فولاد زنگ نزن یکی از انواع فولادهای پر آلیاژ بودهخ که از خواص و ویژگی های جالبی برخوردار است. چنانچه علاقه مندید در مورد ویژگی‌ها، انواع و عناصر آلیاژی این دسته از فولادها اطلاعات بیشتری کسب نمایید، توجه شما را با ادامه این مطلب جلب می‌کنیم.

فولاد زنگ نزن چیست؟

فولادهای زنگ نزن یا استنلس استیل دسته‌ای از فولادهای مهندسی هستند که  مقاومت به خوردگی در آن‌ها بالاست. این مقاومت از مقدار زیاد کروم، در ترکیب شیمیایی آنها نشات می‌گیرد. در این فولادها، با تشکیل لایه اکسیدی غنی از کروم برروی سطح فولاد، از زنگ زدن و خوردگی فولاد جلوگیری خواهد شد.

بنابراین سطح فولاد زنگ نزن بایستی در تماس با عوامل اکسید کننده باشد.  قابل ذکر است بعضی از این فولادها ممکن است بالای 30 درصد کروم و یا کمتر از 50 درصد آهن در ترکیب شیمیایی خود داشته باشند.

عناصر فولاد زنگ نزن | ترکیبات فولاد زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن، آلیاژهای پایه آهن هستند که دارای حداقل 11 درصد کروم می‌باشند که این میزان باید به اندازه‌ای باشد که از زنگ زدن سطح فولاد در محیط اتمسفر جلوگیری نماید. دیگر عناصر آلیاژی در جهت بهبود مشخصه‌های دیگر فولاد به ترکیب شیمیایی آن اضافه می‌گردد. مانند نیکل، مولیبدن، مس، تیتانیم، آلومینیوم، سیلیسیوم و غیره  که معمولا میزان کربن در این فولادها در رنج 0.03 تا  1 درصد است.

 هرکدام از عناصر فولاد زنگ نزن موجب پدیدار و اضافه شدن خواص جدیدی در این فولادها خواهد شد. برای مثال افزودن نیکل به این فولادها مقاومت به خوردگی را در محیط‌های خنثی و یا اکسید کننده ضعیف بهبود خواهد بخشید.

همچنین قابل ذکر است افزایش مولیبدن به فولادهای استنلس مقاومت به خوردگی را در حضور یون‌های کلر افزایش خواهد داد. حال آنکه افزایش آلومینیوم مقاومت به پوسته شدن را در دماهای بالا بهبود می‌بخشد. در شکل زیر می‌توان چارت خانواده فولادهای زنگ نزن و تاثیر هرکدام از عناصر آلیاژی برروی خواص این فولادها در هر گرید را مشاهده نمود.

ترکیبات فولاد زنگ نزن

ترکیبات فولاد زنگ نزن

انواع فولاد زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن در استاندارد AISI  در پنج دسته اصلی جای می‌گیرند. چهار دسته از این فولادها را می‌توان براساس ریز ساختار (فریت، آستنیت، مارتنزیت و ترکیب آستنیت به علاوه فریت (داپلکس)) تقسیم بندی نمود و دسته پنجم نیز براساس آلیاژهای رسوب سخت شونده دسته بندی می‌شوند.

فولاد زنگ نزن فریتی

فولاد زنگ نزن فریتی، به دلیل اینکه مانند آهن در دمای اتاق ساختار BCC دارند، مغناطیسی هستند و قابلیت سخت شدن توسط عملیات حرارتی را ندارند(استیل بگیر). استحکام این دسته از فولادها چندان بالا نیست. به این صورت که استحکام تسلیم این دسته از فولادها در حالت آنیل، بین 275 تا-350 مگاپاسکال است.

مزیت اصلی این دسته از فولادهای آلیاژی، مقاومت در برابر ترک‌های ناشی از خوردگی در محیط کلریک، خوردگی اتمسفر و اکسیداسیون است. قابل ذکر است این فولادهای فریتی شامل 11-30 درصد کروم هستند و مقدار کمی عناصر با ساختار آستنیت مانند کربن، نیکل و نیتروژن دارند.

خواص فولاد زنگ نزن فریتی

به طور کلی فولادهای زنگ نزن فریتی سختی پذیر نیستند و در شرایط آنیل بهترین مقاومت به خوردگی را دارند. با افزایش مقدار کروم، مقاومت به خوردگی این آلیاژها افزایش می یابد.

فولاد زنگ نزن آستنیتی چیست؟

این دسته از فولادها، با اهمیت‌ترین  گروه فولادهای استنلس هستند که همانند فولادهای فریتی قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی را ندارند. اما فولادهای آستنیتی غیرمغناطیس اند (استیل نگیر) و ساختار آنها FCC می باشد؛ مانند آهن در دمای بالا.(900-1400 درجه سانتیگراد)

 چقرمگی بالا، شکل پذیری خوب و داکتیلیته مناسب، ازخواص این فولادهاست و این فولادها حتی در دماهای زیر صفر، خواص مطلوبی دارند. به علاوه این گروه از فولادهای زنگ نزن با انجام کار سرد به طور قابل ملاحظه امکان سخت شدن پیدا می‌کنند. اگرچه عنصر نیکل عنصر پایدار کننده فاز آستنیت است، عناصر کربن و نیتروژن هم این خاصیت رو بهبود خواهند بخشید؛ زیرا این عناصر به راحتی در ساختار FCC حل می‌شوند.

قابل ذکر است گستره ی خواص مقاومت به خوردگی را می‌توان با اضافه کردن عناصر فریتی مانند کروم و مولیبدن در این فولادها ایجاد کرد.

انواع فولاد زنگ نزن آستنیتی

انواع این فولادها را می‌توان به دو زیرگروه تقسیم نمود:

آلیاژهای کروم-نیکل مانند استیل 304 و استیل 316 و آلیاژهای کروم-منگنز-نیتروژن مانند استیل 201 و استیل 241.

 به طور معمول استحکام تسلیم آلیاژهای کروم-نیکل آنیل شده  بین 200  تا 275 مگاپاسکال است. در حالی که در آلیاژهای با نیتروژن بالا، استحکام تسلیم تا 500 مگاپاسکال افزایش می‌یابد. قابل ذکر است اضافه شدن نیتروژن به فولاد موجب افزایش استحکام تسلیم خواهد شد.

عناصر آلیاژی در فولادهای زنگ نزن آستنیتی

همانطور که قبلا اشاره شد آلیاژهای آستنیتی را می‌توان با انجام کار سرد سخت نمود. درجه کار سختی به میزان عناصر موجود در آلیاژ بستگی دارد، با افزایش میزان عناصر آلیاژی میزان نرخ کارسختی آلیاژ کاهش پیدا خواهد کرد.

از دیگر  تاثیرات عناصر آلیاژی در این دسته از فولادها می‌توان به خواص مقاومت به خوردگی اشاره نمود. با اضافه نمودن مولیبدن به آلیاژهای 316 و 317 می‌توان مقاومت به خوردگی را در محیط کلریدی افزایش داد. گریدهای کروم بالا مانند 309 و 310 در محیط‌های با اکسیداسیون و دما بالا کاربرد دارد. همچنین جهت جلوگیری از خوردگی بین دانه‌ای در دمای بالا، عناصر نیوبیم و تیتانیم به ترکیب فولاد اضافه می‌گردد. مانند گریدهای استیل347 و  استیل 321. اگرچه از گریدهای کم کربن مانند فولاد 304L جهت جلوگیری از خوردگی بین دانه‌ای استفاده می‌شود. بیشتر گریدهای مقاوم به خوردگی مانند 20Cb3 به دلیل سطح بالای نیکل (32-38 درصد) در رده آلیاژهای پایه نیکل می‌باشند.

همچنین عنصر منگنز (5 تا 20 درصد) برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی با نیکل پایین مورد نیاز است؛ زیرا منگنز حلالیت نیتروژن را برای پایداری آستنیت افزایش داده و از تغییر فاز به مارتنزیت جلوگیری خواهد نمود.

فولاد زنگ نزن مارتنزیتی

چنانچه بخواهیم به ساختار فولاد زنگ نزن مارتنزیتی  اشاره نماییم، باید گفت این دسته از فولادها، مانند فولادهای کربنی از ناحیه آستنیت سرد شده و به ساختار مارتنزیتی تبدیل می‌شوند و پس از آن جهت افزایش داکتیلیتی و چقرمگی تمپر می‌گردند.

بیشترین گرید مورد استفاده در این گروه از فولادها، گرید  استیل 410 است که 12 درصد کروم و 0.1 درصد کربن دارد که تمپر این دسته دارای رنج سختی 20 تا 40 راکول سی است. مقاومت به سایش در این گروه از فولادهای استنلس به شدت به میزان کربن بستگی دارد. فولاد 440 در این دسته دارای حدود 1.1 درصد کربن است که مانند فولادهای ابزار مقاومت به چسبندگی و سایش مناسبی دارد.

باتوجه به این که رسیدن به استحکام و سختی بالا در فولادهای مارتنزیتی مد نظر می‌باشد، میزان عناصر پایدارکننده استنیت مانند نیکل در ترکیب شیمیایی این دسته از فولادها کمتر است. به همین دلیل فولادها زنگ نزن مارتنزیتی مقاومت به خوردگی کمتری در مقایسه با استیل آستنیتی و فریتی دارند.

فولاد زنگ نزن داپلکس

فولادهای زنگ نزن داپلکس آلیاژهای کروم-نیکل-مولیبدن هستند که دارای میزان متعادل عناصر فریتی و آستنیتی نیز در ساختار خود می‌باشند. همچنین این گروه فولادهای زنگ نزن مغناطیسی‌اند (استیل بگیر). از خواص این گروه از فولادهای زنگ نزن می‌توان به مقاومت به ترک ناشی از خوردگی و داکتیلیته و چقرمگی بالا اشاره نمود. همچنین این فولادها استحکام تسلیم 550  تا  690 مگاپاسکال دارند که در مقایسه با فولادهای زنگ نزن تک فازی، دارای دو برابر استحکام تسلیم هستند.