Nerjaveče jeklo: zakaj ga imenujemo nerjaveče?

Sodobna nerjavna jekla in njihova uporaba

Kar zdaj imenujemo nerjavno jeklo, je razdeljeno v štiri družine, ki se na splošno nanašajo na njihovo mikroskopsko kristalno strukturo in njihove različne metalurške faze:

Avstenitna jekla: nerjaveče jeklo iz avstenitne faze je sestavljeno iz niklja in molibdena kot glavnih legirnih elementov in ima kubično kristalno strukturo, osredotočeno na ploskev. Dodatek niklja poveča njegovo odpornost proti koroziji in duktilnost, medtem ko molibden izboljša odpornost proti koroziji v kislih pogojih. Običajni razredi avstenitnega nerjavnega jekla sta 304 in 316.
Pogoste uporabe: ta vrsta nerjavečega jekla velja za toplotno odporno in se običajno uporablja za proizvodnjo toplotnih izmenjevalnikov, kotlov in peči. Druge pogoste uporabe avstenitnega nerjavečega jekla so letalske komponente, elektronika, deli lokomotiv in rezervoarji za kemikalije. Nerjavna jekla serije 200 so tudi v avstenitni družini, vendar imajo mangan kot dodaten legirni element.

 

Martenzitna jekla: družina nerjavnega jekla martenzitne faze uporablja ogljik in krom kot glavna legirna elementa. Pri višjih koncentracijah ogljika ima material telo osredotočeno tetragonalno kristalno strukturo; nižje koncentracije ogljika tvorijo telesno osredotočeno kristalno strukturo. Martenzit nastane, ko se avstenit hitro pogasi pri sobni temperaturi. Martenzitno nerjavno jeklo je splošno znano kot nerjavno jeklo serije 400, kot so stopnje 410, 420 in 440.
Pogoste uporabe: martenzitno nerjavno jeklo se običajno uporablja v aplikacijah, kjer sta zaželeni trdota in vzdržljivost, kot so jedilni pribor, orodje, turbinske lopatice, pritrdilni elementi in zobniki.

 

Feritna jekla: nerjaveče jeklo s feritno fazo je nemagnetno in ima kubično kristalno strukturo, osredotočeno na telo. Njegove glavne legirne sestavine so krom, železo (od tod tudi ime ferit) in nizka koncentracija ogljika. Feritno nerjavno jeklo je torej mehkejše, ima pa tudi povečano duktilnost in izboljšano sposobnost oblikovanja – vendar jih ni mogoče toplotno obdelati. Primeri feritnega nerjavnega jekla so drugi razredi serije 400, kot so 409, 430 in 446.
Pogoste uporabe: feritna nerjavna jekla so običajna izbira za kuhinjsko posodo, avtomobilske komponente in industrijske stroje.

 

Duplex jekla: duplex nerjaveče jeklo je mešanica avstenitnega in feritnega jekla.
Pogoste uporabe: duplex jekla se pogosto uporabljajo v naftni in plinski, papirni in kemični industriji.

Izvor nerjavečega jekla: temelji v 19. stoletju

Zgodovina nerjavečega jekla je prepredena s škandali, podobno kot zgodba o mojem najljubšem znanstveniku Nikoli Tesli in njegovem tekmecu Thomasu Edisonu. Tako kot njihova naelektrena zgodba (namenjena besedni igri) je tudi nerjavno jeklo prišlo od več moških, ki so si pripisovali zasluge za delo drugega. Obstajajo cele države, ki se še danes prerekajo, kdo je "izumitelj" nerjavečega jekla.

Medtem ko nekateri trdijo, da so nerjaveče jeklo uporabljali kovači v starodavni Indiji, Šrilanki, na Arabskem polotoku in na Kitajskem pred industrijsko revolucijo, te zgodovine niso dobro zapisane. Kar vemo, je, da so znanstveniki v zgodnjih 19. stoletjih v več državah opazili pojav pri kovinskih zlitinah, ki so vsebovale krom in železo – bile so odporne na kislinsko korozijo.

Francoski metalurg Pierre Berthier velja za prvega, ki je leta 1821 spoznal, da je z dodajanjem kroma železu mogoče izdelati jekleno zlitino, odporno proti koroziji. Medtem ko so metalurgi prišli do tega zaključka, še niso vedeli, kako pomembno je omejiti vsebnost ogljika v teh istih zlitinah, da bi preprečili interkristalno korozijo in lomljenje zaradi krhkosti. Vendar so dobro začeli z ugotavljanjem, kako je krom spremenil fizikalne lastnosti kovinske zlitine.

Leta 1872 sta v Angliji John Clark in John Woods vložila prvi uradni patent za nerjavno jeklo, ki ga danes imenujemo. Svoj izdelek so poimenovali Water Resistant Alloy in bil je neverjetno podoben sodobnim zlitinam, vendar je imel material še vedno preveč ogljika.

Prvi, ki je uradno priznal vprašanje ogljika, je bil leta 1875 raziskovalec, preprosto znan kot Brustlein. Njegovo razkritje je sprožilo več desetletij raziskav za razvoj optimalne mešanice kovin in proizvodne metode za razvoj nizkoogljičnega jekla. Medtem ko imamo danes sodobne postopke za ustvarjanje kovinskih zlitin, je bila takratna znanost rudimentarna. Iskanje načina za ločevanje kroma od ogljika, ki ga naravno najdemo, je bila glavna ovira pri proizvodnji nizkoogljičnega jekla na osnovi kroma.
Približno dve desetletji po Brustleinovi nizkoogljični epifaniji je leta 1895 Hans Goldschmidt razvil aluminotermični reakcijski postopek za proizvodnjo/rafiniranje kroma brez ogljika. To je bila prelomnica, ki je omogočila razvoj sodobnega nerjavnega jekla. Kemična reakcija za tako imenovano metodo redukcije aluminija za proizvodnjo kovinskega kroma je prikazana spodaj.

Kr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Metoda redukcije aluminija za proizvodnjo kroma

To je postopek, pri katerem se kromov oksid (in vse nečistoče, ki jih naravno najdemo z njim, kot so silicij, žveplo ali ogljik) in aluminij doda v jekleno posodo, obloženo z organskim vezivom, aluminijevim oksidom ali magnezijevim oksidom, in segreje. Zmes se vžge z barijevim peroksidom, da se ustvari eksotermna reakcija – kar pomeni, da pride do čistega sproščanja energije (toplote), ko nastaneta krom in posledična žlindra.

Danes se ta postopek še vedno uporablja za proizvodnjo 'čistega' kroma in aluminijevega oksida za različne namene naknadne obdelave. Koncentracije sestavin za kemično reakcijo je mogoče spremeniti, da proizvedejo različne stopnje čistosti nastalih kovin.

Napredek nerjavečega jekla v 1900-ih

Zgodnje leto 1900 je prineslo več pomembnih odkritij pri napredku družine zlitin nerjavnega jekla:

– Leta 1904 je Leon Guilet odkril več zlitin železa in kroma iz nerjavnega jekla serije 400 in raziskoval serijo 300, zlitin železa, niklja in kroma – čeprav se ni zavedal, da so kovine odporne proti koroziji.

– P. Monnartz in W. Brochure sta odkrila, da dodajanje kroma kovinski zlitini poveča njeno odpornost proti koroziji, in količinsko opredelila najmanjšo koncentracijo kroma kot 10,5 %. Delali so tudi na podrobnostih in raziskavah povečane odpornosti proti koroziji, ki je posledica dodatka molibdena.

Zakaj ga imenujemo nerjavno jeklo

Naslednji večji napredek se je zgodil leta 1913, ko naj bi Harry Brearley uradno odkril nerjavno jeklo v poskusu izdelave jekla, odpornega proti eroziji. Harry Brearly je verjetno pravi odgovor na nepomembno vprašanje o tem, kdo je izumil nerjavno jeklo, vendar resnica ni tako enostavna. Eksperimentiral je z dodajanjem kroma jeklu, a preostanek njegove zgodbe je prepleten z mitom.

Nekateri pravijo, da je Brearly vrgel svojo eksperimentalno kovinsko zlitino v smeti, da bi jo kasneje potegnil ven in ugotovil, da jeklo ni obarvano ali ni zarjavelo. Drugi trdijo, da je moral svoj vzorec jedkati z dušikovo kislino, da ga je mikroskopsko pregledal, vendar je ugotovil, da kovina ni rjavela, ko je bila izpostavljena dušikovi in ​​drugim kislinam ali reducentom. Harry je videl potencial svoje zlitine za uporabo pri rezilih nožev, vendar ga njegovi delodajalci niso podprli in ni mogel doseči, da bi zlitina bila dolgo časa odporna proti rjavenju ali madežem.

Torej, v korakih njegov prijatelj Ernest Stuart, ki je ugotovil, da utrjevanje rezil nožev izboljša njihovo odpornost proti rji in madežem. Brearly je želel material poimenovati "Rustless Steel", Stuart pa ga je poimenoval "Stainless Steel" zaradi njegove sposobnosti, da se upre madežem, potem ko je bil izpostavljen raztopini kisa.

Medtem ko Brearly trdi, da je odkril nerjavno jeklo, se drugi oglašujejo, da so ga odkrili pred njim, vključno z:

Leta 1908 je Kupp Iron Works razvil zlitino kroma in niklja za uporabo v pomorstvu.

Leta 1911 je Elwood Haynes izdelal jeklo, odporno proti koroziji, da bi nadomestil svoje zarjavele britvice.

Iz 1911-1914 sta Becket in Dantsizen ustvarila nekaj zlitin feritnega jekla.

Leta 1912 je Max Mauermann trdil, da je ustvaril nerjavno jeklo, vendar je verjetno le ustvaril izvedljivo proizvodno metodo za nerjavno jeklo. Vložil je patent za postopek, vendar je bil takrat sporen in kot izumitelj nerjavečega jekla je bil priznan šele po njegovi smrti.

Bogata zgodovina nerjavečega jekla in razvoj različnih vrst materiala je posledica prizadevanj številnih znanstvenikov, raziskovalcev, metalurgov in inženirjev. V zadnjem stoletju so se izboljšale tudi vrste nerjavnega jekla, proizvodne metode in metode recikliranja. Zdaj lahko v celoti izkoristimo in monopoliziramo naravne pojave oksidacije nerjavnega jekla.

Od svojih kontroverznih začetkov do zelo sofisticirane in metalurško zanimive sedanjosti je nerjavno jeklo neverjetno vsestranska in robustna kovina, primerna tudi za vaše najbolj zapletene projekte.