در بسیاری از کاربردهای دمای بالا – از کوره‌های صنعتی و تجهیزات پتروشیمی تا مبدل‌های حرارتی و سبدهای عملیات حرارتی – انتخاب ماده‌ای که بتواند هم دوام بلندمدت در دماهای بالای ۱۱۰۰ °C را تضمین کند و هم عملکرد مکانیکی و ابعادی قابل قبولی داشته باشد، نقشی تعیین‌کننده دارد. استیل نسوز ۳۱۴ (EN 1.4841) به‌دلیل درصد بالای کروم و نیکل و ترکیب نسبتاً متعادل عناصر آلیاژی، یکی از گزینه‌های رایج در میان مهندسان و پیمانکاران صنایع حرارتی به‌شمار می‌آید. در این مقاله با نگاهی دقیق به ویژگی‌های شیمیایی و مکانیکی، محدوده کاری، روش‌های تولید و چالش‌های کاربردی این گرید، تعیین خواهیم کرد که آیا ۳۱۴ مناسب نیازهای شماست یا بهتر است به سراغ گزینه‌های جایگزین مانند ۳۰۹، ۳۱۰ یا آلیاژهای ریختگی بروید.
| مشخصه | مقدار / توضیحات |
|---|---|
| ترکیب شیمیایی اسمی (٪ وزنی) | C ≤0.08, Si 1.50–2.50, Mn ≤2.0, Cr 24.0–26.0, Ni 19.0–22.0, S ≤0.015, P ≤0.045 |
| استاندارد مرجع | EN 10095 |
| دمای سرویس پیوسته در هوا | 1150–1200 °C؛ برای کار با بار مکانیکی توصیه می‌شود حداکثر تا 1000–1050 °C در نظر گرفته شود |
| دمای سرویس تناوبی کوتاه | تا 1250 °C با کنترل پوسته شدگی |
| استحکام خزش (σ_Rupture 100h) | در 1000 °C ≈ 4 MPa؛ در 900 °C ≈ 10 MPa |
| ضریب انبساط حرارتی (20–1000 °C) | ≈ 15.9 µm·m⁻¹·K⁻¹ |
| هدایت حرارتی | 14 W·m⁻¹·K⁻¹ در 20 °C، کاهش تا 11 W·m⁻¹·K⁻¹ در 800 °C |
| استحکام کششی در دمای محیط | σᵤ ≈ 600 MPa؛ σᵧ (0.2%) ≈ 300 MPa |
| استحکام کششی در 800 °C | ≈ 250 MPa |
| رشد پوسته اکسیدی (24h @1100 °C) | ≈ 0.3 mg·cm⁻² |
| چگالی | 7.9 kg·dm⁻³ (ورق 5 mm ≈ 39.5 kg·m⁻²) |
| گریدهای نزدیک | 309S (1.4833): Cr 23%, Ni 13% – دمای سرویس حداکثر 1050 °C310S (1.4845): Cr 25%, Ni 20% – مقاومت خزش و اکسیداسیون بهتر ولی هزینه بالاترHK40 (ریختگی) |
ترکیب شیمیایی و استانداردهای مرجع
استیل نسوز ۳۱۴ (EN 1.4841) در گروه فولادهای آستنیتی مقاومت حرارتی بالا قرار می‌گیرد. درصد ۲۴–۲۶٪ کروم باعث تشکیل پوسته کرومی محافظ قوی می‌شود و ۱۹–۲۲٪ نیکل ساختار آستنیتی پایدار و چقرمگی بالایی در دماهای پایین و بالا تضمین می‌کند. افزون بر این، سیلیسیم ۱٫۵–۲٫۵٪ به پایداری لایهٔ اکسیدی کمک کرده و منگنز ≤۲٪ نقش پایدارسازی کاربیدها را در دماهای میان‌دما بر عهده دارد. استاندارد EN 10095 ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی این گرید را تعیین می‌کند. برای تایید آنالیز دقیق، ارائه گواهی EN 10204 3.1 ضروری است تا اطمینان حاصل شود که حداقل ۲۴٪ کروم و ۱۹٪ نیکل رعایت شده است. در تولید ورق، لوله یا مقاطع بدون درز، این انطباق شیمیایی اولین قدم برای اطمینان از پایداری در سرویس‌های دمای بالا محسوب می‌شود.
محدوده دمای کاری و خواص حرارتی
به‌طور پیوسته در هوا می‌توانید تا ۱۱۵۰–۱۲۰۰ °C از ۳۱۴ استفاده کنید، اما برای کاربردهای بارگذاری مکانیکی توصیه می‌شود محدودهٔ عملیاتی را تا ۱۰۰۰–۱۰۵۰ °C محدود نگه دارید. در سیکل‌های تناوبی کوتاه حتی دما به حدود ۱۲۵۰ °C قابل افزایش است، به شرط آن که کنترل مناسب روی ضخامت و چسبندگی پوسته اکسیدی صورت گیرد. ضریب انبساط حرارتی خطی ۱۵٫۹ µm·m⁻¹·K⁻¹ کمی بالاتر از فولاد کربنی و کمتر از سوپرآلیاژهای نیکل خالص است؛ این موضوع در طراحی قطعات ترکیبی با آسترهای نسوز یا متریال‌های دیگر باید لحاظ شود تا ترک‌های حرارتی ناشی از انبساط‌های متفاوت جلوگیری گردد. از سوی دیگر، هدایت حرارتی نسبتا پایین (۱۴ W·m⁻¹·K⁻¹ در ۲۰ °C و کاهش تا ۱۱ W·m⁻¹·K⁻¹ در ۸۰۰ °C) به معنای درجه بالاتری از احتباس حرارت و نیاز به طراحی مناسب برای دفع حرارت است.
مقاومت به اکسیداسیون و سولفیداسیون در دمای بالا
حضور مقدار مناسب سیلیسیم منجر به پایداری لایهٔ ترکیبی SiO₂–Cr₂O₃ می‌شود که حتی پس از ۲۴ ساعت در ۱۱۰۰ °C، وزن پوسته اکسیدی تنها حدود ۰٫۳ mg·cm⁻² افزایش می‌یابد. این عملکرد در برابر اکسیداسیون هوا بسیار مطلوب است، اما اگر اتمسفر سرویس حاوی گوگرد باشد (نظیر مشعل‌های نفت‌کوره)، واکنش تشکیل اکسید–سولفید نیکل با سرعت بالاتر آغاز می‌شود. در چنین شرایطی گریدهای ۳۰۹S یا ۳۱۰S که ترکیب سولفور کمتری دارند، ایمن‌تر هستند. همچنین در اتمسفرهای بسیار غنی از کربن (مثل کوره‌های کربن‌دهی)، خطر کربوریزه شدن وجود دارد که می‌تواند مقاومت خوردگی و پوسته اکسیدی را تضعیف کند. در این موارد استفاده از پوشش آلومیناید یا جایگزینی با آلیاژ ریختگی HK40 توصیه می‌شود تا طول عمر قطعه افزایش یابد.
خواص مکانیکی در دماهای محیط و بالا
در دمای محیط، استحکام کششی نهایی σᵤ حدود ۶۰۰ MPa و استحکام تسلیم σᵧ (۰٫۲%) حدود ۳۰۰ MPa است. با افزایش دما به ۸۰۰ °C، استحکام کششی به حدود ۲۵۰ MPa کاهش می‌یابد که برای بسیاری کاربردهای دمای بالا کافی به نظر می‌رسد. اما چالش واقعی در خزش طولانی‌مدت است: تست خزش ۱۰۰ ساعت نشان می‌دهد فشار گسیختگی معادل ۱۰ MPa در ۹۰۰ °C و تنها ۴ MPa در ۱۰۰۰ °C است. بنابراین پیش‌بینی افت مقاومت و طراحی تلورانس مناسب برای بارهای ثابت در بازه ۷۰۰–۹۰۰ °C حیاتی است. فاز سیگما ممکن است پس از عملیات حرارتی نامناسب یا سرویس طولانی مدت شکل بگیرد و باعث شکنندگی ترد شود؛ برای جلوگیری از آن، انیل انحلالی در دمای ۱۰۵۰–۱۱۵۰ °C و کوئنچ سریع ضروری است تا کاربیدهای کرومی حل شده و رسوب فاز سیگما به حداقل برسد.
فرآیندهای تولید و انواع فینیش سطحی
استیل نسوز ۳۱۴ به‌صورت ورق، صفحه، لولهٔ بدون درز و سیم تولید می‌شود. ورق‌ها معمولاً در ابعاد تا ۳۰۰۰×۱۵۰۰ mm و ضخامت‌های ۱–۳۰ mm موجودند. لوله‌های بدون درز در قطرها و ضخامت‌های متنوع تا ۶۰ mm نیز عرضه می‌شوند، ولی برای سایزهای بزرگ و ضخیم زمان تحویل می‌تواند چند هفته باشد. پرداخت‌های معمول شامل 2B (مات نورد سرد)، BA (آنیل براق)، No.4 (Brushed) و Mirror (Polished) هستند. هرکدام بسته به کاربرد و نیاز به مقاومت اکسیداسیون یا زیبایی ظاهری انتخاب می‌شوند. به عنوان مثال، پرداخت No.4 با سطح کمی زبر، ریسک لیز خوردن و بازتاب نور شدید را کاهش می‌دهد و برای قطعات پنل کوره‌های شیشه و سرامیک مناسب است.
مقایسه با گریدهای نسوز 309 و 310
در میان آلیاژهای آستنیتی نسوز، ۳۰۹S (1.4833) و ۳۱۰S (1.4845) نیز کاربرد فراوانی دارند.
- 309S با حدود ۲۳٪ کروم و ۱۳٪ نیکل، حداکثر دمای پیوسته ۱۰۵۰ °C را تحمل می‌کند و هزینهٔ پایین‌تری نسبت به ۳۱۴ دارد، اما مقاومت خزش و مکانیکی آن ضعیف‌تر است.
- 310S با ۲۵٪ کروم و ۲۰٪ نیکل، مقاومت اکسیداسیون و خزش بهتری ارائه می‌دهد ولی قیمت آن نیز بیشتر است.
اگر نیاز به صرفه‌جویی اقتصادی باشد و دمای سرویس کمتر از ۱۰۰۰ °C باشد، ۳۰۹S گزینه مناسبی است. برای دماهای بین ۱۰۰۰–۱۱۵۰ °C و کاربردهای حساس به خزش، ۳۱۴ یا ۳۱۰S انتخاب مطمئن‌تری هستند.
کاربردهای صنعتی: کوره‌ها، مبدل‌ها، صنایع حرارتی
استیل نسوز ۳۱۴ در صنایع گوناگون به‌کار می‌رود:
- لوله‌های تابشی (Radiant Tubes) در کوره‌های عملیات حرارتی
- سبدها و ریل‌های کوره در صنایع خودرو و فولاد
- اجزای مبدل حرارتی شعله مستقیم در نیروگاه‌ها و پتروشیمی
- پوشش مشعل در شرایط سولفوری و دمای بالا
- دیواره نسوز پشتیبان در کوره‌های شیشه و سرامیک
- قطعات فرآیندی در صنایع مواد غذایی و دارویی که نیاز به تمیزی و دوام دارند
در این کاربردها، استیل ۳۱۴ به دلیل تحمل بالای دما، مقاومت قابل قبول خزش و توانایی ایجاد پوسته اکسیدی نازک و پیوسته، عملکرد قابل اتکایی دارد.
اصول طراحی و تلورانس‌های مجاز
طراحی قطعات با استیل نسوز ۳۱۴ نیازمند توجه به موارد زیر است:
- درز انبساط حرارتی: به‌علت ضریب انبساط بالا، در فواصل هر متر حداقل ۱.۵–۲ میلی‌متر فضای حرکت تعبیه شود.
- حداکثر تنش خزش: بر اساس نمودار خزش، تنش طراحی نباید از ۴ MPa در ۱۰۰۰ °C یا ۱۰ MPa در ۹۰۰ °C بیشتر باشد.
- تلرانس ضخامت: برای جلوگیری از اعوجاج در برش لیزر یا پلاسما، ضخامت Tolerance باید حداکثر ±۰٫۲ mm باشد.
- پیش‌بینی پوسته اکسیدی: ضخامت پوسته در سیکل‌های مکرر دما ممکن است به چند ده µm برسد؛ این ضخامتیاب در طراحی فاصله‌ها لحاظ شود.
- یکپارچه سازی با آستر نسوز: چسبندگی و انطباق CTE از طریق چسب‌های نسوز یا فاز سیلیکاتی انجام گیرد تا ترک حرارتی رخ ندهد.
دستورالعمل جوشکاری و پیش‌گرم
جوشکاری ۳۱۴ به دلیل درصد بالای کروم و نیکل اندکی چالش‌برانگیز است:
- فیلر توصیه‌شده: ERNiCr-3 یا AWS E310
- پیش‌گرم: معمولاً نیاز ندارد؛ اما در قطعات ضخیم (بیش از 10 mm) پیش‌گرم تا 150–200 °C می‌تواند ریسک ترک گرم را کاهش دهد.
- پایش حرارت: درز جوش نباید بیش از 1150 °C دچار منطقه متاثر از حرارت (HAZ) وسیع گردد.
- تنش‌زدایی پس از جوش: در دمای 950–1050 °C به مدت 30 دقیقه و سردکردن سریع با هوا، برای کاهش تنش‌های باقیمانده و جلوگیری از تشکیل فاز سیگما مفید است.
- بازرسی غیرمخرب (NDT): توصیه می‌شود پس از جوشکاری از UT یا PT برای تشخیص ترک‌های داغ استفاده شود.
نکات نگهداری و بازرسی در سرویس داغ
برای حفظ عملکرد قطعات ۳۱۴ در طول سرویس داغ:
- بازرسی چشمی دوره‌ای: کنترل ضخامت پوسته اکسیدی و ظهور ترک‌های سطحی
- آزمون ضخامت پوسته: با روش وزن‌سنجی یا اندازه‌گیری نانومری پوسته
- بازرسی NDT: هر ۶–۱۲ ماه، بررسی ترک گرم با UT یا PT
- تمیزکاری دوره‌ای: زدودن ذرات کوره و ضایعات حاصل از کاربون‌دهی با برس نایلونی
- ثبت وقایع حرارتی: نگهداری لاگ دما برای تحلیل چرخه‌های شوک حرارتی و پیش‌بینی عمر قطعه
جمع‌بندی و نکات خرید استیل 314
استیل نسوز ۳۱۴ (1.4841) ترکیب مناسبی از مقاومت حرارتی تا حدود ۱۱۵۰ °C، دوام در برابر خزش و عملکرد مکانیکی قابل قبول ارائه می‌دهد. اگر نیاز دارید در محدودهٔ دمایی ۹۰۰–۱۰۰۰ °C با بار مکانیکی کار کنید و هزینه گریدهای سوپرآلیاژ یا ریختگی برایتان زیاد است، ۳۱۴ می‌تواند تعادل خوبی باشد. در سفارش این گرید توجه کنید که:
- گواهی آنالیز EN 10204 3.1 تأمین شود
- نوع فینیش (۲B، BA، No.4) متناسب با کاربرد انتخاب گردد
- ابعاد و ضخامت پیش از خرید بررسی شده و زمان تحویل با تأمین‌کننده قطعی گردد
- برنامه نگهداری و بازرسی برای سرویس داغ تعریف گردد
اگر دمای سرویس دائمی بالای ۱۱۵۰ °C، همراه با محیط سولفوری یا کربن‌دهی شدید مدنظر باشد، شاید ۳۱۰S یا آلیاژ ریختگی HK40 گزینه‌ای مناسب‌تر باشد. در غیر این صورت، استیل ۳۱۴ با اقتصادی معقول، دسترسی نسبتا خوب و ترکیب عملکردی مناسب، یکی از پرکاربردترین فولادهای آستنیـتی نسوز است.
سؤالات متداول درباره استیل نسوز 314
۱. حداکثر دمای پیوسته ۳۱۴ در سرویس چیست؟
تا ۱۱۵۰–۱۲۰۰ °C در هوا (بدون بار مکانیکی)، اما برای بارگذاری توصیه می‌شود تا ۱۰۰۰–۱۰۵۰ °C محدود گردد.
۲. مقاومت خزش ۳۱۴ در ۹۰۰ و ۱۰۰۰ °C چقدر است؟
تست خزش ۱۰۰h نشان می‌دهد σ_Rupture در ۹۰۰ °C ≈ ۱۰ MPa و در ۱۰۰۰ °C ≈ ۴ MPa است.
۳. آیا ۳۱۴ در اتمسفر حاوی گوگرد کارایی دارد؟
خیر؛ سولفیداسیون در بالای ۹۵۰ °C تسریع می‌شود. برای محیط‌های سولفوردار گرید ۳۰۹S یا ۳۱۰S مناسب‌تر است.
۴. چه فیلر و روش جوشکاری پیشنهاد می‌شود؟
استفاده از ERNiCr-3 یا AWS E310، بدون پیش‌گرم معمول و تنش‌زدایی در ۹۵۰–۱۰۵۰ °C/۳۰ min پس از جوش.
۵. احتمال تشکیل فاز سیگما چگونه کنترل می‌شود؟
با انیل انحلالی ۱۰۵۰–۱۱۵۰ °C و کوئنچ سریع؛ این عملیات کاربیدها را حل و رسوب سیگما را کاهش می‌دهد.
۶. آیا در محیط‌های کربوریزه مناسب است؟
در اتمسفر CO/H₂ تا ۱۰۵۰ °C عملکرد قابل قبولی دارد؛ اما در کربن‌دهی شدید باید از روکش آلومیناید یا آلیاژ ریختگی HK40 استفاده شود.
۷. چه ابعادی در بازار ایران عرضه می‌شود؟
ورق‌های ۱–۳۰ mm ضخامت و لوله‌های بدون درز تا ۶۰ mm قطر؛ برای ضخامت‌های بالاتر یا سایز خاص زمان تحویل طولانی است.
۸. چه تست‌های NDT لازم است؟
Ultrasonic (UT) یا Penetrant Testing (PT) برای تشخیص ترک گرم پس از جوشکاری توصیه می‌شود.
۹. چگونه از افت مقاومت اکسیداسیون جلوگیری کنیم؟
شستشوی دوره‌ای با برس نرم و ثبت لاگ دمایی برای محدود کردن شوک‌های حرارتی مکرر.
۱۰. آیا هزینه ۳۱۴ توجیه اقتصادی دارد؟
برای دماهای تا ۱۰۰۰ °C با نیاز به خزش کنترل‌شده، بله؛ اما برای دماهای بالاتر یا محیط‌های خورنده خاص، انتخاب گریدهای تخصصی یا ریختگی عاقلانه‌تر است.
