Ruostumaton teräs: miksi kutsumme sitä ruostumattomaksi?

Nykyaikaiset ruostumattomat teräkset ja niiden käyttötarkoitukset

Se, mitä nyt kutsumme ruostumattomaksi teräkseksi, kuuluu neljään perheeseen, jotka viittaavat yleisesti niiden mikroskooppiseen kiderakenteeseen ja niiden vaihteleviin metallurgisiin faaseihin:

Austeniittiset teräkset: austeniittifaasin ruostumaton teräs koostuu nikkelistä ja molybdeenistä sen pääseosalkuaineina, ja sillä on pintakeskitetty kuutiokiderakenne. Nikkelin lisääminen lisää sen korroosionkestävyyttä ja sitkeyttä, kun taas molybdeeni parantaa korroosionkestävyyttä happamissa olosuhteissa. Austeniittisen ruostumattoman teräksen yleiset lajit ovat 304 ja 316.
Yleisiä käyttöjä: Tämän tyyppistä ruostumatonta terästä pidetään lämmönkestävänä ja sitä käytetään yleisesti lämmönvaihtimien, kattiloiden ja uunien valmistukseen. Muita austeniittisen ruostumattoman teräksen yleisiä käyttökohteita ovat ilmailukomponentit, elektroniikka, veturien osat ja kemikaalisäiliöt. 200-sarjan ruostumattomat teräkset kuuluvat myös austeniittiseen perheeseen, mutta niissä on lisäaineena mangaania.

 

Martensiittiset teräkset: Martensiittifaasin ruostumattoman teräksen perhe käyttää hiiltä ja kromia pääseosalkuaineinaan. Korkeammilla hiilipitoisuuksilla materiaalilla on vartalokeskeinen tetragonaalinen kiderakenne; pienemmät hiilipitoisuudet muodostavat kehokeskeisen kiderakenteen. Martensiittia muodostuu, kun austeniitti sammutetaan nopeasti huoneenlämpötilassa. Martensiittista ruostumatonta terästä tunnetaan yleisesti ruostumattoman teräksen 400-sarjana, kuten 410, 420 ja 440.
Yleisiä käyttöjä: Martensiittista ruostumatonta terästä käytetään yleisesti sovelluksissa, joissa halutaan kovuutta ja kestävyyttä, kuten ruokailuvälineissä, työkaluissa, turbiinien siivissä, kiinnikkeissä ja hammaspyörissä.

 

Ferriittiset teräkset: ferriittifaasinen ruostumaton teräs on ei-magneettinen ja sillä on runkokeskeinen kuutiokiderakenne. Sen tärkeimmät seosaineet ovat kromi, rauta (siis nimi ferriittinen) ja alhainen hiilipitoisuus. Ferriittinen ruostumaton teräs on siksi pehmeämpää, mutta sillä on myös parantunut sitkeys ja parantunut muovattavuus - mutta niitä ei voi lämpökäsitellä. Esimerkkejä ferriittisestä ruostumattomasta teräksestä ovat muut 400-sarjan lajit, kuten 409, 430 ja 446.
Yleisiä käyttöjä: ferriittiset ruostumattomat teräkset ovat yleinen valinta keittiövälineisiin, autojen komponentteihin ja teollisuuskoneisiin.

 

Duplex-teräkset: duplex ruostumaton teräs on austeniitin ja ferriittiteräksen seos.
Yleisiä käyttöjä: duplex-teräksiä käytetään usein öljy- ja kaasuteollisuudessa, paperi- ja kemianteollisuudessa.

Ruostumattoman teräksen alkuperä: Pohjatyöt 1800-luvulla

Ruostumattoman teräksen historia on täynnä skandaaleja, kuten tarina suosikkitieteilijöistäni Nikola Teslasta ja hänen kilpailijansa Thomas Edisonista. Kuten heidän sähköistävä tarinansa (sanapeli), ruostumaton teräs tuli useilta miehiltä, ​​jotka ottivat kunnian toisen miehen työstä. On kokonaisia ​​maita, jotka tähän päivään asti kiistelevät siitä, kuka on ruostumattoman teräksen "keksijä".

Vaikka jotkut väittävät, että sepät käyttivät ruostumatonta terästä muinaisessa Intiassa, Sri Lankassa, Arabian niemimaalla ja Kiinassa ennen teollista vallankumousta, näitä historiaa ei tallennettu hyvin. Tiedämme, että 1800-luvun alussa tutkijat useissa maissa havaitsivat ilmiön kromia ja rautaa sisältävillä metalliseoksilla – ne kykenivät vastustamaan happokorroosiota.

Ranskalaisen metallurgin Pierre Berthierin sanotaan olevan ensimmäinen, joka huomasi vuonna 1821, että korroosionkestävä teräslejeering voitiin valmistaa lisäämällä kromia rautaan. Vaikka metallurgit tekivät tämän johtopäätöksen, he eivät vielä tienneet, kuinka tärkeää on rajoittaa hiilipitoisuutta samoissa seoksissa rakeiden välisen korroosion ja haurauden aiheuttaman murtumisen estämiseksi. Mutta he pääsivät hyvään alkuun selvittämällä, kuinka kromi muutti metalliseoksen fysikaalisia ominaisuuksia.

Englannissa vuonna 1872 John Clark ja John Woods hakivat ensimmäisen virallisen patentin sille, mitä nyt katsomme ruostumattomaksi teräkseksi. He kutsuivat tuotettaan Water Resistant Alloyksi ja se oli huomattavan samanlainen kuin nykyaikaiset metalliseokset, mutta materiaalissa oli silti liikaa hiiltä.

Ensimmäinen, joka virallisesti tunnusti hiiliongelman, oli tutkija, joka tunnettiin yksinkertaisesti nimellä Brustlein vuonna 1875. Hänen paljastusnsa herätti useita vuosikymmeniä kestäneen tutkimuksen kehittääkseen optimaalisen metalliseoksen ja tuotantomenetelmän vähähiilisen teräksen kehittämiseen. Vaikka meillä on nykyaikaiset menetelmät metalliseosten valmistamiseksi, tiede oli tuolloin alkeellista. Kromipohjaisen vähähiilisen teräksen tuotannon suurin este oli löytää tapa erottaa kromi sen luonnollisesta hiilestä.
Noin kaksi vuosikymmentä Brustleinin vähähiilisen epifanian jälkeen Hans Goldschmidt kehitti vuonna 1895 aluminotermisen reaktioprosessin kromin tuottamiseksi/jalostamiseksi hiilettömäksi. Tämä oli käännekohta, joka mahdollisti modernin ruostumattoman teräksen kehittämisen. Kemiallinen reaktio, joka tunnetaan myös alumiinin pelkistysmenetelmänä kromimetallin tuottamiseksi, on esitetty alla.

Cr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Alumiinin pelkistysmenetelmä kromin valmistukseen

Se on prosessi, jossa kromioksidia (ja sen mukana luonnossa esiintyviä epäpuhtauksia, kuten piitä, rikkiä tai hiiltä) ja alumiinia lisätään terässäiliöön, joka on vuorattu joko orgaanisella sideaineella, alumiinioksidilla tai magnesiumoksidilla, ja kuumennetaan. Seos sytytetään bariumperoksidilla eksotermisen reaktion aikaansaamiseksi, mikä tarkoittaa, että energiaa (lämpöä) vapautuu nettomääräisesti, kun kromi ja siitä muodostuva kuona tuotetaan.

Nykyään tätä prosessia käytetään edelleen sekä "puhtaan" kromin että alumiinioksidin tuottamiseen erilaisiin jälkikäsittelysovelluksiin. Kemiallisen reaktion ainesosien pitoisuuksia voidaan muuttaa siten, että tuloksena olevien metallien puhtausaste vaihtelee.

Ruostumattoman teräksen kehitys 1900-luvulla

1900-luvun alku toi useita tärkeitä löytöjä ruostumattoman teräksen metalliseosperheen kehityksessä:

– Vuonna 1904 Leon Guilet löysi useita 400-sarjan, rauta-kromi-ruostumattoman teräksen seoksia ja tutki 300-sarjan rauta-nikkeli-kromi-seoksia - vaikka hän ei tajunnut metallien olevan korroosionkestäviä.

– P. Monnartz ja W. Brochure havaitsivat, että kromin lisääminen metalliseokseen lisäsi sen korroosionkestävyyttä ja määritti kromin vähimmäispitoisuudeksi 10,5 %. He myös työskentelivät yksityiskohtaisesti ja tutkiessaan molybdeenin lisäämisen aiheuttamaa lisääntynyttä korroosionkestävyyttä.

Miksi kutsumme sitä ruostumattomaksi teräkseksi

Seuraava suuri edistysaskel tapahtui vuonna 1913, kun Harry Brearleyn sanotaan virallisesti löytäneen ruostumattoman teräksen yrittäessään luoda eroosiota kestävää terästä. Nyt Harry Brearly on luultavasti oikea vastaus triviakysymykseen siitä, kuka keksi ruostumattoman teräksen, mutta totuus ei ole niin suoraviivainen. Hän kokeili kromin lisäämistä teräkseen, mutta hänen tarinansa loput ovat myyttejä.

Jotkut sanovat, että Brearly heitti kokeellisen metalliseoksensa roskakoriin, mutta veti sen myöhemmin ulos ja huomasi, että teräs ei tahrannut tai ruostunut. Toiset väittävät, että hänen oli syövytettävä näytteensä typpihapolla tutkiakseen sitä mikroskooppisesti, mutta hän havaitsi, että metalli ei ruostunut altistuessaan typpi- ja muille hapoille tai pelkistysaineille. Harry näki seoksensa mahdollisuudet käyttää veitsen teriin, mutta työnantajat eivät tukeneet häntä, eikä se pystynyt saamaan seosta kestämään ruostumista tai tahroja pitkiä aikoja.

Joten askel askeleelta hänen ystävänsä Ernest Stuart, joka havaitsi, että veitsen terien kovettaminen paransi niiden ruosteen- ja tahrankestävyyttä. Brearly halusi kutsua materiaalia ruostumattomaksi teräkseksi, mutta Stuart nimesi sen ruostumattomaksi teräkseksi, koska se vastusti värjäytymistä etikkaliuokselle altistumisen jälkeen.

Vaikka Brearly väittää löytäneensä ruostumattoman teräksen, muiden kerrotaan löytäneen sen ennen häntä, mukaan lukien:

Vuonna 1908 Kupp Iron Works kehitti kromi-nikkeli-seoksen merikäyttöön.

Vuonna 1911 Elwood Haynes loi korroosionkestävän teräksen korvaamaan ruosteiset partakoneen teränsä.

1911-1914:sta Becket ja Dantsizen loivat muutamia ferriittisiä terässeoksia.

Vuonna 1912 Max Mauermann väitti luoneensa ruostumatonta terästä, mutta hän todennäköisesti loi vain käyttökelpoisen ruostumattoman teräksen tuotantomenetelmän. Hän haki patentin prosessille, mutta se kiisteltiin tuolloin, ja hänet tunnustettiin ruostumattoman teräksen keksijäksi vasta kuolemansa jälkeen.

Ruostumattoman teräksen rikas historia ja materiaalien eri laatujen kehitys on monien tiedemiesten, tutkijoiden, metallurgien ja insinöörien ponnistelujen ansiota. Viimeisen vuosisadan aikana ruostumattoman teräksen tyypit, tuotantomenetelmät ja kierrätysmenetelmät ovat kaikki parantuneet. Voimme nyt täysin hyödyntää ja monopolisoida ruostumattoman teräksen hapettumisen luonnonilmiöt.

Ruostumaton teräs on uskomattoman monipuolinen ja vankka metalli soveltuva monimutkaisimpiinkin projekteihinsa kiistanalaisesta alusta erittäin hienostuneeseen ja metallurgisesti mielenkiintoiseen nykyhetkeen.