فولاد 7335 یک فولاد کروم–مولیبدن کمآلیاژ از خانواده فولادهای مقاوم به حرارت است که با شماره ماده 1.7335 و نام شیمیایی 13CrMo4-5 شناخته میشود و بهدلیل پایداری خزشی برجسته در صنایع نیروگاهی، پتروشیمی و بویلرسازی جایگاه ویژهای دارد، جایی که تحمل دمای سرویس بالا مستقیماً به توانایی ماتریس فولاد در مقاومت در برابر کاهش استحکام در دماهای بالا وابسته است. این گرید بخشی از خانواده گستردهتر فولادهای کروم–مولیبدن است که در آنها افزودن مقادیر کنترلشده کروم و مولیبدن به یک زمینه کمکربن، ترکیبی از سختیپذیری متعادل، پایداری ساختاری در دمای بالا و قابلیت ساخت مطلوب پدید میآورد. این فولاد در مقایسه با گرید رقیب 10CrMo9-10 (1.7380) که کروم و مولیبدن بالاتری دارد، از جوشپذیری بهتر، پیشگرم کمتر و قیمت تمامشده پایینتری برخوردار است و در عین حال برای سرویس تا دمای 550 درجه سانتیگراد عملکرد کافی ارائه میدهد. ازاینرو مهندسان طراح مخازن تحت فشار و سیستمهای لولهکشی دمای بالا اغلب 1.7335 را بهعنوان نخستین گزینه تحلیل میکنند، زیرا تعادل مطلوبی از عملکرد حرارتی، قابلیت ساخت و صرفه اقتصادی فراهم میآورد. درک درست از رفتار متالورژیکی این فولاد، از ترکیب شیمیایی و نقش هر عنصر آلیاژی گرفته تا چرخه عملیات حرارتی و گزینههای مهندسی سطح، پیشنیاز انتخاب صحیح آن برای هر کاربرد مشخص است.
نامگذاری این فولاد خود گویای ترکیب آن است. در سامانه اروپایی، عدد 13 در 13CrMo4-5 نشاندهنده حدود 0.13 درصد کربن است، حرفهای Cr و Mo عناصر آلیاژی اصلی را معرفی میکنند، و اعداد بعدی بهترتیب به مقدار تقریبی کروم و مولیبدن اشاره دارند. شماره ماده 1.7335 نیز کد منحصربهفردی است که این گرید را در سامانه استاندارد اروپا بهطور دقیق مشخص میکند. آشنایی با این منطق نامگذاری به مهندسان کمک میکند تا ترکیب تقریبی و جایگاه یک فولاد را پیش از مراجعه به جدول کامل مشخصات تشخیص دهند.
اهمیت فولادهای کروم–مولیبدن در آن است که در محدوده دمایی میانی، یعنی جایی که فولادهای کربنی ساده استحکام خود را از دست میدهند و در عین حال استفاده از سوپرآلیاژها یا فولادهای زنگنزن آستنیتی از نظر اقتصادی توجیه ندارد، عملکردی قابل اتکا ارائه میدهند. مکانیزم اصلی مقاومت این فولادها در برابر خزش، ترکیبی از استحکامبخشی محلول جامد ناشی از حضور مولیبدن در شبکه آهن و استحکامبخشی رسوبی ناشی از کاربیدهای ریز و پایدار کروم و مولیبدن است. این کاربیدها با قفل کردن حرکت نابجاییها و مهار لغزش مرزدانهها، نرخ تغییر شکل وابسته به زمان را در دماهای بالا بهشدت کاهش میدهند. پایداری حرارتی این رسوبات در طول هزاران ساعت کارکرد، عاملی است که عمر طولانی قطعات تحت فشار را در دمای سرویس تضمین میکند و همین ویژگی، فولاد 1.7335 را از فولادهای ساختمانی معمولی متمایز میسازد [11].
نیاز صنعتی دقیق به 1.7335 از محدودیتهای فولادهای کربنی ساده در دماهای بالاتر از 400 درجه سانتیگراد ناشی میشود، دمایی که در آن پدیده خزش آغاز شده و تنشهای باقیمانده تأثیر بیشتری بر کاهش استحکام میگذارند. در این محدوده دمایی، تغییر شکل پلاستیک حتی در تنشهای پایینتر از حد تسلیم و بهصورت وابسته به زمان رخ میدهد، و بنابراین معیار طراحی از استحکام تسلیم کوتاهمدت به استحکام گسیختگی خزشی بلندمدت تغییر میکند. صنعت نیروگاهی از این فولاد برای لولههای سوپرهیتر و ریهیتر که سیال فوقداغ تحت فشار را منتقل میکنند بهره میبرد، صنعت بویلرسازی آن را در دیوارههای آبی، کلکتورها و درامهای بخار به کار میگیرد و صنایع نفت، گاز و پتروشیمی از آن در ساخت مخازن تحت فشار دمای بالا، برجهای تقطیر و لولههای انتقال سیالات فرآیندی استفاده میکنند. علاوه بر این، صنعت هوافضا و فناوریهای انرژی هستهای نیز این فولاد را در اجزایی که به ترکیب استحکام، چقرمگی و مقاومت خزشی نیاز دارند به کار میگیرند.
با این حال، 1.7335 محدودیتهای ذاتی دارد که باید در طراحی مدنظر قرار گیرد. مقاومت به اکسیداسیون این فولاد در دماهای بالاتر از 550 درجه سانتیگراد کاهش مییابد، زیرا لایه اکسید آهن تشکیلشده بهاندازه کافی پیوسته و محافظ نیست و با ضخیم شدن بهتدریج پوستهپوسته میشود و سطح تازه فلز را در معرض اکسایش بیشتر قرار میدهد، و به همین دلیل کاربرد آن به سرویسهای زیر این دما محدود میشود. در محیطهای کلریدی و اسیدی نیز نبود کروم کافی برای تشکیل لایه غیرفعال پایدار، فولاد را در برابر خوردگی نقطهای و شیاری آسیبپذیر میکند. این محدودیتها به معنای ناکارآمدی فولاد نیستند، بلکه مرزهای روشنی برای پنجره کاربری آن تعیین میکنند که طراح باید در انتخاب دمای سرویس و محیط کاری به آنها پایبند بماند. به همین دلیل در کاربردهایی که سطح قطعه در معرض سایش، خوردگی شیمیایی یا دماهای بسیار بالا قرار دارد، مهندسی سطح از پوششهای حرارتی گرفته تا عملیات نیتراسیون ضرورت پیدا میکند.
فولاد 1.7335 در قاره اروپا اصلیترین استانداردهای خود را از دو استاندارد مادر دریافت میکند. استاندارد DIN EN 10028-2 تمام الزامات مربوط به ورقهای فولادی برای مخازن تحت فشار با خواص دمای بالا را تعریف میکند و استاندارد DIN EN 10216-2 الزامات لولههای بدون درز تحت فشار برای سرویس دمای بالا را پوشش میدهد [1]. این استانداردها نهتنها محدوده ترکیب شیمیایی، بلکه حالت تحویل عملیات حرارتی، خواص مکانیکی تضمینشده در دمای محیط و دمای بالا، و الزامات آزمون ضربه و بازرسی را نیز مشخص میکنند. در آمریکای شمالی، معادل اصلی این فولاد گرید A387 Grade 11 / A335 P11 از سیستم ASTM / ASME است که در ساخت مخازن تحت فشار و خطوط لوله نیروگاهی بهوفور استفاده میشود و گرید A182 F11 برای اتصالات فورجشده کاربرد دارد [2]. این گریدهای آمریکایی از نظر ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی تطابق بسیار نزدیکی با 1.7335 دارند و در بسیاری از پروژههای بینالمللی بهجای یکدیگر مورد تأیید قرار میگیرند، هرچند تطبیق نهایی همواره باید بر اساس مدرک استاندارد مرجع پروژه انجام شود.
در آسیا، استاندارد ژاپنی JIS گرید STBA23 را برای لولههای تحت فشار دمای بالا تعریف میکند که با 1.7335 قابل مقایسه است، استاندارد چینی GB/T 5310 گرید 12CrMo را بهعنوان معادل عملکردی ارائه میدهد و در روسیه گرید 12KhM از استاندارد GOST 4543 نزدیکترین معادل به شمار میرود. این گریدهای آسیایی با وجود تشابه در رفتار متالورژیکی، تفاوتهایی در محدوده مجاز عناصر آلیاژی و الزامات آزمون دارند که باید در تأیید مواد برای پروژههای بینالمللی لحاظ شود. در عمل، انتخاب میان این معادلها اغلب نه بر پایه تفاوتهای متالورژیکی جزئی، بلکه بر اساس در دسترس بودن منطقهای، الزامات کارفرما و سامانه استاندارد حاکم بر پروژه صورت میگیرد [2].
تمایز کلیدی 1.7335 در مقایسه با نزدیکترین گرید مشابه، یعنی 10CrMo9-10 (1.7380)، در محتوای کروم و مولیبدن و پیامدهای آن نهفته است. گرید 1.7380 با 2 تا 2.5 درصد کروم و 0.9 تا 1.1 درصد مولیبدن، استحکام خزشی بالاتری در دماهای بین 550 تا 600 درجه سانتیگراد دارد، در حالی که 1.7335 با 0.7 تا 1.15 درصد کروم و 0.4 تا 0.6 درصد مولیبدن، جوشپذیری مشخصاً بهتری دارد و کربن معادل (CE) پایینتری نشان میدهد. این تفاوت به آن معناست که در دماهای سرویس نزدیک به مرز 600 درجه سانتیگراد گرید 1.7380 انتخاب فنی برتر است، اما در محدوده تا 550 درجه سانتیگراد که حجم زیادی از تجهیزات نیروگاهی و پتروشیمی در آن کار میکنند، مزیت جوشپذیری و هزینه پایینتر 1.7335 آن را به گزینه اقتصادیتر تبدیل میکند. به همین سبب برای سازههایی که حجم عملیات جوشکاری بالا دارند یا پیشگرم محدود الزامی است، 1.7335 انتخاب ارجح است [2].
جایگاه 1.7335 در نردبان فولادهای تحت فشار را میتوان با مقایسه آن با گریدهای مجاور بهتر درک کرد. در رده پایینتر، فولاد 16Mo3 (1.5415) تنها با حدود 0.3 درصد مولیبدن و بدون کروم قرار دارد که برای دماهای پایینتر مناسب است، و در رده بالاتر، گرید 10CrMo9-10 با کروم و مولیبدن بیشتر برای دماهای نزدیک به 600 درجه سانتیگراد به کار میرود. فولاد 1.7335 درست در میانه این طیف مینشیند و ترکیبی از مقاومت خزشی کافی، جوشپذیری مطلوب و هزینه معقول را در محدوده دمایی پرکاربرد تجهیزات نیروگاهی و پتروشیمی فراهم میکند. همین جایگاه میانی است که آن را به یکی از پرمصرفترین فولادهای کروم–مولیبدن در صنعت تبدیل کرده است [2].
جدول 1 ترکیب شیمیایی فولاد 7335 [2].
| عنصر | C | Si | Mn | Cr | Mo | P | S | Cu | N |
| درصد وزنی (%) | 0.08–0.18 | ≤ 0.35 | 0.40–1.00 | 0.70–1.15 | 0.40–0.60 | ≤ 0.025 | ≤ 0.010 | ≤ 0.30 | ≤ 0.012 |
کربن در 1.7335 با تعیین دمای بحرانی تحولات فازی و ایجاد پتانسیل تشکیل مارتنزیت، استحکام زمینه فولاد را تأمین میکند و با حل شدن در شبکه آستنیت و رسوب بعدی بهصورت کاربیدهای ریز کروم و مولیبدن در مرحله تمپر، پایداری حرارتی ریزساختار را تضمین مینماید. کنترل دقیق این عنصر اهمیت دوگانه دارد، زیرا کربن بیش از حد سختیپذیری و استحکام را افزایش میدهد اما همزمان جوشپذیری را تضعیف کرده و خطر ترک در ناحیه متأثر از حرارت را بالا میبرد. به همین دلیل کنترل دقیق محدوده 0.08 تا 0.18 درصد برای دستیابی به تعادل میان سختیپذیری و جوشپذیری حیاتی است. محتوای نسبتاً پایین کربن در مقایسه با فولادهای ابزار یا فولادهای سازهای باعث میشود کربن معادل (CE) فولاد برای مقاطع معمول در محدوده 0.55 تا 0.65 باقی بماند، عددی که جوشکاری با الکترود کمهیدروژن استاندارد را ممکن میسازد [3]. کربن معادل شاخصی است که سهم مجموع عناصر آلیاژی را در سختیپذیری ناحیه جوش بیان میکند و مبنای تعیین دمای پیشگرم و رویه جوشکاری قرار میگیرد.
کروم با مکانیزم دوگانه عمل میکند. از یک سو با افزایش سختیپذیری حجمی، تشکیل مارتنزیت یکنواخت در مقاطع ضخیم را ممکن میسازد و از سوی دیگر با تشکیل کاربیدهای پایدار M23C6 و M7C3 در حین تمپر و سرویس دمای بالا، از نرمشدن و افت استحکام در برابر خزش جلوگیری میکند. این کاربیدها در دماهای سرویس بهکندی درشت میشوند و همین کندی درشتشدن، کلید حفظ استحکام در بلندمدت است. علاوه بر این، کروم مقاومت نسبی در برابر اکسیداسیون را تا دمای حدود 550 درجه سانتیگراد فراهم میکند، هرچند برای تشکیل لایه غیرفعال پایدار در محیطهای خورنده به مقادیری بالاتر از 12 درصد نیاز است که بسیار فراتر از محدوده این گرید قرار دارد [2].
مولیبدن مهمترین عنصر آلیاژی این فولاد برای کاربردهای دمای بالا محسوب میشود. این عنصر با جایگزین شدن در شبکه بلوری آهن و تشکیل کاربیدهای پایدار Mo2C، حرکت نابجاییها را در دماهای بالا محدود میکند و مکانیزم اصلی مقاومت به خزش را پدید میآورد، و در عین حال از تردی بازگشتی تمپر که در فولادهای Cr-Mo بدون مولیبدن کافی مشاهده میشود جلوگیری میکند. نقش مولیبدن در مهار تردی بازگشتی بهویژه در مقاطع ضخیمی که پس از تمپر بهکندی سرد میشوند اهمیت مییابد، زیرا در این شرایط تمایل به تجمع ناخالصیها در مرزدانهها بیشتر است. به همین دلیل حضور 0.4 تا 0.6 درصد مولیبدن، دمای سرویس مجاز این فولاد را در مقایسه با فولادهای کرومدار بدون مولیبدن بهطور چشمگیری افزایش میدهد[2].
سایر عناصر مندرج در ترکیب شیمیایی نیز هر یک نقش معینی ایفا میکنند. سیلیسیم تا سقف 0.35 درصد عمدتاً بهعنوان اکسیژنزدا در فرایند فولادسازی عمل میکند و به پاکیزگی مذاب و کاهش آخالهای اکسیدی کمک مینماید. منگنز در محدوده 0.40 تا 1.00 درصد علاوه بر افزایش جزئی سختیپذیری، گوگرد باقیمانده را بهصورت سولفید منگنز تثبیت میکند و از تشکیل ترکیبات گوگردی مضر در مرزدانه جلوگیری میکند. فسفر و گوگرد بهعنوان ناخالصیهای مضر شناخته میشوند و بهترتیب به سقف 0.025 و 0.010 درصد محدود شدهاند، زیرا فسفر باعث تردی مرزدانه و گوگرد سبب کاهش چقرمگی و شکلپذیری عرضی میشود. مس بهعنوان عنصر باقیمانده تا 0.30 درصد و نیتروژن تا 0.012 درصد کنترل میشوند تا از اثرات نامطلوب آنها بر چقرمگی و پایداری ساختار در دمای بالا پیشگیری شود. این حدود سختگیرانه نشان میدهند که کیفیت متالورژیکی و پاکیزگی داخلی فولاد، به اندازه ترکیب اسمی عناصر اصلی، در عملکرد نهایی قطعه تعیینکننده است.
ریزساختار 1.7335 در حالت تحویل و پس از عملیات حرارتی، تابع مستقیم چرخه حرارتی اعمالشده است. در حالت آنیل، زمینه فریت–پرلیت با کاربیدهای پراکنده تشکیل میشود که نرم و ماشینکاریپذیر است، در حالی که پس از نرمالایز و تمپر یا کوئنچ و تمپر، ساختار به مارتنزیت یا بینیت تمپرشده با توزیع ریز کاربیدهای Cr-Mo تبدیل میگردد که ترکیب مطلوبی از استحکام و چقرمگی ارائه میدهد. دماهای بحرانی تحول فازی، یعنی نقاطی که در آنها فریت به آستنیت تبدیل میشود، مبنای تعیین دمای آستنیته کردن در عملیات حرارتی قرار میگیرند و کنترل دقیق آنها برای دستیابی به اندازه دانه ریز و یکنواخت ضروری است. همین وابستگی شدید خواص به ریزساختار است که عملیات حرارتی را به مرحله تعیینکننده در تولید قطعات این فولاد تبدیل میکند [11].
در حالت آنیل نرم، ساختار فریت–پرلیت فولاد 1.7335 ماشینکاری آن را تسهیل میکند و سختی در این حالت به حدود 150 تا 160 برینل میرسد، استحکام کششی بین 500 تا 520 مگاپاسکال است و ازدیاد طول نسبی 21 تا 22 درصد را نشان میدهد. این ترکیب خواص، پیش از اجرای عملیات حرارتی نهایی، امکان انجام عملیات شکلدهی سرد، خمکاری و اتصالات جوشکاری را با کمترین خطر ترک فراهم میکند و به همین دلیل بسیاری از قطعات در همین حالت ماشینکاری اولیه میشوند و عملیات حرارتی نهایی پس از شکلدهی انجام میگیرد [3].
از نظر قابلیت ساخت، 1.7335 در حالت نرم بهخوبی شکلپذیر است و عملیات خمکاری، نورد و فرمدهی گرم را بهخوبی تحمل میکند. شکلدهی گرم معمولاً در محدوده دمایی 850 تا 1100 درجه سانتیگراد انجام میشود و پس از آن، نرمالایز برای بازگرداندن یکنواختی ساختار توصیه میگردد. در شکلدهی سرد باید به بازگشت فنری و افزایش سختی ناشی از کار سرد توجه شود، و در صورت نیاز، آنیل میانی برای بازیابی شکلپذیری اعمال میشود. ماشینکاری این فولاد در حالت آنیل با ابزارهای کاربیدی استاندارد و نرخ برادهبرداری متعارف بهراحتی انجام میشود، در حالی که در حالت سختشده، استفاده از ابزارهای مقاومتر و پارامترهای محتاطانهتر ضروری است.
پس از نرمالایز و تمپر (NT+)، خواص مکانیکی 1.7335 بهشدت به ضخامت مقطع وابسته میشود. در ضخامتهای تا 16 میلیمتر، حد تسلیم حداقل 300 مگاپاسکال و استحکام کششی در بازه 450 تا 600 مگاپاسکال با ازدیاد طول حداقل 19 درصد و انرژی ضربه شارپی حداقل 31 ژول حاصل میشود. در ضخامتهای 60 تا 100 میلیمتر، حد تسلیم به حداقل 270 مگاپاسکال کاهش مییابد و استحکام کششی به 440 تا 590 مگاپاسکال میرسد، و در مقاطع 100 تا 150 میلیمتر، حد تسلیم حداقل 255 مگاپاسکال و استحکام کششی 430 تا 580 مگاپاسکال است. این کاهش تدریجی با افزایش ضخامت، که «اثر جرم» نامیده میشود، ناشی از کاهش سرعت سرد شدن در مغز مقاطع ضخیمتر است که از تبدیل کامل به مارتنزیت جلوگیری میکند. به همین دلیل در طراحی قطعات سنگین، انتخاب خواص مبنا باید بر اساس ضخامت واقعی مقطع و نه صرفاً مقادیر اسمی استاندارد انجام شود [1].
مقاومت خزشی این فولاد پس از عملیات حرارتی مناسب، دادههای دقیقی را نشان میدهد. استحکام گسیختگی خزشی پس از 100,000 ساعت کارکرد در دمای 450 درجه سانتیگراد به 284 مگاپاسکال، در دمای 500 درجه سانتیگراد به 137 مگاپاسکال و در دمای 550 درجه سانتیگراد به 49 مگاپاسکال میرسد. روند کاهش شدید این مقادیر با افزایش دما بهخوبی نشان میدهد که چرا دمای 550 درجه سانتیگراد بهعنوان مرز عملی سرویس این فولاد در نظر گرفته میشود، زیرا فراتر از آن، تنش مجاز به سطحی میرسد که طراحی اقتصادی تجهیزات تحت فشار را دشوار میسازد. این دادهها مرز عملکردی فولاد را مشخص میکنند و طراح را در انتخاب دمای سرویس مجاز برای عمر طراحی مورد نظر راهنمایی مینمایند [2].
رفتار بلندمدت 1.7335 در سرویس دمای بالا نیز موضوعی است که در ارزیابی عمر تجهیزات اهمیت دارد. در طول هزاران ساعت کارکرد در دمای بالا، کاربیدهای ریز بهتدریج درشت و کروی میشوند و همین درشتشدن میتواند استحکام خزشی را بهمرور کاهش دهد، هرچند پایداری نسبی کاربیدهای کروم و مولیبدن این روند را کند میسازد. برخلاف فولادهای کربن–مولیبدن ساده که در معرض پدیده گرافیتی شدن قرار دارند، حضور کروم در 1.7335 مقاومت بیشتری در برابر این تخریب فراهم میکند. به همین دلیل، بازرسی دورهای تجهیزات حساس و پایش تغییرات ریزساختار و سختی در نقاط بحرانی، بخشی از مدیریت عمر این قطعات در سرویس طولانیمدت است [11].
خواص فیزیکی و ترموفیزیکی 1.7335 در طراحی اجزای تحت گرادیان حرارتی نقش مستقیم دارند. مدول الاستیسیته این فولاد در دمای محیط حدود 210 گیگاپاسکال است که با افزایش دما کاهش مییابد و در 300 درجه سانتیگراد به حدود 195 گیگاپاسکال میرسد. هدایت حرارتی در دمای محیط در بازه 38 تا 42 وات بر متر کلوین قرار دارد و همین مشخصه در مقایسه با فولادهای زنگنزن، انتقال گرمای بهتری را در بویلرها و مبدلهای حرارتی فراهم میکند. ضریب انبساط حرارتی خطی در بازه 20 تا 300 درجه سانتیگراد حدود 12 میکرومتر بر متر کلوین است که در محاسبه تنشهای حرارتی در اتصالات غیرهمجنس و نازلهای مخازن اهمیت حیاتی دارد، زیرا اختلاف ضریب انبساط میان فلزات متفاوت در اتصال، منبع اصلی تنشهای حرارتی چرخهای و خستگی حرارتی است [2].
آنیل نرمسازی برای کاهش سختی و تسهیل ماشینکاری در دمای 600 تا 700 درجه سانتیگراد انجام میشود. قطعه پس از رسیدن به دمای یکنواخت، با نرخ سرمایش کنترلشده در کوره و معمولاً کمتر از 25 درجه سانتیگراد در ساعت سرد میشود تا کاربیدهای کرویشده در زمینه فریتی تشکیل شوند. نتیجه این فرایند، سختی زیر 170 برینل و ساختاری است که ماشینکاری دقیق با ابزارهای معمول کاربیدی را ممکن میکند. کروی شدن کاربیدها در این مرحله نهتنها ماشینکاری را آسان میکند، بلکه زمینه یکنواختی برای عملیات حرارتی نهایی فراهم میآورد که به توزیع خواص یکنواختتر در حجم قطعه میانجامد [12].
نرمالایز در دمای 900 تا 960 درجه سانتیگراد و با زمان نگهداری متناسب با ضخامت قطعه، معمولاً یک دقیقه به ازای هر میلیمتر، انجام میشود تا ساختاری کاملاً آستنیتی و دانهریز ایجاد گردد و سپس قطعه در هوای آرام سرد میشود. این مرحله ناهماهنگیهای ناشی از شکلدهی گرم یا ریختهگری را حذف میکند و توزیع فریت–پرلیت یکنواختی پدید میآورد که زمینه مطلوبی برای عملیات تمپر بعدی است. نرمالایز همچنین دانههای درشتشده در اثر فرایندهای دمای بالای پیشین را ریز میکند و همین ریزدانگی، چقرمگی و یکنواختی خواص مکانیکی را بهبود میبخشد [4 12]
کوئنچ در دمای 890 تا 930 درجه سانتیگراد انجام میشود، با محیط آب برای مقاطع نازک و روغن برای مقاطع ضخیمتری که خطر ترک حرارتی در آنها وجود دارد، و سختی بلافاصله پس از کوئنچ به حدود 45 تا 50 HRC میرسد. تمپرینگ در دمای 650 تا 750 درجه سانتیگراد، و برای لولههای تحت فشار معمولاً 660 تا 730 درجه سانتیگراد، به مدت حداقل یک ساعت به ازای هر 25 میلیمتر ضخامت انجام میشود تا ساختار مارتنزیت تمپرشده چقرمه با توزیع ریز کاربیدهای پایدار Cr-Mo ایجاد شود. انتخاب دمای تمپر، تعادل میان استحکام و چقرمگی را تعیین میکند، بهگونهای که دمای تمپر بالاتر چقرمگی و پایداری ساختاری بیشتری در سرویس دمای بالا فراهم میآورد. سرمایش پس از تمپر در هوای آرام برای جلوگیری از تنشهای حرارتی توصیه میشود [1. 4].
تأیید صحت عملیات حرارتی در مقاطع ضخیم از طریق سختیسنجی در نقاط مختلف مقطع و در صورت لزوم آزمون کشش نمونههای شاهد انجام میشود. در قطعات بحرانی، پروفایل سختی از سطح تا مغز بررسی میشود تا یکنواختی ساختار و دستیابی به خواص هدف در کل مقطع تضمین گردد. هرگونه انحراف از محدوده سختی مورد انتظار میتواند نشانهای از نرمالایز ناقص، دمای تمپر نامناسب یا نرخ سرمایش ناکافی باشد که باید پیش از ورود قطعه به سرویس برطرف شود.
پیشگرم جوشکاری برای جلوگیری از ترک سرد هیدروژنی در ناحیه HAZ الزامی است، بهطوریکه دمای پیشگرم 100 تا 200 درجه سانتیگراد برای مقاطع بالای 25 میلیمتر توصیه میشود و دمای بینپاس باید زیر 300 درجه سانتیگراد نگه داشته شود. ترک سرد هیدروژنی هنگامی رخ میدهد که هیدروژن نفوذی، ریزساختار سخت و حساس، و تنش پسماند کششی بهطور همزمان حضور داشته باشند، و پیشگرم با کاهش نرخ سرمایش و فراهم کردن فرصت خروج هیدروژن، احتمال این پدیده را بهشدت کم میکند. عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) در دمای 690 تا 720 درجه سانتیگراد و به مدت حداقل یک ساعت، مطابق الزامات ASME VIII Div.1 (UCS-56) و EN 13480، برای بازیابی چقرمگی ناحیه HAZ و بهویژه آزادسازی تنشهای پسماند جوش ضروری است. پس از اجرای صحیح PWHT، ناحیه HAZ خواصی نزدیک به فلز پایه نشان میدهد [5].
انتخاب فلز پرکننده و رویه جوشکاری نیز در دستیابی به اتصال قابل اتکا اهمیت تعیینکننده دارد. فلز پرکننده معمولاً از نوع همجنس و با ترکیب کروم–مولیبدن متناظر انتخاب میشود تا خواص مکانیکی و مقاومت خزشی اتصال با فلز پایه هماهنگ باشد. کنترل ورودی حرارت در حین جوشکاری از درشت شدن بیش از حد دانهها در ناحیه متأثر از حرارت جلوگیری میکند، در حالی که خشک نگه داشتن الکترودها و رعایت دمای بینپاس، ورود هیدروژن به حوضچه جوش را به حداقل میرساند. در مجموع، جوشپذیری مطلوب 1.7335 تنها زمانی بهطور کامل تحقق مییابد که پیشگرم، رویه جوشکاری و عملیات حرارتی پس از جوش بهصورت یکپارچه و مطابق استاندارد اجرا شوند.
اگرچه 1.7335 اصولاً برای سرویس دمای بالا در تجهیزات تحت فشار طراحی شده و نیاز به مهندسی سطح در این کاربردها محدود است، در مواردی که قطعه با سایش، خوردگی یا تنشهای تماسی سطحی روبهرو میشود، عملیات سطحی ارزش اقتصادی قابل توجهی ایجاد میکند. فلسفه مهندسی سطح در این فولاد، جدا کردن نیازمندیهای سطح از نیازمندیهای مغز است، بهگونهای که سطح به مقاومت سایشی یا خوردگی بالا دست یابد در حالی که مغز چقرمگی و مقاومت خزشی خود را حفظ کند. نیتراسیون گازی یا پلاسمایی در دمای 500 تا 550 درجه سانتیگراد، یعنی پایینتر از دمای تمپر اولیه، بهدلیل حضور کروم و مولیبدن در زمینه فولاد سختی سطحی قابل توجهی پدید میآورد، بهطوریکه رسوبات ریز نیتریدهای کروم و مولیبدن در ناحیه نفوذی سختی سطح را به حدود 600 تا 700 ویکرز میرسانند، در حالی که خواص مغز قطعه بدون تغییر باقی میماند[8].
بوردهی در دمای 900 تا 950 درجه سانتیگراد لایههای بینفلزی FeB و Fe2B با سختی 1500 تا 2000 ویکرز ایجاد میکند که مقاومت سایشی بینظیری در برابر سایش ساینده دارند و حتی در دماهای نسبتاً بالا نیز پایداری خود را تا حد قابل توجهی حفظ میکنند. با این حال، شکنندگی این لایهها در کاربردهای دارای بارگذاری ضربهای، محدودیت اصلی این فرایند برای 1.7335 به شمار میرود و به همین سبب بوردهی این فولاد باید با دقت و در شرایط سایش خشک بدون ضربه به کار گرفته شود [9].
پوششهای PVD از نوع TiN، TiAlN و CrN با ضخامت 2 تا 5 میکرومتر و سختی 2500 تا 3000 ویکرز، در کاربردهایی مانند اتصالات پیچودار و رینگهای آببندی که به کاهش ضریب اصطکاک و بهبود مقاومت به سایش نیاز دارند، بر روی 1.7335 عملکرد مطلوبی نشان میدهند [7]. سختکاری القایی موضعی برای نواحی تماسی مانند شیارها، یاتاقاننشینها و دندانهها کاربرد دارد و با ایجاد لایه مارتنزیتی سطحی در عمق 1 تا 4 میلیمتر، مقاومت به سایش هرتزی را افزایش میدهد، و افزون بر این، تنشهای فشاری پسماند ناشی از سختکاری القایی، مقاومت به خستگی تماسی را بهطور چشمگیری بهبود میبخشد [6]. مزیت سختکاری القایی در آن است که تنها ناحیه موردنظر سخت میشود و بقیه قطعه چقرمگی و قابلیت ماشینکاری خود را حفظ میکند.
مقاومت خستگی 1.7335 در حالت نرمالایز و تمپرشده، حد خستگی خمشی حدود 230 تا 270 مگاپاسکال را نشان میدهد که تقریباً معادل نصف استحکام کششی نهایی در نظر گرفته میشود و این مقدار با اعمال عملیات نیتراسیون سطحی و ایجاد تنشهای پسماند فشاری میتواند تا 30 تا 50 درصد افزایش یابد. ترکهای خستگی در این فولاد عمدتاً از نقوص سطحی، شیارها و ناخالصیهای غیرفلزی آغاز میشوند، ازاینرو کنترل کیفیت سطح در مرحله ماشینکاری نهایی و بهویژه اجتناب از سطوح خراشیده یا کندهشده در قطعات تحت بار سیکلی ضروری است [7، 10]. در محیطهای خورنده، اثر همزمان بار چرخهای و خوردگی میتواند عمر خستگی را بهمراتب کوتاهتر از مقادیر اندازهگیریشده در هوا کند، پدیدهای که در طراحی قطعات کارکننده در محیط مرطوب یا شیمیایی باید لحاظ شود [13].
رفتار سایشی این فولاد پس از سختکاری سطحی بهطور قابل توجهی بهبود مییابد. در حالت کوئنچ و تمپرشده، سختی سطح بین 23 تا 32 HRC (معادل 250 تا 300 HV) است که برای سرویسهای سایشی متوسط کافی است، اما در محیطهای دارای ذرات ساینده سخت، مانند خطوط لولهای که ذرات جامد را منتقل میکنند، پوششهای سطحی مناسب ضروری میشوند. مقاومت به خوردگی این فولاد در محیطهای خنثی تا ضعیفاً اکسیدکننده و در دماهای پایین قابل قبول است، اما در محیطهای کلریدی، اسیدهای رقیق و محیطهای اکسیدکننده قوی پایداری کافی ندارد و حفاظت سطحی لازم میشود. در کاربردهایی که همزمان مقاومت به خوردگی و دوام سطحی بالا موردنیاز است، روشهایی مانند روکشکاری لیزری با آلیاژهای پایه نیکل میتوانند مقاومت به خوردگی سطح را بدون تغییر خواص مغز بهطور چشمگیری افزایش دهند[7].
این فولاد در طیف گستردهای از فرمهای محصول، شامل ورق برای مخازن تحت فشار، لوله بدون درز برای خطوط دمای بالا، میلگرد و قطعات فورجشده برای اتصالات و فلنجها، در بازار عرضه میشود. حالت تحویل معمول آن نرمالایز و تمپر یا کوئنچ و تمپر است که خواص مکانیکی تضمینشده استاندارد را فراهم میکند. در دسترس بودن گسترده این فرمها در بازار جهانی و انطباق آنها با استانداردهای شناختهشده، یکی از دلایل اصلی محبوبیت 1.7335 در پروژههای بزرگ صنعتی است، زیرا تأمین مواد و قطعات یدکی را در طول عمر تجهیزات تسهیل میکند.
فولاد 1.7335 در صنایع گوناگونی که با دماهای بالا و فشارهای قابل توجه سروکار دارند کاربرد گستردهای یافته است. در صنعت نیروگاهی، لولههای سوپرهیتر و ریهیتر نیروگاههای حرارتی که در معرض سیال فوقداغ با دمای 450 تا 530 درجه سانتیگراد و فشارهای بالا قرار دارند از مهمترین کاربردهای این فولاد به شمار میروند. در صنعت بویلرسازی، کلکتورها، درامهای بخار و دیوارههای آبی از آن ساخته میشوند، صنایع نفت، گاز و پتروشیمی آن را در مخازن تحت فشار دمای بالا، برجهای تقطیر و راکتورهای فرآیندی به کار میبرند و صنعت ساخت تجهیزات هیدرولیک و خطوط لوله از لولههای بدون درز این فولاد مطابق استاندارد EN 10216-2 برای انتقال سیالات پرفشار بهره میگیرد [1، 2، 4]. در تمام این کاربردها، ترکیب پایداری خزشی، جوشپذیری و هزینه معقول است که 1.7335 را به انتخابی پرتکرار تبدیل کرده است.
از منظر تضمین کیفیت، قطعات ساختهشده از این فولاد معمولاً تحت آزمونهای غیرمخرب مانند آزمون فراصوتی و رادیوگرافی برای تشخیص نقوص داخلی، و آزمونهای مخرب نمونهای مانند کشش، ضربه و سختیسنجی برای تأیید خواص مکانیکی قرار میگیرند. در تجهیزات تحت فشار، تطابق هر مرحله از فرایند، از کنترل ترکیب شیمیایی ذوب تا تأیید عملیات حرارتی و بازرسی جوش، مطابق با کد طراحی مرجع مستندسازی میشود تا قابلیت ردیابی کامل قطعه تضمین گردد. این رویکرد یکپارچه به کنترل کیفیت، در کنار خواص ذاتی مطلوب فولاد، است که قابلیت اطمینان بلندمدت تجهیزات کارکننده در شرایط بحرانی را ممکن میسازد.
از منظر اقتصادی، هزینه چرخه عمر 1.7335 تنها به قیمت ماده اولیه محدود نمیشود، بلکه هزینههای جوشکاری، عملیات حرارتی پس از جوش و بازرسی را نیز در بر میگیرد. با این حال، جوشپذیری مطلوب و نیاز کمتر به پیشگرم در مقایسه با گریدهای آلیاژی بالاتر، هزینههای ساخت را کاهش میدهد و همین مزیت در پروژههایی با حجم بالای جوشکاری به صرفهجویی قابل توجهی منجر میشود. ترکیب قیمت رقابتی ماده اولیه و هزینه ساخت پایینتر است که 1.7335 را به انتخابی اقتصادی در مقیاس صنعتی تبدیل میکند.
در جمعبندی منطق انتخاب، تصمیم به استفاده از 1.7335 معمولاً بر پایه سه پرسش کلیدی شکل میگیرد: آیا دمای سرویس در محدوده مجاز تا 550 درجه سانتیگراد قرار دارد، آیا محیط کاری فاقد عوامل خورنده شدید مانند کلرید است، و آیا حجم و پیچیدگی جوشکاری به فولادی با جوشپذیری بالا نیاز دارد. هرگاه پاسخ این پرسشها مثبت باشد، 1.7335 اغلب گزینهای است که بهترین تعادل میان عملکرد فنی و هزینه را ارائه میدهد. در شرایطی که هر یک از این معیارها نقض شود، طراح باید بهسراغ گریدهای آلیاژی بالاتر یا راهکارهای مهندسی سطح برود.
مزایای اصلی 1.7335 شامل جوشپذیری عالی در میان فولادهای Cr-Mo، پایداری حرارتی قابل اتکا تا دمای 550 درجه سانتیگراد، دسترسی گسترده در بازار جهانی و قیمت رقابتی در مقایسه با گریدهای آلیاژی بالاتر است، و محدودیتهای آن نیز شامل حساسیت به اکسیداسیون در دماهای بالای 550 درجه سانتیگراد، نیاز به پیشگرم و PWHT در جوشکاری مقاطع ضخیم و فقدان مقاومت به خوردگی در محیطهای کلریدی بدون پوشش محافظ میشود. در مجموع، فولاد 7335 راهحل متالورژیکی مطلوبی برای طراحانی است که پایداری خزشی و جوشپذیری را بر آلیاژهای پیچیدهتر و پرهزینهتر ترجیح میدهند و با ترکیب آن با فناوریهای مهندسی سطح، به بهترین توازن عملکردی دست مییابند. شناخت دقیق پنجره دمایی کاربری، رعایت رویههای صحیح عملیات حرارتی و جوشکاری، و انتخاب هوشمندانه روش مهندسی سطح، سه عاملی هستند که بهرهگیری کامل از قابلیتهای این فولاد را تضمین میکنند.
مراجع
[1] DIN EN 10028-2: Flat products made of steels for pressure purposes – Part 2: Non-alloy and alloy steels with specified elevated temperature properties, DIN Deutsches Institut für Normung e.V., 2017.
[2] C. W. Wegst, Stahlschlüssel = Key to Steel, 16 ed. Marbach: Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH, 1992.
[3] MakeItFrom Material Database, “EN 1.7335 (13CrMo4-5) Chromium-Molybdenum Steel,” 2024. [Online]. Available: www.makeitfrom.com.
[4] DIN EN 10216-2: Seamless steel tubes for pressure purposes – Technical delivery conditions – Part 2: Non-alloy and alloy steel tubes with specified elevated temperature properties, DIN Deutsches Institut für Normung e.V., 2013.
[5] ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII Division 1, UCS-56: Postweld Heat Treatment Requirements, ASME, New York, 2023.
[6] N. Syla, F. Aliaj, and M. Rama, “Hardness curves for 31CrMoV9 steel after gas nitriding,” Acta Physica Polonica A, vol. 132, no. 3, pp. 484–486, 2017.
[7] I. Kladarić, S. Golubić, D. Ćorić, and A. Milinović, “The Influence of Applying PVD Coatings on Adhesion Wear Resistance of Quenching and Tempering Steels,” Metals, vol. 16, no. 2, 2026.
[8] M. Steinbacher and S. Hoja, “Optimization of pre-heat treatment for nitriding,” Materials, vol. 14, no. 24, p. 7766, 2021.
[9] A. Motallebzadeh, E. Dilektasli, M. Baydogan, E. Atar, and H. Cimenoglu, “Evaluation of the effect of boride layer structure on the high temperature wear behavior of borided steels,” Wear, vol. 328, pp. 110–114, 2015.
[10] H. Chen, T.-C. Chen, H.-H. Hsu, and L.-W. Tsay, “Effect of Microstructure and Compressive Residual Stress on the Fatigue Performance of AISI 4140 Steel with QPQ Salt-Bath Nitro-Carburizing,” Materials, vol. 18, no. 9, p. 1995, 2025.
[11] K.-E. Thelning, Steel and its heat treatment. Butterworth-Heinemann, 2013.
[12] P. E. Semih Genculu, “Heat Treating Basics-Steels,” CAB Worldwide, 2024.
[13] A. Ragab, H. Alawi, and K. Sorein, “Corrosion fatigue of steel in various aqueous environments,” Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, vol. 12, no. 6, pp. 469–479, 1989.
[14] Journal of Materials Engineering and Performance, “Improvement of Corrosion Resistance of 13CrMo4-5 Steel by Ni-Based Laser Cladding Coatings,” Springer, 2020.