فولادهای زنگ نزن 304 و 316 چه تفاوت مهمی با هم دارند؟

فولادهای زنگ نزن ۳۰۴ یا Stainless steel 18 8 و ۳۱۶ یا Stainless steel 18 10 از پر کاربردترین و پر مصرف ترین فولادها در صنایع مختلف هستند. هر دوی این فولادها کاربرد زیادی در تجهیزات، ماشین آلات و ابزار به کار رفته در صنایع مختلف مثل مخازن، مبدل های حرارتی، سیستم پایپینگ، شیرآلات، پمپ، اجزای ماشین و غیره، تجهیزات و لوازم صنایع غذایی، دارویی و پزشکی، لوازم خانگی، تجهیزات و لوازم آشپزخانه و تزئینات ساختمانی دارند. علیرغم برخی مشابهت ها در خواص، ویژگی ها و کاربردهای این دو فولاد، یک تفاوت مهم بین آن ها باعث می شود تا نتوان در برخی کاربری ها و مصارف، فولاد زنگ نزن ۳۰۴ را جایگزین ۳۱۶ کرد. در نتیجه باید هزینه بیشتری صرف تامین و ساخت قطعات و تجهیزات صنعتی نمود تا از فولاد زنگ نزن گران تر ۳۱۶ استفاده کرد. قبل از اینکه به این تفاوت مهم این دو فولاد اشاره کنیم، لازم است تا توضیحاتی راجع به فولادهای زنگ نزن و خانواده ای از این فولادها که فولاد ۳۰۴ و فولاد ۳۱۶ متعلق به آن خانواده هستند، داده باشیم.

فولادهای زنگ نزن گروه وسیع و پر کاربردی از فولادها هستند که بیشتر برای مقاومت در برابر انواع خوردگی ها توسعه یافته اند. عنصر پایه و اصلی آلیاژی در این فولادها کروم است که حداقل حدود ۱۱ درصد در ترکیب آن ها وجود دارد. نقش اصلی مقاومت به خوردگی در این فولادها به عهده کروم است. کروم با تشکیل اکسید کروم در سطح فولاد، چون از نظر شیمیایی ترکیبی بسیار پایدار است، سبب جلوگیری از نفوذ اکسیژن و ترکیب آن با لایه های زیرین می شود. به همین خاطر نقش مقاومت به خوردگی را ایفا می نماید. لایه چسبنده اکسید کروم بسیار نازک (با ضخامتی در حد چند اتم) است. پس از کروم عنصر آلیاژی دیگر که بیشترین تاثیر را روی فولادهای زنگ نزن دارد، نیکل است. علاوه بر کروم و نیکل، عناصر آلیاژی دیگری چون مولیبدن، منگنز، نیتروژن، مس و غیره ساختار فولادهای زنگ نزن را تشکیل داده و باعث خواص و کاربری متفاوت آن ها می شوند. علاوه بر مقاومت به خوردگی، ویژگی های دیگری چون شکل پذیری عالی، چقرمگی زیاد در دمای اتاق و دماهای زیر صفر، مقاومت خوب در برابر پوسته شدن، اکسایش و خزش در دماهای بالا، جوش پذیری و قابلیت ریخته گری باعث کاربرد زیاد انواع فولادهای زنگ نزن در کاربری های مختلف صنعتی شده است.

متداول ترین دسته بندی فولادهای زنگ نزن بر اساس ریز ساختار فازی آن ها در دمای محیط صورت گرفته است، بر این اساس فولادهای زنگ نزن به انواع مارتنزیتی، فریتی، آستنیتی، دو فازی فریتی – آستنیتی یا دوپلکس و سختی رسوبی تقسیم می شود. فولادهای زنگ نزن ۳۰۴ و ۳۱۶ از جمله فولادهای زنگ نزن آستنیتی هستند. ترکیب عناصر آلیاژی در فولادهای زنگ نزن آستنیتی به نحوی است که میکرو ساختار این فولادها در دمای محیط شامل آستنیت است. ساختار آستنیتی باعث غیر مغناطیس و نگیر بودن این فولادها می شود. استحکام و سختی این فولادها را نمی توان با عملیات حرارتی افزایش داد و قابلیت سخت شدن یا تبدیل آستنیت به مارتنزیت در آن ها فقط از طریق کار مکانیکی ممکن است.

اگر علاقمندید آشنایی بیشتری با فازهای فریت، آستنیت و مارتزیت داشته باشید، نوشته زیر از عصر مواد مطلب مناسبی است:

معرفی ساده و کاربردی ریزساختار فولادها: فریت، آستنیت، پرلیت، مارتنزیت و بینیت

با این توضیحات، بر می گردیم سراغ فولادهای زنگ نزن ۳۰۴ و ۳۱۶٫ اگر نگاهی به ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی این دو فولاد در جداول زیر بیندازیم، مشاهده می کنیم که ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی آن ها تقریباً مشابه هم هستند ولی اگر در ترکیب شیمیایی آن ها دقیق تر شویم، یک تفاوت مهم را متوجه خواهیم شد و آن چیزی نیست جز حضور ۳-۲ درصد مولیبدن در ترکیب شیمیایی ۳۱۶، در حالی که جلوی این عنصر در ترکیب شیمیایی ۳۰۴ خالی است و تنها یک خط تیره مشاهده می شود. البته مقدار حداقل و حداکثر نیکل در فولاد ۳۱۶ بیشتر از فولاد ۳۰۴ و بالعکس مقدار کروم در ۳۰۴ بیشتر از ۳۱۶ است ولی تفاوت مهم ناشی از آن نیست.

حداکثر مقدار عناصر در ترکیب شیمیایی فولادهای ۳۰۴ و ۳۱۶ طبق ASTM

عنصر	مقدار % در ۳۰۴	مقدار % در ۳۱۶	عنصر	مقدار % در ۳۰۴	مقدار % در ۳۱۶
کربن	۰٫۰۸	۰٫۰۸	سیلیسیم	۱	۱
منگنز	۲	۲	کروم	۱۸-۲۰	۱۶-۱۸
فسفر	۰٫۰۴۵	۰٫۰۴۵	نیکل	۸-۱۱	۱۰-۱۴
گوگرد	۰٫۰۳۰	۰٫۰۳۰	مولیبدن	–	۲-۳

خواص مکانیکی فولادهای ۳۰۴ و ۳۱۶ طبق ASTM

مشخصه	واحد	مقدار در ۳۰۴	مقدار در ۳۱۶
تنش تسلیم	MPa	۲۰۵ min	۲۰۵ min
استحکام کشش نهایی	MPa	۵۱۵ min	۵۱۵ min
ازدیاد طول	%	min 40	min 30
سختی	Brinell	۲۰۰ max	۲۰۰ max

حتماً این سوال مطرح شده است که مولیبدن دارای چه نقش ویژه ای در این فولادها است؟ و سوال مهم تر اینکه، چه ارتباطی بین تفاوت ۳۰۴ و ۳۱۶ و تفاوت مقدار مولیبدن آن ها وجود دارد؟

پاسخ این سوالات کلید پاسخ به پرسش اصلی است. در واقع تفاوت مهم ۳۰۴ و ۳۱۶ از حضور عنصر مولیبدن در فولاد ۳۱۶ ناشی می شود و تفاوت های کوچک در مقدار سایر عناصر تاثیر زیادی در به وجود آمدن این تفاوت ندارد. حضور عنصر مولیبدن یک خاصیت ویژه ای به فولاد ۳۱۶ می بخشد که در فولاد ۳۰۴ کمتر وجود دارد و آن این است که اضافه شدن مولیبدن به ترکیب شیمیایی فولاد ۳۱۶ مقاومت آن را به خوردگی عمومی، حفره دار شدن (pitting) و خوردگی شیاری یا شکافی افزایش می دهد. این موضوع را دست کم نگیرید، بلکه همین تفاوت باعث توسعه ی کاربردهای فولاد ۳۱۶ نسبت به ۳۰۴ شده است. به طوری که در بسیاری از محیط های مستعد به خوردگی حفره دار شدن و خوردگی شیاری و همچنین برخی محیط های اسیدی نمی توان از فولاد زنگ نزن ۳۰۴ استفاده کرد ولی می توان از فولاد زنگ نزن ۳۱۶ استفاده نمود.

تفاوت استیل ۳۰۴ و ۳۱۶ را در یک ویدیوی کوتاه یک دقیقه ای توضیح داده ایم، این ویدیو را می توانید از نوشته زیر در عصر مواد مشاهده بفرمایید:

تفاوت استیل ۳۰۴ و ۳۱۶ + ویدیوی آموزشی و اختصاصی عصر مواد

در خصوص خوردگی حفره دار شدن می توانید این مطلب را از عصر مواد بخوانید ولی به طور خلاصه می توان گفت که حفره دار شدن (pitting) از مخرب ترین انواع خوردگی های موضعی است که باعث سوراخ شدن تجهیزات فلزی می شود. مستعد ترین فلزات برای حفره دار شدن فلزاتی هستند که به وسیله فیلم نازکی محافظت می شوند، مثل فولادهای زنگ نزن، آلومینیوم، تیتانیوم، مس و منیزیم. لایه پاسیو اکسید کروم در سطح فولادهای زنگ نزن، اگر چه مقاومت به خوردگی یکنواخت آن را افزایش می دهد، ولی فلز را مستعد خوردگی موضعی می کند. اگر چه فولادهای معمولی هم دچار خوردگی حفره ای می شوند ولی مقاومت بیشتری به این نوع خوردگی نسبت به فولادهای زنگ نزن دارند و به علت حفره دار شدن هم سوراخ نمی شوند. اگر حمله موضعی عناصر خورنده به فلز در یک سطح آزاد اتفاق بیفتد و موجب خوردگی آن شود، آن را خوردگی حفره دار شدن (Pitting Corrosion) و اگر در یک سطح بسته مثل شکاف، شیار، سوراخ و محل اتصال اتفاق بیفتد، آن را خوردگی شیاری (Crevice Corrosion) می گویند.

دوره شروع حفره دار شدن بسته به فلز و محیط، می تواند ماه ها تا سال ها طول بکشد و اما به مجرد اینکه حفره ها شروع شدند، با سرعت فزاینده ای به داخل سطح فلز نفوذ می کنند. در این نوع خوردگی کاهش وزن بسیار کم است، حفره ها را به دلیل کوچک بودن و پنهان شدن در زیر محصولات خوردگی و رسوبات و قرار داشتن در فضاهای مرده و بسته به سختی می توان مشاهده کرد و همچنین حفره زایی را به سختی می توان با آزمون های خوردگی پیش بینی کرد، لذا حفره دار شدن بیشترین تعداد انهدام های خوردگی غیر قابل انتظار را به خود اختصاص می دهد. به همین دلیل، حفره دار شدن از خطرناک ترین انواع خوردگی ها است.

به دلیل غیر منتظره بودن انهدام های ناشی از خوردگی حفره دار شدن، کنترل و حذف خوردگی در مرحله طراحی قطعه و تجهیز، برای پیشگیری از این انهدام و شکست ها از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. از جمله روش های کنترل این خوردگی، انتخاب متریال مناسب در محیط های مستعد به حفره دار شدن است. به همین دلیل استفاده از فولاد زنگ نزن ۳۱۶ اطمینان بیشتری به طراح برای اجتناب از تخریب های ناخواسته ی ناشی از حفره دار شدن نسبت به فولاد ۳۰۴ می دهد.

با توضیحات گفته شده، تفاوت مهم فولادهای زنگ نزن ۳۰۴ و ۳۱۶ را می توان مقاومت بیشتر فولاد ۳۱۶ نسبت به خوردگی های حفره دار شدن و شیاری و تخریب های ناخواسته ی ناشی از آن خوردگی ها و در نتیجه توسعه ی کاربرد آن دانست که بیشتر ناشی از حضور عنصر مولیبدن در ترکیب شیمیایی آن است.