چرا فولاد زنگ نمی زند ؟ | انواع فولاد ضد زنگ و ترکیبات آن

فولاد آلیاژی از آهن است که دو درصد جرم آن از کربن تشکیل شده است. این فلز در قسمت های مختلف زندگی ما مثل ساخت قطعات ماشین، پایه های صندلی، قاشق، چنگال، انواع آچار مثل آچار آلن ، آچار فرانسه ، آچار لوله گیر ، انواع مته مثل مته فولاد ، مته پنج شیار و ... کاربرد دارد. فولاد با وجود استحکام زیاد خود، مثل بسیاری از آلیاژهای آهن نقطه ضعف بزرگی دارد و آن احتمال اکسید شدن و زنگ زدگی است. البته با رفع این نقص و ساخت فولاد ضد زنگ ، این آلیاژ حتی در صورت قرار گرفتن در شرایط اکسیداسیون، در برابر زنگ زدگی مقاوم است. فولاد معمولی، از 99 درصد آهن و حدود 0.2 درصد تا 1 درصد کربن و فولاد ضد زنگ از 62 تا 75 درصد آهن، یک درصد کربن و بیش از 10.5 درصد کروم تشکیل شده است.در ادامه به تاریخچه تولید فولاد ضد زنگ ، همچنین ترکیبات فولاد ضد زنگ و دلیل اکسید نشدن فولاد ضد زنگ خواهیم پرداخت.

تولید فولاد ضد زنگ یا همان استنلس استیل در یک دوره زمانی صد ساله اتفاق افتاد و دستاورد چندین نفر است.
در سال 1821 میلادی، پیر برتیر (Pierre Berthier) متوجه شد که آلیاژهای آهن - کروم در برابر برخی اسیدها مقاوم هستند ولی نمونه های برتیر ترکیب مناسب برای داشتن خواص زنگ زنگ بودن را نداشت. یک فرانسوی به نام براستلین (Brustlein) در سال 1875 اهمیت سطوح کم کربن را به رسمیت شناخت.
از آن جا که در آن زان تخصص کافی برای رسیدن به این ترکیب شیمیایی ضد زنگ وجود نداشت، این امر به درازا انجامید. پس از دو دهه چندین محقق تولید فولاد ضد زنگ را در شرایط آزمایشگاهی توسعه دادند. لوئیس گیللت تحقیقاتی را درباره ترکیبات آلیاژی که امروزه به عنوان گریدهای 410 – 420 – 440 و 446 شناخته می شود، منتشر کرد و مطالعات دقیقی از ساختار متالورژی اولیه برای فولاد ضد زنگ آستنیتی منتشر کرد.فیلیپ مونارتز آلمانی نیز در سال 1911 میلادی رابطه بین محتوای کروم و مقاومت در برابر خوردگی را به نام خود ثبت کرد.
هری برلی، متالورژیست انگلیسی در سال 1912 میلادی در حالی که مشغول مطالعه آلیاژهای فولادی برای جلوگیری از خوردگی در لوله تفنگ بود، به طور اتفاقی به ترکیب فلاد ضد زنگ رسید و آلیاژی از آهن، کروم، نیکل و کربن ایجاد کرد. البته گفته می شود هری برلی متوجه شد این آلیاژی که تولید کرده است مناسب لوله تفنگ نیست، بنابرای آن را در حیاط خلون خود انداخته و پس از گذشت چند هفته از براقیت و عدم زنگ زدگی آن متعجب شده است. در نهایت آن ماده را توسعه داده و در سال 1915 آن را به عنوان فولاد ضد زنگ به جهانیان معرفی کرده است.

در ابتدا لازم به توضیح است که زنگ زدگی به خودی خود برای انسان مضر نیست ولی می تواند باعث خوردگی آهن و زشت و ناایمن شدن آن شود. بنابراین ترجیحا برای ساخت اغلب لوازم موجود در صنعت و لوازم خانگی از فولاد ضد زنگ استفاده می شود.
وقتی آهن با اکسیژن هوا واکنش می دهد، اکسید آهن تشکیل می شود و به این ترتیب فولاد معمولی دچار زنگ زدگی می شود ولی ترکیبات شیمیایی به کار رفته در فولاد ضد زنگ مانع رسیدن اکسیژن هوا به آهن فولاد می شود و به این ترتیب واکنش اکسیداسیون و زنگ زدگی رخ نمی دهد.

در ادامه به رفتار الکتروشیمیایی فولاد ضد زنگ در برابر محیط های خورنده خواهیم پرداخت که مهم ترین عامل زنگ نزدن فولاد ضد زنگ است. بنابراین اگر می خواهید به طور مفصل و دقیق با دلیل زنگ نزدن فولاد ضد زنگ آشنا شوید، حتما در ادامه با ما همراه باشید.

فولاد ضد زنگ بر خلاف تصور رایج، فقط به دلیل ترکیبات فلزی خود، در برابر خورندگی مقاوم نیست، بلکه این مقاومت تا حد زیادی مربوط به رفتار الکتروشیمیایی سطح فولاد در محیط های خورنده است. عامل بسیار مهم در این رفتار، وجود عنصر کروم (حداقل 10/5 درصد) و تشکیل لایه غیر فعال (Passive Layer) در سطح فولاد می باشد. این لایه نازک از اکسید کروم (Cr2O3)، به صورت خود به خودی در حضور اکسیژن هوا تکشیل می شود و بسیار پایدار، ناپیوسته و چسبنده است. وظیفه اصلی آن، جلوگیری از تماس مستقیم عوامل خورنده مثل آب شور، رطوبت، اسیدها یا بازها با فلز زیرین است. در واقع، فولاد ضد زنگ به جای اینکه کاملا ضد زنگ باشد، با ایجاد یک سد الکتروشیمیایی، واکنش های خوردگی را در سطح، کنترل و متوقف می کند.

در محیط هایی مثل آب دریا، محلول های شیمیایی خاص و ... که غلظت کلر بالاست، اگر لایه غیر فعال دچار آسیب شود، یا بازسازی نشود، امکان بروز خوردگی حفره ای (Pitting Corrosion) یا خوردگی شکافی (Crevice Corrosion) وجود دارد. همچنین در شرایطی مثل جوشکاری یا حرارت دهی شدید، فولاد ممکن است مستعد خوردگی بین دانه ای شود که ناشی از ضعیف شدن ساختار در ناحیه مرز دانه ها می باشد.

رفتار الکتروشیمیایی فولاد ضد زنگ در عمل، نتیجه توازن بین ترکیبات شیمیایی آلیاژ، دمای محیط، نوع عامل خورنده و قابلیت بازسازی لایه غیرفعال است.

فولاد ضد زنگ از کروم، مولیبیدن، آهن و کربن تشکیل شده است. همانطو که پیش تر هم اشاره کردیم، فولاد ضد زنگ بیش از 10.5 درصد (حدود 11 درصد) کروم دارد که به دلیل ترکیب شدن آن با سایر عناصر مذکور، مقاومت فولاد افزایش می یابد، همچنین از زنگ زدن فولاد جلوگیری می کند. نیکل نیز انعطاف پذیری فولاد را افزایش می دهد.

از نظر متالورژی و نوع ترکیبات شیمیایی فولاد به دسته های زیر تقسیم می شود:

• مارتنزیتی : این نوع فولاد از ترکیب آهن، کربن (یک درصد) و کروم (11 تا 18 درصد) ساخته شده است. در ترکیب فولاد مارتنزیتی نیکل وجود ندارد و مقاومت آن در برابر خوردگی متوسط است.
• آستنیتی : در این مدل فولاد ضد زنگ، 16 درصد کروم و حدود 7 درصد نیکل وجود دارد. این ترکیب باعث مقاومت بالای آن در برابر خوردگی و حرارت بالا می شود. ضمنا به دلیل وجود نیکل، این نوع فولاد ضد زنگ انعطاف پذیری بلایی دارد و با اضافه کردن عناصری مثل تیتانیوم، مس و مولیبدن می توان خواص و ویژگی های آن را تغییر داد.
• فریتی : ساختار فریتی از فولاد کریستالی از نوع BBC است. میزان کروم در این مدل بین 11 تا 30 درصد است. یعنی کروم به کار رفته در فولاد فریتی نسبت به مارتنزیتی بیشتر است ولی فاقد نیکل یا درصد خیلی کمی از نیکل می باشد. از ان جا که مقاومت حرارتی این نوع فولاد ضد زنگ بالاست به همین دلیل از آن در ساخت اگزوز خودرو، ظروف پخت و پز و ... استفاده می شود.
• آستنیتی - فریتی (دوفازی) : همانطور که از نام این نوع فولاد ضد زنگ پیداست، ترکیبی از آستنیتی و فریتی به صورت 50 - 50 می باشد. همین ترکیب باعث افزایش مقاومت آن در برابر خوردگی و ترک شده است. ضمنا لازم به ذکر است که این مدل نسبت به آستنیتی استحکام بیشتری دارد.
• رسوب سخت : در ساختار این نوع فولاد ضد زنگ علاوه بر نیکل و کروم که در مدل های قبلی وجود داشت، تیتانیوم و مولیبدین نیز وجود دارد. ترکیب خاص این نوع فولاد ضد زنگ باعث شده تا انعطاف پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بالایی داشته باشد و به همین دلیل اغلب از آن در صنایع خاص مثل صنعت هوا فضا استفاده می شود.

اگر علاقه مند به مطالعه دیگر مقاله ها هستید می توانید مقاله لوله گالوانیزه چیست؟ را مطالعه نمایید.