مقدمه

استنلس استیل (فولاد ضد زنگ) یکی از مهم‌ترین مواد مهندسی در جهان مدرن است که به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، استحکام و زیبایی ظاهری، در صنایع مختلفی از جمله ساخت‌وساز، پزشکی، خودروسازی و صنایع غذایی کاربرد گسترده‌ای دارد. تاریخچه استنلس استیل به اوایل قرن بیستم بازمی‌گردد و از آن زمان تاکنون، این ماده دستخوش تحولات و پیشرفت‌های چشمگیری شده است. در این مقاله، به بررسی تاریخچه استنلس استیل، انواع آلیاژها، چالش‌ها و پیشرفت‌هایی آن می‌پردازیم. امیدواریم با مطالعه تاریخچه استنلس استیل و شکل گیری ای آلیاژ بتوانید آگاهی لازم از روند رشد آن را کسب نمایید.

تاریخچه و پیدایش استنلس استیل

پیشینه تاریخی

ایده ساخت فولادی که در برابر خوردگی مقاوم باشد، به قرن‌ها پیش بازمی‌گردد. با توجه به تاریخچه استنلس استیل در قرن نوزدهم، دانشمندان و مهندسان متوجه شدند که افزودن کروم به فولاد می‌تواند مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش دهد. با این حال، تا اوایل قرن بیستم، هیچ‌کس نتوانسته بود فولادی با مقاومت بالا در برابر خوردگی و خواص مکانیکی مناسب تولید کند.

تاریخچه استنلس استیل با کشف و کاربرد نخستین فلز توسط بشر آغاز گشت. صنعت تولید آهن و فولاد در جهان دارای  قدمتی بیش از 5000 سال است. سابقه استفاده از این فلز ها به هزاره سوم قبل از میلاد مسیح بر می گردد. در آن دوران بشر با کشف آهن به ساخت انواع سرنیزه ها، چاقو های شکار ،زیور آلات و ادوات مبارزه و جنگ  و .. پرداخت. بشر از طریق کشف فلز به شکلی جدید به تهیه مایحتاج خود پرداخت. فولاد و محصولات فولادی به روش های نوین در قرن 19 میلادی آغاز  به تولید شده است و همچنان تا به امروز ادامه دارد.

کشف استنلس استیل

در سال ۱۹۱۳، هری بریرلی (Harry Brearley)، متالورژیست انگلیسی، در حال کار بر روی بهبود مقاومت لوله‌های تفنگ در برابر خوردگی بود. او متوجه شد که افزودن کروم به فولاد، مقاومت آن را در برابر خوردگی به طور چشمگیری افزایش می‌دهد. بریرلی این آلیاژ جدید را “استنلس استیل” نامید و آن را به عنوان یک ماده مقاوم در برابر خوردگی معرفی کرد. این کشف، نقطه عطفی در تاریخچه استنلس استیل و تاریخ مواد مهندسی بود و راه را برای توسعه انواع مختلف استنلس استیل هموار کرد. قابل ذکر است فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل ها انواع مختلفی دارند.

انواع آلیاژهای استنلس استیل

استنلس استیل به دلیل ترکیبات شیمیایی مختلف و خواص مکانیکی متنوع، به چند دسته اصلی تقسیم می‌شود. پس از مطالعه تاریخچه استنلس استیل شناخت انواع آن ها ضرروری است. هر یک از این دسته‌ها برای کاربردهای خاصی طراحی شده‌اند.

۱. استنلس استیل آستنیتی (Austenitic Stainless Steel)

این نوع استنلس استیل رایج‌ترین و پرکاربردترین نوع استنلس استیل است. آلیاژهای آستنیتی حاوی نیکل و کروم هستند و به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، انعطاف‌پذیری و قابلیت جوشکاری، در صنایع غذایی، پزشکی و شیمیایی کاربرد گسترده‌ای دارند. از جمله معروف‌ترین آلیاژهای این گروه می‌توان به ۳۰۴ و ۳۱۶ اشاره کرد.

۲. استنلس استیل فریتی (Ferritic Stainless Steel)

آلیاژهای فریتی حاوی کروم هستند اما نیکل ندارند. این نوع استنلس استیل به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی و هزینه پایین‌تر، در ساخت لوازم خانگی، اگزوز خودرو و صنایع شیمیایی استفاده می‌شود. آلیاژ ۴۳۰ یکی از معروف‌ترین نمونه‌های این گروه است.

۳. استنلس استیل مارتنزیتی (Martensitic Stainless Steel)

آلیاژهای مارتنزیتی حاوی کروم و کربن هستند و به دلیل استحکام بالا و قابلیت سخت‌کاری، در ساخت تیغه‌های جراحی، چاقو و قطعات مکانیکی با استحکام بالا استفاده می‌شوند. آلیاژ ۴۱۰ نمونه‌ای از این گروه است.

۴. استنلس استیل داپلکس (Duplex Stainless Steel)

آلیاژهای داپلکس ترکیبی از خواص آستنیتی و فریتی هستند و به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و استحکام خوب، در صنایع نفت و گاز و صنایع شیمیایی کاربرد دارند. آلیاژ ۲۲۰۵ یکی از معروف‌ترین نمونه‌های این گروه است.

۵. استنلس استیل رسوب سخت‌شونده (Precipitation-Hardening Stainless Steel)

این نوع استنلس استیل به دلیل قابلیت رسوب سخت‌شدگی، استحکام بسیار بالایی دارد و در صنایع هوافضا و دفاعی استفاده می‌شود. آلیاژ ۱۷-۴ PH نمونه‌ای از این گروه است.

ترکیب آلیاژی استنلس استیل

۲.۱. عناصر کلیدی در فولاد زنگ‌نزن

استنلس استیل عمدتاً از آهن، کروم، نیکل و کربن تشکیل شده است. هر یک از این عناصر نقش خاصی در بهبود خواص این آلیاژ دارند:

کروم (Cr): مهم‌ترین عنصر در استنلس استیل که باعث ایجاد یک لایه نازک اکسید کروم روی سطح فلز شده و آن را در برابر خوردگی مقاوم می‌کند.

نیکل (Ni): خاصیت چکش‌خواری و شکل‌پذیری را افزایش داده و مقاومت به خوردگی را بهبود می‌بخشد.

کربن (C): سختی و استحکام فولاد را افزایش می‌دهد.

مولیبدن (Mo): مقاومت در برابر خوردگی در محیط‌های خاص مانند اسیدها را بهبود می‌دهد.۲.۲. دسته‌بندی آلیاژهای استنلس استیل

استنلس استیل در چندین گروه اصلی دسته‌بندی می‌شود:

1. استیل فریتی (Ferritic Stainless Steel):

حاوی ۱۰-۳۰٪ کروم و مقدار کمی کربن

دارای خاصیت مغناطیسی

مقاومت بالا در برابر خوردگی

2. استیل آستنیتی (Austenitic Stainless Steel):

شامل ۱۶-۲۵٪ کروم و ۸-۲۰٪ نیکل

فاقد خاصیت مغناطیسی

دارای شکل‌پذیری و مقاومت عالی در برابر خوردگی

3. استیل مارتنزیتی (Martensitic Stainless Steel):

دارای کروم ۱۰-۱۸٪ و کربن بالا

سختی و استحکام بالا

مقاومت متوسط در برابر خوردگی

4. استیل دوپلکس (Duplex Stainless Steel):

ترکیبی از خواص فولادهای فریتی و آستنیتی

مقاومت بالا در برابر خوردگی تنشی

استحکام مکانیکی زیاد

5. استیل رسوب سختی (Precipitation-Hardening Stainless Steel):

دارای ترکیباتی از کروم، نیکل، و مس

مقاومت بالا در برابر خوردگی

قابلیت عملیات حرارتی برای افزایش سختی

چالش‌های تولید استنلس استیل

۳.۱. هزینه بالای تولید

استنلس استیل به دلیل استفاده از عناصر گران‌قیمت مانند نیکل و مولیبدن، هزینه تولید بالایی دارد.

۳.۲. مشکلات شکل‌دهی و جوشکاری

برخی از انواع استنلس استیل، به خصوص گریدهای سخت‌تر مانند مارتنزیتی، دشواری‌هایی در فرآیند جوشکاری و شکل‌دهی دارند.

۳.۳. تأثیرات زیست‌محیطی

فرآیند تولید فولاد زنگ‌نزن نیازمند انرژی زیادی است و انتشار گازهای گلخانه‌ای یکی از چالش‌های مهم صنعت فولاد محسوب می‌شود.

 انواع گرید استنلس استیل 304:

لوله استنلس استیل یکی از گرید های اصلی و پر کاربرد استیل است . در تمام پروژه ها یی که حرارت بالا ،مواد شیمیایی و یا ریسک خورندگی وجود دارند استفاده میگردد. فولاد 304 شامل دو نوع 304 و L304  است. کلمه L در آخر 304 نشان دهنده Low Carbon در ساختار این لوله است. مواد سازنده لوله استیل آلیاژ فولاد به همراه 18% کروم و 8% نیکل هستند. این درصد ها توسط انجمن آهن و فولاد آمریکا (AISI) تعیین می گردد.

کاربردهای استنلس استیل

۴.۱. صنعت خودروسازی

استفاده از استنلس استیل در قطعات موتور و بدنه خودروها، مقاومت به خوردگی و طول عمر قطعات را افزایش داده است.

۴.۲. صنایع غذایی و دارویی

در تجهیزات پردازش غذا و دارو، استنلس استیل به دلیل بهداشت بالا و مقاومت در برابر مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۴.۳.  صنایع پزشکی

از این آلیاژ در ساخت ایمپلنت‌های پزشکی، ابزار جراحی و تجهیزات بیمارستانی استفاده می‌شود.

۴.۴. صنایع دریایی

مقاومت بالا در برابر آب شور، استنلس استیل را به یک انتخاب ایده‌آل برای سازه‌های دریایی و کشتی‌سازی تبدیل کرده است.

نتیجه‌گیری

تاریخچه استنلس استیل نشان‌دهنده پیشرفت‌های قابل‌توجه در علم متالورژی و صنعت فولاد است. از کشف اولیه کروم تا توسعه آلیاژهای پیشرفته امروزی، این ماده تحولات زیادی را تجربه کرده است. با توجه به پیشرفت‌های جدید در فناوری‌های تولید، بازیافت و بهبود خواص مکانیکی، استنلس استیل همچنان یکی از مهم‌ترین مواد در صنایع مختلف باقی خواهد ماند. پس شناخت تاریخچه استنلس استیل برای درک چگونگی رشد این آلیاژدر صنعت ضروری است.