استنلس استیل ۱۷-۴PH

هر کدام از گریدهای آلیاژ‌ فولاد با ساختارهای متالورژیکی منحصر‌به‌فرد خود، طیف گسترده‌ای از خواص را شامل می‌شوند. در مجموعه بزرگ آلیاژهای فولاد، فولادهای رسوب سخت شونده به علت دارا بودن ویژگی‌های خاص، در صنایع گوناگون کاربرد دارند. در بسیاری از صنایع، علاوه‌ بر ویژگی‌ ضد زنگ بودن فلز، در حضور دمای بالا به استحکام بالا نیز نیاز است. استنلس استیل 17-4PH که با نام استنلس استیل ۶۳۰  نیز شناخته می‌شود، از این خواص برخوردار است. این فولاد ضدزنگ به دلیل داشتن استحکام، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی، جزو گرید‌‌های پرمصرف محسوب می‌شود.

معرفی استیل 17-4PH

دهه 1940، شرکت آمریکایی Armco Steel Corporation استنلس استیل ۶۳۰ را توسعه داد. در نخستین روزها، این استیل در بعضی مصارف، جایگزین فولادهای ضدزنگ شد. پس از چندی، آلیاژ17-4PH  راه خود را در صنعت باز کرد. صنایعی مانند نفت و گاز، صنایع غذایی، هوا و فضا آن را مورد استفاده قرار دادند. هنوز که هنوز است این آلیاژ جز پرکاربردترین فولادهای ضدزنگ محسوب شده و در بسیاری از صنایع عملکرد بالا و ویژگی‌های مطلوب دارد.

استیل17-4PH  یکی از انواع فولادهای مارتنزیتی ریخته‌گری و ضدزنگ مقاوم در مقابل رسوب است. این استنلس استیل در استانداردDIN  آلمان، فولاد ۴۵۴۲/۱ نامیده شده است. مشخصه آن در میان دیگر فولاد‌ها X5CrNiCuNb16-4 است. این محصول به صورت میلگرد و سیم‌جوش وارد بازار می‌شود. استیل ۶۳۰، از سری ۳۰۴ و ۴۳۰ گران‌تر است. خاصيت مقاومت به خوردگی این سری در بسیاری از محیط ها با استیل ۳۰۴ قابل مقایسه بوده و از گرید ۴۰۰ بیشتر است.‌ میلگرد استیل ۶۳۰ در برابر عوامل جوی، گاز‌ها و دمای ۶۰۰ درجه فارنهایت یا ۳۱۶ درجه سانتی‌گراد مقاوم است.

استانداردهای استنلس استیل17-4PH

استنلس استیل ۶۳۰ توسط استانداردهای معتبری در سطح جهان تایید شده است. اصلی‌ترین این استانداردها عبارتند از:

• استاندارد A 693 از ASTM
• استاندارد SA 693 از ASME
• استاندارد 5604 از AMS

مشخصات استنلس استیل 17-4PH

آلیاژ 17-4PH، استیل ضد زنگ مارتنزیتی سخت‌کننده رسوبی است که از افزوده شدن نیوبیم به کروم-نیکل-مس تشکیل شده است. به طور کلی ترکیبات و خواص این آلیاژ به شرح زیر است:

ترکیبات شیمیایی استیل 630

آهن	نئوبیم	منگنز	سولفور	فسفر	منگنز	کربن	نیکل	مس	کروم	سلیسیوم
Balance	0.15-0.45	1	0.03	0.04	1	0.07	3-5	3-5	15-17.5	1

 

خواص مکانیکی استنلس استیل 17-4PH

عملیات حرارتی	استحکام تسلیم	ازدیاد طول	استحکام کششی نهایی
سخت‌کاری به شیوه حرارت دهی در دمای593 درجه سلسیوس به مدت 4 ساعت و خنک‌کاری آهسته	۹۳۱	۱۷	۱۰۳۴
سخت‌کاری به شیوه حرارت دهی در دمای496 درجه سلسیوس به مدت 4 ساعت و خنک‌کاری آهسته	۱۲۰۷	۱۴	۱۱۷۰

 

خواص فیزیکی استنلس استیل 360

استیل 17-4PH با داشتن خواص مکانیکی زیر، به یکی از مهم‌ترین آلیاژهای فولاد در صنعت تبدیل شده است:

• رسانای گرمایی:3 وات بر متر در درجه سانتی‌گراد یا 6 بی تی یو بر ساعت بر مجذور فوت بر فوت بر درجه فارنهایت
• چگالی: 75 گرم بر سانتی‌متر مکعب یا 280 پوند بر اینچ مکعب
• مدول الاستیسیته: 5 M psi یا 196 گیگاپاسکال
• مقاومت الکتریکی: 75 میکرواهم در سانتی‌متر در دمای 24 درجه سانتی‌گراد یا 5 میکرو اهم در اینچ در دمای 75 درجه فارنهایت
• محدوده ذوب: 1404 الی 1440 درجه سانتی‌گراد یا 2560 الی 2625 درجه فارنهایت
• ظرفیت گرمایی ویژه: 460 ژول بر کیلوگرم در کلوین (در دمای 20 درجه سانتی گراد) یا 11 بی تی یو بر پوند بر درجه فارنهایت (در دمای 70 درجه فارنهایت)

ضریب انبساط گرمایی

ضریب انبساط گرمایی آلیاژ 17-4PH، در دمای 70 الی 800 درجه فارنهایت (21 الی 427 درجه سلسیوس) به مقدار 6.3 میکرو اینچ بر اینچ در درجه فارنهایت (11.3 میکرو سانتی متر بر سانتی متر در درجه سلسیوس) است.

مقاومت استنلس استیل630 در برابر خوردگی

میزان مقاومت آلیاژ ۶۳۰ هم‌تراز با استنلس استیل ۳۰۴ است. این مقاومت در مصارف شیمیایی، لبنیات، صنعت کاغذ، مواد غذایی و… مشابه استیل 304L است. استیل 17-4PH در برابر خوردگی حفره‌ای ناشی از تنش‌های کلریدی مقاومت ندارد؛ اما نسبت به ترک خوردگی تنشی در دمای بیش از ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد مقاومت دارد. این خصوصیت در طی فرآیند پیرسازی شکل می‌گیرد. طبق استاندارد NACE MR0175، به کارگیری آلیاژ 17-4PH در محیط‌های حاوی اسید سولفوریک مجاز نیست؛ مگر این‌که این فولاد تحت عملیات حرارتی دو مرحله‌ای (Double age hardening) قرار گیرد. همچنین استفاده از آن در حالت آنیل شده در محیط‌های خورنده، پیشنهاد نمی‌شود.

نحوه ساخت استنلس استیل17-4PH

استیل ۶۳۰ می‌تواند با شیوه‌‌های معمول و استاندارد به وسیله فرآیند جوش و پردازش، ساخت‌ و پرداخت می‌شود. مراحل تولید این فلز به شرح زیر است:

1. شکل‌دهی گرم: برای شکل‌دهی گرم، این آلیاژ باید در محدوده دمایی 1742 الی 2192 درجه فارنهایت (950 الی 1200 درجه) قرار گیرد. بعد از اینکه فولاد به صورت آنیل شده درآمد، باید آن را تا دمای کمتر از ۷۶ درجه فارنهایت یا ۲۵ درجه سانتی‌گراد خنک کرد.
2. شکل‌دهی سرد: زمانی‌که صفحات فولاد کاملا آنیل شده باشند؛ شکل‌دهی سرد صورت می‌گیرد. برای این آلیاژ شکل‌دهی سرد به سختی انجام می‌شود؛ اما موجب می‌شود مقاومت این آلیاژ در برابر خوردگی تنشی افزایش یابد.
3. جوشکاری: با روش‌های استاندارد از جملهPAW، SMAW، GTAW و GMAW می‌توان این فولاد را جوشکاری کرد.
4. ماشین‌کاری: خصوصیات و خواص مورد نظر در ماشین‌کاری این استیل با مقدار سختی فلز متغییر است. همچنین این فرآیند نیازمند ماشین‌هایی با دور چرخش بالا است.

عملیات حرارتی استنلس استیل17-4PH

با استفاده از شیوه‌های استاندارد و معمول می‌توان آلیاژ ۶۳۰ را تحت فرآیند حرارتی قرار داد تا خصوصیات آن را به شکل چشمگیری ارتقا یابد.

• آنیلینگ: اولین مرحله عملیات حرارتی، پروسه آنیلینگ است. این فرآیند با هدف یکنواخت کردن ساختار میکروسکوپی آلیاژ انجام می‌شود. از‌این‌رو دمای این فولاد را تا حدود ۱۰۳۸ درجه سانتی‌گراد به قدر کافی (متناسب با اندازه و ضخامت) بالا می‌رود. ناگهان دمای آن را به سرعت کاهش می‌دهند.
• محلول‌سازی(A): دومین مرحله این عملیات با هدف حل کردن کاربیدها و نیتریدها در ساختار استیل و آماده‌سازی برای پیرسازی انجام می‌گیرد. برای این‌ کار دمای فولاد را به 1040 درجه سانتی‌گراد می‌رسد. این دما را برای مدتی (متناسب با اندازه و ضخامت) ثابت نگه می‌دارند. برای خنک‌کاری قطعات کوچک در روغن و قطعات بزرگ در معرض هوا خنک می‌شوند.
• پیرسازی: در مرحله نهایی عملیات حرارتی پیرسازی صورت می‌گیرد. هدف از پیرسازی افزایش سختی و استحکام است که با رسوب ذرات سخت و کوچک در ساختار آلیاژ عملی می‌شود. دلیل نام‌گذاری استیل ۶۳۰ به استیل رسوب سخت همین امر است. این فرآیند منجر به تغییر رنگ در سطح و کمی انقباض در اندازه قطعه می‌شود. این میزان در شرایط H900 تقریبا 0.05% و در شرایط H1150 برابر 1% است.

مراحل تولید آلیاژ 17-4PH

جهت تولید آلیاژ 17-4PH پنج مرحله اصلی باید طی شود.

آماده‌سازی مواد اولیه: این مرحله با گزینش و جمع‌آوری مواد اولیه مورد نیاز جهت تولید آلیاژ، مثل کروم، مس، نیکل، آهن و دیگر عناصر مورد نیاز شروع می‌شود. انتخاب این مواد نیازمند دقت فراوان است.

ترکیب و ذوب مواد: پس از آماده‌سازی مواد اولیه، آنها را در کوره‌های ذوب فلزات ذوب می‌کنند و پس از آن‌که به شکل مذاب درآمد، با دقت به میزان مشخص مخلوط می‌شوند تا ترکیب دلخواه به دست آید.

ریخته‌گری: پس از ذوب و ترکیب مواد مذاب، آنها را در قالب‌های مخصوص می‌ریزند. این قالب‌ها بر حسب کاربرد دارای شکل هندسی، ابعاد و ویژگی‌های متفاوتی هستند.

شکل دهی و حرارت‌دهی: آلیاژی که تحت ریخته‌گری قرار گرفته است، شکل و حرارت داده می‌شود. آلیاژ به دقت با دما مشخص و در مدت زمان مخصوص، تحت حرارت دهی قرار می‌گیرد تا خصوصیات مکانیکی مورد‌ انتظار را به دست آورد.

پردازش نهایی: پس از اتمام مراحل قبلی محصول تولید شده با دقت بررسی می‌شود. چنانچه در طی بررسی‌ها محرز شود که محصول نیازمند پردازش اضافی است، با استفاده از ماشین کاری، تراشکاری یا سایر عملیات به محصول نهایی، شکل مورد نظر را اعمال می‌شود.

مصارف استیل17-4PH  در  صنعت

قطعات استیل ۶۳۰ بسیار صاف هستند و کیفیت بالایی دارند. با توجه به مقاومت این فولاد در برابر خوردگی، از نظر بهداشتی شرایط مناسبی را فراهم می‌آورد. همچنین سطح صاف این فلز تمیز کردن آن را راحت‌تر کرده است. به طور معمول استخراج نفت در اعماق اقیانوس‌ها و دریا‌ها رخ می‌دهد. مقاومت بسیار بالای آلیاژ17-4PH  موجب شده این محصول یک آلیاژ مناسب جهت لوله‌کشی در اعماق دریا شود. علاوه‌ بر ‌این، مقاومت بالا نسبت به مواد خورنده مثل دی‌اکسید‌کربن، سولفید‌ هیدروژن و PH کم، کاربرد این محصول را در صنایع نفت و گاز ممکن ساخته است. سایر صنایع که از این فولاد استفاده می‌کنند عبارتند از:

• قطعات مکانیکی
• سوپاپ‌های توربین
• موتور هواپیما
• تجهیزات مهندسی
• تجهیزات و قطعات مورد نیاز فراوری مواد غذایی
• تجهیزات مورد نیاز جهت ذخیره سازی زباله‌های هسته‌ای
• راکتورهای هسته‌ای
• تجهیزات مربوط به کارخانه تولید کاغذ
• در صنعت پالایشگاه، نفت و گاز و میادین نفتی
• بیوشیمی
• پیچ و چرخ دنده‌ها
• ساخت قطعات و سازه‌های هوا و فضا
• بیوپزشکی

کلام پایانی

یکی از پرکاربرد‌ترین آلیاژ‌های فولاد ضدزنگ، استیل رسوب سخت شونده 17-4PH است که توانسته جایگاه ویژه‌ای در میان این خانواده پیدا کند. استحکام بسیار بالا و مقاومت به خوردگی از خصوصیات برجسته این آلیاژ است که سبب شده در صنایع مختلف کاربرد داشته باشد. باید به این نکته نیز توجه داشت که علی‌رغم مزایا ویژه و فراوان، این استیل دارای کاستی‌هایی نیز است که در صورت استفاده باید به آنها توجه شود. تولید این آلیاژ به ویژه در قیاس با فولادهای معمولی بسیار هزینه‌بر است. همین امر موجب می‌شود در برخی از صنایع امکان استفاده از آن میسر نباشد.