فولاد ضد زنگ

آهن آلیاژ phases
Ferrite (α-iron, δ-iron) اوستنیت (γ-iron) پرلیت (88% ferrite, 12% cementite) مارتنزیت بینیت لدبوریت (austenite-cementite eutectic, 4.3% carbon) سمنتیت (iron carbide, Fe3C) Beta ferrite (β-iron) Hexaferrum (ε-iron)
فولاد classes
Crucible steel فولاد کربنی (≤2.1% carbon; low alloy) Spring steel (low or no alloy) فولاد آلیاژی (contains non-carbon elements) فولاد مارایجینگ (contains nickel) فولاد ضد زنگ (contains ≥10.5% chromium) Weathering steel Tool steel (alloy steel for tools)
Other iron-based materials
چدن (>2.1% carbon) Ductile iron Gray iron Malleable iron چدن گل‌نرده (contains slag)

با فولاد گالوانیزه اشتباه نشود.

فولاد زنگ نزن یا استنلس استیل (به انگلیسی: Stainless Steel) به فولادهایی با مقدار عناصر آلیاژی بالا گفته می‌شود که توانایی مقاومت به خوردگی در اتمسفرهای خورنده و دماهای بالا را داشته باشند. فولادهای ضد زنگ معمولی حاوی حداقل ۱۱ درصد کروم هستند که عامل اصلی مقاومت به خوردگی آنهاست.

انواع استنلس بگیر (مغناطیسی)

پرمصرف ترین آنها ۱٫۴۰۱۶ می‌باشد. استفاده از آلیاژهایی با کروم پائین درمواردی که حفظ ظاهر در اولویت نیست و شرایط سخت محیطی وجود ندارد، امکان‌پذیر است. افزایش کروم و مولیبدن باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود. افزایش تیتانیوم و نیوبیوم نیز خاصیت جوش پذیری را افزایش می‌دهد.

گروه اصلی:

استنلس نگیر یا غیر مغناطیسی: آلیاژ آهن - کروم- نیکل با کربن کمتر از ۰٫۱  % (شامل انواع۱٫۴۳۰۱/۳۰۴که معمولاً به عنوان ۸/۱۸ و۱۰/۱۸ نیز نام برده می‌شوند.) در حالت استفاده نشده خاصیت غیر آهن‌ربایی دارد و بیش از ۶۵ درصد مصرف جهانی استنلس را به خود اختصاص داده است.

استنلس بگیر یا مغناطیسی: آلیاژ آهن – کروم با کربن کمتر از ۰٫۱٪ همراه با خاصیت آهن‌ربایی.

استنلس مارتنزیت: آلیاژآهن - کروم با کربن بالای ۰۱٪ و خاصیت آهن ربایی و سختی پذیر.

استیل دوپلکس (Super Duplex stainless steel):آلیاژ آهن-کروم ونیکل با ساختمانی از ترکیب استیل‌های مغناطیسی و غیر مغناطیسی و خاصیت آهن ربایی.

تاریخچه

پیر بارتیه مهندس فرانسوی در سال ۱۸۲۱، مشاهده کرد که با افزایش مقدار مشخصی کروم به آهن، سفتی و مقاومت به خوردگی اسیدی آن بسیار افرایش می‌یابد. در ۱۹۰۹، لئون گویله و آلبرت پورتوین بطور مستقل در فرانسه ریزساختار آلیاژهای Fe-Cr و Fe-Cr-Ni را بررسی کردند.

فولاد ضد زنگ حساس‌شده

فولاد ضد زنگ حساس‌شده، فولاد زنگ نزنی است که با فرایند گرمایی اتم‌های کروم آن از حلالیت خارج و بصورت کاربید و زیگما در مرزدانه رسوب کرده‌اند.

چنانچه اگر این فولاد در آب دریا باشد، خوردگی بین دانه‌ای در آن رخ می‌دهد.

هرگز زنگ نمی‌زند

این نوع فولاد در برابر زنگ زدگی و خوردگی بسیار مقاوم است و می‌تواند سال‌ها بدون خوردگی و زنگ زدگی باقی بماند. این دستاورد در خیلی از ساخت و سازها دیده می‌شود و دارای کاربردهای فراوان است. در ساختمان‌های بسیاری از جمله راهروهای زیر زمینی کاخ سفید آمریکا بکار رفته است.

آلیاژها

آلیاژهای فولاد زنگ نزن به علت داشتن مقاومت بالا نسبت خوردگی عالی یکی از پر کاربردترین مواد درمهندسی است. این مقاومت به دلیل وجود مقدار زیادی کروم درآن‌ها ناشی می‌شود. مقدار کم کروم، مثلاً ۵٪، مقاومت به خوردگی آهن را مقداری افزایش می‌دهد، اما برای رسیدن به فولاد زنگ نزن، حداقل ۱۲Cr% نیاز است. برابر با نظریه‌های کلاسیک، کروم با تشکیل یک لایه اکسید سطحی که لایه‌های زیرین را از خوردگی محافظت می‌کند، سطح آهن را زنگ نزن می‌سازد. برای ایجاد این لایه محافظ، سطح فولاد زنگ نزن باید در تماس با عوامل اکسید کننده باشد.

اضافه کردن نیکل به فولادهای زنگ نزن مقاومت به خوردگی را در محیط‌های خنثی و یا اکسید کننده ضعیف افزایش می‌بخشد اما قیمت آن‌ها را نیز افزایش می‌دهد. هم‌چنین مقدارکافی نیکل قابلیت انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری فولادها را افزایش می‌دهد زیرا امکان نگهداری آستینت (FCC) در دمای محیط را فراهم می‌کند. افزایش مولیبدن به فولادهای زنگ نزن مقاومت به خوردگی را در حضور یون‌های کلر افزایش می‌دهد، حال آن‌که افزودن آلومینیوم مقاومت به پوسته شدن را در دماهای بالا بهبود می‌بخشد. کروم نیز برای افزایش مقاومت به خوردگی آن، اضافه می‌شود.

انواع

آلیاژهای مهم فولادهای زنگ نزن بر مبنای عنصر آلیاژی که به آن افزوده شده است به صورت زیر می‌باشد.

1. آلیاژهای آهن - کروم
2. آلیاژهای آهن - کروم ـ کربن
3. آلیاژهای آهن - کروم – نیکل - کربن

فولادهای زنگ نزن بر اساس ساختار متالورژیکی و ترکیب شیمیایی، به صورت زیر تقسیم می‌شوند:

1. فولاد زنگ نزن فریتی
2. فولاد زنگ نزن مارتنزیتی
3. فولاد زنگ نزن آستنیتی
4. فولاد زنگ نزن آستنیتی – فریتی (دوفازی)
5. فولاد زنگ نزن رسوب سختی

استیل‌های سری ۳۰۰

رایجترین نوع فولاد ضدزنگ استیل‌های سری ۳۰۰ هستند که خود به انواع مختلفی مثل ۳۰۳، ۳۰۴، ۳۰۵، ۳۱۶، ۳۲۱ و ۳۴۷ تقسیم می‌شوند و در بین آن‌ها استیل ۳۰۴ با اختلاف قابل توجهی از بقیه پرکاربردتر و رایج‌تر است. استیل ۳۰۴ و تعداد دیگری از استیل‌های این سری شامل ۱۸ درصد کروم و ۸ درصد نیکل هستند و به همین دلیل به نام استیل ۸-۱۸ هم شناخته می‌شوند. البته نام استیل ۸-۱۸ اشاره به نوع خاصی از استیل ندارد چون فقط درصد دو آلیاژ نیکل و کروم را نشان می‌دهد. علاوه بر این کربن این استیل‌ها کمتر از ۰.۰۸ درصد است و خاصیت آهنربایی ندارند.

استیل ۳۱۶ پس از استیل ۳۰۴ دومین استیل رایج در بین استیل‌های آستنیتی است. این استیل که به «استیل ضدزنگ گرید دریایی» هم معروف است و معمولاً شامل ۱۶ درصد کروم، ۱۰ درصد نیکل و ۲ درصد مولیبدن است و به همین دلیل به استیل ۱۰-۱۸ هم معروف است. تغییر در نسبت کروم و نیکل و افزودن مولیبدن باعث شده تا این استیل مقاومت بیشتری در مقابل فرسایش، به‌ویژه فرسایش ناشی از کلر داشته باشد و به همین دلیل برای وسایلی که باید در تماس زیاد با عوامل فرساینده مانند مواد شیمیایی، حلال‌ها، و آب شور باشند، مناسب است. این نوع از استیل معمولاً در ساخت کاردها و ابزارهای برنده و لوازم مرغوب آشپزخانه استفاده می‌شود و برای تاسیات دریایی نیز مناسب است.

منابع

• Leslie Aitchison, Chromium steels and irons, ARCHIVE: Proceedings of the Institution of Automobile Engineers ۱۹۰۶-۱۹۴۷, ۱۶, ۱۸۳-۲۱۷, ۱۹۲۱. doi:10.۱۲۴۳/PIAE_PROC_1921_۰۱۶_۰۱۹_۰۲
• François Cardarelli, Ferrous Metals and Their Alloys, in Materials Handbook, 2nd Ed. Springer London, 2008. ISBN 978-1-84628-668-1 doi:۱۰٫۱۰۰۷/۹۷۸-۱-۸۴۶۲۸-۶۶۹-۸ pp. ۵۹-۱۵۷.