فولاد نسوز چیست و انواع آن کدام است؟
فولاد نسوز چیست؟ و هر کدام از انواع آن چه کاربردهایی دارد؟ از مهم ترین نکات در طراحی یک سازه یا دستگاه، استفاده از مواد نسوز است. به همین دلیل فولاد نسوز و ضد زنگ، یکی از محبوب ترین مصالح در صنایع مختلف به شمار می رود. در این مقاله، به معرفی کامل فولاد نسوز، بررسی گریدها، انواع، کاربردها، مزایا و معایب آن می پردازیم. با ما همراه باشید. در این مطلب با عناوین ذیل آشنا خواهیم شد
فولاد نسوز چیست؟ گریدهای فولاد نسوز چیست؟ انواع فولاد نسوز علت مقاومت حرارتی بالای فولاد نسوز چیست؟ کاربردهای فولاد نسوز چیست؟ معایب فولاد نسوز
فولاد نسوز چیست؟
فولاد نسوز (Heat resistant Steel) متشکل از آهن، کربن و عناصر آلیاژی دیگر است؛ که در اشکال میلگرد، لوله، ورق و توری ساخته می شود. انواع فولاد نسوز و ضد زنگ شامل 61 گرید و مطابق با استاندارد امریکایی AISI-SAE هستند. برای دانستن این که فولاد نسوز چیست باید بدانید؛ فولاد نسوز یکی از انواع استنلس استیل (Stainless Steels) یا فولاد ضدزنگ محسوب می شود. خانواده استنلس استیل به دلیل وجود عناصر کروم و نیکل در ساختار خود، مقاومت بالایی به حرارت، اکسیداسیون و خوردگی دارند. به همین دلیل، فولاد ضد زنگ بهترین انتخاب برای ساخت محصولات مقوم در برابر آتش سوزی است.
گریدهای فولاد نسوز چیست؟ (بررسی آلیاژهای انواع فولاد نسوز)
فولاد نسوز از آلیاژهای مختلفی ساخته می شود. درصد هر کدام از عناصر آلیاژها، باعث بروز ویژگی خاصی در فولاد نسوز می شود. گرید فولاد، یک سیستم برای شماره گذاری فولادها بر اساس آلیاژهای به کار رفته در ساخت آن ها است. گرید فولاد نسوز چیست؟ به طور کلی، 16 گرید برای تولید فولاد نسوز وجود دارد. در زیر به معرفی پرکاربردترین گریدهای فولاد نسوز پرداخته ایم:
گرید 309 و 309S
این گریدها در گروه فولاد آستنیتی کروم نیکل، قرار دارند. بیشترین درصد کروم و نیکل در ترکیب شیمیایی فولادهای نسوز، متعلق به این دو گرید است. گریدهای 309 و 309S هم خانواده بوده؛ و دارای دمای ذوب 1400 تا 1455 درجه سانتی گراد هستند. بارزترین ویژگی فولادهای نسوز این دو گرید، مقاومت بالا نسبت به خوردگی است. علاوه بر این، فولادهای نسوز گرید 309 در صورت استفاده دائم تا دمای 1095 درجه سانتی گراد، و در صورت استفاده در شرایط دمایی متناوب، تا دمای 1010 درجه سانتی گراد نسبت به اکسیداسیون سطحی مقاوم است.
در جدول زیر ترکیب شیمیایی فولاد نسوز گرید 309 و 309S را مشاهده می کنید.
|
ردیف |
عنصر |
ترکیب شیمیایی (%) |
|
گرید 309 |
گرید 309S |
||
|
1 |
کربن |
0.2 |
0.08 |
|
2 |
منگنز |
2 |
2 |
|
3 |
فسفر |
0.045 |
0.045 |
|
4 |
گوگرد |
0.03 |
0.03 |
|
5 |
سیلسیم |
1 |
1 |
|
6 |
نیکل |
12-15 |
12-15 |
|
7 |
کروم |
22-24 |
22-24 |
مقاومت کششی و استحکام استیل نسوز گرید 309 و 309S در اشکال مختلف (صفحه، ورق، تسمه، میله و سیم) بالا است. از این رو، از فولاد نسوز این دو گرید در ساخت قطعات حساس و مهمی مانند قطعات کوره، هواپیما، موشک، مبدل های حرارتی و... استفاده می شود. تولید فولاد نسوز گرید 309 و 309S پرهزینه و حساس است. به همین دلیل، قیمت بالاتری نیز نسبت به دیگر گریدها دارد.
در جدول زیر، خواص مکانیکی اشکال مختلف فولاد نسوز گرید 309 و 309S در دمای محیط آمده است.
|
ردیف |
شکل محصول |
استحکام کششی (MPa) |
استحکام تسلیم (MPa) شروع تسلیم: %0.2 |
ازدیاد طول نسبی (%) در 50 mm |
سختی (HRB) |
|
1 |
ورق |
620 |
310 |
45 |
85 |
|
2 |
تسمه عریض |
620 |
310 |
45 |
85 |
|
3 |
صفحه |
655 |
275 |
45 |
170 |
|
4 |
میله |
655 |
275 |
45 |
83 |
|
5 |
سیم (قطر 1.57 mm) |
860 |
620 |
30 |
- |
|
6 |
سیم (قطر 12.7 mm) |
725 |
620 |
35 |
85 |
با افزایش دمای فولاد نسوز گرید 309 و 309S (حدود 980 درجه سانتی گراد)، استحکام آن کاهش پیدا می کند. در نظر داشته باشید که؛ کاهش استحکام فولاد این دو گرید در دمای بالا، نسبت به دیگر انواع فولاد کمتر است.
در جدول زیر استحکام و خواص کششی فولاد نسوز گرید 309 و 309S در دماهای بالا بررسی شده است.
| درجه حرارت (C) |
استحکام کششی (MPa) |
استحکام تسلیم (MPa) شروع تسلیم: %0.2 |
ازدیاد طول نسبی(%) در 50 mm |
کاهش سطح مقطع (%) |
|
21 |
620 |
290 |
50 |
77 |
|
150 |
560 |
255 |
47 |
77 |
|
205 |
550 |
240 |
46 |
75 |
|
260 |
530 |
220 |
45 |
75 |
|
315 |
515 |
205 |
44 |
73 |
|
370 |
510 |
195 |
43 |
72 |
|
425 |
495 |
185 |
40 |
67 |
|
480 |
475 |
170 |
39 |
66 |
|
540 |
455 |
165 |
36 |
58 |
|
595 |
405 |
160 |
35 |
54 |
|
650 |
380 |
150 |
35 |
50 |
|
705 |
305 |
145 |
37 |
41 |
|
760 |
250 |
140 |
40 |
40 |
|
815 |
185 |
130 |
46 |
37 |
|
870 |
145 |
125 |
50 |
48 |
|
925 |
105 |
- |
59 |
47 |
|
980 |
76 |
- |
65 |
66 |
گرید 310 و 310S
این دو گرید نیز مانند دو گرید قبلی، در گروه فولاد نسوز آستنیتی کروم نیکل با دمای ذوب 1400 تا 1455 درجه سانتی گراد قرار دارند. ویژگی مهم فولاد نسوز گرید 310 و 310S، استحکام بالای آن است. کاربرد این دو گرید برای موارد درگیر با گازهای گوگرد در دماهای بالا است. فولاد نسوز گرید 310، مقاومت بالایی در برابر پوسته شدن در شرایط ثابت تا دمای 1150 درجه سانتی گراد و در شرایط دمایی تناوبی تا 1095 درجه سانتی گراد دارد.
در جدول زیر، ترکیب شیمیایی فولاد نسوز گرید 310 و 310S آمده است.
|
ردیف |
عنصر |
ترکیب شیمیایی (%) |
|
|
گرید 309 |
گرید 309S |
||
|
1 |
کربن |
0.2 |
0.08 |
|
2 |
منگنز |
2 |
2 |
|
3 |
فسفر |
0.045 |
0.045 |
|
4 |
گوگرد |
0.03 |
0.03 |
|
5 |
سیلسیم |
1.5 |
1.5 |
|
6 |
نیکل |
19-22 |
19-22 |
|
7 |
کروم |
24-26 |
24-26 |
مقاومت و استحکام فولاد نسوز گرید 310، تفاوت چندانی با فولاد نسوز گرید 309 ندارد.
در زیر، جدول خواص مکانیکی اشکال مختلف فولاد نسوز گرید 310 در دمای محیط را مشاهده می کنید.
|
ردیف |
شکل محصول |
استحکام کششی (MPa) |
استحکام تسلیم (MPa) شروع تسلیم: %0.2 |
ازدیاد طول نسبی در 50 mm (%) |
سختی (HRB) |
|
1 |
ورق |
620 |
310 |
45 |
85 |
|
2 |
تسمه عریض |
620 |
310 |
45 |
85 |
|
3 |
صفحه |
655 |
275 |
45 |
170 |
|
4 |
میله |
655 |
275 |
45 |
160 |
|
5 |
سیم (قطر 1.6 mm) |
860 |
620 |
30 |
- |
|
6 |
سیم (قطر 12.7 mm) |
725 |
485 |
35 |
85 |
همانطور که گفتیم؛ استحکام کششی فولاد نسوز با افزایش دما، کاهش می یابد. با این حال، استحکام گرید 310 در مقابل دیگر گریدها بیشتر است. به همین دلیل، فولاد نسوز گرید 310 کاربرد فراوانی در ساخت قطعات جت هواپیما، مبدل های حرارتی، الکترودهای جوشکاری، مشعل ها، تجهیزات احیای روغن، تجهیزات شیمیایی و جعبه های آنیل دارد.
جدول خواص کششی فولاد نسوز گرید 310
|
درجه حرارت (C) |
استحکام کششی (MPa) |
استحکام تسلیم (MPa) شروع تسلیم: %0.2 |
ازدیاد طول نسبی (%) در 50 mm |
کاهش سطح مقطع (%) |
|
21 |
620 |
290 |
47 |
70 |
|
150 |
600 |
240 |
39 |
70 |
|
205 |
585 |
230 |
38 |
69 |
|
260 |
570 |
220 |
37 |
69 |
|
315 |
565 |
205 |
37 |
69 |
|
370 |
560 |
200 |
37 |
67 |
|
425 |
525 |
185 |
36 |
63 |
|
480 |
515 |
180 |
34 |
61 |
|
540 |
495 |
165 |
33 |
55 |
|
595 |
450 |
150 |
33 |
50 |
|
650 |
385 |
145 |
35 |
45 |
|
705 |
340 |
140 |
36 |
40 |
|
760 |
285 |
130 |
37 |
39 |
|
815 |
235 |
125 |
40 |
38 |
|
870 |
185 |
110 |
45 |
37 |
|
925 |
215 |
- |
50 |
40 |
|
980 |
90 |
- |
57 |
40 |
گرید 314
مقاومت حرارتی این گرید، بسیار بیشتر از دیگر انواع فولاد نسوز است. درصد ترکیبات شیمیایی فولاد نسوز گرید 314 را در جدول زیر مشاهده می کنید.
|
ردیف |
عنصر |
ترکیب شیمیایی (%) |
|
1 |
کربن |
0.25 |
|
2 |
منگنز |
2 |
|
3 |
فسفر |
0.045 |
|
4 |
گوگرد |
0.3 |
|
5 |
سیلسیوم |
1.5-3 |
|
6 |
نیکل |
19-22 |
|
7 |
کروم |
23-26 |
جدول زیر، خواص مکانیکی فولاد نسوز گرید 314 را در اشکال مختلف نشان می دهد. با توجه به این خواص، فولاد نسوز گرید 314 در تولید مشعل های روغن، قطعات موتور موشک و هواپیما، تجهیزات شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد.
|
ردیف |
شکل محصول |
استحکام کششی (MPa) |
استحکام تسلیم (MPa) شروع تسلیم: %0.2 |
ازدیاد طول نسبی (%) در 50 mm/td> |
سختی (HRB) |
|
1 |
ورق |
689 |
345 |
40 |
85 |
|
2 |
صفحه |
689 |
345 |
45 |
180 |
|
3 |
میله |
689 |
345 |
45 |
180 |
|
4 |
سیم (0.05 – 0.508 mm) |
655-896 |
275-515 |
35-55 |
- |
|
5 |
سیم (0.533 – 3.175 mm) |
620-758 |
240-415 |
25-55 |
- |
|
6 |
سیم (3.2 – 9.525 mm) |
585-724 |
240-275 |
25-55 |
- |
انواع فولاد نسوز
بعد از پاسخ به سوال فولاد نسوز چیست و بررسی گرید های آن، به سراغ معرفی انواع فولاد نسوز می رویم. در جدول زیر، درصد آلیاژهای انواع فولاد نسوز آمده است.
|
کروم |
نوع فاز |
کربن (C) |
کروم (Cr) |
نیکل (Ni) |
|
1 |
آستنیتی |
0.25-0.3 % |
14-30 % |
6-36 % |
|
2 |
مارتنزیتی |
0.05-0.5 % |
4-18 % |
کمتر از 2.5 % |
|
3 |
فریتی |
حداکثر 0.35% |
16-30 % |
کمتر از 2.5 % |
انواع فولاد نسوز بر اساس ویژگی
-
فولاد نسوز دارای قابلیت مقاومت به حرارت (نسوز بودن) بالا: حداقل کروم 4 درصد ، حداکثر کربن 0.2 درصد
-
فولاد نسوز دارای ویژگی ضدزنگ بودن بالا: حداقل کروم 11 درصد ، حداکثر کربن کمتر از 0.2 درصد
-
فولاد نسوز دارای قابلیت شکل پذیری: حداکثر کربن بیشتر از 0.2 درصد (مورد استفاده در بلبرینگ و ابزار برش)
انواع فولاد نسوز بر اساس ساختار
فولاد نسوز بر اساس ساختار و مقدار مواد تشکیل دهنده آن، انواع مختلفی دارد. در ادامه به معرفی چهار دسته اصلی فولاد نسوز می پردازیم:
فولاد آستنیتی (Austenitic Stainless Steel)
این فولاد، دارای بیشترین مقدار عنصر نیکل، در بین انواع فولاد نسوز است. از ویژگی های فولاد آستنیتی می توان به استحکام کششی، انعطاف پذیری و مقاومت به خوردگی بالا و همچنینی مقاومت در برابر نفوذ کربن و نیتروژن اشاره کرد. گرید این فولاد بین 200 تا 300 است. به همین دلیل، در دمای بالاتر از 540 درجه سانتی گراد، استحکام و مقاومت حرارتی بالاتری نسبت به فولادهای نسوز دارای گرید 400 دارد.
فولاد مارتنزیتی (Martensitic Stainless Steel)
فولاد مارتنزیتی در دسته گرید 400 قرار دارد؛ و عنصر آلیاژی اصلی آن، کروم است. ویژگی های این فولاد، عبارت است از خاصیت مغناطیسی در همه دماها، شکل پذیری بالا و مقاومت بالا به سایش و خراش. در نظر داشته باشید که فولاد مارتنزیتی در دماهای بالا، مقاومت به حرارت کمتری نسبت به فولاد نیمه آستنیتی دارد. زیرا فولاد مارتنزیتی در دماهای بالا به دلیل تشکیل فاز آستنیتی استحاله یافته (باقیمانده)، دچار نرمی (پیرشدگی) می شود.
فولاد فریتی (Ferritic Stainless Steel)
بعضی گریدهای سری 400، جزء فولاد فریتی هستند. ساختار تشکیل دهنده فولاد فریتی، دارای مقدار متعادل کربن و کروم است. همچنین این فولاد در دماهای بالا دچار رشد فاز آستنیتی نمی شود. به این دلایل، فولاد فریتی مقاومت بالایی در برابر خوردگی، پوسته شدن و حرارت زیاد دارد.
فولاد سخت رسوبی (precipitation hardening stainless steel)
فولاد نسوز سخت رسوبی خود دارای 3 زیر گروه است:
-
فولاد سخت رسوبی آستنیتی: مقاومت به حرارت کمتری در بین انواع فولاد سخت رسوبی دارد
-
فولاد سخت رسوبی نیمه آستنیتی: بیشترین مقدار مقاومت به حرارت را در بین انواع فولاد سخت رسوبی دارد.
-
فولاد سخت رسوب مارتنزیتی یا مارجیک
علت مقاومت حرارتی بالای فولاد نسوز چیست؟
مهم ترین مزیت و ویژگی فولاد نسوز، مقاومت و استحکام آن در دماهای بالا است. اما علت مقاومت حرارتی بالای فولاد نسوز چیست؟ به طور کلی نوع و مقدار عناصر موجود در آلیاژ فولاد نسوز باعث میزان مقاومت حرارتی آن می شود. در زیر مهم ترین این عناصر را بیان کرده ایم.
کروم: عنصر کروم اساسی ترین ماده در ساختار فولاد نسوز به شمار می رود. این عنصر، علت اصلی مقاومت بالای فولاد نسوز، در برابر حرارت است. عنصر کروم، علاوه بر افزایش مقاومت حرارتی فولاد نسوز، باعث ضد زنگ شدن و مقاومت آن به خوردگی نیز می شود. در جدول زیر حداکثر دمایی که درصدهای مختلف کروم در آن مقاومت حرارتی و اکسایشی دارند را مشاهده می کنید.
|
کروم (%) |
مقاومت اکسایشی و حرارتی بر اساس دما (C) |
|
12 |
750-800 |
|
15-17 |
850-1000 |
|
20-30 |
1000-1100 |
نیکل: نیکل نیز مانند کروم، از عناصر اصلی تشکیل دهنده فولاد نسوز است. به طوریکه نسبت معین نیکل و کروم، علت اساسی مقاومت بالای فولاد نسوز در دماهای بالا است.
عناصر دیگر: برای افزایش بیشتر مقاومت حرارتی فولاد نسوز، از مقدار کمی از عناصر دیگر نیز استفاده می شود. این عناصر عبارتند از آلمینیوم ( تا 0.35 درصد)، تنگستن (0.6 درصد) و وانادیوم (تا 0.7 درصد).
کاربردهای فولاد نسوز چیست؟
ویژگی های منحصر به فرد فولاد نسوز، مانند ضدزنگ بودن، استحکام سایشی بالا و مقاومت در برابر حرارت، باعث کاربرد گسترده آن در صنایع مختلف شده است. مهم ترین کاربردهای فولاد نسوز، ساخت و تولید قطعات زیر است:
-
صنعت نیروگاهی (قطعات راکتور، پره های توربین گازی و بخاری و...)
-
صنعت هوافضا (موتور موشک و هواپیما)
-
صنعت ساختمان سازی
-
تجهیزات فرآیندهای شیمیایی
-
لوازم پزشکی
-
صنعت کشتی سازی و تجهیزات دریایی
-
صنعت نفتی و گازی (بویلر و...)
-
صنعت پتروشیمی
-
الکترودهای جوشکاری
-
جعبه های سمانتاسیون
-
مخازن تحت فشار
-
لوله ها و دیگ های بخار
-
انواع گرم کننده ها
-
محفظه های عملیات حرارتی
-
قطعات کوره های با حرارت بالا
-
شاسی های کوره های نورد
-
جداره های داخلی کوره های ذوب فلزات
-
پیچ و مهره های مقاوم در برابر خزش
-
مشعل های روغن
-
تجهیزات احیای روغن
مزایای فولاد نسوز چیست
-
استحکام بالا
-
مقاومت حرارتی بالا
-
مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون (زنگ زدگی)
-
مقاومت در برابر گازها و بخار آب
-
مقاومت به کشش و سایش
-
مقاومت در برابر ضربه و تغییر شکل
-
پوسته نشدن
معایب فولاد نسوز چیست؟
-
عرضه محدود
-
قیمت بال
