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.
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.