زنگ‌زدگی خطری دائمی برای اشیای آهنی اطراف ماست که به‌راحتی در مجاورت هوا و آب اکسید می‌شوند. حتی فولاد (آلیاژ سخت آهن با ترکیبی از کربن) به‌راحتی زنگ می‌زند؛ بدین معنا که اکسیداسیون، به فولاد به‌کاررفته در ساختمان‌ها، اتومبیل‌ها و لوازم‌خانگی آسیب می‌رساند.

اما همان‌طور که از نامش پیداست، فولاد ضدزنگ (Stainless steel) زنگ نمی‌زند؛ اما راز این ماجرا در کجا نهفته است؟

ترکیب جادویی فولاد ضدزنگ

به زبان ساده، شیمی به‌کاررفته در فولاد ضدزنگ، در واقع مانع از رسیدن اکسیژن موجود در هوا و محیط به آهن فولاد شده و از واکنش اکسیداسیون مضر جلوگیری می‌کند. زمانی که آهن با اکسیژن، واکنش شیمیایی می‌دهد و اکسید آهن تشکیل می‌شود، فولاد معمولی دچار زنگ‌زدگی خواهد شد.

اگر چه به‌طورکلی، زنگ‌زدگی برای انسان مضر نیست، اما می‌تواند باعث خوردگی آهن شده و آن را زشت و ناایمن کند.

فولاد معمولی، آلیاژی متشکل از ۹۹٪ آهن و بین ۰.۲٪ تا ۱٪ کربن است؛ اما فولاد ضدزنگ معمولاً بین ۶۲٪ تا ۷۵٪ آهن، ۱٪ کربن و بیش از ۱۰.۵٪ کروم دارد. در عین‌حال در فولاد ضدزنگ چند درصد نیکل نیز وجود دارد که همین کار کردن با آن را سخت‌تر و از برخی لحاظ آسان‌تر می‌کند.

تیم کالینز، دانشمند مواد و دبیر کل Worldstainless (سازمان غیرانتفاعی مستقر در بلژیک و متحد با گروه صنعتی انجمن جهانی فولاد) در این‌باره توضیح داد: «کروم، کلید مقاومت فولاد ضدزنگ در برابر زنگ‌زدگی است. کروم با اکسیژن موجود در محیط (هوا و آب) واکنش می‌دهد و یک‌لایه غیرفعال از اکسید کروم (Cr۲O۳) را روی سطح فلز ایجاد می‌کند. این لایه از رسیدن اکسیژن به آهن موجود در فولاد جلوگیری کرده و مانع از زنگ زدن آن می‌شود.»

او در ادامه به این نکته اشاره کرد که لایه غیرفعال روی فولاد ضدزنگ، تنها چند نانومتر ضخامت دارد و از همین رو، نامرئی است. حتی درصورتی‌که لایه اکسید کروم آسیب ببیند، می‌تواند به خودی خودترمیم شود؛ یعنی در حالتی بی‌اثر، ازنظر شیمیایی با مواد دیگر واکنش نشان نخواهد داد. کالینز به این نکته اشاره کرد که این از سطح فلز شسته نمی‌شود و از همین رو، فولاد ضدزنگ برای تولید ظروف طبخ غذا، جراحی و سایر کاربردها ایده‌آل است.

کشف تصادفی فولاد ضدزنگ

در سال ۱۹۱۲ بود که هری برلی، متالورژیست انگلیسی به صورتی تصادفی، فولاد ضدزنگ مدرن را کشف کرد. او زمانی که مشغول مطالعه آلیاژهای فولادی برای جلوگیری از خوردگی در لوله‌های تفنگ بود، به فولاد ضدزنگ رسید و آلیاژی از آهن، کربن، کروم و نیکل ایجاد کرد.

کالینز دراین‌باره توضیح داد: «آلیاژی که او تولید کرد، برای لوله تفنگ مناسب نبود. به همین خاطر برلی آن را در حیاط‌خلوت خود انداخت و چند هفته بعد، متوجه شد که این آلیاژ براق، دچار زنگ‌زدگی نشده است؛ از همین رو، این ماده را توسعه داد و در سال ۱۹۱۵ این آلیاژ جذاب را به جهانیان معرفی کرد.»

طبق گفته کالینز، در حال حاضر فولاد ضدزنگ، حدود ۴ درصد از فولاد مورد استفاده سالانه در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد. (حدود تقریباً ۲ میلیارد تن)

البته باید این را در نظر داشت که پروسه ساخت فولاد ضدزنگ، پروسه پیچیده و پرهزینه‌ای است که هزینه تولید آن معمولاً بین سه تا پنج برابر فولاد معمولی خواهد بود. در عین‌حال، گنجاندن عناصر فلزی خاصی در آلیاژها (مثل مولیبدن برای استفاده در زیرآب) می‌تواند هزینه ساخت آن را همچنان گران‌تر کند.

درنتیجه، در بیشتر مواقعی که به فولاد نیاز است، از فولاد معمولی یا کربنی استفاده می‌شود؛ چه در شرایطی که زنگ نمی‌زند یا درجایی که با یک‌لایه بیرونی رنگ یا پوشش دیگری محافظت می‌شود.

کالینز ادامه داد: «بااین‌وجود، حالا از فولاد ضدزنگ برای کاربردهای بیشتری استفاده می‌شود؛ از تولیدات مواد غذایی گرفته تا ایمنی مواد غذایی.»

کانتا شلکه، دانشمند مواد غذایی دانشگاه جان هاپکینز هم دراین‌باره گفت: «فولاد ضدزنگ مزایای زیادی نسبت به جایگزین‌های دیگر دارد؛ به‌عنوان‌مثال، برخلاف آلومینیوم و مس، در برابر خوردگی ناشی از اسیدهای غذا و مواد شیمیایی پاک‌کننده مقاوم است و غذایی که با آن تماس دارد را آلوده نمی‌کند. فولاد ضدزنگ بادوام‌تر و قوی‌تر از آلومینیوم و کاملاً بهداشتی است و سطحی غیر متخلخل دارد که می‌توان آن را به‌راحتی تمیز و ضدعفونی کرد.»