بالا را تحمل کند

پایداری ساختاری استیل

در دمایی بین 425 تا 815 درجه سانتی‌گراد، در برخی از گریدهای استیل شاهد پدیده رسوب کاربیدها در مرزدانه هستیم. این عامل سبب می‌شود تا تحمل دمایی استیل کاهش یابد و مقاومت در برابر خورگی را تا حد بسیار زیادی کاهش دهد. برای جلوگیری از این مشکل از گریدهای تثبیت شده مانند استیل 321 و یا گریدهای کم کربن استفاده می‌شود.

یکی دیگر از مشکلات ریزساختار استیل در دماهای بالا که تحمل دمایی استیل را تحت تاثیر قرار می‌دهند تشکیل فازهای ثانویه سیگما است. تشکیل این فاز در گریدهای آستنیتی به دما و مدت زمانی که استیل در دمای بالاست بستگی دارد. در ساختار استیل 304 این فاز تشکیل نمی‌شود اما در گریدهایی مانند استیل 310، 316 و 314 احتمالاً تشکیل این فاز در دماهایی بین 590 تا 870 درجه سانتی‌گراد وجود دارد.

فاز سیگما از این جهت تحمل دمایی استیل را تحت تاثیر قرار می‌دهد که سبب شکنندگی و ترد شدن استیل می‌شود. در صورت تشکیل این فاز باید استیل را تا دمایی بالاتر از دمای تشکیل این فاز حرارت داد تا فاز سیگما درون ساختار حل شود.

محیط کاری

یکی دیگر از عوامل موثر بر تحمل دمایی استیل، محیط کاری آن است. در محیط‌هایی که استیل در معرض گازهای حاوی گوگرد باشد، میزان دمای کاری آن نیز کاهش می‌یابد. اگر محتوای نیکل در استیل زیاد باشد، این گازها اثرات مخرب کمتری بر استیل خواهند داشت. برای این نوع کاربری‌ها استفاده از گرید 310 استیل بسیار مناسب است.

در این بین، مجموعه استیل رخ به عنوان یکی از واردکنندگان بزرگ محصولات استنلس استیل دما بالا مشغول به فعالیت است و طیف گسترده‌ای از این محصولات را به بازار عرضه می‌کند. کارشناسان فروش این مجموعه می‌توانند شما را در خرید مورد نظرتان یاری کنند.

سخن آخر

آلیاژهای استنلس‌ استیل به دلیل وجود عناصری مانند کروم یا نیکل مقاومت بالایی در برابر حرارت دارد. زمانی که دما را به دمای ذوب شدن استنلس ‌استیل در آتش نزدیک می‌کنیم، تغییرات مختلفی همچون تغییرات ساختاری، انبساط حرارتی، کاهش مقاومت در برابر اکسیداسیون و پوسته ‌پوسته شدن و… رخ می‌دهد. با این‌ وجود، گریدهای 304، 316، 309، 310، 314 و 330 از جمله گریدهای مقاوم استیل در برابر حرارت هستند که برای تامین آن‌ها می‌توانید با مجموعه استیل رخ در ارتباط باشید و با قیمت‌های مناسب خرید خود را انجام دهید.

شما می‌توانید خرید لوله استیل، خرید پروفیل استیل و خرید انواع محصولات استنلس استیل دما بالا و حرارت زیاد را از استیل رخ انجام دهید.