فولاد و استیل
استنلس استیل چیست ؟
نوعی فولاد آلیاژی است که درصد عناصر نیکل و کروم آن نسبت به بقیه عناصر تشکیل دهنده آن بالاتر است . به طور کلی اگر میزان کروم فولاد از ۵/۱۰ درصد بیشتر باشد آن را استنلس استیل استیل 304 می نامند . این مقدار کروم باعث می شود که هنگام خوردگی لایه نازکی روی فولاد تشکیل شود و همین لایه باعث جلوگیری از خوردگی های بعدی می شود و عملاً باعث ترمیم خوردگی می شود . ضمناً کربن آن کمتر از ۵/۱ درصد می باشد .
انواع گرید های استنلس استیل
سری ۳۰۰ یا استیل نگیر ( غیر مغناطیسی ) : آلیاژ آهن ، کروم ، نیکل با کربن کمتر از ۱/۰ درصد .سری ۴۰۰ یا استیل بگیر ( مغناطیسی ) : آلیاژ آهن ، کروم با کربن کمتر از ۱/۰ درصد .
سری ۳۰۰ و موارد کاربرد آن
۳۰۴ رایجترین گرید استنلس استیل است که همان ۸/۱۸ کلاسیک می باشد .۳۱۶ بعد از ۳۰۴ رایجترین گرید است فولاد CK75 و در صنایع غذایی و جراحی کاربرد دارد ، به علاوه آلیاژ مولیبدن موجود در آن از فرسایش جلوگیری می کند . همچنین بخاطر مقاومت زیاد در بربر کلر در مقایسه با گرید ۳۰۴ در صنایع دریایی هم بکار می رود .
سری ۴۰۰ و موارد کاربرد آن
۴۱۰ مقاوم در برابر سایش است اما در برابر خوردگی مقاومت کمی دارد .۴۲۰ گرید مخصوص کارد و چنگال ، قابلیت پولیش خوبی دارد .۴۳۰ گرید مخصوص دکوراسیون است به عناون مثال در تزئینات داخلی اتومبیل کاربرد دارد . فولاد CK60 قابلیت شکل پذیری خوبی در درجه حرارت کم دارد و مقاوم در برابر خوردگی است .
خواص استنلس استیل
مقاوم در برابر خوردگی
ظاهر جذاب
مقاومت در برابر حرارت
به صورت کامل قابل بازیافت
عمر طولانی و مفید در قیاس با هزینه پرداختی
فولاد زنگ نزن آلياژي از فولاد است كه از ۱۰٫۵ درصد يا بيشتر كروم و بيش از ۵۰ درصد آهن تشكيل شده باشد .كروم موجود در استيل باعث به وجود آمدن يك سطح سخت و يكپارچه در برابر زنگ زدگي مي شود .قابليت ضد زنگ بودن با اضافه كردن درصد بيشتر كروم و همچنين آلياژهاي ديگر نظير بهبود مي يابد .
تکنولوژی TITANIUM ION PLATING
دربها و نرده های طلایی , رنگ نشده و با استفاده از این روش پیشرفته یونهای تیتانیوم بر روی استیل قرار گرفته و رنگ آن را تغییر می دهند . قابل توجه است که بر خلاف نمونه های مشابه دیگر مادام العمر تغییر رنگ نداده و زنگ نمی زنند و دلیل آن هم استفاده از همین تکنولوژی جدید می باشد .
فولاد ضد زنگ چیست و مخترع آن چه کسی است؟
فولاد ضد زنگ به گروهی از آلیاژها با پایه آهنی گفته می‌شود که حاوی حداقل ۱۱ درصد کروم (Cr) می‌باشد. کروم عنصری اساسی است که با تشکیل یک فیلم اکسید کروم در سطح فولاد آن را ضد زنگ می‌سازد.هنگامی که فولاد ضد زنگ بریده یا خراش داده می‌شود، کروم موجود در سطح سریعاً قیمت فولاد vcn اکسید می‌شود و فیلم اکسید ناحیه صدمه دیده را ترمیم می‌کند. به دلیل همین خاصیت خود ترمیمی (خودشفایی/ Self healing) است که فولاد را بدون زنگ (Stainless) می‌نامند.اولین فولاد ضد زنگ به صورت آلیاژ، مارتنزیتی Fe-Cr-C توسط دانشمند انگلیسی به نام هاری بررلی (Harry Brearley) در ۱۹۱۲ تهیه گردید. اولین ریخته‌گری تجارتی فولاد ضد زنگ در سال ۱۹۱۳ در شفیلد انگلستان به تولید رسید و حق ثبت آمریکایی جهت این اختراع در سال ۱۹۱۶ به آقای هاری بررلی اهدا گردید.
آیا فولاد ضد زنگ، زنگ می‌زند؟
در واقع این موضوع که فولاد ضد زنگ، زنگ نمی‌‌زند یک تصور نادرستی است. این برداشت ناصحیح برخی موارد منجر به مشاجرات و حتی تعقیب قانونی بین کارفرمایان و پیمانکاران می‌شود. فولادهای ضد زنگ فقط در شرایطی خاص نظیر محیط‌های غیرآلوده و آب شیرین یا آب دریا (به صورت جاری) بدون زنگ باقی می‌مانند. در هوای مرطوب دریایی یا در داخل آب ساکن (راکد) فولاد ضد زنگ نوع ۳۰۴ زنگ می‌زند، و اغلب به صورت موضعی دچار خوردگی حفره‌ای می‌گردد. به طور کلی ماهیت محیط و ترکیب شیمایی فولاد هر دو در تشکیل زنگ و خوردگی حفره‌ای فولاد ضد زنگ نقش تعیین کننده‌ای دارند.
دلیل پاک شدن لایه کروم در عملیات حرارتی چیست؟
در عملیات حرارتی و یا جوش‌کاری، دمای فولاد ضد زنگ به حدود ۸۵۰-۵۵۰ درجه سانتیگراد می‌رسد. کروم و کربن با یکدیگر وارد واکنش می‌شود و کاربایدکروم( Chromium Carbide)تولید می‌گردد که در امتداد مرز دانه‌ها رسوب می‌کند. به همین دلیل کروم موجود در منطقه اطراف مرزدانه (ناحیه مرزی) تخلیه می‌شود. ناحیه مرزی که کروم آن تخلیه شده (فقیر نسبت به کروم) نسبت به سایر مناطق سالم سطح فلز که کروم آن مناطق تخلیه نشده‌اند در برابر خوردگی مقاومت کمتری دارد.
فولاد ضد زنگی را که در ساختار بلوری آن کار باید کروم به وجود آمده باشد “حساس شده (Sensitized)” می‌نامند. فولادهای حساس شده نسبت به خوردگی مرزدانه‌ای یا فساد جوش بیشتر مستعد می‌شوند.
استیل های بگیر و نگیر
به فولاد زنگ نزنی که خاصیت جذب توسط آهن ربا را داشته باشد بگیر و به فولاد زنگ نزنی که توسط آهن ربا جذب نشود نگیر می گویند. فولاد های زنگ نزن سری ۳۰۰ (مانند ۳۰۴ و ۳۱۶ ) دارای کروم هستند که منجر به نگیر بودن استیل می شوند. و این درحالی است که استیل های سری ۴۰۰ تنها دارای کروم است که خاصیت مغناطیسی فولاد زنگ نزن را حفظ می کند.
یکی از روش های تشخیص استینلس استیل از کربن استیل نیز این می باشد که در صورتی که آهن ربا به آن نچسبید این قطعی است که فولاد زنگ نزن است ولی اگر آهن ربا به آن بچسبید هنوز دلیل بر تشخیص فولاد زنگ نزن از فولاد کربن دار نیست..
پس برای انتخاب یک استینلس استیل مناسب کاربری باید به موارد زیادی از جمله گرید استیل ، سطح استیل ، کاربری آن و خاصیت مغناطیسی استیل توجه کرد.
تاریخچه استیل ضد زنگ stainless steel
در علم فلزات ، استیل ضد زنگ (stainless steel) به اسم استیل inox steel یا inox شناخته می شود.inox از لغت فرانسوی “inoxydable” به معنی “ضد زنگ” گرفته شده است.
استیل ضد زنگ به آسانی زنگ نمی زند .پوسیدگی و یا زنگ زدگی به وسیله آب در استیل معمولی وجود دارد اما علارغم اسمش stainless steel بطور کامل مقاوم در برابر زنگ زدگی نیست ، این فولاد برای مکانهای کم اکسیژن مناسب است ، همچنین آلیازی دیگری از استیل با نام استیل مقاوم در برابر خوردگی یا CRES وجود دارد. زمانی که جزییاتی از نوع و درجه فولاد موجود نبود. این نوع استیل در صنایع هواپیمایی استفاده می شد. اکنون درجه های مختلفی از استیل وجود دارد با نمایی زیبا و مناسب استفاده در محیط اطراف مبتنی بر نیاز مصرف کننده. استیل ضد زنگ یا همان stainless steel مکانهایی مصرف می شود که ما نیاز به هر مزیت مقاومت بالا و ضد زنگ زدگی را خواستار باشیم.
استیل ضد زنگ (Stainless steel) با فولاد کربن دار و مقدار متفاوت درصد کروم عرضه می گردد. کربن موجود در استیل اگر محافظت نشود زمانی که در مجاورت اکسیژن و رطوبت قرار بگیرد به آسانی زنگ می زد. زنگ زدگی باعث تسریع در خوردگی و زنگ زدگی می شود و در طولانی مدت باعث پوسته پوسته شدن فولاد آموتیت و پوسیدگی و خورد شدن فلز می شود. استیل زد زنگ دارای مقدار کافی از کرم است که به شکل یک لایه غیر فعال از کرم است که مانع از خوردگی سطح و نفوذ آن به داخل سطح فلز می شود.
فولادها از نظر آلياژي به چهار گروه اصلي تقسيم مي شوند:1- فولادهاي ساده کربني
2- فولادهاي کم آلياژ
3- فولادهاي متوسط آلياژ
4- فولادهاي پر آلياژ
در فولادهاي ساده کربني، کربن اصلي ترين عنصر آلياژي بوده و عناصري مانند منگنز و سيليسيوم و آلومينيوم به مقدار جزيي و براي گاز زدايي به آن ها اضافه مي شود. ميزان کربن اين فولادها نقش اصلي در ميزان افزايش استحکام آنها پس از عمليات حرارتي دارد.
اين فولادها به سه گروه کم کربن، کربن متوسط و پر کربن تقسم مي شوند:
1- فولادهاي کم کربن با حداکثر 0.25 درصد کربن Low Carbon Steel
2- فولاد کربن متوسط با 0.55-0.25 درصد کربن Medium carbon steel
3- فولاد پر کربن با 0.5 >درصد کربن High carbon steel
پس از فولادهاي کربني، فولادهاي کم آلياژ و متوسط آلياژ بوده که ميزان منگنز و سيليسيوم آنها بيشتر از مقدار لازم براي اکسيژن زدايي مي باشد و عناصر ديگري مثل نيکل، کرم و موليبدن نيز به آنها اضافه شده است. عناصري مانند تيتانيوم، نيوبيوم، مس و بر نيز در صورت لزوم و به ميزان جزيي ممکن است به آنها اضافه شود. افزودن اين عناصر آلياژي به فولادها جهت بهبود عمليات حرارتي پذيري آنها و افزايش برخي خواص فيزيکي و مکانيکي مي باشد.
لازم به ذکر است که جهت طبقه بندي فولادهاي کم آلياژ، متوسط آلياژ و پر آلياژ محدوديتي وجود نداشته و عموما به فولادهاي حاوي بيش از 10% عناصر آلياژي، فولادهاي پرآلياژ مي گويند.
دياگرام آهن - کربندياگرام فازي دوتايي آهن – کربن، دياگرامي تعادلي از کربن در محلول جامد آهن است که نشان دهنده تغييرات ساختاري آلياژهاي آهن – کربن نسبت به درجه حرارت مي باشد. اين دياگرام بر حسب درصد کربن آلياژ، درجه حرارت، سرد کردن يا گرم کردن بسيار آهسته رسم شده و به همين علت به آن دياگرام تعادلي آهن – کربن مي گويند.
از آنجايي که آهن و کربن تشکيل يک ترکيب واسطه به نام سمنتيت Fe3C مي دهد، اين دياگرام را دياگرام آهن – سمانتيت نيز مي نامند.
آهن ماده اي آلوتروپيک (چند ساختاري) بوده و در حين انجماد از حالت مذاب تا رسيدن به دماي محيط، تبديل به ساختارهاي مختلف مي شود. در نمودار آهن - کربن سمانتيت، آستنيت، لدبوريت، آهن آلفا، آهن گاما و آهن بتا ديده مي شود.
در نمودار آهن-کربن سه نوع فولاد با ترکيب و ريزساختار مختلف ديده مي شود (يوتکتوئيدي، هيپويوتکتوئيدي، هايپريوتکتوئيدي) که توضيحات آن در لينک زير به تفصيل آمده است.
فولادهاي ساده کربنيفولادهاي ساده کربني مهمترين گروه آلياژهاي مهندسي هستند. اين فولادها به علت هزينه نسبتا کم توليد و داشتن گستره وسيعي از خواص در بين مواد مهندسي در درجه اول اهميت قرار دارند. کاربرد فولادهاي ساده کربني نامحدود بوده و مي تواند شامل ورق، نوار، ميله، سيم، محصولات لوله اي، شکل هاي ساختماني، آهنگري شده، ريخته گري و … باشد.
طبقه بندي فولادهاي ساده کربني فولادهاي ساده کربني بسته به نوع و کاربردشان در چند سيستم مختلف دسته بندي مي شوند و دسته بندي منحصر به فردي که در مورد تمامي فولادهاي ساده کربني به کار رود، وجود ندارد. دو سيستم مختلفي که در اين زمينه بيشترين کاربرد را دارند عبارتند از: ASTM و AISI-SAE
سيستم دسته بندي AISI-SAE براي فولادهاي ساده کربني اين سيستم در مورد ميلگردهاي نورد سرد و نورد گرم شده، سيم ها، ميله ها و لوله هاي بدون درز و محصولات نيمه تمام براي آهنگري به کار برده مي شود. از آنجا که در فولادهاي ساده کربني، درصد کربن نقش اصلي و تعيين کننده ميزان استحکام آنها مي باشد، در اين سيستم از درصد کربن براي شناسايي فولادهاي مختلف استفاده مي شود.
براي نامگذاري از چهار عدد استفاده شده که دو عدد اول 10 مشخص کننده فولاد ساده کربني است. دو رقم بعدي مشخص کننده صدم درصد کربن است.
به عنوان مثال؛ عدد 1020 مشخص کننده فولاد ساده کربني با 0.2% اسمي کربن است.
اثر عناصر آلياژي بر فولادهاي ساده کربنيفولادهاي ساده کربني ، علاوه بر کربن حاوي عناصر زير نيز مي باشند:
منگنز تا 1%
گوگرد تا 0.05%
فسفر تا 0.04%
سيليسيم تا 0.3%
منگنزمحدوده استفاده از منگنز در فولادهاي ساده کربني مي تواند از حداکثر 0.35% در فولاد 1005 تا حداکثر 1% در فولادهاي 1085 AISI متغير باشد. منگنز با گوگرد موجود در فولاد ترکيب شده و سولفيد منگنز را ايجاد مي کند. منگنز با ريزکردن پرليت و ايجاد محلول جامد با فريت موجب افزايش استحکام تسليم فولادهاي ساده کربني مي شود.
گوگرد گوگرد مي تواند حداکثر تا 0.05% در فولاد ساده کربني وجود داشته باشد. معمولا با منگنز ترکيب شده و تشکيل آخال MnS مي دهد. اگر گوگرد با آهن ترکيب شود، تشکيل FeS داده که معمولا در مرزدانه ها رسوب مي کند. از آنجايي که FeS ترکيبي سخت بوده و داراي نقطه ذوب پاييني مي باشد، لذا ممکن است در حين کارسرد و يا کارگرم فولاد ايجاد ترک کند. به همين دليل و براي جلوگيري از تشکيل اين ترکيب نامطلوب مي بايست نسبت منگنز به گوگرد فولادها حدود 5 به 1 باشد.
فسفراز آنجايي که فسفر ترکيب خيلي تردي با آهن تشکيل مي دهد(Fe3P)، لذا ميزان فسفر فولادهاي کربني در حد 0.04% محدود مي باشد.
سيليسيمسيليسيم به عنوان اکسيژن زدا، حين فولادسازي به مذاب اضافه شده و تشکيل آخال هاي SiO2 مي دهد. ميزان سيليسيم فولاد ساده کربني مي تواند از 0.1 تا 0.3% متغير باشد.
در مقايسه با فولادهاي کم کربن عمليات حرارتي ناپذير که کربني بين 0.06 تا 0.1 درصد دارند، فولادهاي دسته اول داراي سختي و استحکام بيشتري بوده ولي شکل پذيري سرد کمتري دارند. استحکام اين دسته فولادها را مي توان با عمليات حرارتي بالا برد اما اين روش اقتصادي نمي باشد. جهت افزايش سختي اين فولادها، آنها را کربوره کرده يا به طور سطحي سخت مي کنند. براي کربوره کردن معمولا فولادهاي AISI 1016,1018,1019 انتخاب شده و براي مقاطع بزرگتر، فولادهاي AISI1015,1020,1022 به کار مي رود.
دسته دوم، فولادهاي کربن متوسط، کربن بيشتري داشته و معمولا با کوئنچ و تمپر (آب دهي و برگشت)، استحکام مي يابند. اگر انتخاب محلول و دماي کوئنچ (آبدهي) مناسب باشد، مي توان محدوده وسيعي از خواص مکانيکي را بدست آورد. در بين اين سه گروه از فولادهاي ساده کربني سختي پذير، دسته دوم بيشترين و وسيع ترين کاربرد را داشته و بيشتر قطعات خودرو از اين فولادها ساخته مي شوند.
دسته سوم فولادهاي ساده کربني که کربني بالاتر از 0.55% دارند، نسبت به فولادهاي کربن متوسط کاربرد کمتري دارند زيرا هزينه توليد و ساخت آنها گران تر بوده و قابليت جوشکاري و شکل پذيري کمتري دارند. و چون کربن بيشتري دارند در اثر فرايند آبدهي، حداکثر سختي را به دست مي آورند.
فولادهاي آلياژياگرچه توليد فولادهاي ساده کربني ارزان مي باشد اما در کاربردهاي مختلف مهندسي، اين فولادها هميشه جوابگو نيستند. فولادهاي آلياژي اگرچه از لحاظ قيمت گران تر از فولادهاي ساده کربني هستند اما در عمل استفاده از آنها در صنعت اقتصادي تر مي باشد. عناصر آلياژي که در توليد فولادهاي آلياژي استفاده مي شود عبارتند از: نيکل، کرم، موليبدن، منگنز، سيليسيم و واناديم. در بعضي موارد عناصري ديگري مثل کبالت، مس و سرب نيز اضافه مي شود.
عناصر آلياژي جهت حصول خوا ص متالورژيکي مطلوب به فولادها اضافه مي شود که بعضي از مهم ترين آنها عبارتند از:
1- بهبود خواص مکانيکي در دماهاي مختلف
2- افزايش دماي باز پخت با حفظ استحکام و بهبود شکل پذيري
3- بهبود مقاومت به خوردگي در دماهاي بالا
و ساير موارد.
طبقه بندي فولادهاي آلياژي در تعريف کلي، فولادهاي حاوي تا 50% عناصر آلياژي را فولاد آلياژي مي گويند. اما از از نقطه نظر فني، فولاد آلياژي به فولادهاي ماشين سازي و ساختماني عمليات حرارتي پذير که حاوي 1 تا 4 درصد عناصر آلياژي هستند، اطلاق مي شود.
اين فولادها در ايالات متحده امريکا عموما با سيستم نامگذاري AISI-SAE مشخص مي شوند. در اين سيستم براي نامگذاري هر فولاد آلياژي از يک عدد چهار رقمي استفاده شده که دو رقم اول مشخص کننده عنصر آلياژي اصلي يا گروه عناصر آلياژي و دو رقم آخر مشخص کننده تقريبي درصد اسمي کربن در آلياژ است.
کاربرد انواع مختلف فولاداز فولادي که تا ??? درصد کربن دارد، براي ساختن سيم، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط ??? تا ??? درصد کربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بکار مي‌برند. فولادي که ??? تا ??? درصد کربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده مي‌شود.
ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولادآهني که از کوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود که داراي مقاديري کربن، گوگرد، فسفر، سيليسيم، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:
سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن
افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن
منگنز، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اکسيژن به اکسيد تبديل مي‌شوند و با کمک ذوب مناسبي ترکيب شده، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و کربن هم مي‌سوزد و مونوکسيد کربن (CO) يا دي‌اکسيد کربن (CO?) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يک کمک ذوب اسيدي که معمولاً دي‌اکسيد سيلسيم (SiO?) است، بکار مي‌برند:
(MnO + SiO? ——-> MnSiO?(l
و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولاً چنين است)، يک کمک ذوب بازي که معمولاً اکسيد منيزيم (MgO) يا اکسيد کلسيم (CaO) است، اضافه مي‌کنند:
(MgO + SiO? ——-> MgSiO?(l
(?MgO + P?O?? ——-> ?Mg?(PO?)?(l
کوره توليد فولاد و جدا کردن ناخالصي‌هامعمولاً جداره داخلي کوره‌اي را که براي توليد فولاد بکار مي‌رود، توسط آجرهايي که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوششي مقداري از اکسيدهايي را که بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌کند. براي جدا کردن ناخالصيها، معمولاً از روش کوره باز استفاده مي‌کنند. اين کوره يک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ??? تا ??? تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد. بالاي اين ظرف، يک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روي سطح فلز مذاب منعکس مي‌کند. جريان شديدي از اکسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌کشد، البته مقداري از آهن، اکسيد مي‌شود که آن را جمع‌آوري کرده، به کوره بلند باز مي‌گردانند.
روش ديگر جدا کردن ناخالصيها از آهندر روش ديگري که از همين اصول شيميايي براي جدا کردن ناخالصيها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌اي بشکه مانند که گنجايش ??? تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اکسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اکسيژن قرار مي‌دهند. اکسايش ناخالصيها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO? رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري که آهن ته ظرف، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب، بي آنکه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريباً به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي، واکنشها فوق‌العاده سريع بوده، تمامي اين فرايند، در مدت يک ساعت يا کمتر کامل مي‌شود و معمولاً محصولي يکنواخت و داراي کيفيت خوب بدست مي‌آيد.
