همه چیز درباره فولاد زنگ نزن (فولاد ضد زنگ)

همه چیز درباره فولاد زنگ نزن (فولاد ضد زنگ)

در این مطلب قصد داریم به بررسی نوعی از فولاد بپردازیم که در مقابل زنگ‌زدگی مقاوم است. به این نوع از فولاد، فولاد زنگ نزن یا استنلس استیل می‌گویند. فولاد زنگ نزن گروهی از آلیاژهای ویژه است که به منظور افزایش مقاومت در برابر زنگ‌زدگی معرفی شده‌اند. از ویژگی‌های مهم این محصول فولادی می‌توان به مقاومت بالا در برابر اکسید شدن، پوسته شدن و تغییر شکل در دماهای بالا اشاره کرد. 

فولاد زنگ نزن چیست؟

فولاد ضدزنگ (فولاد زنگ نزن ) یا به اصطلاح استنلس استیل در ترکیب خود مقدار زیادی کروم دارد. حداقل کروم مصرفی در فولاد ضدزنگ حدود ۱۱ درصد است. این کروم به فولاد ساده خاصیت مقاومت در برابر خوردگی می‌دهد. این فلز با افزودن عناصر دیگر مانند مولیبدن، نیکل و ازت مقاومت خود را در برابر خوردگی و همچنین مقاومت در برابر حرارت را افزایش می‌دهد. برای اینکه این نوع از فولاد بتواند در برابر زنگ‌زدگی از خود واکنش نشان دهد و به خوبی عمل نماید، نباید میزان کروم استفاده شده در آن از این مقدار کمتر باشد. زیرا وجود همین مقدار از کروم در فولاد باعث ایجاد خاصیت ضدزنگ می‌گردد. به عبارت ساده‌تر کروم عنصری می‌باشد که تقویت‌کننده مقاومت فولاد در برابر زنگ زدگی است.

علاوه بر کروم از ترکیبات دیگری به منظور تولید فولاد ضد‌زنگ نیز استفاده می‌نمایند. از جمله این ترکیبات می‌توان به مولیبدن و نیکل اشاره کرد. نیکل به منظور ایجاد انعطاف و افزایش فرم‌پذیری در فولاد ضدزنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. کشف فولاد ضدزنگ به این صورت بود که دانشمندان دریافتند با افزودن حدود ۱۰ الی ۲۰ درصد کروم و نیکل به فولاد موجود، نوعی دیگر از فولاد به دست می‌آید که در برابر اسیدها و زنگ‌زدگی مقاوم هستند. در زندگی روزمره خود با مواردی روبه‌رو می‌شویم که از فولاد تولید شده‌اند؛ مانند لوازم برقی، وسایل ماهی‌گیری و بسیاری دیگر.

این نوع از فولاد براق است و به راحتی صیقل داده می‌شود. بدین منظور از فولاد ضدزنگ به عنوان جایگزینی برای نورافکن‌ها و آینه‌ها استفاده می‌کنند.

فولاد زنگ نزن نوعی محصول فولادی است که در ترکیب خود دارای مقادیر زیادی کروم بوده و جهت افزایش مقاومت در برابر خوردگی تولید می‌شود. این محصول در انواع متفاوتی عرضه می‌شود که هرکدام کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند.

انواع فولادهای زنگ نزن

فولادهای ضد زنگ بر مبنای ترکیبات شیمیایی و متالوژیکی، معمولا در پنج کلاس مختلف دسته‌بندی می‌شوند:

مارتنزیتی (Martensitic)
فریتی (Ferritic)
آستنیتی (Austenitic)
آستنیتی- فریتی یا دو فازی (Duplex or ferritic-austenitic)
رسوب سختی (Precipitation-Hardening or PH)
در ادامه هر کدام را به صورت جداگانه توضیح می‌دهیم.

مارتنزیتی (Martensitic)

این نوع گروهی از آلیاژهای ضد زنگ است که آلیاژ سه‌گانه‌ای از آهن، کروم و کربن است و ساخته شده تا در برابر خوردگی و عملیات حرارتی مقاوم باشد. تمام گریدهای مارتنزیتی، فولادهای کروم مستقیم بدون نیکل هستند. به عبارت دیگر در این نوع از فولاد ضدزنگ نیکل وجود ندارد و عملیات سخت‌گردانی به صورت حرارتی انجام می‌شود.

میزان کروم موجود در این فولاد می‌تواند از ۱۱ تا تا ۱۸ درصد باشد و همچنین مقدار یک درصد نیز کربن دارد. استحکام، سختی و مقاومت در برابر خستگی در این نوع از استنلس استیل (فولاد زنگ نزن) بالا است. از نظر انعطاف‌پذیری و استحکام در سطح خوبی قرار دارد، ولی در برابر خوردگی مقاومت متوسطی را داراست؛ به طور کلی نسبت به سایر انواع فولادهای ضد زنگ، از مقاومت کمتری در برابر خوردگی برخوردارند، مغناطیسی بوده و از قابلیت جوش و شکل‌پذیری پایینی برخوردارند. معمولا برای ساخت شیرآلات، فنرها، قاشق و چنگال از فولاد ضد زنگ مارتنزیتی استفاده می‌کنند.

فریتی (Ferritic)

به طور کلی فولادهای فریتی مقدار کروم بالاتری نسبت به فولادهای مارتنزیتی دارد و به طور نرمال درصد کروم آن بین ۱۱ تا ۳۰ درصد وزنی است. اما درصد نیکل آن یا خیلی کم است و یا بدون نیکل است. ساختار کریستالی این نوع فولاد Bcc است و این فولادها مغناطیسی بوده اما عملیات حرارتی‌پذیر نمی‌باشند. این فولادها عموما در کاربردهای غیرساختاری مورد استفاده قرار می‌گیرد که نیاز به مقاومت به خوردگی بالایی دارد. فولادهای ضد زنگ فریتی از مقاومت حرارتی و خوردگی خوبی برخوردار هستند اما به طور خاص و ویژه‌ای از مقاومت بالایی در برابر کلراید برخوردار است. گرچه خواص مکانیکی مثل تافنس در دمای پایین و آن نسبت به انواع فولاد ضدزنگ فریتی پایین‌تر است. از جمله کاربرد این نوع از فولادهای ضد زنگ عبارتند از: اگزوز خودرو، ظروف پخت و پز و لوازم خانگی.

آستنیتی (Austenitic)

انواع فولاد ضدزنگ آستنیتی حاوی حداقل ۱۶ درصد کروم و سه درصد نیکل هستند. این فولاد زنگ نزن بیشترین میزان استفاده را در بین سایر فولادهای ضدزنگ دارد. حدود ۸۰ درصد فولاد ضد زنگ در بازار جهان به فولاد آستنیتی اختصاص پیدا کرده است. حداقل نیکل مصرفی در این نوع، حدود هفت درصد بوده و همین امر باعث شده تا در دماهای بالا انعطاف‌پذیر و مقاوم باشند. شرایط آن از نظر جوشکاری کاملا مساعد است و در محیط‌های مختلف مانند آب دریا و محیط‌های اتمسفری کاربرد دارد.

به دلیل مقدار بالای کروم و نیکل، بیشترین مقاومت در برابر خوردگی را نسبت به دیگر انواع فولادهای ضد زنگ دارند. به طور کلی فولادهای ضد زنگ آستنیتی غیرمغناطیسی هستند و با استفاده از عملیات حرارتی سخت نمی‌شوند؛ اما می‌توان با عملیات کار سرد یا cold working به میزان قابل توجهی سختی یا استحکام آن‌ها را بالا برد.

لازم به ذکر است که بیشتر فولادها در دماهای پایین شکننده می‌شوند اما وجود نیکل تافنس را بهبود می‌بخشد، آن را در دماهای کرایوژنیک، یعنی بررسی رفتار مواد در دماهای خیلی پایین، کاربردی می‌سازد و همچنین فولاد ضد زنگ را انعطاف‌پذیرتر می‌کند. البته با افزودن عناصری مثل مولیبدن، تیتانیوم یا مس، می‌توان خصوصیات این فلز را تغییر داد؛ به عنوان مثال، وجود مولیبدن مقاومت به خوردگی در یک محیط اسیدی را بیشتر می‌کند. رایج‌ترین انواع این فولاد شامل ۳۰۴/۳۰۴L و ۳۱۶/۳۱۶L هستند که نام متداول استنلس استیل ۳۰۴ به صورت ۱۸/۸ است به معنی ۱۸ درصد کروم و هشت درصد نیکل! استفاده از L بعد از نوع فولاد ضد زنگ نشان‌دهنده کربن کم است. (low carbon)

فولاد ضد زنگ آستنیتی بیشترین قابلیت جوشکاری را در میان انواع دیگر فولاد ضد زنگ دارند و می‌توانند به سه گروه تقسیم شوند:

کروم- نیکل معمولی (رایج) یا سری ۳۰۰
منگنز- کروم- نیکل- ازت یا سری ۲۰۰
آلیاژهای ویژه

از جمله کاربردهای این نوع از فولاد زنگ نزن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

دیگ بخار، صنعت هوانوردی، قطعات الکترونیکی، تجهیزات راه‌آهن، مخازن شیمیایی، سیستم‌های گرمایشی، تجهیزات کوره، مبدل‌های حرارتی، لوله، اجاق گاز، سینک ظرف‌شویی، سقف ساختمان، ناودانی، در و پنجره، و...

آستنیتی- فریتی یا دو فازی (Duplex or ferritic-austenitic)

ترکیبی از فولادهای ضد زنگ فریت و آستنیتی می باشد؛ به عبارت دیگر دارای ریزساختاری است که از تقریبا ۵۰ درصد Ferritic و ۵۰ درصد Austenitic تشکیل شده و در مقایسه با آستنیت، مقاومت بیشتری در برابر ترک خوردگی– تنشی و خوردگی دارد. فولادهای superduplex در مقایسه با فولادهای آستنیتی استحکام و مقاومت بیشتری به تمام اشکال خوردگی دارند. مغناطیسی بوده (اما نه به اندازه Ferritic)، قابل جوشکاری هستند و شکل‌پذیری متوسطی هم دارند. از موارد استفاده این نوع از فولاد زنگ نزن می‌توان به قطعات مبدل حرارتی و کارگا‌ه‌های عملیات آبی اشاره کرد.

رسوب سختی (Precipitation-Hardening or PH)

فولاد سخت‌گردان رسوبی علاوه بر کروم و نیکل، به میزانی مس، تیتانیوم و مولیبدن نیز در خود دارد. این نوع از فولادهای ضد زنگ انعطاف‌پذیری بالایی داشته و در برابر خوردگی نیز مقاوم هستند؛ همچنین از استحکام بالایی در دماهای بالا برخوردارند. این فولادها می‌توانند با افزودن عناصری مانند مس، Niobium و آلومینیوم مقاومت خود را بسیار افزایش دهند. مقاومت در برابر خوردگی این نوع را می‌توان با فولادهای آستنیتی استاندارد مانند ۳۰۴ مقایسه کرد. از جمله کاربرد‌های این نوع از استنلس استیل می‌توان به استفاده از آن‌ها در قطعات فضایی و هواپیما اشاره نمود.

مزیت‌های فولاد ضد زنگ (زنگ نزن)

اکنون مصرف سالیانه فولاد زنگ نزن بیش از ۲۰ میلیون تن می‌باشد اما تقاضای جهانی برای فولاد ضد زنگ، با سرعتی در حدود پنج درصد در سال در حال افزایش است. مزیت‌های فولاد ضد زنگ را می‌توان در مقایسه با فولادهای با کربن معمولی به دست آورد. اگرچه فولادهای ضد زنگ طیف وسیعی از خواص را دارند، به طور کلی در مقایسه با فولادهای معمولی دارای خواص زیر می‌باشند:

مقاومت بیشتر در برابر خوردگی (تمام فولادهای ضد زنگ از آلیاژهای آهن هستند که دارای حداقل حدود ۱۰٫۵ درصد کروم می‌باشند. کروم موجود در آلیاژ یک لایه اکسید محافظ خود ترمیم‌کننده را تشکیل می‌دهد. این لایه اکسید باعث همان مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ می‌شود. حتی اگر این لایه از بین برود، می‌تواند خود را ترمیم کرده و همچنان در برابر خوردگی مقاوم بماند.)
سختی یا کرایوژنیک بالاتر (مقاومت کرایوژنیک با شکل‌پذیری یا چقرمگی در دماهای زیر صفر اندازه‌گیری می‌شود. در دمای کرایوژنیک، مقاومت کششی فولادهای ضد زنگ آستینی به طور قابل ملاحظه‌ای بالاتر از دمای محیط است.)

مقاومت گرمایی بالاتر
انعطاف‌پذیری بیشتر
استحکام و سختی بالاتر
ظاهری جذاب‌تر (از مات تا براق، قابلیت رنگ‌آمیزی و ایجاد نقش برجسته روی آن)
نگه‌داری آسان‌تر
عدم نیاز به پوشش محافظ (در مقابل فولادهای با کربن معمولی با پوشش‌هایی مانند گالوانیزه در برابر خوردگی محافظت می‌شوند.)
لازم به ذکر است که فولاد ضد زنگ گران‌تر از سایر فولادها می‌باشد اما همه دلایلی که ذکر شد باعث می‌شوند که استفاده از این فولاد در طولانی مدت از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر باشد. درواقع هزینه مقاطع فولادی با کربن معمولی، نسبت به همان مقاطع با فولاد ضد زنگ، در رنج پایین‌تری خواهد بود. برای مثال: قیمت میلگرد نیشابور یا سایر برندهای میلگرد فولادی با کربن معمولی، از میلگردهایی با آلیاژ ضد زنگ، کمتر است.همچنین استیل زنگ نزن بهترین مقاومت را در برابر آتش در مقایسه با بقیه فلزات در هنگام استفاده و دمای بالاتر از ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد دارد. به عنوان مثال استیل نوع A2s1d0 دارای مقاومت در برابر آتش بدون انتشار بخار سمی است.

محصولاتی که با استیل ضد زنگ ساخته شده به راحتی تمیز می‌شوند و می‌توان از مواد شوینده معمولی مانند صابون برای تمیز کردن آن‌ها استفاده کرد. فولاد ضد زنگ به طور کامل در زمینه‌هایی مانند دکوراسیون منزل و لوازم آشپزی که نیاز به شستشوی مکرر دارند قابل استفاده هستند و پاسخگویی کاملی دارند.

فولاد ضد زنگ نوعی ماده سبز است به این معنی که قابلیت بازیافت دارد و به محیط زیست آسیب نمی‌رساند. در بخش ساخت و ساز قابلیت بازیافت آن نزدیک به ۱۰۰ درصد است. این ویژگی باعث می‌شود که فولاد ضد زنگ برای ساخت سازه‌هایی که در معرض هوای نامطلوب قرار دارند، مناسب باشد.

از جمله محصولات استنلس استیلی می‌توان به این موارد اشاره نمود: 

ورق استیل
لوله استیل
پروفیل استیل

کاربردهای فولاد ضد زنگ

فولاد ضدزنگ به تنهایی نام یک نوع فولاد نیست؛ بلکه نام خانواده‌ای از فولادهای مقاوم در برابر خوردگی است. این فولاد به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و دوام خوب یکی از مهم‌ترین فلزات موجود در بازار است. اگرچه عرضه تجاری آن به بازار کمتر از یک قرن پیش اتفاق افتاده است، ولی به سرعت به یکی از مهم‌ترین یا اساسی‌ترین فلزات تبدیل شده و تقریبا هر صنعتی را از معماری و مهندسی گرفته تا علوم پزشکی شامل می‌شود.

از جمله کاربردهای این نوع از فولاد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

مصارف خانگی:

کارد و چنگال، ظروف غذاخوری و سایر وسایل مشابه
سینک ظرف‌شویی
قابلمه و وسایل آشپزی
اجاق گاز و باربیکیو
مبلمان منزل

مصارف شهری:

کیوسک تلفن
نمای ساختمان
آسانسور و پله برقی
مترو و زیرساخت ایستگاه‌های آن

مصارف صنعتی:

تجهیزات برای تولید مواد غذایی و دارویی
قطعات موتور اتومبیل و هواپیما
تانکرهای سوخت و شیمیایی
آلیاژهای مهم فولاد زنگ نزن
آلیاژ آهن–کروم  این ماده اصلی‌ترین عنصر فولادهای زنگ نزن به حساب می‌آید و به همین خاطر بررسی دیاگرام فازی و ساختارهای موجود در آن با توجه به درصد کروم از اهمیت بالایی برخوردار است.  
آلیاژ آهن-کروم-نیکل-کربن  (Fe-Cr-Ni-C) برای پایدارسازی فاز آستنیت استفاده می‌شود و از جمله فولادهای زنگ نزن است.