Ir nerūsējošā tērauda dzelzs?

Materiālzinātnes un rūpnieciskā lietojuma pamatjautājums ir: Ir nerūsējošā tērauda dzelzs? Atbilde ir atkarīga no definīcijas melnie metāli un detalizēta izpratne par nerūsējošā tērauda ķīmisko sastāvu, kristāla struktūra, un materiālu klasifikācijas standarti.

Tā kodolā, nerūsējošais tērauds ir a dzelzs sakausējums- tas satur dzelzi (Fe) kā tā galvenā sastāvdaļa — tomēr unikālais hroms (Krekls) saturs to atšķir no oglekļa tērauda un čuguna, piešķirot tai izturību pret koroziju, kas radīja revolūciju nozarēs no būvniecības līdz medicīnas ierīcēm.

1. Ko materiālu inženierijā nozīmē “melnais”?

Inženierzinātnēs un metalurģijā termins dzelzs attiecas uz metāliem un sakausējumiem, kuru galvenā sastāvdaļa ir dzelzs.

Tipiski melnie materiāli ir kalts tērauds, čuguņi, kaltas dzelzs un sakausējumi uz dzelzs bāzes, piemēram, nerūsējošais tērauds.

Turpretī, krāsains metāli ir tie, kuru galvenais elements nav dzelzs (piemēri: alumīnijs, vara, titāns, niķeļa bāzes sakausējumi).

Galvenais punkts: klasifikācija ir kompozīcija (uz dzelzs bāzes) nevis funkcionāls (Piem., "vai tas nerūsē?”). Nerūsējošie tēraudi ir uz dzelzs bāzes izgatavoti sakausējumi, un tāpēc tie pilnībā ietilpst melno metālu saimē.

2. Kāpēc nerūsējošais tērauds ir melnais — sastāvs un standarti

• Dzelzs ir līdzsvara elements. Nerūsējošais tērauds ir veidots ar dzelzi kā matricas elementu; tiek pievienoti citi leģējošie elementi, lai iegūtu vēlamās īpašības.
  Tipiskas rūpnieciskās kategorijas satur a lielākā daļa dzelzs ar hromu, niķelis, molibdēns un citi elementi, kas ir tīši sakausējuma piedevas.
• Chroma prasība. Nerūsējošā tērauda standarta tehniskā definīcija ir dzelzs sakausējums, kas satur vismaz ≈10,5% hroma pēc masas, kas piešķir pasīvo, korozijizturīga virsmas plēve (Cr₂O3).
  Šis hroma slieksnis ir kodificēts galvenajos standartos (Piem., ASTM/ISO dokumentu saime).
• Standartu klasifikācija. Starptautiskie standarti nerūsējošo tēraudu klasificē kā tēraudu (t.i., sakausējumi uz dzelzs bāzes).
  Iepirkšanai un testēšanai tie tiek apstrādāti melno materiālu standartu ietvaros (ķīmiskā analīze, mehāniskie testi, termiskās apstrādes procedūras un tā tālāk).

Īsāk sakot: nerūsējošais = sakausējums uz dzelzs bāzes ar pietiekamu hroma daudzumu, lai pasivētu; tāpēc nerūsējošais = dzelzs.

3. Tipiskas ķīmijas — reprezentatīvas pakāpes

Nākamajā tabulā ir parādītas reprezentatīvās ķīmiskās vielas, lai parādītu, ka dzelzs ir parastais metāls (vērtības ir tipiski diapazoni; pārbaudiet pakāpes datu lapas, lai uzzinātu precīzus specifikācijas ierobežojumus).

“Līdzsvars” nozīmē, ka pārējā sakausējuma daļa ir dzelzs un mikroelementi.

4. Kristālu struktūras un mikrostruktūru klases — kāpēc struktūra ≠ krāsains

Nerūsējošie tēraudi ir metalurģiski sadalīti pēc to dominējošās kristāla struktūras istabas temperatūrā:

• Austenīts (γ-FCC) — piem., 304, 316. Nemagnētisks atkausētā stāvoklī, lieliska stingrība un izturība pret koroziju, augsts Ni stabilizē austenītu.
• Ferīta (α-BCC) — piem., 430. Magnētisks, zemāka stingrība ļoti zemās temperatūrās, laba izturība pret sprieguma-korozijas plaisāšanu dažās vidēs.
• Martensīts (izkropļots BCT / martensīts) — piem., 410, 420. Cietināms ar termisko apstrādi; izmanto galda piederumiem, vārsti un vārpstas.
• Divstāvu (maisījums a + c) — līdzsvarots ferīts un austenīts, lai uzlabotu izturību un hlorīdu izturību.

Svarīgi: šīs kristāliskās struktūras atšķirības raksturo atomu izvietojumu, nevis pamata elements.

Neatkarīgi no tā, vai tas ir austenīts, ferīta vai martensīta, nerūsējošais tērauds paliek uz dzelzs bāzes sakausējumi — un līdz ar to dzelzs.

5. Funkcionālā atšķirība: “Nerūsējošais” nenozīmē “krāsains” vai “nemagnētisks”

• “Nerūsējošais” attiecas uz izturību pret koroziju, ko izraisa hroma izraisīta pasivitāte (Cr₂O3 plēve). Tā dara ne mainīt faktu, ka metāls ir uz dzelzs bāzes.
• Magnētiskā uzvedība ir ne uzticams dzelzs sastāva rādītājs: daži austenīta nerūsējošie tēraudi atkvēlinātā stāvoklī būtībā nav magnētiski, bet tie joprojām ir dzelzs sakausējumi. Aukstās apstrādes vai zemāka Ni varianti var kļūt magnētiski.
• Korozijas uzvedība (izturība pret "rūsu") atkarīgs no hroma satura, mikrostruktūra, vide un virsmas stāvoklis — ne tikai dzelzs/krāsaino metālu klasifikācijā.

6. Industriālā prakse un materiālu izvēle

• Specifikācija un iepirkums. Nerūsējošais tērauds ir norādīts, izmantojot tērauda standartus un kategorijas (ASTM, Iekšā, Viņš, GB, utc).
  Mehāniskā pārbaude, metināšanas procedūras kvalifikācija, un termiskā apstrāde notiek pēc melnās metalurģijas prakses.
• Metināšana un izgatavošana. Nerūsējošajam tēraudam ir nepieciešami tādi paši pamatpiesardzības pasākumi kā citiem melnajiem metāliem (priekšsildīšana/pēckarsēšana atkarībā no pakāpes, oglekļa kontrole, lai izvairītos no sensibilizācijas 300. sērijā, saderīga metāla pildījuma izvēle).
• Magnētika un NDT. Magnētiskā NDT (mag daļiņa) darbojas ferīta/martensīta pakāpēm, bet ne pilnībā austenīta pakāpēm, ja vien tās nav rūdītas; ultraskaņas un krāsu caurlaidības testi ir izplatīti visās ģimenēs.
• Projektēšana: inženieri izmanto dažādas nerūsējošā tērauda saimes īpašām vajadzībām (austenīts veidojamībai un izturībai pret koroziju; ferīti, kur niķeļa daudzums jāsamazina līdz minimumam; duplekss augstas stiprības un hlorīda izturībai).

7. Ferīta nerūsējošā tērauda priekšrocības

Ferīta nerūsējošie tēraudi ir svarīga ģimene nerūsējošā tērauda saimē.

Tie ir uz dzelzs bāzes izgatavoti sakausējumi, kam raksturīgs kubiskais korpuss (α-Fe) kristāla struktūra istabas temperatūrā un salīdzinoši augsts hroma saturs ar mazu niķeli vai bez tā.

Izturība pret koroziju oksidējošā un viegli agresīvā vidē

• Ferīti parasti satur ~12–30% hroma, kas rada nepārtrauktu hroma oksīdu (Cr₂O3) pasīvā filma. Tas dod laba vispārējā izturība pret koroziju un oksidāciju gaisā, daudzas atmosfēras vide un daži viegli agresīvi procesa līdzekļi.
• Īpaši labi tie darbojas tur, kur hlorīda sprieguma-korozijas plaisāšana (SCC) ir bažas: ferīta pakāpes ir daudz mazāk uzņēmīgi pret hlorīda izraisītu SCC nekā daudzas austenīta kategorijas,
  padarot tos piemērotus noteiktiem naftas ķīmijas un jūras lietojumiem, kur SCC risks ir jāsamazina līdz minimumam.

Izmaksu efektivitāte un sakausējuma ekonomija

• Tā kā ferīta klases satur maz vai nav niķeļa, viņi ir mazāk jutīgi pret niķeļa cenas svārstībām un vispār zemākas izmaksas nekā austenīta (ni-gultnis) nerūsējošais tērauds līdzvērtīgai izturībai pret koroziju daudzās vidēs.
  Šī izmaksu priekšrocība ir nozīmīga liela apjoma vai cenas ziņā jutīgām lietojumprogrammām.

Termiskā stabilitāte un izturība pret karburizāciju/trauslumu paaugstinātā temperatūrā

• Ferīta nerūsējošais tērauds uztur stabilas ferīta mikrostruktūras plašā temperatūras diapazonā un ir mazāk pakļauti sensibilizācijai (starpgranulu hroma karbīda izgulsnēšana) nekā austenīts.
• Daudzi ferīti ir laba augstas temperatūras oksidācijas izturība un tiek izmantoti izplūdes sistēmās, siltummaiņu virsmas un citi pielietojumi paaugstinātā temperatūrā.
  Dažas ferīta kategorijas (Piem., 446, 430) ir paredzēti nepārtrauktai darbībai paaugstinātā temperatūrā, jo tie veido izturīgas oksīda skalas.

Zemāks termiskās izplešanās koeficients (Cte)

• Tipiskās CTE vērtības ferīta nerūsējošajiem tēraudiem ir ≈10–12 × 10⁻⁶ /°C, ievērojami zemākas par parastajām austenīta kategorijām (≈16–18 × 10⁻⁶ /°C).
• Zemāka termiskā izplešanās samazina termiskos kropļojumus un nesakritības spriegumus, kad ferīti tiek savienoti ar materiāliem ar zemu izplešanos vai tiek izmantoti augstas temperatūras cikliskajam darbam (izplūdes sistēmas, krāsns sastāvdaļas).

Labāka siltumvadītspēja

• Ferīta pakāpēm parasti ir augstāka siltumvadītspēja (aptuveni 20–30 W/m·K) nekā austenīta markas (~15–20 W/m·K).
  Uzlabota siltuma pārnese ir izdevīga siltummaiņa caurulēs, krāsns sastāvdaļas un lietojumi, kur ir vēlama ātra siltuma noņemšana.

Magnētiskās īpašības un funkcionālā lietderība

• Ferīta nerūsējošais tērauds ir magnētisks atkausētā stāvoklī. Tā ir priekšrocība, ja nepieciešama magnētiskā reakcija (motori, magnētiskais ekranējums, sensori) vai kad magnētiskā atdalīšana, pārbaude un apstrāde ir daļa no ražošanas/montāžas procesa.

Laba nodilumizturība un virsmas stabilitāte

• Ir redzamas noteiktas ferīta kategorijas laba nodilumizturība un oksidēšanās un uzturēt virsmas apdari paaugstinātas temperatūras oksidējošās atmosfērās.
  Tas padara tos piemērotus Izplūdes kolektori, dūmvadu sastāvdaļas, un dekoratīvie arhitektūras elementi kas piedzīvo termisko riteņbraukšanu.

Izgatavošana un formējamība (praktiskie aspekti)

• Daudzi ferīta sakausējumi piedāvā atbilstoša lokanība un formējamība lokšņu un sloksņu darbam, un to var veidot aukstā veidā bez tādas pašas atsperes pakāpes, kas saistīta ar augstākas stiprības sakausējumiem.
  Kur nepieciešama dziļa vilkšana vai sarežģīta formēšana, atbilstošas ​​pakāpes izvēle (zemāks hroms, optimizēts temperaments) dod labus rezultātus.
• To vienkāršās ferīta mikrostruktūras dēļ, ferīti nav nepieciešama atkausēšana pēc metināšanas šķīduma, lai atgūtu izturību pret koroziju tāpat kā dažkārt to dara pret sensibilizāciju jutīgie austenīti — lai gan metināšanas procedūras kontrole joprojām ir svarīga.

Ierobežojumi un izvēles brīdinājumi

Līdzsvarotā inženierijas skatījumā ir jāatzīst ierobežojumi, lai materiāli netiktu izmantoti nepareizi:

• Zemāka stingrība ļoti zemās temperatūrās: ferītiem parasti ir sliktāka triecienizturība kriogēnās temperatūrās nekā austenītiem.
  Izvairieties no ferīta izmantošanas kritiskos zemas temperatūras strukturālos lietojumos, ja vien tas nav īpaši kvalificēts.
• Metināmības ierobežojumi: kamēr metināšana ir rutīna, graudu augšana un trauslums var rasties augsta Crr ferīta gadījumā, ja netiek kontrolēta siltuma padeve un dzesēšana pēc metināšanas;
  daži ferīti ir trausli karstuma ietekmētajā zonā, ja vien netiek izmantotas atbilstošas ​​procedūras.
• Zemāka formējamība dažām augstas Cr pakāpēm: ārkārtīgi augsts hroma saturs var samazināt elastību un formējamību; pakāpes izvēlei jāatbilst formēšanas darbībām.
• Nav vispārēji pārāks hlorīda punktu veidošanā: lai gan ferīti ir izturīgi pret SCC, pretestība bedru / bedrīšu veidošanās dēļ agresīvā hlorīdu saturošā vidē bieži vien ir labāk risināms ar augstāku Mo austenītu vai dupleksa pakāpēm;
  novērtēt pretestības pretestības punktos ekvivalentus skaitļus (Malka) kur hlorīda iedarbība ir nozīmīga.

8. Salīdzinājums ar krāsaino metālu alternatīvām

Kad inženieri apsver materiālus pret koroziju izturīgiem lietojumiem, nerūsējošais tērauds ir vadošā melnā metāla izvēle.

Lai arī, krāsainie metāli un sakausējumi (Al, Cu sakausējumi, No, Ni-bāzes sakausējumi, Mg, Zn) bieži sacenšas par svaru, vadītspēja, specifiskā izturība pret koroziju, vai apstrādājamība.

9. Ilgtspējība un otrreizēja pārstrāde

• Pārstrāde: nerūsējošais tērauds ir viens no visvairāk pārstrādātajiem inženiertehniskajiem materiāliem; lūžņi tiek viegli iekļauti jaunos kausējumos ar augstu pārstrādāto saturu.
• Dzīves cikls: ilgs kalpošanas laiks un zema apkope bieži padara nerūsējošo tēraudu par ekonomisku, zemas ietekmes izvēle komponenta kalpošanas laikā, neskatoties uz augstākām sākotnējām izmaksām salīdzinājumā ar parasto oglekļa tēraudu.
• Vides kodeksi un atjaunošana: nerūsējošā tērauda ražošanā arvien vairāk izmanto elektriskās loka krāsnis un pārstrādātas izejvielas, lai samazinātu enerģijas intensitāti un emisijas.

10. Nepareizi priekšstati un skaidrojumi

• “Nerūsējošs” ≠ “nerūsējošs uz visiem laikiem”. Ekstrēmos apstākļos (hlorīda sprieguma-korozijas plaisāšana, oksidēšanās augstā temperatūrā, skābes uzbrukumi, plaisas korozija, utc), nerūsējošais tērauds var korodēt; tie nekļūst krāsaini, jo ir nerūsējošā tērauda.
• Magnētiskais ≠ dzelzs: dažu nerūsējošā tērauda šķirņu nemagnētisms nepadara tos par krāsainiem. Noteicošais atribūts ir dzelzs bāzes ķīmija, nevis magnētiskā reakcija.
• Sakausējumi ar augstu niķeļa saturu salīdzinājumā ar nerūsējošo materiālu: daži sakausējumi uz niķeļa bāzes (Neiebilstība, Hastelijs) ir krāsaini metāli un tiek izmantoti, ja nerūsējošais materiāls sabojājas; tie nav “nerūsējošais tērauds”, pat ja tie ir līdzīgi izturīgi pret koroziju.

11. Secinājums

Nerūsējošais tērauds ir dzelzs materiāli pēc sastāva un klasifikācijas. Tie apvieno dzelzi kā pamatelementu ar hromu un citiem leģējošiem elementiem, lai radītu sakausējumus, kas izturīgi pret koroziju daudzos apstākļos.

Kristāla struktūra (austenīts, ferīta, martensīts, divstāvu) nosaka mehāniskos un magnētiskos raksturlielumus, bet ne galvenais fakts, ka nerūsējošā tērauda pamatā ir dzelzs.

Tāpēc, izvēloties materiālu, nerūsējošais tērauds ir jāuzskata par melno metālu saimes pārstāvi un jāizvēlas atbilstošā nerūsējošā tērauda saime un kategorija, lai tas atbilstu apkalpošanas videi., ražošanas prasības un dzīves cikla mērķi.

 

FAQ

Vai nerūsējošā tērauda īpašības "nerūsējošais tērauds" nozīmē, ka tas nav melnais metāls??

Nerūsējošā tērauda "nerūsējošā" īpašība izriet no blīvas pasīvās hroma oksīda plēves (Cr₂O3) veidojas uz virsmas, ja hroma saturs ir ≥10,5%; tas nav saistīts ar dzelzs saturu.

Neatkarīgi no tā nerūsējošā tērauda uzvedības, kamēr dzelzs ir galvenā sastāvdaļa, materiāls ir klasificēts kā a dzelzs metāls.

Vai nerūsējošais tērauds augstā temperatūrā zaudē savu dzelzs dabu?

Melno metālu klasifikāciju nosaka ķīmiskais sastāvs, nevis temperatūra.

Pat ja fāzu pārvērtības notiek augstā temperatūrā (piemēram, austenīta šķirne, kas paaugstinātā temperatūrā pārvēršas par ferītu), pamatelements paliek dzelzs, tāpēc tas paliek melnais metāls.

Vai nerūsējošā tērauda magnētisms ietekmē to, vai tas ir dzelzs??

Magnētisms ir saistīts ar kristāla struktūru: ferīta un martensīta nerūsējošie tēraudi parasti ir magnētiski, savukārt atkvēlinātie austenīta nerūsējošie tēraudi parasti nav magnētiski.

Lai arī, magnētisms ir ne dzelzs saturs ir kritērijs. Neatkarīgi no tā, vai nerūsējošā tērauda šķirne ir magnētiska, ja dzelzs ir galvenais elements, tas ir melnais metāls.

Vai nerūsējošā tērauda pārstrādājamība ir saistīta ar tā dzelzs saturu?

Jā. Tā kā nerūsējošā tērauda pamatā ir dzelzs, tā pārstrādes plūsma ir līdzīga citiem melnajiem metāliem.

Nerūsējošā tērauda lūžņi ir viegli pārkausējami; nerūsējošajam tēraudam ir ļoti augsts pārstrādes līmenis, un pārstrādes enerģija parasti ir daļa (apmēram 20-30%) primārās ražošanas enerģijas.

Tas padara nerūsējošo tēraudu par vērtīgu materiālu ilgtspējīgai un aprites ekonomikai.

Ja ferīta nerūsējošais tērauds dažās vidēs korozējas, vai tas nozīmē, ka tie nav melnie?

Ne. Korozijas veiktspēja ir atkarīga no vides un sastāva; daži nerūsējošā tērauda izstrādājumi var korodēt noteiktos materiālos, bet tas nemaina to melno metālu statusu.

Piemēram, ferīta nerūsējošais tērauds var izrādīt vājāku pretestību spēcīgi reducējošajā vidē, bet lieliski darbojas oksidējošā vidē.

Atbilstošas ​​kvalitātes un virsmas apstrādes izvēle optimizē izturību pret koroziju paredzētajam pakalpojumam.