فولاد ضد زنگ چیست؛ انواع و کاربردهای فولاد زنگ نزن

یکی از پرکاربردترین آلیاژهای فولادی در صنایع مختلف، فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل است که عناصر اصلی تشکیل‌دهنده آن؛ آهن، کروم و نیکل هستند. فولاد زنگ‌نزن به‌واسطه ترکیب خاص این عناصر، دوام فوق‌العاده‌ای در شرایط محیطی مختلف دارد و در صنایع غذایی، پتروشیمی، ساختمانی و تجهیزات پزشکی کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است. لازم به ذکر است که حداقل درصد جرمی کروم در این آلیاژ، 10.5 درصد و حداکثر درصد جرمی کربن آن، در حدود 1.2 درصد است. در این مقاله قصد داریم به معرفی فولاد زنگ‌نزن، بررسی ویژگی‌ها و انواع آن بپردازیم و ببینیم چرا این آلیاژ به یکی از مهم‌ترین مواد مهندسی در جهان تبدیل شده است.

فولاد زنگ نزن چیست؟

فولاد زنگ‌ نزن یا استنلس استیل (Stainless Steel) که با نام Inox نیز شناخته می‌شود، نوعی آلیاژ فولادی مقاوم در برابر خوردگی است که پایه اصلی آن آهن بوده و با عناصری مانند کروم، نیکل و در برخی گریدها مولیبدن ترکیب می‌شود. مهم‌ترین ویژگی این آلیاژ، مقاومت بالا دربرابر زنگ‌زدگی و اکسیداسیون در محیط‌های مختلف است. برای ایجاد خاصیت ضدزنگ در فولاد، وجود حداقل ۱۰.۵ درصد کروم ضروری است. این عنصر باعث تشکیل یک لایه نازک و پایدار از اکسید کروم روی سطح فلز می‌شود که به آن «لایه پسیو» گفته می‌شود. این لایه مانند یک سد محافظ عمل کرده و از تماس مستقیم فلز با عوامل خورنده جلوگیری می‌کند. میزان کربن در فولادهای زنگ‌نزن معمولاً پایین نگه داشته می‌شود (حداکثر حدود ۱.۲ درصد) تا مقاومت به خوردگی کاهش پیدا نکند.

از پرکاربردترین گریدهای فولاد زنگ‌نزن می‌توان به 304 و 316 اشاره کرد. گرید 304 حدود ۱۸٪ کروم دارد و گرید 316 علاوه بر ۱۶٪ کروم، حدود ۱۰٪ نیکل نیز دارد که مقاومت آن را در محیط‌های خورنده و کلریدی افزایش می‌دهد. ویژگی مهم فولاد زنگ‌نزن، قابلیت خودترمیمی لایه پسیو است؛ به این معنا که اگر سطح آن دچار خراش شود، در حضور اکسیژن دوباره این لایه تشکیل شده و خاصیت محافظتی بازمی‌گردد. در صورت انتخاب نادرست گرید برای شرایط محیطی، این لایه پایدار نمانده و خوردگی رخ می‌دهد. افزودن عناصر آلیاژی مانند نیکل باعث بهبود خواص مکانیکی و شکل‌پذیری و مولیبدن باعث افزایش مقاومت دربرابر اسیدها و محیط‌های حاوی کلر می‌شود. به همین دلیل فولادهای زنگ‌نزن در صنایع مختلفی مانند ساختمان‌سازی، صنایع غذایی، تجهیزات پزشکی و محیط‌های دریایی کاربرد گسترده‌ای دارند.

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): 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 (آهن 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 آهن زنگ نزن نشان‌دهنده کربن کم است. (low carbon) فولاد ضد زنگ آستنیتی بیشترین قابلیت جوشکاری را در میان انواع دیگر فولاد ضد زنگ دارند.
• 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 آهن 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 که آهن آنلاین ارائه می‌کند می‌توان به این موارد اشاره نمود: 

• ورق استیل
• لوله استیل
• پروفیل استیل

برای کسب اطلاع از قیمت ورق استیل می‌توانید به لینک فوق مراجعه کنید و قیمت به‌روز این مقطع فولادی را مشاهده کنید.

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. در تصویر زیر کاربردهای فولاد ضد زنگ ارائه شده است:

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.

اثر عناصر آلیاژی بر فولاد زنگ نزن

همان‌طور که اشاره کردیم افزودن نیکل به آهن زنگ‌ نزن مقاومت به‌ خوردگی را در محیط‌های خنثی و یا اکسیدکننده ضعیف بهبود می‌‌بخشد؛ اما قیمت آن‌ها را نیز افزایش می‌دهد. هم‌چنین مقدار کافی نیکل قابلیت انعطاف و شکل‌پذیری فولادها را بالا می‌برد؛ زیرا امکان نگهداری آستنیت (FCC) در دمای محیط را میسر می‌سازد. افزایش مولیبدن به فولادهای زنگ‌ نزن مقاومت به‌ خوردگی را در حضور یون‌های کلر افزایش می‌دهد، حال آن‌که افزایش آلومینیوم مقاومت به پوسته شدن را در دماهای بالا بهبود می‌بخشد. کروم نیز برای افزایش مقاومت به‌ خوردگی آن اضافه می‌شود.

تفاوت‌های فولاد ضد زنگ با فولاد گالوانیزه

اگرچه نمی‌توان مقاومت و استحکام هر دوی این محصولات را انکار کرد ولی هرکدام جوانب منفی و مثبتی دارند که باعث می‌شود با توجه به نوع کاربرد، یکی را به گزینه مناسب‌تری جهت انتخاب تبدیل کند. فولاد گالوانیزه با یک لایه نازک روی پوشش داده شده که به محافظت در برابر خوردگی کمک می‌کند. این محصول می‌تواند در برابر آب به خوبی مقاومت کند.
از سوی دیگر فولاد ضد زنگ با افزودن کروم به فولاد مذاب ساخته می‌شود. به دلیل استحکام و مقاومت آن در برابر زنگ‌زدگی، این نوع از فولاد به عنوان فلز اصلی در ساخت و ساز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقایسه با گالوانیزه، این محصول مقاومت بهتری در برابر اسید و باز داشته و گزینه مناسبی برای استفاده در محیط‌های دریایی می‌باشد. اما نباید از فولاد زنگ نزن در اطراف استخر یا مکان‌هایی که در معرض کلر قرار دارند، قرار بگیرد؛ زیرا باعث از بین رفتن پوشش روی فولاد و زنگ زدن آن می‌شود. 
هر دوی فولاد گالوانیزه و فولاد ضد زنگ از محافظت بسیار خوبی در برابر خوردگی برخوردارند؛ ولی مقاومت فولاد زنگ‌نزن بالاتر است. قیمت این دو محصول در مقایسه با هم بسیار متفاوتند؛ به گونه‌ای که قیمت فولاد ضد زنگ چهار تا پنج برابر بیشتر از فولاد گالوانیزه می‌باشد. البته از طرفی دیگر، دسترسی به فولاد گالوانیزه راحت‌تر است.

رایج‌ترین فولادهای زنگ نزن و تفاوت‌های آن‌ها

گرید ۳۰۴ از گروه آستنیتی رایج‌ترین نوع فولاد ضد زنگ است. گرید ۳۱۶ نیز نوع متداول بعدی است که آن نیز از گروه آستینی می‌باشد و تقریبا همان خصوصیات فیزیکی و مکانیکی نوع ۳۰۴ را دارد. تفاوت این دو در این است که ۳۱۶ حدود دو یا سه درصد مولبیدن را در خود جای داده که این موضوع مقاومت در برابر خوردگی به خصوص در برابر کلریدها و سایر حلال‌های صنعتی را افزایش می‌دهد.
به عبارت دیگر اساسی‌ترین تفاوت بین ۳۰۴ و ۳۱۶ حضور مولبیدن در گرید ۳۱۶ می‌باشد. مولبیدن عنصری شیمیایی است که برای تقویت و سخت شدن فولاد استفاده می‌شود و عملکرد اصلی آن در گرید ۳۱۶ کمک به مبارزه در برابر خوردگی از کلرید است. ضد زنگ ۳۱۶ حاوی نیکل بیشتری نسبت به ۳۰۴ است؛ در حالی که ۳۰۴ حاوی کروم بیشتری نسبت به ۳۱۶ است. ۳۰۴ معمولا از ۱۸ درصد کروم و هشت درصد نیکل و استیل ۳۱۶ از ۱۶ درصد کروم و ۱۰ درصد نیکل و دو درصد مولبیدن تشکیل شده است.
هر دو فولاد از دوام بالایی برخوردارند و مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند. ۳۰۴ به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و ارزان‌تر بودن پرکاربردترین و پر مصرف‌ترین فولاد ضد زنگ در جهان است. دلیل گران‌تر بودن استیل ۳۱۶ این است که مقاومت بالاتری در برابر خوردگی خصوصا در برابر کلریدها و محلول‌های کلر دارد. این موضوع باعث می‌شود که ۳۱۶ در محیط‌هایی که در معرض نمک قرار دارند، مطلوب‌تر باشد.

جایگاه فولاد ضد زنگ در صنایع مدرن

نقش فولاد ضد زنگ در صنایع مدرن امروز فراتر از یک متریال معمولی است. این آلیاژ با ترکیبی از استحکام بالا، مقاومت بی‌نظیر در برابر خوردگی و ظاهری زیبا، به یکی از اجزای جدایی‌ناپذیر در بخش‌های مختلف صنعتی تبدیل شده است. از ساخت تجهیزات پزشکی و صنایع غذایی گرفته تا سازه‌های شهری، پتروشیمی و حمل‌ونقل، استنلس استیل به‌دلیل دوام بالا و طول عمر زیاد، انتخابی مطمئن برای مهندسان و طراحان محسوب می‌شود. پیشرفت فناوری‌های تولید فولاد و افزایش تقاضا برای مصالح مقاوم و پایدار، نشان می‌دهد که فولاد زنگ‌نزن در آینده نیز جایگاه خود را به‌عنوان یکی از مهم‌ترین مواد اولیه در توسعه صنعتی و عمرانی حفظ خواهد کرد.