Nehrđajući čelik: Zašto ga zovemo nehrđajući čelik?

Moderni nehrđajući čelici i njihova upotreba

Ono što sada zovemo nehrđajući čelik dolazi u četiri obitelji koje se općenito odnose na njihovu mikroskopsku kristalnu strukturu i njihove različite metalurške faze:

Austenitni čelici: nehrđajući čelik u fazi austenita sastoji se od nikla i molibdena kao svojih glavnih legirajućih elemenata i ima kubičnu kristalnu strukturu usmjerenu na lice. Dodatak nikla povećava njegovu otpornost na koroziju i duktilnost, dok molibden poboljšava otpornost na koroziju u kiselim uvjetima. Uobičajene kvalitete austenitnog nehrđajućeg čelika su 304 i 316.
Uobičajene upotrebe: ova vrsta nehrđajućeg čelika smatra se otpornom na toplinu i obično se koristi za proizvodnju izmjenjivača topline, kotlova i peći. Druge uobičajene primjene austenitnog nehrđajućeg čelika su zrakoplovne komponente, elektronika, dijelovi lokomotiva i kemijski spremnici. Nehrđajući čelici serije 200 također su u austenitnoj obitelji, ali imaju mangan kao dodatni legirajući element.

 

Martenzitni čelici: obitelj nehrđajućeg čelika martenzitne faze koristi ugljik i krom kao glavne elemente legure. Pri višim koncentracijama ugljika, materijal ima tetragonalnu kristalnu strukturu u središtu tijela; niže koncentracije ugljika tvore kristalnu strukturu usmjerenu na tijelo. Martenzit nastaje kada se austenit brzo ugasi na sobnoj temperaturi. Martenzitni nehrđajući čelik obično je poznat kao nehrđajući čelik serije 400, kao što su stupnjevi 410, 420 i 440.
Uobičajene upotrebe: martenzitni nehrđajući čelik obično se koristi u aplikacijama gdje su poželjni tvrdoća i izdržljivost, kao što su pribor za jelo, alati, turbinske lopatice, pričvrsni elementi i zupčanici.

 

Feritni čelici: nehrđajući čelik s feritnom fazom je nemagnetičan i ima kubičnu kristalnu strukturu u središtu tijela. Njegovi glavni legirajući sastojci su krom, željezo (otuda naziv feritni) i niska koncentracija ugljika. Feritni nehrđajući čelik je stoga mekši, ali također ima povećanu duktilnost i poboljšanu sposobnost oblikovanja - ali se ne može toplinski obraditi. Primjeri feritnog nehrđajućeg čelika su druge klase serije 400, kao što su 409, 430 i 446.
Uobičajene upotrebe: feritni nehrđajući čelici uobičajeni su izbor za kuhinjsko posuđe, automobilske komponente i industrijske strojeve.

 

Duplex čelici: duplex nehrđajući čelik je mješavina austenitnog i feritnog čelika.
Uobičajene upotrebe: duplex čelici često se koriste u industriji nafte i plina, papira i kemijskoj industriji.

Podrijetlo nehrđajućeg čelika: temelji u 1800-ima

Povijest nehrđajućeg čelika prožeta je skandalima, slično kao i priča o mom omiljenom znanstveniku Nikoli Tesli i njegovom rivalu Thomasu Edisonu. Poput njihove naelektrizirane priče (namjera igre), nehrđajući čelik došao je od nekoliko ljudi koji su preuzeli zasluge za rad drugog čovjeka. Postoje cijele zemlje koje se i dan danas spore tko je "izumitelj" nehrđajućeg čelika.

Dok neki tvrde da su nehrđajući čelik koristili kovači u drevnoj Indiji, Šri Lanki, Arapskom poluotoku i Kini prije industrijske revolucije, te povijesti nisu dobro zabilježene. Ono što znamo jest da su početkom 1800-ih znanstvenici u nekoliko zemalja primijetili fenomen s metalnim legurama koje sadrže krom i željezo - bile su u stanju odoljeti kiseloj koroziji.

Francuski metalurg, Pierre Berthier, smatra se prvim koji je 1821. prepoznao da se čelična legura otporna na koroziju može napraviti dodavanjem kroma željezu. Iako su metalurzi izvukli ovaj zaključak, još nisu znali koliko je važno ograničiti sadržaj ugljika u tim istim legurama kako bi se spriječila interkristalna korozija i lomljenje uslijed krtosti. No, dobro su započeli pabirkom kako je krom promijenio fizička svojstva metalne legure.

U Engleskoj su 1872. John Clark i John Woods podnijeli prvi službeni patent za ono što danas smatramo nehrđajućim čelikom. Svoj su proizvod nazvali Water Resistant Alloy i bio je nevjerojatno sličan modernim legurama, ali materijal je još uvijek imao previše ugljika.

Prvi koji je službeno prepoznao problem ugljika bio je istraživač jednostavno poznat kao Brustlein 1875. Njegovo otkriće potaknulo je nekoliko desetljeća istraživanja kako bi se razvila optimalna mješavina metala i proizvodna metoda za razvoj čelika s niskim udjelom ugljika. Iako danas imamo moderne procese za stvaranje metalnih legura, tada je znanost bila rudimentarna. Pronalaženje načina za odvajanje kroma od ugljika s kojim se prirodno nalazio bila je glavna prepreka za proizvodnju čelika s niskim udjelom ugljika na bazi kroma.
Otprilike dva desetljeća nakon Brustleinove epifanije niske razine ugljika, 1895. Hans Goldschmidt razvio je aluminotermički reakcijski proces za proizvodnju/pročišćavanje kroma bez ugljika. To je bila prekretnica koja je omogućila razvoj modernog nehrđajućeg čelika. Dolje je prikazana kemijska reakcija za ono što je također poznato kao metoda redukcije aluminija za proizvodnju metalnog kroma.

Kr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Metoda redukcije aluminija za proizvodnju kroma

To je proces u kojem se krom oksid (i sve nečistoće koje se prirodno nalaze s njim kao što su silicij, sumpor ili ugljik) i aluminij dodaju u čelični spremnik obložen organskim vezivom, glinicom ili magnezijevim oksidom i zagrijavaju. Smjesa se zapali s barijevim peroksidom kako bi se stvorila egzotermna reakcija - što znači da postoji čisto oslobađanje energije (topline) kada se proizvede krom i rezultirajuća troska.

Danas se ovaj proces još uvijek koristi za proizvodnju 'čistog' kroma i aluminijevog oksida za razne primjene naknadne obrade. Koncentracije sastojaka za kemijsku reakciju mogu se modificirati kako bi se proizvele različite razine čistoće dobivenih metala.

Napredak nehrđajućeg čelika u 1900-ima

Ranih 1900-ih donijelo je nekoliko važnih otkrića u napretku obitelji legura od nehrđajućeg čelika:

– Godine 1904. Leon Guilet otkrio je nekoliko legura od nehrđajućeg čelika serije 400 željezo-krom i istraživao seriju 300, legure željezo-nikal-krom - iako nije znao da su metali otporni na koroziju.

– P. Monnartz i W. Brochure otkrili su da dodavanje kroma metalnoj leguri povećava njezinu otpornost na koroziju i kvantificirali su minimalnu koncentraciju kroma od 10,5%. Također su radili na detaljima i istraživanju povećane otpornosti na koroziju koja dolazi s dodatkom molibdena.

Zašto ga zovemo nehrđajući čelik

Sljedeći veliki napredak dogodio se 1913. kada je Harry Brearley navodno službeno otkrio nehrđajući čelik u pokušaju stvaranja čelika otpornog na eroziju. Sada, Harry Brearly je vjerojatno točan odgovor na trivijalno pitanje o tome tko je izumio nehrđajući čelik, ali istina nije tako jednostavna. Eksperimentirao je s dodavanjem kroma čeliku, ali ostatak njegove priče protkan je mitom.

Neki kažu da je Brearly bacio svoju eksperimentalnu metalnu leguru u smeće, samo da bi je kasnije izvukao i shvatio da čelik nije mrljao ili nije hrđao. Drugi tvrde da je morao narezati svoj uzorak dušičnom kiselinom kako bi ga mikroskopski pregledao, ali otkrio je da metal nije hrđao kada je bio izložen dušičnoj i drugim kiselinama ili redukcijskim agensima. Harry je vidio potencijal njegove legure da se koristi za oštrice noževa, ali nisu ga podržali njegovi poslodavci i nije mogao postići da legura dugotrajno odolijeva hrđanju ili mrljanju.

Dakle, u koracima njegov prijatelj Ernest Stuart, koji je otkrio da kaljenje oštrica noževa poboljšava njihovu otpornost na hrđu i mrlje. Brearly je želio nazvati materijal "Rustless Steel", ali Stuart ga je nazvao "Stainless Steel" zbog njegove sposobnosti otpornosti na mrlje nakon izlaganja otopini octa.

Također, dok Brearly tvrdi da je otkrio nehrđajući čelik, drugi se hvale da su ga otkrili prije njega, uključujući:

Godine 1908., Kupp Iron Works razvila je leguru kroma i nikla za pomorsku primjenu.

Godine 1911. Elwood Haynes stvorio je čelik otporan na koroziju kako bi zamijenio svoje zahrđale oštrice.

Od 1911-1914, Becket i Dantsizen stvorili su nekoliko legura feritnog čelika.

Godine 1912. Max Mauermann je tvrdio da je stvorio nehrđajući čelik, ali je vjerojatno samo stvorio održivu metodu proizvodnje za nehrđajući čelik. Podnio je patent za taj proces, ali je u to vrijeme bio osporavan, a on je bio priznat kao izumitelj nehrđajućeg čelika tek nakon svoje smrti.

Bogata povijest nehrđajućeg čelika i razvoj različitih vrsta materijala duguje se naporima mnogih znanstvenika, istraživača, metalurga i inženjera. Osim toga, tijekom prošlog stoljeća poboljšane su vrste nehrđajućeg čelika, metode proizvodnje i metode recikliranja. Sada možemo u potpunosti iskoristiti i monopolizirati prirodni fenomen oksidacije nehrđajućeg čelika.

Od svojih kontroverznih početaka do vrlo sofisticirane i metalurški zanimljive sadašnjosti, nehrđajući čelik je nevjerojatno svestran i robustan metal pogodan čak i za vaše najsloženije projekte.