فولاد زنگ نزن و کاربرد آن

یکی از انواع فولاد که امروزه نام آن را بسیار می‌شنویم، فولاد ضد زنگ است؛ فولاد زنگ نزن یا استنلس استیل (Stainless Steel)، آلیاژی از فولاد بوده که در برابر خوردگی و زنگ زدگی مقاوم است. علاوه بر این، قابلیت‌های بسیار زیاد دیگری مانند مقاومت و استحکام بالای آن در برابر اکسید شدن، پوسته پوسته شدن و تغییر شکل دادن در دماهای زیاد موجب مصرف بالا و تقاضای زیاد برای آن شده است. در ادامه به بررسی این مقطع فولادی پرکاربرد می‌پردازیم.

فولاد ضد زنگ چیست؟

فولاد ضد زنگ یا فولاد زنگ نزن که در زبان انگلیسی به استنلس استیل (Stainless Steel) معروف است، مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر زنگ ‌زدگی دارد. دلیل این مقاومت عالی، داشتن درصد قابل‌توجهی کروم است؛ در ترکیبات فولاد زنگ نزن حدود 10.5 تا 20 درصد، کروم استفاده می‌شود که هرچه درصد آن بالاتر باشد، مقاومت در برابر زنگ زدگی و خوردگی نیز افزایش پیدا می‌کند. به‌طورکلی، عناصر اصلی فولادهای ضد زنگ شامل آهن، کروم و کربن می‌شود؛ البته امکان افزودن عناصر دیگری نیز همچون نیکل و مولیبدن به ترکیب آن وجود دارد. 

به این ترتیب، فولاد ضد زنگ نوعی آلیاژ متشکل از فلزات پایه است که دوام بالایی دارد و نگهداری آن نیز آسان است. بعلاوه این فولاد با خصوصیات متفاوت جهت کاربردهای مختلف تولید می‌شود و در کل، تنوع مناسبی در بازار مصرف دارد. این فولاد آلیاژهای متفاوتی دارد که از رایج‌ترین آلیاژ فولاد زنگ نزن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• 304
• 316
• 321
• 420
• 430

 البته میان آن‌ها 304 و 316 که در گروه آستینی قرار می‌گیرند، از فروش بیش‎‌تری برخوردار هستند.

تاریخچه‌ای از استنلس استیل

نخستین بار در سای 1821 توسط پیر برتیر (Pierre Berthier)، متالوژیست فرانسوی آلیاژهای آهن-کروم، که در برابر برخی اسیدها مقاوم هستند کشف کرد. سال‌ها توسط متالوژیست‌ها در کشورهای مختلف بر روی این مسئله تحقیق شد تا در نهایت در سال 1912 هری بریرلی (Harry Brearly) برای اولین بار آلیاژ فولاد زنگ نزن مارتنزیتی را کشف و صنعتی کرد؛ در سال 1913 اولین چاقوی ضدزنگ نیز تولید شد و از آن پس استفاده از این آلیاژ در صنایع مختلف رواج پیدا کرد.

تفاوت فولاد ضد زنگ با فولاد گالوانیزه

افرادی که از محصولات فولادی استفاده می‌کنند باید فرق فولاد ضد زنگ با فولاد گالوانیزه را بدانند. فولاد گالوانیزه دارای پوششی از جنس روی یا زینک است؛ این پوشش باعث افزایش مقاومت فولادهای گالوانیزه در برابر خوردگی و زنگ ‌زدگی شده است. در مقابل، فولادهای ضد زنگ نوعی آلیاژ فولادی هستند که از ترکیب آهن با عناصری همچون کروم تولید می‌شوند. 

در بحث فولادهای ضد زنگ، این عنصر کروم است که به افزایش استقامت آن‌ها کمک می‌کند. بر همین اساس، ساختار فولادهای ضد زنگ با فولادهای گالوانیزه تفاوت دارد، اگر چه هر دویشان در برابر زنگ زدگی مقاوم هستند. البته مقاومت فولاد ضد زنگ بیشتر از فولاد گالوانیزه است؛ به همین دلیل، با قیمت بالاتری هم به فروش می‌رسد.

مشخصات و خواص فولاد ضد زنگ

از بارزترین مشخصات فولاد ضد زنگ می‌توان به برخورداری از شکل‌پذیری و سختی مطلوب اشاره کرد؛ این خصوصیات به شکل‌دهی فلز در حالت‌های سخت کمک می‌کند. داشتن مقاومت مطلوب در دماهای کم و زیاد نیز از دیگر ویژگی‌های فولاد ضد زنگ است. ضمنا، این فولاد دارای بهترین استقامت در برابر حرارت در بین کلیه مواد فلزی حین استفاده در مصارف ساختاری است. همچنین، فولادهای ضد زنگ در برابر آتش بدون نشر دود سمی هم مقاومت مناسبی از خود نشان می‌دهند. افزون بر این، محصولات فولادی ضد زنگ را می‌توان به راحتی تمیز کرد و شستشوی آن‌ها با مواد تمیزکننده‌ای همچون پودر صابون امکانپذیر است.

روش تولید فولاد ضد زنگ چیست؟

از مراحل تولید فولاد ضد زنگ به ترتیب می‌توان به ذوب مواد و ضایعات فلزی در کوره قوس الکتریکی، حذف کربن اضافی یا همان کربن‌زدایی، تنظیم مواد آلیاژی و درنهایت، شکل‌‌دهی یا ریخته گری اشاره کرد. اشکال نهایی فولاد ضد زنگ معمولا بیلت، اسلب، میله یا لوله است. این محصولات فولادی نقش کلیدی در ساخت‌وساز ایفا می‌کنند؛ به همین جهت، باید از مقاومت بالایی برخوردار باشند. ضمن اینکه تولیدکنندگان فولادهای ضد زنگ با توجه به تجارب و توانایی‌های خود ممکن است از تکنیک‌های خاصی در جریان تولید آن‌ها استفاده کنند؛ از‌این‌رو، فولادهای زنگ نزن تحت کیفیت‌های مختلفی در بازار موجود هستند.

انواع فولاد زنگ نزن (استنلس استیل)

بطور کلی استنلس استیل به پنج دسته آستنیتی، آهنی، ماتنزیتی، دوپلکس و رسوب سخت شونده تقسیم می‌شود که در ادامه به معرفی هر کدام خواهیم پرداخت:

آستنیتی

فولاد آستنیتی یا (Austenitic) بیش‌ترین استفاده را در میان انواع فولاد ضد زنگ دارد به‌طوری که دو سوم (حدود 80%) فولاد زنگ‌ نزن از این نوع است. این نوع فولاد حاوی 3% نیکل و 16% کروم بوده و از لحاظ جوشکاری و انعطاف‌پذیری کاملا مطلوب است؛ همچنین در برابر عوامل خورنده بسیار مقاوم بوده و از آن حتی در دریا نیز استفاده می‌شود. در دو گرید 200 و 300 تولید و در بازار عرضه می‌شود.

این نوع استنلس استیل به علت درصد بالای کروم و نیکل مقاومت بیشتری در برابر خوردگی نسبت به سایر انواع فولاد ضد زنگ دارد. این نوع فولاد غیرمغناطیسی است و در عملیات حرارتی سفت و سخت نمی‌شود. برای سخت کردن آن می‌توان از روش cold working استفاده کرد تا استحکام آن‌ها بیشتر شود.

آهنی

سری 400 در دسته آهنی یا فریتی (Ferritic) قرار دارد که حاوی 10.5 تا 27 درصد کروم و درصد بسیار پایینی نیکل است (گاهی اوقات از نیکل استفاده نمی‌شود.). از لحاظ مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت حرارتی بسیار مطلوب بوده و همچنین مغناطیسی نیز هستند. از این محصول در اگزوز خودرو، لوازم آشپزخانه، مبدل حرارتی، تانکرهای آب گرم و... استفاده می‌شود.

مارتنزیتی

مارتنزیتی (Martensitic) فاز دیگری بوده که دارای 11 تا 18 درصد کروم و 1 درصد کربن است؛ سری 400 و 500 در این دسته قرار می‌گیرند. قابلیت جوشکاری و شکل‌پذیری ضعیفی دارد؛ از لحاظ مقاومت در برابر خوردگی متوسط بوده و مقاومت بالایی ندارد و از نظر استحکام، مقاومت و سختی نیز مطلوب است. کاربرد فولاد زنگ نزن مارتنزیتی در ساخت لوازم جراحی، شیرآلات، قاشق، چنگال و بسیاری دیگر از موارد است.

دوپلکس

دوپلکس (Duplex) از ترکیب دو فاز آستنیت و فریت بوده که حاوی 19 تا 32 درصد کروم و حداکثر 5 درصد مولیبدن است. از لحاظ قیمت کاملا مقرون به‌صرفه و از نظر قابلیت‌های جوشکاری، شکل‌پذیری سطح آن معمولی است و در برابر خوردگی مقاومت بالایی دارد؛ از نظر مغناطیسی نیز ضعیف عمل می‌کند. کاربرد آهن ضد زنگ دوپلکس در موارد زیر است:

• تجهیزات کارخانه‌های کاغذ
• تجهیزات شیمیایی
• تجهیزات روی آب
• مبدل حرارتی

رسوب سخت شونده

نوع دیگر رسوب سخت شونده (Precipitation hardening) بوده که دارای 4 درصد نیکل و 17 درصد کروم است؛ همچنین مقداری تیتانیوم، مس و مولیبدن در آن وجود دارد. استحکام و مقاومت بالا در برابر دما، خوردگی و قابلیت انعطاف‌پذیری از ویژگی‌های آن است. این نوع فولاد اگر با آلومینیوم، مس و Niobium ترکیب شود مقاومت بیشتری را به دست می‌آورد. از فولاد ضد زنگ رسوب سختی در قطعات فضایی و هواپیما استفاده می‌شود.

انواع فولاد زنگ نزن بر اساس خواص

انواع فولاد ضد زنگ بر اساس خواص شامل فولادهای مقاوم به خوردگی، مقاوم به خزش و مقاوم به حرارت می‌شود. در ادامه هر یک از این خواص را بررسی کرده‌ایم:

فولاد زنگ نزن مقاوم به خوردگی

فولاد زنگ نزن مقاوم به خوردگی نوعی فولاد با استقامت مطلوب در مقابل حمله یکنواخت یا موضعی محیطی است. این مقاومت در زمان خوردگی به دلیل وجود عنصر کروم حاصل می‌شود. درواقع، لایه اکسید کرومی بر روی سطح فولاد به استقامت آن کمک می‌کند.

فولاد زنگ نزن مقاوم به خزش

فولاد زنگ نزن مقاوم به خزش همان فولاد مارتنزیتی و آستنیتی است که استقامت قابل قبولی در مقابل تغییر شکل ناشی از تنش‌های مکانیکی بلندمدت در دماهای زیاد از خود نشان می‌دهد. این فولاد ضد زنگ توانایی تحمل دماهای فراتر از 500 درجه سلسیوس را دارد.

فولاد زنگ نزن مقاوم به حرارت

معمولا زمانی که صحبت از فولاد زنگ نزن مقاوم به حرارت می‌شود، منظور فولاد فریتی یا فولاد آستنیتی است. این فولاد، مقاومت عالی در برابر اکسید شدن و اثرات گازهای داغ دارد و حتی پایداری خود را در دماهای بالاتر از 550 درجه سلسیوس حفظ می‌کند. دلیل چنین مقاومتی در فولادهای ضد زنگ مقاوم به حرارت، داشتن لایه‌ محافظ اکسیدی است؛ این لایه توسط عناصر کروم، آلومینیوم و سیلیسیم در فضاهای اکسیدکننده بر روی فولاد ایجاد می‌شود. با این لایه می‌توان حملات گوگرد را کاهش داد و از سطح فولاد محافظت کرد.

ترکیبات سازنده فولاد ضد زنگ

عناصر مختلفی در تولید آهن ضد زنگ با درصدهای متفاوت به کار برده می‌شود که هرکدام خواص جدیدی را در آن به وجود می‌آورند. مهم‌ترین آن‌ها نیکل، کروم و کربن بوده؛ در جدول زیر، شاهد این عناصر همراه با خواص ‌آن‌ها خواهید بود:

تاثیر عناصر آلیاژی بر روی فولاد ضد زنگ

تولیدکنندگان از عناصر آلیاژی مختلفی در ترکیب فولاد ضد زنگ استفاده می‌کنند. هر یک از عناصر آلیاژی تاثیر زیادی بر روی خصوصیات فولادهای ضد زنگ می‌گذارند و درواقع، با هدف خاصی بکار گرفته می‌شوند. آلیاژ کروم به عنوان مهم‌ترین آلیاژ موجود در فولاد ضد زنگ دارای قابلیت ضد خوردگی است. برای استفاده از آن، ابتدا باید با اکسیژن واکنش نشان دهد و سپس، اکسید کروم حاصل‌شده را بر روی سطح محصولات فولادی منتقل کرد. همچنین، برای دستیابی به نتیجه بهتر باید در هر لایه‌ای بیش از 11 درصد کروم وجود داشته باشد.

آلیاژ نیکل یکی دیگر از آلیاژهای قابل‌استفاده در فولادهای ضد زنگ است که تاثیر زیادی بر مشخصات آن می‌گذارد. این آلیاژ همچون کروم دارای خاصیت ضد خوردگی است. درحقیقت، با افزودن نیکل می‌توان مقاومت فولادها در محیط‌های اسید سولفوریک را افزایش داد. آلیاژ نیتروژن به بهبود مقاومت مقاطع فولادی در برابر خوردگی بین دانه‌ای، موضعی و حفره‌دار کمک می‌کند. در صورتی که این آلیاژ با فولادهای کم کربن ترکیب شود می‌تواند استحکام مقاطع را به صورت چشمگیری افزایش دهد. همچنین، قیمت آلیاژ نیتروژن ارزان است و می‌توان از آن به جای نیکل استفاده کرد.

آلیاژ کربن به عنوان یکی از عناصر اصلی فولاد ضد زنگ به افزایش مقاومت آن کمک می‌کند. درواقع، این آلیاژ را نوعی پایدارکننده آستنیت می‌دانند که تحت درصدهای کمی به ترکیب فولادهای زنگ نزن اضافه می‌شود. آلیاژ مولیبدن با هدف مقاومت به خوردگی شیاری در فضاهای کلریدی و همین‌طور، مقاومت به خوردگی حفره‌ای به ترکیب فولادهای ضد زنگ افزوده می‌شود. درضمن، این آلیاژ، میل لایه اکسیدی به تجزیه را کم می‌کند. آلیاژ منگنز جهت ایجاد ترکیبات اکسیدی و سولفیدی با هدف بهبود استقامت در برابر اکسیداسیون و پیشگیری از شیوع ناخالصی‌های سولفیدی به ساختار فولادهای ضد زنگ اضافه می‌شود.

فرمول شیمیایی فولاد زنگ نزن

معادله و فرمول شیمیایی فولاد زنگ نزنی که توسط بسیاری از تولیدکنندگان استفاده می‌شود در قسمت زیر آورده شده است:

فولاد ضد زنگ = آهن + کروم (> 10.5%) + عناصر دیگر

مزایای فولاد ضد زنگ

وجود مزایای متعدد، فولاد زنگ‌ نزن را تبدیل به یک محصول کاربردی و محبوب کرده است؛ با توجه به مزیت‌های بسیار زیاد این فولاد در این بخش تنها قادر به توضیح برخی از مهم‌ترین مزایای آن هستیم:

• قابلیت بازیافت دارد: این محصول قابلیت 100 درصدی بازیافت را دارد که یکی از مزایای مهم آن به حساب می‌آید؛ این امر موجب استقبال فراوان افراد از آن شده زیرا برای محیط زیست، انسان‌ها و حیوانات هیچ خطری ندارد.
• بادوام است: طول عمر بالای این محصول از دیگر دلایل محبوبیت آن است؛ با توجه به خواص مکانیکی استنلس استیل و قابلیت تمیز شدن راحت، اگر از آن به درستی استفاده شود، طول عمر بسیار بالایی خواهد داشت و به راحتی از بین نمی‌رود.
• از نظر اقتصادی به‌صرفه است: با توجه به طول عمر بالا و نرخ فروش آن، قیمت این محصول کاملا مقرون به‌صرفه بوده است و حتی هزینه‌های نگهداری و تعمیرات آن نیز از نرخ پایینی برخوردار است.
• برای سلامتی انسان خطرناک نیست: از آنجایی که این محصول به راحتی تولید باکتری نمی‌کند، از آن می‌توان در صنایع داروسازی و وسایل آشپزخانه بدون هیچ خطری برای انسان استفاده کرد.

کاربردهای فولاد ضد زنگ در صنایع مختلف

این محصول در انواع مصارف خانگی، شهری و صنعتی کاربرد دارد؛ از تولید زیورآلات گرفته تا صنایع شیمیایی مورد استفاده است. در ادامه به برخی از این کاربردها اشاره می‌کنیم.

صنایع شیمیایی و پتروشیمی

به دلیل شرایط خوردگی بالا، دما زیاد، تولید انواع اسید و... تنها این فولاد قابلیت دوام در این مکان را دارد.

صنایع غذایی و تجهیزات آشپزخانه

به دلیل عدم تاثیر در مزه مواد غذایی و تمیزی راحت محصول مذکور، از آن در ظروف و وسایل آشپزخانه استفاده فراوان می‌شود. علاوه بر این در صنایع لبنی و بسته‌بندی مواد غذایی نیز کاربرد گسترده دارد.

کشاورزی

کودها و اسپری‌های آفت‌کش شرایط خورنده‌ای را در زمین‌های کشاورزی ایجاد می‌کنند و اگر از فولاد ضد زنگ استفاده نشود، در مدت زمان کوتاهی تخریب می‌شوند.

تجهیزات شست‌و‌شو

 با توجه به مقاومت بالای این محصولات در برابر خورندگی، گزینه بسیار مناسبی برای ساخت لباسشویی و خشک‌کن‌ها هستند.

تجهیزات بیمارستانی

تجهیزات پزشکی و دندانپزشکی، کابینت‌های بیمارستان، تخت‌های جراحی، تجهیزات آزمایشگاه و... همه و همه از جنس این فولاد هستند زیرا به راحتی استریل می‌شود و همیشه تیز باقی می‌ماند.