فولادهای زنگ نزن آستنیتی نیکل پایین

فولادهای  زنگ نزن آستنیتی نیکل پایین

Low Nickel Austenitic Stainless Steels

فولادهای زنگ نزن از مهم ترین دسته های فولاد هستند که در مصارف خانگی ، پتروشیمی ، هوافضا و .. مورد استفاده قرار می گیرند . افزودن عناصری چون نیکل ، منگنز  ، مولیبدن به مذاب فولاد سبب زنگ نزن شدن فولاد می شود . بدلیل قیمت بالای مولیبدن و نیکل و همچنین ایجاد حساسیت برای  بدن در کاربردهای بیومواد بایستی میزان نیکل این فولادها را به حداقل رساند.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی نیکل پایین

اکثر گریدهای معمول فولادهای زنگ نزن، ۳۰۴ و ۳۱۶ هستند که بدلیل میکروساختار آستنیتی شان و در نتیجه ترکیب عالی ای از مقاومت به خوردگی، خواص فیزیکی و مکانیکی و ساده بودن مراحل تولید، از محبوبیت ویژه ای برخوردارند.

این ساختار آستنیتی در اثر افزودن حدود ۸ تا ۱۰ درصد به مذاب فولاد ایجاد می گردد. اما نیکل تنها آستنیت زای فولاد نیست بلکه عناصری چون منگنز، نیتروژن، کربن و مس هم ساختار آستنیت را تا دمای محیط پایدار می کنند.

قیمت نیکل و افزودنی های فولادهای زنگ نزن

قیمت فولادهای زنگ نزن معمول، در واقع با میزان قمیت اجزای افزودنی آن مشخص می شود. قیمت کرم، عنصر سازنده و ضروری فولادهای زنگ نزن چندان بالا نیست، اما عناصری که مقاومت به خوردگی آنرا افزایش می دهند ( بخصوص مولیبدن) یا عناصری که خواص ساختی آنرا بهبود می دهند (مانند نیکل) قیمت بالایی دارند.

قیمت نیکل از حدود هر تن ۵ تا ۶ هزار دلار در سال ۲۰۰۱ تا ۱۵ هزار دلار در سال ۲۰۰۴ نوسان قیمت داشته است . در سال ۲۰۲۰ نیز در حدود قیمتی حدود ۱۲٫۵۰۰ دلار نوسان دارد.

همچنین مولیبدن بطور قابل توجهی از هر تن ۸هزار دلار در سال ۲۰۰۱ تاحدود ۵۰ هزار دلار در سال ۲۰۰۴ افزایش قیمت داشته است. در حال حاضر در سال ۲۰۲۰ قیمت هر تن مولیبدن حدود ۱۲ هزار دلار است.

این نوسان قیمت، تاثیر مستقیمی روی دو گرید معروف فولادهای زنگ نزن داشته است:

• ۳۰۴ (۱۸%Cr,8% Ni)
• ۳۱۶ (۱۷%Cr,10% Ni, 2% Mo)

که افزایش قیمت گرید ۳۱۶ چشمگیرتر از ۳۰۴ بوده است.

عناصر آلیاژی – جایگزین کردن منگنز بجای نیکل

اهمیت عناصر آلیآژی به میزان تاثیر آن ها بر روی مقاومت به خوردگی یا تاثیر به میکروساختار است.

کرم و مولیدن به منظور افزایش مقاومت به خوردگی به فولاد زنگ نزن افزوده می شوند . معمولا ارزیابی مقاومت به خوردگی انواع فولاد های زنگ نزن ، توسط معادله مقاومت به خوردگی حفره ای (PRE) آنها مشخص می گردد .
معادله مشاومت به خوردگی حفره ای :

PREN= % Chromium + 3.3 × %Molybdenum + 16 × %Nitrogen

این معادله یک معادله خوب و مرتب است اما متاسفانه تنها یک راهنماست ! پیش بین برای پیش معادله PRE یک راهنما برای دسته بندی انواع فولادهای زنگ نزن است اما نمی تواند یک بینی مقاومت به خود گی فولاد در مقابل یک محیط با ماده خورنده خاص باشد .
ظاهره مقاومت به خوردگی حفره ای می تواند با افزایش درصد مولیبدن افزایش یابد ، اما با افزودن نیتروژن و کرم هم می توان این مقاومت به خوردگی را ایجاد کرد. که البته بسیار ارزان تر از مولیبدن هستند. با وجود فاکتور PRE بالای نیتروژن ، این عنصر بدلیل حلالیت کم تاثیر محدودی بر مقاومت به خوردگی دارد .
میکروساختار فولاد شدید توسط عناصر پایدار کننده آستنیت و عناصر پایدار کننده فریت تعیین می گردد . عناصری چون کربن ، منگنز ، نیتروژن و مس می توانند جایگزین نیکل شوند. و تمامی این عناصر تبت کمتری از نیکل دارند. فرمول های تعادلی نیکل بعنوان راهنماهایی به کمک ما می آیند اما تمام داستان را نمی گویند. عملکرد هر عنصر از راه های مختلفی مشخص می شود و در نتیجه این امکانپذیر نیست که تمام نیکل موجود در فولاد را حذف و عناصری چون مس و نیتروژن را جایگزین آن نمایم . منگتر بعنوان یک پایدار کننده آستین عمل می کند اما تاثر آن به اندازه نیکل نیست ، فولادهای کرم منگنز دار دارای سرعت کار سختی بیشتری از فولادهای کرم نیکل دار با درصد مشابه هستند. کربن یک پایدار کننده قوی آستنیت است ، اما حلالیت اندکی در آستیت دارد بنابراین برای ایجاد یک زمینه آستیست کامل ، کافی نیست.

هرچند که استفاده از فرمول PRE توصیه نمی شود، اما نیکل تاثیر مثبتی روی مقاومت فولاد در بعضی محیط های خورنده داشته که منگنز فاقد این قابلیت است.

معمولا یک همکاری بین این عناصر وجود دارد . افزودن نیتروژن تاثیر دو چندانی بر ایجاد و پایداری آستیت و همچنین افزایش مقاومت به خوردگی حفره ای دارد . منگنز یک پایدار کننده قوی آستیت و شرایط خاص خودش را دارد، اما همیشه حلالیت نیتروژن را افزایش می دهد.

گسترش سری ۲۰۰ از فولادهای زنگ نزن آستنیتی

منگتر یک پیشنهاد مناسب برای نیکل است از اضافه کردن مقاد پر اندک گرفته تا جایگزینی کامل نیکل .
ظهور فولادهای آستیی با منگتر بالا اولین بار در حدود ۵۰ سال قبل اتفاق افتاد زمانیکه نیکل دوره افزایش قیمت خود را می گذراند.

گریدهای AISI در همان زمان بعضی از گرید ها Cr- Mn -Ni به مقدار کافی برای قرار گرفتن در شمارش گسترش یافته بودند:

این گریدها ، گرید های با منگر بالا بودند که به گریدهای نیکل کرم افزوده شده بوند و هنوز شامل مشخصات و استاندارد گریدهای ASTM بودند. رف بالای این گرید ها در دهه های اخیر در مقایسه با فولادهای Cr – Ni کاهش یافته است. دلایل استفاده اندک از این گرید های قیمت پایین فولادهای زنگ نزن عبارتست از :

•  سرعت کار سرد شدن بسیار بالا ( البته این مورد می تواند در بعضی کاربردها مفید باشد
•  ظاهر سطحی نسبتا نامرغوب و نامناسب بودن برای برخی از کاربردها
• هزینه های اضافی تولید ، بعنوان مثال پوشش دیرگداز بیشتر در مراحل ذوب و تهیه این گرید ها
•  مقاومت به خوردگی پایین تر در مقایسه با گرید های کرم نیکل در بعضی محیط ها

علاوه بر این ، مشکل دیگری که وجود دارد این است که تراشه فولادهای آستنیتی Cr-Ni و Cr-Mn-Ni تماماً صرف نظر از مقدار نکیل، غیرمغناطیس هستند. اما بازرگانان و خریداران تراشه، قیمت تراشه را بر اساس مقدار نیکل موجود در آن تعیین می کننند و این پتانسیل بی ثبات کردن بابازر تراشه را دارد. نتیجه این بی ثباتی کاهش قیمتی است که عموماً برای تعویض استافده از گریدهای جدید بجای گریدهای سنتی Cr-Ni ناکافی است.

جذب و پیشرفت کاربرد یک گرید اغلب به دلیل مزایای فنی آن در کاربردهای خاص اتفاق می فاتد نه بدیلی راهبردهای اقتصادی.

برخی از مدعی های جدید

در دهه اخیر شاهد پیشرفت برخی از مدعی های جدید در گروه فولادهای  زنگ نزن آستنیتی Cr-Mn-Ni برده ایم. پیشرفت اصلی کار در هند و کاربرد اصلی این گریدها در لواز آشپزخانه بوده است.

بیشترین سرعت کارسختی در گریدهای نیکل پایین با درصد منگنز بالا بعنوان یک مزیت برای این فولادها در برخی کاربردها شناخته و مورد قبول قرار گرفته است اما افزایش عنصری چون مس سبب کاهش این خاصیت و بهبو این مشکل می وشد.

هند بدلیل فاکتورهای منطقه ای خود، دچار یک پیشرفت شدید در تولید گریدهای فریتی شد. سایر کشورهای آسیایی هم دارای بازارهای قوی گشتند و اخیراً تولید کننده آن شده اند. خصوصاً بازار چینی ها که شامل درخواست های مهمی برای گریدهای Cr-Mn-Ni در چین که اغلب برای سری ۲۰۰ فولادهای زنگ نزن بود، بسیار قوی شدند.

سایر کشورهای تولید کننده مانند تایوان، برزیل و ژاپن گسترش آلیاژهایی را در نتیجه گستره گریدهای آستنیتی با مقادیر نیکل از ۱ تا ۴ درصد و تا ۹% منگنز داشتند. هیچکدام ازین گریدها در ASTM یا سایر استانداردهای معتبر بین المللی هنوز ثبت نگشته اند.

سرعت رشد در تولید این گریدها از فولادهای زنگ نزن بسیار سریع اتفاق افتاد. اخیراً بیشتر اطلاعات منتشر شده از انجمن فولادهای زنگ نزن بین المللی (ISSF) نشان می دهد که در سال ۲۰۰۳، ۱٫۵ میلیون تن (۷٫۵% از فولادهای زنگ نزن جهان) ازین نوع بوده اند. سهم چین از این مقدار در سال ۲۰۰۴، ۲۵% بوده است.

اگر چه مشکلات هنوز هم وجود دارند و استافده از تراشه های Cr-Ni در گریدهای Cr-Mn-Niهنوز هم مورد میل صنعت گران نیست.

مسئله اصلی، عدم کنترل کم لطفی فروشندگان در معرفی محصولات نیکل پایین مانند گرید ۳۰۴با ارائه توضیحاتی چون مقاومت به خوردگی پایین و کم ارزش تراشه ها و آلوده سازی محیط توسط مواد نکیل پایین است.

آنچه در آینده رخ می دهد در ما آشکار نیست اما منطقی بنظر می رسد که یک مکان برای گریدهای زنگ نزن نیکل پایین ایجاد شودو مشتریان گریدها، مکشلات تجربی این گرید از فولادها را در قمابل قیمت بالای فولادهای زنگ نزن Cr-Ni نادیده بگیرند و این دسته از فولادها گسترش یابند.

منبع

انجمن فولادهای زنگ نزن استرالیا