استنلس استیل (Stainless Steel) چیست؟

استنلس استیل، آلیاژهایی از آهن ، کروم، نیکل و دیگر عناصر فلزی و غیر فلزی هستند که به علت داشتن مقاومت به خوردگی عالی و استحکام بالا، یكی ازپركاربردترین مواد مهندسی می‌باشند. استینلس ها از لحاظ ساختار متالورژیکی و تجاری دسته های مختلفی دارند که مهم ترین آنها عبارتند از:
 

سری 200	سری 300	سری 400	رسوب سخت	آلیاژی
201 202	301 302 303 304 304L 309 309S 310 310S 314 321 347	403 405 410 416 420 430 440A 440B 440C	13-8Mo 15-5Ph 17-4Ph	904L 4130 4340 Nitronic 60

این مقاومت به خوردگی از وجود كروم و برخی عناصر دیگر در این آلیاژ ناشی می‌شود. مقدار كم كروم در حدود 5 درصد تنها مقاومت به خوردگی آهن را تاحدودی افزایش می‌دهد اما برای رسیدن به فولاد ضد زنگ حداقل 10.5 درصد كروم لازم است. مطابق با نظریه‌های متالورژیکی، كروم با تشكیل یك لایه اكسید چسبنده سطحی بر روی سطح آهن مابقی فلز را از خوردگی مصون میدارد. افزودن عنصر مولیبدن منجر به افزایش مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ‌نزن در مقابل اسیدهای احیایی و در برابر خوردگی در محلول‌های کلرایدی می‌‌شود. به همین دلیل، انواع مختلفی از فولاد زنگ‌نزن با میزان مختلف کروم و مولیبدن برای مطابقت با محیطی که آلیاژ باید تحمل کند وجود دارد. 
افزودن نیکل نیز باعث افزایش چقرمگی، استحکام دمابالا و افزایش مقاومت در مقابل کربوریزه شدن و نیتریده شدن می‌‌شود.
افزودن دیگر عناصر فلزی و غیر فلزی و کنترل فرآیندهای تولید، موجب ارتقا خواص مکانیکی، شیمیایی، خوردگی، حرارتی و ... این دسته از آلیاژها می‌شود.
مقاومت فولاد زنگ‌نزن به خوردگی، نگه‌داری آسان و کیفیت سطح خوب، آن را در بسیاری از کاربردهایی که هم نیاز به استحکام بالا و هم نیاز به مقاومت به خوردگی بالا وجود دارد، به یک فلز یا آلیاژ مناسب تبدیل کرده‌ است.

خواص عمومی استنلس استیل  

• استحکام بالا
• چکش خواری خوب
• مقاومت در برابر تنش‌های متغیر و نوسانی
• قابلیت جوشکاری
• قابلیت شکل دهی به روش‌های مختلف از قبیل ماشین کاری و آهن‌گری و ریخته‌گری 
• قابلیت استفاده در درجه حرارت‌های بالا و نیز درجه حرارت‌های زیر صفر 
• تغییر خواص مکانیکی، فیزیکی، الکتریکی و حرارتی به وسیله عملیات حرارتی
• قابلیت پوشش دهی با مواد فلزی و سرامیکی و پلاستیکی و یا رنگی

مقاومت به خوردگی استنلس استیل

همانطور که میدانیم یکی از مهترین ویژگی‌های استیل‌ها (فولادهای زنگ نزن) مقاومت به خوردگی است که وجود کروم و دیگر عناصر پایدار کننده فازها عامل اصلی مقاومت به خوردگی است . برای رسیدن به فولاد زنگ نزن حداقل 10.5 درصد كروم لازم است.
مطابق با نظریه‌های متالورژیکی، كروم با تشكیل یك لایه اكسید چسبنده سطحی بر روی سطح آهن مابقی فلز را از خوردگی مصون میدارد.
 

مکانیزم تشکیل لایه پسیو در استنلس استیل و مقاومت در برابر خوردگی

 

دسته بندی استنلس استیل ها 

استیل ها بر اساس ساختار داخلی آنها به دسته های زیر تقسیم میشوند:
 

فریتی	فولادهای زنگ نزن فريتي، فولادهاي آهن-كروم مي باشند كه قابليت سخت شدن توسط عمليات حرارتي را ندارند. اين گروه داراي مقاومت به خوردگي متوسط بوده و افزايش مقدار كروم سبب افزايش مقاومت به خوردگي آنها مي شود. مقدار كروم در حدود 10 درصد جهت رسيدن به ماكزيمم مقاومت به خوردگي ضروري است. مقدار بالاي كروم تا حدود 20 درصد سبب افزايش مقاومت به اكسيداسيون و پوسته شدن در دماهاي بالا مي شود. فولادهاي زنگ نزن فريتي داراي مقاومت به خوردگي عالي در محيط هاي اكسنده قوي مي باشند. اين آلياژها در تمامي شرايط مغناطيسي مي باشند.
آستنیتی	فولادهاي زنگ نزن آستنيتي آلياژهاي آهن-كروم-نيكل هستند كه تنها توسط كارسرد سخت مي شوند. مقدار نيكل در اين آلياژها از 4 تا 22 درصد تغيير مي كند. مقادير بالاي نيكل جهت افزايش انعطاف پذيري و پايداري ساختار آستنيتي به اين آلياژها افزوده مي شود. در حاليكه مقدار كروم جهت افزايش مقاومت به خوردگي افزايش مي يابد. آلياژهاي اين گروه در شرايط كارسرد شده اندكي مغناطيسي بوده در حاليكه در شرايط آنيل غير مغناطيسي مي باشند. فولادهاي زنگ نزن آستنيتي قابل شكل دهي سرد، جوشكاري آسان و نيز قابل استفاده در دماي بالا مي باشند، ضمن آنكه بالاترين مقاومت به خوردگي را دارا مي باشند.
مارتنزیتی	فولادهاي زنگ نزن مارتنزيتي آلياژهاي آهن-كروم شامل 10 تا 18 درصد كروم مي باشند كه قابليت سخت شدن توسط عمليات حرراتي جهت دستيابي به استحكام هاي بالا را دارند. مقاومت به خوردگي آلياژهاي اين گروه از تمامي گروه هاي فولادهاي زنگ نزن پايين تر است. افزودن مقدار كربن بيشتر سبب افزايش سختي زمينه مارتنزيتي مي گردد. اما با افزايش مقدار كربن، مقدار كروم نيز بايستي تا 18 درصد افزايش مي يابد تا ميزان كروم آزاد در آلياژ كمتر از 10 درصد نشود و آلياژ مقاومت به خوردگي خود را حفظ كند. اين آلياژها بطور عمده در محيط هاي خورنده ملايم و محيط هاي خورنده خشك و مرطوب در قطعات توربين هاي گازي و توربين بخار مورد استفاده قرار مي گيرند. اين گروه در تمامي شرايط مغناطيسي مي باشند. آلياژ پايه اين گروه، آلياژ 410 است.
داپلکس یا دوفازی	این فولادها به دلیل ریزساختار دوفازی فریت - آستنیت، داپلكس نامیده می شوند. این ریزساختار منجر به ایجاد تركیبی از خواص فولادهای زنگ نزن فریتی و آستنیتی می‌گردد. فولادهای زنگ نزن داپلكس دارای قابلیت جوشكاری، مقاومت به خوردگی تنشی و چکش‌خواری خوب  می باشند. بیشتر فولادهای زنگ نزن داپلكس دارای مقدار كربن پایین هستند. فولادهای داپلكس با PRE (مقاومت به خوردگی حفره ای) بیشتر از 40 سوپرداپلكس نامیده می‌شوند. این فولادها به ویژه در محیط‌های كلریدی، مقاومت به خوردگی بسیار خوبی دارند. ساختار داپلكس دارای استحكام مكانیكی حدود دو برابر فولادهای زنگ نزن آستنیتی است. بالاترین دمای كاری این آلیاژها به دلیل خطر تردی و تشكیل رسوبات حدود 300ºC است. این فولادها نسبت به فولادهای زنگ نزن آستنیتی با مقاومت به خوردگی مشابه، دارای مقادیر كمتر نیكل و مولیبدن هستند، لذا به علت حضور عناصر آلیاژی كمتر ارزان تر می‌باشند. همچنین ، به علت استحكام تسلیم بالاتر گاهی می‌توان ضخامت سطح مقطع فولادهای زنگ نزن داپلكس را كاهش داد.
رسوب سخت	این فولادهای زنگ نزن، آلیاژهای آهن - نیكل - كروم شامل یك یا چند عنصر رسوب کننده نظیر آلومینیوم، تیتانیوم، مس، نیوبیوم و مولیبدن می‌باشند. رسوب سختی در این فلزات توسط عملیات حرارتی پیرسازی ایجاد می‌‌شود. دو ویژگی اصلی آلیاژهای این گروه، استحكام و مقاومت به خوردگی بالا است. اما این آلیاژها دارای چقرمگی پایین ‌می‌باشند، كه به منظور بهبود آن مقدار كربن در این آلیاژها در سطح پایین نگه داشته می‌شود. فرآیند رسوب سختی شامل تشكیل رسوبات بین فلزی بسیار ریز نظیر Ni3Al، Ni3Ti، Ni3(Al,Ti)، NiAl، Ni3Nb، Ni3Cu و كاربیدها است. فولادهای زنگ نزن رسوب سختی به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند: فولادهای رسوب سخت مارتنزیتی  17-4PH، 15-5PH، 16-6PH، PH13-8Mo فولادهای رسوب سخت آستنیتی  A-286   ، 17-10PH فولادهای رسوب سخت نیمه آستنیتی 17-7PH، PH15-7Mo، PH14-8Mo

فولاد‌های ضدزنگ (زنگ نزن) یا استینلس استیل داری چند زیرگروه و دسته بندی از لحاظ علم متالورژی میباشند که از لحاظ ساختار فلزی یا آلیاژی آنها تعریف میشود . تمامی عناصر فلزی دارای ساختاری کریستالی هستند و ترکیب عناصر با یکدیگر جهت ساخت آلیاژها این ساختارهای کریستالی را دچار تغییر میکند.
آهن در دمای معمولی دارای ساختار کریستالی مکعب شکل با نام BCC (Body Centered Cubic)  است و فریت نام دارد ولی در دمای بالا هنگامی که عناصر آلیاژی به آن اضافه و مورد شکلدهی گرم قرار میگیرد این ساختار به دو ساختار دیگر میتواند تبدیل شود که بسته به عناصر آلیاژی ، مقدار آنها و سایز اتمی آنها دارد. این ساختار ها آستنیت (FCC - Face Centered Cubic) و مارتنزیت (Body Centered Tetragonal) نام دارند .

ساختارهای مرسوم برای استنلس استیل ها عبارتند از :

- فریتی ( 430 ، 434 ، 446 ... )
- آستنیتی ( 201 ، 202 ، 304 ، 316 ، 309 ، 310 ، 321 ... )
- مارتنزیتی ( 410 ، 420 ، 431 ، 416 ، 403 ... )
- دوفازی یا داپلکس ( 2101 ، 2202 ، 2205، 2507 ... )
- رسوب سخت ( 4-17 ، 7-17 ، 5-15 ... )
 

منظور از بگیر یا نگیر بودن استیل چیست؟

• حاوی آهن، عنصر کلیدی برای خاصیت مغناطیسی در فولاد است.
• دارای ساختار کریستالی فریتی (ferritic) یا مارتنزیتی (martensitic) است. این ساختارها به اتم‌های آهن اجازه می‌دهند که باعث ایجاد خاصیت مغناطیسی می‌شود.
• گریدهای رایج فولاد ضد زنگ مغناطیسی شامل ۴۱۰، ۴۲۰ و ۴۳۰ هستند.
• به طور کلی ارزان‌تر از فولاد ضد زنگ غیر مغناطیسی است.

• همچنین حاوی آهن است، اما ساختار آن متفاوت است.
• دارای ساختار کریستالی آستنیتی (austenitic) است. وجود نیکل در این ساختار، چینش اتم‌های آهن را برهم زده و باعث می‌شود فولاد غیر مغناطیسی شود.
• رایج‌ترین گریدهای فولاد ضد زنگ غیر مغناطیسی ۳۰۴ و ۳۱۶ هستند.
• این گریدها به طور کلی نسبت به انواع مغناطیسی مقاومت بیشتری در برابر خوردگی و حرارت دارند که منجر به قیمت بالاتر می‌شود.

• خاصیت مغناطیسی به ساختار کریستالی بستگی دارد، نه به مقدار کروم (که مقاومت در برابر خوردگی را ایجاد می‌کند).
• نیکل باعث ایجاد ساختار غیر مغناطیسی می‌شود.
• گریدهای مغناطیسی به طور کلی ارزان‌تر هستند اما مقاومت کمتری در برابر خوردگی دارند.
• گریدهای غیر مغناطیسی گران‌تر هستند اما مقاومت بهتر در برابر خوردگی و حرارت ارائه می‌دهند.

فولادهای زنگ نزن بگیر ( مغناطیسی - آهنربا را جذب میکنند)	فولادهای زنگ نزن نگیر ( غیر مغناطیسی - آهنربا را جذب نمیکنند)
استیل 410 استیل 420 استیل 430	استیل 304 (304L) استیل 316 (316L) استیل 321   استیل 309S استیل 310S  استیل 4841