مقایسه آلیاژهای استنلس استیل: 201، 304، 316، 310 و داپلکس

مقایسه آلیاژهای استنلس استیل معمولاً به فهرستی از مزیت‌ها تبدیل می‌شود که در آن هر گرید در همه چیز خوب است. این نوع مقایسه به درد انتخاب نمی‌خورد، چون واقعیت آلیاژسازی معاوضه است: هر عنصری که برای بهبود یک خاصیت اضافه می‌شود، معمولاً خاصیت دیگری را تضعیف می‌کند.

این مقاله گریدهای پرکاربرد بازار را با عدد کنار هم می‌گذارد و نشان می‌دهد هر کدام چه چیزی را در ازای چه چیزی می‌دهند. اگر به‌جای مقایسه گرید، دنبال نقشه کلی خانواده‌های استیل هستید، جدول پنج خانواده در راهنمای جامع خرید استیل ضد زنگ نقطه شروع بهتری است.

چه چیزی یک فولاد را «زنگ‌نزن» می‌کند؟

مرز تعریف‌شده و نه سلیقه‌ای است. استاندارد اروپایی EN 10088-1 فولاد زنگ‌نزن را فولادی تعریف می‌کند که دست‌کم ۱۰٫۵ درصد کروم و حداکثر ۱٫۲ درصد کربن داشته باشد. زیر این مقدار کروم، لایه اکسید محافظ به‌طور پیوسته روی سطح تشکیل نمی‌شود.

یک نکته را هم باید صاف کرد، چون در متن‌های فارسی زیاد تکرار می‌شود: استنلس استیل «در اسید حل نمی‌شود» جمله نادرستی است. فولاد زنگ‌نزن در برابر اسیدهای اکسیدکننده مثل نیتریک مقاوم است، اما اسیدهای احیاکننده مانند اسید کلریدریک به آن حمله می‌کنند. همین‌طور «مقاوم در برابر آب دریا» برای گریدهای معمولی درست نیست؛ 304 در آب دریا خراب می‌شود. مقاومت، مشروط است نه مطلق.

جدول مقایسه گریدهای پرکاربرد

اعداد زیر حدود مجاز استاندارد هستند، نه آنالیز یک محموله خاص. ترکیب 304، 304L، 316 و 316L از برگه‌های فنی Penn Stainless برای 304 و 304L و برای 316 و 316L مطابق ASTM A240 گرفته شده است.

دو الگو را می‌شود مستقیم از جدول خواند. اول اینکه 316 کروم کمتری از 304 دارد، نه بیشتر؛ برتری‌اش از مولیبدن می‌آید. دوم اینکه 310S بیشترین کروم را دارد ولی هیچ مولیبدنی ندارد، که نشان می‌دهد برای مسئله دیگری ساخته شده است.

حرف L و H در نام گرید چه می‌گویند؟

این مهم‌ترین چیزی است که در بیشتر مقایسه‌های فارسی جا می‌افتد یا برعکس گفته می‌شود. L و H دو سر یک طیف‌اند و آن طیف، کربن است. کربن هم‌زمان دو کار متضاد می‌کند: استحکام در دمای بالا را بالا می‌برد و مقاومت به خوردگی پس از جوش را پایین می‌آورد.

جمله‌ای که در بسیاری از متن‌ها می‌بینید، یعنی «304L در دمای بالا بهتر است»، دقیقاً وارونه است. طبق برگه فنی Penn Stainless برای 304H، این گرید با کربن کنترل‌شده ۰٫۰۴ تا ۰٫۱۰ درصد در دماهای بالای ۸۰۰ درجه فارنهایت استحکام بهتری دارد، و در دماهای بالای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد خزش کوتاه‌مدت و بلندمدت آن از 304L بیشتر است.

پس قاعده ساده است: L برای جوشکاری، H برای حرارت. اگر قطعه جوش می‌خورد و در دمای معمولی کار می‌کند، L درست است. اگر در دمای بالا بار می‌برد، L بدترین انتخاب است. جزئیات حساس‌شدن و بازه دمایی آن در محدودیت‌های ورق استیل 304 با منبع آمده است.

201 واقعاً چقدر به 304 نزدیک است؟

ادعای «201 کیفیتی مشابه 304 و 316 دارد» با اعداد جدول سازگار نیست. 201 هم کروم کمتری دارد (۱۶ تا ۱۸ در برابر ۱۸ تا ۲۰ درصد) و هم نیکل به‌مراتب کمتر (۳٫۵ تا ۵٫۵ در برابر ۸ تا ۱۰٫۵ درصد). جای نیکل را منگنز ۵٫۵ تا ۷٫۵ درصد و نیتروژن ۰٫۰۵ تا ۰٫۲۵ درصد گرفته است.

این جایگزینی هدف اقتصادی دارد و کار هم می‌کند: 201 ساختار آستنیتی خود را حفظ می‌کند و در حالت آنیل غیرمغناطیسی است. اما کروم کمتر یعنی لایه پسیو ضعیف‌تر، و نتیجه‌اش مقاومت کمتر به خوردگی است.

نکته‌ای که معمولاً گفته نمی‌شود: حداکثر کربن 201 برابر ۰٫۱۵ درصد است، یعنی تقریباً دو برابر 304. با منطق بخش قبل، این یعنی 201 پس از جوشکاری بیشتر از 304 مستعد حساس‌شدن است، نه کمتر.

و ادعای «201 قوی‌ترین فولاد ضدزنگ است» درست نیست. 201 به‌خاطر نیتروژن کارسختی بالایی دارد، اما گریدهای مارتنزیتی و رسوب‌سختی مثل 17-4 PH پس از عملیات حرارتی چند برابر آن استحکام می‌دهند. 201 گرید ارزان‌تر است، نه قوی‌تر.

310 گرید نسوز است، نه ضدخوردگی

در جدول دیدید که 310S بیشترین کروم را دارد. این وسوسه‌انگیز است که نتیجه بگیریم پس بیشترین مقاومت به خوردگی را هم دارد. اما کروم بالا در 310 برای مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا است، نه خوردگی در محیط مرطوب.

برگه فنی Sandmeyer برای آلیاژ 310 و 310S این را صریح می‌گوید: آلیاژ 310 برای سرویس در محیط‌های خورنده مرطوب طراحی نشده است. 310 مولیبدن ندارد، بنابراین در برابر خوردگی حفره‌ای کلریدی از 316 ضعیف‌تر است، هرچند کروم بیشتری دارد.

همین تفکیک برای 309 هم برقرار است و در مقایسه استیل 309 و 316 به‌طور کامل باز شده است: مقاومت حرارتی و مقاومت به خوردگی دو مسئله جدا هستند و معمولاً یک گرید هر دو را با هم نمی‌دهد.

داپلکس: «۵۰ به ۵۰» یعنی چه؟

درباره فولاد دوفازی یک اشتباه رایج وجود دارد: گفته می‌شود «۵۰ درصد آهن و ۵۰ درصد کروم و نیکل و مولیبدن». این نادرست است و با هیچ ترکیب واقعی جور درنمی‌آید.

نسبت ۵۰ به ۵۰ به ریزساختار برمی‌گردد، نه به ترکیب شیمیایی. برگه فنی Sandmeyer برای آلیاژ 2205 توضیح می‌دهد که ترکیب این گرید طوری تنظیم شده که پس از آنیل انحلالی، ریزساختاری با نسبت تقریبی ۵۰ درصد فریت و ۵۰ درصد آستنیت به دست بیاید. ترکیب شیمیایی واقعی 2205 حدود ۲۲٫۱ درصد کروم، ۵٫۶ درصد نیکل، ۳٫۱ درصد مولیبدن و ۰٫۱۸ درصد نیتروژن است. بقیه آهن است.

این ساختار دوفازی دو مزیت هم‌زمان می‌دهد. همان منبع تنش تسلیم حداقل 2205 را ۶۵ ksi اعلام می‌کند و می‌نویسد این مقدار حدوداً دو برابر فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی است. یعنی برای یک بار مشخص می‌توانید ضخامت کمتری بگیرید، که بخشی از هزینه بالاتر هر کیلو را جبران می‌کند.

گریدهای بدون نیکل: 430 و 410

تا اینجا همه گریدهای جدول جز 2205 آستنیتی بودند. اما دو خانواده دیگر هم در بازار حضور جدی دارند و معمولاً از مقایسه‌ها حذف می‌شوند. هر دو نیکل ندارند یا نیکلشان ناچیز است، و هر دو مغناطیسی‌اند.

• 430 (فریتی، UNS S43000). کروم ۱۶ تا ۱۸ درصد و بدون نیکل. ارزان‌تر از 304 و در مقاومت عمومی به خوردگی ضعیف‌تر، اما در برابر ترک‌خوردگی تنشی کلریدی به‌مراتب مقاوم‌تر از گریدهای آستنیتی است، دقیقاً چون نیکل ندارد. برای لوازم خانگی، تریم داخلی و اگزوز خودرو استفاده می‌شود.
• 410 (مارتنزیتی، UNS S41000). طبق برگه فنی Sandmeyer کروم ۱۱٫۵ تا ۱۳٫۵ درصد، نیکل حداکثر ۰٫۷۵ درصد و کربن ۰٫۰۸ تا ۰٫۱۵ درصد دارد. تفاوت اصلی‌اش با دو خانواده دیگر این است که با عملیات حرارتی سخت می‌شود. برای تیغه، چاقو، شیرآلات و قطعات سایشی استفاده می‌شود، جایی که سختی مهم‌تر از مقاومت به خوردگی است.

به کروم 410 دقت کنید: ۱۱٫۵ درصد، یعنی فقط کمی بالاتر از حداقل ۱۰٫۵ درصدی که فولاد را زنگ‌نزن می‌کند. این گرید در مرز تعریف قرار دارد و انتظار عملکرد 304 از آن، انتظار نابه‌جایی است.

PREN: یک عدد برای مقایسه مقاومت کلریدی

برای مقایسه مقاومت گریدها در برابر خوردگی حفره‌ای، عدد PREN استفاده می‌شود که از رابطه زیر به دست می‌آید:

PREN = ٪Cr + ۳٫۳ × ٪Mo + ۱۶ × ٪N

مقدار تقریبی برای گریدهای رایج: 304 در محدوده ۱۸ تا ۲۰، 316 در محدوده ۲۴ تا ۲۸، و 2205 دست‌کم ۳۴ بر اساس برگه فنی Sandmeyer. همین سه عدد توضیح می‌دهد چرا برای محیط دریایی سراغ 316 و بالاتر می‌روند.

دو هشدار درباره این عدد. اول اینکه PREN فقط خوردگی حفره‌ای را می‌سنجد و درباره ترک‌خوردگی تنشی، مقاومت حرارتی یا استحکام چیزی نمی‌گوید. دوم اینکه برای 310 عددی نزدیک به ۲۵ به دست می‌آید که گمراه‌کننده است، چون آن کروم برای دمای بالا در نظر گرفته شده و گرید در محیط مرطوب کلریدی آزمایش و توصیه نشده است. محاسبه کامل PREN در مقایسه ورق استیل 304 و 316 آمده است.

پرسش‌های متداول

کدام گرید استنلس استیل بهترین است؟

این پرسش پاسخ ندارد، چون معیار مشخص نشده است. بهترین در برابر کلرید 2205 است، بهترین در دمای بالا 310، بهترین از نظر قیمت 201 و بهترین از نظر تعادل عمومی 304. پرسش درست این است که محیط کاری شما کدام خاصیت را می‌طلبد.

آیا 316L از 316 بهتر است؟

نه بهتر، بلکه متفاوت. 316L کربن کمتری دارد و پس از جوشکاری در برابر خوردگی بین‌دانه‌ای مقاوم‌تر است، اما حداقل تنش تسلیم پایین‌تری دارد (۲۵ در برابر ۳۰ ksi) و در دمای بالا ضعیف‌تر عمل می‌کند. عبارت «کیفیت بهتر» اینجا معنا ندارد.

چرا 316 کروم کمتری از 304 دارد ولی مقاوم‌تر است؟

چون مقاومت به خوردگی حفره‌ای فقط به کروم بستگی ندارد. در رابطه PREN، هر یک درصد مولیبدن به اندازه ۳٫۳ درصد کروم اثر دارد. مولیبدن ۲ تا ۳ درصدی 316 کمبود یکی دو درصد کروم را با اختلاف جبران می‌کند.

داپلکس گران‌تر است، پس چرا استفاده می‌شود؟

به دو دلیل: مقاومت کلریدی بسیار بالاتر و استحکام حدوداً دو برابر. دلیل دوم اقتصادی است، چون امکان کاهش ضخامت را می‌دهد. برای مخزن و سازه‌های بزرگ، این صرفه‌جویی در وزن گاهی تفاوت قیمت هر کیلو را پوشش می‌دهد.

روی گواهی من فقط نوشته «304»، مشکلی هست؟

بله. نام گرید نه استاندارد محصول را مشخص می‌کند و نه شکل و ضخامت را. دلیلش در استانداردهای شماره گذاری ورق استیل توضیح داده شده است.

جمع‌بندی

مقایسه آلیاژهای استنلس استیل وقتی مفید است که به‌جای فهرست مزیت‌ها، معاوضه‌ها را نشان دهد. مولیبدن مقاومت کلریدی می‌آورد و قیمت می‌برد. کربن کم جوش را نجات می‌دهد و استحکام گرم را می‌گیرد. کروم بالا در 310 برای حرارت است نه رطوبت. ساختار دوفازی استحکام می‌دهد و شکل‌دهی را سخت‌تر می‌کند.

اگر می‌خواهید انتخاب را به یک تصمیم عملی تبدیل کنید، از جدول تصمیم انتخاب گرید شروع کنید و برای شناخت دقیق‌تر پرکاربردترین گرید، معرفی ورق استیل استنلس 304 را ببینید.

برای مشاهده گریدها و ابعاد موجود، صفحه ورق استیل 304 و ورق استنلس استیل 316 را ببینید.