فولاد زنگ نزن، که با نام‌های استیل یا استنلس استیل نیز شناخته می‌شود، به گروهی از فولادها اطلاق می‌شود که حداقل ۱۰.۵ درصد کروم در ترکیب خود دارند و در برابر خوردگی بسیار مقاوم هستند. این میزان کروم با ایجاد یک لایه نازک از اکسید کروم روی سطح فلز، از اکسیداسیون و زنگ‌زدگی جلوگیری کرده و قابلیت خودترمیمی دارد. انواع مختلف استنلس استیل بر اساس ترکیب آلیاژی و نیازهای خاص هر کاربرد، از جمله شرایط محیطی و استانداردهای زیبایی‌شناسی، انتخاب می‌شوند.
در این مقاله به بررسی ویژگی‌ها، انواع و کاربردهای فولاد زنگ نزن در بخش‌های مختلف صنعتی و مصرفی می‌پردازیم.
فولاد زنگ نزن چیست؟
فولاد زنگ نزن (استنلس استیل) را از فولادهای متوسط و کم‌کربن تولید می‌کنند و با فلزات مختلف آلیاژ می‌کنند تا خواص آن بهبود پیدا کند. افزودن کروم و نیکل مقاومت در برابر خوردگی و سختی را افزایش می‌دهد، در حالی که عناصر دیگر ویژگی‌هایی مانند چکش‌خواری، چقرمگی، شکل‌پذیری، استحکام کششی و برشی را تقویت می‌کنند. بسیاری از گریدهای این فولاد استحکام بالایی دارند و برخی از آنها، بیشترین مقاومت کششی و تسلیم را در بین فلزات ارائه می‌دهند.
کارخانه‌های تولیدی بیش از ۶۰ گرید مختلف فولاد زنگ نزن را برای کاربردهای عمومی و صنعتی طراحی کرده‌اند. هر گرید تحت استانداردهای ملی و بین‌المللی خاصی قرار می‌گیرد و ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی دارد. متخصصان متالورژی همچنان این آلیاژ را بررسی می‌کنند تا عملکرد آن را در محیط‌های مختلف بهینه‌سازی کنند.
تاریخچه فولاد زنگ نزن
تاریخچه فولاد زنگ نزن به سال ۱۹۱۲ برمی‌گردد، زمانی که هری برلی، متالورژیست انگلیسی، در حال تحقیق بر روی فولادهای مقاوم برای لوله تفنگ بود. او متوجه شد که برخی آلیاژهای آزمایشی در برابر خوردگی مقاومت بالایی دارند. پس از آزمایش‌های بیشتر، برلی دریافت که افزودن کروم به آلیاژ بیشترین تأثیر را در مقاومت در برابر خوردگی دارد.
در سال ۱۹۱۵، برلی آلیاژ جدید خود را تحت نام “فولاد زنگ نزن” ثبت اختراع کرد. این آلیاژ ابتدا در صنایع سلاح و ظروف آشپزخانه استفاده شد و در طول جنگ جهانی اول در قطعات نظامی مانند موتورهای هواپیما و تفنگ‌ها به کار رفت.
فرایند تولید فولاد زنگ نزن
فولادهای زنگ نزن با افزودن عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، مولیبدن و تیتانیوم به فولاد پایه، خواصی همچون مقاومت در برابر خوردگی، استحکام کششی بالا و بهبود شکل‌پذیری به دست می‌آورند. تغییرات در ترکیب این عناصر می‌تواند تاثیرات چشمگیری بر ویژگی‌های فولاد داشته باشد.
فرآیندهای مختلفی برای تولید فولاد زنگ نزن وجود دارد. یکی از روش‌ها کوره قوس الکتریکی است که با استفاده از جریان الکتریکی، مواد خام را ذوب کرده و عناصر آلیاژی به آن افزوده می‌شود. در این روش، ناخالصی‌ها به صورت سرباره جدا می‌شوند. در روش دیگر، کوره بلند با استفاده از کک و دمیدن اکسیژن در آهن مذاب، ناخالصی‌ها را حذف کرده و سپس کروم و دیگر عناصر آلیاژی به آن افزوده می‌شود. همچنین، فرآیندهای ذوب القایی و ذوب قوس خلاء برای تولید فولاد زنگ نزن با خلوص بالا به کار می‌روند که کنترل دقیق‌تری بر ترکیب آلیاژ دارند.
پس از ذوب و تصفیه، فولاد زنگ نزن معمولاً به صورت بیلت ریخته می‌شود و سپس از طریق فرآیندهایی همچون ریخته‌گری، نورد، آهنگری یا ماشین‌کاری به شکل نهایی تبدیل می‌شود. در نهایت، برای بهبود خواص فولاد، ممکن است عملیات حرارتی، پرداخت و پوشش‌های خاصی بر روی آن اعمال شود.
ویژگی های فولاد زنگ نزن
برخی از ویژگی‌های برجسته فولاد زنگ نزن عبارتند از:
- مقاومت عالی در برابر خوردگی: فولاد زنگ نزن به طور قابل توجهی در برابر خوردگی مقاوم است.
- استحکام و دوام بالا: این ماده در برابر خم شدن، ترک خوردن و شکستن بسیار مقاوم است.
- غیر متخلخل و غیر واکنشی: فولاد زنگ نزن به راحتی تمیز می‌شود و می‌توان آن را تحت فرآیندهای استریلیزاسیون مانند اتوکلاو قرار داد.
- تنوع در پرداخت‌ها: این ماده قابلیت دستیابی به طیف گسترده‌ای از پرداخت‌های با کیفیت را دارد.
- مقاومت در دماهای بالا: فولاد زنگ نزن قادر است دماهای بالا را بدون تخریب تحمل کند.
- مناسب برای شرایط دمایی پایین: این فولاد در دماهای برودتی نیز عملکرد مناسبی دارد.
- پایداری و قابلیت بازیافت: فولاد زنگ نزن کاملاً قابل بازیافت است و بدون تخریب یا کاهش کیفیت می‌تواند دوباره استفاده شود.
انواع فولادهای زنگ نزن
۱. فولاد زنگ نزن آستنیتی
فولاد زنگ نزن آستنیتی، پرمصرف‌ترین نوع استیل ضد زنگ است و بیش از ۸۰ درصد بازار این آلیاژ را در بر می‌گیرد. ترکیب حداقل ۱۶ درصد کروم و ۶ تا ۸ درصد نیکل باعث شده این فولاد در برابر خوردگی، انعطاف‌پذیری و چقرمگی، عملکرد بسیار مطلوبی داشته باشد. صنعتگران از این نوع فولاد در محیط‌های مرطوب و اسیدی مانند آب دریا و صنایع شیمیایی استفاده می‌کنند.
این فولاد در دماهای پایین هم شکننده نمی‌شود و با افزودن عناصری مانند مولیبدن، تیتانیوم و مس، خواص آن تغییر می‌کند. مثلاً مولیبدن مقاومت آن را در برابر خوردگی اسیدی افزایش می‌دهد. گریدهای معروف این دسته شامل ۳۰۴ و ۳۱۶ هستند که در بسیاری از صنایع به کار می‌روند.
- ویژگی‌های فولاد زنگ نزن آستنیتی:
- مقاومت بالا در برابر خوردگی به دلیل وجود کروم و نیکل
- انعطاف‌پذیری و جوشکاری آسان، مناسب برای کاربردهای صنعتی
- عدم شکنندگی در دماهای پایین و مقاومت در شرایط سخت
- امکان افزایش سختی و استحکام با عملیات کار سرد (Cold Working)
- کاربردهای فولاد آستنیتی:
دیگ‌های بخار و سیستم‌های گرمایشی
تجهیزات هوانوردی و راه‌آهن
قطعات الکترونیکی و مبدل‌های حرارتی
لوله، اجاق گاز، سینک ظرف‌شویی، در و پنجره ساختمان
- فولاد زنگ نزن مارتنزیتی
فولاد زنگ نزن مارتنزیتی، یکی از انواع استیل ضد زنگ است که از آهن، ۱۱ تا ۱۸ درصد کروم و حدود ۱ درصد کربن تشکیل می‌شود. این فولاد به دلیل عملیات حرارتی، سختی و استحکام بالایی دارد. ترکیب آن بدون نیکل است، خاصیت مغناطیسی دارد و از نظر جوش‌پذیری و شکل‌پذیری، محدودیت‌هایی دارد.
مقاومت این فولاد در برابر خوردگی نسبت به سایر انواع استنلس استیل کمتر است، اما در برابر خستگی مکانیکی عملکرد خوبی دارد. به همین دلیل، تولیدکنندگان از آن در ساخت شیرآلات، فنرها و قاشق و چنگال استفاده می‌کنند.
- فولاد زنگ نزن فریتی
فولادهای زنگ نزن فریتی می توانند طیف وسیعی از محتوای کروم (۱۰.۵-۲۷٪) داشته باشند و از فولادهای حاوی کربن بالاتر نسبت به انواع آستنیتی استفاده کنند. این گروه کمتر انعطاف پذیر و سخت تر است، اما همچنان مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد و اغلب برای کاربردهای خودرو استفاده می شود. این فولادها نسبت به نمک کمتر واکنش نشان می دهند و عموماً در محیط های دریایی استفاده نمی شوند.
کاربردهای فولاد زنگ نزن
- لوازم و ظروف آشپزخانه:
- به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، فولاد زنگ نزن در ظروف آشپزخانه (مانند قابلمه‌ها و بشقاب‌ها) و لوازم خانگی (مانند یخچال و ماشین ظرف‌شویی) استفاده می‌شود.
- تجهیزات پزشکی:
- در ابزار جراحی و ایمپلنت‌ها، فولاد زنگ نزن به دلیل مقاومت در برابر استریلیزاسیون و سازگاری زیستی بالا، کاربرد دارد.
- صنعت خودرو:
- سیستم‌های اگزوز و مخازن سوخت خودروها از فولاد زنگ نزن برای مقاومت در برابر دما و خوردگی استفاده می‌کنند.
- صنعت ساختمان:
- از فولاد زنگ نزن برای ورق‌های پوشش‌دهنده ساختمان‌ها و لوله‌کشی استفاده می‌شود، زیرا مقاومت بالایی در برابر شرایط جوی و خوردگی دارد.
- صنعت هوافضا:
- فولاد زنگ نزن در قطعات توربین گازی و ارابه‌های فرود هواپیما برای تحمل دماهای بالا و شرایط سخت محیطی کاربرد دارد.
- صنایع شیمیایی و پتروشیمی:
- در مخازن شیمیایی و پمپ‌ها و شیرهای صنعتی برای مقاومت در برابر مواد شیمیایی و فشارهای بالا استفاده می‌شود.
- صنایع دریایی:
- فولاد زنگ نزن در اتصالات و لوازم موتور و لنگرها برای مقاومت در برابر محیط‌های مرطوب و شیمیایی در دریا کاربرد دارد.
- جواهرات:
- زیورآلات غیر گرانبها از فولاد زنگ نزن به دلیل ظاهر نقره‌ای و هزینه کمتر در مقایسه با فلزات گرانبها ساخته می‌شوند.
مزایای فولاد زنگ نزن
- مقاومت در برابر خوردگی: فولاد زنگ نزن به دلیل وجود کروم، در برابر خوردگی و زنگ زدگی مقاوم است، که آن را برای محیط‌های سخت مانند صنایع دریایی و شیمیایی مناسب می‌کند.
- دوام: این فولاد ماده‌ای قوی و بادوام است که توانایی تحمل تنش‌های بالا بدون شکست یا ترک را دارد.
- ظاهر زیبا: فولاد زنگ نزن ظاهری مدرن و بادوام به محصولات می‌دهد و نیاز به تعمیر و نگهداری ندارد.
- جوش پذیری: این فولادها به راحتی جوش می‌خورند و مونتاژ قطعات پیچیده را آسان می‌کنند.
- شکل پذیری: فولاد زنگ نزن به دلیل انعطاف‌پذیری بالا، امکان ساخت قطعات پیچیده برای کاربردهای مختلف را فراهم می‌کند.
معایب فولاد زنگ نزن
- هزینه: فولاد زنگ نزن معمولا گرانتر از فولاد کربنی یا آلومینیوم است.
- سختی: برخی گریدها به قدری سخت هستند که ماشین کاری یا شکل دادن به آنها دشوار می‌شود.
- تردی: برخی آلیاژها ممکن است در شرایط فشار بالا شکننده شوند.
- وزن: فولاد زنگ نزن دارای چگالی بالاست و در کاربردهایی که به وزن کم نیاز دارند، مناسب نیست.
- محیط: برخی گریدها در برابر خوردگی نمک مقاومت ضعیف‌تری دارند.
- دمای بالا و پایین: برخی از گریدها فقط برای دماهای خاص مناسب هستند و استفاده در شرایط دمایی شدید نیازمند دقت بالا است.
مقایسه فولاد زنگ نزن و فولاد معمولی
فولاد زنگ نزن یا استیل ضد زنگ به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، حرارت و شرایط نامطلوب محیطی، گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای طولانی‌مدت است. در حالی که قیمت ورق استیل و سایر مقاطع آن نسبت به فولادهای معمولی بالاتر است، اما به دلیل دوام بیشتر و هزینه‌های نگهداری کمتر، از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر خواهد بود.
فولاد معمولی، مانند میلگردهای فولادی با کربن معمولی، قیمت پایین‌تری دارد اما در معرض زنگ‌زدگی و خوردگی سریع‌تری قرار می‌گیرد. در مقابل، استیل زنگ نزن در برابر حرارت‌های بالا، مانند دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد، مقاوم بوده و در صنایع مختلف از جمله ساخت‌وساز، لوازم آشپزخانه و دکوراسیون داخلی کاربرد دارد.
همچنین، فولاد زنگ نزن به دلیل قابلیت بازیافت نزدیک به ۱۰۰ درصد، گزینه‌ای دوستدار محیط زیست محسوب می‌شود. افزودن عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل و مولیبدن، خواص این فولاد را بهبود می‌بخشد و آن را به انتخابی مناسب برای شرایط سخت محیطی تبدیل می‌کند.
