استیل ۳۲۱ یکی از آلیاژهای پرکاربرد در خانوادهی فولادهای زنگنزن آستنیتی (Austenitic Stainless Steels) است. این گرید از فولاد زنگنزن با افزودن عنصر تیتانیوم (Ti) به گرید معروف ۳۰۴ بهدست آمده و هدف از این افزودن، افزایش مقاومت در برابر رسوب کاربید کروم و بهبود پایداری در دماهای بالا است. برای آشنایی بیشتر با این استیل نسوز با فولاد ارزان همراه باشید.
خواص مکانیکی و فیزیکی استیل ۳۲۱
خواص مکانیکی (Mechanical Properties)
استیل ۳۲۱ از نوع فولادهای زنگنزن آستنیتی است، یعنی ساختار بلوری آن در دمای اتاق آستنیتی (FCC) بوده و همین ویژگی باعث میشود چقرمگی، انعطافپذیری و شکلپذیری بالایی داشته باشد.
جدول خواص مکانیکی (طبق استاندارد ASTM A240)
| ویژگی | مقدار معمول | توضیح |
|---|---|---|
| استحکام کششی نهایی (Ultimate Tensile Strength) | حدود ۵۱۵ MPa (75 ksi) | نیرویی که قبل از شکست میتواند تحمل کند. |
| حد تسلیم (Yield Strength, 0.2% offset) | حدود ۲۰۵ MPa (30 ksi) | نقطهای که تغییر شکل دائمی آغاز میشود. |
| ازدیاد طول (Elongation at break) | حدود ۴۰% | نشانگر چقرمگی و شکلپذیری بالا. |
| سختی برینل (Brinell Hardness) | حدود ۲۱۷ HB | سختی متوسط، قابل ماشینکاری با ابزار کاربیدی. |
| مدول یانگ (Elastic Modulus) | 193 GPa | نشانگر سفتی و مقاومت در برابر تغییر شکل الاستیک. |
| نسبت پواسون (Poisson’s ratio) | 0.29 | ویژگی عمومی فولادهای آستنیتی. |
تحلیل مکانیکی
چقرمگی بالا: بهدلیل ساختار آستنیتی، استیل ۳۲۱ حتی در دماهای پایین شکننده نمیشود.
مقاومت در برابر خزش (Creep Resistance): در دماهای بالا (تا ۸۷۰°C) پایداری خوبی دارد و از گرید ۳۰۴ بهتر عمل میکند.
عدم سخت شدن با عملیات حرارتی: این فولاد از طریق عملیات حرارتی سخت نمیشود؛ تنها با کار سرد (Cold Working) میتوان سختی آن را افزایش داد.
رفتار در جوشکاری: پس از جوشکاری، تضعیف مرز دانهها بهدلیل حضور تیتانیوم رخ نمیدهد.
خرید mo40
مولیبدن و کروم نقش اصلی در افزایش سختیپذیری، مقاومت به سایش و پایداری در دماهای نسبتاً بالاتر دارند.
خواص فیزیکی (Physical Properties)
جدول خواص فیزیکی معمول برای استیل ۳۲۱
| ویژگی | مقدار | توضیح |
|---|---|---|
| چگالی (Density) | 7.9 g/cm³ | تقریباً برابر با سایر فولادهای آستنیتی مانند ۳۰۴٫ |
| نقطه ذوب (Melting Range) | 1,400 – ۱,۴۵۰°C | مناسب برای کار در دماهای بالا. |
| ضریب انبساط حرارتی (Thermal Expansion Coefficient) | 16.5 µm/m°C (در بازهی ۲۰–۱۰۰°C) | نسبتاً بالا؛ باید در طراحی اتصالات انبساطی لحاظ شود. |
| هدایت حرارتی (Thermal Conductivity) | 16.3 W/m·K در ۱۰۰°C | هدایت حرارتی متوسط، کمتر از فولادهای معمولی. |
| مقاومت ویژه الکتریکی (Electrical Resistivity) | 0.73 µΩ·m در ۲۰°C | نسبت به فولاد کربنی مقاومت الکتریکی بیشتری دارد. |
| گرمای ویژه (Specific Heat Capacity) | 500 J/kg·K | ظرفیت حرارتی بالا؛ برای تجهیزات حرارتی مفید است. |
| نفوذپذیری مغناطیسی (Magnetic Permeability) | 1.02 (در حالت آنیل) | عملاً غیرمغناطیسی است، مگر در حالت سردکاری. |
تحلیل فیزیکی
پایداری حرارتی بسیار بالا: استیل ۳۲۱ تا حدود ۸۷۰°C در سرویس مداوم و ۹۲۵°C در شرایط متناوب پایدار میماند.
مقاومت به اکسیداسیون: به دلیل وجود کروم و تیتانیوم، لایه اکسید محافظ در سطح آن پایدارتر از گریدهای معمولی مانند ۳۰۴ است.
انبساط حرارتی زیاد: در طراحی قطعات طولانی (مثل لولههای اگزوز یا مبدلهای حرارتی) باید تغییر طول ناشی از حرارت در نظر گرفته شود.
غیرمغناطیسی بودن: در صنایع حساس (مانند تجهیزات الکترونیکی یا پزشکی) مزیت محسوب میشود.
رفتار در دماهای بالا
در دماهای بالاتر از ۸۰۰°C، بسیاری از فولادها دچار رسوب کاربید کروم (Cr₂₃C₆) میشوند که موجب خوردگی بیندانهای است.
اما در استیل ۳۲۱، تیتانیوم با کربن ترکیب شده و از این پدیده جلوگیری میکند.به همین دلیل این آلیاژ برای کاربردهای حرارتی طولانیمدت مانند لولههای کوره، مبدلهای حرارتی و سیستمهای اگزوز بسیار مناسب است.
ترکیب شیمیایی استیل ۳۲۱
استیل ۳۲۱ یکی از فولادهای زنگنزن آستنیتی سری ۳۰۰ است که پایهی آن فولاد ۳۰۴ بوده اما با افزودن تیتانیوم (Ti) به آن، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی بیندانهای افزایش یافته است.
فرمول کلی این آلیاژ بهصورت تقریبی Fe–۱۸Cr–۱۰Ni–Ti است.
جدول ترکیب شیمیایی (مطابق استاندارد ASTM A240 / A276)
| عنصر | درصد وزنی (٪) | نقش و توضیح |
|---|---|---|
| کربن (C) | ≤ ۰٫۰۸ | مقدار کم کربن برای حفظ انعطافپذیری و جلوگیری از تشکیل کاربید کروم. |
| منگنز (Mn) | ≤ ۲٫۰۰ | برای افزایش چقرمگی و بهبود خواص در حین نورد و شکلدهی. |
| سیلیسیم (Si) | ≤ ۱٫۰۰ | افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون و بهبود سیالیت در ذوب. |
| فسفر (P) | ≤ ۰٫۰۴۵ | ناخالصی مضر؛ باید تا حد امکان پایین نگه داشته شود. |
| گوگرد (S) | ≤ ۰٫۰۳ | در مقادیر زیاد باعث تردی و کاهش جوشپذیری میشود. |
| نیکل (Ni) | 9.0 – ۱۲٫۰ | پایداری فاز آستنیت، افزایش چقرمگی، انعطاف و مقاومت خوردگی. |
| کروم (Cr) | 17.0 – ۱۹٫۰ | عنصر اصلی ضدزنگ؛ ایجاد لایهی اکسید کروم محافظ روی سطح فلز. |
| تیتانیوم (Ti) | ≥ ۵×C و ≤ ۰٫۷۰ | عامل پایدارکننده؛ با کربن ترکیب میشود و از تشکیل کاربید کروم جلوگیری میکند. |
| آهن (Fe) | مابقی (Balance) | عنصر پایه که سایر عناصر در آن حل شدهاند. |
نقش و تأثیر هر عنصر به تفکیک
۱٫ کروم (Cr – ۱۷–۱۹%)
مهمترین عنصر در خاصیت ضدزنگ فولاد.
با اکسیژن ترکیب شده و لایهای بسیار نازک از Cr₂O₃ ایجاد میکند که از تماس بیشتر فلز با هوا جلوگیری میکند.
هرچه مقدار کروم بیشتر باشد، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون بالاتر میرود.
۲٫ نیکل (Ni – ۹–۱۲%)
ساختار فولاد را آستنیتی (FCC) نگه میدارد.
باعث افزایش چقرمگی، شکلپذیری و مقاومت در برابر خوردگی در محیطهای اسیدی میشود.
همچنین از تردی در دمای پایین جلوگیری میکند.
۳٫ تیتانیوم (Ti – ۰٫۲–۰٫۷%)
عنصر کلیدی در تمایز استیل ۳۲۱ از ۳۰۴٫
با کربن ترکیب میشود و کاربید تیتانیوم (TiC) تشکیل میدهد.
این فرآیند مانع از ترکیب کربن با کروم و تشکیل کاربید کروم (Cr₂₃C₆) میشود که عامل اصلی خوردگی بیندانهای است.
در نتیجه، فولاد ۳۲۱ در دمای ۴۵۰ تا ۸۵۰°C پایدار باقی میماند.
۴٫ کربن (C – ≤۰٫۰۸%)
نقش دوگانه دارد: سختی و استحکام را افزایش میدهد، ولی در صورت زیاد بودن باعث خوردگی بیندانهای میشود.
در ۳۲۱، مقدار آن کم نگه داشته میشود و با تیتانیوم تثبیت میشود.
۵٫ منگنز (Mn – ≤۲%)
بهعنوان اکسیدزدا (Deoxidizer) عمل کرده و از حبابزایی در هنگام ذوب جلوگیری میکند.
تا حدودی جایگزین نیکل در تثبیت فاز آستنیت میشود.
۶٫ سیلیسیم (Si – ≤۱%)
مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا را تقویت میکند.
همچنین در تولید فولاد بهعنوان عامل اکسیدزدا استفاده میشود.
۷٫ فسفر (P) و گوگرد (S)
ناخالصی محسوب میشوند و باید در کمترین حد ممکن حضور داشته باشند.
مقادیر بالا میتوانند باعث کاهش چقرمگی، شکنندگی در جوش و کاهش مقاومت خوردگی شوند.
طراحی برای کاربرد حرارتی
ترکیب شیمیایی استیل ۳۲۱ به گونهای طراحی شده است که:
کروم و نیکل مقاومت به خوردگی عمومی را تأمین کنند،
تیتانیوم از تشکیل کاربید کروم جلوگیری کند،
و پایداری ساختاری در دماهای بالا تضمین شود.
به همین دلیل استیل ۳۲۱ در کاربردهای حرارتی مانند لولههای اگزوز، کورهها، مبدلهای حرارتی و تجهیزات پتروشیمی بسیار پرکاربرد است.
خواص و ویژگیهای کلیدی
مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا دارد. تا حدود ۸۷۰ درجه سانتیگراد، بدون از دست دادن خواص مکانیکی. همچنین دارای پایداری در برابر خوردگی بیندانهای می باشد. وجود تیتانیوم باعث میشود کاربید کروم تشکیل نشود و مرز دانهها دچار تضعیف نگردد.
قابلیت غیرمغناطیسی بودن در حالت آنیلشده داراست. مشابه فولاد ۳۰۴، در حالت سرد ممکن است اندکی خاصیت مغناطیسی پیدا کند. از طرفی قابلیت جوشکاری و شکلدهی بالا دارد. بهراحتی با روشهای TIG، MIG، و مقاومت نقطهای جوش داده میشود.
کاربردهای استیل ۳۲۱
بهدلیل مقاومت حرارتی و خوردگی بالا، از این آلیاژ در صنایع زیر استفاده میشود:
صنایع هوافضا و توربینها
سیستمهای اگزوز خودرو و هواپیما
مبدلهای حرارتی و بویلرها
صنایع پتروشیمی و نفت و گاز
تجهیزات فرآیند اسید نیتریک
قطعات کورهها و اجزای حرارتی
نکات فنی در فرآیند تولید و جوشکاری
در جوشکاری استیل ۳۲۱ نیازی به عملیات پسگرم (Post Weld Heat Treatment) نیست.
الکترود پیشنهادی: E347 یا ER347 (دارای نیوبیوم و تانتالوم برای پایداری بیشتر).
ماشینکاری: به دلیل خاصیت چقرمگی بالا، سرعت برش باید پایین و ابزار از جنس کاربیدی باشد.
استیل ۳۲۱ با ترکیب بهینه از پایداری حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی بیندانهای، و قابلیت جوشکاری بالا یکی از آلیاژهای استراتژیک در صنایع حرارتی و شیمیایی است. اگرچه در محیطهای حاوی کلرید بهتر است از گرید ۳۱۶ استفاده شود، اما برای دماهای بالا تا حدود ۹۰۰ درجه سانتیگراد، ۳۲۱ بهترین انتخاب محسوب میشود.
