در دنیای امروز به علت پیشرفت صنایع مختلف و کاربرد روز افزون قطعات فلزی، انواع مختلف آهن به ویژه آهن زنگ نزن دارای اهمیت بسیار بوده و به شدت مورد استفاده و توجه هستند. در کشور ما نیز لوله ها و قطعاتی که با جنس آهن زنگ نزن و فولاد تولید میشوند، بسیار مهم و کاربردی هستند. دلیل استفاده گسترده از انواع آهن زنگ نزن، ویژگیهای خاص، مفید و کاربردی آن ها است که از جمله مهم ترین این خواص مقاوم بودن آن ها در برابر خوردگی یا همان ضد زنگ بودن هست.
همان طور که به طور مختصر اشاره شد، آهن زنگ نزن نامی عمومی برای تعدادی از آهنهای مختلف است که عمدتاً به دلیل مقاومت آنها در برابر خوردگی از آنها استفاده میشود. یکی از محصولاتی که با جنس آهن زنگ نزن به طور گسترده در صنعت تاسیسات مورد استفاده است و در واقع جزء اصلی اکثر صنایع است، لوله های آهنی زنگ نزن هستند. لوله ها به طور کلی از روش های مختلفی دسته بندی می شوند. از مهم ترین خصوصیات لوله ها برای دسته بندی، میتوان به درزدار یا بدون درز (مانیسمان) بودن آن ها و جنس لوله اشاره کرد.
لوله ها و قطعات مورد استفاده و کاربردی در صنایع مختلف از جنس های مختلفی ساخته می شوند. در میان فلزات پر کاربرد در ساخت قطعات، میتوان به انواع آهن زنگ نزن اشاره کرد. انواع مختلف لوله های آهن زنگ نزن و استیل در بازار موجود بوده و تقاضای بالایی در بازار دارند و در کنار دیگر قطعات با این جنس، یکی از پر استفاده ترین محصولات هستند. برای استفاده درست و مناسب از انواع لوله ها، اتصالات و قطعات مختلف در تاسیسات و صنایع متفاوت ابتدا لازم است تا با خصوصیات جنس آن ها آشنا شویم.
در این مطلب، ابتدا به معرفی آهن زنگ نزن می پردازیم و اقدام به تعریف آن کرده و با ویژگی های فلز آهن و آهن زنگ نزن آشنا خواهیم شد. سپس پس از معرفی ویژگی ها و خصوصیات آهن زنگ نزن، انواع آهن زنگ نزن را بر میشماریم و به آشنایی با مزایا و معایب و همچنین کاربردهای آهن های زنگ نزن می پردازیم. در این بین درباره تاریخچه ای از آهن زنگ نزن و مخترع آن نیز مطالبی را خواهید دید.
آهن زنگ نزن چیست؟
آهن زنگ نزن نام عمومی برای تعدادی از آهنهای مختلف است که عمدتا به دلیل مقاومت آنها در برابر خوردگی از آنها استفاده میشود. تمامی آهنهای زنگ نزن دارای حداقل ۱۰.۵ درصد کروم هستند. این عنصر با اکسیژن موجود در هوا واکنش میدهد و یک لایه سطحی کروم اکسید پیچیده ایجاد میکند که نامرئی است، اما برای جلوگیری از ترکیب بیشتر اکسیژن و پیشگیری از زنگ زدن سطح کفایت میکند.
تاریخچه آهن
آهن با نماد شیمیایی Fe، نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷۸۷۴ کیلوگرم بر مترمکعب است. آهن یک فلز است و از دیدگاه جرم، بزرگترین عنصر سازنده کره زمین است. آهن اصلیترین عنصر سازنده هسته بیرونی و درونی زمین و چهارمین عنصر متداول در پوسته است. این امر حاکی از فراوانی آن در زمین بوده و امکان به کارگیری آن برای ساخت قطعات مختلف را نشان می دهد. در ادامه نگاهی به تاریخچه استفاده از آهن و پس از آن آهن زنگ نزن در زمین می اندازیم.
اولین آهن شکل گرفته که توسط بشر در دوره پیش از تاریخ مصرف شد از شهاب سنگ ها آمده بود. ذوب آهن در کوره ها در هزاره دوم پیش از میلاد شروع شد، آثار کشف شده از آهن ذوب شده از ۱۲۰۰–۱۸۰۰ پیش از میلاد در هند و در مشرق از حدود ۱۵۰۰ سال پیش از میلاد بدست آمده است. در حدود 1۴۰۰ پیش از میلاد، از قطعات آهنی در قلمرو هیتیها در ارمنستان کنونی استفاده میشد که این به عنوان نخستین نمونه های مشاهده شده از مصرف این عنصر است.روند شکل گیری و اختراع آهن زنگ نزن به شرح زیر است.
تاریخچه آهن زنگ نزن
پیر با رتبه مهندس فرانسوی در سال ۱۸۲۱، مشاهده کرد که با افزایش مقدار مشخصی کروم به آهن، سفتی و مقاومت به خوردگی اسیدی آن بسیار افزایش مییابد. در ۱۹۰۹، لئون گویله و آلبرت پورتوین بهطور مستقل در فرانسه ریزساختار آلیاژهای Fe-Cr و Fe-Cr-Ni را بررسی کردند. در ۱۹۱۳ هری بریرلی متالوژیست انگلیسی برای اولین بار، با صنعتی سازی فولاد مارتنزیتی، این کشف را تجاری سازی کرد. عده ای به همین علت هری بریرلی را مخترع آهن زنگ نزن می داند. در زیر تصویر او را مشاهده می کنید.
آهن زنگ نزن یکی از پرکابردترین فولادهایی است که در صنایع مختلف از آن استفاده میشود و نقش مهمی در زندگی روزمره انسان دارد. همانطور که از نام آن پیداست این آهن، ضد زنگ است و دچار خوردگی نمیشود. فرآیند زنگ زدن به اکسیداسیون آهن گفته می شود که عموما به واسه واکنش با اکسیژن انجام می شود ولی نمونه های دیگری از زنگ زدن وجود داشته که از واکنش آهن و کلر حاصل می شوند که با نام زنگ سبز شناخته می شود. آهن زنگ نزن به علت دارا بودن حداقل ۱۰.۵ درصد کروم، دچار زنگ زدگی نمی شود.
یکی از رایج ترین ترکیب های که وجود دارد زنگ است که از ترکیب اکسید آهن هست. آهن در این ترکیب خیلی سریع با اکسیژن ترکیب می شود و زنگ آهن را پدید می آورد. در طبیعت خیلی کم می توان آهنی را یافت که خالص باشد.
به طور خلاصه تعریف آهن زنگ نزن به شرح زیر است:
آهن زنگ نزن در اصل اصطلاح درست فولاد زنگ نزن است. زیرا هنگامی که کربن به آهن افزوده می شود تبدیل به آلیاژ تبدیل شده و از وضعیت عنصری خود خارج می گردد. این آلیاژ ضد زنگ بوده و به راحتی دچار خوردگی نمی شود. به علت فعال بودن فلز آهن وقتی در مجاورت اکسیژن و رطوبت قرار می گیرد به اصطلاح می گویند زنگ زده است، در واقع آهن با اکسیژن تشکیل اکسید آهن داده که قرمز رنگ بوده و روی آن را می پوشاند.
در این بخش با تعریف آهن زنگ نزن و یکی از خصوصیات بارز آن که ضد زنگ و خوردگی بودن آن است، آشنا شدیم همچنین به طور خلاصه به تاریخچه آهن و آهن زنگ نزن اشاره کردیم. در بخش بعدی به ویژگی های مختلف آهن زنگ نزن می پردازیم.
ویژگی های آهن زنگ نزن
همان طور که پیشتر، آهن زنگ نزن را تعریف کردیم، می دانیم که آهن زنگ نزن (فولاد زنگ نزن) در واقع آلیاژی از آهن است که اصلیترین عناصر تشکیل دهنده آن آهن، کروم و نیکل است و در آن حداقل درصد جرمی کروم ۱۰٫۵ درصد و حداکثر درصد جرمی کربن ۱٫۲ درصد است.
آهن های ضد زنگ، به دلیل خاصیت غیرفعال شدن خود توانایی مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی از خود نشان می دهند. آهن های زنگ نزن به دلیل شکل گرفتن یک لایه غیر فعال بر روی سطحشان که به شدت به ماده زیرین پیوند خورده است و از تماس بیشتر ماده به محیط اطراف جلوگیری میکند چنین خاصیتی دارند. برای اینکه این پدیده غیرفعال سازی به طور پایدار در فولاد اتفاق بیفتد نیاز است که حداقل ۱۰٫۵ درصد از ماده را کروم تشکیل دهد.
مهم ترین ویژگی های آهن
- آهن دارای سطح صاف و نقره ای براق مایل به رنگ خاکستری است.
- آهن وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می شود به رنگ قرمز یا قهوه ای در می آید.
- آهن فراوان ترین فلز در شهاب سنگ ها و در هسته فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.
- آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می شود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت به آسانی اکسیده می شود.
مهم ترین ویژگی های آهن ضد زنگ
- دارای حداقل ۱۰٫۵ درصد از ماده کروم است.
- مقاوم در برابر اکسایش و زنگ زدگی و حمله اسیدها
- سطوح بالاتر کروم و همچنین افزودن سایر عناصر آلیاژی مثل نیکل و مولبیدن لایه سطحی را تقویت کرده و مقاومت آن را در برابر خوردگی مواد ضد زنگ افزایش می دهند.
- کروم همیشه عامل تعیین کننده است، اگرچه عناصر دیگر مثل نیکل و مولبیدن برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شوند.
- آهن زنگ نزن به طور کامل قابل بازیافت است.
استفاده از آهن به علت فراوانی آن و آهن زنگ نزن به دلیل همین ویژگی های زنگ نزن بودن و مقاومت بالای آن در برابر خوردگی در ساخت صنایع مختلفی از قبیل ساختمان سازی، سازههای زیرساختی، ابزارها، کشتیها، قطارها، خودروها و اکثر ماشین آلات و تجهیزات صنعتی، کاربرد گسترده دارد.
در ادامه با شیوه تولید آهن و آهن زنگ نزن آشنا می شویم.
تولید آهن فلزی و آهن زنگ نزن
برای ساخت آهن، دو روش عمده وجود دارد. روش اول آزمایشگاهی و روش دوم صنعتی است. روش اول به منظور تولید آهن خالص است. در ادامه این دو روش شرح داده شده اند.
-
روشهای آزمایشگاهی
در برخی کاربردهای خاص که به آهن خالص نیاز است میتوان آن را در آزمایشگاه در مقادیر کم از طریق کاهش اکسید خالص یا هیدروکسید آن با هیدروژن تولید کرد، یا میتوان پنتاکربونیل آهن را تا ۲۵۰ درجه سلسیوس گرم کرد تا تجزیه شده و آهن خالص پودری ایجاد گردد. روش دیگر الکترولیز کلرید آهن بر روی کاتد آهنی است.
-
روشهای صنعتی اصلی
امروزه، تولید صنعتی آهن، آهن زنگ نزن یا فولاد از دو مرحله اصلی تشکیل شده است. در مرحله اول، سنگ آهن با کک در کوره بلند کاهش یافته و فلز مذاب از ناخالصی هایی مانند کانیهای سیلیکات جدا می شود. در این مرحله آلیاژی به نام آهن خام تولید می شود که حاوی مقادیر نسبتاً زیادی کربن است. در مرحله دوم، توسط فرایند اکسایش مقدار کربن موجود در آهن خام کاهش مییابد تا آهن فرفورژه، فولاد یا چدن تولید شود. در این مرحله میتوان سایر فلزات را برای ساخت آلیاژهای فولادی به آن اضافه کرد.
انواع آهن زنگ نزن
در این بخش انواع آهن زنگ نزن بررسی و معرفی شده اند. سه دسته اصلی انواع آهن زنگ نزن و ویژگیهای آنها به شرح زیر است:
-
آستنیتیک (استیل نگیر)
- آلیاژهای کروم، نیکل و آهن با کروم ۱۶ تا ۲۶ درصد، نیکل 6 تا 26 درصد و مقدار کمی کربن با خواص غیر مغناطیسی.
- نیکل مقاومت در برابر خوردگی را افزایش میدهد.
- سخت شدن آن در دمای پایین و همچنین زمانی که گرم شود و بعد خنک شود است.
- نوع ۳۰۴ یا S۳۰۴۰۰ یا 1۸/۸ (۱۸ درصد کروم، ۸ درصد نیکل) پر استفادهترین ترکیب است.
مارتنزیتیک (استیل بگیر)
- آلیاژهای کروم- آهن با ۱۰.۵ تا ۱۷ درصد کروم و ترکیبات کربن به دقت کنترل شده است.
- سخت شدن آن به وسیله خنک شدن (به سرعت در آب یا روغن خنک میشود) و تغییر دما (گرم میشود سپس خنک میشود) است.
- مارتنستیک خواص مغناطیسی دارد.
- عمدتا در ساخت چاقو استفاده میشود.
- درجات مارتنستیک قوی و سخت هستند و شکل دهی و جوش کردن آنها سخت و دشوار است. نوع ۴۲۰ (S۴۲۰۰۰) نمونه معمول آن است.
فریتیک (استیل بگیر)
- آلیاژهای کروم- آهن با ۱۷ تا ۲۷ درصد کروم و با مقدار کمی کربن و دارای خواص مغناطیسی است.
- ظروف آشپزی ساخته شده از این نوع حاوی سطوح بالاتر کروم است.
- نوع ۴۳۰ رایجترین فریتیک مورد استفاده است.
- دو نوع دیگر آن شامل دوپلکس (با ساختارهای آستنیتیکی و فریتیکی) و رسوبات سخت شده آهن ضد زنگ است که در شرایط خاصی استفاده میشود.
علت زنگ نزن بودن آهن زنگ نزن (استنلس استیل)
در ادامه آورده شده است: هنگامی آهن ضد زنگ می شود که در میان عناصرش حداقل 10.5% کروم داشته باشد. این مقدار کروم پس از ترکیب شدن با اکسیژن هوا بر روی آهن زنگ نزن لایه ای را به نام اکسید کروم تشکیل می دهد که این لایه دیده نمی شود. این لایه باعث از بین رفتن ارتباط بین آهن و هوا می شود و در نتیجه آهن سالم می ماند. هر چه قدر مقدار کروم همراه عناصر دیگری همچون نیکل و مولیبدن بیشتر باشد این لایه تقویت می شود و خاصیت ضد زنگ بودن آهن را افزایش می دهد.
اگرچه آهن زنگ نزن نسبت به فولاد معمولی کربن یا دیگر آلیاژها در برابر خوردگی مقاوم تر است، اما در برخی موارد میتواند دچار خوردگی شود. این آهن کمتر زنگ میزند نه اینکه اصلا زنگ نزند. در محیطهای معمولی جو یا آب، آهن زنگ نزن خورده نمیشود و در سینکهای خانگی، سرویسهای غذا خوری، ماهی تابه و سطوح کار استفاده میشود و خوردگی ایجاد نمیکند.در شرایط شدید تر، آهن زنگ نزن اصلی ممکن است دچار خوردگی شود و در این صورت آلیاژ قوی تری از آهن زنگ نزن باید مورد استفاده قرار گیرد.
در ادامه به کاربرد های آهن زنگ نزن اشاره شده است.
مزایا، معایب و کاربرد های آهن های زنگ نزن چیست؟
آهن زنگ نزن یک ماده همه کاره است که می تواند برای طیف گسترده ای از کاربرد های مختلف استفاده شود. این کاربرد بسیار زیاد به علت ویژگی های مناسب آن است. از انواع مختلف آهن زنگ نزن برای ساخت هزاران وسیله استفاده می شود. در زیر به تعدادی از آنها اشاره میکنیم:
- کاربرد خانگی: کارد و چنگال، سینکها، ماهی تابه، گردونه ماشین لباس شویی، کوره ماکروفر، انواع تیغ.
- صنعت نفت و گاز: پایگاههای نفت و گاز در منزل، جعبه کابل، خطوط لوله زیر زمینی.
- پزشکی: تجهیزات جراحی، جراحی ایمپلنت، اسکنر ام آر آی (MRI)
- غذا و نوشیدنی: تجهیزات پذیرایی، جوشاندن، تقطیر، پردازش مواد غذایی.
- آب: آب و فاضلاب، لولههای آب، مخازن آب گرم.
- معماری و مهندسی عمران: روکشها، نرده ساختمان، اتصالات درب و پنجره، مبلمان خیابانی، بخشهای ساختاری، نوار تقویت شده، ستونهای روشنایی، تیر سردرها، پایههای بنایی.
- حمل و نقل: سیستمهای اگزوز، پنجره و داخل خودروها، تانکرهای خیابانی، انبارهای کشتی، تانکرهای کشتی حامل مواد شیمیایی، باقی مانده وسایل نقلیه.
- کاربرد شیمیایی دارویی: مخازن تحت فشار، لولههای فرآیند.
- کاربرد عمومی: فنرها، چفت وبستها (پیچ و مهره و واشرها)، سیم.
همچنین مزایای استفاده از لوله های آهن زنگ نزن که از کاربردی ترین قطعات ساخته شده با جنس آهن ضد زنگ (استینلس استیل) هستند، به شرح زیر است:
- وزن سبک
- با دوام
- مقاومت در برابر خوردگی بالا
- قابل بازیافت و سازگار با محیط زیست