ورق استیل و چالش خوردگی بین دانه ای

خوردگی بین دانه ای در ورق استیل فریتی

همانند دیگر مواد رایج، فلزات دارای ساختاری دانه ای قابل رویت به شرط بزرگنمایی تصویری و با چشم غیرمسلح هستند. خوردگی بین دانه ای که تحت عنوان حمله بین دانه ای نیز شناخته می شود، گونه ای از خوردگی است که در آن مرز کریستالیت ها یا دانه های مواد بیشتر از قسمت های داخلی آنها مستعد خوردگی است.
حمله سریع به مرزهای دانه می تواند ناشی از دانه هایی باشد که از سطح فلز بیرون می افتند یا سقوط می کنند که این امر نتیجه اش متلاشی شدن استیل می باشد. شکل 1 تصویر سطحی را نشان می دهد که این پدیده در آن در حال اتفاق افتادن است. در حیطه عمل، فقدان ضخامت سطح مقطع و بروز ترک می تواند عواقب مصیبت باری در برخی کاربردها مثل مخازن و محفظه های تحت فشار به وجود آورد.

شکل 1- حمله خوردگی بین دانه ای در مرز دانه ها و سقوط دانه ها

حمله بین دانه ای در ورق استیل آستنیتی

حمله بین دانه ای در ورق استیل آستنیتی هموار ناشی از رسوب کاربید کروم در مرزهای دانه است که نتیجتاً منطقه باریکی از نقصان کروم در مرزدانه پدید می آورد. این حالت حساسیت نامیده می‌شود و در شکل ۲ به طور شماتیک نشان داده شده است. پدیده حساسیت در رابطه با رسوب کاربید های کروم در مرزهای دانه و نتیجه اش به وجود آمدن منطقه باریکی از نقصان کروم در مرزدانه است.

شکل ۲- کمبود کروم در مرزهای دانه یا اصطلاحاً حساسیت

از آنجا که کروم عنصر اولیه آلیاژسازی است و ورق استیل را در برابر خوردگی مقاوم می کند، بنابراین مناطق تهی شده از کروم نسبت به حمله خوردگی تمام عیار، مستعد می باشند. اعتقاد بر این بوده است که این پدیده حادث می‌شود زیرا مقدار کروم مجاور به کاربید ممکن است پایین تر از حد نیاز برای ورق استیل باشد. اگر کاربیدها یک شبکه پیوسته ای روی مرزدانه تشکیل دهند، آنگاه پدیده خوردگی می تواند یک جدایی یا فاصله در مرز دانه به وجود آورد و امکان دارد دانه بیرون بیفتد یا از میان برود.

ته نشینی یا رسوب کاربید کروم

کاربید های کروم در بازه دمایی ۹۵۰ تا ۱۴۵۰ درجه فارنهایت میل به رسوب شدن در مرزهای دانه ای در ورق استیل آستنیتی دارد. هرگونه بروز حرارت در این بازه دمایی در خلال تولید فلز، ساخت آن و یا حین کار بالقوه می تواند استیل را احساس نماید.
عملیات مرسوم چون جوشکاری، تنش زدایی یا رهاسازی تنش و شکل‌دهی داغ می تواند فولاد را در معرض بازه دمایی حساسیت قرار دهد. با استفاده از یک محلول آنیل پس از گرم کاری، تشکیل کاربیدهای کروم به راحتی معکوس می شود. در روش های آزمون که در استاندارد ASTM A262 تعیین شده، موضوع تشخیص استعداد و حساسیت خوردگی بین دانه ای در ورق استیل های آستنیتی به طور مبسوط بیان شده است.
مدت زمان و دمای لازم برای به وجود آمدن زمینه و استعداد خوردگی بین دانه ای به ترکیب شیمیایی آلیاژ ویژه مقدار کربن در آن بستگی دارد. شکل ۳ منحنی های حساسیت بر حسب دما و زمان را برای آلیاژهای نوع ۳۰۴ با مقادیر متفاوت کربن نشان می دهد.

شکل ۳ منحنی های حساسیت بر حسب زمان و دما برای ورق استیل ۳۰۴ به عنوان تابعی از مقدار کربن

برای به حداقل رساندن اثرات خوردگی بین دانه ای در ورق استیل های آستنیتی سه رویکرد به کار گرفته شده است. موادی که حساس شده باشد را میتوان با محلول آنیل و حرارت دهی تا دمایی که در آن کاربیدها حل می‌شوند و مناطق تهی شده از کروم محو می‌گردند، آنیل محلولی نمود. سپس با سرد کردن سریع در محدوده دمایی حساسیت زایی، کربن در محلول حفظ می شود. دمای توصیه شده برای انجام آنیل محلولی بستگی به نوع آلیاژ دارد و معمولاً در محدوده ۱۹۰۰ تا ۲150 درجه فارنهایت با سرد کردن سریع انجام می‌پذیرد. همچنین مقاومت در زمینه خوردگی بین دانه ای با کاستن از محتوای کربن تا سطح پایین تر از 0.03 درصد می تواند حاصل شود. به طوری که در شکل ۳ نشان داده شده است، مقادیر کربن کمتر به سمت نوک منحنی حساسیت بر حسب زمان و دما و به سمت زمان های بیشتر میل می کند. گریدهای کم کربن همچون 304L، 316L و 317L به منظور مقاومت در برابر پدیده حساسیت در خلال عملیات جوشکاری معمول طراحی و ساخته شده اند. اما در هنگام کار، آلیاژهای نام برده شده چنانچه در معرض دمای بحرانی به مدت زیاد قرار گیرند، در زمینه حساسیت نمی‌توانند پایدار و مقاوم باشند. ورق استیل های پر آلیاژ تر و مقاوم تر نسبت به خوردگی همچون آلیاژهای 904L و 7Mo محتوای کربن خیلی کمی دارند و لذا استعداد به خوردگی بین دانه ای معمولاً موجب نگرانی نیست.
افزودن عناصر تثبیت کننده نظیر تیتانیوم، نئوبیوم و تانتالیوم نیز می‌تواند سبب افزایش مقاومت در برابر حساسیت شده، خصوصاً در شرایط مواجهه درازمدت با محدوده بحرانی دما در حین کار. این عناصر تثبیت کننده میل به تشکیل کاربید دارند، لیکن در محدوده دمایی ۱۴۵۰ تا 2250 درجه فارنهایت پایدار تر و باثبات تر از کاربید کروم هستند. زمانی که آلیاژ از دماهای زیاد سرد می شود، کربن با عناصر تثبیت کننده ترکیب می‌شود و برای رسوب کاربید کروم در حدود دمایی پایین تر حساس سازی یعنی ۹۵۰ تا ۱۴۵۰ درجه فارنهایت، غیر قابل دسترسی می باشد. گریدهای آستنیتی تثبیت شده معمولی شامل آلیاژهای ۳۲۱ و ۳۴۷ هستند. جدول زیر عکس العمل های رسوب کاربید را که در ورق استیل ۳۰۴ و ۳۴۷ رخ می‌دهد، به طور خلاصه نشان می دهد.

با گریدهای تثبیت شده، معمولاً عملیات آنیل محلولی استاندارد، تمام کربن قابل دسترسی را کنترل نمی کند. از این رو چنانچه گریدهای تثبیت شده در شرایط آنیل محلولی مدت زیادی در معرض محدوده دمای حساس سازی یعنی ۹۵۰ و 1۴۵۰ درجه فارنهایت قرار می گیرند، آنگاه رسوب کاربید کروم و پدیده حساس سازی حادث می شود. از عملیات حرارتی تثبیت کننده به منظور کنترل و محبوس کردن موثرتر کربن، به وسیله تکمیل واکنش های رسوبی، می توان استفاده نمود. این عملیات عبارت است از قرار دادن و نگه داشتن آلیاژ برای چندین ساعت در گستره دمای ۱۵۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه فارنهایت.

خوردگی بین دانه ای در ورق استیل فریتی

اگرچه خوردگی بین دانه ای در ورق استیل فریتی مشابه با خوردگی در ورق استیل آستنیتی است، لیکن برخی تفاوت های مهم وجود دارد. از آنجا که انحلال پذیری نیتروژن در ساختار کریستال فریتی پایین است، لذا رسوب هایی که باعث حساسیت درگریدهای فریتی می شوند هم شامل کاربیدهای کروم می شوند و هم نیترید های کروم.
در رابطه با گریدهای فریتی، پدیده حساسیت در خلال سرد کردن از دماهای بالا اتفاق می افتد. در این دماهای زیاد، کاربیدها و نیترید ها در محلول جای می گیرند و در طول زمان سرد کردن می توانند در مرزهای دانه رسوب نموده و سبب نقصان و تهی شدن کروم شوند. آهنگ با نرخ بالای نفوذ در ساختار فریت، سرد کردن سریع و کافی استیل را جهت پیشگیری از رسوب کاربیدها و نیتریدها در مرزهای دانه، غیر ممکن می سازد. به همین دلیل در اغلب گرید های فریتی تجاری، به وسیله محدود نمودن سطح کربن و نیتروژن و در حد لزوم افزودن عناصر تثبیت کننده همچون تیتانیوم، تانتالیوم یا نئوبیوم، از بروز پدیده حساسیت جلوگیری می کنند.
اگر در یک ورق استیل فریتی، پدیده حساسیت اتفاق بیفتد، این پدیده یا شرایط را می توان با استفاده از انتشار یا نفوذ معکوس کروم در نواحی تهی شده درمان نمود. این راهکار به وسیله نگه داشتن مواد در دمای بین ۱1۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه فارنهایت به مدت چند ساعت می تواند انجام پذیرد. روشهای آزمون در استاندارد شماره ASTM A763 تعیین و از نظر تشخیص استعداد و قابلیت در زمینه حمله خوردگی بین دانه ای در ورق استیل فریتی به تفصیل ذکر شده و کاملاً گویا است.