فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل چیست؟

فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل چیست؟

خلاصه مقاله :

فولاد ضد زنگ اروپایی یا همان stainless steel به انواع فولادهایی گفته می شود که دارای عنصرهای آلیاژ متفاوت و بالایی باشد و مقاومت بسیار خوبی را مقابل زنگ زدگی, خوردگی و ترکیب های شیمیایی موجود در اتمسفر هوا را دارا هستند.

فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل چیست؟

فولاد ضد زنگ یا همان stainless steel به انواع فولادهایی گفته می شود که دارای عنصرهای آلیاژ متفاوت و بالایی باشد و مقاومت بسیار خوبی را مقابل زنگ زدگی, خوردگی و ترکیب های شیمیایی موجود در اتمسفر هوا را دارا هستند. ۱۱% از فولاد ضدزنگ را کروم تشکیل داده است که خود عامل بسیار موثری برای مقاومت در برابر خوردگی و زنگ زدن می باشد. ویژگی خوردگی با افزایش درصد کروم افزایش می یابد. حداقل درصد کروم برای به ایجاد لایه محافظ ۱۰٫۵ درصد می باشد که در اینصورت استنلس استیل تنها در مقابل اتمسفر معمولی مقاوم می باشد. وقتی درصد کروم به ۲۵ تا ۳۰% افزایش می یابد، خاصیت مهم استنلس استیل به عبارتی مقاومت به خوردگی، زیاد می شود و استقامت به اکسیداسیون به حداکثر می رسد. خوردگی وضعیتی موقتی و غیرپایدار از استنلس استیل است که مقاومت آن علاوه بر ترکیب فولاد، بستگی به عواملی نظیر نوع و غلظت محیط خورنده، درجه حرارت و غیره دارد.

باتوجه به اینکه بیشترین مصرف استنلس استیل به دیلیل ویزگی پایداری به خوردگی Corrosion Resistance  آنها در محیط های مختلف شیمیایی میباشد، ولی کاربرد مهم دیگر آنها در درجه حرارت های بالا تحت عنوان آلیاژهای مقاوم به دما Heat Resisting Alloys است که معمولاً کمتر به آن توجه می شود

تاریخچه فولاد ضد زنگ:

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.

انواع فولادهای ضدزنگ:

باتوجه به اینکه جهت ایجاد خاصیت نگهداری یا رویین شدن اولیه در مقابل سایس ویا خوردگی، حداقل ۱۱% کروم و برای بهتر شدن ویژگی خوردگی، مکانیکی و غیره عناصر دیگری به فولاد افزوده می شوند. تاثیر متفاوت این عنصرها بر ریز ساختار، شش دسته استنلس استیل به شرح زیر را به وجود می آورد:

۱-دسته فریتی (Ferritic): با محدوده ترکیبی C<0.1%، Ni=0-4%، Cr=11-30%

۲-دسته مارتنزیتی (Martensitic): با محدوده ترکیبی ۰٫۱<c<1.2%< span=””></c<1.2%<>، Ni=0-6%، Cr=11-18%

۳-دسته آستنیتی (Austenitic): با محدوده ترکیبی C<0.15%، Ni=8-20%، Cr=15-27%. همچنین آلیاژهایی با نیکل زیادتر نیز جزء آلیاژ های سوپر آستنیتی و نیکل می باشد و غالباً در این گروه قرار می گیرند.

۴-دسته دوفازی (Duplex): با محدوده ترکیبی C<0.08%، Ni=4-7%، Cr=18-27% و کمی عناصر کمک افزودنی مانند N و Cu

۵-دسته رسوب سختی (Precipitation Hardening): با محدوده ترکیبیC<0.15%، Ni=3-27%، Cr=12-28% و کمی عناصر کمک افزودنی مانندN، Cu، B، Ti، Al

۶-دسته ریختگی (Cast)

چهار دسته اول براساس ساختار میکروسکوپی می باشد و دسته پنجم براساس نوع عملیات حرارتی مشخص شده اند.

دسته ششم نیز شامل مجموعه آلیاژهایی از پنج دسته اصلی و مهم می باشد که به روش ریخته گری تولید می گردند. در مورد کلیه دسته های فوق عنصرهای دیگری نظیر فسفر، سیلیسیم، گوگرد، منگنز، نئوبیم، تیتانیم و مولیبدن نیز ممکن است به عنوان ناخالصی در ترکیب بوده و یا به عنوان افزودنی برای بهبود ویژگی معینی به آلیاژ ها افزوده گردند که حدود آنها را استانداردها مشخص نموده اند.

۱ – دسته فریتی:

مزیت فاز اصلی آلیاژهای آهن و دارای شبکه BBC می باشد, برای اینکه ساختار فریتی داشته باشیم باید عنصرهای فریتی را مانند کروم, آلومنیوم, تیتانیوم, نئوبیم و مولیبدن درصد بالا و عنصرهای آستینت را مثل نیکل, کربن و نیتروژن را در حد پائین نگاه داشت که البته مهمترین نقش را در این روند کروم ایفا می کند. با ازدیاد کروم, دمای محیط منطقه آستنیت(گاما) با کاهش چشمگیری روبرو شده و ساختار غالب مزیت (آلفا) می شود. از طرف دیگر ساختار کروم مشابه ساختار ساختمان بلوری مزیت می باشد, بنابراین فلز ناحیه فازی مزیت را افزایش می دهد و باعث کم شدن منطقه فازی استنیت می شود.

فولاد های این دسته حاوی ۱۱ الی ۳۰% کروم و معمولاً بدون عنصر نیکل می باشد و در بین دسته های دیگر غالباً کمترین قیمت را دارند. تیتانیم و نئوبیم ضمن فریت زایی، با بلوکه کردن کربن و نیتروژن و تولید کربونیتریدها اثر بیشتری در فریت زایی دارند چون کربن و نیتروژن در آلیاژ های فریتی پیشرفته نسل سوم باز هم محدود تر شده است. با عنایت به تحریر مذکور آلیاژ های این دسته به ترتیب در سه نسل متفاوت گسترش یافته و بهینه شده اند.

مقاومت مکانیکی استنلس استیل فریتی در برابر با فولاد های کربنی ساده کم کربن بالاتر می باشد ولی چکش خواری و فرم پذیری آنها کمتر اما در حد معقول و مناسب می باشد. نیز مقاومت مکانیکی آنها در دماهای بالا و چقرمگی در دماهای پایین، به ویژه در قطرهای ضخیم، در مقایسه با دسته  آستنیتی خیلی کمتر می باشد.

در استنلس استیل فریتی (مانند استنلس استیل مارتنزیتی و دوفازی) امکان به ایجاد تردی بازگشت وجود دارد. این پدیده بر اثر عملیات حرارتی بازگشت در محدوده دمای ۴۰۰ تا ۵۵۰ درجه سانتی گراد به وجود می آید. لذا زمانی که چقرمگی بالایی مورد نیاز باشد، باید از استفاده و یا برگشت آنها در محدوده دمای مذکور دوری کرد. نیز دانه بندی آلیاژ های فریتی بعد از جوشکاری درشت شده و ویژگی مکانیکی آنها کمتر می شود.

در مجموع از نظر پایدری به خوردگی عمومی، استنلس استیل فریتی بعد از دسته های آستنیتی و مارتنزیتی قرار می گیرد و بسته به درصد کروم از کم تا عالی متغیر می باشد. ولی برخلاف دسته آستنیتی پایداری آنها در مقابل سایش و خوردگی تحت تنش بالا هستند. از طرف دیگر کم شدن مقدار کربن و نیتروژن اثر قابل توجه زیادی در افزایش پایداری خوردگی آنها دارد. فولاد های فریتی با کروم کم (حدود ۱۱%) مانند ۴۰۹ و ۴۰۵ دارای پایداری خوردگی و اکسیداسیون بسیار کم می باشد ولی به علت قیمت پایین و سهولت تولید، مصرف زیادی در مواردی که نیازمند پایداری خوردگی کم باشند، دارند. فولاده های فریتی با کروم متوسط (۱۶ تا ۱۸%) مثل  ۴۳۰ در برابر اسید های اکسید کننده ضعیف و آلی پایدار می باشد و در ساخت قطعات خودرو و ظروف آشپزخانه کاربرد دارند. ولی محدودیت آنها در مشکلات جوشکاری است.

 

۲ – دسته مارتنزیتی

کروم و کربن از عناصر فولادی این طبقه هستند. دلیل سختی بالای این فاز وجود کربن در بین نشینی در شبکه ی اتمی اش می باشد. آلیاژ های مارتنزیتی فرو مغناطیس و قابل عملیات حرارتی بوده و اهمیت و مصرف آنها بیشتر بدلیل بالا بودن استحکام مکانیکی، سختی، خستگی و خزش می باشد. اما دمای کاربرد آنها تا ۶۵۰ درجه سانتی گراد محدود می باشد. و نیز انواع پرکربن آن برای جوشکاری توصیه نمی شود.

درصد کربن آلیاژ های مارتنزیتی امکان دارد تا ۱٫۲% نیز برسد. ازدیاد کربن البته تا حدود ۰٫۶% سختی آنها را بالاتر می برد اما افزایش بیشتر از این حد، سختی آلیاژ را بالاتر نمی برد و تنها پایدری به سایش را افزایش می دهد که دلیل تبدیل آن تغییر کربن اضافی به کاربید کروم می باشد.

عنصرهای فولادی دیگری همچون نئوبیم، سیلیسیم، وانادیم و غیره برای اصلاح ریز ساختار بعد از آب دادن و درصد کمی نیکل برای ازدیاد چقرمگی و پایداری به خوردگی نیز استفاده می شوند. لازم به ذکر است در موقعی که درصد کروم بالا بکار برده شود (برای افزایش مقاومت به خوردگی)، نیکل با کم نمودن فریت آزاد، ساختار را اصلاح می کند.

پایداری به خوردگی آلیاژ های مارتنزیتی معمولاً از بسیاری از آلیاژ های آستنیتی و فریتی پایین تر می باشد اما بطور کلی در حد متوسط می باشد.

 

۳ – دسته آستنیتی

آستنیت از فاز های آهن با شبکه FCC می باشد که در آهن بدون عنصرهای آلیاژی در محدوده دمای ۹۱۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد پایدار است. با افزودن عنصرهای آستنیت زا (مانند Ni) می توان آن را در دمای محیط نیز مقاوم نمود. وجود ۸ تا ۱۰% نیکل به ازای ۱۸% کروم، ساختار آلیاژ را به صورت آستنیتی مقاوم می نماید. این تبدیل فاز منجر به تغییر زیاد ویزگی مکانیکی از جمله زیاد شدن شکل پذیری آلیاژ می شود. این فولادها در حالت بازپخت به علت وجود فاز آستنیت غیرمغناطیسی می باشد ولی به علت تبدیل فاز در حالت کار سرد امکان دارد مقداری خاصیت آهن ربایی و مغناطیسی در آنها به وجود آید.

فولاد های آستنیتی شامل عنصرهای اصلی کروم (در محدوده ۱۶ تا ۲۶%) و نیکل می باشند که در تعدادی از آنها (سری ۲ ایکس) به جای درصدی از نیکل عنصرهای منگنز (در محدوده ۴ تا ۱۵%) و نیتروژن افزوده شده است تا منجر به کاهش قیمت و افزایش استحکام گردند

نیتروژن نیز به جهت بهبود مقاومت مکانیکی در دمای کم، کند کردن تشکیل رسوب کاربید کروم، ازدیاد پایداری به خوردگی های حفره ای و شیاری (کمک به مولیبدن) بکار می رود. عناصر فولادی دیگر مثل مولیبدن، مس، سیلیسیم، آلومینیم، تیتانیم، نئوبیم و غیره برای افزایش ویژگی معینی مثل پایداری به خوردگی حفره ای و مقاومت در مقابل یون کلرید یا پایداری به اکسیداسیون به آنها اضافه می شود.

نورد سرد انجام شده بر روی این دسته پایداری خوبی به آنها می دهد. از دیگر توانایی های این دسته امکان جوشکاری آن به دلیل میزان کم کربن و گوگرد موجود در آنها می باشد. در حقیقت ازدیاد عنصرهای تازه در راستای بهتر شدن کیفیت مورد نظر و تامبن ویژگی مورد نیاز فولاد انجام می گیرد. مثلاً افزودن تیتانیم به فولاد ۳۰۴ آن را به ۳۲۱ از دیگر فولاد های دسته آستنیتی تبدیل می نماید. از دیگر فولاد های پر مصرف این دسته ۳۱۶ می باشد که با افزودن ۲% مولیبدن به ۳۰۴ تهیه شده و پایداری مناسبتری در برابر خوردگی کلر دارد. ازدیاد میزان کروم آلیاژ ۳۱۰ را می دهد که پایداری زیادی در دماهای بالا دارد. نقطه ضعف مهم این دسته سستی آنها در مقابل ترک های ناشی از خوردگی تنشی کلر می باشد.

دسته آستنیتی به چهار بخش تقسیم می شود که عبارتند از:

سطح A: در این دسته فولاد های ۳۰۱، ۳۰۲، ۳۰۳، ۳۰۳اس ای ، ۳۰۴، ۳۰۴ان، ۳۰۴ال، ۳۲۱، ۳۴۷ و ۳۴۸ قرار می گیرند که با مقداری اختلاف در ترکیب شیمیایی می توان آنها را همان آلیاژ ۸-۱۸ دانست. پایداری خوردگی و سایش کلی این فولادها با هم اختلاف چندانی ندارند، اما تعدادی که عنصرهای آلیاژی زیاتری دارند پایداری خوردگی و سایش مقدار بیشتری همچنین دارند. به عنوان مثال پایداری خوردگی فولاد ۳۰۴ از ۳۰۱ و ۳۰۲ زیادتر می باشد.

فولاد خوش تراش ۳۰۳ در این دسته دارای پایینترین پایداری خوردگی و سایش، به ویژه در برتبر خوردگی حفره ای می باشد.

فولاد های ۳۲۱، ۳۴۷ و ۳۴۸ همچنین دارای پایداری و مقاومت به خوردگی و سایش مانند ۳۰۲ و ۳۰۴ می باشد ولی کربن آنها با زیاد نمودن تیتانیم یا نئوبیم مقاوم شده است تا پس از جوشکاری پدیده حساسیت و خوردگی کنار درز جوش تشکیل نشود.

سطح B: در این دسته فقط دو فولاد ۳۰۵ و ۳۴۸ قرار می گیرند که درصد نیکل آنها معمولاً بالا (۱۲ و ۱۵%) است و از نظر پایداری به خوردگی و سایش، بیشتر از سطح A می باشند. فولادهای این سطح برای انجام کارسرد بالا مثل کشش های فوق عمیق استفاده می شوند.

سطح C: دراین دسته فولادهای ۳۰۲بی، ۳۰۸، ۳۰۹، ۳۰۹اس، ۳۱۰، ۳۱۰اس، ۳۱۴ قرار می گیرند.

فولادهای ۳۰۲بی با ازدیاد ۲٫۵% سیلیسیم به فولاد ۸-۱۸ تشکیل شده است. این فولاد دز برابر اکسیداسیون در دمای زیاد پایدار است.

فولاد ۳۱۴ با افزودن کروم و نیکل آلیاژ ۸-۱۸ تشکیل شده است تا پایداری خوردگی و سایش بیشتری به وجود آید. و نیز با افزودن کمی سیلیسیم مقاومت به خوردگی آن به ویژه در برابر اسید سولفوریک  بالاتر می رود و به این علت دارای پایداری بالای در برابر دمای بیشتر نیز می باشند.

سطح D: در این دسته  فولادهای ۳۱۶، ۳۱۶ال، ۳۱۶اف، ۳۱۶ان، ۳۱۷، ۳۱۷ال قرار می گیرند. ویژگی کلی پایداری به خوردگی و سایش این فولادها مشابه فولاد ۳۱۰ می باشد. ولی به علت داشتن مولیبدن پایداری آنها به خوردگی حفره ای، به ویژه در محیط های احیا کننده و محیط های دارای یون کلرید زیادتر از سطهای های دیگر است.

 

کاربردهای فولاد ضد زنگ در مصارف گوناگون:

فولاد ضد زنگ ۴۳۰: سینک ظرفشویی، توالت، طراحی تجهیزات داخلی، کارد و چنگال و ظروف آشپزخانه، روکش و پوشش بام ساختمان

فولاد ضد زنگ ۳۰۴: ماشین آلات مواد غذایی، ابزار پخت و پز، سینک، کارد و چنگال، تجهیزات سلف، بیمارستان، غذا و نوشیدنی ها، کشتارگاه ها، داروسازی، نفت و گاز، لوازم برودتی، مخازن و کشتی های حامل مایعات خورنده.

فولاد ضد زنگ۳۲۱: اجزای کوره، تجهیزات در معرض دمای بالا و یا سیکل های آبی

فولاد ضد زنگ ۳۱۶: محیط های حاوی کلر و آلوده دریایی، آب های شیرین، لوله ها، مخازن، پتروشیمی، صنایع کاغذ و خمیر کاغذ، کنترل آلودگی، نفت و هیدرومتالورژی

فولاد ضد زنگ ۳۰۹: قطعات کوره، ظروف دما بالا، مبدل های کاتالیزوری، سیستم های اگزوز و غیره.

گرید اس از مقاومت بالایی در برابر اکسیداسیون برخوردار است.

فولاد ضد زنگ ۳۱۰: قطعات کوره، لوله ها، مبدل های آمونیاک و غیره.

استنلس استیل های نگیر و یا غفیر مغناطیسی:

فولاد استنلس استیل ۳۰۴ بر پایه تغییرات صورت گرفته بر روی فولاد معروف ۳۰۲ (۸-۱۸) به وجود می آید. این تغییرات مشمول افزایش کروم و کم نمودن کربن می باشد. مقدار کربن کم، ته نشینی کاربید کروم را پایین می آورد که اثرگذاری مستقیم بر روی جوش پذیری و پایداری در برابر خوردگی و فرسایش مرزدانه ای خواهد داشت.

همچنین فولاد ۳۰۴L بهینه شده نوع ۳۰۴ ولی با مقدار کربن پایین حداکثر ۰٫۰۳۰% می باشد. که ته نشینی کاربید ها را به کمترین مقدار خود رسانده و جوش پذیری را بهتر می نماید. نتیجه می گیریم این فولاد حتی در محیطهای خوزنده از نظر جوشکاری بسیار خوب عمل می نماید. لازم به ذکر است این نوع آلیاز از نظر ویژگی مکانیکی مقداری کمتر از نوع فولاد ۳۰۴ می باشد.

این دسته از فولادها به استنلس استیل نگیر معروف هستند. در حقیقت، نگیر بودن و یا غیر مغناطیسی بودن این گونه فولادها، بیان کننده ویژگی غیر آهن ربایی این فولادها به دلیل داشتن زمینه و ساختار آستنیتی آنها می باشد. آستنیت یکی از فاز های آهن با شبکه FCC می باشد که در آهن بدون عنصرهای فولادی در محدوده دمای ۹۱۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد مقاوم می باشد. با اضافه نمودن عناصر آستنیت زا مثلNi می توان آن را در دمای محیط نیز مقاوم کرد. وجود ۸ تا ۱۰% نیکل به ازای ۱۸% کروم، ساختار آلیاژ را به صورت آستنیتی مقاوم می کند. این اصلاح و تغییر فاز دلیل تغییر کلی ویژگی مکانیکی از جمله ازدیاد انعطاف پذیری فولاد می شود. این فولادها در حالت بازپخت به علت وجود فاز آستنیت غیر آهن ربایی و غیرمغناطیسی می باشد ولی به علت اصلاح فاز در حالت کار سرد امکان دارد مقداری ویژگی آهن ربایی و مغناطیسی در آنها به وجود بیاید.

 

خاصیت عملیات حرارتی:

فولاد استنلس استیل های ۳۰۴ به وسیله عملیات حرارتی قابلیت سخت شدن را ندارند. آنیل: گرم کردن تا ۱۱۲۰ درجه سانتی گراد، بعد به سرعت کوئنچ می گردد. استریپ های نازک بار در هوا، ولی کلفت چندین دفعه به جهت به حداقل رساندن ته نشینی کاربید ها می بایست در آب کوئنچ شوند.

خاصیت انعطاف و شکل پذیری فولاد ضد زنگ:
اینگونه فولادها خاصیت کششی و انعطاف پذیری بسیار مناسبی از خود نشان می دهند. مقامت تسلیم کم و توانایی تغییر طول بالا شرایطی به وجود می آورد که توانایی انعطاف پذیری در فرمها و شکلهای پیچیده را داشته باشند.

خاصیت جوش پذیری فولاد ضد زنگ:

رده های آستنیتی استنلس استیل، غالباً جوش پذیری خوبی با هر دو شیوه نفوذی و پایداری از خود بروز می دهند.

مصارف و کاربردها ی فولاد ضدزنگ:

غذای، دارویی، بیمارستانی، دکوراسیون داخلی، خودرویی، تجهیزات آشپزخانه، نظامی، شیمیایی، نساجی، کاغذسازی

استفاده استنلس استیل ۳۰۴ در صنعت ماشین سازی:

ماشین سازی نامجو الهام گرفته از تولیدات سطح اول جهانی توانسته در تمامی محصولات صنایع غذایی, در ماشین آلات خط تولید رب گوجه فرنگی و ماشین آلات خط تولید تن ماهی از این فلز در تمامی قطعات و سطوح ماشین آلات خود استفاده کند. مدیران ارشد ماشین سازی نامجو بر این باورند که صنعت غذا به دلیل حساس بودن آن نیاز به دقت فراوان در تولیدات ماشین آلات آنها نیاز می باشد در نتیجه بهترین نوع آلیاژ فولاد را استفاده کرده اند تا به کیفیت و عمر هر چه بیشتر این تولیدات کمک کند.

جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص راه اندازی خطوط تولید صنایع غذایی از طریق شماره های زیر با ما در ارتباط باشید.