فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ ( Precipitation strengthening stainless steels 6xx ( xx-x PH ) ) آلیاژهایی از آهن و کروم و نیکل هستند که بدلیل تشکیل رسوبات در طی عملیات پیرسازی استحکام و چقرمگی بالایی دارند [۱] .

Precipitation strengthening stainless steels 6xx (xx-x PH)

انواع فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

ریزساختار فولادهای زنگ نزن رسوب سختی ، بسته به ترکیب شیمیایی و فرآیند ساخت ، می‌تواند آستنیتی یا مارتنزیتی باشد [۱] .

در نتیجه این فولادها بر اساس ریزساختار نهایی ( بعد از عملیات حرارتی ) ، به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند [۲] .

• فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ مارتنزیتی – آلیاژ ۱۷ – ۴ PH ( AISI 630 EN 1.4542 ) که شامل ۱۷ درصد کروم ، ۴ درصد نیکل ، ۴ درصد مس و ۰.۳ درصد نیوبیوم است [۲] . (۱۷-۴ stainless steel)

عملیات حرارتی محلول جامد ( Solution treatment ) در این فولاد در دمای حدود ۱۰۴۰ درجه سانتی گراد انجام می‌شود و سپس توسط فرآیند کوئنچ ، ساختار مارتنزیتی نسبتا انعطاف پذیری ایجاد می‌شود . علاوه بر این ، انجام عملیات پیرسازی ( Aging treatment ) در ۴۷۵ درجه سانتی گراد ، باعث تشکیل ( رسوباتی از ) فاز نیوبیوم و فازهای غنی از مس شده و  استحکام تسلیم را به بیشتر از ۱۰۰۰ مگاپاسکال افزایش می‌دهد . این سطح از استحکام ، در کاربردهای پیشرفته مانند هوافضا کاربرد دارد . یکی از مزایای این فولادها ، اعمال عملیات پیرسازی  بر روی قطعات ( تقریبا ) کامل شده است ( بر خلاف عملیات حرارتی تمپرینگ ) [۲] .

• فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ نیمه آستنیتی – آلیاژ ۱۷ – ۷ PH ( AISI 631 EN 1.4568 ) که شامل ۱۷ درصد کروم ، ۷.۲ درصد نیکل و ۱.۲ درصد آلومینیوم است [۲] .

عملیات حرارتی مورد نظر برای رسیدن به این نوع ریزساختار ، عملیات حرارتی محلول جامد ( Solution treatment ) و کوئنچ کردن است ؛ در این مرحله ساختار آستنیتی باقی می‌ماند . تحول مارتنزیتی در این فولاد ، توسط عملیات سرمایش در دمای – ۷۵ درجه سانتی گراد یا توسط کار سرد شدید ( تغییر شکل بیشتر از ۷۰ درصد ، معمولا توسط نورد سرد یا کشش سیم ) انجام می‌شود . عملیات پیرسازی در دمای ۵۱۰ درجه سانتی گراد ( که باعث تشکیل فازهای بین فلزی Ni_۳Al می‌شود ) بر روی قطعات تقریبا کامل شده انجام می‌شود . مقادیر تنش تسلیم بدست آمده برای این فولادها بالاتر از ۱۴۰۰ مگاپاسکال است [۲] .

برخلاف فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ مارتنزیتی ، فولادهای پیرسختی شده نیمه آستنیتی آنیل شده به اندازه کافی نرم هستند ؛ بنابراین می‌توانند تحت کار سرد قرار بگیرند . فولادهای نیمه آستنیتی ساختار آستنیتی خود را در دمای اتاق حفظ می‌کنند ؛ اما در دماهای بسیار پایین ، مارتنزیت در آن‌ها تشکیل می‌شود [۳] .

• فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ آستنیتی – آلیاژ A286 ( ASTM ۶۶۰ EN 1.4980 ) که شامل حدود ۱۵ درصد کروم ، ۲۵ درصد نیکل ، ۲.۱ درصد تیتانیم ، ۱.۲ درصد مولیبدن ، ۱.۳ درصد وانادیم و ۰.۰۰۵ درصد بور است . ریزساختار این فولاد در همه دماها آستنیتی باقی می‌ماند [۲] .

عملیات حرارتی این فولادها شامل عملیات حرارتی محلول جامد ، کوئنچ کردن و به دنبال آن عملیات پیرسازی در دمای ۷۱۵ درجه سانتی گراد است . در طی عملیات پیرسازی ، رسوبات Ni_۳Ti ایجاد شده و استحکام تسلیم را تا حدود ۶۵۰ مگاپاسکال در دمای اتاق افزایش می‌دهند . برخلاف گریدهای فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ مارتنزیتی و نیمه مارتنزیتی ، خواص مکانیکی و مقاومت به خزش این فولاد تا حداکثر دمای ۷۰۰ درجه سانتی گراد بسیار خوب عمل می‌کند . در نتیجه A286 بعنوان سوپر آلیاژ پایه آهن دسته بندی شده و در موتورهای جت ، توربین‌های گازی و قطعات توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد [۲] .  

فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ آستنیتی ، ریزساختار آستنیتی خود را پس از آنیل و سخت شدن توسط عملیات پیرسازی حفظ می‌کنند . در دمای آنیل ۱۰۹۵ تا ۱۱۲۰ درجه سانتی گراد ، رسوبات فاز سخت تشکیل می‌شود . با سرمایش سریع ، این رسوبات همچنان در فولاد باقی می‌مانند . با حرارت دهی مجدد این فولاد تا دمای ۶۵۰ تا ۷۶۰ درجه سانتی گراد ، رسوبات تشکیل شده و سختی و استحکام افزایش می‌یابد . سختی این فولادها کمتر از دو فولاد دیگر است و خاصیت مغناطیسی ندارد [۳] .

گریدهای منتخب فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

برخی از گریدهای منتخب این فولادها در ادامه معرفی شده‌اند [۱] .

۶۰۰ : گرید آستنیتی حاوی افزودنی‌های مولیبدن ، آلومینیوم ، تیتانیم ، وانادیم و بور .

۶۳۰ : گرید مارتنزیتی حاوی افزودنی‌های مس و نیوبیوم .

۶۳۱ : گرید آستنیتی حاوی افزودنی‌ آلومینیوم .

۶۳۳ : گرید آستنیتی حاوی افزودنی‌های مولیبدن و نیتروژن .

۶۳۵ : گرید مارتنزیتی حاوی افزودنی‌های آلومینیوم و تیتانیم .

خواص فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای ضد زنگ پیرسختی شده سری ۶۰۰ نیمه آستنیتی در جدول زیر ارائه شده است [۴] .

ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای زنگ نزن نیمه آستنیتی رایج [۴] .

• 

ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ آلیاژ ۱۷ – ۴ PH در ادامه مطرح شده است [۳] .

کربن : ۰.۰ – ۰.۰۷ درصد ، منگنز : ۰.۰ – ۱.۵ درصد ، سیلیسیم : ۰.۰ – ۰.۷ درصد ، فسفر : ۰.۰ – ۰.۰۴ درصد ، گوگرد : ۰.۰ – ۰.۰۲ درصد ، کروم : ۱۵.۰ – ۱۷.۰ درصد ، نیکل : ۳.۰ – ۵.۰ درصد ، مس : ۳.۰ – ۵.۰ درصد ، نیوبیوم : ۰.۰ – ۰.۴۵ درصد و مولیبدن : ۰.۰ – ۰.۶ درصد [۳] .

خواص فیزیکی آلیاژ ۱۷ – ۴ PH عبارت است از : دانسیته ۷.۷۵ kg/m^۳ ، مدول الاستیک ۱۹۶ GPa ، مقاومت الکتریکی ۰.۸ × ۱۰^-۶ Ω.m ، رسانایی حرارتی ۱۸.۴ W/m.K و انبساط حرارتی ۱۰.۸ × ۱۰^-۶/K [3] .

فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ آلیاژ ۱۷ – ۷ PH شامل ریزساختار مارتنزیتی و آستنیتی است ؛ چرا که نسبت کروم به نیکل در این فولاد از تشکیل کامل فاز آستنیت جلوگیری می‌کند . این فولاد بدلیل مقاومت به خوردگی و همچنین استحکام مکانیکی قابل توجه ، توسعه یافته است [۴] .

شکل زیر ریزساختار فولاد ۱۷ – ۷ PH از گروه نیمه آستنیتی فولادهای ضد زنگ پیرسختی شده سری ۶۰۰ را تحت شرایط زیر نشان می‌دهد [۴] .

• عملیات حرارتی محلول جامد ( Solution annealed ) در دمای ۱۰۶۵ درجه سانتی گراد .
• نگهداری در دمای ۹۵۵ درجه سانتی گراد به مدت ۱۰ دقیقه ، جریان هوای سرد .
• نگهداری در دمای – ۷۵ درجه سانتی گراد به مدت ۸ ساعت ، جریان هوای گرم تا دمای اتاق .
• نگهداری در دمای ۵۱۰ درجه سانتی گراد به مدت ۶۰ دقیقه ، جریان هوای سرد .

در شکل زیر فلش مشخص شده رشته‌های فریت دلتا در زمینه آستنیتی را نشان می‌دهد [۴] .

• 

ریزساختار فولاد ۱۷ – ۷ PH با بزرگنمایی ۱۰۰۰ برابر [۴] .

استحکام فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶XX

استحکام تسلیم فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده بین ۵۱۵ تا ۱۴۱۵ مگاپاسکال است . استحکام کششی آن‌ها بین ۸۶۰ تا ۱۵۲۰ مگاپاسکال و درصد ازدیاد طول آن‌ها بین ۱ تا ۲۵ درصد است . انجام کار سرد ، قبل از عملیات پیرسازی ، می‌تواند استحکام‌های بالاتری را ایجاد کند [۳] .

عملیات حرارتی فولاد زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

محدوده خواص مکانیکی فولاد ۱۷ – ۴ PH بعد از عملیات حرارتی محلول جامد ( Solution treating ) و پیرسختی ( Age hardening ) در جدول زیر ارائه شده است [۳] .

خواص مکانیکی پس از اعمال عملیات حرارتی برای فولاد ۱۷ – ۴ PH [3] .

• 

مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده مقاومت به خوردگی خوبی ( متعادل ) در محدوده وسیعی از محیط‌های مختلف دارند . این فولادها ترکیبی از استحکام و مقاومت به خوردگی بهتری در مقایسه با آلیاژهای مارتنزیتی سری ۴۰۰ دارند . مقاومت به خوردگی این فولادها مشابه فولادهای زنگ نزن سری ۳۰۰ (۳۰۴) است [۳] .

در محیط‌های کلریدی گرم ، آلیاژ ۱۷ – ۴ PH از گروه فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶XX در معرض خوردگی حفره‌ای و شیاری قرار دارد . هنگامی که این فولاد تحت عملیات پیرسازی در دمای ۵۵۰ درجه سانتی گراد و بالاتر قرار بگیرد ، در برابر ترک ناشی از خوردگی تنشی بسیار مقاوم است . مقاومت به ترک ناشی از خوردگی تنشی بهتر ، با افزایش دمای پیرسازی حاصل می‌شود [۳] .

فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده مقاومت به خوردگی مشابهی با انواع فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارند ؛ اما می‌توانند با رسوب سختی به استحکام بالاتر از گریدهای مارتنزیتی دست یابند [۲] .

مقاومت در برابر حرارت فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

فولاد ۱۷ – ۴ PH مقاومت در برابر اکسیداسیون خوبی دارد . به منظور جلوگیری از کاهش خواص مکانیکی این فولاد ، نباید از آن در دماهای بالاتر از دمای پیرسختی آن استفاده کرد . برای جلوگیری از کاهش چقرمگی در دمای محیط ، بایستی از قرار دادن طولانی مدت این فولاد در دماهای بین ۳۷۰ تا ۴۸۰ درجه سانتی گراد جلوگیری شود [۳] .

کار سرد فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

شکل دهی سرد مانند نورد ، خم کاری و شکل دهی به روش هیدروفرم را می‌توان در فولاد ۱۷ – ۴ PH اعمال کرد ( اما فقط در شرایط کاملا آنیل شده ) . بعد از کار سرد مقاومت به خوردگی تنشی ، به کمک اعمال مجدد عملیات پیرسازی در دمای رسوب سختی ، بهبود می‌یابد .

کار گرم فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

کار گرم فولاد ۱۷ – ۴ PH باید در دماهای بین ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد انجام شود . بعد از کار گرم ، عملیات حرارتی کامل مورد نیاز است . این عملیات حرارتی شامل آنیل کردن و سرد کردن در دمای اتاق یا دماهای پایین‌تر است . در ادامه ، ترکیب به رسوب سختی نیاز دارد تا خواص مکانیکی مورد نظر حاصل شود [۳] .

قابلیت ماشینکاری فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

فولاد ۱۷ – ۴ PH در شرایط آنیل شده قابلیت ماشینکاری خوبی دارد ( مانند فولاد زنگ نزن ۳۰۴ ) . بعد از عملیات حرارتی سخت شدن ( Hardening heat treatment ) ، ماشینکاری دشوار اما امکان پذیر است . با استفاده از فرآیند روغنکاری استاندارد می‌توان دشواری آن را تا حدی بهبود بخشید [۳] .  

قابلیت جوشکاری فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰

فولادهای پیرسختی شده را می‌توان به راحتی و با استفاده از روش‌های مشابه با فولادهای زنگ نزن سری ۳۰۰ جوش داد . گرید ۱۷ – ۴ PH را می‌توان بدون پیش گرم شدن با موفقیت جوش داد . میله‌ پرکننده توصیه شده برای جوشکاری فولاد ۱۷ – ۴ PH ، ۱۷ – ۷ PH است [۳] .

کاربرد فولادهای زنگ نزن پیرسختی شده

بدلیل استحکام بالای این فولادها ، از آن‌ها در کاربردهای زیادی از جمله صنایع هوافضا و صنایع پیشرفته استفاده می‌شود . برخی از کاربردهای این فولادها شامل چرخ دنده‌ها ، سوپاپ‌ها و سایر اجزای موتور ، شفت‌های استحکام بالا ، پره‌های توربین ، قالب‌ها و بشکه‌های زباله هسته‌ای است [۳] .

فولاد زنگ نزن پیرسختی شده سری ۶۰۰ گروهی از فولادهای زنگ نزن هستند که تحت عملیات پیرسختی و به کمک تشکیل رسوبات سخت می‌شوند . این فولادها استحکام بالایی دارند ؛ به همین دلیل در صنایع پیشرفته مانند هوافضا کاربردهای فراوانی دارند .

منابع

[۱]         Myer kutz, Handbook of Materials Selection. .

[۲]         “https://en.wikipedia.org/wiki/Stainless_steel.” .

[۳]         “https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=2819.” .

[۴]         “https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=445.” .