راز زنگ نزدن فولاد ضد زنگ «استنلِس استیل»؛ یک لایۀ نامرئی اکسید کروم

راز زنگ نزدن «استنلِس استیل»؛ یک لایۀ نامرئی!

استنلس استیل یا فولاد ضد زنگ همان آلیاژ آشنایی است که خیلی از ما در آشپزخانه‌هایمان از آن استفاده می‌کنیم؛ اما راز مقاومت این فلز در برابر زنگ‌زدگی چیست؟

یک زنگ خطر دائمی برای «آهن» این است که به راحتی در هوا و آب اکسید می‌شود. حتی فولاد (آلیاژ سخت آهن با آثار کربن) به راحتی زنگ می‌زند، به این معنا که اکسیداسیون به فولاد در ساختمان‌ها، اتومبیل‌ها و لوازم خانگی آسیب می‌رساند. اما همانطور که از نام «فولاد ضدزنگ» یا همان «استنلس استیل» پیداست، به نظر نمی‌رسد زنگ بزند. اما راز این زنگ نزدن چیست؟ 

به گزارش فرادید، به زبان ساده، شیمی فولاد ضد زنگ، اکسیژن موجود در هوا و محیط را از رسیدن به آهن فولاد باز می‌دارد و از واکنش اکسیداسیون مضر جلوگیری می‌کند. 

کانال عصر ایران در تلگرام

وقتی آهن با اکسیژن واکنش شیمیایی نشان می‌دهد تا اکسید آهن را شکل دهد، فولاد معمولی زنگ می‌زند. اگرچه زنگ‌زدگی در کل برای انسان ضرری ندارد، اما می‌تواند آهن را به شدت خورده و آن را ناایمن و زشت کند. 

فولاد معمولی آلیاژی از ۹۹٪ آهن و بین ۰.۲٪ تا ۱٪ کربن است، در حالی که فولاد ضدزنگ معمولاً بین ۶۲٪ تا ۷۵٪ آهن، تا ۱٪ کربن و بیش از ۱۰.۵٪ کروم دارد. فولاد ضدزنگ همچنین معمولاً دارای چند درصد نیکل است که می‌تواند کار با آن را هم سخت‌تر و هم آسان‌تر کند. 

کروم کلید مقاومت در برابر زنگ‌زدگی فولاد ضدزنگ است. کروم با اکسیژن موجود در محیط (معمولاً در هوا و همچنین زیر آب) واکنش می‌دهد تا یک «لایه غیرفعال» از اکسید کروم (Cr2O3) روی سطح فلز ایجاد کند. این لایه از رسیدن اکسیژن به آهن در فولاد برای ایجاد زنگ جلوگیری می‌کند.

لایه‌ی غیرفعال روی فولاد ضدزنگ تنها چند نانومتر ضخامت دارد، پس «نامرئی» است. لایه‌ی اکسید کروم همچنین می‌تواند در صورت آسیب خودش را ترمیم کند. لایه‌ی اکسید کروم خنثی یا بی‌اثر است، به این معنا که از نظر شیمیایی با مواد دیگر واکنش نشان نمی‌دهد و از سطح فلز خارج نمی‌شود و همین امر سبب می‌شود فولاد ضد زنگ برای تولید مواد غذایی، جراحی و سایر کاربردها مناسب باشد. 

کشف تصادفی

فولاد ضد زنگ مدرن سال ۱۹۱۲ توسط متخصص ذوب فلزات انگلیسی، هَری برِرلی که در حال مطالعه آلیاژهای فولادی برای جلوگیری از خوردگی در لوله‌های تفنگ بود، ساخته شد. 

بررلی آلیاژی از آهن، کربن، کروم و نیکل ایجاد کرد، اما این آلیاژ برای لوله تفنگ مناسب نبود، بنابراین آن را در حیاط خلوت خود انداخت. چند هفته بعد، برلی متوجه شد آلیاژ براق حیاط خانه‌اش زنگ نزده، بنابراین روی این ماده کار کرد و سال ۱۹۱۵ آن را به دنیا معرفی کرد. 

فولاد ضدزنگ در حال حاضر سالانه حدود ۴ درصد از فولاد مصرفی سراسر جهان را تشکیل می‌دهد: تقریباً ۲ میلیارد تن. 

اما ساخت فولاد ضدزنگ پیچیده و پرهزینه است (معمولاً بین سه تا پنج برابر هزینه تولید فولاد معمولی) و گنجاندن عناصر فلزی خاص در آلیاژها (مانند مولیبدنوم برای کاربردهای زیر آبی) می‌تواند آن را همچنان گران‌تر کند. 

در نتیجه، بیشتر کاربردهایی که به فولاد نیاز دارند، از فولاد معمولی یا کربنی استفاده می‌کنند، چه در شرایطی که زنگ نمی‌زند یا جایی که با یک لایه بیرونی رنگ یا پوشش دیگر محافظت می‌شود. 

با این حال فولاد ضدزنگ امروزه بیش از همیشه کاربرد دارد، از جمله در تولید مواد غذایی و ایمنی مواد غذایی. 

فولاد ضدزنگ مزایای زیادی نسبت به جایگزین‌ها دارد: در برابر خوردگی ناشی از اسیدهای غذا و مواد شیمیایی پاک‌کننده (بر خلاف آلومینیوم و مس) مقاوم است و غذایی را که با آن تماس داشته باشد، آلوده نمی‌کند. 

فولاد ضدزنگ بادوام، قوی‌تر از آلومینیوم و بهداشتی است و سطحی غیر متخلخل دارد که می‌توان آن را به راحتی تمیز و ضدعفونی کرد.

روش هیجان انگیز استاد پاکستانی برای تولید آچار فرانسه در ;کارگاهش

روش هیجان انگیز استاد پاکستانی برای تولید آچار فرانسه در خانه

آشنایی با ورق آهن

مهمترین تفاوت در بین انواع ورق آهن

گروه کسب و کار: بیش از صد و پنجاه سال از ساخت اولین ورق آهن به صورت صنعتی و امروزی می‌گذرد. این محصولات در صنایع گوناگونی مورد کاربرد قرار می‌گیرند و می‌توان گفت یکی از اصلی‌ترین تولیدات صنعت فولاد هستند. از ساخت انواع خودرو تا تیرورق‌های بکارگیری شده برای تولید انواع پل و سازه‌های سنگین همه از کاربردهای ورق‌های آهنی هستند.

از سوی دیگر قیمت ورق سیاه تعیین کننده قیمت بسیاری از تولیدات و تجهیزات کارخانجات مختلف است. این امر به سبب کاربرد بسیار بالای این قطعه در مشاغل گوناگون می‌باشد. فولاد و استیل مستحکم‌ترین گروه‌های آلیاژی آهن هستند که به سبب برخورداری از ویژگی‌های مختلف کارایی متفاوتی نیز دارند.
پس از آهن خام، اولین گروه آلیاژی آهن که کشف شد و مورد استفاده قرار گرفت، فولاد بود. استحکام فولاد در برابر ضربه، و انعطاف و ضربه پذیری آن بسیار بیشتر از آهن خام بوده و از قدیم تا کنون برای کاربردهای سنگین از آن استفاده می‌شود. در ادامه این مطلب درباره تفاوت اصلی انواع ورق آهن، بزرگترین ضعف سازه‎ها و مقاطع فولادی، همچنین راهکارهای صنعتگران برای پوشاندن این عیبها توضیح خواهیم داد.

آب و رطوبت بزرگترین ضعف ورق آهن
آهن به صورت خام و همچنین در قالب ترکیبات آلیاژی گوناگون برای کاربردهای مختلفی مورد استفاده صنعتگران می‌باشد. این ماده بسیار مستحکم، مقاوم و نسبت به برخی از مصالح ساختمانی دیگر قیمت مناسب‌تری دارد. همین امر موجب فراگیری استفاده از آن در کاربردهای سنگین و عمده شده است. اما در هر صورت حساسیت آن در برابر رطوبت و آب، موجب ضعف عملکرد آن در محیط‌های حاوی این مواد است.
بله بزرگ‌ترین ضعفی که می‌توان برای ورق آهن در نظر گرفت و از دیرباز ذهن صنعتگران مشغول آن بوده، واکنش سریع و شدید آهن در برابر آب و رطوبت است. این مسئله باعث به وجود آمدن گریدهای مختلف از آلیاژهای آهن به منظور تقویت آن در برابر آب و رطوبت بود.
پس از آلیاژهای مختلف فولاد(منظور نویسنده فولاد نرم است)، چدن و استیل (منظور نویسنده فولاد سخت (در برابر فولاد نرم) است. خود واژه استیل steel در انگلیسی یعنی فولاد در فارسی) دو گروه دیگر از استانداردهای آلیاژی بودند که صنعتگران برای تقویت آهن در برابر اکسیداسیون و آسیب‌های آن، ابداع کردند. اما هزینه تولید آن دو بالاتر از هزینه ساخت فولاد بوده و به همین دلیل بکارگیری آنها در حجم زیاد، نیازمند هزینه‌کرد بسیار بیشتری است.



فرق اصلی انواع ورق آهن
با توجه به آنچه تاکنون بیان کردیم، می‌توان گفت مهمترین تفاوتی که در بین گروه‌های آلیاژی آهن مورد توجه می‌باشد، مربوط به میزان مقاومت آنها در برابر رطوبت و اکسیداسیون می‌باشد. این فاکتور با مقدار عمر مفید ورق نیز ارتباط دارد. اگر بخواهیم آلیاژهای اصلی آهن را به ترتیب افزایش میزان مقاومت در برابر زنگ زدگی معرفی کنیم باید به ترتیب به فولاد، چدن و استیل اشاره نماییم.
البته در گروه استیل تنها برخی از استانداردهای آلیاژی مقاومت بالایی در برابر زنگ زدگی دارند. ورق استنلس استیل را می‌توان به عنوان مقاوم‌ترین محصول آهنی در برابر زنگ زدگی معرفی نمود. هزینه ساخت این نوع ورق به نسبت فولاد بسیار بیشتر بوده و در کاربردهای عمده و سنگین هزینه بسیار زیادی خواهد داشت. به همین دلیل بیشتر از این ورق بیشتر به منظور قطعه سازی در صنایع گوناگون استفاده می‌شود.
در صورت نیاز به ورق فولادی ضد زنگ در کاربردهای عمده بهتر است از نمونه‌های گالوانیزه استفاده نمود. به دلیل کمتر بودن هزینه ساخت، قیمت ورق گالوانیزه به شدت کمتر از دیگر ورق‌های ضد زنگ می‌باشد. مقدار مقاومت این محصولات در برابر زنگ آهن تا 40 برابر بیشتر از انواع ورق معمولی فولاد خواهد بود.

مقایسه انواع ورق فولادی
فولاد به عنوان مهمترین آلیاژ آهن در صنعت‌های گوناگون، کاربردهای بسیار زیادی دارد. این کاربردهای فراوان موجب ساخت استانداردهای آلیاژی متنوع در این گروه از آهن‌ها شده است. هر مصرف کننده با توجه به ویژگی‌هایی که برای کار خود نیاز دارد، محصول خاصی را انتخاب خواهد کرد و هر تولیدکننده با توجه به ویژگی‌هایی که در محصولات نهایی خود انتظار دارد، از استاندارد خاصی استفاده می‌کند.



تا کنون در سراسر جهان استانداردهای متعددی برای فولاد تعریف شده. بنابراین یکی از فاکتورهایی که برای مقایسه انواع ورق آهن مورد توجه قرار می‌گیرد، آلیاژ مصرفی در ساخت آن می‌باشد. مولفه دیگری که برای مقایسه این محصولات اهمیت دارد، نوع آن خواهد بود. به طور کلی ورق آهن در دو گروه عمده سرد و گرم تقسیم می‌شود.
ورق‌های گرم برای کاربردهای پایه‌ای تر و ورق‌های سرد به منظور استفاده‌های سبک‌تر و ظریف‌تر به کار می‌روند. انواع ورق گرم فولادی عبارتند از ورق‌های سیاه با آلیاژهای گوناگون و ورق آجدار فابریک. این تولیدات را می‌توان برای کاربردهایی مانند ساخت تیرورق، پوشش‌های کف و سطوح گوناگون و همچنین برای ساخت پروفیل‌های مختلف ساختمانی و صنعتی بکارگیری نمود.
ورق سرد به نمونه‌هایی از انواع ورق فولادی می‌گویند، که دارای سطحی با کیفیت‌تر هستند. این محصولات نیز برای ساخت پروفیل و بدنه قطعات و لوازم گوناگون در صنایع مورد کاربرد هستند. همانطور که گفتیم این ورق‌ها برای کاربردهای سطحی و ظریف‌تری به نسبت انواع ورق گرم طراحی و تولید شده‌اند.

جمع بندی
آلیاژهای گوناگونی که برای آهن تعریف شده‌اند در سه گروه فولاد، استیل و چدن قرار می‌گیرند. از میان این سه نوع، هزینه ساخت فولاد کمتر بوده و به همین دلیل در کاربردهای گسترده و عمده می‌توان از انواع ورق فولادی استفاده نمود. در میان انواع استانداردهای فولادی،st37  و st52 به میزان بیشتری مورد کاربرد قرار دارند.
این تولیدات پایه ساخت انواع ورق گالوانیزه، رنگی و قلع اندود نیز هستند. به همین دلیل می‌توان این ورق‌های آلیاژی را مهمترین نمونه‌ها در بازار ورق فولادی دانست. ورق‌های فولادی گالوانیزه شده مقاومت بسیار بیشتری در برابر زنگ آهن دارند و هزینه تولید آنها نیز نسبت به انواع ورق‌های ضد زنگ مانند ورق آلومینیوم و استیل پایین تر است.

آهنربای نئودیمیوم؛ ویژگی های جالب یک آهنربای ساخته از آلیاژ (+فیلم و عکس)

آهنربای نئودیمیوم؛ ویژگی های جالب یک آهنربای عصبی! (+فیلم و عکس)

آهنرباهای نئودیمیوم به اندازه ای قوی هستند که عدم رعایت نکات ایمنی هنگام کار با آنها می تواند به بروز آسیب دیدگی برای انسان منجر شود.

عصر ایران - آهنربا ماده یا جسمی است که میدان مغناطیسی تولید می کند. این میدان مغناطیسی نامرئی مسئول قابل توجه‌ترین ویژگی آهنربا است: نیرویی که به مواد فرومغناطیس دیگر مانند آهن، فولاد، نیکل، کبالت و غیره وارد می شود و آهنرباهای دیگر را جذب یا دفع می کند.

کانال عصر ایران در تلگرام

آهنربا می تواند دائمی باشد که میدان مغناطیسی ثابت دارد، یا الکترومگنت (آهنربای الکتریکی) باشد که با اعمال جریان الکتریکی ایجاد می شود.

اَبَرآهنربا (Super magnet) به طور کلی اصطلاحی است که برای آهنربای نئودیمیوم (Neodymium magnet)، قوی‌ترین آهنرباهای دائمی که به صورت تجاری در دسترس است، استفاده می شود. همچنین، اَبَرآهنربا می تواند به یک آهنربای الکتریکی قدرتمند اشاره داشته باشد.

دانلود فیلم

دو اَبَرآهنربا را به هم نزدیک نکنید!

آهنرباهای نئودیمیوم به اندازه ای قوی هستند که عدم رعایت نکات ایمنی هنگام کار با آنها می تواند به بروز آسیب دیدگی برای انسان منجر شود.

آهنرباهای نئودیمیوم شناخته شده‌ترین و پر استفاده‌ترین اَبَرآهنربا هستند که از آلیاژ نئودیمیوم، آهن، و بور برای شکل گیری ساختار Nd2Fe14B ساخته می شوند.

یک آهنربای نئودیمیوم به طور معمول ظاهری شبیه فولاد ضدزنگ پولیش خورده دارد. این آهنربا می توانند تا 1300 برابر وزن خود را نگه دارند. این به معنای آن است که یک آهنربای نئودیمیوم یک گرمی می تواند یک کره آهنی تا وزن 1.3 کیلوگرم را نگه دارد.

برخورد دو اَبَرآهنربا با یکدیگر می تواند موجب بروز جرقه شود زیرا میدان های مغناطیسی با هم ترکیب شده و موجب حرکت بارهای الکتریکی می شود. اما باید به این نکته اشاره داشت که خود اَبَرآهنرباها هنگام برخورد آتش نمی گیرند یا نمی سوزند. جرقه ها پدیده ای کوتاه مدت هستند و همانگونه که اشاره شد حاصل تعامل میدان های مغناطیسی و حرکت بار است.

آشنایی با آلیاژهای حافظه‌دار

آلیاژ حافظه‌دار؛ درباره این ویژگی جالب چه می‌دانید؟ (+فیلم)

نیکل و تیتانیوم از مهم‌ترین و شناخته شده‌ترین عناصر مورد استفاده در آلیاژهای حافظه‌دار هستند. پرکاربردترین آلیاژ این دو عنصر با نام "نیتینول" شناخته می شود. این آلیاژ از خواص مکانیکی عالی برخوردار است.

عصر ایران - آیا تا به حال درباره آلیاژهای فلزی حافظه‌دار چیزی شنیده اید؟ برخی فلزات می توانند شکل اولیه خود را به خاطر سپرده و در صورت تغییر شکل در حضور محرکی مانند گرما به شکل پیشین خود باز گردند.

---

آلیاژهای حافظه‌دار شکلی (Shape Memory Alloy) گروهی از آلیاژها هستند که می توانند زیر میزان مشخصی از تنش و گرما به شکل و اندازه پیشین خود بازگردند. آلیاژهای حافظه‌دار شکلی از الاستیسیته (ویژگی تغییر شکل بازگشت‌پذیر) بالایی برخوردار هستند. این ویژگی با دو فاز بین فلزی منحصر به فرد آستنیت و مارتنزیت مرتبط است.

آلیاژهای حافظه‌دار با قرار گرفتن در معرض گرما می توانند تغییر شکل دهند، از این رو، می توانند کارایی بالایی داشته باشند. در واقع، این امکان فراهم می شود تا از آنها برای تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی استفاده کرد. به عنوان نمونه، با استفاده از سیم ساخته شده از آلیاژ حافظه‌دار می توانید یک پیشرانه بسازید.

دانلود فیلم

از جمله آلیاژهای حافظه‌دار می توان به موارد زیر اشاره کرد:

نیتینول(نیکل-تیتانیوم) یا NiTi: نیکل و تیتانیوم از مهم‌ترین و شناخته شده‌ترین عناصر مورد استفاده در آلیاژهای حافظه‌دار هستند. پرکاربردترین آلیاژ این دو عنصر با نام "نیتینول" شناخته می شود. این آلیاژ از خواص مکانیکی عالی برخوردار است.

آلیاژهای Cu-Al-Ni، Fe-Mn-Si، و Cu-Zn-Al: خواص مکانیکی این ترکیبات نسبت به نیتینول ضعیف‌تر است و همچنان در حال توسعه هستند.

نیکل-منگنز-گالیوم (Ni-Mn-Ga): از آلیاژهای حافظه‌دار مغناطیسی هستند که به جای دما زیر تاثیر میدان های مغناطیسی قرار می گیرند. این آلیاژها نیز در حال توسعه هستند.

دانلود فیلم

اثر حافظه شکلی و شبه الاستیسیته

اثر حافظه شکلی (Shape Memory Effect) آن چیزی است که به آلیاژ حافظه‌دار امکان بازگشت به شکل اولیه خود پس از گرم شدن را می دهد. اثر حافظه شکلی در واقع یک فرآیند تبدیل فاز مارتنزیت به آستنیت ناشی از گرما است. این تغییر فاز موجب بازگشت ماده به شکل اولیه خود می شود.

انعطاف‌پذیری بالا یکی دیگر از ویژگی های آلیاژهای حافظه‌دار است. از آنجایی که کشیدگی پیوندهای اتمی رخ نمی دهد، انعطاف‌پذیری این آلیاژها به نام شبه الاستیسیته یا الاستیسته کاذب نیز شناخته می شود.

دانلود فیلم

کاربرد آلیاژهای حافظه‌دار

آلیاژهای حافظه‌دار در زمینه ساخت تجهیزات پزشکی از جمله برای ارتوپدی، مغز و اعصاب، قلب و عروق، لوازم و وسایل دندانپزشکی، ایمپلنت ها و همچنین فریم عینک ها، دستگاه های ایمنی حساس به دما و سیم های راهنما کاربرد دارند.

به عنوان نمونه، از ویژگی شبه الاستیسیته آلیاژهای حافظه‌دار در ارتودنسی استفاده می شود. از سیم های نایتینول برای ثابت نگه داشتن براکت ها استفاده می شود. همچنین، با استفاده از اثر حافظه شکلی، می توان از آلیاژهای حافظه‌دار برای ساخت استنت ها استفاده کرد که برای باز کردن رگ های خونی و پاکسازی گرفتگی رگ های خونی کاربرد دارند.

---

بیشتر بخوانید:

افزایش باورنکردنی قیمت گرانبهاترین فلز جهان

چاپ سه بعدی در فضا با بازیافت فلزات روی ماه