Nerezová oceľ: Prečo ju nazývame nehrdzavejúca?

Moderné nehrdzavejúce ocele a ich použitie

To, čo teraz nazývame nehrdzavejúca oceľ, prichádza do štyroch skupín, ktoré sa vo všeobecnosti odvolávajú na ich mikroskopickú kryštalickú štruktúru a ich rôzne metalurgické fázy:

Austenitické ocele: nehrdzavejúca oceľ s austenitovou fázou sa skladá z niklu a molybdénu ako hlavných legujúcich prvkov a má plošne centrovanú kubickú kryštálovú štruktúru. Pridanie niklu zvyšuje jeho odolnosť proti korózii a ťažnosť, zatiaľ čo molybdén zlepšuje odolnosť proti korózii v kyslých podmienkach. Bežné triedy austenitickej nehrdzavejúcej ocele sú 304 a 316.
Bežné použitie: tento typ nehrdzavejúcej ocele sa považuje za tepelne odolný a bežne sa používa na výrobu výmenníkov tepla, kotlov a pecí. Ďalšími bežnými aplikáciami austenitickej nehrdzavejúcej ocele sú letecké komponenty, elektronika, časti lokomotív a chemické nádrže. Nerezové ocele série 200 sú tiež v austenitickej rodine, ale majú mangán ako ďalší legovací prvok.

 

Martenzitické ocele: rodina nehrdzavejúcej ocele s martenzitovou fázou používa uhlík a chróm ako hlavné legujúce prvky. Pri vyšších koncentráciách uhlíka má materiál tetragonálnu kryštálovú štruktúru so stredom tela; nižšie koncentrácie uhlíka tvoria kryštálovú štruktúru zameranú na telo. Martenzit sa tvorí, keď sa austenit rýchlo ochladzuje pri izbovej teplote. Martenzitická nehrdzavejúca oceľ je bežne známa ako nehrdzavejúca oceľ radu 400, ako sú triedy 410, 420 a 440.
Bežné použitie: Martenzitická nehrdzavejúca oceľ sa bežne používa v aplikáciách, kde sa vyžaduje tvrdosť a odolnosť, ako sú príbory, nástroje, lopatky turbín, spojovacie prvky a ozubené kolesá.

 

Feritické ocele: Nerezová oceľ s feritovou fázou je nemagnetická a má kubickú kryštálovú štruktúru so stredom tela. Jeho hlavnými legovacími zložkami sú chróm, železo (odtiaľ názov feritické) a nízka koncentrácia uhlíka. Feritická nehrdzavejúca oceľ je preto mäkšia, ale má tiež zvýšenú ťažnosť a lepšiu tvarovateľnosť – nemožno ich však tepelne upravovať. Príkladmi feritickej nehrdzavejúcej ocele sú ďalšie triedy 400, ako napríklad 409, 430 a 446.
Bežné použitie: Feritické nehrdzavejúce ocele sú bežnou voľbou pre kuchynský riad, automobilové komponenty a priemyselné stroje.

 

Duplexné ocele: duplexná nehrdzavejúca oceľ je zmesou austenitovej a feritovej ocele.
Bežné použitie: duplexné ocele sa často používajú v ropnom a plynárenskom, papierenskom a chemickom priemysle.

Pôvod nehrdzavejúcej ocele: Základy v 19. storočí

História nehrdzavejúcej ocele je plná škandálov, podobne ako príbeh môjho obľúbeného vedca Nikolu Teslu a jeho rivala Thomasa Edisona. Rovnako ako ich elektrizujúci príbeh (zamýšľaná slovná hračka), nehrdzavejúca oceľ pochádza od niekoľkých mužov, ktorí si pripisujú zásluhy za prácu iného muža. Existujú celé krajiny, ktoré sa dodnes sporia o to, kto je „vynálezcom“ nehrdzavejúcej ocele.

Zatiaľ čo niektorí tvrdia, že nehrdzavejúcu oceľ používali kováči v starovekej Indii, na Srí Lanke, na Arabskom polostrove a v Číne pred priemyselnou revolúciou, tieto histórie neboli dobre zaznamenané. Čo vieme, je, že na začiatku 19. storočia vedci v niekoľkých krajinách pozorovali jav pri kovových zliatinách obsahujúcich chróm a železo – boli schopné odolávať korózii kyselinou.

Francúzsky metalurg Pierre Berthier je považovaný za prvého, ktorý v roku 1821 uznal, že zliatina ocele odolná voči korózii sa dá vyrobiť pridaním chrómu do železa. Zatiaľ čo metalurgovia dospeli k tomuto záveru, ešte nevedeli, aké dôležité je obmedziť obsah uhlíka v tých istých zliatinách, aby sa zabránilo medzikryštalickej korózii a lámaniu v dôsledku krehkosti. Začali však dobre tým, že zistili, ako chróm zmenil fyzikálne vlastnosti kovovej zliatiny.

V Anglicku v roku 1872 podali John Clark a John Woods prvý oficiálny patent na to, čo dnes považujeme za nehrdzavejúcu oceľ. Svoj produkt nazvali Water Resistant Alloy a bol nápadne podobný moderným zliatinám, no materiál mal stále príliš veľa uhlíka.

Prvý, kto oficiálne uznal problém uhlíka, bol výskumník jednoducho známy ako Brustlein v roku 1875. Jeho odhalenie podnietilo niekoľko desaťročí výskumu s cieľom vyvinúť optimálnu zmes kovov a výrobnú metódu na vývoj nízkouhlíkovej ocele. Zatiaľ čo dnes máme moderné postupy na vytváranie kovových zliatin, vtedajšia veda bola základná. Nájsť spôsob, ako oddeliť chróm od uhlíka, s ktorým sa prirodzene našiel, bolo hlavnou prekážkou pri výrobe nízkouhlíkovej ocele na báze chrómu.
Asi dve desaťročia po Brustleinovom objave s nízkym obsahom uhlíka v roku 1895 Hans Goldschmidt vyvinul aluminotermický reakčný proces na výrobu/rafináciu chrómu tak, aby bol bez uhlíka. To bol zlom, ktorý umožnil vývoj modernej nehrdzavejúcej ocele. Chemická reakcia pre to, čo je tiež známa ako metóda redukcie hliníka na výrobu kovového chrómu, je uvedená nižšie.

Cr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Metóda redukcie hliníka na výrobu chrómu

Je to proces, pri ktorom sa oxid chrómu (a všetky nečistoty, ktoré sa v ňom prirodzene vyskytujú, ako je kremík, síra alebo uhlík) a hliník pridávajú do oceľovej nádoby vystlanej buď organickým spojivom, oxidom hlinitým alebo oxidom horečnatým a teplom. Zmes sa zapáli peroxidom bárnatého, aby sa vytvorila exotermická reakcia - čo znamená, že pri výrobe chrómu a výslednej trosky dochádza k čistému uvoľneniu energie (tepla).

Dnes sa tento proces stále používa na výrobu „čistého“ oxidu chrómu a oxidu hlinitého pre rôzne aplikácie následného spracovania. Koncentrácie zložiek pre chemickú reakciu možno modifikovať tak, aby sa dosiahli rôzne úrovne čistoty výsledných kovov.

Pokroky v oblasti nehrdzavejúcej ocele v roku 1900

Začiatok 20. storočia priniesol niekoľko dôležitých objavov v rozvoji rodiny zliatin nehrdzavejúcej ocele:

– V roku 1904 Leon Guilet objavil niekoľko zliatin železa a chrómu z nehrdzavejúcej ocele série 400 a preskúmal sériu 300, zliatiny železa, niklu a chrómu – hoci si neuvedomil, že kovy sú odolné voči korózii.

– P. Monnartz a W. Brochure zistili, že pridanie chrómu do kovovej zliatiny zvýšilo jej odolnosť proti korózii a kvantifikovali minimálnu koncentráciu chrómu ako 10,5 %. Pracovali tiež na detailoch a výskume zvýšenej odolnosti proti korózii, ktorá prichádza s pridaním molybdénu.

Prečo to nazývame nehrdzavejúca oceľ

Ďalší významný pokrok nastal v roku 1913, keď sa o Harrym Brearleym hovorí, že oficiálne objavil nehrdzavejúcu oceľ v snahe vytvoriť oceľ odolnú proti erózii. Harry Brearly je pravdepodobne správnou odpoveďou na triviálnu otázku o tom, kto vynašiel nehrdzavejúcu oceľ, ale pravda nie je taká jednoduchá. Experimentoval s pridávaním chrómu do ocele, ale zvyšok jeho príbehu je opradený mýtmi.

Niektorí hovoria, že Brearly hodil svoju experimentálnu kovovú zliatinu do koša, len aby ju neskôr vytiahol a uvedomil si, že oceľ sa nezafarbila ani nezhrdzavela. Iní tvrdia, že musel svoju vzorku vyleptať kyselinou dusičnou, aby ju mikroskopicky preskúmal, ale zistil, že kov nehrdzavel, keď bol vystavený pôsobeniu dusičnej a iných kyselín alebo redukčných činidiel. Harry videl potenciál jeho zliatiny na použitie na čepele nožov, no jeho zamestnávatelia ho nepodporovali a nedokázal dosiahnuť, aby zliatina odolala hrdzaveniu alebo škvrnám po dlhú dobu.

Postupne tak jeho priateľ Ernest Stuart zistil, že kalenie čepelí nožov zlepšilo ich odolnosť voči hrdzi a škvrnám. Brearly chcel nazvať materiál „Nehrdzavejúca oceľ“, ale Stuart ho pomenoval „Nerezová oceľ“ kvôli jeho schopnosti odolávať zafarbeniu po vystavení octovému roztoku.

Aj keď Brearly tvrdí, že objavil nehrdzavejúcu oceľ, iní sú propagovaní, že ju objavili pred ním, vrátane:

V roku 1908 spoločnosť Kupp Iron Works vyvinula chrómniklovú zliatinu pre námornú aplikáciu.

V roku 1911 Elwood Haynes vytvoril oceľ odolnú voči korózii, ktorá nahradila jeho hrdzavé žiletky.

Z 1911-1914 vytvorili Becket a Dantsizen niekoľko zliatin feritickej ocele.

V roku 1912 Max Mauermann tvrdil, že vytvoril nehrdzavejúcu oceľ, ale pravdepodobne vytvoril iba životaschopnú metódu výroby nehrdzavejúcej ocele. Podal patent na tento proces, ale v tom čase bol sporný a ako vynálezca nehrdzavejúcej ocele bol uznaný až po jeho smrti.

Za bohatú históriu nehrdzavejúcej ocele a vývoj rôznych druhov materiálu vďačí úsiliu mnohých vedcov, výskumníkov, metalurgov a inžinierov. Za posledné storočie sa zlepšili druhy nehrdzavejúcej ocele, výrobné metódy a metódy recyklácie. Teraz môžeme plne využiť a monopolizovať prirodzené javy oxidácie nehrdzavejúcej ocele.

Od svojich kontroverzných začiatkov až po vysoko sofistikovanú a metalurgicky zaujímavú súčasnosť je nehrdzavejúca oceľ neuveriteľne všestranný a robustný kov vhodný aj pre vaše najzložitejšie projekty.