Czy stal nierdzewna jest żelazna?

Podstawowym pytaniem w materiałoznawstwie i zastosowaniach przemysłowych jest: Czy stal nierdzewna jest żelazna? Odpowiedź zależy od definicji metale żelaza oraz szczegółowe zrozumienie składu chemicznego stali nierdzewnej, struktura krystaliczna, i standardy klasyfikacji materiałów.

W swoim rdzeniu, stal nierdzewna jest stop żelaza– zawiera żelazo (Fe) jako jego główny składnik – a jednocześnie jego unikalny chrom (Kr) zawartość odróżnia go od stali węglowej i żeliwa, nadając mu odporność na korozję, która zrewolucjonizowała przemysł, od budownictwa po urządzenia medyczne.

1. Co oznacza „żelazny” w inżynierii materiałowej

W inżynierii i metalurgii termin żelazawy odnosi się do metali i stopów, których głównym składnikiem jest żelazo.

Typowe materiały żelazne obejmują stale kute, Rzuć żelazka, kutego żelaza i stopów na bazie żelaza, takich jak stal nierdzewna.

W przeciwieństwie do tego, nieżelazne metale to te, których głównym pierwiastkiem nie jest żelazo (przykłady: aluminium, miedź, tytan, stopy na bazie niklu).

Kluczowy punkt: klasyfikacja ma charakter kompozycyjny (na bazie żelaza) a nie funkcjonalny (np., „Czy rdzewieje?”). Stale nierdzewne są stopami na bazie żelaza i dlatego należą bezpośrednio do rodziny metali żelaznych.

2. Dlaczego stal nierdzewna jest żelazna — skład i standardy

• Żelazo jest elementem równoważącym. Stale nierdzewne zawierają żelazo jako element osnowy; inne pierwiastki stopowe dodaje się w celu uzyskania pożądanych właściwości.
  Typowe gatunki przemysłowe zawierają a większość żelaza z chromem, nikiel, molibden i inne pierwiastki obecne jako zamierzone dodatki stopowe.
• Zapotrzebowanie na chrom. Standardowa definicja techniczna stali nierdzewnej to stop na bazie żelaza zawierający co najmniej ≈10,5% masowych chromu, który nadaje bierność, odporna na korozję powłoka powierzchniowa (Cr₂o₃).
  Ten próg chromu jest skodyfikowany w standardach głównego nurtu (np., Rodzina dokumentów ASTM/ISO).
• Klasyfikacja standardów. Międzynarodowe standardy klasyfikują stale nierdzewne jako stale (tj., stopy na bazie żelaza).
  W przypadku zamówień i testów są one obsługiwane w ramach norm dotyczących materiałów żelaznych (analiza chemiczna, testy mechaniczne, procedury obróbki cieplnej i tak dalej).

Krótko mówiąc: stal nierdzewna = stop na bazie żelaza z wystarczającą ilością chromu do pasywacji; dlatego nierdzewny = żelazny.

3. Typowe chemikalia — gatunki reprezentatywne

Poniższa tabela ilustruje reprezentatywne składy chemiczne pokazujące, że żelazo jest metalem nieszlachetnym (wartości są typowymi zakresami; sprawdź arkusze danych gatunków, aby uzyskać dokładne limity specyfikacji).

„Balans” oznacza, że ​​pozostała część stopu to żelazo i pierwiastki śladowe.

4. Struktury krystaliczne i klasy mikrostrukturalne — dlaczego struktura ≠ metali nieżelaznych

Stale nierdzewne dzieli się metalurgicznie ze względu na dominującą strukturę krystaliczną w temperaturze pokojowej:

• Austenityczny (γ-FCC) - np., 304, 316. Niemagnetyczne w stanie wyżarzonym, doskonała wytrzymałość i odporność na korozję, wysoki Ni stabilizuje austenit.
• Ferrytyczny (α-BCC) - np., 430. Magnetyczny, mniejsza wytrzymałość w bardzo niskich temperaturach, dobra odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe w niektórych środowiskach.
• martenzytyczny (zniekształcony BCT / martenzyt) - np., 410, 420. Utwardzalny poprzez obróbkę cieplną; używany do sztućców, zawory i wały.
• Dupleks (mieszanina A + C) — zrównoważony ferryt i austenit dla poprawy wytrzymałości i odporności na chlorki.

Ważny: te różnice w strukturze krystalicznej opisują rozmieszczenie atomów, nie jest elementem podstawowym.

Niezależnie od tego, czy jest austenityczny, ferrytyczny lub martenzytyczny, pozostają stale nierdzewne na bazie żelaza stopy — a zatem żelazo.

5. Rozróżnienie funkcjonalne: „nierdzewny” nie oznacza „nieżelazny” ani „niemagnetyczny”

• „Stal nierdzewna” odnosi się do odporności na korozję wynikającej z pasywności wywołanej chromem (Film Cr₂o₃). To prawda nie zmienić fakt, że metal jest na bazie żelaza.
• Zachowanie magnetyczne jest nie wiarygodny wskaźnik składu żelaza: niektóre austenityczne stale nierdzewne są zasadniczo niemagnetyczne w stanie wyżarzonym, ale nadal są to stopy żelaza. Obróbka na zimno lub warianty zawierające niższy Ni mogą stać się magnetyczne.
• Zachowanie korozyjne (odporność na „rdzę”) zależy od zawartości chromu, Mikrostruktura, środowisko i stan powierzchni – nie tylko na podstawie kategoryzacji żelaza/nieżelaza.

6. Praktyka przemysłowa i implikacje doboru materiałów

• Specyfikacja i zaopatrzenie. Stale nierdzewne są określane przy użyciu norm i gatunków stali (ASTM, W, ON, GB, itp.).
  Testy mechaniczne, kwalifikacja technologii spawania, i obróbka cieplna są zgodne z praktykami metalurgii żelaza.
• Spawanie i produkcja. Stale nierdzewne wymagają tych samych podstawowych środków ostrożności, co inne metale żelazne (podgrzewanie wstępne/nagrzewanie końcowe w zależności od gatunku, kontrola emisji dwutlenku węgla, aby uniknąć uczulenia w serii 300, wybór kompatybilnego metalu wypełniającego).
• Magnetyka i NDT. Badania NDT na bazie magnetycznej (cząsteczka magnetyczna) nadaje się do gatunków ferrytycznych/martenzytycznych, ale nie do gatunków w pełni austenitycznych, chyba że są one utwardzane przez zgniot; testy ultradźwiękowe i penetracyjne są powszechne w całej rodzinie.
• Projekt: inżynierowie wykorzystują różne rodziny stali nierdzewnej do konkretnych potrzeb (austenityczne pod względem odkształcalności i odporności na korozję; ferrytyczne, w przypadku których należy zminimalizować nikiel; duplex zapewniający wysoką wytrzymałość i odporność na chlorki).

7. Zalety ferrytycznej stali nierdzewnej

Ferrytyczne stale nierdzewne stanowią ważną rodzinę stali nierdzewnych.

Są to stopy na bazie żelaza charakteryzujące się kształtem sześciennym skupionym w korpusie (α-Fe) strukturę krystaliczną w temperaturze pokojowej i stosunkowo wysoką zawartość chromu z niewielką ilością niklu lub bez niego.

Odporność na korozję w środowiskach utleniających i lekko agresywnych

• Ferryty zazwyczaj zawierają ~12–30% chromu, który wytwarza ciągły tlenek chromu (Cr₂o₃) film pasywny. To daje dobra ogólna odporność na korozję i utlenianie w powietrzu, w wielu środowiskach atmosferycznych i w niektórych lekko agresywnych mediach procesowych.
• Szczególnie dobrze sprawdzają się tam, gdzie pękanie korozyjne naprężeniowe chlorków (SCC) jest problemem: są gatunki ferrytyczne znacznie mniej podatne na SCC wywołane chlorkami niż wiele gatunków austenitu,
  dzięki czemu nadają się do niektórych zastosowań petrochemicznych i morskich, gdzie należy zminimalizować ryzyko SCC.

Oszczędność kosztów i oszczędność stopu

• Ponieważ gatunki ferrytyczne zawierają mało niklu lub nie ma go wcale, Są mniej wrażliwe na zmienność cen niklu i ogólnie niższy koszt niż austenityczny (łożysko ni) stale nierdzewne zapewniające równoważną odporność na korozję w wielu środowiskach.
  Ta przewaga kosztowa jest znacząca w przypadku zastosowań o dużej objętości lub wrażliwych na cenę.

Stabilność termiczna i odporność na nawęglanie/kruchość w podwyższonej temperaturze

• Ferrytyczne stale nierdzewne utrzymują stabilne mikrostruktury ferrytyczne w szerokim zakresie temperatur i są mniej podatne na uczulenia (wytrącanie międzykrystalicznego węglika chromu) niż austenityka.
• Wiele ferrytów ma dobra odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze i są stosowane w układach wydechowych, powierzchnie wymienników ciepła i inne zastosowania w podwyższonych temperaturach.
  Niektóre gatunki ferrytyczne (np., 446, 430) są przeznaczone do ciągłej pracy w podwyższonych temperaturach, ponieważ tworzą trwałe osady tlenkowe.

Niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE)

• Typowe wartości WRC dla ferrytycznych stali nierdzewnych wynoszą: ≈10–12 × 10⁻⁶ /°C, znacznie niższe niż zwykłe gatunki austenityczne (≈16–18 × 10⁻⁶ /°C).
• Niższa rozszerzalność cieplna zmniejsza odkształcenia termiczne i naprężenia niedopasowania, gdy materiały ferrytyczne są łączone z materiałami o niskiej rozszerzalności lub stosowane w cyklicznej pracy w wysokiej temperaturze (układy wydechowe, elementy pieca).

Lepsza przewodność cieplna

• Gatunki ferrytyczne zazwyczaj tak mają wyższa przewodność cieplna (mniej więcej 20–30 W/m·K) niż gatunki austenityczne (~15–20 W/m·K).
  Lepsze przenoszenie ciepła jest korzystne w rurach wymiennika ciepła, elementy pieców i zastosowania, w których pożądane jest szybkie odprowadzanie ciepła.

Właściwości magnetyczne i użyteczność funkcjonalna

• Ferrytyczne stale nierdzewne są magnetyczny W stanie wyżarzonym. Jest to zaleta, gdy wymagana jest odpowiedź magnetyczna (silniki, ekranowanie magnetyczne, czujniki) lub w przypadku separacji magnetycznej, kontrola i obsługa są częścią procesu produkcji/montażu.

Dobra odporność na zużycie i stabilność powierzchni

• Niektóre gatunki ferrytyczne wykazują dobra odporność na ścieranie i utlenianie i utrzymywać wykończenie powierzchni w atmosferze utleniającej o podwyższonej temperaturze.
  To sprawia, że ​​są odpowiednie dla kolektory wydechowe, elementy komina, i dekoracyjne elementy architektoniczne które podlegają cyklom termicznym.

Wykonanie i formowalność (aspekty praktyczne)

• Oferta wielu stopów ferrytycznych odpowiednią plastyczność i odkształcalność do obróbki arkuszy i taśm i może być formowany na zimno bez takiego samego stopnia sprężystości, jak w przypadku stopów o wyższej wytrzymałości.
  Tam, gdzie wymagane jest głębokie tłoczenie lub złożone formowanie, odpowiedni dobór klasy (niższy chrom, zoptymalizowane temperamenty) daje dobre rezultaty.
• Ze względu na ich prostą mikrostrukturę ferrytyczną, ferrytyczne nie wymagają wyżarzania po spawaniu w celu odzyskania odporności na korozję w taki sam sposób, jak czasami ma to miejsce w przypadku materiałów austenitycznych podatnych na uczulenie – chociaż kontrola procesu spawania jest nadal ważna.

Ograniczenia i zastrzeżenia dotyczące wyboru

Zrównoważone spojrzenie na inżynierię musi uwzględniać ograniczenia, aby zapobiec niewłaściwemu zastosowaniu materiałów:

• Niższa wytrzymałość w bardzo niskich temperaturach: ferryty mają na ogół gorszą udarność w temperaturach kriogenicznych niż austenityki.
  Unikaj materiałów ferrytycznych w krytycznych zastosowaniach konstrukcyjnych w niskich temperaturach, chyba że masz specjalne kwalifikacje.
• Ograniczenia spawalności: podczas gdy spawanie jest rutyną, wzrost ziarna i kruchość może wystąpić w materiałach ferrytycznych o wysokiej zawartości Cr, jeśli dopływ ciepła i chłodzenie po spawaniu nie są kontrolowane;
  niektóre materiały ferrytyczne wykazują kruchość w strefie wpływu ciepła, chyba że zostaną zastosowane odpowiednie procedury.
• Niższa odkształcalność w przypadku niektórych gatunków o wysokiej zawartości Cr: wyjątkowo wysoka zawartość chromu może zmniejszyć ciągliwość i odkształcalność; wybór gatunku musi odpowiadać operacjom formowania.
• Nie jest powszechnie lepszy w przypadku wżerów chlorkowych: chociaż ferryty są odporne na SCC, odporność na wżery/wżery w agresywnych środowiskach zawierających chlorki często lepiej jest rozwiązać za pomocą gatunków austenitycznych o wyższej zawartości Mo lub gatunków duplex;
  ocenić równoważne liczby dotyczące odporności na wżery (Drewno) gdzie narażenie na chlorki jest znaczne.

8. Porównanie z alternatywami nieżelaznymi

Kiedy inżynierowie rozważają materiały do ​​zastosowań odpornych na korozję, stal nierdzewna jest wiodącym wyborem wśród metali żelaznych.

Jednakże, metale nieżelazne i stopy (Glin, Stopy Cu, Z, Stopy na bazie niklu, Mg, Zn) często rywalizują na wadze, przewodność, specyficzna odporność na korozję, lub przetwarzalność.

9. Zrównoważony rozwój i recykling

• Możliwość recyklingu: stale nierdzewne należą do materiałów konstrukcyjnych najczęściej poddawanych recyklingowi; złom jest łatwo włączany do nowych stopów o dużej zawartości recyklingu.
• Cykl życia: długa żywotność i niskie koszty utrzymania często sprawiają, że stal nierdzewna jest ekonomiczna, wybór o niewielkim wpływie na cały okres użytkowania elementu pomimo wyższych kosztów początkowych w porównaniu ze zwykłą stalą węglową.
• Kodeksy środowiskowe i odzysk: produkcja stali nierdzewnej w coraz większym stopniu wykorzystuje elektryczne piece łukowe i surowce pochodzące z recyklingu, aby zmniejszyć energochłonność i emisję.

10. Nieporozumienia i wyjaśnienia

• „Nierdzewny” ≠ „nierdzewny na zawsze”. W ekstremalnych warunkach (pękanie korozyjne naprężeniowe chlorków, utlenianie w wysokiej temperaturze, ataki kwasu, korozja szczelinowa, itp.), stal nierdzewna może korodować; nie stają się nieżelazne ze względu na to, że są nierdzewne.
• Magnetyczne ≠ żelazne: brak magnetyzmu w niektórych gatunkach stali nierdzewnej nie oznacza, że ​​są one nieżelazne. Atrybutem definiującym jest chemia na bazie żelaza, a nie odpowiedź magnetyczna.
• Stopy o wysokiej zawartości niklu a stal nierdzewna: niektóre stopy na bazie niklu (Inconel, Hastelloy) są nieżelazne i stosowane tam, gdzie zawodzi stal; nie są one „stalią nierdzewną”, nawet jeśli są podobnie odporne na korozję.

11. Wniosek

Stale nierdzewne są żelazawy Materiały według składu i klasyfikacji. Łączą żelazo jako pierwiastek podstawowy z chromem i innymi pierwiastkami stopowymi, tworząc stopy odporne na korozję w wielu warunkach.

Struktura kryształu (austenityczny, ferrytyczny, martenzytyczny, dupleks) określa właściwości mechaniczne i magnetyczne, ale nie podstawowy fakt, że stale nierdzewne są oparte na żelazie.

Dlatego przy wyborze materiału należy traktować stal nierdzewną jako członka rodziny metali żelaznych i wybierać odpowiednią rodzinę i gatunek stali nierdzewnej, aby dopasować ją do środowiska pracy., wymagania produkcyjne i cele cyklu życia.

 

Często zadawane pytania

Czy cecha stali nierdzewnej „nierdzewnej” oznacza, że ​​nie jest to metal żelazny??

„Nierdzewna” właściwość stali nierdzewnej wynika z gęstej, pasywnej warstwy tlenku chromu (Cr₂o₃) tworzy się na powierzchni przy zawartości chromu ≥10,5%; nie ma to związku z zawartością żelaza.

Niezależnie od jego nierdzewnego zachowania, pod warunkiem, że głównym składnikiem jest żelazo, materiał jest klasyfikowany jako A żelazawy metal.

Czy stal nierdzewna traci swój żelazny charakter w wysokich temperaturach??

Klasyfikacja jako metal żelazny zależy od składu chemicznego, nie temperatura.

Nawet jeśli przemiany fazowe zachodzą w wysokiej temperaturze (Na przykład, gatunek austenityczny przekształcający się w ferryt w podwyższonej temperaturze), podstawowym elementem pozostaje żelazo, pozostaje więc metalem żelaznym.

Czy magnetyzm stali nierdzewnej wpływa na to, czy jest ona żelazna??

Magnetyzm jest powiązany ze strukturą kryształu: ferrytyczne i martenzytyczne stale nierdzewne są zazwyczaj magnetyczne, podczas gdy wyżarzane austenityczne stale nierdzewne są zwykle niemagnetyczne.

Jednakże, magnetyzm jest nie kryterium bycia żelaznym – zawartość żelaza jest. Niezależnie od tego, czy gatunek stali nierdzewnej jest magnetyczny, jeśli głównym pierwiastkiem jest żelazo, jest to metal żelazny.

Czy możliwość recyklingu stali nierdzewnej jest powiązana z jej żelazną naturą??

Tak. Ponieważ stal nierdzewna jest oparta na żelazie, jego strumień recyklingu jest podobny do strumienia innych metali żelaznych.

Złom stali nierdzewnej można łatwo ponownie stopić; stale nierdzewne charakteryzują się bardzo wysokimi wskaźnikami recyklingu, a energia pochodząca z recyklingu stanowi zazwyczaj ułamek (rzędu 20–30%) pierwotnej energii produkcyjnej.

To sprawia, że ​​stal nierdzewna jest cennym materiałem do zastosowań zrównoważonych i gospodarki o obiegu zamkniętym.

Jeśli ferrytyczne stale nierdzewne korodują w niektórych środowiskach, czy to oznacza, że ​​nie są żelazne?

NIE. Działanie korozji zależy od środowiska i składu; niektóre gatunki stali nierdzewnej mogą korodować w określonych mediach, nie zmienia to jednak ich statusu metali żelaznych.

Na przykład, ferrytyczne stale nierdzewne mogą wykazywać słabszą odporność w mediach silnie redukujących, ale doskonale sprawdzają się w środowiskach utleniających.

Wybór odpowiedniego gatunku i obróbki powierzchni optymalizuje odporność na korozję dla zamierzonego zastosowania.