فولاد زنگ‌نزن

با فولاد گالوانیزه اشتباه نشود.

یک ساختمان که با فولادزنگ‌نزن ساخته شده است.

در متالوژی، فولاد زنگ‌نزن یا فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل (به انگلیسی: Stainless Steel)، که Inox نیز خوانده می شود، آلیاژی از فولاد می باشد، که اصلی‌ترین عناصر تشکیل دهنده آن آهن، کروم و نیکل است که حداقل درصد جرمی کروم در آن ۱۰.۵ درصد و حداکثر درصد جرمی کربن آن ۱.۲ درصد می باشد.

فولاد زنگ‌نزن به خاطر مقاومت در برابر خوردگی خود مورد توجه است که این خاصیت با افزایش میزان کروم افزایش می یابد. افزودن عنصر مولیبدن باعث افزایش مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ‌نزن در مقابل اسیدهای کاهنده و در برابر خوردگی در محلول های کلرایدی می شود. به همین دلیل، انواع مختلفی از فولاد زنگ‌نزن با میزان مختلف کروم و مولیبدن برای مطابقت با محیطی که آلیاژ باید تحمل کند وجود دارد. مقاومت فولاد زنگ‌نزن به خوردگی و زنگ زدگی، نیاز به نگهداری کم و درخشش بالا، آن را تبدیل به یک ماده ایده آل برای بسیاری از کاربردها که در آن هم نیاز به استحکام بالا و هم نیاز به مقاومت به خوردگی بالا است کرده است.

فولاد زنگ‌نزن به شکل ورق، صفحه، میله، سیم و لوله ساخته می شود تا در :وسایل آشپزی، کارد و چنگال، دستگاه های جراحی، لوازم خانگی بزرگ؛ مصالح ساختمانی در ساختمان های بزرگ، تجهیزات صنعتی (برای مثال در کارخانجات کاغذ، کارخانه های شیمیایی، تصفیه آب)؛ و مخازن ذخیره سازی آب و مخازن برای مواد شیمیایی و محصولات غذایی (به عنوان مثال، تانکرهای شیمیایی و تانکرهای کامیونی) استفاده گردد.

مقاومت در برابر خوردگی، راحتی تمیز و استریل نمودن با بخار و عدم نیاز به پوشش دادن سطحی، استفاده از فولاد زنگ‌نزن را در آشپزخانه های تجاری و صنعتی متداول کرده است.

مقاومت به خوردگی

فولادهای زنگ‌نزن(ردیف پایین) تحمل بیشتری در مقابل خوردگی نسبت به آلیاژهای مس-نیکل (ردیف وسط) و آلیاژهای آلومینیوم-برنز(ردیف بالا) در آب-نمک از خود نشان می دهند.

فولاد زنگ‌نزن برخلاف فولادکربنی وقتی که در معرض محیط های مرطوب قرار می گیرد دچار خوردگی یکنواخت نمی شود. فولادهای کربنی محافظت نشده در هنگام ترکیب با هوا و رطوبت به راحتی زنگ می‌زنند. لایه اکسید آهن سطحی (زنگ) متخلخل و شکننده است. از آنجایی که اکسید آهن حجم بزرگتری نسبت به فولاد اصلی را اشغال می کند، این لایه گسترش می یابد و تمایل به لایه برداری دارد و باعث حمله بیشتر به لایه های زیرین فولاد می شود. در عوض، فولادهای زنگ‌نزن حاوی کروم کافی برای غیرفعال شدن هستند. این پدیده در صورت قرار گرفتن در معرض اکسیژن موجود در هوا یا آب خود به خود اتفاق می‌افتد و باعث ایجاد یک لایه اکسیدکروم خنثی نازک روی سطح می شود. این لایه نازک غیرفعال با مسدود کردن مسیر اکسیژن به سطح فولاد از خوردگی آن جلوگیری می کند و باعث می شود که خوردگی به قسمت داخلی فلز نرسد. این لایه نازک در صورت خراشیده شدن یا از بین رفتن به دلیل قرار گرفتن در شرایط شدیدتر از میزان حد تحمل خوردگی به طور موقتی، خود را تعمیر می کند.

مقاومت این لایه به خوردگی بستگی به ترکیب شیمیایی فولاد زنگ‌نزن، به ویژه درصد کروم دارد.

خوردگی فولاد زنگ‌نزن می تواند زمانی رخ دهد که درجه یا گرید آن برای محیط کاری مناسب نباشد.

معمولا بین 4 نوع خوردگی تفاوت در نظر می گیرند: یکنواخت، ناحیه ای(پیتینگ)، گالوانیک و SCC (ترک خوردگی ناشی از تنش).

خانواده فولادهای زنگ‌نزن

پنج خانواده اصلی از فولادهای زنگ‌نزن وجود دارد که عمدتا توسط ساختار کریستالی (بلورین) آنها طبقه بندی می شوند:

فولادهای زن‌نزن آستنیتی:

فولاد زنگ‌نزن آستنیتی (Austenitic) بزرگترین خانواده از فولاد زنگ‌نزن یا ضدزنگ است، که حدود دو سوم از تولید فولاد ضدزنگ را به خود اختصاص می دهد. این فولادها دارای یک میکروساختار آستنیتی هستند که ساختار کریستال مکعبی وسط-وجهی (Face-Centered) دارند. این ریزساختار با آلیاژ کردن با نیکل و/یا منگنز و نیتروژن کافی برای حفظ ریزساختار آستنیتی در تمام دماها از ناحیه‌ی کریوژنیک تا نقطه ذوب حاصل می شود. از این رو فولاد ضدزنگ آستنیتی قابل سخت‌کاری از طریق عملیات حرارتی نیست چرا که در همه دماها دارای یک نوع ریزساختار یکسان است.

فولادهای زنگ نزن آهنی(Ferritic):

فولاد ضد زنگ آهنی داراي یک ریزساختار فریتی مانند فولاد کربنی است که یک ساختار کریستالی مکعبی مرکز-بدنی (body-centered cubic) محسوب می شود و حاوی 10.5 تا 27 درصد کروم و مقدار بسیار کمی نیکل و یا بدون نیکل است. این ریزساختار به علت اضافه شدن کروم در تمام درجه حرارت ها وجود دارد و مانند فولاد ضدزنگ آستنیتی با عملیات حرارتی سخت‌کاری نمی شود. مانند فولاد ضد‌زنگ آستنیتی آنها را نیز با کار سرد نمی توان تقویت کرد. این فولادها مانند فولاد کربنی مغناطیسی هستند.

فولادهای ضد زنگ فریتی معمولا خود به 4 زیر-خانواده طبقه بندی می شوند:

گروه 1 که حاوی 10 تا 14 درصد کروم و عدد معادل مقاومت به خوردگی (PREN، Pitting resistance Equivalent Number = %Cr + 3.3 %Mo+16 %N) حدود 10 است، در شرایط غیر سخت و یا زمانی که مقداری خوردگی سطحی قابل قبول است استفاده می شود. گرید های معمول (EN 1.4003) AISI 403 و AISI 409Cb (EN A/4601) است که در لوله های اگزوز خودروها استفاده می شود.

گروه 2 که حاوی 14 تا 18 درصد کروم و با عدد PREN حدود 16 است. معروف ترین گرید آن AISI 430 (EN 1.4017) است. این گرید برای جوشکاری مناسب نیست، زیرا رشد دانه در منطقه آسیب دیده حرارتی (HAZ) جوش موجب شکنندگی می شود.

گروه 3 بسیار شبیه به گروه ۲ است، اما افزودن Nb، Ti و/یا Zr در مقادیر کم، ته نشینی کاربید را افزایش می دهد که به نوبه خود سبب جلوگیری از رشد دانه ها و شکنندگی جوش ها می شود. بنابراین آنها بدون هیچ مشکل خاصی قابل جوشکاری هستند.

گروه 4 گریدهای این گروه را می توان "فوق آهنی" نامید که دارای مقادیر بیشتری Mo، و/یا Cr می باشد. عدد PREN آنها بالای 18 است، که آنها را برابر یا بهتر از (EN 1.4301) AISI 304 می کند. شناخته شده ترین گرید این خانواده AISI 434 و 444 (به ترتیب EN 1.4113 و EN 1.4521) است.

گریدهای با مقاومت الکتریکی بالا Fri-Cr-Al شامل این گروه ها نمی شود، زیرا آنها را برای مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا طراحی کرده اند.

فولاد ضد زنگ مارتنزیتی:

چاقوهای همه کاره سویسی از فولاد مارتنزیتی ساخته می شوند.

فولاد ضد زنگ مارتنزیتی طیف وسیعی از خواص را ارائه می دهد و به عنوان فولادهای ضد زنگ مهندسی، فولاد ضد زنگ ابزاری، فولاد مقاوم در برابر خزش استفاده می شود.

آنها به 4 دسته تقسیم می شوند (با مقداری همپوشانی):

• گریدهای Fe - Cr - C: آنها اولین گرید استفاده شده بودند و هنوز هم به طور گسترده در کاربردهای مهندسی و مقاوم در برابر سایش استفاده می شوند
• گریدهای Fe-Cr-Ni-C: در این گریدها، مقداری از کربن با نیکل جایگزین شده است. آنها دارای سختی بالاتر و مقاومت به خوردگی بالاتر هستند.
• گربدهای پیرسخت‌کاری شونده: گرید EN 1.4542 (a.k.a. 17 / 4PH)، شناخته شده ترین گرید، قابلیت سخت شدن مارتنزیتی پیرسخت‌کاری را هردو باهم دارد. این فولاد میتواند استحکام بالا و چقرمگی خوب را به دست آورد و در صنایع هوافضا و دیگر صنایع کاربرد دارد.
• گرید مقاوم در برابر خزش: افزودن مقدار کمی Nb، V، B، Co استحکام و مقاومت خزش را تا حدود 650 درجه سلسیوس افزایش می دهد.

فولاد ضد زنگ دوپلکس:

فولاد ضد زنگ دوپلکس دارای میکروساختار ترکیبی آستنیتی و فریتی است که هدف آن معمولا تولید ترکیب 50/50 است، اگر چه در آلیاژهای تجاری این نسبت می تواند 40/60 باشد. آنها با کروم بالا (19-32 درصد) و مولیبدن (تا 5 درصد) و محتوای نیکل پایین تر از فولاد ضدزنگ آستنیتی مشخص می شوند. فولاد ضدزنگ دوپلکس در مقایسه با فولاد ضد زنگ آستنیتی تقریبا دو برابر استحکام دارد. میکروساختار ترکیبی آنها مقاومت به ترک ناشی از خوردگی توسط کلراید بیشتری نسبت به فولاد ضدزنگ فولاد آستنیتی نوع 304 و 316 فراهم می کند.

خواص فولاد ضد زنگ دوپلکس با مقادیر آلیاژ پایین تر از مقادیر فولادهای گرید فوق-آستنیتی با خواص آن مشابه است و استفاده از آن برای بسیاری از کاربردهای مهندسی مقرون به صرفه است. گریدهای فولاد دوپلکس بر اساس مقدار آلیاژ و مقاومت به خوردگی آنها در گروه های مختلفی تقسیم بندی می شوند.

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 زنگ‌نزن حساس‌شده

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

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

انواع پرداخت سطح

برای رسیدن به حد پرداخت استاندارد نورد به طور مستقیم می توان از غلتک ها و ساینده های مکانیکی استفاده کرد. در ابتدا فولاد برای رسیدن به ضخامت مورد نظر از داخل نورد عبور می کند و سپس فرآیند بازپخت برای رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب انجام می شود. اکسیداسیونی که روی سطح تشکیل می شود (رسوب نورد) با اسیدشویی حذف می شود و یک لایه غیرفعال بر روی سطح ایجاد می شود. سپس می توان پرداخت نهایی را برای رسیدن به زیبایی مورد نظر اعمال کرد:

   شماره 0: نورد گرم، بازپخت شده، ورق های ضخیم

   شماره 1: نورد گرم، بازپخت شده و غیرفعال سازی شده

   شماره 2D: نورد سرد، بازپخت شده، اسیدشویی و غیرفعال شده

   شماره 2B: همانگونه که در بالا آمده است، به علاوه عبور از داخل غلتک های بسیار صیغلی

   شماره 2BA: بازپخت روشن (BA یا 2R) همانگونه که در بالا ذکر شد، به علاوه تحت شرایط هوای آزاد بدون اکسیژن بازپخت روشن می شود

   شماره 3: از ساینده های درشت به صورت مکانیکی استفاده می شود

   شماره 4: پرداخت به وسیله برس

   شماره 5: پرداخت ساتنی (رسیدن به کیفیت سطح براقی مانند ساتن که به وسیله سمباده و ساینده متوسط بدست می آید.)

   شماره 6: پرداخت مات (برس کشی اما صاف تر از شماره 4)

   شماره 7: پرداخت منعکس کننده

   شماره 8: پرداخت آینه ای

   شماره 9: پرداخت با Bead Blast (پرتاب دانه های ریز شیشه ای صاف با فشار بالا به سطح)

   شماره 10: پرداخت حرارت رنگی، ارائه طیف گسترده ای از سطوح الکتروپولیشی و گرم رنگی

فولادزنگ نزن در دماهای بالا

از فولادهای زنگ نزن علاوه بر کاربردهای مقاوم در برابر خوردگی رطوبتی، در محیط های دما بالا که فولادهای کربنی و کم آلیاژ مقاومت به خوردگی یا استحکام مناسب ندارند نیز استفاده می شود.

در کاربردهای دمابالا معمولا عوامل زیر مدنظر است:

• استحکام خزشی بالا(و/یا چقرمگی)
• مقاومت مناسب در برابر اکسایش و همچنین خوردگی ناشی از دمای بالا
• ریزساختار پایدار
• مقاومت مناسب در مقابل خوردگی سایشی

نقش عناصر آلیازی مختلف

کروم: نقش کروم بیشتر در دماهای بالای 500 درجه سلسیوس مشخص می شود. این عنصر باعث شکل گرفتن یک لایه اکسید غنی از کروم مقاوم بر روی سطح می شود که از رسیدن بیشتر اکسیژن به لایه های زیرین و در نتیجه زنگ دگی جلوگیری می کند.

سلیکون و آلومینیوم: نقش سیلیکون و آلومینیوم مشابه نقش کروم است. اگر این عناصر به اندازه کافی در سطح موجود باشند می توانند باعث شکل گرفتن لایه های SiO₂ و Al₂O₃ در سطح شوند. برای شکل گرفتن بیشتر این لایه ها مقدار کمی از عناصر فلزی کم یاب کره زمین مانند سریم یا لانتانوم می تواند بسیار کمک کننده باشد.

نیکل: نیکل باعث افزایش چقرمگی، استحکام دمابالا و افزایش مقاومت در مقابل کربوریزه شدن و نیتریده شدن می شود.

نیتروژن و کربن: باعث افزایش استحکام خزش می شوند.

مولیبدن: باعث افزایش استحکام ترکیدگی ناشی از خزش می شود.

تیتانیوم: درصد کمی تیتانیوم، در حدود 0.3 تا 0.7 درصد، می تواند در فولادهای آستنیتی باعث افزایش استحکام شود. در مورد نیوبیوم نیز این مورد صادق است.

برون: برون در غلظت های بسیار پایین، در حدود 0.002 درصد باعث افزایش استحکام ترکیدگی ناشی از خزش می شود.

نقش میکروساختار

نقش ریزساختار به اندازه ترکیب شیمیایی برای مقاومت در دماهای بالا چندان مهم نیست اما انتخاب صحیح آن نیز بی تاثیر نیست.

فولادهای فریتی: برای اکثر فولادهای فریتی ماکزیمم دمای کاری ثابت 250 درجه سلسیوس است چرا که این فولادها در

روتور توربین های بخار از فولادهای زنگ نزن مارتنزیتیک که مناسب برای دماهای بالا است ساخته می شود.

دمای 475 درجه سلسیوس دچار تردی می شوند. این نکته در مورد فولادهای زنگ نزن کروم پایین 10.5 تا 12.5 درصد چندان مهم نیست و دما می تواند بعضی اوقات به 575 درجه سلسیوس نیز برسد. فولادهای زنگ نزن با درصد آلیاژ بالا با درصد کروم 23 تا 27 درصد، در دماهای بالا مقاومت به خوردگی فوق العاده ای از خود نشان می دهند.

فولادهای مارتنزیتی: در استاندارد EN 10088-1 و EN 10302 فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی در رده فولادهای مقاوم به خزش قرار گرفته اند. با این حال به دلیل اینکه سطح کروم آنها خیلی بالا نیست (حداکثر 12.5%) این فولادها جرو فولادهای مقاوم به گرما نیستند و فقط در جاهایی استفاده می شوند که نیاز به استحکام نهایی بالا، استحکام خزش و خستگی بالا، به علاوه مقاومت مناسب در برابر خوردگی مد نظر باشد و ماکزیمم دما 650 درجه ساسیوس باشد از انها استفاده می شود. از فولادهای مارتنزیتی کم کربن و کربن-متوسط عموما در توربین های بخار، موتورهای جت و توربین های گاز استفاده می شود.

فولادهای آستنیتی: این فولادها در کنار آلیاژهای پایه-نیکل بهترین ترکیب مقاومت به خوردگی دما-بالا و استحکام مکانیکی دما-بالا را ارائه می دهند. در کاربردهای دما بالا، فولادهای زنگ نزن آستنیتی دما-بالا اصلی ترین انتخاب هستند.

فولادهای دوپلکس: استحکام تسلیم آنها در محدوده 550 تا 690 مگاپاسکال در حالت بازپخت شده است که به طور چشمگیری بیشتر از فولادهای فریتی و آستنیتی است. با این حال استفاده از این فولادها در دماهای بالا به دلیل تردی و افت شدید استحکام مکانیکی پبشنهاد نمی شود. ماکزیمم دمای کاری آنها معمولا 300 درجه سلسیوس است.

فولادهای پیرسخت شده: این فولادها آلیاژهای کروم-نیکل هستند که در حالت سخت شده برای دماهای بالای ۴۲۵ درجه سلسیوس به دلیل افت شدید استحکام توصیه نمی شوند.

خواص مکانیکی در دمای بالا

استحکام مواد در دماهای بالا مانند استحکام آنها در دمای اتاق آزمایش نمی شود. در دماهای بالا مهمترین خواص مکانیی خزش و استحکام ترکیدگی(شکست یا پارگی ناگهانی) است. در دماهای معمولی و اتاق اگر یک قطعه زیر تنش تسلیم تحت کشش قرار بگیرد می تواند تا بینهایت بدون تغییر باقی بماند اما در دماهای بالا این قطعه شروع به کش آمدن بدون وقفه می کند تا زمانی که از هم گسسته شود. سرعتی که فلز کش می آید را نرخ خزش می نامند. استحکام مکانیکی مواد در دماهای بالا را بر اساس خزش می سنجند یعنی توان ماده به مقاومت در برابر تغییر شکل در طول زمان در یک دمای بالا.