معرفی فولاد زنگ نزن نوع ۳۱۶

فولادهای زنگ نزن به علت مقاومت در محیط‌های خورنده، درجه حرارت بالا و وسعت بالای خواص مکانیکی برای کاربردهای خاصی استفاده می‌شوند؛ این دسته‌ از فولاد عموما برای کاربردهایی که نیاز به کارپذیری بالا، مقاومت در برابر خراش، سایش و خوردگی و سطح صاف دارند، انتخاب می‌شوند. از طرفی با توجه به وسیع بودن ویژگی‌ها، به چهار دسته آستنیتی، مارتنزیتی، فریتی و سختی رسوبی برای تامین خواص متفاوت مورد نیاز تقسیم می‌شوند و با بررسی دقیق‌تر زیر مجموعه آستنیتی کروم، این دسته نیز با توجه به درصد عناصر به کار رفته متفاوت به سه گروه نیکل مگنزدار سری 200، کروم نیکل‌دار سری 300 و کروم‌دار با قابلیت سخت شوندگی سری 400 دسته‌بندی می‌شوند. حال در سری کروم نیکل‌دار 300 گرید خاصی به نام فولاد زنگ نزن 316 قرار دارد که در این مقاله به بررسی ویژگی‌ها، کاربرد آن و مقایسه مختصر استنلس استیل 316 با گریدهای دیگر می‌پردازیم.

فولاد زنگ نزن 316، به عنوان دسته خاصی از فولاد ضد زنگ آستنیتی، به علت داشتن عناصری همچون نیکل و کروم دارای خواص برجسته فیزیکی و مکانیکی نظیر مقاومت به خوردگی، حرارت و کشش می‌باشد و این مزیت باعث کاربرد این گرید فولاد در صنایع متفاوت شده است.

ویژگی‌های فولاد زنگ نزن 316 و کاربردهای آن

فولاد زنگ نزن 316 یا همان استنلس استیل 316 (Stainless Steel 316) یکی از پرکاربردترین انواع استنلس استیل است که همان‌طور که گفته شد، در دسته فولاد زنگ نزن آستنیتی قرار می‌گیرد. در جدول_1 درصد عنصر به کار رفته در آن را نشان می‌دهد که با توجه به درصد بالای کروم و نیکل خواص عالی استحکام کششی، مقاومت به خوردگی در محیط‌های شیمیایی و اتمسفرهای دریایی نسبت به سایر گریدها قابل انتظار است. از طرفی بالاتر بودن درصد کربن آن نسبت به گریدهایی مثل 304 باعث می‌شود خواص ویژه‌ای مثل خوردگی و بالتبع هزینه بالاتری داشته باشد.

خواص مکانیکی فولاد زنگ‌نزن 316

همان‌طور که گفته شد، این گرید مقاومت کششی بالایی دارد و یکی از عوامل موثر بر خاصیت استحکام کششی در فولاد حرارت است؛ جدول_2 تاثیر این پارامتر بر فولاد زنگ نزن 316 را نشان می‌دهد. با افزایش درجه حرارت، استحکام کششی و تسلیم کاهش می‌یابد، با بررسی دقیق‌تر می‌فهمیم که این کاهش در استحکام کششی با سرعت بیشتری انجام می‌گیرد. از طرفی با افزایش دما، کاهش سطح مقطع و افزایش طول نسبی فولاد به وجود می‌آید اما درصد تغییر این دو پارامتر به مرور زمان همانند استحکام با سرعت کمتری نسبت به استحکام کششی و تسلیم، کاهش می‌یابد.

حال به طور خاص‌تر بررسی خواص فیزیکی با تمرکز بر وضعیت کشش استنلس استیل 316 در حالت آنیل شده (آنیل کردن یا بازپخت فرآیندی است که ماده را تا دمای بالا و مناسبی می‌برند و تا زمان مشخصی نگه ‌می‌دارند، سپس با سرعت مناسب سرد می‌کنند تا خواص آن بهبود یابد.) برای اشکال و کاربردهای مختلف مورد توجه است. همان‌طور که در جدول سه نشان داده شده، برای ورق، تسمه، سیم، صفحه و میله فولاد ضد زنگ 316 استحکام کششی در بازه 500-600 مگاپاسکال، استحکام تسلیم 200-500 مگاپاسگال، ازدیاد طول تقریبا 50 درصد و حد تحمل خستگی آن 39 مگاپاسگال است.

بررسی‌ دقیق‌تر ویژگی مقاومت به خوردگی بین دانه‌ای (نوعی خوردگی که به منحصرا برای استنلس استیل درمرزدانه ایجاد می‌شود) این گرید نشان می‌دهد که استنلس استیل 316 بعد از جوشکاری نسبت به خوردگی حساس می‌شود مگر اینکه ابتدا فرآیند آنیلینگ و سپس کوئنچ در آب (به عملیات کاهش دمای فولاد تا دمای محیط یا دمای مشخص بعد از سخت کاری به وسیله روغن، هوا یا آب را گویند) انجام بگیرد. به علاوه این گرید نسبت به خوردگی حفره‌ای (نوعی خوردگی موضعی که فلز سوراخ می‌شود) نسبت به سایر گریدها در محیط‌های اسیدی سرد و گرم حساسیت کمتری دارد.

خواص فیزیکی فولاد زنگ‌نزن 316

در جدول ۴ برخی از خواص فیزیکی مهم فولاد 316 آورده شده و مصرف‌کننده باید در ابتدایی‌ترین مرحله برای کاربرد مورد نظرش، خواص فیزیکی مانند نقطه ذوب، چگالی، رفتار ماده در برابر حرارت، میزان انبساط حرارتی و... محصولی مانند فولاد را داشته باشد تا با توجه به این قضیه و سایر عوامل موثر در انتخاب مواد به ویژه در حوزه انتخاب گریدهای مختلف فولاد، بهترین انتخاب را داشته باشد.

در جدول ۵ بازه درجه حرارتی از ابتدا تا انتهای آهنگری و عملیات حرارتی آنیلینگ برای گرید 316 فولاد آمده و جدول بعدی میزان انبساط حرارتی در بازه‌های دمایی مختلف را نشان می‌دهد که این اطلاعات برای بررسی کاربرد فولاد 316 برای شرایط کاربری در دما بالا نیاز است.

ضریب انبساط حرارتی فولاد

ضریب انبساط حرارتی فولاد نشان‌دهنده میزان تغییر طول یا حجم آن در اثر افزایش دما است و یکی از ویژگی‌های مهم در طراحی قطعات صنعتی محسوب می‌شود. این ضریب بسته به نوع فولاد و ترکیب شیمیایی آن متفاوت است؛ به‌عنوان مثال، فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی مانند 316 دارای ضریب انبساط حرارتی بالاتری نسبت به فولادهای فریتی یا مارتنزیتی هستند. افزایش دما موجب گسترش ساختار کریستالی فولاد شده و در کاربردهایی مانند صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، ساخت مبدل‌های حرارتی و تجهیزات دما بالا باید این عامل به‌دقت در طراحی و انتخاب مواد در نظر گرفته شود تا از تنش‌های حرارتی و تغییر ابعاد ناخواسته جلوگیری شود.

کاربرد استنلس استیل 316

با توجه به خاصیت مقاومت به خوردگی و محیط اسیدی استنلس استیل 316، این فولاد کاربردهای فراوانی دارد که عبارت‌اند از:

• ظروف و تانک‌های حمل و انبار مواد شیمیایی به علت هخاصیت ضد اسیدی استیل 316
• ظروف و تجهیزات فرآیندی مواد غذایی و دیگ‌های پخت غذا
• تجهیزات خشک‌کن در صنایع کاغذسازی
• تجهیزات بیمارستانی برای ساخت کمد، میز و قفسه به‌خصوص در اتاق‌های جراحی
• تجهیزات رنگرزی نساجی و خشک‌کننده‌ها
• پوشش‌ سوخت هسته‌ای و مبدل‌های حرارتی
• تجهیزات تصفیه روغن
• لوازم آشپزخانه (به علت مقاومت در برابر رطوبت) برای ساخت لوازم پخت‌و‌پز، کانال‌های انتقال آب، میزهای آماده‌سازی غذا و...
• تجهیزات ساختمانی برای ساخت اتاق سوناف سیستم‌های تهویه، استخر و...

مقایسه استنلس استیل 316 با 316L

گرید 316L هم مانند گرید 316 در گروه فولاد آستنیتی نیکل-کروم‌دار قرار دارد، با مقایسه جدول ۷ (نشان‌دهنده درصد عناصر تشکیل‌دهنده 316L) و جدول ۱، می‌بینیم که 316L درصد کربن نسبتا پایینی نسبت به 316 دارد و کلا جز فولاد آستنیتی کم کربن است.

برای مقایسه خواص این گرید با 316 می‌توان ادعا کرد مقاومت به خوردگی 316L مشابه با 316 است، اما مقاومت به خوردگی بین دانه‌ای آن پس از عملیات جوشکاری و تنش‌زدایی بالاتر می‌رود. البته تفاوت دیگری که در کاربرد، خودش را نشان می‌دهد این است که قطعاتی که از 316L تولید می‌شوند برای استفاده تا دمای 425 درجه سانتی‌گراد محدود هستند. جدول ۸ خواص کششی این گرید را در اشکال ورق، تسمه، صفحه و میله را نشان می‌دهد که علت تفاوت‌های آن با گرید قبلی در مقدار عناصر است.

مقایسه استنلس استیل 316 با 316F

گرید 316F هم مانند دو گرید قبلی در گروه فولاد آستنیتی نیکل-کروم‌دار قرار دارد، این گرید به ویژگی مقاومت به حرارت مشهور است و در برخی عناصر مثل مولیبدن، نیکل و فسفر با توجه به جدول ۹ نسبت به 316 درصدهای متفاوتی دارد.

در رابطه با مقایسه کلی خواص این گرید با 316، 316F مشابه با 316 برای بهبود قابلیت ماشینکاری، عناصر جدول بالا به آن اضافه شده‌اند و البته تفاوت این دو با هم را می‌توان در نرخ قابلیت ماشینکاری 65 درصدی برای این گرید و 55 درصد برای 316 دانست. جدول ۱۰ خواص کششی را برای ورق و میله نشان می‌دهد.

مقایسه زنگ نزن 316 با 316N

گرید 316N هم مانند سه گرید قبلی در گروه فولاد آستنیتی مولیبدن-نیکل-کروم‌دار قرار دارد، اما تفاوت خاص آن نسبت به گریدهای قبلی وجود عنصر نیتروژن در ترکیبش است که در جدول ۱۱ آمده که باعث تضعیف قابلیت سخت شدن حتی با وجود کربن شده است.

این گرید با وجود نرم بودن از استحکام خوبی نسبت به نوع 316 برخوردار است و همچنین مقاومت به خوردگی و حرارت بالایی دارد. وجود نیتروژن بالای آن جلوی خوردگی حفره‌ای آن برای محیط‌های اسیدی را گرفته است. جدول ۱۲ به بررسی خواص کششی 316N برای ورق و میله را نشان می‌دهد و با توجه به آن استحکام این گرید مقدار بالایی نسبتا دارد.

در این مقاله به بررسی فولاد زنگ نزن از جمله فولاد ضد زنگ 316 و نگاه دقیق‌تری به برخی خواص فیزیکی، کاربرد و مقایسه آن با گریدهای نزدیک، انداختیم تا فعالان در عرصه تولید قطعات فولادی با توجه به مقاومت به خوردگی و حرارت بالای این گروه بتوانند تصمیم‌گیری راحت‌تر در خرید و استفاده از آن برای تولید ورق، میله و لوله استنلس استیل 316 داشته باشند.