استیل یا استنلس استیل چیست | انواع استیل و کاربردها
استنل استیل ها یا فولادهای ضد زنگ گروهی از آلیاژهای آهن هستند که با افزودن برخی عناصر دیگر ساخته می شوند. ساخت استنلس استیل ها به صورت اتفاقی انجام گرفت ولی پس از آن به عنوان یکی از پرمصرف ترین آلیاژهای آهن در صنایع مختلف به کار برده شده است. به طور کلی به استنلس استیل حاوی حداقل ۱۰.۵ درصد عنصر کروم است و بنابر ویژگی هایی که مورد نیاز است عناصر دیگر مانند نیکل، آلومینیوم، مس و ... نیز ممکن است به آن افزوده شود. مهمترین ویژگی استنلس استیل مقاومت آن در برابر زنگ زدگی و خوردگی ست. امروزه گریدهای مختلفی از استنلس استیل ها ساخته شده است که هر کدام کاربرد مخصوص به خود را دارند. استیل های آستنیتی، مارتنزیتی، فریتی، دوپلکس و رسوب سختی ۵ گروه متداول از انواع استنلس استیل ها هستند.
مقدمه
استیل یکی از پرکاربردترین آلیاژهای فلزی در صنایع مختلف است که به دلیل ویژگی‌های خاص خود مانند استحکام بالا، قابلیت جوشکاری، شکل‌پذیری و سختی مورد توجه قرار گرفته است. از سوی دیگر، استنلس استیل یا فولاد ضد زنگ، نوعی آلیاژ ویژه است که با افزودن عناصر مانند کروم، نیکل و مولیبدن، مقاومت بالایی در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی پیدا می‌کند. در این مقاله به بررسی جامع این دو نوع آلیاژ، انواع مختلف آنها و کاربردهایشان در صنایع گوناگون خواهیم پرداختبه دلیل فراوانی، استحکام و چند منظوره بودن آهن پرکاربردترین فلز توسط انسان است. هر چند در شکل خالص فولاد در برابر اکسیژن بسیار حساس است و با آن واکنش میدهد. همین مساله باعث زنگ زدگی سریع آهن می شود که یکی از نقاط ضعف آن به شمار می آید. برای حل این مشکل تاکنون راه حل های متفاوتی به کار گرفته شده است. یکی از آن ها ترکیب کردن آن با برخی عناصر دیگر است که مانع از زنگ زدگی آهن می شوند.
استنلس استیل (Stainless Steel) یا فولاد ضد زنگ که در کشور ما به اختصار به آن استیل نیز گفته می شود در واقع آلیاژهایی از آهن هستند که با اضافه شدن برخی از عناصر مانند کروم، نیکل و ... در برابر خوردگی و ضدزدگی مقاوم شده اند.
استنلس استیل یا همان فولاد ضد زنگ نام خانواده‌ای از فولادهای مقاوم در برابر خوردگی است که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردشان کاربرد بسیار زیادی در صنعت دارند. امروزه انواع ورق استیل، لوله استیل و سایر مقاطع با انواع آلیاژ استیل برای کاربردهای مختلف تولید می‌شوند.
استیل چیست؟
استیل یک آلیاژ فلزی است که عمدتاً از آهن و کربن تشکیل شده است. میزان کربن در این آلیاژ کمتر از 1.5٪ است که تأثیر مستقیمی بر خواص مکانیکی آن دارد. علاوه بر کربن، عناصر دیگری مانند منگنز، تنگستن، وانادیم، فسفر و گوگرد نیز ممکن است به استیل اضافه شوند تا ویژگی‌های مکانیکی خاصی به آن بدهند.
انواع استیل
استیل‌ها بر اساس ترکیب شیمیایی و کاربرد به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند:
استیل کربنی:
متداول‌ترین نوع استیل
شامل مقادیر کمی از عناصر آلیاژی دیگر
به سه دسته کم کربن، متوسط کربن و پرکربن تقسیم می‌شود
کاربرد در ساختمان‌سازی، لوله‌ها، پل‌ها و خودروها
استیل آلیاژی:
حاوی عناصر آلیاژی مانند نیکل، کروم، مولیبدن و وانادیم
استحکام و مقاومت بهتری در برابر خوردگی و سایش دارد
مورد استفاده در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
استیل ضد زنگ (استنلس استیل):
دارای حداقل 10.5٪ کروم
مقاومت بالا در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی
مورد استفاده در تجهیزات پزشکی، صنایع غذایی و معماری
استیل ابزار:
شامل عناصر سخت‌کننده مانند تنگستن و مولیبدن
مورد استفاده در ساخت ابزارهای برش، قالب‌ها و تجهیزات صنعتی
تاریخچه استنلس استیل
گروهی از آلیاژها که امروزه به نام فولادهای ضد زنگ یا استنلس استیل شناخته می شوند در سال 1913 در شفیلد انگلستان معرفی شدند. مهندسی به نام هری بررلی (Harry Brearley) در حالی که تعدادی از آلیاژها را برای ساخت لوله تفنگ مورد بررسی قرار می داد، متوجه شد نمونه هایی از یکی از این آلیاژها زنگ نمی زند و در مقابل حکاکی نیز مقاوم است. هنگامی که او این آلیاژ را مورد بررسی بیشتر قرار داد متوجه شد که حاوی 13 درصد کروم است. همین مساله موجب شد تا استیل های ضد زنگ توسعه یابند. هم زمان با این کشف، در فرانسه نیز مطالعاتی روی استیل های ضد زنگ در حال انجام بود که منجر به ساخته شدن اولین فولادهای ضد زنگ آستنیتی شد.
مصرف استنلس استیل از زمان پیداش تا کنون در حال افزایش بوده است. بر اساس تحقیقاتی که صورت گرفته است بین سال های 1950 تا 2001 هر ساله به طور متوسط 5.8 درصد مصرف استنلس استیل ها افزایش داشته است. هر چند میزان مصرف در کشورهای مختلف با یکدیگر برابر نیست. مصرف سرانه برخی کشورها مانند تایوان، سنگاپور، آلمان و ژاپن بیشتر از سایر کشورهاست.
استنلس استیل چیست؟
استنلس استیل نوعی فولاد آلیاژی است که حداقل 10.5٪ کروم در ترکیب آن وجود دارد. این کروم با اکسیژن واکنش داده و یک لایه محافظ اکسید کروم تشکیل میدهد که مانع از زنگ‌زدگی و خوردگی می‌شود. این آلیاژ بسته به نوع کاربرد و درصد ترکیبات شیمیایی به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شود.
خانواده ی فولادهای ضد زنگ
استنلس استیل ها آلیاژهایی بر پایه آهن هستند که حداقل حاوی 10.5 درصد کروم می باشند. وجود کروم باعث می شود تا یک فیلم اکسید خود ترمیم کننده (Self-healing) بر روی فلز تشکیل شود. همین فیلم دلیل ضد زنگ بودن و یا به اصطلاح استنلس (Stainless) بودن استیل می باشد. توانایی اکسید ایجاد شده در ترمیم خود به این معنی ست که صرف نظر از اینکه چه مقدار از سطح فولاد برداشته شود، فلز در برابر خوردگی مقاوم است. این مساله زمانی فولادهای کربنی و یا کم آلیاژ به وسیله پوشش های فلزی مانند روی یا کادمیوم یا به وسیله روش های ارگانیک مانند رنگ کردن محافظت می شوند مشاهده نمی شود. در واقع خاصیت خود ترمیمی وجه تمایز استیل های ضد زنگ با روش های پوشش دهی (Coating) جهت محافظت از فولاد است.
هر چند که تمام استنلس استیل ها به درصد کروم موجود وابسته هستند اما اضافه کردن عناصر آلیاژِی دیگر نیز ویژگی های استیل را ارتقا می دهد. گروه بندی استیل های ضد زنگ در بین فلزات غیر معمول است چرا که بر اساس ساختار متالورژیکی آن ها این کار انجام می شود. منظور از ساختار متالورژیکی نحوه ی قرار گرفتن اتم هایی ست که دانه های فولاد را به وجود می آورند و می توانند هنگامی که یک بخش پولیش خورده از فولاد زیر میکروسکوپ قرار می گیرد مشاهده شود.
بر اساس مقدار دقیق ترکیبات شیمیایی موجود در استیل، ساختار آن می تواند در یک فاز پایدار آستنیتی (Austenite)، فریتی(Ferrite)، دوپلکس (Duplex)، مارنتریتی (Martensite) و رسوب سختی (Precipitation Hardening) قرار بگیرد.
ارتباط بین خانواده های مختلف استنلس استیل در شکل زیر نشان داده شده است.
در حال حاضر بیشتر از 100 نوع استنلس استیل ساخته شده است که در اصطلاح به آن گرید گفته می شود. در ادامه در خصوص هر کدام از انواع گروه های استنلس استیل توضیحاتی ارائه خواهد شد.
کاربردهای استیل و استنلس استیل
ساختمان‌سازی و معماری:
استیل کربنی در سازه‌های فولادی، پل‌ها و لوله‌های انتقال
استنلس استیل در نرده‌ها، نمای ساختمان و دکوراسیون داخلی
صنایع غذایی و بهداشتی:
تجهیزات آشپزخانه، سینک‌های ظرف‌شویی و یخچال‌ها
مخازن و لوله‌های صنایع لبنی و نوشیدنی‌سازی
صنایع خودروسازی و هوافضا:
استفاده از استیل در بدنه خودرو، شاسی و اگزوز
استنلس استیل در اجزای مقاوم در برابر حرارت و خوردگی
صنایع نفت، گاز و پتروشیمی:
استیل آلیاژی و ضد زنگ در خطوط لوله، مخازن ذخیره و تجهیزات حفاری
پزشکی و داروسازی:
ابزارهای جراحی، تجهیزات دندانپزشکی و دستگاه‌های استریل‌سازی
انواع استنلس استیل
استنلس استیل آستنیتی (سری 300):
پرکاربردترین نوع
حاوی کروم و نیکل
غیر مغناطیسی و دارای مقاومت عالی در برابر خوردگی
مورد استفاده در صنایع غذایی، پزشکی و دریایی
استیل های آستنیتی پرکاربردترین گرید استیل است. این گروه حاوی حداقل 16 درصد کروم و 6 درصد نیکل است. ( گرید پایه 304 در برخی موارد به عنوان 8/18 هم شناخته می شود.) عناصر دیگری مانند مولیبدیوم، تیتانیوم یا مس نیز برای بهبود و تعدیل بسیاری از ویژگی های این گروه مانند تحمل دمای بالا و مقاومت به خوردگی می تواند به آن اضافه شود. این دسته از استیل ها برای کاربرد در دمای کم نیز مناسب است چرا که نیکل از مشکل تردی فولاد در دماهای پایین جلوگیری می کند. از این گروه استیل در ساخت وسایل خانه، صنعت، ساخت و ساز و دکوراسیون استفاده می شود.
استنلس استیل فریتی (سری 400):
حاوی مقدار زیادی کروم و مقدار کمی نیکل
مغناطیسی با مقاومت خوب در برابر خوردگی
استفاده در لوازم خانگی، خودروها و سیستم‌های اگزوز
استیل های فریتی مقاومت مکانیکی کمتری دارند اما در برابر خوردگی و گرما مقاومت بیشتری دارند. همچنین در برابر ترک خوردن نیز مقاوم تر هستند. ماشین های شستشو یا بویلرها از این نوع استیل ساخته می شوند.
مقدار کروم در این گروه بین 10.5 تا 18 درصد است. گریدهایی مانند 430 و 409 در این دسته قرار دارند. مقدار مقاومت به خوردگی و همچنین ویژگی های ساخت ضعیف در گریدهای با آلیاژ بیشتر مانند 434 و 444 اصلاح شده است.
استنلس استیل مارتنزیتی:
دارای مقدار متوسط کروم
سختی و استحکام بالا، اما مقاومت کمتر در برابر خوردگی
کاربرد در ابزارهای جراحی و قطعات مکانیکی
در استیل های مارتنزیتی کروم به عنوان عنصر آلیاژی اصلی است. مقدار کربن نیز بالاتر است اما مقدار کروم در مقایسه با استیل های فریتی کاهش یافته است. برای مثلا در گریدهای 410 و 416 به میزان 12 درصد کروم وجود دارد. گرید 431 حاوی 16 درصد کروم است اما میکروساختار آن با وجود مقدار بیشتر کروم همچنان مارتنزیتی است چرا که حاوی 2 درصد نیکل است.
این گروه از استیل ها سخت تر و محکم تر از سایر انواع هستند اما در برابر خوردگی مقاومت زیادی ندارند. از این گروه برای ساخت چاقو و پره های توربین استفاده می شود.
استنلس استیل دوبلکس:
ترکیبی از خواص استیل آستنیتی و فریتی
مقاومت بالا در برابر خوردگی در محیط‌های سخت
استفاده در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
استیل های دوپلکس مانند 2205 و 2507 ( این اسامی نشان میدهد که استیل حاوی 2 درصد کروم، 5 درصد نیلک و یا 25 درصد کروم و 7 درصد نیکل است. اما هر دوی آنها مقدار کمی عناصر الیاژی دیگر نیز در خود دارند) می باشند. میکروساختار استیل های دوپلکس بین آستنیتی و فریتی قرار دارد و ترکیبی از خصوصیات هر دو گروه را دارند.در مقابل خوردگی تنشی مقاوم هستند، البته به اندازه فولادهای فریتی مقاوم نیستند. سختی آن ها از فولادهای فریتی بالا اما کمتر از استیل های آستنیتی ست. مقاومت آنها از استیل های آستنیتی بیشتر است. به علاوه استیل های دوپلکس از نظر مقاومت به خوردگی بهتر یا برابر با استیل های 304 و 316 هستند اما مقاومت به خودرگی حفره ای بهتر از استیل 316 ست. سختی استیل های دوپلکس در دمای کمتر از 50- درجه و بیشتر از 300 درجه کاهش می یابد به همین دلیل باید در این بازه ی دمایی مورد استفاده قرار گیرد.
این گروه از استیل ها در مواردی به کار برده می شوند که هم استحکام و هم انعطاف در کنار مقاومت به خوردگی مورد نیاز است. از استیل های دوپلکس در کشتی سازی استفاده می شود.
رسوب سختی:
این گروه از استنلس استیل ها در واقع زیر کلاسی از آلیاژها هستند. جایی که استیل های آستنیتی و مارتنزیتی با هم همپوشانی دارند. استیل های رسوب سختی (Precipitation Hardening) به دلیل اضافه کردن عناصری مانند آلومینیوم، مس و نیوبیوم استحکام مکانیکی بسیار بالایی دارند.
این گروه استیل شامل نیکل و کروم است که می تواند در افزایش استحکام تنشی بسیار موثر باشد. متداول ترین گرید در این گروه 17-4 PH است که به عنوان گرید 630 نیز شناخته می شود. این گرید 17 درصد کروم، 4 درصد نیکل، 4 درصد مس و 0.3 درصد نیوبیم دارد. مزیت بالای این دسته از استیل ها این است که می توانند در شرایط محلول حرارتی ساخته شود. در این شرایط استیل قابلیت ماشینکاری دارد. استیل میتواند با دمای کم سرد شود که باعث می شود اعوجاجی در این شکل نگیرد.
ویژگی های استنلس استیل ها
ویژگی های عمومی گروه های مختلف استیل های ضد زنگ در مقایسه با فولادهای کربنی نرم می تواند به صورت زیر بیان شود:
- نرخ کار سختی بالاتر
- چکش خواری بالاتر
- مقاومت و سختی بالاتر
- مقاومت حرارتی بالاتر
- مقاومت به خوردکی بالاتر
- سختی برودتی بیشتر
- پاسخ مغناطیسی کمتر ( فقط آستنیتی)
این ویژگی ها به طور خاص در مورد استیل های آستنیتی صدق می کند.
تفاوت‌های استیل و استنلس استیل
| ویژگی | استیل | استنلس استیل |
|---|---|---|
| وزن | کمتر | بیشتر |
| ترکیب | آهن و کربن | آهن، کروم، نیکل و مولیبدن |
| مقاومت در برابر خوردگی | کم | بسیار زیاد |
| زنگ‌زدگی | مستعد زنگ‌زدگی | مقاوم در برابر زنگ‌زدگی |
| سختی | بالا | بسته به ترکیب متغیر |
| مقاومت حرارتی | متوسط | بسیار زیاد |
| قابلیت جوشکاری | بالا | متوسط |
| قیمت | ارزان‌تر | گران‌تر |
استانداردهای دسته بندی استنلس استیل ها
انواع مختلفی از استیل های ضد زنگ وجود دارد. انستیتوی آهن و فولاد آمریکا (AISI) در گذشته برای مشخص کردن گریدها از یک سیستم نامگذاری با عداد سه رقمی استفاده می کرده است. این قانون امروزه با سیستم های SAE و ASTM جایگزین شده است. در این سیستم ها یک حرف و 5 رقم UNS به گریدهای جدید اختصاص می دهد. نحوه دقیق این سیستم نامگذاری در کتاب SAE/ASTM handbook of Unified Numbering System آورده شده است.
مقایسه مشخصات گریدهای مختلف استنلس استیل
| گروه استیل | پاسخ مغناطیسی | نرخ کار سختی | مقاومت به خوردگی | سختی پذیری | چکش خواری | مقاومت به دمای بالا | مقاومت به دمای پایین | جوش پذیری |
| آستنیتی | به طور عمومی نه | بسیار بالا | بالا | با کار سرد | بسیار بالا | بسیار بالا | بسیار بالا | بسیار بالا |
| دوپلکس | بله | متوسط | بسیار بالا | نه | متوسط | پایین | متوسط | بالا |
| فریتی | بله | متوسط | متوسط | نه | متوسط | بالا | پایین | پایین |
| مارتنزیتی | بله | متوسط | متوسط | کوئنچ و تمپر | پایین | پایین | پایین | پایین |
| رسوب سختی | بله | متوسط | متوسط | سخت کردن زمانی | متوسط | پایین | پایین | بالا |
نکته: برخی از گریدهای استیل های آستنیتی درصورتیکه کار سرد روی آنها انجام شود می توانند به آهن ربا جذب شوند.
جمع‌بندی درباره استیل و استنلس استیل
استیل یک آلیاژ فلزی متشکل از آهن و کربن است که با افزودن عناصر دیگر، ویژگی‌های خاصی مانند استحکام، سختی و قابلیت جوشکاری به دست می‌آورد. با این حال، استیل معمولی در برابر خوردگی مقاوم نیست و در محیط‌های مرطوب زنگ می‌زند.
استنلس استیل یا فولاد ضد زنگ، نوعی استیل است که با افزودن کروم (حدود ۱۸٪) و عناصر دیگر مانند نیکل، مولیبدن و تیتانیوم، مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی دارد. این ویژگی آن را برای کاربردهای صنعتی، غذایی، پزشکی و معماری ایده‌آل می‌کند.
مقایسه استیل و استنلس استیل:
مقاومت در برابر خوردگی: استنلس استیل به دلیل داشتن کروم، مقاومت بالایی دارد، در حالی که استیل معمولی زنگ می‌زند.
ظاهر: استیل معمولی مات است، اما استنلس استیل براق و زیباتر است.
کاربرد: استیل در صنایع ساختمانی و مکانیکی استفاده می‌شود، در حالی که استنلس استیل در محیط‌های مرطوب و خورنده مانند صنایع غذایی و پزشکی کاربرد دارد.
قیمت: به دلیل ترکیبات خاص، قیمت استنلس استیل بالاتر از استیل کربنی است.
برای دریافت مشاوره تخصصی در زمینه انتخاب انواع استیل و استنلس استیل، می‌توانید با کارشناسان آرتافولادآریاراد تماس بگیرید:
شماره تماس: 03132923
کانال تلگرام: t.me/arta_fooladariarad
