آهن زنگ نزن یکی از مهم‌ترین مواد صنعتی است که به دلیل ویژگی‌های خاص خود، در بسیاری از وسایل روزمره و صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. شاید برای شما هم جالب باشد که چرا برخی از وسایل فلزی مانند قاشق و چنگال‌ها و یا سینک آشپزخانه هیچ‌وقت زنگ نمی‌زنند! این ویژگی شگفت‌انگیز به دلیل وجود عنصر کروم در آهن زنگ نزن است. این ماده با تشکیل یک لایه محافظ بر روی سطح فلز، مانع از زنگ‌زدگی می‌شود.
در این تحقیق از دیبامگ، به بررسی ویژگی‌های آهن زنگ نزن، علت مقاومت آن در برابر زنگ‌زدگی و کاربردهای مختلف آن در زندگی روزمره و صنایع مختلف می‌پردازیم. با خواندن این مطلب، متوجه خواهید شد که چگونه یک فلز ساده می‌تواند با تغییراتی هوشمندانه به یکی از مواد پرکاربرد در جهان تبدیل شود.
فولاد زنگ نزن چیست؟
همه ما می‌دانیم که آهن در معرض هوا زنگ می‌زند. این به دلیل ترکیب آهن با اکسیژن موجود در هوا است که باعث ایجاد اکسید آهن یا همان زنگ آهن قرمز رنگ می‌شود. فولاد زنگ نزن یا ضد زنگ به گروهی از آلیاژهای مبتنی بر آهن گفته می‌شود که حداقل ۱۰.۵ درصد کروم (Cr) دارند. کروم با ایجاد لایه‌ای از اکسید کروم بر سطح فولاد، آن را در برابر زنگ‌زدگی مقاوم می‌سازد.
هنگامی که فولاد زنگ نزن دچار خراش یا برش می‌شود، کروم موجود در آن به سرعت اکسید می‌شود و لایه محافظتی را دوباره بازسازی می‌کند. به دلیل این ویژگی خود ترمیمی، فولاد بدون زنگ‌زدگی (Stainless) باقی می‌ماند.
مخترع فولاد زنگ نزن
در سال ۱۸۲۱، پیر برته، یک مهندس فرانسوی، مشاهده کرد که افزودن مقدار معینی کروم به آهن باعث افزایش سختی و مقاومت آن در برابر خوردگی اسیدی می‌شود. در سال ۱۹۰۹، لئون گویله و آلبرت پورتوین، هر کدام به طور مستقل در فرانسه، ریزساختار آلیاژهای Fe-Cr و Fe-Cr-Ni را بررسی کردند. اما در سال ۱۹۱۳، هری بریرلی، یک متالوژیست انگلیسی، این کشف را با صنعتی کردن فولاد مارتنزیتی به واقعیت رساند. وی بر روی انواع مختلف آهن برای تولید سلاح کار می‌کرد و متوجه شد که فولادی با ۱۳ درصد کروم پس از گذشت چند ماه همچنان بدون آسیب باقی مانده است.
ویژگی‌های فولاد زنگ نزن
لایه محافظ فولاد زنگ نزن بسیار نازک است، ضخامت آن تنها حدود ۱۳۰ آنگستروم است (هر آنگستروم معادل یک میلیونم سانتی‌متر). ویژگی‌های این لایه شامل موارد زیر می‌شود:
- غیر واکنشی: با سایر مواد واکنش نمی‌دهد و اثر نمی‌گذارد.
- پایدار: به سطح فولاد چسبیده و از جایش حرکت نمی‌کند.
- خودترمیمی: در صورت آسیب دیدن، کروم موجود در فولاد با اکسیژن هوا واکنش می‌دهد و اکسید کروم بیشتری تولید می‌کند تا ناحیه آسیب‌دیده را پوشش دهد.
این خصوصیات به این معنا است که یک چاقوی ساخته شده از فولاد زنگ نزن می‌تواند برای مدت‌های طولانی بدون زنگ‌زدگی مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از مقادیر بیشتر کروم و افزودن آلیاژهایی مانند نیکل و مولیبدن به تقویت این لایه محافظتی کمک کرده و مقاومت فولاد در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد. کروم عامل اصلی مقاومت در برابر خوردگی است، اما آلیاژهای دیگر مانند نیکل و مولیبدن نیز به افزایش این مقاومت کمک می‌کنند. علاوه بر این، فولاد زنگ نزن حداقل ۱۰.۵ درصد کروم دارد و قابل بازیافت است.
آیا فولاد زنگ نزن زنگ می‌زند؟
این تصور که فولاد زنگ نزن هرگز زنگ نمی‌زند، درست نیست. فولادهای زنگ نزن در محیط‌های پاک و در آب شیرین یا آب دریا که در حال جریان است، بدون زنگ باقی می‌مانند. اما در شرایط خاص مانند هوای مرطوب دریایی یا در آب راکد، فولاد زنگ نزن نوع ۳۰۴ ممکن است دچار خوردگی شود. معمولاً این خوردگی به شکل حفره‌ای ظاهر می‌شود. محیط و ترکیب شیمیایی فولاد هر دو نقش مهمی در ایجاد زنگ و خوردگی حفره‌ای ایفا می‌کنند.
کاربردهای فولاد زنگ نزن
فولاد زنگ نزن در ساخت انواع محصولات و وسایل استفاده می‌شود که در زیر به برخی از این کاربردها اشاره می‌کنیم:
- کاربرد خانگی: کارد و چنگال، سینک ظرفشویی، ماهی‌تابه‌ها، محفظه ماشین لباس‌شویی، فرهای مایکروویو و تیغ‌ها.
- معماری و مهندسی عمران: پوشش‌ها، نرده‌ها، اتصالات درب و پنجره، مبلمان شهری، سازه‌های ساختمانی، ستون‌های روشنایی و پایه‌های ساختمانی.
- حمل و نقل: سیستم‌های اگزوز، پنجره‌ها و فضای داخلی خودروها، تانکرهای خیابانی، مخازن کشتی و سایر وسایل نقلیه.
- کاربرد شیمیایی و دارویی: مخازن تحت فشار، لوله‌های فرآوری.
- صنعت نفت و گاز: تجهیزات نفتی و گازی، جعبه کابل، و خطوط لوله زیرزمینی.
- پزشکی: تجهیزات جراحی، ایمپلنت‌ها و دستگاه‌های تصویربرداری مانند MRI.
- صنعت غذا و نوشیدنی: وسایل پذیرایی، تجهیزات جوشاندن و تقطیر، پردازش غذا.
- کاربردهای مرتبط با آب: تصفیه آب و فاضلاب، لوله‌های آب و مخازن آب گرم.
- کاربردهای عمومی: فنرها، پیچ‌ها، مهره‌ها، واشرها و سیم‌ها.
انواع فولاد زنگ نزن
سه نوع اصلی فولاد زنگ نزن و ویژگی‌های آن‌ها عبارتند از:
آستنیتی (استیل نگیر)
- آلیاژهای کروم، نیکل و آهن با ۱۶ تا ۲۶ درصد کروم و ۶ تا ۲۶ درصد نیکل که دارای خاصیت غیر مغناطیسی هستند.
- نیکل باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود.
- این نوع فولاد در دمای پایین سخت می‌شود و پس از گرم و سرد شدن، مقاومت بالایی پیدا می‌کند.
- نوع ۳۰۴ (۱۸ درصد کروم، ۸ درصد نیکل) پرکاربردترین نوع است.
مارتنزیتی (استیل بگیر)
- آلیاژهای کروم-آهن با ۱۰.۵ تا ۱۷ درصد کروم و کربن کم که قابلیت سخت شدن از طریق سرد کردن سریع دارند.
- دارای خاصیت مغناطیسی است و عمدتاً در ساخت چاقو استفاده می‌شود.
- این نوع فولاد بسیار سخت و قوی است، اما شکل‌دهی و جوشکاری آن دشوار است. نوع ۴۲۰ از نمونه‌های رایج آن است.
فریتی (استیل بگیر)
- آلیاژهای کروم-آهن با ۱۷ تا ۲۷ درصد کروم و کربن کم که خاصیت مغناطیسی دارند.
- از این نوع فولاد برای ساخت ظروف آشپزی با سطح بالای کروم استفاده می‌شود.
- نوع ۴۳۰ از پرکاربردترین فریتی‌ها است.
- دو نوع دیگر نیز شامل دوپلکس (ترکیبی از آستنیتیک و فریتیک) و رسوبات سخت‌شده است که در شرایط خاص استفاده می‌شوند.