فولاد زنگ نزن تنها از آهن و کروم تشکیل نشده است. در ساخت این گروه از فولادها از عناصری مانند کروم، نیکل، کربن، مولیبدن، منگنز و سیلیسیم با درصدهای متفاوت استفاده می شود. همین تفاوت در ترکیب شیمیایی فولاد زنگ نزن باعث می شود هر گرید ویژگی و کاربرد متفاوتی داشته باشد.
برای مثال فولاد زنگ نزن 304 به دلیل ترکیب مناسب کروم و نیکل در بسیاری از تجهیزات عمومی و صنایع غذایی استفاده می شود، در حالی که گرید 316 به دلیل وجود مولیبدن، مقاومت بیشتری در محیط های خورنده و دارای کلرید دارد.
در ادامه ابتدا عناصر اصلی تشکیل دهنده فولاد زنگ نزن را بررسی می کنیم و سپس ترکیب شیمیایی گریدهای پرکاربرد مانند 304، 316، 430، 410 و 420 را با یکدیگر مقایسه خواهیم کرد.
ترکیب شیمیایی و میزان عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل و مولیبدن از عوامل موثر بر خواص فنی و قیمت فولاد زنگ نزن در گریدهای مختلف هستند.
ترکیب شیمیایی فولاد زنگ نزن به درصد عناصر آلیاژی موجود در ساختار این فولاد گفته می شود. آهن عنصر پایه است، اما برای ایجاد مقاومت در برابر خوردگی و دستیابی به خواص مکانیکی مورد نظر، عناصر دیگری نیز به آن اضافه می شوند.
مهم ترین عنصر در فولاد زنگ نزن کروم است. فولادهای زنگ نزن معمولا حداقل حدود 10.5 درصد کروم دارند. کروم در تماس با اکسیژن یک لایه محافظ بسیار نازک روی سطح فولاد ایجاد می کند و از ادامه خوردگی جلوگیری می کند.
با تغییر مقدار کروم و سایر عناصر، گریدهای مختلف فولاد زنگ نزن تولید می شوند. بنابراین هنگام انتخاب استیل برای یک پروژه، تنها نام گرید اهمیت ندارد و بررسی ترکیب شیمیایی آن نیز می تواند اطلاعات مهمی درباره مقاومت به خوردگی، سختی، شکل پذیری و قابلیت جوشکاری در اختیار خریدار قرار دهد.
هر عنصر موجود در فولاد زنگ نزن نقش مشخصی در خواص نهایی آن دارد. برخی عناصر برای افزایش مقاومت به خوردگی اضافه می شوند و برخی دیگر بر سختی، استحکام، قابلیت ماشین کاری یا پایداری ساختار فولاد تاثیر می گذارند.
کروم در فولاد زنگ نزن
کروم مهم ترین عنصر آلیاژی در فولادهای زنگ نزن است. وجود کروم باعث تشکیل لایه ای محافظ از اکسید کروم روی سطح فولاد می شود.
این لایه مانع تماس مستقیم سطح فلز با عوامل خورنده شده و یکی از دلایل اصلی مقاومت فولاد زنگ نزن در برابر زنگ زدگی است.
مقدار کروم در گریدهای مختلف متفاوت است. برای مثال مقدار کروم گرید 304 معمولا حدود 17.5 تا 19.5 درصد و در گرید 430 حدود 16 تا 18 درصد است.
به طور کلی مقدار مناسب کروم می تواند باعث افزایش مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون شود.
نیکل در فولاد زنگ نزن
نیکل یکی دیگر از عناصر مهم در بسیاری از فولادهای زنگ نزن، به ویژه گریدهای آستنیتی است.
وجود نیکل به پایداری ساختار آستنیتی کمک می کند و می تواند شکل پذیری، چقرمگی و مقاومت به خوردگی فولاد را بهبود دهد.
برای مثال گرید 304 معمولا حدود 8 تا 10.5 درصد نیکل دارد، در حالی که مقدار نیکل گرید 316 معمولا حدود 10 تا 13 درصد است.
در مقابل، برخی فولادهای زنگ نزن مانند 430 نیکل بسیار کمی دارند یا در ترکیب استاندارد آنها نیکل به عنوان عنصر اصلی در نظر گرفته نمی شود. به همین دلیل قیمت و ویژگی های این گریدها نیز با استیل های آستنیتی متفاوت است.
کربن در فولاد زنگ نزن
کربن تاثیر زیادی بر سختی و استحکام فولاد دارد. با افزایش مقدار کربن، معمولا قابلیت سخت کاری فولاد افزایش پیدا می کند.
برای نمونه فولادهای مارتنزیتی مانند 410 و 420 کربن بیشتری نسبت به گریدهای آستنیتی کم کربن دارند و به همین دلیل قابلیت سخت کاری بالاتری ارائه می دهند.
البته افزایش کربن همیشه مطلوب نیست. در برخی کاربردهایی که جوشکاری و مقاومت به خوردگی اهمیت زیادی دارند، از گریدهای کم کربن مانند 304L و 316L استفاده می شود.
مولیبدن در فولاد زنگ نزن
مولیبدن یکی از مهم ترین تفاوت های ترکیب شیمیایی استیل 304 و 316 است.
در فولاد زنگ نزن 316 معمولا حدود 2 تا 2.5 درصد مولیبدن وجود دارد، در حالی که در ترکیب استاندارد 304 مولیبدن عنصر اصلی محسوب نمی شود.
وجود مولیبدن باعث افزایش مقاومت فولاد در برابر خوردگی موضعی و حفره ای، به ویژه در محیط های دارای کلرید می شود. به همین دلیل گرید 316 در برخی محیط های دریایی، شیمیایی و صنعتی انتخاب مناسب تری نسبت به 304 است.
منگنز و سیلیسیم در فولاد زنگ نزن
منگنز و سیلیسیم نیز معمولا با درصدهای کنترل شده در فولاد زنگ نزن وجود دارند.
منگنز در فرآیند فولادسازی و کنترل ساختار آلیاژ نقش دارد و در بعضی گریدها می تواند بخشی از نقش نیکل را نیز ایفا کند.
سیلیسیم نیز به عنوان عنصر اکسیژن زدا در فرآیند فولادسازی کاربرد دارد و می تواند بر مقاومت فولاد در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا تاثیر داشته باشد.
مقدار این عناصر با توجه به گرید و استاندارد فولاد متفاوت است.
جدول زیر ترکیب تقریبی چند گرید پرکاربرد فولاد زنگ نزن را نشان می دهد:
| گرید | کربن C | کروم Cr | نیکل Ni | مولیبدن Mo | منگنز Mn | سیلیسیم Si |
| 304 | حداکثر 0.07٪ | 17.5 تا 19.5٪ | 8 تا 10.5٪ | – | حداکثر 2٪ | حداکثر 1٪ |
| 316 | حداکثر 0.07٪ | 16.5 تا 18.5٪ | 10 تا 13٪ | 2 تا 2.5٪ | حداکثر 2٪ | حداکثر 1٪ |
| 430 | حداکثر 0.08٪ | 16 تا 18٪ | – | – | حداکثر 1٪ | حداکثر 1٪ |
| 410 | 0.08 تا 0.15٪ | 11.5 تا 13.5٪ | حداکثر 0.75٪ | – | حداکثر 1.5٪ | حداکثر 1٪ |
| 420 | 0.16 تا 0.25٪ | 12 تا 14٪ | – | – | حداکثر 1.5٪ | حداکثر 1٪ |
مقادیر فوق برای مقایسه سریع گریدها ارائه شده اند. ترکیب دقیق محصول باید بر اساس استاندارد مورد استفاده و گواهی آنالیز تولیدکننده بررسی شود.
هر گرید فولاد زنگ نزن با هدف دستیابی به ویژگی های مشخصی طراحی شده است. تفاوت چند درصدی یک عنصر آلیاژی ممکن است تاثیر قابل توجهی بر عملکرد نهایی فولاد داشته باشد.
فولاد زنگ نزن 304 یکی از رایج ترین گریدهای آستنیتی است. ترکیب شیمیایی آن معمولا شامل موارد زیر است:
باقی ترکیب عمدتا از آهن و مقادیر محدود سایر عناصر تشکیل می شود.
ترکیب کروم و نیکل باعث شده استیل 304 تعادل مناسبی میان مقاومت به خوردگی، شکل پذیری و قابلیت ساخت داشته باشد.
ترکیب شیمیایی فولاد زنگ نزن 316 شباهت زیادی به 304 دارد، اما مهم ترین تفاوت آن وجود مولیبدن است.
ترکیب معمول گرید 316 شامل:
است.
وجود مولیبدن یکی از دلایل عملکرد بهتر گرید 316 در برابر خوردگی حفره ای در محیط های دارای کلرید است.
استیل 430 در گروه فولادهای زنگ نزن فریتی قرار می گیرد و برخلاف گریدهایی مانند 304 و 316، نیکل جزء اصلی ترکیب آن نیست.
ترکیب معمول این گرید شامل:
است.
نبود مقدار قابل توجه نیکل می تواند هزینه آلیاژ را کاهش دهد، اما مقاومت به خوردگی 430 در بسیاری از محیط ها پایین تر از گریدهای آستنیتی مانند 304 و 316 است.
فولاد زنگ نزن 410 یک فولاد مارتنزیتی است که در مقایسه با 304 و 316 مقدار کروم کمتری دارد و قابلیت سخت کاری آن بیشتر است.
ترکیب معمول فولاد 410 شامل:
است.
این ترکیب باعث می شود گرید 410 برای قطعاتی که علاوه بر مقاومت نسبی به خوردگی به استحکام و سختی نیاز دارند، مورد استفاده قرار گیرد.
استیل 420 نیز در خانواده فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی قرار دارد، اما مقدار کربن آن معمولا بیشتر از گرید 410 است.
در یکی از گریدهای رایج 420 با استاندارد EN 1.4021، ترکیب شیمیایی تقریبی شامل:
است.
مقدار بالاتر کربن باعث افزایش قابلیت سخت کاری این گرید می شود. به همین دلیل 420 در محصولاتی مانند برخی ابزارها، قطعات مقاوم به سایش و تجهیزات برشی کاربرد دارد.
304 و 316 هر دو از فولادهای زنگ نزن آستنیتی پرکاربرد هستند، اما اختلاف ترکیب شیمیایی آنها باعث تفاوت در عملکردشان می شود.
| ویژگی ترکیب | استیل 304 | استیل 316 |
| کروم | 17.5 تا 19.5٪ | 16.5 تا 18.5٪ |
| نیکل | 8 تا 10.5٪ | 10 تا 13٪ |
| مولیبدن | ندارد | 2 تا 2.5٪ |
| کربن | حداکثر 0.07٪ | حداکثر 0.07٪ |
| مقاومت به محیط های کلریدی | مناسب | بهتر |
| کاربرد عمومی | بسیار گسترده | بیشتر برای شرایط خورنده تر |
مهم ترین تفاوت این دو گرید وجود مولیبدن در استیل 316 است. اگر قطعه در معرض آب شور، نمک یا برخی مواد شیمیایی قرار داشته باشد، این تفاوت ترکیب می تواند اهمیت زیادی پیدا کند.
در مقابل، برای بسیاری از کاربردهای عمومی که شرایط خوردگی شدید وجود ندارد، گرید 304 انتخاب رایجی است.
ترکیب شیمیایی چگونه بر خواص فولاد زنگ نزن تاثیر می گذارد؟
ترکیب شیمیایی یکی از مهم ترین عوامل تعیین کننده خواص فولاد زنگ نزن است. تغییر درصد عناصر می تواند ویژگی های فولاد را به شکل محسوسی تغییر دهد.
مقاومت به خوردگی:
کروم مهم ترین عنصر برای ایجاد مقاومت به خوردگی است. عناصری مانند مولیبدن نیز می توانند مقاومت در برابر برخی انواع خوردگی موضعی را افزایش دهند.
قابلیت سخت کاری:
مقدار کربن تاثیر زیادی بر قابلیت سخت کاری فولاد دارد. به همین دلیل گریدهای مارتنزیتی دارای کربن بیشتر، مانند 420، قابلیت رسیدن به سختی بالاتری دارند.
شکل پذیری و چقرمگی:
نیکل به پایداری ساختار آستنیتی کمک می کند و در شکل پذیری و چقرمگی مناسب گریدهایی مانند 304 و 316 نقش دارد.
قابلیت جوشکاری:
کاهش مقدار کربن می تواند خطر تشکیل کاربیدهای کروم در شرایط خاص جوشکاری را کاهش دهد. به همین دلیل گریدهای کم کربن مانند 304L و 316L در بسیاری از سازه های جوشکاری شده استفاده می شوند.
هزینه نهایی فولاد:
نوع و میزان عناصر آلیاژی می تواند بر قیمت فولاد زنگ نزن نیز تاثیر بگذارد. برای مثال وجود نیکل و مولیبدن بیشتر معمولا یکی از عوامل افزایش هزینه تولید برخی گریدهای آلیاژی است.
بنابراین هنگام انتخاب فولاد زنگ نزن بهتر است علاوه بر قیمت و نام گرید، شرایط محیطی، میزان رطوبت، تماس با مواد شیمیایی، نیاز به جوشکاری، سختی و نوع کاربرد نیز در نظر گرفته شود.
سوالات متداول
کروم مهم ترین عنصر آلیاژی در فولاد زنگ نزن است. وجود کروم باعث تشکیل لایه محافظ روی سطح فولاد شده و مقاومت آن در برابر خوردگی را افزایش می دهد.
یکی از مهم ترین تفاوت ها وجود حدود 2 تا 2.5 درصد مولیبدن در گرید 316 است. همچنین مقدار نیکل 316 معمولا بیشتر است. این ترکیب باعث می شود 316 در بسیاری از محیط های دارای کلرید مقاومت به خوردگی بهتری داشته باشد.
در ترکیب استاندارد رایج گرید 430، نیکل جزء عناصر آلیاژی اصلی محسوب نمی شود. این گرید بیشتر بر پایه آهن و کروم است.
کربن بر سختی و قابلیت سخت کاری فولاد تاثیر دارد. مقدار زیاد آن می تواند سختی را افزایش دهد، اما در برخی شرایط نیز می تواند مقاومت به خوردگی و جوش پذیری را تحت تاثیر قرار دهد.
از میان گریدهای پرکاربرد، فولاد زنگ نزن 316 دارای حدود 2 تا 2.5 درصد مولیبدن است. این عنصر یکی از دلایل مقاومت بهتر 316 در برخی محیط های خورنده است.
