مقدمه
ورق استیل 321 آلیاژی زنگ نزن است که با افزودن مقادیر مشخصی تیتانیوم به ترکیب شیمیایی تثبیت شده است. این آلیاژ که در دسته فولادهای ضد زنگ آستنیتی سری 300 طبقه بندی می شود، از مقاومت عالی در برابر خوردگی بین دانه ای به دنبال قرارگیری در معرض محدوده دمای رسوب کاربید کروم، بین 427 تا 816 درجه سانتی گراد برخوردار است. حضور تیتانیوم در ترکیب ورق استیل 321 آن را در برابر تشکیل کاربید کروم مقاوم می کند و به عبارتی باعث ثبات آن می شود. اگرچه ورق استیل 321 برای استفاده های طولانی مدت در محدوده دمای 427 تا 816 درجه سانتی گراد کاربرد دارد، اما گرید 304L به عنوان جایگزین این آلیاژ برای کاربردهایی که فقط شامل جوشکاری یا حرارت های کوتاه مدت هستند، انتخابی ترجیحی می باشد. با توجه به خواص مکانیکی عالی ورق استیل 321، از آن در کاربردهای دما بالا نیز استفاده می شود. این آلیاژ خواص خزشی و تنش گسیختگی بالاتری نسبت به انواع گریدهای 304 و 304L ارائه می دهد (304L بیشتر در جاهایی کاربرد دارد که وقوع خوردگی بین دانه ای و حساسیت محتمل است). چنین ویژگی هایی در خصوص ورق استیل 321 باعث می شود تا الزامات تنش های دما بالای استاندارد ASME در خصوص ساخت بویلر و مخازن تحت فشار برآورده شود. به عبارت ساده تر، از این آلیاژ بدون کوچکترین مشکلی می توان در ساخت بویلر و مخزن های تحت فشار استفاده نمود. حداکثر دمای کاری برای تجهیزاتی که با استفاده از ورق استیل 321 ساخته شده اند حدود 816 درجه سانتی گراد می باشد، این در حالی است که حداکثر دمای کاربرد ورق استیل 304L حدوداً 426 درجه سانتی گراد می باشد.
ترکیب شیمیایی ورق استیل 321
درصد محتوای عناصر آلیاژی در ترکیب شیمیایی ورق استیل 321 بر اساس استاندارد ASTM A240 در جدول ذیل ارائه شده است. کارخانجات موظفند ترکیب شیمیایی مواد تولیدیِ خود را در چارچوب اعداد ذکر شده بگنجانند. در این استاندارد که توسط انجمن تست مواد آمریکا تهیه و گردآوری شده، ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی آلیاژهای ضد زنگ و مقاوم در برابر حرارت که در شکل های پلیت، استریپ و شیت می توانند در کاربردهای عمومی و ساخت مخازن تحت فشار مورد استفاده واقع شوند، در قالب دو لیست مجزا آورده شده است. مشخصه های ورق استیل 321 در استاندارد دیگری که توسط انجمن مهندسین خودرو تدوین شده نیز ذکر شده است. در این استاندارد AMS 5510 معادل ورق استیل 321 بوده و شامل آلیاژهایی است که می توانند در صنعت هوافضا استفاده شوند.
| عناصر آلیاژی / گرید | ورق استیل 321 | |
| حداقل | حداکثر | |
| کربن | – | 0.08 |
| کروم | 17.00 | 19.00 |
| نیکل | 9.00 | 12.00 |
| تیتانیوم | 5×(C+N) | 0.70 |
| منگنز | – | 2.00 |
| فسفر | – | 0.045 |
| گوگرد | – | 0.030 |
| سیلیسیوم | – | 0.75 |
| نیتروژن | – | 0.10 |
همانطور که در جدول فوق نیز آمده است، حداقل محتوای تیتانیوم در ترکیب شیمیایی ورق استیل 321 معادل 5 برابر مجموع مقادیر کربن و نیتروژن می باشد و حداکثر مقدار آن برابر 0.70 درصد می باشد. این بدان معنی است برای تثبیت این آلیاژ و مقاومت آن در برابر تشکیل کاربید کروم بازه ی ذکر شده باید رعایت شود.
خواص مکانیکی ورق استیل 321
| استحکام کششی نهایی ksi (MPa) | 0.2% استحکام تسلیم ksi (MPa) | درصد الانگیشن در 50.8 میلیمتر | سختی راکول B |
| 85 (586) | 35 (241) | 55 | 70 |
خواص فیزیکی ورق استیل 321
| خواص فیزیکی / گرید | ورق استیل 321 | |
| چگالی یا جرم حجمی (g/cm3) | 8.09 | |
| مدول یانگ (GPa) | 193 | |
| میانگین ضریب انبساط حرارتی | 0-100°C(µm/m/°C) | 16.6 |
| 0-315°C(µm/m/°C) | 17.1 | |
| 0-538°C(µm/m/°C) | 18.5 | |
| 0-649°C(µm/m/°C) | 19.3 | |
| 0-871°C(µm/m/°C) | 20.2 | |
| هدایت حرارتی | 100°C(W/m.k) | 16.0 |
| 500°C(W/m.k) | 22.0 | |
| گرمای ویژه 0-100°C(kJ/kg.K) | 0.50 | |
| مقاومت الکتریکی (mΩ.cm) | 72 | |
| محدوده دمای ذوب °C | 1371-1399 | |
مقاومت به خوردگی ورق استیل 321
خوردگی عمومی: مقاومت به خوردگی عمومی ورق استیل 321 کاملاً مشابه با آلیاژ کروم-نیکل و تثبیت نشده ی 304 می باشد. حرارت دهی طولانی مدت در محدوده رسوب کاربید کروم ممکن است بر مقاومت کلی ورق استیل 321 در محیط های خورنده تاثیرگذار باشد.
خوردگی بین دانه ای: هدف اصلی تولید ورق استیل 321، استفاده در کاربردهایی است که در آنها فولادهای کروم-نیکلِ ناپایدار از قبیل 304 مستعد خوردگی بین دانه ای هستند. هنگامی که این فولادها در محدوده دمای 427 الی 816 درجه سانتی گراد نگه داشته شوند یا به آرامی سرد شوند، کاربید کروم در مرز دانه ها رسوب می کند. در حضور برخی عواملِ به شدت خورنده، این مرز دانه ها به یکدیگر متصل شده و فلز تضعیف می شود و حتی ممکن است از هم پاشیدگی کاملِ ساختارِ آلیاژ رخ دهد. عوامل آلی یا آبی با قدرت خورندگی ضعیف، شیر و سایر محصولات لبنی یا شرایط اتمسفری، حتی زمانی که مقادیر زیادی رسوب کاربید وجود داشته باشد، به ندرت منجر به خوردگی بین دانه ای می شود. هنگام جوشکاری قطعات با ضخامت های نازک، زمان جوشکاری در محدوده دمای 427 تا 816 درجه سانتی گراد به قدری کوتاه است که در اکثر محیط های خورنده، استفاده از آلیاژهای ناپایدار مشکلی ایجاد نخواهد کرد. میزان مضر بودن رسوب کاربید به مدت زمانی قرارگیریِ آلیاژ در معرض دمای 427 تا 816 درجه سانتی گراد و همچنین محیط بستگی دارد. رسوب کاربید حتی در حرارت دهی های طولانی تر طی جوشکاری قطعات ضخیم، برای آلیاژهای کم کربن (با محتوای حداکثر 0.03 درصد کربن) مشکلی ایجاد نمی کند. به طور کلی، ورق استیل 321 ضخیم به راحتی می تواند جوشکاری شود، در محدوده دمای 427 تا 816 درجه سانتی گراد کار کند یا به آرامی در این محدوده سرد شود، بدون اینکه مشکلی در زمینه خوردگی بین دانه ای و رسوب کاربید کروم متوجه آن باشد.
خوردگی تنشی: ورق استیل 321 با قرارگیری در محیط های هالیدی، همچون آلیاژ 304 مستعد خوردگی تنشی می باشد. این موضوع به دلیل یکسان بودنِ محتوای نیکل در ترکیب شیمیایی آنهاست. وجود یون هالید و به طور کلی کلرید، تنش های کششیِ باقیمانده و دمای محیط بیش از 49 درجه سانتی گراد از جمله عواملی هستند که می توانند منجر به خوردگی تنشی شوند. این تنش ها ممکن است از تغییر شکل سرد حین عملیات شکل دادن یا مواجهه با سیکل های گرمایی در حین عملیات جوشکاری ناشی شود. پس از انجام کار سرد، برای از بین بردن تنش های باقیمانده می توان از عملیات آنیل یا تنش گیری استفاده نمود. استفاده از ورق استیل 321 به ویژه در شرایطی مفید است که باعث خوردگی تنشی ناشی از پلی تیونیک اسید در فولادهای ضد زنگ آستنیتی تثبیت نشده مانند گرید 304 می شود. قرار گرفتن ورق استیل آستنیتیِ تثبیت نشده در معرض دماهایی در محدوده حساسیت، باعث رسوب کاربیدهای کروم در مرز دانه ها می شود. آلیاژ هنگام سرد شدن تا دمای اتاق در یک محیط حاوی سولفید، سولفید (اغلب سولفید هیدروژن) با رطوبت و اکسیژن واکنش داده و پلی تیونیک اسید تولید می شود که مرز دانه های حساس را به یکدیگر متصل می کند. در شرایط تحت تنش، ترک های بین دانه ای ایجاد می شود. خوردگی تنشی ناشی از پلی تیونیک اسید معمولاً در محیط های پالایشگاهی که سولفیدها رایج هستند، رخ می دهد. ورق استیل 321 که با تیتانیوم تثبیت شده است، با مقاومت در برابر حساسیت در طول کاربردهای دما بالا، راه حلی مناسب برای جلوگیری از خوردگی تنشی ناشی از پلی تیونیک اسید می باشد. اگر شرایط کاری طوری باشد که احتمال ایجاد حساسیت وجود داشته باشد، به منظور دستیابی به مقاومت بهینه، باید از روش تثبیت حرارتی استفاده نمود.
خوردگی شیاری و حفره ای: مقاومت ورق استیل 321 در برابر خوردگی شیاری و حفره ای در حضور یون کلر مشابه آلیاژهای 304 و 304L می باشد. این شباهت به دلیل محتوای یکسان کروم در ترکیب شیمیایی این آلیاژها است. به طور کلی، محدوده محتوای کلر در محیط های آبی برای آلیاژهای ناپایدار و تثبیت شده 100 ppm می باشد. سطوح بالاتر یون کلر ممکن است باعث خوردگی شیاری و ایجاد حفره در آلیاژ شود. در شرایط تهاجمی با سطح کلر بالاتر (pH کمتر و یا دمای بالاتر)، آلیاژهای حاوی مولیبدن مانند گرید 316 باید استفاده شوند. ورق استیل 321 براساس استاندارد ASTM B117 تحت تست اسپری نمک خنثی 5 درصد به مدت 100 ساعت قرار گرفت و بعد از این مدت هیچگونه آثاری از زنگ زدگی مشاهده نشد. با این حال، انتظار چنین است که قرارگیریِ این آلیاژ در معرض اتمسفر نمکی اقیانوس ها منجر به خوردگی شیاری و حفره ای همراه با تغییر رنگ شدید شود. ورق استیل 321 برای استفاده در محیط های دریایی توصیه نمی شود.
جوشکاری ورق استیل 321
آلیاژهای آستنیتی به عنوان جوش پذیرترین فولادهای آلیاژی شناخته می شوند و از قابلیت جوشکاری با استفاده از تمام فرآیندهای مقاومتی و ذوبی برخوردارند. حفظ مقاومت به خوردگی و اجتناب از وقوع ترک دو مولفه ای هستند که هنگام جوشکاری ورق استیل 321 باید به آنها توجه کرد. در هنگام جوشکاری ورق استیل 321 حفظ محتوای عنصر تثبیت کننده (تیتانیوم) دارای اهمیت زیادی است، زیرا این آلیاژ به شدت مستعد به از دست دادن تیتانیوم می باشد. در حین جوش، باید از جذب کربن ناشی از روغن ها و سایر منابع و همچنین نیتروژن هوا جلوگیری کرد. برای ورق استیل 321 و حتی سایر گریدهای ناپایدار، روش های جوشکاری که شامل توجه به تمیزی و گاز محافظ بی اثر است توصیه می شود. آلیاژ با ساختار کاملاً آستنیتی بیشتر در معرض ترک حین جوشکاری می باشد. به همین دلیل ورق استیل 321 طوری طراحی شده تا با مقدار کمی فریت مجدداً انجماد یابد یا حساسیت به ترک به حداقل برسد. آلیاژهای ضد زنگ تثبیت شده با کلمبیوم نسبت به آلیاژهای تثبیت شده با تیتانیوم، بیشتر در معرض ترک گرم قرار دارند. در صورت نیاز به پرکننده ی جوش، فیلرهای AWS E/ER 347 یا E/ER 321 توصیه شده اند.
عملیات حرارتی ورق استیل 321
محدوده دمای آنیل ورق استیل 321 بین 928 تا 1093 درجه سانتی گراد می باشد. در حالی که هدف اولیه از آنیل ورق استیل 321 دستیابی به نرمی و شکل پذیری بالا است، این آلیاژ همچنین ممکن است در محدوده دمای رسوب کاربید بین 427 تا 816 درجه سانتی گراد، بدون اینکه دچار خوردگی بین دانه ای شود، تحت عملیات تنش زدایی قرار بگیرد. تنش گیری در محدوه دمای ذکر شده تنها برای چند ساعت، منجر به کاهش قابل توجه مقاومت به خوردگی عمومی نمی شود، اگرچه گرمایش طولانی مدت در این محدوده مقاومت به خوردگی عمومی را تحت تاثیر قرار خواهد داد. با این حال همانطور که تاکید شد، آنیل در محدوده دمای 427 تا 816 درجه سانتی گراد منجر به حساسیت به خوردگی بین دانه ای نمی شود. برای دستیابی به حداکثر شکل پذیری، محدوده آنیل بالاتر از 928 تا 1093 درجه سانتی گراد توصیه می گردد.
در صورت نیاز به حداکثر مقاومت به خوردگی، ممکن است ورق استیل 321 تحت عملیات آنیل تثبیت کننده قرار گیرد، بدین شکل که بسته به ضخامتی که دارد، به مدت 5 ساعت در محدوده بین 843 تا 899 درجه سانتی گراد گرم شود. این بازه، بالاتر از محدوده تشکیل کاربیدهای کروم بوده و برای تثبیت آلیاژ و حصول بالاترین مقاومت به خوردگی کافی می باشد. علاوه بر این، در این دما تیتانیوم با کربن ترکیب شده و کاربیدهای تیتانیومِ بی ضرر تشکیل می شود. در نتیجه کروم به محلول جامد بازگردانده شده و کربن به عنوان کاربیدهای بی ضرر با تیتانیوم ترکیب می شود. در صورت انجام عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیدکننده، اکسیدهای ایجاد شده باید در محلول های رسوب زدایی مانند مخلوطی از نیتریک اسید و هیدروفلوئوریک اسید حذف شوند. پس از این کار باید آلیاژ را به دقت شست تا اسیدهای مذکور ورق استیل 321 را تحت تاثیر قرار ندهند. این آلیاژ همچون دیگر آلیاژهای زنگ نزن آستنیتی با عملیات حرارتی سخت نخواهد شد.
شکل پذیری ورق استیل 321
ورق استیل 321 را می توان به راحتی شکل داد و تحت کشش در آورد. البته برای این کار فشارهای بیشتری مورد نیاز می باشد و به این نکته نیز باید توجه کرد که بازگشت فنری در این آلیاژ نسبت به فولادهای کربنی و انواع آلیاژهای فریتی مانند 430 بیشتر می باشد. کارسختی این آلیاژ همچون سایر فولادهای ضد زنگ آستنیتی به سرعت انجام می شود و ممکن است پس از فرآیندهای شکل دهی شدید، به عملیات آنیل نیاز داشته باشد. وجود برخی عناصر آلیاژی می تواند شکل دهی ورق استیل 321 را نسبت به سایر گریدهای زنگ نزن آستنیتی مانند 301، 304 و 305 دشوارتر کند.
کاربردهای ورق استیل 321
ورق استیل 321 در سطح بازار تحت عنوان “ورق استیل ضد سایش” نیز شناخته می شود و با توجه به ریزساختار آستنیتی اش، دارای خواص غیرمغناطیسی بوده و تحت تاثیر میدان های مغناطیسی قرار نمی گیرد. بنابراین می تواند در کاربردهایِ دارای میدان های مغناطیسی نیز استفاده شود. ورق استیل 321 همچنین می تواند در دسته انواع ورق استیل نگیر طبقه بندی شود و با توجه به اینکه توسط عنصر تیتانیوم تثبیت شده است، برای کاربرد در محدوده دمای رسوب کاربید، یعنی بین 427 تا 815 درجه سانتی گراد مفید می باشد. تجهیزات و قطعات هواپیما، منیفولدها، تجهیزات فرآیندهای شیمیایی، لوله های اسپیرال جوشی، قطعات موتور جت و مبدل های حرارتی از جمله کاربردهایی هستند که در ساخت آنها می توان از ورق استیل 321 استفاده نمود. همانطور که قبلاً هم اشاره شده، با توجه به احتمال وقوع خوردگی حفره ای و شیاری، بهتر است این آلیاژ در کاربردهای دریایی و ساحلی مورد استفاده قرار نگیرد.
قیمت ورق استیل 321
قیمت ورق استیل 321 همچون سایر محصولات، وابسته به عوامل زیادی همچون قیمت و در دسترس بودن مواد اولیه آن می باشد. این مواد شامل نیکل، کروم و تیتانیوم می باشد. نیکل عنصری گران قیمت است و قطعاً تاثیر قابل توجهی بر قیمت ورق استیل 321 خواهد گذاشت. از طرفی، این آلیاژ در انواع سطوح مات صیقلی و زبر تک پولیش تولید می شود که هر یک از اینها دارای هزینه های ساخت اضافی هستند و عاملی موثر بر افزایش قیمت ورق استیل 321 می باشند. این آلیاژ همچنین در انواع ضخامت های نازک و ضخیم تولید می شود. بدین معنی که ممکن است تحت نورد سرد یا گرم قرار گیرد که باز هم این موضوع هزینه های اضافی را به دنبال خواهد داشت و نتیجه ی آن در قیمت نهایی ورق استیل 321 احساس خواهد شد. برای آگاهی از آخرین قیمت ورق استیل 321 ضد سایش مات صیقلی در ضخامت های 0.6 تا 3 میلیمتر و انواع مات زبر تک پولیش در ضخامت های 3 تا 60 میلیمتر با کارشناسان فروش مجموعه آذران استیل تماس حاصل کنید.
- مهم ترین ویژگی ورق استیل 321 چیست؟
عمده ترین ویژگی ورق استیل 321 مقاومت در برابر رسوب زایی کاربید کروم و وقوع خوردگی بین دانه ای در محدوده دمایی ( C ° ) 860 – 425 می باشد. این آلیاژ ترکیب نزدیکی به گرید 304 دارد. تنها تفاوت این دو رده آلیاژی مربوط به حضور تیتانیم در ترکیب استیل 321 می باشد. تیتانیم نسبت به کروم تمایل بیشتری برای ترکیب با کربن داشته و بدین صورت از مصرف کروم ساختار و تشکیل کاربید کروم جلوگیری می شود. بنابراین می توان گفت ورق استیل 321 با داشتن مقاومت در برابر خوردگی بین دانه ای، گستره کاری آن در دمای بالا نسبت به گرید 304 بیشتر است.