شاخص ترین مشخصه فولادهای مقاوم به حرارت همان طور که نامشان گوینده آن می باشد مقاومت بالایی است که در برابر دماهای خیلی زیاد دارند. به این نوع فولاد، فولاد نسوز نیز گفته می شود. به همین دلیل از فولاد مقاوم به حرارت بیشتر در ساخت تجهیزات و ابزار آلاتی که باید در دمای خیلی بالا کار کنند، استفاده می شود تا در حین کار تغییر شکل ندهند. در این مقاله می خواهیم هر چه بیشتر شما را با فولاد مقاوم به حرارت، ویژگی ها و تا حدودی کاربردهای آن آشنا کنیم. با ما همراه باشید.
ویژگی های فولاد مقاوم به حرارت
مقاومت فولاد مقاوم به حرارت با دو ویژگی: یکی مقاومت نسبت به انواع گازها، بخار آب، اکسیدهای کربن و گازهای گوگرد دار سنجیده می شود و دیگر اینکه خواص مکانیکی آن در دماهای بسیار بالا باید مورد بررسی قرار بگیرد. به همین دلیل، فولاد مقاوم به حرارت باید از ترکیب چندین آلیاژ ساخته شود تا این آلیاژها در کنار یکدیگر بتوانند خواص قابل قبولی به ما بدهند و فولاد را به یک فولاد واقعاً مقاوم تبدیل کنند. اگر تنها از یک نوع آلیاژ برای این کار استفاده شود قطعاً فولاد مقاومی تولید نخواهد شد. زیرا هر آلیاژی خواص منحصر به فردی دارد اما نمی تواند همه خواص فولاد مقاوم را با هم داشته باشد؛ بنابراین باید انواع آن ها به درستی در کنار هم قرار بگیرند تا به یک فولاد مقاوم به حرارت عالی تبدیل شوند. این فولادها باید دماهایی بین 500 تا 1200 درجه سانتی گراد را به راحتی تحمل کنند و تغییر شکل ندهند. فولاد مقاوم به حرارت علاوه بر گرما باید نسبت به خوردگی، خزش، خستگی در دماهای زیاد، پوسته ای شدن و … نیز محکم و مقاوم باشد.
مزایای فولاد مقاوم به حرارت
فولاد مقاوم به حرارت مزایای بسیار زیادی دارد که مهم ترین آن ها عبارتند از:
مقاومت بالا نسبت به خزش و خستگی در دماهای خیلی زیاد
مقامت بالا نسبت به اکسید کربن
مقاومت بالا نسبت به بخار آب
استحکام در برابر فرسایش و ساییدگی
معایب فولاد مقاوم به حرارت
با توجه به مزایایی که برای این نوع فولاد برشمردیم هر کارفرمایی برای افزایش استانداردهای پروژه خود و طول عمر مفید بیشتر سازه می خواهد از این نوع فولاد در سازه و یا تجهیزاتش استفاده کند. با این کار خیالش از بابت بیشتر عوامل مخرب محیطی راحت می شود، اما متأسفانه فولاد مقاوم به حرارت دو عیب دارد که اجازه نمی دهد هر کارفرمایی در حجم دلخواه از آن استفاده کند. آن دو عیب هم یکی قیمت بالا و دیگری تولید پایین آن در کارخانه های تولید فولاد می باشد؛ بنابراین هر کارفرمایی فقط در حجم خیلی ضروری می تواند از آن استفاده کند.
فرمول ترکیبات فولاد مقاوم به حرارت
همان طور که قبلاً هم گفتیم فولاد مقاوم به حرارت برای داشتن ویژگی های خاصی که برای آن عنوان کردیم باید از ترکیبی از آلیاژها ساخته شود. این آلیاژها شامل کروم، کروم- نیکل، نیکل- کروم و … هستند که هر کدام بخشی از ویژگی های منحصر به فرد فولاد مقاوم به حرارت را ایجاد می کنند. در هر نوع فولادی بسته به نوع کاربرد آن مقدار آلیاژهای استفاده شده متفاوت است. تنوع ترکیب شیمیایی در بین آلیاژها باعث ایجاد پیچیدگی در ریز ساختار فولادهای تولید شده خواهد شد. در نتیجه مکانیسم های مختلف تقویتی در بین آلیاژها وجود دارد و مقاومت به پارگی ناشی از نیروی خزش نیز افزایش می یابد. در ادامه نقش هر کدام از این آلیاژها در فولاد مقاوم به حرارت را برایتان توضیح می دهیم:
آلیاژ کروم
علت استفاده از کروم در فولادهای نسوز ایجاد مقاومت در این فولادها نسبت به خوردگی در برابر انواع گازهای مخرب در محل بهره برداری می باشد. معمولاً برای ایجاد این ویژگی خاص حدود 8 الی 30 درصد آلیاژ کروم در ترکیب فولاد مقاوم به حرارت استفاده می شود. علت اینکه از درصدهای پایین برای ترکیب این آلیاژ استفاده می کنند این است که هر چه مقدار آن در فولاد بیشتر شود خاصیت انعطاف پذیری یا همان شکل پذیری فولاد را کاهش داده و علاوه بر آن مقاومت فولاد را نسبت به دماهای بالا بیشتر می کند. پس هر چه دمای محیط مصالح و یا تجهیزاتی که قرار است با این نوع فولاد ساخته شود بیشتر باشد باید مقدار کمتری کروم در آن استفاده گردد.
آلیاژ کروم – نیکل
آلیاژ کروم – نیکل به آلیاژی گفته می شود که میزان کروم آن بیشتر از نیکل باشد. اگر پروژه یا تجهیزاتی که قرار است با فولاد نسوز ساخته شوند، مانند برخی از کارخانه های تولیدی که با گازهای احیا کننده و یا اکسید گوگرد سر و کار داشته باشند، از آلیاژ کروم – نیکل برای مقاومت بیشتر فولاد نسبت به این گازها استفاده می شود. برای اینکه ضعیف ترین آلیاژ کروم – نیکل تشکیل شود باید مقدار کروم بیشتر از 18% و مقدار نیکل بیشتر از 8% باشد. مزیت فولادهایی که آلیاژ کروم – نیکل زیادی دارند انعطاف پذیری بالای آن ها حتی در دماهای خیلی زیاد است.
آلیاژ نیکل – کروم
برعکس آلیاژ کروم- نیکل، در آلیاژهای نیکل – کروم مقدار نیکل بیشتر است. از این آلیاژ در فولادهایی که باید در درجه حرارت های خیلی زیاد استحکام بالایی داشته باشند و یا بتوانند در برابر گازهایی مانند کربن و نیتروژن دوام بیاورند استفاده می شود. در این فولادها کروم بیشتر از 10% و نیکل بیشتر از 23% می باشد.
آلیاژ نسوز مولیبدن
مولیبدن آلیاژ اصلی فولاد مقاوم به حرارت است که برای تولید فولادهای فریتی مقاوم در برابر خزش برای دمای تا 530 درجه سانتی گراد ساخته می شوند. محصولات و تجهیزات ساخته شده از این نوع فولاد بیشتر شامل لوله های بدون درز برای دیگ های آب و سوپرهیترها، درام های دیگ بخار، جمع کننده ها، پمپ ها و مخازن تحت فشار برای دمای بالا و همچنین شافت های سنگین توربین بخار با قطر بیش از 2 متر و وزن بیش از 100 تن می باشد. همچنین از این نوع فولاد در روتور توربین نیز استفاده می شود. توربین های بخار بزرگ برای کارکرد ایمن و اقتصادی به فولادهایی مقاوم در برابر خزش نیاز دارند.
از پتانسیل تقویت کننده مولیبدن نمی توان به طور کامل استفاده کرد، زیرا با افزایش محتوای مولیبدن، شکل پذیری خزشی فولاد به شدت کاهش می یابد. محدودیت دیگر در استفاده از فولادهای مولیبدن تجزیه کاربیدهای آهن بالاتر از 500 درجه سانتی گراد است که به عنوان گرافیت سازی شناخته می شود. یک راه برای حل کردن هر دو مشکل، استفاده از آلیاژ ترکیبی مولیبدن با کروم است. در حقیقت، فولادهای کروم مولیبدن اولین فولادهایی بودند که اجازه دادند دمای بخار در نیروگاه‌ها بیش از 500 درجه سانتی گراد باشد. فولادهای جدید توسعه یافته با نامه ای 7CrMoVTiB10-10 (T / P24) و T / P23 دارای خواص مقاومت بسیار بالایی هستند. مقاومت آن ها به میزان قابل توجهی با آلیاژهای اضافی مانند تیتانیوم، وانادیوم و بور در مورد T / P24 و تنگستن، وانادیوم، نیوبیوم و بور در نوع T / P23 افزایش می یابد.
کاربرد فولادهای مقاوم به حرارت در صنعت
کاربرد فولادهای مقاوم به حرارت به دلیل ویژگی های بسیار عالی که دارند، در ساخت انواع تجهیزات و موارد مختلف بسیار گسترده است، طوری که در این مقاله مجال گفتن همه کاربردهای فولاد مقاوم به حرارت وجود ندارد؛ اما به طور کلی می توان گفت از انواع فولادهای نسوز در ساخت قطعات و اجزای کوره های عملیاتی حرارتی، درست کردن انواع قالب های مربوط به شیشه و کریستال، پره های مورد استفاده در توربین های گازی و بخاری، کوره های تولیدی و پخت محصولات آلیاژی متفاوت، نیروگاه ها و … استفاده می شود.
انواع فولاد های نسوز
با توجه به توضیحاتی که در مورد انواع آلیاژهای مختلف تشکیل دهنده فولادها در قسمت های قبلی دادیم حتماً به طور کامل برایتان روشن شده است که فولاد مقاوم به حرارت فقط یک نوع نیست و بر اساس کاربرد فولاد انواع بسیار متنوعی از آن با درصد های مختلف از آلیاژهای متفاوت ساخته می شود. این ترکیبات باعث شده تا فولاد مقاوم به حرارت ساخته شده هر چه بیشتر بتواند کارفرما را به هدف خود نزدیک کند. در ایران نیز برحسب پروژه ها و شرایط محیطی برخی از فولادهای نسوز کاربرد گسترده تری دارند که در ادامه برای آشنایی بیشتر شما برخی از این فولادها را به شما معرفی خواهیم کرد.
فولاد 1.4828 با استاندارد DIN X15CrNiSi20-12
این نوع فولاد مقاوم به حرارت بیشتر با آلیاژ کروم و نیکل ساخته می شود تا در دماهای بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد نیز مقاوم باشد. به دلیل ویژگی های دیگری که این نوع فولاد دارد نظیر مقاومت در برابر پوسته ای شدن و جوش پذیری خوب در ساخت محفظه های باز پخت، جعبه های سمانتاسیون و سخت کاری، اجزاء موتور جت، تجهیزات اتاق پخت جعبه های عملیات حرارتی نظیر آنیل و کربورایزینگ، جعبه نیتریدینگ، پمپ و اجزاء بویلر، آستر کوره و همچنین صنایع سرامیک، شیشه، چینی و سیمان، قطعات و تجهیزات کوره و سوپاپ توربین های گازی از آن استفاده می شود.
1.4841 با استاندارد DIN X15CrNiSi25-20
این فولاد نیز با آلیاژهای کروم و نیکل ساخته می شود اما کاربرد آن کمی متفاوت تر از فولاد 1.4828 است. زیرا این فولاد می تواند دمای تا 1200 درجه سانتی گراد را نیز تحمل کند. به همین دلیل در مواردی مثل قطعات و تجهیزات کوره سوپاپ توربین گازی، اجزاء موتور جت، المنت های برقی، تجهیزات اتاق پخت، محفظه های باز پخت، سبدهای لعاب کاری و … استفاده می شود.
1.4845 با استاندارد DIN X12CrNi5-21
فولاد نسوز 1.4845 نیز که در ایران بسیار کاربرد دارد از درصد مشخصی کروم و نیکل برای دماهای تا 1100 درجه ساخته می شود. از طرفی مقاومت این فولاد در برابر پوسته شدن بسیار بالاست و جوش پذیری فوق العاده ای دارد. به همین دلیل در ساخت مواردی مانند توربین های گاز و واحد های مولد نیرو، تجهیزات رنگرزی، تجهیزات تصفیه نفت، عملیات حرارتی نظیر آنیل و کربورایزینگ، آستر کوره و … از آن استفاده می شود.
سخن آخر
همان طور که ملاحظه کردید فولاد مقاوم به حرارت تنها از یک نوع آلیاژ ساخته نمی شود و این ویژگی آلیاژهای مختلف است که وقتی در کنار همدیگر قرار می گیرند آن ها را به یک فولاد بسیار سخت، مقاوم و نسوز تبدیل می کند. به علاوه فولاد در انواع بسیار متنوعی ساخته می شود که بسته به کاربرد آن درصد ترکیبی آلیاژهای مختلف در آن بسیار متغیر است. در هر کشوری بسته به شرایط صنعتی و اقلیمی آن کشور از انواع خاصی از فولاد مقاوم به حرارت برای کاربردهای مختلف، بیشتر استفاده می شود.
فولادهای مقاوم به حرارت ( Heat – resistant steels ) گروهی از فولادهای زنگ نزن هستند که مقاومت بسیار بالایی در دماهای بالا دارند .
حداکثر درجه حرارت برای استفاده از فولادهای ساده کربنی حدود ۳۷۰ درجه سانتی گراد است ؛ چرا که در بالای این دما ، اکسیداسیون شدید رخ داده و باعث از بین رفتن استحکام این فولادها می‌شود . بنابراین تعدادی از فولادهای آلیاژی که فولادهای مقاوم به حرارت ( Heat – resisting steels ) نامیده می‌شوند ، توسعه یافته‌اند . این فولادها می‌توانند در دمای ۵۴۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار گیرند
انواع فولادهای مقاوم به حرارت ( انواع فولادهای نسوز )
این فولادها شامل برخی از فولادهای زنگ نزن فریتی ( ۴۰۵ ، ۴۰۶ ، ۴۰۹ ، ۴۳۰ ، ۴۳۴ و ۴۳۹ ) ، فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی تمپر شده و کوئنچ شده ( ۴۰۳ ، ۴۱۰ ، ۴۱۶ ، ۴۲۲ و ۴۳۱ ) ، فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی پیرسختی شده ( ۱۵ – ۵ PH ، ۱۷ – ۴ PH و PH 13 – ۸ Mo ، فولاد زنگ نزن نیمه آستنیتی پیرسختی شده ( AM – ۳۵۰ ، AM – ۳۵۵ ، ۱۷ – ۷ PH و PH 15 – ۷ Mo ) و فولادهای زنگ نزن آستنیتی ( ۴۰۴ ، ۳۰۹ ، ۳۱۰ ، ۳۱۶ ، ۳۱۷ ، ۳۲۱ ، ۳۴۷ ، ۲۰۲ و ۲۱۶ ) هستند . علاوه بر فولادهای زنگ نزن ، تعدادی آلیاژ اختصاصی وجود دارد که در گروه فولادهای مقاوم به حرارت قرار می‌گیرند و حاوی مقادیر مختلفی از کروم ، نیکل ، مولیبدن ، نیوبیوم ، تیتانیم ، مس ، آلومینیوم ، منگنز ، وانادیم ، نیتروژن یا سیلیسیم هستند . پارگی ( Rupture ) خزشی و تنشی دو خصوصیت مهم برای فولادهای مقاوم در برابر حرارت است . خزش ، کرنش وابسته به زمان است که تحت تنش رخ می‌دهد . در اصطلاح رایج‌تر خزش ، ازدیاد طول یا افتادگی یک قطعه در طول زمان در دمای بالا است . پارگی تنشی شامل اندازه گیری پایداری مواد در دمای بالا است
کاربرد فولادهای مقاوم به حرارت
در ادامه به برخی از کاربردهای این گروه از فلزات مقاوم در برابر حرارت پرداخته شده است [۲] .
فولاد نسوز ۲۰۲ : کاربردهای عمومی .
۳۰۱ : در مواردی که استحکام و داکتیلیته بالا نیاز باشد ، اجزای سازه‌های هواپیمایی ، Railroad cars .
فولاد مقاوم به دما ۳۰۲ : تجهیزات مواد غذایی ، آنتن‌ها ، فنرها ، تجهیزات ارشیتکچر و لوازم آشپزی .
۳۰۲ B : تجهیزات کوره و المنت‌های حرارتی .
فولادهای مقاوم به حرارت آلیاژ ۳۰۳ : پیچ تراشی ، شفت‌ها و شیرها .
۳۰۳ Se : قطعات کوچک و قطعاتی که کار سرد و کله زنی سرد بر روی آن‌ها اعمال می‌شود .
فولاد نسوز ۳۰۴ : تجهیزات شیمیایی و غذایی ، Recording wire .
۳۰۵ : کشش‌های سخت و عمیق ، فرم دهی چرخشی ( Spin forming ) .
فولاد مقاوم به دما ۳۰۸ : پر کنندههای ( فیلرهای ) جوشکاری به منظور جبران عناصر آلیاژی فلز زمینه .
۳۰۹ : قطعات کوره‌ها و تجهیزات عملیات حرارتی .
فولادهای مقاوم به حرارت آلیاژ ۳۱۰ : مبدل‌های حرارتی ، قطعات کوره ، محفظه‌های احتراق و پر کنندههای جوشکاری .
استیل مقاوم به حرارت ۳۲۱ : مانیفولد اگزوز هواپیما ، پوسته بویلرها و تجهیزات مختلف پروسه‌ها .
۳۴۸ : تجهیزات هسته‌ای .
فولاد نسوز ۴۰۳ : آلیاژ مناسب برای پره توربین‌های بخار و قطعات تحت تنش زیاد .
۴۱۰ : کاربردهای عمومی ، قطعات ماشین آلات و شفت پمپ‌ها .
۴۱۴ : فنرها ، غلتک‌های بازگشت داده شده و قطعات ماشین آلات .
فولادهای مقاوم به حرارت آلیاژ ۴۱۶ : قطعات بزرگ .
۴۱۶ Se : قطعات کوچک و قطعاتی که کار سرد و کله زنی سرد بر روی آن‌ها اعمال می‌شود .
۴۲۰ : تیغ و تجهیزات پزشکی ، شیرها .
فولاد مقاوم به حرارت ۴۳۱ : Aircraft fittings ، Heater bars و Paper machinery parts bolts .
۴۴۰ A : تیغ‌های برش و شیرها .
۴۴۰ B : تیغ‌های برش ظریف و شیرها .
فولادهای مقاوم به حرارت آلیاژ ۴۴۰ C : Balls ، Bearings و Races .
۴۳۰ : تانک اسید نیتریک ، سبدهای بازپخت و قطعات دکوری .
۴۳۰ F : پیچ تراشی .
۴۳۰ F ( Se ) : قطعات کوچک و قطعاتی که کار سرد و کله زنی سرد بر روی آن‌ها اعمال می‌شود .
استیل مقاوم در برابر حرارت ۴۴۲ : قطعات کوره‌ها ، نازل‌ها و محفظه‌های احتراق .
۴۴۶ : کار متناوب در دمای بالا و پایین ، کار در اتمسفرهای حاوی گوگرد .
فولادهای مقاوم به حرارت آلیاژهایی هستند که در دماهای بالا مقاومت بالایی دارند . بدلیل این ویژگی ، از این فولادها در کاربردهای دما بالا استفاده می‌شود . برخی از این کاربردها عبارتند از : تجهیزات هسته‌ای ، تجهیزات کوره‌ها ، توربین‌های بخار ، المنت‌های حرارتی و غیره .