خوردگی فولادهای زنگ نزن و روش های کنترل آن

خوردگی فولادهای زنگ نزن و روش های کنترل آن

اسلاید 1: بسم الله الرحمن الرحیم

اسلاید 2: خوردگی فولادهای زنگ نزن و روشهای کنترل آناستاد راهنما : سرکار خانم مهندس آقازادهگردآورندگان : حمیدرضا رحیمی ، مهدی نجفی ، میثم تونی چشمه سلطانیمرکز پژوهش و مهندسی جوش ایران

اسلاید 3: فولاد زنگ نزن گروهی از فولادهای پر آلیاژ، بر پایه سیستم های Fe-Cr،-C Fe-Crو Fe-Cr-Ni می باشند. برای زنگ نزن بودن، این فولادها باید حاوی حداقل 5/10 درصد وزنی کرم باشند. این میزان کرم باعث تشکیل یک سطح غیر فعال اکسیدی می شود که از اکسیداسیون و خوردگی فلز زیری، در شرایط محیط و غیر خورنده محافظت می کند. فولادهای زنگ نزن دارای کاربردهای مختلفی از جمله استفاده در عملیات تولید نیرو، عملیات شیمیایی و کاغذ سازی، ساخت بسیاری از محصولات تجاری نظیر تجهیزات آشپزخانه و قطعات اتومبیل هستند. فولادهای زنگ نزن همچنین به طور گسترده در کاربردهای استیریل مثل فرآیندهای داروسازی، تولید لبنیات و غذا مورد استفاده قرار می گیرند.

اسلاید 4: تاریخچه فولادهای زنگ نزناضافه کردن کرم به فولاد و مشاهده اثرات مفیدآن بر مقاومت خوردگی، به طور کلی به فرنچمن برتیر فرانسوی نسبت داده می شود که در سال 1821، آلیاژی حاوی 5/1 درصد وزنی کرم جهت کاربردهای برشی را توسعه داد. از سال های 1910 تا 1915 تلاش های زیادی برای تولید تجاری این آلیاژها انجام شد. اولین گزارش تولید اقتصادی فولاد زنگ نزن به هری بررلی نسبت داده شده است، او یک متالورژیست در شفیلد انگلستان بود. اولین شمش فولاد زنگ نزن در سوم مارس 1915 به وسیله شرکت فرس استرلینگ در پیتسبرگ آمریکا ریخته شد. این موضوع سرانجام به ثبت اختراع شماره 1197256 در آمریکا توسط بررلی منجر شد . فولادهای ساخته شده به کمک این اختراع به عنوان «اولین زنگ نزن» شناخته شدند.

اسلاید 5: انواع فولادهای زنگ نزن و کاربرد آنهادسته بندی فولادهای زنگ نزن بر اساس فاز و یا فازهای متالورژیکی می باشد. سه فاز اصلی موجود در فولادهای زنگ نزن، مارتنزیت، فریت و آستنیت است. فولادهای زنگ نزن دو فازی حاوی مقدار تقریبی 50% آستنیت و 50% فریت هستند و دارای مزایای مناسب هر دو نوع فاز می باشند. نوع سختی رسوبی (PH) به این عنوان لقب گرفته است زیرا به کمک عملیات حرارتی پیر سازی، رسوب هایی در زمینه ایجاد شده که باعث سختی فولاد می شود. فولادهای زنگ نزن دسته PH بیشتر به وسیلۀ فاز زمینه ای دسته بندی شده­اندکه در آن رسوب تشکیل می­شود، و شامل انواع مارتنزیتی، نیمه مارتنزیتی و آستنیتی هستند. انستیتوی آهن و فولاد آمریکا (AISI) از سیستمی با سه شماره که گاهی با یک حرف نیز همراه می شود برای تعیین نوع فولاد زنگ نزن استفاده می کند. برای مثال 304، 304 L، 410 و 430

اسلاید 6: انواع فولاد زنگ نزنمارتنزیتی (4xx)فریتی (4xx)آستنیتی (3xx و 2xx)دوفازی (آستنیتی و فریتی)سختی رسوبی (PH)

اسلاید 7:

اسلاید 8: مقاومت خوردگی در بیشتر موارد، فولادهای زنگ به خاطر مقاومت در برابر خوردگی و یا مقاومت حرارتی انتخاب می شوند. به دلیل طبیعت غیر فعال لایه اکسیدی غنی ازکرم، فولادهای زنگ نزن در برابر خوردگی های معمولی که فولادهای C-Mn و فولادهای کم آلیاژ دچار آنها می شوند، مقاوم هستند.

اسلاید 9: انواع خورد گی در فولادهای زنگ نزن1-خورد گی حفره ای و شکافی2-خورد گی بین دانه ای3-خورد گی محل جوش: الف)حمله شیار چاقویی ب)پوسیدگی جوش4-ترک خوردگی تنشی

اسلاید 10: 1- خورد گی حفره ای و شکافی:اگر فولاد زنگ نزن در محیطی که حاوی کلرید زیاد است مانند آب دریا یا محلولهای سفید کننده مورد مصرف در صنایع خمیر کاغذ، به کار رود اغلب خوردگی موضعی به شکل خوردگی حفره ای پیش می آید .

اسلاید 11: که گاهی می تواند منتج به سوراخ شدن دیواره های لوله و یا سبب خوردگی شکافی مثلاً در اتصالات فلنجی گردد. این دو نوع خوردگی به هم ربط دارند.راه حل پر کردن مواد با مواد مقاوماستفاده از جوش به جای اتصال فلنچی

اسلاید 12: فولادهای زنگ نزن در مقابل خوردگی موضعی حساس اند مخصوصاً در حضور یون هالوژن. در بین هالوژنها، کلر خورنده ترین یون بوده و در ضمن از اهمیت بالایی برخوردار است.افزودن سولفید، خوردگی را به مقدار چشمگیری بالا می برد که به علت حل شدن سولفید مزاحم در سطح فولاد است.خوردگی موضعی تنها بعد از یک دوره نهفتگی، ظاهر می شود که در طی آن آغازش حمله تحقق می یابد. بعداً مرحله انتشار و رشد حفره فرا می رسد. آغازش و انتشار، هر دو به وسیله مکانیسمی انجام می گیرند که شامل پیلهای خوردگی الکتروشیمیایی است.

اسلاید 13: خوردگی بین دانه ای ممکن است در بعضی فولادهای زنگ نزن که مقدار کربن آنها زیاد است (05/0 تا C%15/0) پدید آید. این خوردگی در فولادهایی به وجود می آید که عملیات حرارتی روی آنها طوری انجام گرفته که کروم کاربید در بین دانه ها رسوب کرده و جسم در محلول اسیدی یا آب دریا قرار گرفته است. برای فولادهای آوستنیتیک کروم کاربید در محدودهدمای 550 تا C˚ 850 رسوب می کند. در این حالت گفته می شود که فولاد حساس شده است.2- خوردگی بین دانه ای:

اسلاید 14: نتیجه رسوب کروم کاربید این است که در منطقه تاریکی در نزدیکی مرز دانه ها مقدار کروم، آن قدر کاهش می یابد که فولاد ویژگی ((ضد زنگ)) خود را از دست می دهد. حساس شدن به عملیات حرارتی در فرآیند ساخت آن محدود نمی شود، بلکه در نتیجه جوش دادن آن نیز پیش می آید. چون مناطق نزدیک محل جوشکاری از دمای فوق، گرمتر خواهدشد. مناطق تهی از کروم با قرار گرفتن در محیط خورنده به همراه بخشهای باقیمانده سایر دانه ها، تشکیل پیلهای خوردگی می دهند. در این پیلها، فلز تهی از کروم، نقش آند را ایفا می کند که نتیجه آن حمله خوردگی بین دانه ای خواهد بود. خوردگی بین دانه ای معمولاً بر روی شکل جسم اثر نمی کند اما ویژگی های مقاومت جسم به شدت کاهش می یابد. در محیط حاوی کلرید مانند آب دریا حمله به صورت تشکیل حفره مشاهده می شود. نتیجه خوردگی بین دانه ای کاهش صدای فلز صدمه دیده در اثر ضربه زدن است.

اسلاید 15: 3- خوردگی محل جوش:بعد از جوشکاری، حتی بعد از نصب به کمک جوشکاری، نقاط و مناطق جوشکاری شده را از اکسیدهای تشکیل شده در طی گرم شدن فلز که احتمالاً عاری از کروم است تمیز می کنند. این کار شرایط لازم برای اثر ناپذیری را مساعدتر می کند به طوری که از خوردگی محل جوشکاریها اجتناب می شود. عمل تمیز کردن را می توان با فرو بردن قطعه در محلول قطعه شویی و یا به کمک سایش انجام داد.حتی جوشهای تمیز شده در بعضی فولادهای زنگ نزن نیز ممکن است در شرایط نامناسب، در مقابل خوردگی، مقاومت کمتری، در مقایسه با بقیه قسمتهای فلز، نشان دهند.

اسلاید 16: در این مورد سه نوع حمله دیده می شود :حمله روی درز جوش دارای ویژگی خوردگی موضعی است و هنگامی مشاهده می شود که فلز پایه از فلز پر کننده نجیبتر باشد (درز جوش که آند را تشکیل می دهد در مقایسه با فلز پایه کاتدی سطح کوچکتری دارد)حمله در مناطق گرمادیده که در هنگام جوشکاری در منطقه HAZ بعضی از فولادهای زنگ نزن ممکن است به وجود آید حمله خط چاقویی که در مرز بین فلز پایه و فلز پر کننده در فولادهای پایدار شده ایجاد می شود

اسلاید 17: نوعی از خوردگی که می تواند خیلی سریع به صدمه جدی منجر شود ترک خوردگی تنشی است .برای اینکه کششهای مکانیکی سبب شروع این نوع ترک شود بای مقدار آن از سطح بحرانی تجاوز کند . سطح بحرانی بستگی به ترکیب فولاد، زبری سطح، اندازه ذرات، ساختار و نیز محیط و دما دارد .تنشهای کششی یک سازه ممکن است به علل مختلف مانند جوشکاری، ماشینکاری و عملیات شکل دهی آن به وجود آید .4-ترک خوردگی تنشی

اسلاید 18: ویژگیهای خوردگی فولادهای زنگ نزن فریتی:به طور کلی فولادهای زنگ نزن فریتی سختی پذیر نیستند و در شرایط تابکاری شده بهترین مقاومت به خوردگی را دارند. با افزایش مقدار کرم مقاومت به خوردگی این آلیاژها افزایش می یابد، در آلیاژهایی با 23 تاCr 28% اگر عملیات حل سازی – تابکاری انجام شود بهترین مقاومت به خوردگی را خواهند داشت. در فولادهای زنگ نزن فریتی با افزایش کرم و مولیبدن تا اندازه ای مقاومت به حفره دار شدن افزایش می یابد که مفید است.برای داشتن مقاومت به حفره دار شدن، فولاد باید حداقل 23 تا Cr24% و Mo2% داشته باشد. رسوب کردن کاربیدهای کرم به هنگام جوشکاری یا عملیات گرمایی، مقاومت به حفره دار شدن را کاهش می دهد.

اسلاید 19: حتی فولادهای زنگ نزن فریتی با مقادیر کم کربن و نیتروژن مستعد خوردگی بین دانه ای اند.مکانیزم خوردگی بین دانه ای در فولادهای زنگ نزن فریتی مشتمل بر رسوب کاربیدها و نیتریدهای کرم در مرزدانه هاست. این رسوبها باعث می شوند که در مناطق مجاور مرزدانه مقدار کرم به کمتر از مقدار بحرانی 12%، که برای مقاومت به خوردگی لازم است، برسد.در یک دمای معین، حلالیت کربن و نیتروژن در فریت بسیار کمتر از آستنیت است. از آنجا که واکنشهای رسوبی در فولادهای زنگ نزن فریتی در دماهای بالا (یعنی 600 تا C˚ 800) به علت آهنگهای تند نفوذ کربن و نیتروژن در فریت سریعاً رخ می دهد حتی با آبدهی سریع نمی توان از تشکیل آنها جلوگیری کرد. از این رو، حتی مقد ار کم نیتروژن وکربن به لحاظ خوردگی مضرند.

اسلاید 20: روش دیگر کاهش خوردگی بین دانه ای در فولادهای زنگ نزن فریتی استاندارد، پایدار کردن این آلیاژها با تیتانیم و کلومبیوم است. با تشکیل کاربیدهای تیتانیم و کلومبیم در دماهای بالا، مقاومت به خوردگی بین دانه ای این آلیاژها در دمای پاین بهبود می یابد. به عنوان مثال آلیاژ 409 با افزودن تیتانیم به میزان شش برابر کربن آن آلیاژ 436 با افزودن کلومبیم به میزان پنج برابر مقدار کربن آن پایدار شده است.

اسلاید 21: ویژگیهای خوردگی فولادهای زنگ نزن مارتنزیتیدر مقایسه با فولادهای زنگ نزن فریتی و آستنیتی، مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی نسبتاً ضعیف است. بیشتر فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی فقط دارای حداقل کرم 12%، می باشند که برای رویین شدن در هوای مرطوب لازم است، اگر کرم اضافه شود، تشکیل فریت راحت تر خواهد بود، البته به قیمت از بین رفتن آستنیت که برای تشکیل مارتنزیت لازم است. ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی را به گونه ای انتخاب می کنند که سختی و استحکام و نیز مقاومت به خوردگی تامین شود، و بنابراین موازنه ترکیب شیمیایی این آلیاژ از نظر خوردگی ضعیف است. فقط مقدار کمی از عناصر آلیاژی دیگر مثلNi می توان اضافه کرد. زیرا عناصر آلیاژی از دگرگونی آستنیت به مارتنزیت جلوگیری می کنند.

اسلاید 22: فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی معمولاً پس از آبدهی بازپخت می شوند، اما باید دقت کرد تا از باز پخت در گستره 370 تا C˚ 600 که استحکام ضربه ای کم است پرهیز شود. در این گستره بحرانی، مقاومت به خوردگی این آلیاژها نیز کاهش می یابد.

اسلاید 23: ویژگیهای خوردگی فولادهای زنگ نزن آستنیتیخوردگی عمومی: به طور کلی، مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن آستنیتی از تمام فولادهای زنگ نزن بیشتر است و در محیطهای صنعتی و محلولهای اسیدی بیشترین مقاومت را دارند.خوردگی حفره ای: افزایش بیش از Mo 2% به فولادهای زنگ نزن آستنیتی مقاومت به حفره دار شدن را افزایش می دهد. آلاژ مشهور این گروه، نوع 316 است که Mo 5/2% دارد. در محلولهایی که که به شدت خوردگی حفره ای ایجاد می کنند(یعنی محلولهایی که کلرید زیادی دارند) مقدار نیکل و مولیبدن لازم بیش از آلیاژ 316 می باشد. عموماً فولادهای تمیزتر، با ناخالصی و آخال کمتر، مقاومت بیشتری به حفره دار شدن دارند ولی هزینه تولید آنها زیاد است.خوردگی بین دانه ای: از معایب بزرگ بعضی فولادهای زنگ نزن آستنیتی (مثل آلیاژ مشهور 304) این است که اگر در گستره دمایی 400 تا C˚ 850 گرم شوند نسبت به خوردگی بین دانه ای حساس خواهند شد. میزان حساسیت به خوردگی بین دانه ای به ترکیب شیمیایی آلیاژ و مدت نگهداری در گستره دمایی حساسیت بستگی دارد.

اسلاید 24: برای شدت بخشیدن خوردگی بین دانه ای در نمونه های آزمایشگاهی از اسیدهایی با قدرت اکسید کنندگی زیاد استفاده می شود. مثلاً، آلیاژ 304 تابکاری شده وقتی در محلول جوشان نیتریک – دی کرومات قرار گیرد خوردگی بین دانه ای شدیدی در آن ایجاد می شود.

اسلاید 25: همان طور که قبلاً بحث شد، با کم کردن مقدار کربن به کمتر از حد حلالیت می توان از خوردگی بین دانه ای فولادهای زنگ نزن آستنیتی به میزان زیادی جلوگیری کرد. به عنوان مثال، آلیاژ نوع L304 حداکثر C 03/0% دارد. روش دیگر جلوگیری از خورگی بین دانه ای ترکیب کردن کربن با تیتانیم و یا کلومبیم و تشکیل کاربیدهای تیتانیم و یا کلومبیم است مثل آنچه در مورد آلیاژهای 321 و 347 انجام شده است.

اسلاید 26: ویژگیهای خوردگی فولادهای زنگ نزن رسوب سختی شونده(PH) :به نظر می رسد که مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن PHبه شرایط عملیات حرارتی بستگی دارد. عموماً هنگامی که فولاد در وضعیت کاملاً سخت شده قرار دارد، مقاومت به خوردگی بهینه می شود. استثنائاتی نیز برای این قاعده کلی در محیط خورنده خاص وجود دارد.در نتیجه، بهترین روش استفاده از توصیه های تولید کننده فولاد می باشد.اطلاعات اندکی در رابطه با مقاومت به خوردگی قطعات جوش وجود دارد. آلیاژ 17-4 PH نشان میدهددر هنگامی که عملیات حرارتی پیر سازی بعد از جوشکاری به کار رفته باشد، مقاومت به خوردگی آن در حالت جوشکاری شده قابل مقایسه با وضعیت قبل از جوشکاری می باشد.

اسلاید 27:

اسلاید 28: فولادهای زنگ نزن مقاوم هستند در برابر:اسید نیتریک ( با غلظت ها و دماهای مختلف)اسید سولفوریک (خیلی رقیق، دمای معمولی، محتوای هوا)، با غلظت های حدود 10%، دمای جوش و در حضور³+Fe، ²+Cu یا اسید نیتریک، در دماهای پایین و به شرط اضافه کردن مقادیر کمی Cu،Pt ،Pd به فولاد و نیز هنگامی که در مجاورت اسید سولفوریک گرم یا سرد محافظت کاتدی شده باشند.اسیدهای آلی شامل تقریباً کلیه ی اسیدهای موجود در مواد غذایی و اسید استیک است، (به جز اسید استیک گلاسیال و جوش)اسید سولفورو، عاری از= 4 SO و Cl-.قلیایی ها( به جز در محلول غلیظ و گرم سود سوز آور و در صورت وجود تنش). در هوا، انواع 302 و 304 که در تزئینات ساختمان ها و فروشگاه ها به خوبی استفاده می گردد. انواع مزبور و نیز نوع 430 در تزئینات اتومبیل ها به کار برده می شود.

اسلاید 29: فولادهای زنگ نزن مقاوم نیستند در برابر:اسید کلریدریک (HCL)، اسید برمیدریک(HBr) و اسید فلویوریدریک(HF) (رقیق و غلیظ)، و محلول های حاوی املاحی که در اثر هیدرولیز تولید اسیدهای نامبرده را نماید.کلرورهای اکسید کننده مانند3FeCl ،2HgCl ،2CuCl ، NaOClآب دریا، به جز در مدت های کوتاه یا در صورتی که حفاظت کاتدی شده باشند.محاول های عکاسی، مخصوصاً محلول های ثابت کننده که حاوی تیو سولفات می باشد.برخی اسیدهای آلی از قبیل اسید اگزالیگ، اسید فرمیک و اسید لاکتیک.آلیاژهای آستنیتی تنش دار( مثلاً نوع 304) در آب های حاوی O2+Cl- در دماهای بالاتر از C˚80- 60.

اسلاید 30: منابع :متالورژی و جوشکاری فولادهای زنگ نزن پروفسور جان لیپولد و دکتر دامیان کوتکی ترجمه مهندس خاکزادساختار، خاص و کاربرد آلیاژهای مهندسی ویلیام اسمیت ترجمه دکتر اکرامی و دکتر سید ریحانیمبانی تکنولوژی خوردگی اینار ماتسون ترجمه هورفرخوردگی و روشهای کنترل آن رحیم زمانیان متالورژی جوشکاری سیندوکو پایان