Nehrđajući čelik
U metalurgiji, nehrđajući čelik, poznat kao inox, rostfraj ili prohrom, čelična je legura s najmanje 10,5% masenog sadržaja hroma.[1]
Nehrđajući čelik je poznat po otpornosti na hrđanje, te se između ostalog koristi za pribor za hranu.
Nehrđajući čelik ne korodira odmah, ne hrđa niti se mrlja vodom kao ostali čelici. Ipak, nije potpuno otporan na mrlje u nisko-oksidiranim, visoko-slanim, niti u okolinama sa slabom cirkulacijom zraka.[2]
Za smanjenje mrljanja, podloga nehrđajućeg čelika mora se držati čistom tokom procesa starenja kada kisik reaguje s podlogom pri formiranju zaštitnog sloja hrom-oksida. Jednom kada se desi ovaj proces, površina postaje dosta otpornija na mrlje.[3]
Postoje različiti stepeni i završne obrade površine nehrđajućeg čelika koji odgovaraju okolini koju legura mora podnijeti. Nehrđajući čelik se koristi gdje su potrebni mehanička svojstva čelika i otpornost na koroziju.
Nehrđajući čelik se razlikuje od ugljičnog čelika po sadržaju hroma. Nezaštićeni ugljični čelik hrđa odmah pod uticajem zraka i vlage. Ovaj film od željeznog oksida (hrđa) aktivan je i ubrzava koroziju što čini lakšim da se kreira još željeznog oksida. Pošto željezni oksid ima nižu gustoću od čelika, sloj se širi i teži da se ljušti i otpada. Uporedo, nehrđajući čelici sadrže dovoljno hroma da bi se podvrgli pasivizaciji, praveći inertan sloj hrom-oksida na površini. Ovaj sloj sprječava dalju koroziju blokiranjem difuzije kisika na površinu čelika i zaustavlja širenje korozije unutar glavnine metala.[4] Pasivizacija se dešava samo kada je omjer hroma dovoljno visok i kada je u njemu prisutan kisik.
Otpornost nehrđajućeg čelika na koroziju i mrlje, lahko održavanje i familijaran sjaj čine ga idelanim materijalom za višestruke namjene. Legura se topi u namotaje, ploče, listove, trake, žice i cijevi da bi se potom koristila u kuhinji, escajgu, domaćinstvu, za instrumente u medicini, u velikim aparatima, u industrijskoj opremi (naprimjer, u rafinerijama šećera) te kao automobilska i zračna konstrukcijska legura i konstrukcijski materijal za velike zgrade. Rezervoari za skladištenje i tankeri koji se koriste za transport soka i ostale hrane obično su napravljeni od nehrđajućeg čelika, zbog otpornosti na koroziju. Ovo također utječe na upotrebu u komercijalnim kuhinjama i pogonima za procesiranje hrane, jer se inox može parno očistiti i sterilizirati te ne zahtijeva bojenje (farbanje) niti ostale obrade površine.
Etimologija
Riječ "inox" dolazi od francuske riječi inoxydable, što znači neoksidirajući. Koristi se i naziv "rostfraj", od njemačke riječi Rostfrei, što znači "otporan na hrđanje". Naziv "prohrom" dolazi zbog visokog udjela hroma u ovom čeliku.
Osobine
Oksidacija
Visoka otpornost na oksidaciju u zraku pri temperaturi ambijenta normalno se postiže sa dodatkom od najmanje 13% (po težini) hroma, te do 26% u grubim sredinama.[5] Hrom formira sloj pasivizacije od hrom(III) oksida (Cr2O3) kada se izloži kisiku. Sloj je pretanak da bi se vidio, dok metal ostaje gladak i sjajan. Sloj je otporan na vodu i zrak, štiteći metal ispod, te se ovaj sloj brzo reformira ako je površina ogrebana. Ova pojava se naziva pasivizacicja te je prisutna i kod ostalih metala, kao što su aluminij i titanij. Na otpornost na koroziju može se negativno utjecati ako se komponenta koristi u neoksigeniziranoj sredini, tipični primjer su podvodni vijci kobilice zakopani u drvo.
Kada se dijelovi nehrđajućeg čelika, kao što su zavrtke i vijci, forsiraju zajedno, sloj oksida se može sastrugati, omogućavajući da se dva dijela zavare zajedno. Kada se nasilno odvoje, zavareni materijal može biti rastrgan i poderan, destruktivan učinak poznat kao habanje. Habanje se može izbjeći korištenjem različitih materijala za dijelove koji se spajaju, naprimjer bronza i nehrđajući čelik, ili čak različite tipove nehrđajućih čelika (martenzitni nasuprot austenitnog). Ipak, dvije različite legure električno spojene u vlažnoj, čak blago kiseloj okolini može se ponašati kao voltin stup i korodira brže. Legure s azotom, napravljene selektivnim legiranjem s manganom i azotom, mogu imati smanjenu težnju za habanjem. Dodatno, navojne veze mogu biti podmazane da omoguće film između dva dijela i spriječe habanje. Niskotemperaturno karburiziranje je sljedeća opcija koja virtuelno eliminira habanje i dopušta korištenje sličnih materijala bez rizika od korozije i potrebe za podmazivanjem.
Kiseline
Nehrđajući čelik je općenito visokootporan na nagrizanja kiselina, ali ovaj kvalitet zavisi od vrste i koncentracije kiseline, temperature okoline i vrste čelika. Tip 904 je otporan na sumpornu kiselinu na sobnoj temperaturi, čak i u velikim koncentracijama; tipovi 316 i 317 su otporni ispod 10%; i tip 304 ne treba koristiti u prisustvu sumporne kiseline pri bilo kojoj koncentraciji. Sve vrste nehrđajućih čelika otporni su na fosfornu kiselinu, tipovi 316 i 317 više nego 304; tipovi 304L i 430 su bili uspješno korišteni sa nitratnu kiselinu. Hlorovodična kiselina će oštetiti bilo koji nehrđajući čelik, te se treba izbjegavati.[6]
Baze
Serije 300 nehrđajućih čelika nisu pod uticajem bilo koje slabe baze poput amonij-hidroksida, čak i u velikim koncentracijama i visokim temperaturama. Isti razredi nehrđajućeg čelika izloženi jačim bazama poput natrij-hidroksida pri velikim koncentracijama i visokim temperaturama će najvjerovatnije iskusiti pucanje, naročito sa rastvorima koji sadrže hloride poput natrij-hipohlorita.[6]
Organski spojevi
Tipovi 316 i 317 su korisni za skladištenje i upravljanje sirćetnom kiselinom, posebno u rastvorima gdje je kombinirana sa mravljom kiselinom i kada provjetravanje nije prisutno (kisik pomaže zaštititi nehrđajući čelik pod takvim uvjetima), mada 317 daje najveći nivo otpornosti na koroziju. Tip 304 je također često korišten sa mravljom kiselinom mada teži da da obezboji rastvor. Svi razredi imaju otpornost na štetu od aldehida i amina, mada u drugom slučaju razred 316 je bolji od 304; celulozni acetat će oštetiti 304 osim ako se temperatura ne drži niskom. Masti i masne kiseline utječu samo na razred 304 pri temperaturama ispod 150 °C, a razred 316 iznad 260 °C, dok 317 nije pod utjecajem pri bilo kojim temperaturama. Tip 316L je potreban za procesiranje uree.[6]
Elektromagnezitam
Kao i čelik, nehrđajući čelik je relativno loš provodnik elektriciteta, sa značajno nižom električnom provodnosti od bakra. Ostali metali u kontaktu s nehrđajućim čelikom, posebno u vlažnom i kiselom okruženju, mogu trpiti elektrohemijsku koroziju čak i kada je nehrđajući metal van uticaja.
Feritni i martenzitni nehrđajući čelici su magnetični. Prekaljeni austenitni nehrđajući čelici su nemagnetični. Izvlačenje može učiniti austenitni nehrđajući čelik blago magnetičnim.
Historija
Otpornost na koroziju željezo-hrom legura prvi put je prepoznao 1821. godine francuski metalurg Pierre Berthier, koji je zapazio njihovu otpornost protiv napada nekih kiselina te je sugerisao njihovu upotrebu u priboru za jelo. Metalurzi 19. vijeka nisu mogli proizvesti kombinaciju niskog ugljika i visokog hroma koji se mogu naći u većini savremenih nehrđajućih čelika, te su legure sa visokim sadržajem hroma koje su oni proizvodili bile prekrhke da bi bile praktične.
Godine 1872, Englezi Clark i Woods patentirali su leguru koja se danas naziva nehrđajućim čelikom.[8]
Kasnih 1890tih, Hans Goldschmidt iz Njemačke razvio je aluminotermički (termit) proces za proizvodnju hroma bez ugljika. Između 1904. i 1911. godine, nekoliko istražilaca, posebno Leon Guillet iz Francuske, pripremili su legure koje bi se danas smatrale nehrđajućim čelikom.[9]
Friedrich Krupp Germaniawerft je napravio jedrilicu Germania od 366 tona sa čeličnim hrom-nikl trupom u Njemačkoj 1908. godine.[10] Godine 1911, Philip Monnartz je objasnio vezu između sadržaja hroma i otpornosti na koroziju. Na 17. oktobar 1912, inženjeri kompanije Krupp, Benno Strauss i Eduard Maurer su patentirali austenitni nehrđajući čelik kao Outokumpu Nirosta.[11][12][13]
Jednaki razvoji su se dešavali istovremeno u Sjedinjenim Državama, gdje su Christian Dantsizen i Frederick Becket industijalizirali feritni nehrđajući čelik. Godine 1912, Elwood Haynes je aplicirao za US patent za martenzitni nehrđajući čelik, koji nije bio odobren sve do 1919. godine.[14]
Godine 1912, Harry Brearley iz Brown-Firth istražne laboratorije u Sheffieldu, Engleska, tokom istraživanja legure otporne na koroziju za puške, otkrio je i naknadno industrijalizirao martenzitnu čeličnu nehrđajuću leguru. Otkriće je objavljeno dvije godine kasnije u novinskom članku The New York Timesa u januaru 1915. godine.[7] Metal je kasnije reklamiran pod brendom "Staybrite" od strane Firth Vickers u Engleskoj i korišten je za novu ulaznu nadstrešnicu za Savoy Hotel u Londonu 1929. godine.[15] Brearley je aplicirao za US patent tokom 1915. godine da bi saznao da je Haynes već registrirao patent. Brearley i Haynes su objedinili svoje finansije i sa grupom investitora formirali American Stainless Steel Corporation, sa sjedištem u Pittsburghu, Pennsylvania.[16]
U početku, nehrđajući čelik je bio prodavan u SAD pod različitim brendiranim imenima poput "Allegheny metal" i "Nirosta čelik". Čak je i u metalurškoj industriji eventualno ime ostalo neustaljeno; godine 1921. jedan trgovački časopis ga je nazvao "unstainable steel".[17] Godine 1929, prije Velike depresije, preko 25.000 tona nehrđajućeg čelika napravljeno je i prodato u SAD.[18]
Vrste nehrđajućeg čelika
Uporedba standardiziranih čelika
| EN standard Broj čelika poDIN-u | EN standard Naziv čelika | ASTM/AISI Tip čelika | UNS |
|---|---|---|---|
| 440A | S44002 | ||
| 1.4112 | 440B | S44004 | |
| 1.4125 | 440C | S44003 | |
| 440F | S44020 | ||
| 1.4016 | X6Cr17 | 430 | S43000 |
| 1.4512 | X6CrTi12 | 409 | S40900 |
| 1.4310 | X10CrNi18-8 | 301 | S30100 |
| 1.4318 | X2CrNiN18-7 | 301LN | N/A |
| 1.4307 | X2CrNi18-9 | 304L | S30403 |
| 1.4306 | X2CrNi19-11 | 304L | S30403 |
| 1.4311 | X2CrNiN18-10 | 304LN | S30453 |
| 1.4301 | X5CrNi18-10 | 304 | S30400 |
| 1.4948 | X6CrNi18-11 | 304H | S30409 |
| 1.4303 | X5CrNi18 12 | 305 | S30500 |
| 1.4541 | X6CrNiTi18-10 | 321 | S32100 |
| 1.4878 | X12CrNiTi18-9 | 321H | S32109 |
| 1.4404 | X2CrNiMo17-12-2 | 316L | S31603 |
| 1.4401 | X5CrNiMo17-12-2 | 316 | S31600 |
| 1.4406 | X2CrNiMoN17-12-2 | 316LN | S31653 |
| 1.4432 | X2CrNiMo17-12-3 | 316L | S31603 |
| 1.4435 | X2CrNiMo18-14-3 | 316L | S31603 |
| 1.4436 | X3CrNiMo17-13-3 | 316 | S31600 |
| 1.4571 | X6CrNiMoTi17-12-2 | 316Ti | S31635 |
| 1.4429 | X2CrNiMoN17-13-3 | 316LN | S31653 |
| 1.4438 | X2CrNiMo18-15-4 | 317L | S31703 |
| 1.4539 | X1NiCrMoCu25-20-5 | 904L | N08904 |
| 1.4547 | X1CrNiMoCuN20-18-7 | N/A | S31254 |
Također pogledajte
- Harry Brearley, izumitelj nehrđajućeg čelika
- Budd Company, historijski važan korisnik nehrđajućeg čelika
- Arhitektonski čelik
- 154CM
Reference
Vanjski linkovi
- Glossary of Stainless Steel Related Terms by Specialty Steel Supply
- Articles About Stainless Steel by International Stainless Steel Forum
- What is stainless steel Arhivirano 14. 8. 2007. na Wayback Machine by BSSA
- Euro Inox (multilingual portal)
- Comprehensive Information About Stainless Steel by The Stainless Steel Information Center
- Technical Library on Stainless Steel Arhivirano 11. 12. 2008. na Wayback Machine by BSSA
- Comprehensive Information About Metallurgy of Stainless Steel by Cambridge University
- Life Cycle Costing of Stainless Steel