آهن زنگ نزن چیست؟
برای اینکه مفهوم آهن زنگ نزن قابل توصیف باشد ابتدا باید با سه مفهوم آهن، آلیاژ و فولاد آشنا شویم. آهن که به انگلیسی Ferrum نام دارد و با نماد شیمیایی Fe نشان داده می شود، نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷۸۷۴kg/m۳ است. آهن فلزی در نخستین دورهٔ فلزهای واسطه است و از دیدگاه جرم، بزرگترین عنصر سازندهٔ کرهٔ زمین است چرا که آهن اصلی ترین عنصر سازندهٔ هستهٔ بیرونی و درونی زمین و چهارمین عنصر متداول در پوسته است. آلیاژ (به فارسی : هم جوشه) مخلوط یا محلول “جامد فلزی” متشکل از یک فلز اصلی که آن را فلز پایه میگویند با یک یا چند عنصر فلزی یا غیر فلزی است. آلیاژ معمولاً خواصی متفاوت از عناصر تشکیل دهنده خود دارد. هدف از ساخت آلیاژ، تغییر و بهبود خواص ماده مانند استحکام، سختی و … است. اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن به کار برده می شود که بین ۰٫۰۰۲ تا ۲٫۱ درصد وزن آنها را کربن تشکیل داده باشد. بنابراین تعریف ها می توان توضیح داد آهن زنگ نزن، آلیاژی از آهن است که برخلاف خود آن که سریع زنگ می زند، زنگ نمی زند. یعنی آهن زنگ نزن، فولاد ضد زنگ است که به انگلیسی Stainless Steel نام دارد.
خواص فولاد بر اساس درصد کربن، عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی قابل کنترل است. برای ساختن فولاد، دو روش عمده وجود دارد. روش اول استفاده از آهن اسفنجی و کورههای قوس الکتریکی برای ذوب آهن اسفنجی و سپس آلیاژسازی است. روش دوم استفاده از آهن خام (آهن تولید شده در فرایند احیای غیرمستقیم) و سوزاندن کربن اضافی آن است. طی این فرایند میزان کربن آهن خام از بازهٔ ۵٫۳ تا ۶ به ۲٫۰ تا ۱٫۵ درصد وزنی کاهش مییابد، سپس عناصر دیگر در آن افزوده می شوند تا ترکیب مورد نظر بدست آید. استحکام فولاد با میزان کربن محلول به شدت افزایش مییابد، اگر چه این افزایش استحکام با کاهش جوش پذیری و افزایش احتمال شکست ترد همراه است. استحکام فولادهای فریتی (فرومغناطیس) رابطه معکوسی با شکل پذیری دارد. تلفیق استحکام و شکل پذیری با پایدارسازی فاز آستنیت (پارامغناطیس) در فولادهای مدرن چندفازی قابل بهبود است.
فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل 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 آهن و کربن به علاوه حداقل ۱۱ درصد کروم هستند که عامل اصلی مقاومت به خوردگی آنها است و پرمصرف ترین آنها ۱٫۴۰۱۶ میباشد. استفاده از آلیاژهایی با کروم پائین در مواردی 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.
کاربرد آهن زنگ نزن چیست؟
استنلس استیل یا همان فولاد ضد زنگ کاربردهای بسیار متفاوت و متنوعی دارد. یکی از این موارد که اکثر خانوادهها از آن استفاده میکنند و شاید خودشان از این موضوع مطلع نباشند، سینک ظرفشویی است. در اکثر سینکهای ظرفشویی که امروزه در جهان بسیار کاربرد دارد از استنلس استیل استفاده شدهاست. این فولاد ضد زنگ باعث میشود تا سینک ظرفشویی که همیشه در مجاورت آب است به هیچ عنوان زنگ نزند و فرم اولیه خود را از دست ندهد همچنین زیبایی و درخشندگی خاصی به سینکها میبخشد تا محیط آشپزخانه از یکنواختی خود خارج شود.
انواع آهن زنگ نزن
- 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 آهن ربایی دارد
- 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٪
- دارای خاصیت آهن ربایی
- استنلس مارتنزیت
- آلیاژآهن – کروم با کربن بالای ۰۱٪
- دارای خاصیت آهن ربایی
- سختی پذیر
- استیل دوپلکس (Super Duplex stainless steel)
- آلیاژ آهن-کروم و نیکل با ساختمانی از ترکیب استیل های مغناطیسی و غیر مغناطیسی
- دارای خاصیت آهن ربایی
آلیاژهای فولاد زنگ نزن (آهن زنگ نزن) به علت داشتن مقاومت بالا نسبت خوردگی، یکی از پر کاربردترین مواد در مهندسی هستند. این مقاومت به دلیل وجود مقدار زیادی کروم در آنها است :
- مقدار کم کروم، مثلاً ۵٪، مقاومت به خوردگی آهن را مقداری افزایش میدهد
- برای رسیدن به فولاد زنگ نزن، حداقل ۱۲Cr% نیاز است.
برابر با نظریه های کلاسیک، کروم با تشکیل یک لایه اکسید سطحی که لایه های 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 محیط های خنثی یا اکسید کننده ضعیف افزایش میبخشد اما قیمت آنها را نیز افزایش میدهد. همچنین مقدار کافی نیکل قابلیت انعطاف پذیری و شکل پذیری 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 یون های 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.آلیاژهای مهم فولادهای زنگ نزن بر مبنای عنصر آلیاژی که به آن افزوده شده است به صورت زیر میباشد :
- آلیاژهای آهن – کروم
- آلیاژهای آهن – کروم ـ کربن
- آلیاژهای آهن – کروم – نیکل – کربن
فولادهای زنگ نزن بر اساس ساختار متالورژیکی و ترکیب شیمیایی، به صورت زیر تقسیم میشوند:
- فولاد زنگ نزن فریتی
- فولاد زنگ نزن مارتنزیتی
- فولاد زنگ نزن آستنیتی
- فولاد زنگ نزن آستنیتی – فریتی (دوفازی)
- فولاد زنگ نزن رسوب سختی
استیل های سری ۳۰۰
رایجترین نوع فولاد ضد زنگ (آهن زنگ نزن) استیل های 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 رایج تر است. استیل ۳۰۴ و تعداد دیگری از استیل های 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 استیل ها 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.