Је нерђајући челик гвожђе?

Основно питање у науци о материјалима и индустријској примени је: Је нерђајући челик од гвожђа? Одговор зависи од дефиниције обојени метали и детаљно разумевање хемијског састава нерђајућег челика, кристална структура, и стандарди класификације материјала.

У срцу, нехрђајући челик је а легура гвожђа-садржи гвожђе (Фе) као његова примарна компонента — а ипак његов јединствени хром (ЦР) садржај га разликује од угљеничног челика и ливеног гвожђа, дајући му отпорност на корозију која је револуционирала индустрију од грађевинарства до медицинских уређаја.

1. Шта „железо“ значи у инжењерству материјала

У машинству и металургији термин ферроус односи се на метале и легуре чије примарни састојак је гвожђе.

Типични материјали од жељеза укључују ковани челик, ливено гвожђе, ковано гвожђе и легуре на бази гвожђа као што је нерђајући челик.

Супротно, обојених гвожђа метали су они чији главни елемент није гвожђе (примери: алуминијум, бакар, титанијум, легуре на бази никла).

Кључна тачка: класификација је композициона (на бази гвожђа) а не функционалне (Нпр., „да ли рђа?"). Нерђајући челици су легуре на бази гвожђа и стога спадају у породицу гвожђа.

2. Зашто је нерђајући челик гвожђе — састав и стандарди

• Гвожђе је елемент равнотеже. Нерђајући челици су формулисани са гвожђем као матричним елементом; додају се други легирајући елементи да би се добила жељена својства.
  Типичне индустријске класе садрже а већина гвожђа са хромом, никл, молибден и други елементи присутни као намерни додаци за легирање.
• Захтеви за хром. Стандардна техничка дефиниција нерђајућег челика је легура на бази гвожђа која садржи најмање ≈10,5% хрома по маси, који даје пасив, површински филм отпоран на корозију (Црдо₃).
  Овај праг хрома је кодификован у главним стандардима (Нпр., АСТМ/ИСО фамилија докумената).
• Класификација стандарда. Међународни стандарди класификују нерђајуће челике као челике (Тј., легуре на бази гвожђа).
  За набавку и тестирање њима се рукује у оквиру стандарда за гвоздене материјале (хемијска анализа, механичка испитивања, поступци топлотне обраде и тако даље).

Укратко: нерђајући = легура на бази гвожђа са довољно хрома за пасивизацију; дакле нерђајући = гвоздени.

3. Типичне хемије — репрезентативне оцене

Следећа табела илуструје репрезентативне хемије које показују да је гвожђе основни метал (вредности су типични распони; проверите табеле са подацима за тачна ограничења спецификација).

„Уравнотеженост“ значи да је остатак легуре гвожђе плус елементи у траговима.

4. Кристалне структуре и микроструктурне класе — зашто структура = обојена

Нерђајући челици су металуршки подељени према њиховој претежној кристалној структури на собној температури:

• Аустенитски (γ-ФЦЦ) — нпр., 304, 316. Немагнетно у жареном стању, одлична жилавост и отпорност на корозију, висок Ни стабилизује аустенит.
• Ферински (α-БЦЦ) — нпр., 430. Магнетиц, мања жилавост на веома ниским температурама, добра отпорност на пуцање од напонске корозије у неким срединама.
• Мартензитски (искривљени БЦТ / мартензита) — нпр., 410, 420. Отврдњава топлотном обрадом; користи се за прибор за јело, вентили и вратила.
• Дуплекс (мешавина а + ц) — уравнотежени ферит и аустенит за побољшану чврстоћу и отпорност на хлорид.

Важно: ове разлике у структури кристала описују распоред атома, не основни елемент.

Без обзира што је аустенит, феритне или мартензитне, остају нерђајући челици на бази гвожђа легуре — а самим тим и гвожђе.

5. Функционална разлика: „нерђајући” не значи „обојени” или „немагнетни”

• „Нерђајући“ се односи на отпорност на корозију која је резултат пасивности изазване хромом (Цр₂О₃ филм). Има не промените чињеницу да је метал на бази гвожђа.
• Магнетно понашање је не поуздан показатељ састава гвожђа: неки аустенитни нерђајући челици су у суштини немагнетни у жареном стању, али су и даље легуре гвожђа. Хладне варијанте или ниже Ни могу постати магнетне.
• Понашање корозије (отпорност на "рђу") зависи од садржаја хрома, микроструктура, окружење и стање површине — не само на категоризацији гвожђа/обојених гвожђа.

6. Индустријска пракса и импликације избора материјала

• Спецификација и набавка. Нерђајући челици су специфицирани коришћењем стандарда и класа челика (Астм, У, Он, ГБ, итд.).
  Механичка испитивања, квалификација поступка заваривања, и термичка обрада прате праксу црне металургије.
• Заваривање и израда. Нерђајући челици захтевају исте основне мере предострожности као и други црни метали (претходно загревање / накнадно загревање у зависности од степена, контрола угљеника да би се избегла сензибилизација у серији 300, избор компатибилног метала за пуњење).
• Магнетика и НДТ. НДТ на бази магнета (маг партицле) ради за феритне/мартензитне разреде, али не и за потпуно аустенитне разреде осим ако нису очвршћени радом; ултразвучни и пенетрантни тестови су уобичајени у породицама.
• Дизајн: инжењери користе различите породице нерђајућег челика за специфичне потребе (аустенитности за формабилност и отпорност на корозију; ферити где никл мора бити минимизиран; дуплекс за високу чврстоћу и отпорност на хлорид).

7. Предности феритног нерђајућег челика

Феритни нерђајући челици су важна породица у породици нерђајућих челика.

То су легуре на бази гвожђа које карактерише кубичност усредсређена на тело (α-Фе) кристална структура на собној температури и релативно висок садржај хрома са мало или без никла.

Отпорност на корозију у оксидирајућим и благо агресивним срединама

• Феритици обично садрже ~12–30% хрома, који производи континуирани хром-оксид (Црдо₃) пасивни филм. То даје добра општа отпорност на корозију и оксидацију у ваздуху, многим атмосферским окружењима и неким благо агресивним процесним медијима.
• Они се посебно добро понашају тамо где хлоридно напрегнуто-корозивно пуцање (СЦЦ) је брига: феритне класе су далеко мање осетљив на СЦЦ изазван хлоридима од многих аустенитних разреда,
  чинећи их погодним за одређене петрохемијске и поморске примене где се ризик од СЦЦ мора свести на минимум.

Исплативост и економичност легуре

• Пошто феритне класе садрже мало или нимало никла, они су мање осетљива на волатилност цене никла и уопште нижи трошак него аустенитном (ни-беаринг) нерђајући челик за еквивалентну отпорност на корозију у многим окружењима.
  Ова предност у погледу трошкова је значајна за апликације велике количине или цене осетљиве.

Термичка стабилност и отпорност на карбуризацију/кртост на повишеној температури

• Феритни нерђајући челици одржавају стабилне феритне микроструктуре у широком температурном опсегу и су мање склони сензибилизацији (интергрануларно таложење хром карбида) него аустенитизам.
• Многи феритици имају добра отпорност на оксидацију при високим температурама а користе се у издувним системима, површине измењивача топлоте и друге примене на повишеним температурама.
  Одређене феритне класе (Нпр., 446, 430) су специфицирани за континуирани рад на повишеним температурама јер формирају издржљиве оксидне љуске.

Нижи коефицијент топлотног ширења (Цте)

• Типичне вредности ЦТЕ за феритне нерђајуће челике су ≈10–12 × 10⁻⁶ /°Ц, знатно ниже од уобичајених аустенитних класа (≈16–18 × 10⁻⁶ /°Ц).
• Мања термичка експанзија смањује термичку дисторзију и неусклађена напрезања када су ферити спојени са материјалима мале експанзије или се користе у високотемпературном цикличном раду (издувних система, компоненте пећи).

Боља топлотна проводљивост

• Феритни разреди генерално имају већа топлотна проводљивост (грубо 20–30 В/м·К) него аустенитних разреда (~15–20 В/м·К).
  Побољшани пренос топлоте је користан у цевима за размењивање топлоте, компоненте пећи и апликације где је пожељно брзо уклањање топлоте.

Магнетна својства и функционална корисност

• Феритни нерђајући челици су магнетна у жареном стању. Ово је предност када је потребан магнетни одговор (мотори, магнетна заштита, сензори) или када магнетна сепарација, инспекција и руковање су део процеса производње/монтаже.

Добра отпорност на хабање и стабилност површине

• Изложени су одређени феритни разреди добра отпорност на хабање и оксидацију и одржавају завршну обраду површине у оксидирајућим атмосферама на повишеној температури.
  То их чини погодним за Испушни разводници, компоненте димњака, и декоративни архитектонски елементи који доживљавају термални циклус.

Израда и могућност обликовања (практични аспекти)

• Многе феритне легуре нуде адекватну дуктилност и формабилност за рад на лимовима и тракама и може се формирати хладно без истог степена повратног опруге који је повезан са легурама веће чврстоће.
  Где је потребно дубоко извлачење или сложено обликовање, одговарајући избор разреда (нижи хром, оптимизоване темпераменте) даје добре резултате.
• Због њихове једноставне феритне микроструктуре, феритици не захтевају жарење раствором након заваривања да би се повратила отпорност на корозију на исти начин на који понекад раде аустенитици осетљиви на сензибилизацију - иако је контрола поступка заваривања и даље важна.

Ограничења и упозорења при избору

Уравнотежен инжењерски поглед мора да призна ограничења како се материјали не би погрешно применили:

• Мања жилавост на веома ниским температурама: ферити генерално имају лошију ударну жилавост на криогеним температурама од аустенита.
  Избегавајте ферити за критичне нискотемпературне конструкцијске примене осим ако нисте посебно квалификовани.
• Ограничења заварљивости: док је заваривање рутинско, раст зрна и крхкост може се појавити у феритима са високим садржајем Цр ако се не контролишу унос топлоте и хлађење након заваривања;
  неки феритици трпе крхко понашање у зони погођеној топлотом осим ако се не користе одговарајуће процедуре.
• Нижа способност обликовања за неке врсте са високим садржајем Цр: изузетно висок садржај хрома може смањити дуктилност и способност обликовања; избор разреда мора да одговара операцијама формирања.
• Није универзално бољи у погледу хлоридних удубљења: иако су феритици отпорни на СЦЦ, отпорност на питтинг/питтинг у агресивним срединама које садрже хлорид често је боље третирати са аустенитним или дуплексним разредима са вишим Мо;
  проценити еквивалентне бројеве отпорности на удубљење (Дрва) где је изложеност хлоридима значајна.

8. Поређење са обојеним алтернативама

Када инжењери разматрају материјале за апликације отпорне на корозију, нерђајући челик је водећи избор за гвожђе.

Међутим, обојених метала и легура (Алтер, Цу легуре, Од, Легуре на бази Ни, Мг, Зн) често се такмиче на тежини, проводљивост, специфична отпорност на корозију, или обрадивост.

9. Одрживост и рециклажа

• Рециклирање: нерђајући челици су међу инжењерским материјалима који се највише рециклирају; отпад се лако уграђује у нове талине са високим садржајем рециклираног материјала.
• Животни циклус: дуг радни век и ниско одржавање често чине нерђајући челик економичним, избор са малим утицајем током животног века компоненте упркос већим почетним трошковима у односу на обични угљенични челик.
• Кодекси животне средине и опоравак: производња нерђајућег челика све више користи електричне лучне пећи и рециклиране сировине за смањење енергетског интензитета и емисија.

10. Заблуде и појашњења

• „Нерђајући“ = „нерђајући заувек“. Под екстремним условима (хлоридно напрегнуто-корозивно пуцање, високотемпературна оксидација, напади киселином, Цревице Цорросион, итд.), нерђајући челици могу кородирати; они не постају обојени због тога што су нерђајући.
• Магнетна = гвоздена: немагнетизам у неким врстама нерђајућег челика их не чини обојеним. Дефинишући атрибут је хемија на бази гвожђа, не магнетни одговор.
• Легуре са високим садржајем никла у односу на нерђајуће: неке легуре на бази никла (Уносилац, Хастеллои) су обојени и користе се тамо где нерђајући нерђајући; они нису „нерђајући челици“ чак и ако су отпорни на корозију на сличан начин.

11. Закључак

Нерђајући челици су ферроус материјала по саставу и класификацији. Комбинују гвожђе као основни елемент са хромом и другим легирајућим елементима како би створили легуре које су отпорне на корозију у многим условима.

Кристална структура (аустенитски, феритне, мартензитна, дуплекс) одређује механичке и магнетне карактеристике, али не и фундаментална чињеница да су нерђајући челици на бази гвожђа.

Одабир материјала стога треба да третира нерђајући челик као члана породице гвожђа и да изабере одговарајућу породицу и квалитет нерђајућег челика који одговара окружењу услужног рада, захтеви за производњу и циљеви животног циклуса.

 

Често постављана питања

Да ли карактеристика „нерђајућег челика“ за нерђајући челик значи да није црни метал?

Својство „нерђајућег“ челика потиче од густог пасивног филма хром-оксида (Црдо₃) формира се на површини када је садржај хрома ≥10,5%; ово није повезано са садржајем гвожђа.

Без обзира на његово нерђајуће понашање, све док је гвожђе главни састојак, материјал је класификован као а ферроус метал.

Да ли нерђајући челик губи своју црну природу на високим температурама?

Класификација као црни метал одређена је хемијским саставом, не температура.

Чак и ако се фазне трансформације дешавају на високој температури (на пример, аустенитног степена који се трансформише у ферит на повишеној температури), основни елемент остаје гвожђе, па остаје црни метал.

Да ли магнетизам нерђајућег челика утиче на то да ли је гвоздени?

Магнетизам је повезан са кристалном структуром: феритни и мартензитни нерђајући челици су типично магнетни, док су жарени аустенитни нерђајући челици обично немагнетни.

Међутим, магнетизам је не критеријум да је гвожђе — садржај гвожђа је. Без обзира да ли је нерђајући слој магнетан или не, ако је гвожђе главни елемент то је црни метал.

Да ли је могућност рециклирања нерђајућег челика повезана са његовом природом гвожђа?

Да. Пошто је нерђајући челик на бази гвожђа, његов ток рециклаже је сличан другим црним металима.

Нерђајући отпад се лако поново топи; нерђајући челици имају веома високе стопе рециклаже и енергија рециклирања је типично мали део (реда величине 20–30%) енергије примарне производње.

Ово чини нерђајући челик вредним материјалом за одрживе и кружне економске примене.

Ако феритни нерђајући челици кородирају у неким срединама, да ли то значи да нису гвоздени?

Не. Перформансе корозије зависе од средине и састава; неке врсте нерђајућег челика могу кородирати у одређеним медијима, али то не мења њихов статус као црних метала.

На пример, феритни нерђајући челици могу показати слабију отпорност у јако редуцирајућим медијима, али се одлично понашају у оксидирајућим срединама.

Избор одговарајуће класе и површинске обраде оптимизује отпорност на корозију за предвиђену услугу.