Sadrži željezo od nehrđajućeg čelika?

Temeljno pitanje u znanosti o materijalima i industrijskim primjenama je: Sadrži željezo od nehrđajućeg čelika? Odgovor ovisi o definiciji željezni metali i detaljno razumijevanje kemijskog sastava nehrđajućeg čelika, kristalna struktura, i standardi klasifikacije materijala.

U svojoj srži, nehrđajući čelik je a željezna legura- sadrži željezo (FE) kao svoju primarnu komponentu—a opet svoj jedinstveni krom (CR) Sadržaj ga razlikuje od ugljičnog čelika i lijevanog željeza, dajući mu otpornost na koroziju koja je revolucionirala industrije od građevinarstva do medicinskih uređaja.

1. Što "željezo" znači u inženjerstvu materijala

U inženjerstvu i metalurgiji pojam željezni odnosi se na metale i legure čiji primarni sastojak je željezo.

Tipični željezni materijali uključuju kovani čelik, lijevano željezo, kovano željezo i legure na bazi željeza kao što je nehrđajući čelik.

Za razliku od, neželjezni metali su oni čiji glavni element nije željezo (primjeri: aluminij, bakar, titanijum, legure na bazi nikla).

Ključna točka: klasifikacija je kompozicijska (na bazi željeza) nego funkcionalna (Npr., “hrđa li?”). Nehrđajući čelici su legure na bazi željeza i stoga spadaju u obitelj željeza.

2. Zašto je nehrđajući čelik željezo — sastav i standardi

• Željezo je element ravnoteže. Nehrđajući čelici formulirani su sa željezom kao elementom matrice; dodaju se drugi legirajući elementi kako bi se postigla željena svojstva.
  Tipične industrijske vrste sadrže a većina željeza s kromom, nikla, molibden i drugi elementi prisutni kao namjerni dodaci legure.
• Chromium zahtjev. Standardna tehnička definicija nehrđajućeg čelika je legura na bazi željeza koja sadrži najmanje ≈10,5% kroma po masi, koji daje pasiv, površinski film otporan na koroziju (Cr₂O3).
  Ovaj prag kroma kodificiran je u glavnim standardima (Npr., ASTM/ISO obitelj dokumenata).
• Klasifikacija standarda. Međunarodni standardi klasificiraju nehrđajuće čelike kao čelike (Tj., legure na bazi željeza).
  Za nabavu i ispitivanje njima se postupa unutar okvira standarda za željezne materijale (kemijska analiza, mehanička ispitivanja, postupci toplinske obrade i tako dalje).

Ukratko: nehrđajući = legura na bazi željeza s dovoljno kroma za pasiviranje; dakle nehrđajući = željezo.

3. Tipične kemije — reprezentativne ocjene

Sljedeća tablica ilustrira reprezentativne kemije koje pokazuju da je željezo osnovni metal (vrijednosti su tipični rasponi; provjerite tablice s podacima za točna ograničenja specifikacija).

"Ravnoteža" znači da je ostatak legure željezo plus elementi u tragovima.

4. Kristalne strukture i mikrostrukturne klase — zašto struktura ≠ obojena

Nehrđajući čelici se metalurški dijele prema njihovoj prevladavajućoj kristalnoj strukturi na sobnoj temperaturi:

• Austenitski (γ-FCC) — npr., 304, 316. Nemagnetski u žarenom stanju, izvrsna žilavost i otpornost na koroziju, visoki Ni stabilizira austenit.
• Feritni (α-BCC) — npr., 430. Magnetski, manja žilavost na vrlo niskim temperaturama, dobra otpornost na pucanje od korozije u nekim okruženjima.
• martenzitni (iskrivljen BCT / martenzit) — npr., 410, 420. Može se otvrdnuti toplinskom obradom; koristi se za pribor za jelo, ventili i osovine.
• Dupleks (smjesa a + c) — uravnoteženi ferit i austenit za poboljšanu čvrstoću i otpornost na kloride.

Važno: te razlike u kristalnoj strukturi opisuju raspored atoma, ne osnovni element.

Bez obzira što je austenitan, feritni ili martenzitni, ostaju nehrđajući čelici na bazi željeza legure — i stoga željezne.

5. Funkcionalna razlika: "nehrđajući" ne znači "bez željeza" ili "nemagnetičan"

• "Nehrđajući" se odnosi na otpornost na koroziju koja je rezultat pasivnosti izazvane kromom (Cr₂O₃ film). To čini ne promijeniti činjenicu da je metal na bazi željeza.
• Magnetsko ponašanje je ne pouzdan pokazatelj sastava željeza: neki austenitni nehrđajući čelici su u biti nemagnetski u žarenom stanju, ali su ipak legure željeza. Hladna obrada ili varijante s nižim Ni mogu postati magnetske.
• Korozijsko ponašanje (otpornost na "hrđu") ovisi o sadržaju kroma, mikrostruktura, okoliš i stanje površine — ne samo na kategorizaciji željeza/neželjeza.

6. Implikacije industrijske prakse i odabira materijala

• Specifikacija i nabava. Nehrđajući čelici specificirani su prema standardima i klasama čelika (Astm, U, On, GB, itd.).
  Mehanička ispitivanja, kvalifikacija postupka zavarivanja, i toplinska obrada slijede praksu crne metalurgije.
• Zavarivanje i izrada. Nehrđajući čelici zahtijevaju iste temeljne mjere opreza kao i drugi željezni metali (predgrijavanje/naknadno zagrijavanje ovisno o stupnju, kontrola ugljika kako bi se izbjegla senzibilizacija u seriji 300, izbor kompatibilnog dodatnog metala).
• Magnetika i NDT. NDT na bazi magneta (mag čestica) radi za feritne/martenzitne stupnjeve, ali ne i za potpuno austenitne stupnjeve osim ako nisu očvrsnuti radom; ultrazvučni i penetrantski testovi uobičajeni su u obiteljima.
• Dizajn: inženjeri iskorištavaju različite obitelji nehrđajućeg čelika za specifične potrebe (austenitika za sposobnost oblikovanja i otpornost na koroziju; feritima gdje nikal mora biti minimiziran; duplex za visoku čvrstoću i otpornost na kloride).

7. Prednosti feritnog nehrđajućeg čelika

Feritni nehrđajući čelici važna su obitelj unutar obitelji nehrđajućih čelika.

To su legure na bazi željeza koje karakterizira kubičnost u središtu tijela (α-Fe) kristalna struktura na sobnoj temperaturi i relativno visok sadržaj kroma s malo ili nimalo nikla.

Otpornost na koroziju u oksidirajućim i slabo agresivnim sredinama

• Feriti obično sadrže ~12–30% kroma, koji proizvodi kontinuirani krom-oksid (Cr₂O3) pasivni film. To daje dobra opća otpornost na koroziju i oksidaciju u zraku, mnogim atmosferskim okruženjima i nekim blago agresivnim procesnim medijima.
• Posebno se dobro ponašaju gdje kloridno naprezanje-korozijsko pucanje (SCC) je briga: feritni stupnjevi su daleko manje osjetljivi na SCC izazvan kloridima od mnogih austenitnih stupnjeva,
  čineći ih prikladnima za određene petrokemijske i pomorske primjene gdje se rizik od SCC mora svesti na minimum.

Troškovna učinkovitost i ekonomičnost legure

• Budući da feritni stupnjevi sadrže malo ili nimalo nikla, oni su manje osjetljiv na volatilnost cijene nikla i općenito niža cijena nego austenitnog (ni-ležaj) nehrđajućeg čelika za jednaku otpornost na koroziju u mnogim okruženjima.
  Ova troškovna prednost je značajna za velike količine ili aplikacije osjetljive na cijenu.

Toplinska stabilnost i otpornost na karburizaciju/krtost na povišenoj temperaturi

• Feritni nehrđajući čelici održavaju stabilne feritne mikrostrukture u širokom rasponu temperatura i su manje skloni senzibilizaciji (intergranularno taloženje krom karbida) nego austenitika.
• Mnogi feritni imaju dobra otpornost na oksidaciju na visokim temperaturama a koriste se u ispušnim sustavima, površine izmjenjivača topline i druge primjene na povišenim temperaturama.
  Određeni feritni stupnjevi (Npr., 446, 430) Specificirani su za kontinuirani rad na povišenim temperaturama jer stvaraju izdržljive oksidne naslage.

Niži koeficijent toplinske ekspanzije (Cte)

• Tipične KTŠ vrijednosti za feritne nehrđajuće čelike su ≈10–12 × 10⁻⁶ /°C, znatno niži od uobičajenih austenitnih stupnjeva (≈16–18 × 10⁻⁶ /°C).
• Niže toplinsko širenje smanjuje toplinsko izobličenje i naprezanja neusklađenosti kada se feritni spojevi spajaju s materijalima niske ekspanzije ili se koriste u cikličkom radu na visokim temperaturama (ispušni sustavi, komponente peći).

Bolja toplinska vodljivost

• Feritni stupnjevi općenito imaju veća toplinska vodljivost (grubo 20–30 W/m·K) od austenitnih stupnjeva (~15–20 W/m·K).
  Poboljšani prijenos topline je koristan u cijevima izmjenjivača topline, komponente peći i primjene gdje je poželjno brzo uklanjanje topline.

Magnetska svojstva i funkcionalna korisnost

• Feritni nehrđajući čelici su magnetski u žarenom stanju. Ovo je prednost kada je potreban magnetski odgovor (motori, magnetska zaštita, senzori) ili kod magnetske separacije, pregled i rukovanje dio su procesa proizvodnje/montaže.

Dobra otpornost na habanje i stabilnost površine

• Određeni feritni stupnjevi pokazuju dobra otpornost na habanje i oksidaciju i održavati završnu obradu površine u oksidirajućim atmosferama na povišenim temperaturama.
  To ih čini prikladnima za ispušni razvodnici, komponente dimnjaka, i dekorativni arhitektonski elementi koji doživljavaju termalni ciklus.

Izrada i mogućnost oblikovanja (praktične aspekte)

• Mnoge feritne legure nude odgovarajuću duktilnost i sposobnost oblikovanja za rad s limom i trakom i može se oblikovati hladno bez istog stupnja opruge kao kod legura veće čvrstoće.
  Gdje je potrebno duboko izvlačenje ili složeno oblikovanje, odgovarajući izbor ocjene (niži krom, optimizirane ćudi) daje dobre rezultate.
• Zbog njihove jednostavne feritne mikrostrukture, feriti ne zahtijevaju žarenje otopine nakon zavarivanja kako bi se ponovno postigla otpornost na koroziju na isti način na koji ponekad čine austeniti koji su osjetljivi na preosjetljivost - iako je kontrola postupka zavarivanja i dalje važna.

Ograničenja i upozorenja pri odabiru

Uravnoteženi inženjerski pogled mora priznati ograničenja kako materijali ne bi bili pogrešno primijenjeni:

• Niža žilavost na vrlo niskim temperaturama: ferit općenito ima lošiju udarnu žilavost na niskim temperaturama od austenita.
  Izbjegavajte feritne spojeve za kritične konstrukcijske primjene pri niskim temperaturama, osim ako niste posebno kvalificirani.
• Ograničenja zavarljivosti: dok je zavarivanje rutina, rast zrna i krtost može se pojaviti u feritima s visokim sadržajem Cr ako se ne kontrolira unos topline i hlađenje nakon zavarivanja;
  neki feritni materijali imaju krto ponašanje u zoni utjecaja topline osim ako se ne koriste odgovarajući postupci.
• Niža mogućnost oblikovanja za neke stupnjeve visokog Cr: izuzetno visok sadržaj kroma može smanjiti rastezljivost i sposobnost oblikovanja; odabir ocjene mora odgovarati operacijama oblikovanja.
• Nije univerzalno superioran u pitingu klorida: iako feritni otporni na SCC, pitting/pitting otpornost u agresivnim okruženjima koja sadrže kloride često se bolje rješava austeničkim ili dupleksnim stupnjevima s višim Mo;
  procijeniti ekvivalentne brojeve otpornosti na piting (Drvo) gdje je izloženost kloridima značajna.

8. Usporedba s alternativama neželjeznim metalima

Kada inženjeri razmatraju materijale za aplikacije otporne na koroziju, nehrđajući čelik je vodeći izbor za željezo.

Međutim, obojeni metali i legure (Al, Cu legure, Od, Legure na bazi nikla, Mg, Zn) često se natječu na težini, provodljivost, specifična otpornost na koroziju, odnosno obradivosti.

9. Održivost i recikliranje

• Reciklalnost: nehrđajući čelici su među inženjerskim materijalima koji se najviše recikliraju; otpad se lako ugrađuje u nove taline s visokim udjelom recikliranog materijala.
• Životni ciklus: dug radni vijek i malo održavanja često čine nehrđajući čelik ekonomičnim, izbor s malim utjecajem tijekom životnog vijeka komponente unatoč višim početnim troškovima u odnosu na obični ugljični čelik.
• Ekološki kodovi i oporavak: proizvodnja nehrđajućeg čelika sve više koristi elektrolučne peći i recikliranu sirovinu kako bi se smanjio energetski intenzitet i emisije.

10. Zablude i pojašnjenja

• “Nehrđajući” ≠ “nehrđajući zauvijek.” U ekstremnim uvjetima (kloridno naprezanje-korozijsko pucanje, visokotemperaturna oksidacija, napadi kiselinom, korozija pukotine, itd.), nehrđajući čelici mogu korodirati; ne postaju neželjezni zbog toga što su nehrđajući.
• Magnetski ≠ željezni: nemagnetizam u nekim vrstama nehrđajućeg čelika ne čini ih neželjeznim. Definirajući atribut je kemija na bazi željeza, ne magnetski odgovor.
• Legure s visokim udjelom nikla u odnosu na nehrđajući: neke legure na bazi nikla (Udruživanje, Hastelloj) ne sadrže željezo i koriste se tamo gdje nehrđajući ne radi; oni nisu "nehrđajući čelici" čak i ako su otporni na koroziju na sličan način.

11. Zaključak

Nehrđajući čelici su željezni materijala po sastavu i klasifikaciji. Oni kombiniraju željezo kao osnovni element s kromom i drugim legirajućim elementima kako bi stvorili legure otporne na koroziju u mnogim uvjetima.

Kristalna struktura (austenitski, feritski, martenzit, dupleks) određuje mehaničke i magnetske karakteristike, ali ne i temeljnu činjenicu da su nehrđajući čelici na bazi željeza.

Odabir materijala stoga treba tretirati nehrđajući čelik kao član obitelji željeza i odabrati odgovarajuću obitelj i kvalitet nehrđajućeg čelika koji odgovara radnom okruženju, zahtjeve izrade i ciljeve životnog ciklusa.

 

Česta pitanja

Znači li karakteristika nehrđajućeg čelika da nije željezni metal?

Svojstvo "nehrđajućeg" čelika proizlazi iz gustog pasivnog filma krom oksida (Cr₂O3) nastaje na površini kada je sadržaj kroma ≥10,5%; to nije povezano sa sadržajem željeza.

Bez obzira na njegovo nehrđajuće ponašanje, sve dok je željezo glavni sastojak, materijal je klasificiran kao a željezni metal.

Gubi li nehrđajući čelik željeznu prirodu na visokim temperaturama?

Klasifikacija kao željezni metal određena je kemijskim sastavom, ne temperatura.

Čak i ako se fazne transformacije događaju na visokoj temperaturi (na primjer, austenitnog stupnja koji se pretvara u ferit na povišenoj temperaturi), osnovni element ostaje željezo, pa ostaje željezni metal.

Utječe li magnetizam nehrđajućeg čelika na to je li željezo?

Magnetizam je povezan s kristalnom strukturom: feritni i martenzitni nehrđajući čelici su tipično magnetski, dok su žareni austenitni nehrđajući čelici obično nemagnetični.

Međutim, magnetizam je ne kriterij za sadržaj željeza — sadržaj željeza je. Bez obzira je li vrsta nehrđajućeg čelika magnetska, ako je željezo glavni element ono je željezni metal.

Je li mogućnost recikliranja nehrđajućeg čelika povezana s njegovom željeznom prirodom?

Da. Budući da je nehrđajući čelik na bazi željeza, njegov tok recikliranja sličan je drugim željeznim metalima.

Nehrđajući otpad lako se ponovno topi; nehrđajući čelici imaju vrlo visoke stope recikliranja, a energija recikliranja obično je djelić (reda veličine 20-30%) energije primarne proizvodnje.

Zbog toga je nehrđajući čelik vrijedan materijal za primjenu u održivom i kružnom gospodarstvu.

Ako feritni nehrđajući čelici korodiraju u nekim okruženjima, znači li to da nisu željezni?

Ne. Učinkovitost korozije ovisi o okolini i sastavu; neke vrste nehrđajućeg čelika mogu korodirati u određenim medijima, ali to ne mijenja njihov status željeznih metala.

Na primjer, feritni nehrđajući čelici mogu pokazati slabiju otpornost u jako reducirajućim medijima, ali imaju izvrsne rezultate u oksidirajućim okruženjima.

Odabir odgovarajućeg stupnja i površinske obrade optimizira otpornost na koroziju za predviđenu uslugu.