فولاد A105

فولاد ASTM A105 یکی از پرکاربردترین فولادهای کربنی آهنگری‌شده در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و نیروگاهی است که به طور ویژه برای ساخت قطعات تحت فشار مانند فلنج‌ها، اتصالات و شیرآلات طراحی شده است. این فولاد به دلیل ترکیب مناسب از استحکام، شکل‌پذیری و قابلیت ماشین‌کاری بالا، عملکرد قابل‌اعتمادی در شرایط دمای محیط تا دماهای میانی ارائه می‌دهد. همچنین، در صورت انجام عملیات حرارتی نرماله‌کردن (A105N)، ساختار ریزدانه‌تر و چقرمگی بهتری حاصل می‌شود که آن را برای کاربردهای حساس‌تر در سیستم‌های فشار بالا و محیط‌های خورنده مناسب‌تر می‌سازد.

فولاد ASTM A105 (ASME SA-105) دارای معادل‌هایی در استانداردهای بین‌المللی مختلف است که از نظر ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی شباهت زیادی دارند. در استاندارد DIN/EN اروپا، نزدیک‌ترین معادل آن فولاد C22.8 (1.0460) محسوب می‌شود که برای قطعات آهنگری‌شده در سرویس‌های تحت فشار به کار می‌رود. با وجود تفاوت‌های جزئی در ترکیب یا خواص حرارتی، این فولادها همگی عملکردی مشابه ASTM A105 در کاربردهای فشار قوی و دمای بالا ارائه می‌دهند.

ترکیب شیمیایی فولاد ASTM A105 که در ‏جدول 1 آورده شده است، به‌دقت تحت استاندارد ASTM A105/A105M کنترل می‌شود تا تعادل مطلوبی بین استحکام، چقرمگی، جوش‌پذیری و هزینه ایجاد گردد. این فولاد با حداکثر 0.25% کربن، استحکام کافی و درعین‌حال جوش‌پذیری مناسب دارد، در حالی که منگنز باعث افزایش سخت‌شوندگی، ریزدانه شدن و بهبود چقرمگی می‌شود. سیلیسیم نقش اصلی در اکسیژن‌زدایی و تقویت محلول جامد دارد و عناصر فسفر و گوگرد به‌دلیل اثرات مضرشان بر تردی و ترک‌پذیری به مقادیر بسیار کم محدود شده‌اند. عناصر باقی‌مانده مانند کروم، مولیبدن، نیکل، مس و وانادیوم به‌صورت ناخالصی کنترل می‌شوند تا مجموع آن‌ها از ۱% تجاوز نکند و ترکیب فولاد در محدوده فولادهای کربنی باقی بماند، نه آلیاژی. این تنظیم دقیق ترکیب باعث می‌شود فولاد A105 رفتار یکنواخت، قابل پیش‌بینی و مناسب برای سرویس‌های تحت فشار داشته باشد [1-4].

• ترکیب شیمیایی فولاد A105 [2].

خواص مکانیکی فولاد ASTM A105 مستقیماً از ترکیب شیمیایی و به‌ویژه شرایط عملیات حرارتی آن ناشی می‌شود. بر اساس استاندارد ASTM A105/A105M، این فولاد در حالت آهنگری‌شده، آنیل‌شده یا معمولاً نرماله‌شده (A105N) باید حداقل استحکام کششی 485 مگاپاسکال، استحکام تسلیم 250 مگاپاسکال، ازدیاد طول حداقل 22% و کاهش سطح حداقل 30٪ داشته باشد. مقدار سختی حداکثر 197 HBW نیز به‌عنوان حد بالا تعیین شده تا قابلیت ماشین‌کاری عالی و اقتصادی در فرآیندهایی مانند سوراخ‌کاری، رزوه‌زنی و پرداخت فلنج‌ها حفظ شود. در عین حال، عملیات حرارتی مناسب می‌تواند با اصلاح ساختار دانه‌ای و توزیع فازها، استحکام و چقرمگی فولاد را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشد [2, 5].

استاندارد ASTM A105 چند نوع عملیات حرارتی از جمله آنیل، نرماله‌کردن، نرماله و تمپر، و همچنین کوئنچ و تمپر را مجاز می‌داند. در میان آن‌ها، نرماله‌کردن (A105N) رایج‌ترین و مهم‌ترین روش است که طی آن قطعه تا حدود ۹۵۰ درجه سلسیوس گرم و پس از یکنواخت شدن ساختار آستنیتی، در هوای ساکن سرد می‌شود. این فرایند موجب ریزدانه شدن ساختار، حذف تنش‌های داخلی و افزایش قابل‌توجه چقرمگی و خواص ضربه‌ای می‌شود. در مقابل، بازپخت (Annealing) با سرد شدن آهسته در کوره، ساختاری نرم‌تر و چکش‌خوارتر ایجاد می‌کند ولی چقرمگی کمتری نسبت به نرماله دارد. علاوه بر این، عملیات پیشرفته کوئنچ و تمپر (Q&T) برای کاربردهای خاص مجاز است و شامل آستنیتی‌کردن، سردکردن سریع در آب یا روغن و سپس تمپر در دمای ۵۰۰ تا ۷۰۰ درجه سلسیوس است. این فرایند با تشکیل مارتنزیت و سپس تمپر کردن آن، تعادلی دقیق بین استحکام و چقرمگی ایجاد می‌کند. نتایج پژوهش‌ها نشان می‌دهد که فولاد A105 کوئنچ و تمپرشده خواصی مشابه فولادهای دما پایین ASTM A350 LF2 دارد و در کاربردهای دمای پایین نیز عملکرد مطلوبی ارائه می‌دهد [2, 6, 7].

فولاد ASTM A105 به دلیل استحکام و قیمت مناسب در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی بسیار پرکاربرد است، اما مقاومت ذاتی پایینی در برابر خوردگی و سایش دارد؛ از این‌رو تقریباً همیشه نیازمند مهندسی سطح برای افزایش دوام و عملکرد است. هدف از این عملیات، ایجاد لایه‌های محافظ یا اصلاح ساختار سطحی برای مقابله با عوامل مخرب محیطی است. روش‌های مهندسی سطح شامل عملیات نفوذی (نظیر نیتروکربوراسیون)، پوشش‌دهی‌های فلزی و پلیمری، لایه‌نشانی‌های مقاوم به سایش، و آماده‌سازی‌های شیمیایی و مکانیکی سطح می‌شود.

از جمله روش‌های حرارتی و نفوذی می‌توان به نیتروکربوراسیون فریتی (FNC) اشاره کرد که با نفوذ هم‌زمان نیتروژن و کربن در دمای حدود ۵۸۰ درجه سلسیوس، لایه‌ای سخت و مقاوم در برابر سایش و خستگی ایجاد می‌کند. در مقابل، کربوره کردن با نفوذ کربن در دمای بالا موجب تشکیل لایه مارتنزیتی سخت می‌شود، اما احتمال اعوجاج قطعه را افزایش می‌دهد. نیتریدینگ نیز تنها نیتروژن را به سطح وارد کرده و با ایجاد فازهای نیتریدی، سختی و مقاومت به خوردگی بسیار بالایی فراهم می‌کند. این روش‌ها ساختاری مرکب از سطحی سخت و مغزی چقرمه پدید می‌آورند که برای قطعات تحت سایش مانند شیرها و محورهای فولادی ایده‌آل است [8].

در گروه پوشش‌دهی‌ها و لایه‌های مقاوم، فرآیندهایی مانند آبکاری نیکل الکترولس (ENP) و کروم سخت بیشترین کاربرد را دارند. نیکل فسفر آمورف در ENP لایه‌ای یکنواخت و مقاوم در برابر خوردگی‌های شدید (مانند H₂S وCO₂ ) ایجاد می‌کند، در حالی‌که کروم سخت با سختی 68–72 HRC مقاومت سایشی و لغزندگی عالی فراهم می‌سازد. برای محیط‌های بسیار خشن، از جوش‌پوشی آلیاژهای مقاوم مانند Stellite یا روش‌های پاشش حرارتی (HVOF) استفاده می‌شود. علاوه بر این، پوشش‌های ساده‌تری نظیر فسفاته‌کردن، گالوانیزه‌کردن، اپوکسی و FBE برای حفاظت اتمسفری و زیرزمینی کاربرد دارند. در نهایت، روش‌های مکانیکی مانند ساب‌پاشی و برنیش غلتکی به‌عنوان آماده‌سازی یا بهبود مقاومت خستگی سطح به کار می‌روند [9-13].

در ارزیابی عملکرد در سرویس و دوام فولاد ASTM A105، باید توجه داشت که این فولاد یک فولاد ساده‌کربنی است و ذاتاً مقاومت خوردگی و سایش بالایی ندارد. در محیط‌های جوی، بدون پوشش به‌سرعت دچار زنگ‌زدگی می‌شود و در تماس با کلریدها یا اسیدها، عملکرد ضعیفی دارد؛ ازاین‌رو، استفاده از پوشش‌های حفاظتی مانند رنگ، گالوانیزه یا روکش‌های سخت امری ضروری است. از نظر مقاومت به سایش نیز، سختی محدود (حداکثر 197 HBW) در حالت نرمالایز باعث می‌شود که در کاربردهای دارای اصطکاک یا فرسایش قابل توجه، نیاز به عملیات حرارتی (Q&T)، نیتروکربوراسیون، یا روکش‌کاری سخت وجود داشته باشد تا سطح قطعه بتواند در برابر سایش و خوردگی عملکرد بهتری ارائه دهد [12].

از دیدگاه مقاومت خستگی و خزش نیز، رفتار A105 محدود است. عمر خستگی این فولاد به استحکام کششی، عیوب داخلی و وضعیت سطح بستگی دارد؛ بنابراین، روش‌هایی مانند نیتروکربوراسیون یا غلتک‌کاری سطحی (roller burnishing) که تنش فشاری پسماند ایجاد می‌کنند، به‌طور چشمگیری طول عمر خستگی را افزایش می‌دهند. بااین‌حال، در دماهای بالا (بیش از حدود 450درجه سلسیوس) مقاومت خزشی آن به‌دلیل نبود عناصر آلیاژی مانند کروم و مولیبدن بسیار پایین است و تنش مجاز طبق استاندارد ASME به‌سرعت کاهش می‌یابد. ازاین‌رو، A105 برای سرویس‌های با دمای بالا یا فشار زیاد مناسب نیست و در چنین مواردی باید از فولادهای آلیاژی مقاوم‌تر نظیر A182 استفاده شود [14, 15].

فولاد ASTM A105 یک فولاد کربنی فورج‌پذیر و اقتصادی است که به‌طور گسترده در ساخت فلنج‌ها، اتصالات و شیرآلات خطوط لوله در صنایع نفت، گاز و نیروگاه‌ها برای سرویس‌های با فشار متوسط و دمای محیطی تا حدود 450درجه سلسیوس استفاده می‌شود. این فولاد به‌دلیل قیمت پایین، استحکام و چقرمگی مناسب و قابلیت ساخت و جوشکاری خوب پرکاربرد است، اما مقاومت خوردگی و چقرمگی در دمای پایین ضعیفی دارد و در محیط‌های مرطوب یا کلریدی نیازمند پوشش یا عملیات سطحی محافظ است. در مجموع، عملکرد آن بیش از ترکیب شیمیایی، به عملیات حرارتی و نوع پوشش سطحی وابسته است.

منابع

[1]     Specification for Carbon Steel Forgings for Piping Applications, SA-105/SA-105M, A. S. o. M. Engineers, New York, NY, 2023.

[2]     Standard Specification for Carbon Steel Forgings for Piping Applications, A105/A105M-23, A. International, West Conshohocken, PA, 2023.

[3]     A. Calik, A. Duzgun, O. Sahin, and N. Ucar, “Effect of carbon content on the mechanical properties of medium carbon steels,” Zeitschrift für Naturforschung A, vol. 65, no. 5, pp. 468–472, 2010.

[4]     M. Calcagnotto, D. Ponge, and D. Raabe, “On the effect of manganese on grain size stability and hardenability in ultrafine-grained ferrite/martensite dual-phase steels,” Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 43, no. 1, pp. 37–46, 2012.

[5]     R. Chotěborský and M. Brožek, “Influence of heat treatment on mechanical properties of steel,” Research in Agricultural Engineering, vol. 50, no. 4, pp. 152–155, 2004.

[6]     H. Zhang et al., “Effects of quenching and tempering heat treatment processing on the microstructure and properties of high-strength hull steel,” Metals, vol. 12, no. 6, p. 914, 2022.

[7]     A. Gharbi et al., “Heat Treatment Effect on the Microstructural, Hardness and Tribological Behavior of A105 Medium Carbon Steel,” 2021, vol. 406: Trans Tech Publ, pp. 419–429.

[8]     E. R. S. Sran and E. G. R. Sharma, “Surface Modification of A105 Steel using Tenifer Process of Ferritic Nitrocarburizing.”

[9]     A. Shahroozi, A. Afsari, B. Khakan, and A. R. Khalifeh, “Microstructure and mechanical properties investigation of stellite 6 and Stellite 6/TiC coating on ASTM A105 steel produced by TIG welding process,” Surface and Coatings Technology, vol. 350, pp. 648–658, 2018.

[10]   C. Lin, N. Dadvand, Z. Farhat, and G. Kipouros, “Electroless nickel phosphorous plating on carbon steel,” Materials Science and Technology, vol. 3, pp. 2224–2237, 2013.

[11]   A. Kułakowska and Ł. Bohdal, “Surface Characterization of Carbon Steel after Rolling Burnishing Treatment,” Metals, vol. 14, no. 1, p. 31, 2023.

[12]   A. Kim, S. Kainuma, and M. Yang, “Surface characteristics and corrosion behavior of carbon steel treated by abrasive blasting,” Metals, vol. 11, no. 12, p. 2065, 2021.

[13]   J. Duszczyk, K. Siuzdak, T. Klimczuk, J. Strychalska-Nowak, and A. Zaleska-Medynska, “Modified manganese phosphate conversion coating on low-carbon steel,” Materials, vol. 13, no. 6, p. 1416, 2020.

[14]   R. Motte and W. De Waele, “An overview of estimations for the high-cycle fatigue strength of conventionally manufactured steels based on other mechanical properties,” Metals, vol. 14, no. 1, p. 85, 2024.

[15]   R. Glienke et al., “Fatigue strength of non-welded constructional details using the nominal stress concept based on synthetic SN curves from FKM approach,” publication process, Nordic Steel, 2024.