گرید جدید ورق استیل با خواص ویژه

مقدمه:

خوردگی شدیدترین پدیده ای است که طول عمر و یکپارچگی محصولات فلزی را محدود می کند. برای فولادها، به عنوان کلاس مواد مهندسی پیشرو، این چالش برای اولین بار در پایان قرن نوزدهم حل شد و منجر به توسعه ورق استیل گردید. اینها مواد ضروری هستند که برای بسیاری از قطعات حیاتی ایمنی در صنایع شیمیایی، نیروگاه ها، حمل و نقل، لوازم خانگی، صنایع غذایی و ظروف آشپزخانه به دلیل مقاومت در برابر خوردگی عالی و خواص مکانیکی خوب استفاده می شوند. برای دستیابی به ویژگی‌های مقاوم در برابر خوردگی، ورق های استیل معمولی مبتنی بر سیستم‌های Fe-Cr، Fe-Cr-C و Fe-Cr-Ni باید حاوی حداقل 5/10 درصد وزنی کروم باشند. 

ضعف ورق استیل:

صرف نظر از موفقیت بزرگ فولادهای زنگ نزن، استفاده بیشتر و توسعه ورق های استیل در حال حاضر چندین دهه است که به دلیل برخی از نقاط ضعف آن محدود شده است. مثلاً چگالی جرمی بالای آنها که در حدود 9/7 گرم بر سانتی متر مکعب است و استفاده از مواد اصلی نظیر کروم و نیکل در ساخت آلیاژ که گران هستند و با بارهای زیست محیطی قابل توجهی در هنگام استخراج و تخلیص همراه می باشند، در بسیاری از صنایع چندان مقرون به صرفه نبوده و ممکن است به دلیل چگالی بالا کارآیی لازم را نداشته باشد.

به ویژه بزرگترین ضعف، یعنی کاهش وزن، برای بهبود کارایی سیستم های تبدیل انرژی مهم است و ایمنی زیرساخت های فلزی را تضمین می کند. بنابراین، چالش ورق های استیل کاهش چگالی آنها در عین حفظ ویژگی‌های مقاوم در برابر خوردگی و خواص مکانیکی آنهاست که همگی با تأثیرات زیست‌محیطی کمتر، از طریق جایگزینی (جزئی) کروم و نیکل به دست می‌آیند. 

سیستم آلیاژی جدید ساخت ورق استیل:

در تحقیقات جدید، این دو مشکل کلیدی طولانی مدت، با یک مفهوم جدید طراحی ضد زنگ سبک وزن، بر اساس سیستم آلیاژ آستنیتی Fe-Mn-Al-C حل شده است. این سیستم چهارتایی قبلاً با توجه به طراحی آلیاژ کاهش وزن برای اجزای ساختاری بررسی شده است.

آلومینیوم نه تنها چگالی فولاد را به طور موثر کاهش می دهد، بلکه می تواند استحکام آن را از طریق تشکیل کاربیدهای κ در اندازه نانو افزایش دهد. با افزایش محتوای Al، فولادهای سبک وزن مبتنی بر Fe-Mn-Al-C به طور کلی از طریق ترکیب چگالی جرمی کم و سخت شدن ناشی از کرنش بالا به دلیل استحکام ویژه عالی به دست می آید.

با این حال، افزودن بیش از حد Al منجر به تشکیل رسوب بین دانه ای درشت کاربید κ می شود که منجر به از دست دادن ناگهانی شکل پذیری می گردد. علاوه بر این، افزایش کسر کاربید κ با افزایش محتوای Al باعث می شود زمینه آستنیت ناپایدار شود و منجر به تشکیل فریت در مرزهای دانه شود.

در نتیجه، افزودن بیش از حد Al به فولادهای سبک وزن مبتنی بر Fe-Mn-Al-C می تواند تشکیل عناصر گالوانیکی ریزساختاری را افزایش دهد، در نتیجه خواص خوردگی را کاهش می دهد، علی رغم نقش مثبتی که اتم های Al در تولید یک لایه غیرفعال محافظ روی سطح دارند. این جنبه‌ها محدودیتی حیاتی برای کاربرد گسترده‌تر فولادهای سبک وزن با مقاومت بالا در اجزای ساختاری ایجاد کرده‌اند.

چندین تلاش برای جایگزینی ورق استیل با آلیاژهای Fe-Mn-Al-C انجام شده است، با این حال، آلیاژهای معمولی Fe-Mn-Al-C در مقایسه با ورق های استیل حاوی کروم و نیکل به دلیل ناکافی بودن، مقاومت به خوردگی پایین تری نشان دادند. محتوای Al % حداقل 10 درصد وزنی، مورد نیاز است تا تشکیل یک فیلم غیرفعال متراکم Al2O3 ایجاد شود.

جمع بندی:

در این مقاله، طراحی خانواده جدیدی از فولادهای با چگالی فوق العاده کم، همراه با ساختار آستنیتی سبک وزن با خواص مکانیکی عالی، مقاومت بالا در برابر خوردگی حفره ای و کاهش اثرات زیست محیطی را معرفی گردید. در واقع به این کلاس آلیاژی به عنوان ورق استیل سبک وزن (LWSS) اشاره شده است.

به منظور غلبه بر محدودیت‌های فولادهای سبک وزن آستنیتی مبتنی بر Fe-Mn-Al-C که در بالا توضیح داده شد و برای دستیابی به مقاومت در برابر خوردگی بالا همراه با تعادلی از استحکام و شکل‌پذیری بالا مورد استفاده می باشد، هدف ما دستیابی به یک ریزساختار همگن تحت شرایط محتوای آلومینیوم (> 11.5 درصد وزنی) از طریق تنظیم کافی آلیاژ بالا است.

برای این منظور، از یک ترکیب جزئی با کروم استفاده شده است، که رسوب کاربیدهای κ بین داخل دانه‌ای را سرکوب می‌کند، در نتیجه یک ماتریس آستنیتی همگن با حداقل تشکیل فاز ثانویه ایجاد می‌کند. با این تنظیم آلیاژ، LWSS مزایای فولاد سبک وزن و ورق استیل، با استحکام فوق العاده بالا (بالای 1GPa)، ازدیاد طول بالا (> 35٪)، و کاهش چگالی قابل توجه (> 17٪) را در مقایسه با آهن خالص نشان می دهد.

همچنین مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای قابل مقایسه با ورق های استیل فریتی را فراهم می‌کند و اثرات زیست محیطی کمی دارد زیرا از نیکل استفاده نمی‌کند و فقط از محتوای کروم کم استفاده می‌نماید.

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی