بارها و بارها با این ماده به شکلهای گوناگون مواجه شدهاید! گاهی محو زیبایی آن در آشپزخانهتان شدهاید و گاهی هم از درخشش و جلای آن در اتاقک آسانسور به وجد آمدهاید! اگر هم که یک مهندس باشید، قطعا آنها را در تجهیزات مختلف صنعتی، کارگاهی یا آزمایشگاهی که مقاومت به زنگزدگی و خوردگی در آنها حرف اول را میزند مشاهده کردهاید. بله در مورد فولاد زنگ نزن یا استیل صحبت میکنیم! آلیاژی که دنیا را متحول کرد و مجموعهای از خواص برتر را ارائه داد که بعید است بتوانید در متریالهای مشابه آنها را بیابید. با ما همراه باشید تا با این آلیاژ شگفتانگیز بیشتر آشنا شویم.
آهن زنگ نزن یا استیل چیست؟
آهن زنگ نزن یا استنلس استیل (Stainless Steel) که بهاختصار به آن استیل نیز میگویند، آلیاژی از آهن و کربن همراه با حداقل 10.5% کروم و مقدار قابلتوجهی نیکل و عناصر آلیاژی دیگر است که آنها را با مقاومت به خوردگی بینظیرشان به یاد میآوریم.
در اینجا با یک تناقض روبهرو میشویم و آنهم به کار بردن واژه “استیل” برای فولادهای ضد زنگ است. به عبارتی، اصطلاح استیل (Steel) به معنای فولاد معمولی یا فولاد کربنی است و با فولاد ضد زنگ تفاوت دارد. پس چرا این واژه را برای آن به کار میبرند؟
در پاسخ باید گفت که این اصطلاحات بازاری بوده و از قدیمالایام بین فعالان حوزه آهنآلات و بازاریان رواج داشته است. بنابراین لازم است با این موارد آشنا شوید تا هنگام خرید دچار سو تفاهم یا ثبت سفارش خرید اشتباه نشوید.
اصطلاحات استاندارد و علمی مورداستفاده در حوزه آهنآلات به شرح زیر است:
- آهن: آهن خالص با نماد Fe و نام Iron
- فولاد: آلیاژی از آهن و کربن (تا 2 درصد کربن) و نام Steel
- فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل: آلیاژی از آهن، کربن، کروم، نیکل و… با نام Stainless Steel
اما در بازار ایران، این اصطلاحات متفاوت بوده و به شیوه زیر بیان میشوند:
- آهن: تمامی مقاطع فولاد کربنی اعم از ساختمانی یا صنعتی و به هر شکل (میلگرد، تیرآهن، ورق، لوله، و…)
- آهن زنگ نزن یا استیل: تمامی مقاطع فولاد ضد زنگ ساختمانی یا صنعتی
تفاوت فولاد و استیل
حال که با تعریف فولاد زنگ نزن آشنا شدیم، نوبت به بررسی تفاوت آن با فولاد میرسد. مهمترین تفاوت فولاد و استیل عبارت است از:
- فولاد آلیاژی از آهن و کربن و مقدار بسیار کم از عناصر آلیاژی دیگر است اما استیل علاوه بر آهن و کربن از مقدار زیادی کروم، نیکل، مولیبدن و… در ترکیب شیمیایی خود بهره میبرد.
- مقاومت به زنگزدگی و خوردگی استیل بسیار بیشتر از فولاد است.
- استیل قادر است دمای کاری بالاتر و شرایط محیطی سختتری را نسبت به فولاد تحمل کند.
- استیل سطح تمامشده براق و صیقلی دارد درحالیکه اغلب محصولات فولادی سطح کدر و غیر صیقلی دارند.
- قیمت استیل بسیار گرانتر از قیمت فولاد است.
استانداردهای فولاد ضد زنگ
استانداردها یک زبان مشترک برای سنجش کیفیت محصولات مختلف و فرآیندها هستند که در ابعاد کارخانهای، ملی، منطقهای و جهانی تعریف میشوند. مهمترین استانداردهای فولاد ضد زنگ برای محصولات ورق استیل، لوله و… شامل موارد زیر میشوند:
- استاندارد ASTM شامل A240، A276، A312، A213 و A554
- استاندارد EN/BS با شمارههای 10088، ، 10216 و 10297
- استاندارد DIN شامل شمارههای 17440، 17456 و 2462
- استاندارد JS با کدهای G4304، G4305، G3459، G3463 و G4303
انواع گریدهای استیل
معیارهای متفاوتی برای طبقهبندی انواع آهن زنگ نزن وجود دارد که مهمترین آن، تمایز آنها ازنظر ریزساختاری است. بر این اساس، انواع استیل عبارتاند از:
- فریتی با شماره گرید سری 4xx
- آستنیتی با شماره گرید سری 2xx و 3xx
- دوفازی یا Duplex (فریتی-آستنیتی)
- مارتنزیتی با شماره گرید سری 4xx
- رسوب سخت شونده (PH)
استیل فریتی
استیل فریتی را با خاصیت مغناطیسی آن میشناسیم و اصطلاحاً به آنها استیل بگیر گفته میشود. ساختار آنها BCC است و فاقد نیکل هستند. ازجمله خواص فولاد زنگ نزن فریتی میتوان به مقاومت متوسط در برابر خوردگی، سختی و استحکام مناسب و عدم قابلیت سختکاری با عملیات حرارتی اشاره کرد.
استیل آستنیتی
همانند نوع فریتی، استیل آستنیتی هم قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی ندارد و تنها میتوان آن را آنیل کرد. استیل آستنیتی حاوی ساختار FCC است و جذب آهنربا هم نمیشود؛ به همین دلیل به آن استیل نگیر گفته میشود. مهمترین ویژگیهای آهن زنگ نزن آستنیتی مقاومت عالی در برابر خوردگی و اکسیداسیون، شکلپذیری و جوشپذیری مناسب است.
استیل دوفازی
استیل دوفازی ریزساختار ترکیبی از فریت و آستنیت را ارائه میدهد و عمدتا بهصورت مغناطیسی است. استحکام آن نیز تا دو برابر نوع آستنیتی است و مقاومت بسیارخوبی در برابر خوردگی مخصوصاً از نوع حفرهای و تنشی از خود نشان میدهد.
استیل مارتنزیتی
استیل مارتنزیتی با ساختار BCT نوعی فولاد ضد زنگ مغناطیسی است که میتوان آن را با عملیات حرارتی سخت کرد. مقاومت به خوردگی آهن زنگ نزن آستنیتی کمتر از انواع فریتی و آستنیتی است.
استیل رسوب سخت شونده
استیل رسوب سخت شونده از بالاترین میزان استحکام در میان انواع استیل برخوردار است و قادر است این استحکام بالا را با حفظ نسبی شکلپذیری ارائه دهد. ریزساختار استیل PH بر اساس شرایط آنیل ممکن است حاوی آستنیت، فریت یا مارتنزیت باشد.
مهمترین گریدهای استیل
کاربردها و شرایط کاری مختلف، گریدهای متفاوتی از آهن زنگ نزن را میطلبند. برخی محیطها از میزان خورندگی بالاتری برخوردارند، برخی تحت بارهای مکانیکی شدیدتر قرار دارند و برخی دیگر نیز دمای سرویس بالایی دارند. برای این محیطهای متفاوت، لازم است تا از فولاد زنگ نزن مناسبی که خواص و ویژگیهای متناسبی با شرایط حاکم بر سرویس ارائه میدهد استفاده شود. جدول زیر مهمترین گریدهای استیل را در استانداردهای مختلف نشان میدهد. این جدول برای یافتن معادل گریدهای مختلف استیل در استانداردهای مختلف کارایی دارد.
مشخصات و خواص فولاد ضد زنگ
برای اینکه انتخاب درستی داشته باشید و بهترین محصول فولاد ضد زنگ را متناسب با نیاز خود خریداری کنید، لازم است تا با خواص و مشخصات آنها بهطور کامل آشنا شوید.
مقاومت به خوردگی
اولین و مهمترین ویژگی فولادهای ضد زنگ، مقاومت عالی آنها در برابر عوامل خورنده و زنگزدگی است. هرچند که گریدهای متفاوت استیل، سطوح متفاوتی از مقاومت به خوردگی را ارائه میدهند که باید بر اساس شرایط محیطی و نوع ماده خورنده موجود، انتخاب شوند.
استیل 304 در کاربردهای معمولی از ظروف و تجهیزات آشپزخانه گرفته تا ساخت برخی مخازن و در مواجهه با رطوبت کم یا اسیدهای ضعیف گزینهای بسیار منطقی است؛ چراکه مقاومت به خوردگی بسیار خوبی را همراه با قیمت مقرونبهصرفه ارائه میدهد.
وقتی شدت خورندگی محیط افزایش یابد، باید به سراغ استیل 316 بروید. این گرید به دلیل برخورداری از مولیبدن بیشتر، دمای بالاتری را هم تحمل میکند. همچنین، اگر پای خوردگی حفرهای یا تنشی در میان است، باید به سراغ استیل داپلکس بروید و گریدهای 2507 یا 2205 را انتخاب نمایید.
مقاومت حرارتی
استیلهای 304 و 316 در حالت معمولی یا کمکربن (L)، قادرند بهخوبی در سرویسهای پیوسته تا 870 درجه سانتیگراد را تحمل کنند. اما برای کاربردهایی مانند کورههای صنعتی، اگزوزها و مبدلهای حرارتی که درجه حرارت در آنها بالاتر است (تا 1100 درجه سانتیگراد دمای کاری پیوسته)، چارهای جز انتخاب گریدهای 309S و 310S ندارید.
سختی و استحکام
بهطورکلی فولادهای ضد زنگ سختی و استحکام مناسبی دارند اما برخی قطعات همچون ابزارهای برش، فنرها و سازههای صنعتی نیازمند سختی و استحکام بسیار بالاتر هستند. در چنین مواردی، فولاد ضد زنگ رسوب سخت شونده (Precipitation Hardening) یا بهاختصار PH بهترین گزینه است. گریدهای 4-17 و 5-15 برای این منظور ایدهآل هستند.
چگالی استیل
با اینکه خواص شیمیایی، حرارتی و مکانیکی محصولات آهن زنگ نزن اهمیت بالایی دارند، اما نباید از اهمیت وزن آنها غافل شد. برای محاسبه وزن استیل نیز به چگالی آن نیاز است. چگالی استیل در گریدهای مختلف به شرح زیر است:
- چگالی استیل 304، 304L و 304H برابر با 7.9 گرم بر سانتیمتر مکعب
- چگالی استیل 316 و 316L برابر با 8 گرم بر سانتیمتر مکعب
- چگالی استیل 309S حدود 7.9 تا 8 گرم بر سانتیمتر مکعب
- چگالی استیل 310S حدود 7.9 تا 8 گرم بر سانتیمتر مکعب
- چگالی استیل 420 حدود 7.7 تا 7.8 گرم بر سانتیمتر مکعب
- چگالی استیل 430 حدود 7.7 تا 7.8 گرم بر سانتیمتر مکعب
- چگالی استیل داپلکس 2507 برابر با 7.8 گرم بر سانتیمتر مکعب
- چگالی استیل داپلکس 2205 حدود 7.8 تا 7.9 گرم بر سانتیمتر مکعب
- چگالی استیل 4-17 رسوب سخت شونده حدود 7.7 تا 7.8 گرم بر سانتیمتر مکعب
دمای ذوب استیل
دمای ذوب استیل در گریدهای مهم و پرکاربرد به شرح زیر است:
- دمای ذوب استیل 304 حدود 1400 تا 1450 درجه سانتیگراد
- دمای ذوب استیل 304L حدود 1390 تا 1440 درجه سانتیگراد
- دمای ذوب استیل 316 حدود 1370 تا 1400 درجه سانتیگراد
- دمای ذوب استیل 316L حدود 1365 تا 1390 درجه سانتیگراد
- دمای ذوب استیل 309S حدود 1365 تا 1400 درجه سانتیگراد
- دمای ذوب استیل 310S حدود 1390 تا 1440 درجه سانتیگراد
- دمای ذوب استیل 420 حدود 1480 تا 1530 درجه سانتیگراد
- دمای ذوب استیل 430 حدود 1425 تا 1510 درجه سانتیگراد
- دمای ذوب استیل 4-17 رسوب سخت شونده حدود 1400 تا 1440 درجه سانتیگراد
عملیات حرارتی انواع فولاد ضد زنگ
بحث مربوط به عملیات حرارتی آهن زنگ نزن موضوع بسیار مهمی است که باید قبل از نهایی کردن خرید محصولات استیل حتماً بررسی شود. چراکه برخی شرایط کاربردی نیازمند استفاده از قطعاتی هستند که برای دستیابی به خواص مورد انتظار در آنها باید عملیات حرارتیهای مختلفی را روی محصولات انجام دهید.
عملیات حرارتی استیل آستنیتی
این گروه از فولادهای ضد زنگ قابلیت سختکاری با عملیات حرارتی ندارند و فقط از طریق نورد میتوان سختی و استحکام آنها را افزایش داد. گریدهای 304، 316، 310، 321، 304L و 316L در این دسته جای میگیرند.
عملیات حرارتی آنیل محلولی بهمنظور حل کردن کاربیدها و یکنواخت سازی ساختار در استیل آستنیتی در محدوده دمایی 1040 تا 1100 درجه سانتیگراد و سپس کوئنچ در آب یا هوا انجام میشود.
همچنین، عملیات حرارتی تنشزدایی این گروه استیل در محدوده 400 تا 450 درجه سانتیگراد برای کاهش تنشهای داخلی صورت میگیرد. دقت شود که تنشزدایی استیل آستنیتی نباید در بازه 450 تا 850 درجه سانتیگراد انجام شود چراکه این محدوده دمایی خطر تشکیل کاربید کروم را به همراه دارد.
عملیات حرارتی استیل فریتی
همانند گروه آستنیتی، استیلهای فریتی هم قابلیت سختکاری با عملیات حرارتی را ندارند و برای افزایش سختی آنها باید از فرآیند نورد استفاده کرد. این گروه شامل گریدهای 430، 409 و 446 میشوند.
بهمنظور انجام عملیات حرارتی آنیل کامل در استیلهای فریتی باید حرارت دهی در محدوده 760 تا 815 درجه سانتیگراد و سردسازی در هوا انجام شود تا چقرمگی و شکلپذیری بازگردانی شوند. عملیات تنشزدایی نیز در محدوده دمایی 400 تا 600 درجه سانتیگراد برای آنها قابل انجام است.
عملیات حرارتی استیل مارتنزیتی
فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی دارای قابلیت سختکاری از طریق عملیات حرارتی هستند. معروفترین گریدهای این دسته شامل 410، 420 و 440C میشوند. بهمنظور سختکاری استیل مارتنزیتی باید آنها را تا 950 یا 1050 درجه سانتیگراد حرارت دهید و سپس در هوا، آب یا روغن کوئنچ نمایید. پس از سختکاری نیز بهمنظور کاهش تردی، عملیات تمپر کردن یا بازپخت را در محدوده دمایی 150 تا 400 درجه سانتیگراد انجام دهید. عملیات آنیل کامل استیل مارتنزیتی با هدف بهبود قابلیت ماشینکاری در محدوده 815 تا 900 درجه سانتیگراد و سپس سرد کردن آهسته در کوره انجام میشود.
عملیات حرارتی استیل داپلکس
برای استیل داپلکس تنها عملیات آنیل محلولی قابل انجام است. این کار بهمنظور حفظ تعادل فازی و جلوگیری از تشکیل فازهای مضر در بازه دمایی 1020 تا 1100 درجه سانتیگراد و سپس کوئنچ در آب قابل انجام است. لازم به ذکر است برای استیل داپلکس به دلیل احتمال تشکیل فازهای بین فلزی مانند سیگما، عملیات تنشزدایی بهطورکلی انجام نمیشود.
عملیات حرارتی استیل رسوب سخت شونده
سختکاری استیل رسوب سخت شونده از طریق عملیات پیرسازی (Aging) صورت میگیرد. این عملیات معمولاً در دمای 1020 تا 1050 درجه سانتیگراد و سپس پیرسازی در محدوده 480 درجه سانتیگراد با هدف ایجاد رسوبات سختکننده انجام میشود. قبل از پیرسازی نیز میتوان برای یکنواخت کردن از آنیل محلولی استفاده کرد. دقت شود که برای این نوع استیل عملیات تمپر یا بازپخت انجام نمیشود چون پیرسازی جایگزین آن است.
آیا استیل زنگ می زند؟
بااینکه فولادهای ضد زنگ برای استفاده در محیطهای مرطوب و خورنده طراحیشدهاند، اما اگر برخی پارامترها هنگام استفاده از آنها بهخوبی رعایت نشوند، ممکن است استیل زنگ بزند. اولین و مهمترین عامل به ترکیب شیمیایی استیل و عدم همخوانی گرید انتخابشده برای کاربرد موردنظر با شرایط محیطی مربوط میشود. دومین عامل، میزان خورندگی محیط است. مثلاً استیل 304 در مواجهه طولانیمدت با کلریدها، مقاومت خود را از دست میدهد. در چنین شرایطی باید از استیل 316 استفاده شود.
کاربردهای آهن زنگ نزن
مهمترین کاربردهای آهن زنگ نزن عبارتاند از:
- ساخت لوازمخانگی و آشپزخانه و نمای سازهها
- ساخت مخازن ذخیره مواد شیمیایی، مبدلهای حرارتی، راکتورها
- ساخت تجهیزات فرآوری مواد غذایی و دارویی
- ابزارهای جراحی و پزشکی و تجهیزات بیمارستانی
- ساخت دیگهای بخار، تجهیزات تحتفشار و تجهیزات کورههای صنعتی
- ساخت انواع مقاطع ساختمانی و صنعتی از میلگرد تا ورق و لوله استیل
- ساخت اشیا تزئینی و زیورآلات استیل
موقع خرید چطور میشه بین انواع گریدهای استنلس استیل انتخاب درستی داشته باشیم که هم کیفیت خوب باشه هم قیمت مناسب؟
درود. برای خرید از بین انواع گریدهای استیل ضد زنگ اول باید به نوع کاربرد و شرایط سرویس مدنظر توجه کنید و از فروشندگان معتبر که صاحب بار هستند خرید کنید.