فولاد ضدزنگ آستنیتی
فولاد ضدزنگ آستنیتی (Austenitic Stainless Steel) اساساً آلیاژهای سه‌تایی Fe-Cr-Ni با ۲۰-۱۶% کروم و ۲۰-۷% نیکل می‌باشد. از آنجا که ساختار این فولادها در تمام دماهای عملیات حرارتی، آستنیت (آهن γ) باقی می‌ماند، به آن‌ها فولادهای ضدزنگ آستنیتی گویند. می‌توان مقداری از نیکل این آلیاژها را با منگنز جایگزین کرد در حالی که ساختار آن‌ها آستنیت باقی خواهد ماند.
در این گروه آلیاژهای CH-۲۰ ،CK-۲۰ ،CN-7M وجود دارد. دو آلیاژ CH-۲۰ ، CK-۲۰ دارای کروم و نیکل بالاتر بوده، ترکیبی تمام آستنیتی دارند و میزان کروم آنها از نیکل بیشتر است. این آلیاژها نسبت به آلیاژ CF-۸ مقاومت بیشتری در برابر اسید سولفوریک داشته و دارای استحکام بهتری در دماهای بالا هستند. کاربرد اختصاصی آنها در صنایع شیمیایی و در مجاورت محلول های خمیر کاغذ و اسید نیتریک است.
برای انتقال اسید سولفوریک داغ با غلظت های مختلف، آلیاژ CN-۷M با نیکل زیاد که حاوی مولیبدن و مس بوده وسیعا به کار می رود و نیز در برابر اسید هیدروکلریک رقیق و محلول های کلریدی داغ به خوبی مقاوم است. این آلیاژ در کارخانجات نورد فولاد در مجاورت مواد تمیز کننده از محلول های هیدروفلوریک نیتریک بکار می رود. همچنین در بسیاری موارد که آلیاژهای گروه CF با کروم بالا مناسب نیستند، این آلیاژ کاربرد خوبی دارد.
ترکیب شیمیایی و کاربرد بعضی فولادهای ضدزنگ آستنیتی در جدول زیر آمده است.
حدود ۶۵% تا ۷۰% فولادهای ضدزنگ تولیدی ایالات متحده امریکا را فولادهای ضدزنگ آستنیتی تشکیل می‌دهند. این فولادها به علت مقاومت به خوردگی و شکل پذیری مطلوب در این موقعیت قرار دارند، و از این رو برای بیشتر کاربردهای مهندسی خواص خوب و مطلوبی دارند. فولادهای زنگ نزن نوع ۳۰۴ و ۳۰۲ بیشترین کاربرد را هم در دماهای بالا و هم در دماهای پایین دارند. نوع ۳۱۶، که ۲.۵%Mo دارد، مقاومت به خوردگی بهتر و استحکام بیشتری در دماهای بالا دارد. آلیاژهایی با مقدار بیشتر کروم (23-25%) مثل نوع 309 و 310 ترجیحاً در دماهای بالا به‌کار می‌روند.
فولادهای ضدزنگ آستنیتی بعد از تابکاری در دماهای بالا به علت داشتن مقدار زیاد نیکل (پایدارکننده آستنیت) در دمای محیط نیز دارای ساختار آستنیت، FCC، می‌باشند. علاوه بر این، منگنز، کربن و نیتروژن نیز به پایداری ساختار آستنیت کمک می‌کنند. افزایش نیکل به آلیاژهای آهن - کروم منطقه آستنیت پایدار را وسیع‌تر می‌کند و دمای M را کاهش می‌دهد. در فولاد ضدزنگ ۱۸%کربن-۸%نیکل پس از سرد کردن از دمای تابکاری (مثلاً ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد) در دمای محیط ساختار آستنیتی به‌دست می‌آید. اما، در بعضی فولاد های زنگ نزن Fe-Cr-Ni (مثلاً نوع ۳۰۱) به علت کم بودن مقدار کروم و نیکل (نسبت به فولاد فوق‌الذکر)، آستنیت از نظر ترمودینامیکی در دمای اتاق ناپایدار است. اگر آلیاژی از این نوع در دمای اتاق یا کمی کمتر از آن تغییر شکل مومسان دهد، مقداری از آستنیت به مارتنزیت تغییر می‌یابد.
بیشتر فولادهای ضدزنگ متداول، مقدار چشمگیری کربن دارند. مثلاً در نوع ۳۰۲ حدود ۰.۱%C و در نوع ۳۰۴ حدود ۰.۶%C وجود دارد. از آنجا که حلالیت کربن در فولادهای ضدزنگ آستنیتی، مثل آلیاژ ۱۸%Cr-۸%Ni ، با کاهش دما سریعاً کاهش می‌یابد اگر این آلیاژها آهسته سرد شوند کاربیدهای کروم رسوب می‌کنند (شکل زیر). مثلاً اگر آلیاژ ۳۰۴ (۱۹%Cr-۹%Ni) از دمای۱۰۵۰ درجه سانتی گراد تا دمای محیط به آهستگی سرد شود، کاربیدهای کروم در گستره ۸۵۰-۴۰۰ درجه سانتی گراد در مرزدانه‌ها رسوب می‌کنند.
به هنگام سرد کردن آرام از گستره دمایی بحرانی یعنی ۸۵۰-۴۰۰ درجه سانتی گراد، تعداد ناکافی از اتم‌های کروم از زمینه دانه نفوذ می‌کند، تا جایگزین اتم‌هایی شود که به وسیله کاربیدهای کروم از مرزدانه ها خارج شده‌اند. در نتیجه، میزان کروم در مناطق نزدیک به مرزدانه ها کمتر از میزان بحرانی لازم، ۱۲%، برای مقاومت به خوردگی است، و از این رو آلیاژ مستعد خوردگی بین دانه ای است.
بنابراین، تابکاری این نوع فولادها باید در دمای زیاد انجام شود تا کاربیدهای کروم وارد محلول جامد شوند اما دما نباید به اندازه‌ای زیاد باشد که دانه‌ها خیلی رشد کنند. بیشتر فولادهای ضدزنگ در گستره ۱۰۵۰ تا ۱۱۲۰ درجه سانتی گراد تابکاری می‌شوند. بعد از تابکاری در دمای بالا، برای جلوگیری از رسوب کردن کاربیدهای کروم، فولادها باید سریعاً سرد شوند.
همیشه امکان سریع سرد کردن آلیاژی مثل فولاد ضدزنگ ۳۰۴ پس از تابکاری در دماهای بالا وجود ندارد، و این کار می‌تواند مشکلاتی ناشی از خوردگی ایجاد کند. مثلاً؛ جوشکاری فولادهای ضدزنگ در محل کار که به آهستگی سرد می‌شود بدین معنی است که عملیات حرارتی بعدی برای حل شدن مجدد کاربید کروم امکان‌پذیر نیست.
برای جلوگیری از رسوب مرزدانه‌ای که بر اثر آهسته سرد کردن به وجود می‌آید، تغییراتی در ترکیب شیمیایی صورت گرفته است که در آن کربن با سایر عناصر ترکیب می‌شود.
در آلیاژ ۳۲۱، تیتانیوم به میزان پنج برابر کربن به آلیاژ اضافه می‌شود. با گرما دادن این آلیاژ در ۸۷۰ درجه سانتی گراد و به مدت زمان کافی، تیتانیم با کربن ترکیب می‌شود و کاربید تیتانیم (TiC) تشکیل می‌دهد. از آنجا که وقتی عملیات حرارتی با آهسته سرد کردن از گستره دماهای بحرانی همراه باشد از رسوب کردن کاربید کروم جلوگیری می‌شود به آن عملیات پایدارسازی گویند.
روش دیگری پایدار کردن فولاد زنگ نزن ۸-۱۸ اضافه کردن کلومبیوم (نیوبیوم) است که در آن به جای کاربیدهای کروم کاربیدهای کلومبیم (CbC) تشکیل می‌شود. در آلیاژ ۳۴۷، به فولاد زنگ نزن ۸-۱۸ ده برابر مقدار کربن آن کلومبیم اضافه شده است. این آلیاژ برای ترکیب شدن کربن با کلومبیم باید در دمای ۸۷۰ درجه سانتی گراد پایدار شود.
روش دیگر برای جلوگیری از رسوب کاربید کروم در مرزدانه‌های فولادهای ضدزنگ آستنیتی این است که مقدار کربن به اندازه کافی کاهش یابد. در آلیاژهای ۳۰۴L و ۳۱۶L حداکثر ۰.۰۳% کربن مجاز است. برای کار در دماهای کمتر از ۴۲۵ درجه سانتی گراد، این آلیاژها معمولاً بر آلیاژهای دارای کاربیدهای تیتانیوم و کلومبیوم (نیوبیوم) ارجحیت دارند. کاربرد و هزینه است که مشخص می‌کند کدام آلیاژ برای جلوگیری از خوردگی بین‌دانه‌ای انتخاب شود.