0
04136674922

توضیح ساده و کاربردی خوردگی بین دانه ای در فولادهای زنگ نزن

پیشگیری از خوردگی

 

خسارت هایی که خوردگی مواد و آلیاژها بر زندگی بشر وارد می کند آن قدر زیاد است که اگر راه های پیشگیری و کاهش خسارت های ناشی از آن کشف یا به کار گرفته نمی شد، سهم زیادی از درآمدهای بشر باید صرف جبران آن ها می شد. فرض کنید اگر در شیرآلات خانگی، ستون ساختمان ها، درب و پنجره های آهنی و بدنه خودرو از تکنیک های پیشگیری از خوردگی استفاده نمی کردیم، مجبور به پرداخت چه هزینه های گزافی برای تعمیر و جایگزینی قطعات بودیم؟! خوردگی علاوه بر خسارت های مستقیم، خسارت های غیرمستقیم زیادی هم می تواند داشته باشد که در برخی موارد بیشتر از خسارت های مستقیم است. برای مثال تعویض یک پروانه ی پمپ خورده شده، علاوه بر هزینه ی قطعه ی جایگزین، هزینه های دیگری از جمله هزینه های مونتاژ و دمونتاژ، خوابیدن خط، زمان صرف شده و غیره هم دارد. این هزینه ها در صنایعی مثل صنعت نفت و نیروگاه می تواند باعث خسارت های زیانبار و جبران ناپذیری شود.

 

حالا که به اهمیت موضوع خوردگی و پیشگیری از آن اشاره کردیم، به موضوع اصلی این نوشته بر می گردیم و به پاسخ سوالات زیر می پردازیم:

 

خوردگی بین دانه ای چیست؟ این نوع خوردگی در کدام نوع آلیاژها رخ می دهد؟ در چه محیط هایی تشدید می شود؟ چگونه می توان خوردگی بین دانه ای را کنترل و از خسارت های ناشی از آن کاست؟

 

 

خوردگی بین دانه ای (intergranular corrosion)

 

خوردگی بین دانه ای (intergranular corrosion) نوعی از خوردگی است که بیشتر در مرز دانه های برخی آلیاژهای فولاد زنگ نزن، نیکل، مس و آلومینیوم و معمولاً به دلیل حضور ناخالصی ها و رسوبات در مرزدانه ها یا کمبود موضعی یک یا چند عنصر آلیاژی رخ می دهد.

 

 

 

 

برای توضیح بهتر این خوردگی، وقوع آن را در فولادهای زنگ نزن پر کاربرد ۳۰۴ و ۳۱۶ بررسی می کنیم.

 

فولادهای زنگ نزن آستنیتی مثل فولاد ۳۰۴ و ۳۱۶ از پرکاربردترین فولادهای مورد استفاده در صنعت هستند که معمولاً دارای حداقل ۱۸ درصد کروم هستند. لازم به یادآوری است که نقش اصلی مقاومت به خوردگی در فولادهای زنگ نزن بر عهده کروم است. کروم با تشکیل لایه پایدار اکسید کروم در سطح فولاد، سبب جلوگیری از نفوذ اکسیژن و ترکیب آن با لایه های زیرین می شود. تقریباً تمام فولادهای زنگ نزن دارای بیش از ۱۲ درصد کروم هستند. لایه اکسید کروم بسیار نازک (با ضخامتی در حد چند اتم برای جابجایی اتم ها، چه اتم های اکسیژن به سمت داخل و چه اتم های فلزی به سمت خارج)، چسبنده و غیرقابل نفوذ می باشد. وقتی این فیلم محکم به صورت پیوسته تشکیل شده باشد، فلز در حالت پسیو قرار دارد.

 

یکی از ضعف های شایع و عمده ی فولادهای زنگ نزن آستنیتی آن است که اتفاقی در آن ها می افتد که مقدار کروم این فولادها در نواحی مرزدانه های آستنیت به زیر مقدار ۱۱ درصد (یعنی حداقل مقدار کروم برای زنگ نزن شدن فولاد) می رسد. در نتیجه، این نواحی از کروم فقیر شده و در محیط ها و سرویس های کاری ویژه به طور ترجیحی خورده می شوند. این همان اتفاقی است که به آن خوردگی بین دانه ای می گویند. حال پرسش این است که این اتفاق چگونه رخ می دهد؟

 

 

 

 

 

در پاسخ باید گفت که اگر فولادهای زنگ نزن آستنیتی مثل ۳۰۴ و ۳۱۶ هنگام سرد شدنِ پس از عملیات حرارتی یا جوشکاری، از محدوده دمایی حدود ۸۵۰-۴۲۵ به آهستگی عبور کنند، کاربیدهای کروم تشکیل می شود. این کاربیدها در محلول جامد نامحلول هستند و با جدا شدن از آن، در مرزدانه های آستنیت رسوب می کنند. در نتیجه، حوالی مرز دانه ها از کروم تهی می شود و آلیاژ به دلیل فقیر شدن مرزدانه ها از کروم به خوردگی موضعی حساس می شود. لازم به ذکر است که در خودِ دانه خوردگی رخ نمی دهد و اگر هم رخ دهد بسیار ناچیز است. به این پدیده حساس شدن و به فولادهایی که این اتفاق برایشان می افتد، فولادهای حساس شده می گویند. به خوردگی و زنگ زدن موضعی این فولادها در این شرایط نیز خوردگی بین دانه ای می گویند.

 

 

خورده شدن مرزدانه های فولاد زنگ نزن آستنیتی در محیط اسیدی، الف)اطراف دانه ها کامل خورده نشده اند، ب) مرزدانه ها کاملاً خورده شده اند

 

 

خورده شدن مرزدانه های فولاد زنگ نزن فریتی در محیط اسیدی

 

 

تست خمش یک فولاد زنگ نزن مبتلا به خوردگی بین دانه ای – ترک و شکاف از مرزدانه های خورده شده در این تست نشان داده شده است.

 

 

 

 

 

 

فقر کروم در مرزدانه ها علاوه بر خوردگی بین دانه ای، استعداد آلیاژ برای ابتلا به خوردگی توام با تنش، حفره دار شدن، خوردگی شیاری و خوردگی شیار چاقو را افزایش می دهد. اگر می خواهید با توصیف کوتاهی از این نوع خوردگی ها و ارتباط آن ها با رسوب کاربید کروم آشنا شوید، ادامه ی مطلب را همراه ما باشید:

 

 

  • خوردگی حفره دار شدن (Pitting Corrosion) و خوردگی شیاری (Crevice Corrosion):

 

حفره دار شدن (pitting) از مخرب ترین انواع خوردگی موضعی است که باعث سوراخ شدن تجهیزات فلزی می شود. مستعد ترین فلزات برای حفره دار شدن فلزاتی مثل فولادهای زنگ نزن هستند که به وسیله فیلم نازکی محافظت می شوند. اگر حمله موضعی عناصر خورنده به فلز در یک سطح آزاد اتفاق بیفتد و موجب خوردگی آن شود، آن را خوردگی حفره دار شدن (Pitting Corrosion) و اگر در یک سطح بسته مثل شکاف، شیار، سوراخ و محل اتصال اتفاق بیفتد، آن را خوردگی شیاری (Crevice Corrosion) می گویند. در عمل بیش تر انهدام های ناشی از حفره دار شدن، در اثر یون کلر است که در آب وجود دارد. حضور عنصر کروم در ترکیب شیمیایی فولاد بیشترین سهم را در مقاومت آن به حفره دار شدن دارد. عنصر کربن به ویژه در موقع حساس شدن فولاد زنگ نزن آستنیتی، مقاومت به حفره دار شدن را کاهش می دهد. حفره دار شدن، همزمان با خوردگی بین دانه ای فولادهای زنگ نزن آستنیتی تشدید می شود. در این فولادها، مرز دانه ها به عنوان محل های ترجیحی حفره دار شدن عمل می کنند.

 

خوردگی حفره دار شدن در ناحیه اطراف جوش (HAZ) در فولادهای زنگ نزن

 

 

در صورت تمایل به آشنایی بیشتر با خوردگی حفره دار شدن، نوشته زیر از عصر مواد را از دست ندهید:

 

خوردگی حفره دار شدن چیست؟ عدد PREN چگونه محاسبه می شود؟

 

 

 

 

  • خوردگی توام با تنش (Stress Corrosion Cracking):

 

خوردگی توام با تنش (SCC) نتیجه ی اعمال همزمان تنش های کششی و محیط خورنده روی فلز است. در این نوع خوردگی، فلز یا آلیاژ خورده نمی شود بلکه ایجاد ترک های بین دانه ای و میان دانه ای منجر به شکست و تخریب قطعه می شود. این ترک ها ناشی از فرایندهای خوردگی موضعی هستند. حساس شدن فولادهای زنگ نزن آستنیتی، مقاومت به خوردگی توام با تنش در برخی محیط ها مثل محیط های کلریدی، فلوریدی، قلیایی، اسیدی، آب دما بالا و محیط های حاوی ترکیبات گوگردی را به شدت کاهش می دهد. حساس شدن همچنین باعث می شود تا ترک ناشی از خوردگی SCC حتی در دماهای محیط هم اتفاق بیفتد. این در حالی است که از نقطه نظر مهندسی، خوردگی توام با تنش در دماهای زیر ۶۰ درجه سانتیگراد رخ نمی دهد. در مواقعی که فولاد زنگ نزن آستنیتی حساس و کاربید کروم در مرزدانه ها رسوب کرده است، تشکیل و رشد ترک در امتداد مرزدانه ها در محیط ها و شرایط ویژه ی SCC، باعث پدیده ی ترک خوردگی مرزدانه ای می شود.

 

 

 

خوردگی SCC مرزدانه ای در ناحیه HAZ جوش فولاد زنگ نزن ۳۰۴

 

 

  • خوردگی شیار چاقو (Knife Line Attack):

 

در هنگام جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی پایدار شده مثل ۳۲۱ و ۳۴۷ ممکن است یک اتفاق ویژه ای بیفتد که آن ها را مستعد خوردگی بین دانه ای سازد. آن اتفاق ویژه اینست که هنگام سرد شدن این فولادها پس از جوشکاری، در یک ناحیه ی باریکی در راستای اتصال فلز پایه-جوش، کاربیدهای کروم ترسیب شده و مرزدانه ها در آن ناحیه فقیر از کروم می شود و ممکن است در محیط های ویژه، خوردگی بین دانه ای اتفاق بیفتد. این نوع خوردگی را به دلیل شکل خاص آن، شیار چاقو می گویند. حال ممکن است این پرسش مطرح شود که فولادهای زنگ نزن آستنیتی پایدار شده مثل ۳۲۱ و ۳۴۷ یک راهکار برای پیشگیری از وقوع حساس شدن و خوردگی بین دانه ای است، پس چگونه این نوع خوردگی باز در آن ها اتفاق می افتد؟ در پاسخ باید گفت که به ترکیب فولاد زنگ نزن ۳۲۱ و ۳۴۷ به ترتیب تیتانیوم و نیوبیوم یا تانتالوم اضافه شده است تا آن عناصر بتوانند قبل از کروم با کربن تشکیل کاربید بدهند تا کربن اضافه ای برای تشکیل کاربید کروم باقی نماند، بنابراین با تشکیل نشدن کاربید کروم، مرزدانه ها نیز از کروم تهی نشود. در جوشکاری این فولادها، ممکن است کاربیدهای تیتانیوم و نیوبیوم یا تانتالوم حل شده و کربن آزاد شود. این کربن در سرد شدن آهسته یا گرم شدن مجدد فولادها در ناحیه ی تشکیل کاربید کروم، با کروم وارد واکنش می شود و دوباره مرزدانه ها را در ناحیه ی اتصال جوش به فلز پایه تهی از کروم می کند. در نتیجه این ناحیه ی باریک مستعد خوردگی بین دانه ای می شود.

 

 

پیشگیری از وقوع خوردگی بین دانه ای:

 

از آنجایی که فولادهای زنگ نزن آستنیتی مثل ۳۰۴ و ۳۱۶ از آلیاژهای پر کاربرد صنعتی هستند و عملیات جوشکاری نیز از الزامات و روش های مهم ساخت بسیاری از قطعات، تجهیزات و ماشین آلات ساخته شده از این نوع فولادها است، پیشگیری از پدیده ی حساس شدن و خوردگی بین دانه ای در آن ها از اولویت های یک طراح است. بنابراین لازم است در محیط هایی که خوردگی از اهمیت برخوردار است، تمهیداتی به کار گرفت تا از وقوع این پدیده در حین جوشکاری فولادهای ۳۰۴ و ۳۱۶ پیشگیری شود. برای پیشگیری و کاهش احتمال وقوع این نوع خوردگی، چند راهکار ارائه شده است:

 

  • یکی از راهکارها عملیات حرارتی مخصوص فولادهای زنگ نزنِ ریخته گری، جوشکاری و حساس شده است. این عملیات حرارتی شامل آنیل کردن برای جلوگیری از رسوب کاربید کروم است. به این نوع عملیات حرارتی،  آنیل انحلالی می گویند که به منظور حل کردن کاربیدها در دماهای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام می شود، سپس قطعه به منظور پیشگیری از تشکیل کاربیدهای جدید در آب یا جریان هوا (مقابل فن) سریع سرد می شود تا از ناحیه ی دمایی تشکیل کاربید کروم به سرعت عبور کرده و فرصت تشکیل کاربید کروم پیدا نشود.

 

  • راهکار دیگر، جنبه ی پیشگیرانه تری دارد. راهکار این است که اجازه ندهیم کروم و کربن با هم واکنش داده و تشکیل کاربید کروم بدهند. برای این کار از دو روش استفاده شده است: یک روش آن است که مقدار کربنی را که در فولاد با کروم واکنش می دهد کاهش دهیم تا کاربید کرومِ کمتری در مرزدانه ها تشکیل و ترسیب شود، در نتیجه مقدار کروم در ترکیب فولاد به زیر حداقلِ مورد نیاز کاهش نیابد. این روش اساس توسعه ی فولادهای زنگ نزن ۳۰۴ و ۳۱۶ کم کربن مثل ۳۰۴L و ۳۱۶L است. مقدار کربن در ترکیب این فولادها حداکثر حدود ۰٫۰۳ درصد است، در حالی که در فولادهای ۳۰۴ و ۳۱۶ حداکثر مقدار کربن حدود ۰٫۰۸ درصد است. این کاهش حداقل ۰٫۰۵ درصدی در مقدار کربن، از وقوع خوردگی بین دانه ای در فولادهای ۳۰۴L و ۳۱۶L پیشگیری و مقاومت به خوردگی را در بیشتر محیط ها و سرویس های کاری افزایش می دهد. روش دوم هم این است که به جای کاهش مقدار کربن، عناصری به ساختار فولادهای زنگ نزن وارد کنیم که بتوانند قبل از کروم با کربن واکنش داده و تشکیل کاربید بدهند. این روش اساس توسعه ی فولادهای زنگ نزن پایدار شده مثل ۳۱۶ تیتانیوم دار، ۳۱۶ نئوبیوم دار، ۳۲۱، ۳۴۷ و ۳۴۸ است. از عناصر تیتانیوم (در فولادهای ۳۱۶ و ۳۲۱)، نئوبیوم یا تانتالوم (در فولاد ۳۴۷) و نئوبیوم به همراه تانتالوم (در فولاد ۳۴۸) به عنوان پایدارکننده های کاربید استفاده می شود. به دلیل بالاتر بودن دمای تشکیل کاربید این عناصر نسبت به کاربید کروم، این کاربیدها قبل از کاربید کروم تشکیل می شوند و این بدان معنی است که کاربید کروم یا تشکیل نمی شود یا به مقدار جزئی تشکیل می شود. بنابراین مرزدانه ها از کروم تهی نمی شود و خوردگی بین دانه ای به وجود نمی آید.

 

 

 

 

 

 

 

مطالب مرتبط:

 

 

 

ارسال دیدگاه