فولاد 1.8070

فولاد 1.8070 با نام استاندارد DIN/EN 21CrMoV5-11 یکی از فولادهای عملیات‌حرارتی پذیر آلیاژی کم‌کربن اما پرآلیاژ از خانواده‌ی کروم–مولیبدن–وانادیم (Cr–Mo–V) است که به‌طور ویژه برای کار در دماهای بالا طراحی شده است. ویژگی اصلی این فولاد، مقاومت بسیار زیاد در برابر خزش (Creep) و تغییر شکل طولانی‌مدت در دماهای بالا است. به همین دلیل، این فولاد نقش حیاتی در صنایع نیروگاهی، پتروشیمی و ساخت تجهیزات تحت فشار دارد، جایی که پایداری ابعادی و استحکام درازمدت اهمیت حیاتی دارد.

ترکیب دقیق عناصر در فولاد 21CrMoV5-11 تعادلی دقیق میان استحکام، چقرمگی و پایداری حرارتی ایجاد می‌کند که در ‏جدول 1 آورده شده است. فولاد معادل آن در استاندارد روسی 25Ch1M1F است. فولاد 1.8070 به دلیل مسیرهای توسعه صنعتیِ موازی اما متمایز در مناطق مختلف، فاقد معادل مستقیم و یک-به-یک در استانداردهای آمریکایی (AISI/SAE) و ژاپنی (JIS) است. اگرچه در آمریکا گریدهایی با عملکرد مشابه (مانند ASTM A470 Class 8) برای کاربردهای توربین توسعه یافته‌اند، اما این مواد از نظر ترکیب شیمیایی و معیارهای تولید و آزمایش یکسان نیستند. این واگرایی بدین معناست که مهندسان در تدارکات جهانی یا نگهداری نمی‌توانند به سادگی این گریدها را جایگزین کنند؛ هرگونه جایگزینی نیازمند یک ارزیابی مهندسی دقیق، شامل مقایسه‌ی کامل ترکیب شیمیایی، عملیات حرارتی و مهم‌تر از همه، داده‌های بلندمدت خزش و خستگی است تا از عملکرد و ایمنی معادل اطمینان حاصل شود [1].

• ترکیب شیمیایی فولاد 8070 [1].

عملکرد دمابالای فولاد 1.8070 از هم‌افزایی متالورژیکی چهار عنصر کلیدی ناشی می‌شود: کربن سختی‌پذیری پایه و قابلیت جوشکاری را فراهم می‌کند؛ کروم سخت‌شوندگی عمقی (حیاتی برای فورج‌های بزرگ مانند روتورها) و مقاومت به اکسیداسیون در محیط بخار را تضمین می‌نماید؛ مولیبدن به‌عنوان سنگ بنای مقاومت به خزش، هم از طریق استحکام‌بخشی محلول جامد و هم با تشکیل کاربیدهای پایدار عمل می‌کند. در نهایت، وانادیوم با ایفای نقشی حیاتی، هم دانه‌ها را ریز می‌کند و هم کاربیدهای وانادیومی (VC) فوق‌العاده ریز، سخت و بسیار پایداری را طی تمپر کردن شکل می‌دهد؛ این رسوبات VC نه‌تنها با مهار کردن نابجایی‌ها باعث استحکام خزشی بلندمدت می‌شوند، بلکه کل ریزساختار (شامل کاربیدهای Mo و Cr) را در دماهای کاری 500 الی 550 درجه سلسیوس تثبیت کرده و از افت خواص در طولانی‌مدت جلوگیری می‌کنند و عمر خدمتی بسیار بیشتری نسبت به فولادهای Cr-Mo ساده فراهم می‌آورند.

عملیات حرارتی فولاد 1.8070 یکی از مهم‌ترین مراحل در آماده‌سازی این فولاد برای کاربردهای دمای بالا است و تأثیر مستقیمی بر خواص مکانیکی و ریزساختاری نهایی آن دارد. این فرآیند شامل مراحل آنیل، نرماله‌سازی، سخت‌کاری، تمپر و در صورت نیاز تنش‌زدایی است. در مرحله آنیل نرم، فولاد تا حدود 650 تا 740 درجه سلسیوس حرارت داده و سپس به‌آرامی در کوره سرد می‌شود تا ساختاری پرلیتی درشت و نرم با قابلیت ماشین‌کاری بالا و تنش داخلی پایین ایجاد شود. در مرحله ی نرماله‌سازی، حرارت در محدوده 950 تا 980 درجه سلسیوس اعمال و خنک‌سازی در هوای ساکن انجام می‌شود تا اندازه دانه‌ها یکنواخت، ساختار اصلاح و چقرمگی بهبود یابد. سپس در مرحله سخت‌کاری، فولاد تا دمای 900 تا 960 درجه سلسیوس گرم و در روغن یا آب سرد می‌شود تا آستنیت به مارتنزیت سخت و ترد تبدیل شود؛ سرعت سرد شدن در این مرحله باید کنترل شود تا از ترک‌های حرارتی جلوگیری گردد. پس از آن، تمپر کردن در دمای 650 تا 740 درجه سلسیوس انجام می‌شود تا تردی مارتنزیتی کاهش یافته، تنش‌های داخلی آزاد و کاربیدهای آلیاژی مانند VC و Mo₂C رسوب کنند که با ایجاد سختی ثانویه، مقاومت فولاد را در برابر خزش در دمای بالا افزایش می‌دهند. در نهایت، عملیات تنش‌زدایی در محدوده 530 تا 650 درجه سلسیوس برای قطعات ماشین‌کاری‌شده یا جوش‌خورده اجرا می‌شود تا بدون کاهش محسوس در سختی، تنش‌های پسماند کاهش یافته و پایداری ابعادی قطعه حفظ گردد [2].

فولاد 1.8070 در حالت آنیل‌شده دارای ساختاری نرم و داکتیل است که با سختی حدود 205 تا 250 برینل، ماشین‌کاری و شکل‌دهی آسانی را فراهم می‌کند. این حالت موقت برای مراحل تولید انتخاب می‌شود تا پیش از عملیات حرارتی نهایی، قطعه بتواند به‌راحتی به ابعاد مورد نظر برسد. پس از ماشین‌کاری، فولاد تحت عملیات سخت‌کاری و تمپر قرار می‌گیرد تا به حالت نهایی کوئنچ و تمپر (QT) برسد که در آن استحکام کششی به حدود 690 تا 850 مگاپاسکال، تنش تسلیم به بیش از 540 مگاپاسکال و انرژی ضربه به بالای 55 ژول می‌رسد. این تغییرات ناشی از تشکیل ساختار مارتنزیتی تمپر شده است که هم‌زمان استحکام بالا، چقرمگی مناسب و مقاومت به خزش را ایجاد می‌کند؛ ویژگی‌هایی که برای قطعات تحت بارهای سنگین و دمای بالا، مانند پره‌های توربین، حیاتی هستند.

در شرایط کاری دمای بالا، فولاد 1.8070 عملکرد پایداری از خود نشان می‌دهد، اما با افزایش دما، استحکام تسلیم به‌تدریج کاهش می‌یابد؛ به‌طوری‌که در دمای 500 درجه سلسیوس مقدار آن به حدود 334 تا 373 مگاپاسکال می‌رسد. ویژگی متمایز این فولاد، مقاومت عالی در برابر خزش است؛ در دمای 500 درجه سلسیوس، تنش لازم برای ایجاد 1% تغییر شکل پس از 10,000 ساعت حدود 235 مگاپاسکال است و در دمای 540 درجه سلسیوس نیز پس از 100,000 ساعت همچنان حدود 68 مگاپاسکال باقی می‌ماند، که نشان‌دهنده پایداری قابل توجه در سرویس‌های بلندمدت است. همچنین، مقاومت به خستگی این فولاد در برابر تنش‌های سیکلی و حرارتی بسیار مطلوب است، به‌ویژه زمانی که با فرآیندهایی مانند نیتراسیون یا شات‌پینینگ تنش‌های فشاری سطحی تقویت شوند. این ترکیب از استحکام، پایداری و مقاومت خستگی، فولاد 1.8070 را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای مداوم در دماهای بالا و تحت بارهای متناوب تبدیل کرده است [3-5].

فرآیندهای نفوذی گرما-شیمیایی (Thermochemical Diffusion) مانند نیتراسیون و کربوراسیون برای بهبود مقاومت سطحی فولاد 1.8070 در برابر سایش، خستگی و خوردگی استفاده می‌شوند. در فرآیند نیتراسیون، قطعه در دمای حدود 500 تا 550 درجه سلسیوس در محیطی غنی از نیتروژن (معمولاً آمونیاک یا پلاسما) قرار می‌گیرد تا نیتروژن در سطح نفوذ کرده و با عناصر آلیاژی مانند کروم و وانادیم ترکیب شود و نیتریدهای سخت و پایدار تشکیل دهد. این لایه نازک اما بسیار سخت، مقاومت عالی در برابر سایش و تنش‌های تماسی ایجاد می‌کند. در مقابل، فرآیند کربوراسیون که در دماهای بالاتر (900 تا 950 درجه سلسیوس) انجام می‌شود، سطحی با کربن بالا و مغزی نرم‌تر ایجاد می‌کند اما به دلیل دمای زیاد و نیاز به کوئنچ مجدد، خطر اعوجاج ابعادی بالایی دارد. بنابراین، نیتراسیون به‌دلیل دمای پایین‌تر و پایداری ابعادی بیشتر، روش ترجیحی برای قطعات دقیق مانند پره‌های توربین است [6, 7].

سخت‌کاری موضعی (Selective Hardening) یکی دیگر از روش‌های افزایش مقاومت سطحی است که تنها بخش‌هایی از قطعه که تحت سایش یا فشار زیاد قرار دارند، سخت می‌شوند. در این روش‌ها، مانند سخت‌کاری شعله‌ای و القایی، سطح قطعه به‌صورت موضعی تا دمای آستنیتی گرم و سپس سریعاً سرد می‌شود. سخت‌کاری شعله‌ای برای قطعات بزرگ یا اشکال نامنظم مقرون‌به‌صرفه است، در حالی‌که در روش القایی از میدان الکترومغناطیسی برای گرم کردن سریع و دقیق استفاده می‌شود. این روش سرعت بالا، کنترل دقیق عمق سختی و تکرارپذیری عالی دارد و در تولید انبوه قطعاتی مانند چرخ‌دنده و شفت کاربرد فراوانی یافته است.

در کنار این روش‌ها، پوشش‌دهی‌های پیشرفته مانند رسوب فیزیکی و شیمیایی بخار (PVD و CVD) و پوشش‌های تبدیلی برای بهبود مقاومت سایشی و خوردگی به‌کار می‌روند. پوشش‌های سرامیکی مانند TiN، TiCN و Al₂O₃ سختی بسیار بالا و پایداری شیمیایی عالی دارند. فرآیند CVD در دمای بالا (900 تا 1050 درجه سلسیوس) انجام می‌شود و باید پیش از عملیات حرارتی نهایی برنامه‌ریزی شود تا به ریزساختار فولاد آسیب نرساند، در حالی که PVD در دمای پایین‌تر (250 تا 450 درجه سلسیوس) قابل انجام است و می‌تواند به‌عنوان مرحله نهایی روی قطعه‌ی ماشین‌کاری‌شده و تمپر شده اعمال شود، بدون آن‌که خواص مکانیکی آن تغییر کند. در کنار آن، پوشش‌های محافظ مانند آبکاری نیکل یا روی، فسفاته‌کردن و سیاه‌کاری برای افزایش مقاومت خوردگی، چسبندگی رنگ و کاهش اصطکاک نیز در کاربردهای صنعتی این فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرند [8, 9].

مقاومت به خوردگی فولاد 1.8070 عمدتاً به وجود کروم در ترکیب آن نسبت داده می‌شود. در محیط‌های اکسیدکننده با دمای بالا مانند بخار فوق‌داغ، کروم با تشکیل یک لایه اکسیدی پایدار و چسبنده بر روی سطح، از فلز پایه در برابر اکسیداسیون و خوردگی محافظت می‌کند. فولادهایی که بیش از 5_/0٪ کروم دارند، نرخ اکسیداسیون بسیار کمتری تا دمای حدود 550 درجه سلسیوس نشان می‌دهند. این لایه پسیو به‌عنوان مانعی بین فلز و محیط خورنده عمل کرده و از پیشرفت بیشتر تخریب جلوگیری می‌کند. همچنین حضور مولیبدن در ترکیب شیمیایی فولاد موجب افزایش مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای (pitting) می‌شود، نوعی از خوردگی موضعی که به‌ویژه در محیط‌های حاوی کلریدها مشکل‌ساز است. از سوی دیگر، مقاومت به سایش فولاد 1.8070 در حالت نهایی پس از کوئنچ و تمپر به دلیل سختی بالا و حضور کاربیدهای ریز و سخت آلیاژی ناشی از عناصر مولیبدن و وانادیم است. این کاربیدها در برابر سایش و تنش‌های تماسی شدید مقاومت کرده و از تغییر شکل یا تخریب سطح جلوگیری می‌کنند. در کاربردهایی که سایش چسبنده یا فرسایشی عامل اصلی خرابی است، از عملیات سطحی مانند نیتراسیون یا پوشش‌دهی‌های PVD و CVD برای افزایش مقاومت سطحی استفاده می‌شود [10, 11].

قابلیت جوشکاری فولاد 1.8070 یکی از چالش‌های اصلی در فرایند ساخت و تعمیر محسوب می‌شود، زیرا همان عناصری که استحکام بالا در دمای زیاد را ایجاد می‌کنند، باعث افزایش سخت‌شوندگی فولاد نیز می‌شوند. در نتیجه، در ناحیه متأثر از حرارت جوش (HAZ) به دلیل سرعت زیاد گرمایش و سرمایش، احتمال تشکیل مارتنزیت ترد و غیرتمپرشده زیاد است که به ترک‌های سرد ناشی از هیدروژن حساسیت بالایی دارد. بنابراین، جوشکاری موفق این فولاد تنها با رعایت دقیق دستورالعمل‌های فنی ممکن است. دو مرحله کنترل فرآیند ضروری هستند: پیش‌گرم کردن قطعه تا دمای حدود 260 درجه سانتی‌گراد برای کاهش نرخ سرمایش و تسهیل خروج هیدروژن محلول، و انجام عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) که با تمپر کردن ناحیه جوش، تردی را کاهش داده، چقرمگی را بازمی‌گرداند و تنش‌های پسماند را آزاد می‌کند. اگرچه این کنترل‌ها موجب افزایش پیچیدگی و هزینه در ساخت و تعمیر می‌شوند، اما برای حفظ استحکام و دوام فولاد 1.8070 اجتناب‌ناپذیر هستند [12].

فولاد 1.8070 به دلیل استحکام بالا، مقاومت خزشی و چقرمگی مناسب در دمای زیاد، به‌طور گسترده در صنایع نیروگاهی و پتروشیمی برای ساخت قطعاتی با یکپارچگی بالا مانند روتور، شافت و پره‌های توربین‌های بخار و گاز، بست‌ها و پیچ‌های مقاوم به دما، و اجزای تحت فشار در دیگ‌های بخار و مخازن فشاری به کار می‌رود. این فولاد با داشتن مقاومت خزشی عالی تا حدود 550 درجه سانتی‌گراد و تعادل مطلوبی از استحکام، چقرمگی و مقاومت به خستگی، یک گزینه مهندسی اقتصادی نسبت به سوپرآلیاژهای نیکل‌پایه محسوب می‌شود. با این حال، عملکرد آن کاملاً وابسته به کنترل دقیق عملیات حرارتی است و جوشکاری آن تنها با رعایت دقیق پیش‌گرم و عملیات حرارتی پس از جوش ممکن است. همچنین، این فولاد در برابر تردی تمپر در محدوده 350 تا 575 درجه سلسوس حساس است و در دماهای بالاتر از 550 درجه، استحکام و مقاومت اکسیداسیونی آن به‌سرعت کاهش می‌یابد که دامنه کاربرد آن را در شرایط حرارتی بسیار بالا محدود می‌کند.