Stal nierdzewna: dlaczego nazywamy ją stalą nierdzewną?

Nowoczesne stale nierdzewne i ich zastosowania

To, co obecnie nazywamy stalą nierdzewną, dzieli się na cztery rodziny, które ogólnie odnoszą się do ich mikroskopijnej struktury krystalicznej i różnych faz metalurgicznych:

Stale austenityczne: stal nierdzewna w fazie austenitu składa się z niklu i molibdenu jako głównych pierwiastków stopowych i ma sześcienną strukturę kryształu skupioną na powierzchni. Dodatek niklu zwiększa jego odporność na korozję i ciągliwość, natomiast molibden poprawia odporność na korozję w warunkach kwaśnych. Typowe gatunki austenitycznej stali nierdzewnej to 304 i 316.
Typowe zastosowania: ten rodzaj stali nierdzewnej jest uważany za odporny na ciepło i jest powszechnie stosowany do produkcji wymienników ciepła, kotłów i pieców. Inne powszechne zastosowania austenitycznej stali nierdzewnej to komponenty lotnicze, elektronika, części lokomotyw i zbiorniki chemiczne. Stale nierdzewne serii 200 również należą do rodziny austenitycznych, ale zawierają mangan jako dodatkowy pierwiastek stopowy.

 

Stale martenzytyczne: rodzina stali nierdzewnej z fazą martenzytyczną wykorzystuje węgiel i chrom jako główne pierwiastki stopowe. Przy wyższych stężeniach węgla materiał ma tetragonalną strukturę krystaliczną skupioną na ciele; niższe stężenia węgla tworzą strukturę krystaliczną skupioną na ciele. Martenzyt powstaje podczas szybkiego hartowania austenitu w temperaturze pokojowej. Martenzytyczna stal nierdzewna jest powszechnie znana jako stal nierdzewna serii 400, na przykład gatunki 410, 420 i 440.
Typowe zastosowania: martenzytyczna stal nierdzewna jest powszechnie stosowana w zastosowaniach, w których wymagana jest twardość i trwałość, takich jak sztućce, oprzyrządowanie, łopatki turbin, elementy złączne i koła zębate.

 

Stale ferrytyczne: stal nierdzewna z fazą ferrytową jest niemagnetyczna i ma sześcienną strukturę kryształu skupioną wokół ciała. Jego głównymi składnikami stopowymi są chrom, żelazo (stąd nazwa ferrytyczna) i niskie stężenie węgla. Ferrytyczna stal nierdzewna jest zatem bardziej miękka, ale ma także zwiększoną ciągliwość i lepszą odkształcalność - ale nie można jej poddawać obróbce cieplnej. Przykładami ferrytycznej stali nierdzewnej są inne gatunki z serii 400, takie jak 409, 430 i 446.
Typowe zastosowania: ferrytyczne stale nierdzewne są częstym wyborem do produkcji przyborów kuchennych, części samochodowych i maszyn przemysłowych.

 

Stale duplex: stal nierdzewna duplex jest mieszaniną stali austenitycznej i ferrytycznej.
Typowe zastosowania: stale duplex są często stosowane w przemyśle naftowym i gazowym, papierniczym i chemicznym.

Początki stali nierdzewnej: prace ziemne w XIX wieku

Historia stali nierdzewnej jest pełna skandali, podobnie jak historia mojego ulubionego naukowca, Nikoli Tesli i jego rywala Thomasa Edisona. Podobnie jak ich elektryzująca historia (gra słów zamierzona), stal nierdzewna została stworzona przez kilku mężczyzn, którzy przypisywali sobie pracę innego człowieka. Są całe kraje, które do dziś spierają się, kto jest „wynalazcą” stali nierdzewnej.

Choć niektórzy twierdzą, że przed rewolucją przemysłową stal nierdzewna była wykorzystywana przez kowali w starożytnych Indiach, na Sri Lance, na Półwyspie Arabskim i w Chinach, historie te nie zostały dobrze udokumentowane. Wiemy natomiast, że na początku XIX wieku naukowcy w kilku krajach zaobserwowali zjawisko w przypadku stopów metali zawierających chrom i żelazo – były one odporne na korozję kwasową.

Francuski metalurg Pierre Berthier jest uznawany za pierwszego, który w 1821 roku odkrył, że przez dodanie chromu do żelaza można uzyskać odporny na korozję stop stali. Chociaż metalurdzy wyciągnęli taki wniosek, nie zdawali sobie jeszcze sprawy ze znaczenia ograniczenia zawartości węgla w tych samych stopach, aby zapobiec korozji międzykrystalicznej i pękaniu spowodowanemu kruchością. Udało im się jednak dobrze rozpocząć, sprawdzając, w jaki sposób chrom zmienia właściwości fizyczne stopu metalu.

W Anglii w 1872 roku John Clark i John Woods złożyli pierwszy oficjalny patent na stal, którą obecnie uważamy za nierdzewną. Nazwali swój produkt stopem wodoodpornym i był on niezwykle podobny do nowoczesnych stopów, ale materiał nadal zawierał zbyt dużo węgla.

Pierwszym, który oficjalnie dostrzegł problem węgla, był badacz znany po prostu jako Brustlein w 1875 roku. Jego odkrycie zapoczątkowało kilkadziesiąt lat badań mających na celu opracowanie optymalnej mieszaniny metali i metody produkcji stali niskowęglowej. Chociaż mamy dziś nowoczesne procesy tworzenia stopów metali, ówczesna nauka była podstawowa. Główną przeszkodą w produkcji stali niskowęglowej na bazie chromu było znalezienie sposobu na oddzielenie chromu od węgla, w którym występuje w naturze.
Około dwie dekady po objawieniu się technologii niskoemisyjnej w Brustlein, w 1895 roku Hans Goldschmidt opracował proces reakcji aluminotermicznej mający na celu produkcję/rafinację chromu tak, aby nie zawierał węgla. Był to punkt zwrotny, który umożliwił rozwój nowoczesnej stali nierdzewnej. Poniżej pokazano reakcję chemiczną tak zwanej metody redukcji aluminium w celu wytworzenia metalicznego chromu.

Kr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Metoda redukcji aluminium do produkcji chromu

Jest to proces, w którym tlenek chromu (i wszelkie zanieczyszczenia naturalnie z nim występujące, takie jak krzem, siarka lub węgiel) i aluminium dodaje się do stalowego pojemnika wyłożonego organicznym spoiwem, tlenkiem glinu lub tlenkiem magnezu i podgrzewa. Mieszaninę zapala się nadtlenkiem baru, aby wywołać reakcję egzotermiczną, co oznacza, że ​​podczas wytwarzania chromu i powstałego żużla następuje uwolnienie energii (ciepła).

Obecnie proces ten jest nadal stosowany do produkcji „czystego” tlenku chromu i glinu do różnych zastosowań związanych z obróbką końcową. Stężenia składników reakcji chemicznej można modyfikować, aby uzyskać różne poziomy czystości powstałych metali.

Postęp w stali nierdzewnej w XX wieku

Początek XX wieku przyniósł kilka ważnych odkryć w rozwoju rodziny stopów stali nierdzewnej:

– W 1904 roku Leon Guilet odkrył kilka stopów stali nierdzewnej żelazowo-chromowej serii 400 i badał stopy żelaza, niklu i chromu serii 300 – choć nie zdawał sobie sprawy, że metale te są odporne na korozję.

– P. Monnartz i W. Brochure odkryli, że dodatek chromu do stopu metalu zwiększa jego odporność na korozję i określili ilościowo minimalne stężenie chromu na 10,5%. Pracowali także nad szczegółami i badaniami nad zwiększoną odpornością na korozję związaną z dodatkiem molibdenu.

Dlaczego nazywamy to stalą nierdzewną

Kolejny znaczący postęp nastąpił w 1913 roku, kiedy podobno Harry Brearley oficjalnie odkrył stal nierdzewną, próbując stworzyć stal odporną na erozję. Harry Brearly jest prawdopodobnie poprawną odpowiedzią na ciekawostkę dotyczącą tego, kto wynalazł stal nierdzewną, ale prawda nie jest taka prosta. Eksperymentował z dodawaniem chromu do stali, ale reszta jego historii jest owiana mitami.

Niektórzy mówią, że Brearly wyrzucił swój eksperymentalny stop metalu do kosza, by później go wyciągnąć i przekonać się, że stal nie plamiła ani nie rdzewiała. Inni twierdzą, że musiał wytrawić próbkę kwasem azotowym, aby ją zbadać pod mikroskopem, ale odkrył, że metal nie rdzewieje pod wpływem kwasu azotowego i innych kwasów lub środków redukujących. Harry dostrzegł potencjał swojego stopu do wykorzystania na ostrza noży, ale pracodawcy nie wspierali go i nie mógł sprawić, by stop był odporny na rdzewienie i plamienie przez długi czas.

I tak krok po kroku poszedł jego przyjaciel Ernest Stuart, który odkrył, że hartowanie ostrzy noży poprawia ich odporność na rdzę i plamy. Brearly chciał nazwać ten materiał „stalą nierdzewną”, ale Stuart nazwał go „stalą nierdzewną” ze względu na jego odporność na plamy po wystawieniu na działanie roztworu octu.

Ponadto, chociaż Brearly rości sobie prawo do odkrycia stali nierdzewnej, inni chwalą się, że odkryli ją przed nim, w tym:

W 1908 roku Kupp Iron Works opracowało stop chromowo-niklowy do zastosowań morskich.

W 1911 roku Elwood Haynes stworzył odporną na korozję stal, która zastąpiła zardzewiałe żyletki.

Z 1911-1914 Becket i Dantsizen stworzyli kilka stopów stali ferrytycznej.

W 1912 roku Max Mauermann twierdził, że stworzył stal nierdzewną, ale prawdopodobnie stworzył jedynie opłacalną metodę produkcji stali nierdzewnej. Złożył patent na ten proces, ale został on wówczas zakwestionowany, a za wynalazcę stali nierdzewnej uznano go dopiero po jego śmierci.

Bogata historia stali nierdzewnej i rozwój różnych gatunków tego materiału zawdzięczamy wysiłkom wielu naukowców, badaczy, hutników i inżynierów. W ciągu ostatniego stulecia udoskonalono rodzaje stali nierdzewnej, metody produkcji i metody recyklingu. Teraz możemy w pełni wykorzystać i zmonopolizować naturalne zjawiska utleniania stali nierdzewnej.

Od kontrowersyjnych początków po wysoce wyrafinowaną i interesującą metalurgicznie współczesność, stal nierdzewna jest niezwykle wszechstronnym i wytrzymałym metalem, nadającym się do nawet najbardziej skomplikowanych projektów.