Co to jest stal nierdzewna?
„Nierdzewny” to termin ukuty na wczesnym etapie opracowywania tych stali do zastosowań w sztućcach. Została przyjęta jako ogólna nazwa tych stali i obecnie obejmuje szeroką gamę typów i gatunków stali do zastosowań odpornych na korozję lub utlenianie.
Stale nierdzewne to stopy żelaza zawierające minimum 10,5% chromu. Inne pierwiastki stopowe dodaje się w celu poprawy ich struktury i właściwości, takich jak odkształcalność, wytrzymałość i wytrzymałość kriogeniczna.
Ta struktura krystaliczna sprawia, że takie stale są niemagnetyczne i mniej kruche w niskich temperaturach. Aby uzyskać wyższą twardość i wytrzymałość, dodaje się węgiel. Poddane odpowiedniej obróbce cieplnej stale te wykorzystywane są jako żyletki, sztućce, narzędzia itp.
W wielu kompozycjach stali nierdzewnej zastosowano znaczne ilości manganu. Mangan, podobnie jak nikiel, zachowuje strukturę austenityczną stali, ale przy niższym koszcie.
Główne elementy ze stali nierdzewnej
Stal nierdzewna lub stal odporna na korozję to rodzaj stopu metalicznego, który występuje w różnych postaciach. Tak dobrze służy naszym praktycznym potrzebom, że trudno znaleźć jakąkolwiek dziedzinę naszego życia, w której nie korzystamy z tego rodzaju stali. Głównymi składnikami stali nierdzewnej są: żelazo, chrom, węgiel, nikiel, molibden i niewielkie ilości innych metali.
Należą do nich metale takie jak:
- Nikiel
- Molibden
- Tytan
- Miedź
Wykonuje się również dodatki niemetalowe, z których najważniejsze to:
- Węgiel
- Azot
CHROM I NIKL:
Chrom jest pierwiastkiem, który sprawia, że stal nierdzewna jest nierdzewna. Jest niezbędny do tworzenia folii pasywnej. Inne pierwiastki mogą wpływać na skuteczność chromu w tworzeniu lub utrzymywaniu powłoki, ale żaden inny pierwiastek sam w sobie nie jest w stanie nadać właściwości stali nierdzewnej.
Przy zawartości chromu około 10,5% tworzy się słaby film, który zapewnia łagodną ochronę przed atmosferą. Zwiększając zawartość chromu do 17-20%, co jest typowe dla austenitycznych stali nierdzewnych typu 300, zwiększa się stabilność folii pasywnej. Dalszy wzrost zawartości chromu zapewni dodatkową ochronę.
| Symbol | Element |
| Glin | Aluminium |
| C | Węgiel |
| Kr | Chrom |
| Cu | Miedź |
| Fe | Żelazo |
| Pon | Molibden |
| Mn | Mangan |
| N | Azot |
| Ni | Nikiel |
| P | Fosfor |
| S | Siarka |
| Se | Selen |
| Ta | Tantal |
| Ti | Tytan |
Nikiel stabilizuje strukturę austenityczną (strukturę ziaren lub kryształów) stali nierdzewnej oraz poprawia właściwości mechaniczne i właściwości produkcyjne. Zawartość niklu wynosząca 8-10% i więcej zmniejszy skłonność metalu do pękania w wyniku korozji naprężeniowej. Nikiel sprzyja również repasywacji w przypadku uszkodzenia folii.
MANGAN:
Mangan w połączeniu z niklem spełnia wiele funkcji przypisywanych niklowi. Będzie również oddziaływać z siarką w stali nierdzewnej, tworząc siarczyny manganu, co zwiększa odporność na korozję wżerową. Zastępując nikiel manganem, a następnie łącząc go z azotem, zwiększa się również wytrzymałość.
MOLIBDEN:
Molibden w połączeniu z chromem bardzo skutecznie stabilizuje warstwę pasywną w obecności chlorków. Skutecznie zapobiega korozji szczelinowej i wżerowej. Molibden, obok chromu, zapewnia największy wzrost odporności na korozję stali nierdzewnej. Edstrom Industries używa stali nierdzewnej 316, ponieważ zawiera 2-3% molibdenu, który zapewnia ochronę po dodaniu chloru do wody.
WĘGIEL:
Węgiel stosuje się w celu zwiększenia wytrzymałości. W gatunku martenzytycznym dodatek węgla ułatwia utwardzanie poprzez obróbkę cieplną.
AZOT:
Azot służy do stabilizacji struktury austenitycznej stali nierdzewnej, co zwiększa jej odporność na korozję wżerową i wzmacnia stal. Zastosowanie azotu umożliwia zwiększenie zawartości molibdenu aż do 6%, co poprawia odporność na korozję w środowiskach chlorkowych.
TYTAN I MIOB:
Tytan i miob stosuje się w celu zmniejszenia uczulenia stali nierdzewnej. W przypadku uczulenia stali nierdzewnej może wystąpić korozja międzykrystaliczna. Jest to spowodowane wytrącaniem się węglików chromu podczas fazy chłodzenia, gdy części są spawane. Powoduje to wyczerpanie obszaru spoiny z chromu. Bez chromu nie może powstać warstwa pasywna. Tytan i niob oddziałują z węglem, tworząc węgliki, pozostawiając chrom w roztworze, dzięki czemu może utworzyć się pasywny film.
MIEDŹ I ALUMINIUM:
Do stali nierdzewnej można dodać miedź i aluminium wraz z tytanem, aby przyspieszyć jej twardnienie. Utwardzanie osiąga się poprzez wygrzewanie w temperaturze od 900 do 1150F. Pierwiastki te podczas wygrzewania w podwyższonej temperaturze tworzą twardą mikrostrukturę międzymetaliczną.
SIARKA I SELEN:
Siarka i selen są dodawane do stali nierdzewnej 304, aby zapewnić jej swobodną obróbkę. Staje się to stalą nierdzewną 303 lub 303SE, która jest używana przez Edstrom Industries do produkcji zaworów wieprzowych, nakrętek i części, które nie są wystawione na działanie wody pitnej.
Rodzaje stali nierdzewnej
AISI DEFINIUJE MIĘDZY NASTĘPUJĄCE STOPY:
Znana również jako stal nierdzewna „morska” ze względu na jej zwiększoną odporność na korozję w słonej wodzie w porównaniu z typem 304. SS316 jest często używany do budowy zakładów ponownego przetwarzania materiałów jądrowych.
STAL NIERDZEWNA 304/304L
Typ 304 ma nieco niższą wytrzymałość niż 302 ze względu na niższą zawartość węgla.
STAL NIERDZEWNA 316/316L
Stal nierdzewna typu 316/316L to stal molibdenowa posiadająca zwiększoną odporność na wżery pod wpływem roztworów zawierających chlorki i inne halogenki.
STAL NIERDZEWNA 310S
Stal nierdzewna 310S ma doskonałą odporność na utlenianie w stałych temperaturach do 2000°F.
STAL NIERDZEWNA 317L
317L to austenityczna stal chromowo-niklowa zawierająca molibden, podobna do typu 316, z tą różnicą, że zawartość stopu w 317L jest nieco wyższa.
STAL NIERDZEWNA 321/321H
Typ 321 to podstawowy typ 304 modyfikowany przez dodanie tytanu w ilości co najmniej 5-krotności zawartości węgla i azotu.
STAL NIERDZEWNA 410
Typ 410 to martenzytyczna stal nierdzewna, która jest magnetyczna, odporna na korozję w łagodnych środowiskach i ma dość dobrą ciągliwość.
DUPLEKS 2205 (UNS S31803)
Duplex 2205 (UNS S31803) lub Avesta Sheffield 2205 to ferrytyczno-austenityczna stal nierdzewna.
STALE NIERDZEWNE SĄ RÓWNIEŻ KLASYFIKOWANE WEDŁUG ICH STRUKTURY KRYSTALICZNEJ:
- Austenityczne stale nierdzewne stanowią ponad 70% całkowitej produkcji stali nierdzewnych. Zawierają maksymalnie 0,15% węgla, minimum 16% chromu i wystarczającą ilość niklu i/lub manganu, aby zachować strukturę austenityczną we wszystkich temperaturach od obszaru kriogenicznego do temperatury topnienia stopu. Typowy skład to 18% chromu i 10% niklu, powszechnie znanego jako stal nierdzewna 18/10, często używana w sztućcach. Podobnie dostępne są również 18/0 i 18/8. Stale nierdzewne „superaustenityczne”, takie jak stop AL-6XN i 254SMO, wykazują dużą odporność na korozję wżerową i szczelinową chlorkową dzięki wysokiej zawartości molibdenu (>6%) i dodatkom azotu, a wyższa zawartość niklu zapewnia lepszą odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe w serii 300. Wyższa zawartość stopu w stalach „superaustenitycznych” oznacza, że są one przerażająco drogie, a podobne właściwości można zwykle osiągnąć przy użyciu stali duplex przy znacznie niższych kosztach.
- Ferrytyczne stale nierdzewne są bardzo odporne na korozję, ale znacznie mniej trwałe niż gatunki austenityczne i nie można ich utwardzać poprzez obróbkę cieplną. Zawierają od 10,5% do 27% chromu i bardzo mało niklu, jeśli w ogóle. Większość kompozycji zawiera molibden; niektóre, aluminium lub tytan. Typowe gatunki ferrytyczne obejmują 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo i 29Cr-4Mo-2Ni.
- Martenzytyczne stale nierdzewne nie są tak odporne na korozję jak pozostałe dwie klasy, ale są niezwykle mocne i wytrzymałe, a także łatwo poddają się obróbce mechanicznej i można je utwardzać poprzez obróbkę cieplną. Martenzytyczna stal nierdzewna zawiera chrom (12-14%), molibden (0,2-1%), nie zawiera niklu i około 0,1-1% węgla (co nadaje jej większą twardość, ale sprawia, że materiał jest nieco bardziej kruchy). Jest hartowany i magnetyczny. Nazywana jest również stalą „serii 00”.
- Stale nierdzewne typu duplex mają mieszaną mikrostrukturę austenitu i ferrytu, a celem jest uzyskanie mieszanki 50:50, chociaż w stopach dostępnych na rynku mieszanka może wynosić 60:40. Stal duplex ma lepszą wytrzymałość w porównaniu z austenityczną stalą nierdzewną, a także lepszą odporność na miejscową korozję, szczególnie wżerową, szczelinową i pękanie korozyjne naprężeniowe. Charakteryzują się wyższą zawartością chromu i niższą zawartością niklu niż austenityczne stale nierdzewne.
Historia stali nierdzewnej
Ze starożytności zachowało się kilka odpornych na korozję artefaktów żelaznych. Słynnym (i bardzo dużym) przykładem jest Żelazny Filar w Delhi, wzniesiony na rozkaz Kumary Gupty I około roku 400 ne. Jednak w przeciwieństwie do stali nierdzewnej, artefakty te zawdzięczają swoją trwałość nie chromowi, ale wysokiej zawartości fosforu, co w połączeniu z korzystnymi lokalnymi warunkami pogodowymi sprzyja tworzeniu się trwałej ochronnej warstwy pasywacyjnej z tlenków żelaza i fosforanów, zamiast niechroniącej, popękanej warstwy rdzy, która rozwija się na większości elementów ślusarskich.
Odporność korozyjną stopów żelazowo-chromowych po raz pierwszy odkrył w 1821 roku francuski metalurg Pierre Berthier, który zauważył ich odporność na działanie niektórych kwasów i zasugerował ich zastosowanie w sztućcach. Jednakże XIX-wieczni metalurdzy nie byli w stanie wyprodukować kombinacji niskowęglowej i wysokiej zawartości chromu, którą można znaleźć w większości nowoczesnych stali nierdzewnych, a stopy o wysokiej zawartości chromu, które mogli wyprodukować, były zbyt kruche, aby miały praktyczne znaczenie.
Sytuacja ta uległa zmianie pod koniec lat 90. XIX wieku, kiedy Hans Goldschmidt z Niemiec opracował proces aluminotermiczny (termit) służący do produkcji chromu niezawierającego węgla. W latach 19041911 kilku badaczy, zwłaszcza Leon Guillet z Francji, przygotowało stopy, które dziś uważano by za stal nierdzewną. W 1911 roku Philip Monnartz z Niemiec opisał związek między zawartością chromu a odpornością na korozję tych stopów.
Harry Brearley z laboratorium badawczego Brown-Firth w Sheffield w Anglii jest najczęściej uznawany za „wynalazcę” stali nierdzewnej
stal. W 1913 roku, poszukując odpornego na erozję stopu na lufy broni, odkrył, a następnie wdrożył do przemysłu martenzytyczny stop stali nierdzewnej. Jednakże podobny rozwój przemysłu miał miejsce jednocześnie w hucie żelaza Krupp w Niemczech, gdzie Eduard Maurer i Benno Strauss opracowywali stop austenityczny (21% chromu, 7% niklu) oraz w Stanach Zjednoczonych, gdzie Christian Dantsizen i Frederick Becket zajmowały się produkcją stali ferrytycznej.
Pamiętaj, że możesz zainteresować się innymi opublikowanymi przez nas artykułami technicznymi:
Czas publikacji: 16 czerwca 2022 r