استیل ضد زنگ، آلیاژی بی همتا در صنعت | گروه صبا تولید و تامین لوله و پروفیل صنعتی

سرانه مصرف استیل ضد زنگ سالایه چیزی در حدود 5% افزایش می‌یابد. در سال 2019 بیش از 52 میلیون تن استیل در سرتاسر جهان برای تولید انواع محصولات از جمله لوله و پروفیل مورد استفاده قرار گرفته است. گرچه قیمت استیل در مقایسه با سایر آلیاژهای آهن بیشتر است اما خواص خوب آن باعث افزایش طول عمر و کاهش هزینه چرخه می‌شود که در نتیجه هزینه‌های اولیه زیاد آن را طی زمان جبران می‌کند. در این مقاله سعی داریم با نگاهی عمیق‌تر به بررسی خواص و ویژگی‌های این فلز که موجب محبوبیت آن در صنایع گوناگون شده، بپردازیم.

استیل ضد زنگ یا استنلس استیل چیست؟

استیل ضد زنگ (به انگلیسی Stainless steels) یا استنلس استیل،  آلیاژی از آهن با حداکثر 2.1% کربن و 10.5% کروم است. گروهی متشکل از 200 نوع آلیاژ که مقاومت خوبی دربرابر حرارت و زنگ‌زدگی دارد. کروم موجود در ترکیبات استیل ویژگی متمایزکننده آن می‌باشد. استیل با وجود کروم در ترکیباتش استحکام و مقاومت خوبی دربرابر زنگ‌زدگی به دست می‌آورد.

در معرض هوا، کروم در ترکیب با اکسیژن و با تولید کروم اکسید لایه‌ای واکنش‌ناپذیر دربرابر اکسایش ایجاد می‌کند. لایه‌ی کروم اکسید بسیار منسجم بوده و اجازه‌ی نفوذ اکسیژن به لایه‌های زیرین و ترکیب آن با آهن را نمی‌دهد. درنتیجه این لایه همانند یک سپر دربرابر خوردگی عمل کرده و آلیاژ را مقاوم می‌کند. این مکانیسم باعث می‌شود استیل در شرایط کاری معمول برای مدت طولانی بدون آسیب و خوردگی باقی‌بماند.

فواید استیل ضد زنگ

طی 70 سال گذشته، با بهبود کیفیت فولاد ضد زنگ، کاربرد این آلیاژ نیز در صنایع گوناگون افزایش چشم‌گیری پیدا کرده است. گسترش بازار مصرف و افزایش تقاضا، افزایش تولید و کاهش قیمت‌ها را در پی داشته است. همچنین افزایش تقاضا باعث شده انواع پروفیل استیل در سایزهای استاندارد و غیر استاندارد با انواع سطوح طرح‌دار و رنگی هم موجود باشد. این ویزگی‌ها باعث می‌شود یافتن گزینه مناسب برای همه امکان‌پذیر باشد.

استیل به واسطه‌ی مقاومت خوبی که دربرابر زنگ و خوردگی دارد برای مدت زمان طولانی بدون آسیب قابل استفاده است، به علاوه‌ی این که 100% قابل بازیافت هم هست. این دو ویژگی استیل را به ماده‌ای مقرون‌به‌صرفه تبدیل کرده که هم برای طولانی مدت قابل استفاده است و هم بعد پایان عمر مفید با بازیافت بخشی از سرمایه اولیه را برگردانده و جبران می‌کند. امروزه نیمی از محصولات استیل از نمونه‌های بازیافتی تولید می‌شود. این امر همچنین باعث شده استیل فلزی سبز و سازگار با محیط زیست باشد.

موارد مصرف استیل ضد زنگ

امروز موارد مصرف استیل به یک یا دو مورد محدود نمی‌شود و در انواع صنایع سبک و سنگین کاربرد دارد. کاربرد این فلز در صنایع مختلف بسیار متفاوت است. از ساخت قطعات کوچک ساعت‌های مچی تا پنل‌های بزرگ که سطح آن‌ها پرداخت شده و کل سطح یک ساختمان را می‌پوشانند.

استیل ضدزنگ ماده‌ای به شدت تطبیق‌پذیر است. ویژگی اصلی و مهم‌ترین خاصیت آن‌ها مقاومت دربرابر زنگ‌زدگی و فرسایش می‌باشد به همین خاطر اولین و مهم‌ترین مورد مصرف آن بعد از صنایع شیمیایی، ساخت و تولید قاشق و چنگال بوده که مدام در معرض آب و رطوبت قرار دارد.

چند نمونه از صنایعی که به‌طور گسترده از استیل استفاده می‌کنند:

1. دستگاه‌ها فرآوری مواد غذایی
2. ظروف و کابیت آشپزخانه‌های صنعتی
3. کارخانه‌های تولید مواد شیمیایی و دارویی
4. ساخت تجهیزات و ابزار پزشکی
5. معماری و ساخت‌و‌ساز
6. لوازم خانگی
7. صنایع دریایی و کشتی‌سازی
8. صنایع خودروسازی
9. انرژی و صنایع
10. دستگاه‌های نساجی
11. تجهیزات تصفیه خانه‌های آب
12. تجهیزات فرآوری نفت و گاز

انواع استیل ضدزنگ

انواع رده‌های لوله استیل باتوجه به درصد عناصر آلیاژی موجود در ترکیباتشان خواص و مقاومت متفاوتی دربرابر زنگ‌زدگی و پوسیدگی دارند. بسته به مقاومت مورد نیاز در محیط، تولیدکننده می‌تواند استیل و رده‌ی خاص خود را انتخاب و استفاده کند. براساس ریز ذرات موجود در ترکیبات آلیاژ می‌توان آن‌ها را به 5 دسته اصلی تقسیم کرد.

استیل آستنیتی

آستنیت محلول جامدی از آهن و کربن و ریزذره‌ی اصلی آستنیت است که در دمایی بالاتر از دمای بحرانی 723 درجه سانتی‌گراد به وجود میاید. تثبیت‌کننده‌های آستنیتی عواملی‌اند که برای ایجاد ریزساختارهای آستنیتیی به آلیاژ افزوده می‌شوند. ساختار کریستالی استیل آستنیتی به گونه‌ای است که استیل را غیرمغناطیسی کرده و اجازه‌ی سخت‌شدن آن با عملیات حرارتی را نمی‌دهد گرچه این رده خود بسیار محکم هستند و مقاومت خوبی در دماهای بالا دارند اما باید به این نکته توجه داشت که مقاومت استیل‌های آستنیتی دربرابر زنگ، پوسیدگی و خوردگی به شرایط محیطی بستگی دارد. 70% از استیل ضدزنگ تولیدی و موجود در بازار از نوع آستنیتی است که حاوی حداقل 16%کروم و 6% نیکل‌اند.

استیل فریتی

این نوع استیل با دو ویژگی اصلی شناخته می‌شود. 1. درصد کروم ترکیبات آن بالا است 2. مقاومت آن با فرآوری بهبود پیدا نمی‌کند.

کروم موجود در ترکیبات آلیاژی استیل فریتی رنجی بین 10.5 تا 30 درصد و ترکیبات کربن آن کمتر از 0.20 درصد است. این نوع استیل مقاومتی عادی و ساخت ضعیفی دارند که عملیات حرارتی هم کمکی به سخت‌تر شدنشان نمی‌کند. در مجموع توانایی ساخت بهتری نسبت به رده‌ی آستینی دارند و برخلاف آن رده، خاصیت مغناطیسی و ضدزنگی هم دارند.

استیل دوبلکس

استیل دوبلکس ترکیبی از استیل آستنیتی و فریتی، با کروم زیاد و نیکل کم است به همین خاطر بهره‌مند از خواص بی‌نظیر هر دو ترکیب است. قدرت کششی بالا و قابلیت جوش‌پذیری خوبی دارد، در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی بسیار مقاوم است اما در این زمینه به نسبت رده‌ی فریتی، ضعیف‌تر عمل می‌کند. از نظر سختی بالاتر از رده‌ی فریتی و پایین‌تر از رده‌ی آستنیتی قرار می‌گیرد.

استیل مارتنزیتی

درصد کربن این نوع استیل بیشتر و کروم آن کمتر است و همچون رده‌ی فریتی خاصیت مغناطیسی دارد. در مقایسه با سایر رده‌ها قابلیت جوش‌پذیری کمتری دارد اما مقاومتی بالا که با عملیات حرارتی می‌تواند بهتر هم بشود. استیل مارتنزیتی با میزان کروم و عناصر آلیاژی مشابه در مقایسه با رده‌های آستینی و فریتی مقاومت کمتری دربرابر زنگ‌زدگی از خود نشان می‌دهد.

استیل سخت شده

خواص این گروه ترکیبی از خواص استیل‌های مارتنزیتی و آستینی می‌باشد. سخت‌شدگی آن با افزودن یک یا چند عنصر مثل آلومینیوم، مولیبدن، نیوبیوم، تیتانیوم و مس ایجاد می‌شود. همچنین با عملیات حرارتی می‌توان استحکام کششی بالایی در آن ایجاد کرد. دارای کروم و نیکل به عنوان عناصر آلیاژی است. این رده‌ها در تجهیزات با سرعت بالا مثل پره‌های توربین کاربرد دارد.

رده‌های استیل ضدزنگ

امروزه صدها رده‌ی مختلف از استیل در بازار موجود است. انتخاب درست‌ترین گزینه برای مصرف، بستگی به خواص و ویژگی مدنظر مصرف‌کننده دارد. برای شناسایی و نام‌گذاری انواع این رده‌ها در صنعت از سیستم (AISI) استفاده می‌شود. به منظور نام‌گذاری در این سیستم از اعداد 3 رقمی که با 2 ، 3 یا 4 شروع می‌شوند، استفاده می‌کنند. در ادامه در مورد خواص و ویزگی سه رده‌ی اصلی این نوع سیستم نام‌گذاری توضیح خواهیم داد.

سری 200

از این سری برای نام‌گذاری رده‌ی آستینی که حاوی منگنز است، استفاده می‌شود. در ترکیبات آلیاژی این سری، نیکل درصد بسیار کمی دارد. از سری 200 برای ساخت ماشین لباسشویی، کارد و چنگال، تجهیزات خوراکی و نوشیدنی، صنایع خودروسازی، تجهیزات خانگی و … استفاده می‌شود.

سری 300

از این سری برای نام‌گذاری رده‌ی آستینی با کربن، نیکل و مولیبدن به‌عنوان عناصر آلیاژی استفاده می‌شود. مقدار بیشتری از مولیبدن، مقاومت در برابر زنگ‌زدگی را در محیط‌های اسیدی افزایش می‌دهد در حالی که نیکل قابلیت شکل‌پذیری آن را بهبود می‌بخشد. AISI 304,316 رده‌های معمول‌تری در این سری هستند.  AISI 304 در صنعت با نام 8/18 شناخته می‌شود چرا که حاوی 18% کروم و 8% نیکل است. سری 300 در صنایع تولید‌کننده خوراکی و نوشیدنی، صنایع خودرو‌سازی، ساخت سازه‌های مقاوم، ابزار پزشکی، جواهرات و … کاربرد دارد.

سری 400

آلیاژهای فریتی و مارتنزیتی متعلق به این سری هستند. امکان انجام عملیات حرارتی برای این سری وجود دارد و ترکیب خوبی از قدرت و مقاومت در برابر فرسایش ارائه می‌دهد اما مقاومت آن در برابر زنگ‌زدگی کمتر از سری 300 است. سری 400 برای ساخت توربین‌های گازی، ابزار کشاورزی و … کاربرد دارد.

خواص فنی استیل ضد زنگ

استحکام تسلیم

بسته به نوع رده، استیل ممکن است استحکام بالا و افزایش طول کم یا خواصی برعکس داشته باشد. استحکام تسلیم ورق استیل به قدری بالا است که قابل مقایسه با ورق سیاه است.

استحکام در دمای بالا

در دمای بالا، استیل در مقایسه با استیل، عملکرد بسیار بهتری دارد و به خاطر ضریب استحکام خوبش در دمای بالای 500 درجه سانتی‌گراد مقاومت بهتری هم نشان می‌دهد. در دماهای بالاتر از 300 درجه سانتی‌گراد هم استحکام بهتری به نسبت استیل دارند.

مقاومت کششی

مقاومت کششی لوله استیل و یا پروفیل استیل بسیار بهتر از موادی چون آلومینیوم، برنج و استیل است. بهترین مقاومت کششی در رده‌ی سخت‌شده و مارتنزیتی دیده می‌شود. این رده‌ها استحکام کششی دوبرابر در مقایسه با رده‌های 304 و 316 دارند. استیل دوبلکس، به طور خاص، استحکام و قابلیت چکش خواری بالایی دارد.

مقاومت برودتی

اکثر رده‌های استیل در طیف وسیعی از دماها، عملکرد خوبی از خود نشان می‌دهند. استیل آستنیتی، سختی و مقاومت کششی بالایی در دما زیر صفر دارد که این کاربرد آنها را به طور قابل ملاحظه‌ای گسترش می‌دهد و آن‌ها را تبدیل به گزینه‌ی مناسبی برای ساخت سازه‌های مدرن می‌کند. از طرف دیگر، رده‌های فریتی، مارتنزیتیو سخت‌شده در دما پایین به خوبی عمل نمی‌کنند، چرا که سختی آنها با کاهش دما افت می‌کند.

قابلیت چکش خواری

چکش‌خواری استیل در رده‌های مختلف می‌تواند کاملا متفاوت باشد. برخی از رده‌ها خاصیت شکل‌پذیری خوبی دارند که گزینه‌ای مناسب برای انجام عملیات کشش هستند.

نرخ سخت‌شوندگی

این ویژگی به توانایی فلز در افزایش استحکام و قدرتش طی فرآیند نورد سرد بستگی دارد. برای رسیدن به استحکام مورد نظر می‌توان عملیات سرد یا گرم‌کاری روی آنها انجام داد. این به این معنا است که یک رده از استیل با تغییر استحکام می‌تواند در زمینه‌های متفاوتی کاربرد داشته باشد. برای مثال با انجام عملیات سردکاری و آنیل می‌توان از یک رده خاص، هم در ساخت فنر و هم در ساخت مفتول استفاده کرد.

رسانایی الکتریکی و مغناطیس

مثل همه ی فلزها، استیل هم رسانای الکتریکی است. اما این توانایی در آنها بسیار کم است. برای ایجاد ایمنی و محافظت از ابزارهای الکتریکی که در معرض خوردگی و رطوبت قرار دارند، از پوشش‌هایی از جنس استیل استفاده شود. تمام سری‌های استیل دارای خاصیت مغناطیسی هستند به جز سری آستینی که با نورد سرد می‌توان در آن این خاصیت را القا کرد.

خواص شیمیایی استیل ضدزنگ

این خواص شیمیایی ویژه‌ی استیل است که آن را به ماده‌ای خاص و منحصر به فرد تبدیل کرده است.

مقاومت اکسایش بالا

این ویژگی خاص از استیل آن را مناسب ساخت بسیاری از ابزارهای صنعتی کرده است. کروم درون این آلیاژ باعث می‌شود در مقابل اکسایش مقاوم خوبی داشته باشد. در برخی رده ها درصد کروم میتواند بالاتر از 26% هم باشد. سایر فلزها با روکش و یا رنگ ضدزنگ در زنگ‌زدگی مقاوم می‌شوند که با از بین رفتن این لایه فرآیند اکسایش دوباره بر روی سطح فلز شروع می‌شود. در مورد استیل، حذف پوشش طبیعی اکسید کروم به دلیل آسیب‌های سطحی، با تشکیل یک پوشش جدید روی سطح، از زنگ‌زدگی جلوگیری می‌کند.

زیست خنثی

استیل ذاتا بی‌اثر است که این ویژگی آن را مناسب ساخت ابزار پزشکی و آشپزخانه کرده است.

مقاومت دربرابر اسید نکلیویک (acids, bases) و مواد آلی

استیل ضدزنگ در مقابل بسیاری از ترکیبات مقاوم است. مقاومت اسیدی در رده‌های مختلف متفاوت است. برخی رده‌ها در غلظت‌های بالای اسید و برخی دیگر در غلظت‌های پایین مقاوم هستند که این ویژگی، استیل را گزینه مناسبی برای استفاده در صنایع شیمیایی برای انبار کردن، جابه‌جایی و فرآیندهای دیگر می‌کند. استیل همچنین در برابر رطوبت، نمک، گوگرد، دی اکسید کربن، ترکیبات کلورید مقاوم است و این کمک می‌کند در شرایط محیطی سخت برای مدت طولانی‌تری به نسبت سایر فلزها دوام بیاورد.

ویژگی‌های مهم استیل ضدزنگ تنها در خواص شیمیایی و مکانیکی آن خلاصه نمی‌شود بلکه خواص و ویژگی‌های دیگری هم وجود دارد که در محصولات مختلف ساخته شده از این فلز دیده می‌شود.

سایر خواص استیل ضد زنگ

 قابلیت بازیافت

همان طور که قبلا هم گفتیم، استفاده از استیل بازیافتی برای ساخت محصولات جدید امکان‌پذیر است. این عمل با کاهش مصرف آهن خام موجود در طبیعت و کاهش تولید زباله، فشار زیادی از دوش طبیعت بر می‌دارد، علاوه بر آن ماهیت تجزیه‌ناپذیری استیل مانع از ایجاد آلودگی در منابع آب و خاک می‌شود.

فرآیندپذیری

فرآیند‌‌پذیری خوب این فلز، این امکان را به سازنده می‌دهد که محصولاتی با اشکال پیچیده را به راحتی بسازد. استفاده از دستگاه برش لیزری، سی‌ان‌سی ، خم و … برای استیل امکان‌پذیر است.

قابلیت شست‌وشو

محصولات ساخته شده از استیل به راحتی با شوینده‌های غیراسیدی خانگی مثل صابون و شوینده‌های مایع تمیز می‌شوند که این ویژگی باعث شده برای مدت طولانی نو باقی‌بمانند. این در نهایت مانع از هدر رفت مواد می‌شود و قیمت اولیه بالا آن را در دراز مدت جبران می‌کند.

زیبایی شناختی

محصولات ساخته شده از استیل بسیار درخشان هستند که این ویژگی آن‌ها را تبدیل به گزینه‌ی مناسبی برای ساخت محصولاتی کرده که در معرض دید قرار دارند. استیل در مقایسه با ورق روغنی سطح درخشان و زیباتری دارد اما از آن‌جا که قیمت ورق روغنی کمتر از ورق استیل است می‌تواند جایگزین مقرون‌به‌صرفه‌ای باشد. انواع پرداخت‌ها از براق تا مات، قلم، صیقل، نقش و رنگ برای آن انجام‌شدنی است.

عناصر آلیاژی

استیل براساس عناصر آلیاژی که به آن افزوده می‌شود رده‌های مختلفی دارد که هر کدام خواص و ویژگی‌های خاص خود را دارند و انتخاب مناسب‌ترین گزینه، بستگی به نیاز مصرف‌کننده دارد.

کروم

کروم عناصر آلیاژی استیل را تعیین و خاصیت ضدزنگ بودن آن را ایجاد می‌کند. لایه خنثی کروم اکسید سطح، علاوه بر محافظت، مانع از عبور اکسیژن به داخل محصول و خوردگی می‌شود. یون‌های کروم اکسید هم سایز ملکول‌های آهن هستند و این باعث ایجاد اتصال قوی بین آنها می‌شود. این به یون‌های اکسید این امکان را می‌دهد که در شرایط‌کاری معمول بتوانند محکم به سطح بچسبند. حداقل 10.5 درصد کروم در آلیاژ نیاز هست که ترکیب ضدزنگ بشود و با بالاتر رفتن این درصد مقاومت آلیاژ در برابر زنگ‌زدگی بیشتر هم می‌شود. کروم همچنین به عنوان یک تثبیت‌کننده هیدرواکسید آهن عمل می‌کند و باعث تشکیل ریز ساختار هیدراکسید آهن در آلیاژ می‌شود.

نیکل

نیکل برای ایجاد مقاومت بیشتر دربرابر زنگ‌زدگی اضافه می‌شود و همچنین یک تثبیت‌کننده آستنیت است. اضافه کردن 8-9% نیکل، ساختاری کاملا آستنیتی ایجاد می‌کند که قابلیت جوشکاری خوبی به استیل می‌دهد. افزودن درصد بیشتری از نیکل خاصیت ضدزنگی آن را بیشتر و کارکردن با آن را راحت‌تر می‌کند.

مس

مس هم به عنوان تثبیت‌کننده آستنیت عمل می‌کند و خواص ضدزنگی و فرآیند سخت‌کاری را بهبود می‌بخشد. اضافه کردن آن، محصولی از استیل تولید می‌کند که برای سردکاری مناسب است.

سلیسیوم

افزودن سیلیسیوم مقاومت استیل را در برابر اسیدنیتریک و اسیدسولفوریک بسیار غلیظ بهبود می‌بخشد، همچنین باعث تشکیل فریت شده و فلز را در برابر اکسیداسیون مقاوم می‌کند.

نیتروژن

نیتروژن تثبیت‌کننده آستنیت است و استحکام و مقاومت در برابر خوردگی موضعی را بهبود می‌بخشد. خوردگی‌های موضعی هم به پدیده‌هایی مثل خوردگی حفره‌ای ، خوردگی شکافی و خوردگی بین دانه‌ای اشاره دارد.

مولیبدن

مولیبدن و تنگستن مقاومت کلی و موضعی را در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی افزایش می‌دهد. تثبیت‌کننده فریت است، بنابراین وقتی از آلیاژهای آستنیت و مولیبدن استفاده می‌شود، باید در تعادل با تثبیت‌کننده‌های آن باشد. ترکیب آستنیت و مولیبدن وقتی که به استیل ضدزنگ مارتنزیتی اضافه می‌شود، استحکام در دمای بالا را افزایش می‌دهد. افزودن تنگستن همراه با مولیبدن این خواص را بهبود می‌بخشد.

منگنز

منگنز قدرت، سختی و قابلیت سخت‌شوندگی را در استیل افزایش می‌دهد. مقدار بیشتری از منگنز عملکرد فلز را در عملیات حرارتی بهتر می‌کند همچنین محلول نیتروژن در استیل را تقویت می‌کند بنابراین ممکن است برای جایگزینی نیکل در استیل با نیتروژن به آن اضافه شود.

نتیجه‌گیری

استیل، مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر زنگ‌زدگی را در کنار سایر خواص معمول و متعارف آهن، دارا می‌باشد به عبارت بهتر تمام خواص و ویژگی‌های استیل را علاوه بر ویژگی‌های خاص خود دارند. به راحتی زنگ نمی‌زنند، مقاومت خوب در محیط‌های با شرایط سخت و عمر طولانی دارند. اما این درست نیست که صد‌درصد ضدزنگ هستند. مقاومتشان دربرابر زنگ‌زدگی بستگی به رده‌ی آنها دارد. به هر حال شرایط غیر عادی محیطی مثل اکسیژن کم، چرخه ضعیف و درجه شوری بالا ممکن است باعث زنگ‌زدگی آن‌ها بشود. قیمت ورق استیل نیز در مقایسه با قیمت ورق سیاه و روغنی بیشتر است. در نتیجه قیمت محصولات تولیدی آن مثل قیمت پروفیل استیل نیز حدود چهار برابر بیشتر از قیمت پروفیل مبلی و سیاه است. اما همان‌طور که قبلتر به آن اشاره کردیم عمر طولانی این فلز قیمت اولیه زیاد آن را جبران می‌کند.

در مجموع، با وجود ریسک‌هایی که در بالا به آن‌ها اشاره شد، استیل ضدزنگ ماده‌ای بی‌نظیر است و تا به الان اثر مثبتی در صنعت داشته است. با توجه به این که رده‌های مختلف با خواص متفاوت وجود دارند همیشه میتوان رده‌ی مناسب برای ساخت محصولات مختلف را پیدا کرد. برای اطمینان از سرمایه‌گذاری مقرون‌به‌صرفه، ضروری است که رده ی‌مناسب را با دید درست و آگاهی کامل انتخاب کنیم. 

.

مقالات در گروه صبا | نویسنده : سروناز خسروی راد | بروزرسانی : 31 اردیبهشت 1402

.