نقش تیتانیوم: محافظی در برابر تردی و خوردگی بین دانه‌ای

نقش تیتانیوم: محافظی در برابر تردی و خوردگی بین دانه‌ای

• بازدید:3
• کامنت:0
• سه شنبه, 29 مهر 1404

چکیده:

فولادهای زنگ‌ نزن سری 300 (آستنیتی) و سری 400 (فریتی و مارتنزیتی) به دلیل ترکیب بهینه از خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی، کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. با این حال، عملکرد آن‌ها در محیط‌های خورنده خاص و در معرض دماهای بالا می‌تواند با محدودیت مواجه شود. در این میان، افزودن عناصر آلیاژی خاص مانند مولیبدن و تیتانیوم نقش تعیین‌کننده‌ای در ارتقای پایداری حرارتی و مقاومت به خوردگی این فولادها ایفا می‌کند. این مقاله به بررسی مکانیسم‌های تأثیر این دو عنصر بر روی گریدهای مختلف سری 300 و 400 می‌پردازد و نقش آن‌ها را در مقابله با پدیده‌های مخربی مانند خوردگی حفره‌ای، خوردگی بین دانه‌ای و تردی فاز سیگما تحلیل می‌کند.

مقدمه

پایداری و دوام فولادهای زنگ‌نزن در محیط‌های مهاجم و شرایط سرویس دما بالا، مستقیماً به ترکیب شیمیایی و ریزساختار آن‌ها وابسته است. در حالی که کروم عنصر پایه برای تشکیل لایه پسیو محافظ است، عناصری مانند مولیبدن و تیتانیوم به عنوان اصلاح‌کننده‌های هدفمند برای غلبه بر نقاط ضعف خاص به کار می‌روند. درک نقش این عناصر، کلید انتخاب صحیح گرید فولاد برای کاربردهای بحرانی است.

1. نقش مولیبدن: سدی در برابر خوردگی موضعی

مولیبدن (Mo) یکی از مؤثرترین عناصر آلیاژی برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی موضعی، به‌ویژه خوردگی حفره‌ای (Pitting) و خوردگی شکافی (Crevice) محسوب می‌شود.

الف) مکانیسم عمل در فولادهای آستنیتی سری 300:

تثبیت لایه پسیو: یون‌های مولیبدن (MoO₄²⁻) در کنار اکسید کروم، در لایه پسیو جذب شده و آن را در برابر یون‌های مهاجم مانند کلرید پایدارتر می‌کنند. این کار باعث افزایش پتانسیل بحرانی حفره‌دار شدن (E_pit) می‌شود.

بازدارندگی انحلال: در صورت ایجاد حفره، مولیبدن به تشکیل یک لایه محافظ غنی از MoO₂ در سطح داخلی حفره کمک می‌کند که به طور مؤثری از گسترش بیشتر خوردگی جلوگیری می‌نماید.

نماد عینی: گرید 316 در مقابل 304: بارزترین مثال، مقایسه گرید 304 (بدون مولیبدن) و گرید 316 (حدود ۲-۳٪ مولیبدن) است. گرید 316 مقاومت به مراتب بالاتری در محیط‌های حاوی کلرید (مانند آب دریا یا فرآیندهای شیمیایی) از خود نشان می‌دهد. برای محیط‌های بسیار خورنده، گریدهای سوپرآستنیتی مانند 317L با درصد مولیبدن بالاتر (۳.۵-۴.۵٪) توسعه یافته‌اند.

ب) مکانیسم عمل در فولادهای فریتی سری 400:

در فولادهای فریتی مانند گرید 434، افزودن حدود ۱٪ مولیبدن، مقاومت به خوردگی حفره‌ای و شکافی را به طور مشهودی نسبت به گرید پایه 430 بهبود می‌بخشد. مکانیسم عمل مشابه با فولادهای آستنیتی است، اما از آنجا که فاز فریت ذاتاً مقاومت به خوردگی کمتری نسبت به آستنیت دارد، اثر مولیبدن در این فولادها نیز حیاتی است.

2. نقش تیتانیوم: محافظی در برابر تردی و خوردگی بین دانه‌ای

تیتانیوم (Ti) به عنوان یک عنصر تثبیت‌کننده کربن (Carbide Stabilizer) عمل می‌کند و تأثیر شگرفی بر پایداری حرارتی و مقاومت به خوردگی بین دانه‌ای دارد.

الف) مقابله با خوردگی بین دانه‌ای (Intergranular Corrosion):

مکانیسم مخرب: وقتی فولادهای زنگ‌نزن در محدوده دمایی ۴۵۰ تا ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند (مانند جوشکاری یا عملیات حرارتی)، کربن موجود در آلیاژ تمایل به تشکیل کاربید کروم (Cr₂₃C₆) در مرز دانه‌ها دارد. این پدیده منجر به فقر کروم در نواحی اطراف مرز دانه‌ها شده و باعث می‌شود این مناطق در برابر خوردگی بسیار آسیب‌پذیر شوند.

مداخله تیتانیوم: تیتانیوم که میل ترکیبی بیشتری با کربن نسبت به کروم دارد، ترجیحاً کاربید تیتانیوم (TiC) تشکیل می‌دهد. این کاربید در دماهای بالا پایدار است و از مصرف کروم و تشکیل کاربید کروم جلوگیری می‌کند. در نتیجه، کروم در ماتریس فولاد باقی می‌ماند و مقاومت به خوردگی یکنواخت حفظ می‌شود.

نماد عینی: گرید 321 در مقابل 304: گرید 321 در واقع همان گرید 304 است که با تیتانیوم تثبیت شده است. این گرید برای قطعاتی که در معرض دماهای بالا قرار می‌گیرند یا تحت جوشکاری سنگین هستند، ایده‌آل است، زیرا از وقوع خوردگی بین دانه‌ای در ناحیه متأثر از حرارت (HAZ) اطراف جوش جلوگیری می‌کند.

ب) تأثیر بر پایداری حرارتی و استحکام در دمای بالا:

جلوگیری از تردی فاز سیگما: در فولادهای فریتی سری 400 که درصد کروم بالایی دارند (مانند گرید 446)، قرارگیری طولانی‌مدت در دمای بالا می‌تواند منجر به تشکیل فاز ترد و شکننده سیگما (σ) شود. تیتانیوم با تعدیل ساختار و تشکیل کاربیدهای پایدار، می‌تواند تشکیل این فاز را به تأخیر انداخته یا از آن جلوگیری کند و thereby پایداری حرارتی را افزایش دهد.

استحکام‌دهی رسوبی: ذرات ریز و پایدار TiC با ایجاد مکانیزم سخت‌شدگی رسوبی، به حفظ استحکام در دماهای بالا کمک می‌کنند. این ویژگی در هر دو سری آستنیتی و فریتی حاوی تیتانیوم مفید است.

3. تعامل و انتخاب بهینه: یک نگاه کاربردی

انتخاب بین مولیبدن و تیتانیوم یا استفاده همزمان از آن‌ها کاملاً به شرایط سرویس بستگی دارد:

محیط‌های خورنده کلریدی: در این محیط‌ها (مانند صنایع دریایی، پتروشیمی)، اولویت اصلی با مولیبدن است. گرید 316 یا گریدهای فریتی مانند 434 گزینه‌های برتر هستند.

کاربردهای دما بالا و جوشکاری: برای قطعاتی مانند اگزوزها، مخازن تحت فشار و قطعات کوره که در معرض دمای بالا قرار دارند یا نیاز به جوشکاری دارند، تیتانیوم عنصر کلیدی است. گرید 321 (آستنیتی) یا گرید 409 (فریتی با تثبیت جزئی) نمونه‌های بارز هستند.

شرایط بسیار سخت: در برخی کاربردهای خاص، مانند راکتورهای شیمیایی که هم در معرض خوردگی کلریدی هستند و هم تحت عملیات حرارتی یا جوشکاری قرار می‌گیرند، از گریدهایی استفاده می‌شود که هم حاوی مولیبدن و هم تثبیت‌شده با تیتانیوم هستند (مانند برخی گریدهای خاص سوپرآستنیتی یا فولادهای دوپلکس).

نتیجه‌ گیری

مولیبدن و تیتانیوم، هر یک به سهم خود، قابلیت‌های فولادهای زنگ‌نزن سری 300 و 400 را به سطح کیفی جدیدی ارتقا می‌دهند. مولیبدن با تقویت لایه پسیو، سپری در برابر حمله موضعی خوردگی ایجاد می‌کند، در حالی که تیتانیوم با تثبیت کربن، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی بین دانه‌ای را تضمین می‌نماید. این عناصر نه‌تنها مشکلات ذاتی هر سری را کاهش می‌دهند، بلکه دامنه کاربرد آن‌ها را در صنایع پیشرفته گسترش می‌دهند. بنابراین، درک عمیق تأثیر این عناصر آلیاژی، برای مهندسین و طراحان به منظور انتخاب ماده‌ای با طول عمر و قابلیت اطمینان بالاتر در مواجهه با چالش‌برانگیزترین شرایط عملیاتی، امری ضروری است.