Nerđajući čelik: zašto ga zovemo nerđajućim?

Moderni nehrđajući čelici i njihova upotreba

Ono što sada nazivamo nehrđajući čelik dolazi u četiri porodice koje se široko odnose na njihovu mikroskopsku kristalnu strukturu i njihove različite metalurške faze:

Austenitni čelici: nerđajući čelik sa austenitnom fazom se sastoji od nikla i molibdena kao njegovih glavnih legirajućih elemenata i ima kubičnu kristalnu strukturu usmerenu na lice. Dodatak nikla povećava njegovu otpornost na koroziju i duktilnost, dok molibden poboljšava otpornost na koroziju u kiselim uvjetima. Uobičajene klase austenitnog nerđajućeg čelika su 304 i 316.
Uobičajene upotrebe: ovaj tip nehrđajućeg čelika se smatra otpornim na toplinu i obično se koristi za proizvodnju izmjenjivača topline, kotlova i peći. Druge uobičajene primjene austenitnog nehrđajućeg čelika su zrakoplovne komponente, elektronika, dijelovi lokomotiva i kemijski spremnici. Nerđajući čelici serije 200 su takođe u austenitnoj porodici, ali imaju mangan kao dodatni legirajući element.

 

Martenzitni čelici: familija nerđajućeg čelika martenzitne faze koristi ugljenik i hrom kao svoje glavne legirne elemente. Pri višim koncentracijama ugljika, materijal ima tetragonalnu kristalnu strukturu usmjerenu na tijelo; niže koncentracije ugljika formiraju kristalnu strukturu usmjerenu na tijelo. Martenzit nastaje kada se austenit brzo ugasi na sobnoj temperaturi. Martenzitni nehrđajući čelik je uobičajeno poznat kao 400 serija nehrđajućeg čelika, kao što su razredi 410, 420 i 440.
Uobičajene upotrebe: martenzitni nehrđajući čelik se obično koristi u aplikacijama gdje se želi tvrdoća i izdržljivost, kao što su pribor za jelo, alati, lopatice turbine, pričvršćivači i zupčanici.

 

Feritni čelici: nerđajući čelik sa feritnom fazom je nemagnetičan i ima kubičnu kristalnu strukturu usredsređenu na telo. Njegovi glavni legirajući sastojci su hrom, željezo (otuda naziv feritni) i niska koncentracija ugljika. Feritni nehrđajući čelik je stoga mekši, ali također ima povećanu duktilnost i poboljšanu sposobnost oblikovanja - ali ne može se termički obrađivati. Primjeri feritnog nehrđajućeg čelika su druge klase 400 serije, kao što su 409, 430 i 446.
Uobičajene upotrebe: feritni nerđajući čelici su uobičajeni izbor za kuhinjsko posuđe, automobilske komponente i industrijske mašine.

 

Dupleks čelici: duplex nerđajući čelik je mešavina austenitnog i feritnog čelika.
Uobičajene upotrebe: dupleks čelici se često koriste u naftnoj i plinskoj, papirnoj i kemijskoj industriji.

Poreklo nerđajućeg čelika: osnova u 1800-im

Istorija nerđajućeg čelika prožeta je skandalima, slično priči mog omiljenog naučnika Nikole Tesle i njegovog rivala Tomasa Edisona. Kao i njihova naelektrizirana priča (smišljena igra riječi), nehrđajući čelik je došao od nekoliko ljudi koji su zaslužni za rad drugog čovjeka. Postoje čitave zemlje koje se do danas spore ko je "pronalazač" nerđajućeg čelika.

Dok neki tvrde da su nehrđajući čelik koristili kovači u staroj Indiji, Šri Lanki, arapskom poluostrvu i Kini prije industrijske revolucije, te historije nisu dobro zabilježene. Ono što znamo je da su početkom 1800-ih naučnici u nekoliko zemalja uočili fenomen sa metalnim legurama koje sadrže hrom i gvožđe – one su bile u stanju da se odupru kiseloj koroziji.

Francuski metalurg, Pierre Berthier, smatra se prvim koji je 1821. godine prepoznao da se čelična legura otporna na koroziju može napraviti dodavanjem hroma u željezo. Iako su metalurzi izvukli ovaj zaključak, oni još nisu znali koliko je važno ograničiti sadržaj ugljika u tim istim legurama kako bi se spriječila intergranularna korozija i lomljenje uslijed krhkosti. Ali, dobro su započeli istražujući kako hrom mijenja fizička svojstva metalne legure.

U Engleskoj su 1872. godine John Clark i John Woods prijavili prvi službeni patent za ono što danas smatramo nehrđajućim čelikom. Nazvali su svoj proizvod vodootpornom legurom i bio je izuzetno sličan modernim legurama, ali je materijal i dalje imao previše ugljika.

Prvi koji je službeno prepoznao problem ugljika bio je istraživač jednostavno poznat kao Brustlein 1875. Njegovo otkriće pokrenulo je nekoliko decenija istraživanja kako bi se razvila optimalna mješavina metala i proizvodne metode za razvoj čelika s niskim udjelom ugljika. Dok danas imamo moderne procese za stvaranje metalnih legura, nauka je tada bila rudimentarna. Pronalaženje načina da se hrom odvoji od ugljika s kojim je prirodno pronađen bila je glavna prepreka proizvodnji čelika s niskim udjelom ugljika na bazi kroma.
Otprilike dvije decenije nakon Brustleinove niskougljične epifanije, 1895. Hans Goldschmidt je razvio proces aluminotermne reakcije za proizvodnju/rafinaciju hroma kako bi bio bez ugljika. Ovo je bila prekretnica koja je omogućila razvoj modernog nerđajućeg čelika. Hemijska reakcija za ono što je također poznato kao metoda redukcije aluminija za proizvodnju metalnog hroma prikazana je u nastavku.

Cr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Metoda redukcije aluminijuma za proizvodnju hroma

To je proces u kojem se krom oksid (i sve nečistoće koje se prirodno nalaze uz njega poput silicija, sumpora ili ugljika) i aluminija dodaju u čeličnu posudu obloženu organskim vezivom, glinicom ili magnezijevim oksidom i zagrijavaju. Smjesa se pali barijevim peroksidom kako bi se stvorila egzotermna reakcija - što znači da postoji neto oslobađanje energije (toplote) kada se proizvodi krom i rezultirajuća šljaka.

Danas se ovaj proces još uvijek koristi za proizvodnju 'čistog' kroma i aluminijevog oksida za različite primjene naknadne obrade. Koncentracije sastojaka za hemijsku reakciju mogu se modificirati kako bi se proizvele različite razine čistoće rezultirajućih metala.

Napredak od nerđajućeg čelika u 1900-im

Rane 1900-te donijele su nekoliko važnih otkrića u napretku porodice legure nehrđajućeg čelika:

– Godine 1904. Leon Guilet je otkrio nekoliko legura od nerđajućeg čelika serije 400 i istraživao legure gvožđa-nikl-hroma serije 300 – iako nije shvatio da su metali otporni na koroziju.

– P. Monnartz i W. Brochure su otkrili da dodavanje hroma leguri metala povećava njenu otpornost na koroziju i kvantificirali su minimalnu koncentraciju hroma od 10,5%. Također su radili na detaljima i istraživanju povećane otpornosti na koroziju koja dolazi s dodatkom molibdena.

Zašto ga zovemo nerđajući čelik

Sljedeći veliki napredak dogodio se 1913. godine kada se smatra da je Harry Brearley službeno otkrio nehrđajući čelik u pokušaju da stvori čelik otporan na eroziju. Harry Brearly je vjerovatno tačan odgovor na trivijalno pitanje o tome ko je izumio nehrđajući čelik, ali istina nije tako jednoznačna. Eksperimentirao je s dodavanjem hroma čeliku, ali ostatak njegove priče je protkan mitom.

Neki kažu da je Brearly bacio svoju eksperimentalnu metalnu leguru u smeće, da bi je kasnije izvukao i shvatio da čelik nije mrljao ili nije zarđao. Drugi tvrde da je morao nagrizati svoj uzorak dušičnom kiselinom kako bi ga mikroskopski ispitao, ali je otkrio da metal nije rđao kada je bio izložen dušičnom i drugim kiselinama ili redukcijskim agensima. Hari je uvideo potencijal njegove legure da se koristi za sečiva noževa, ali ga poslodavci nisu podržali i nije mogao da natera leguru da odoli rđanju ili mrljama tokom dužeg vremenskog perioda.

Tako je u koracima njegov prijatelj Ernest Stuart, koji je otkrio da otvrdnjavanje oštrica noža poboljšava njihovu otpornost na rđu i mrlje. Brearly je želio nazvati materijal "nerđajući čelik", ali Stjuart ga je nazvao "nerđajući čelik" zbog njegove sposobnosti otpornosti na mrlje nakon izlaganja otopini sirćeta.

Također, dok Brearly polaže pravo na otkriće nehrđajućeg čelika, drugi se promiču da su ga otkrili prije njega, uključujući:

Godine 1908. Kupp Iron Works je razvio leguru hroma i nikla za upotrebu u moru.

Godine 1911. Elwood Haynes je stvorio čelik otporan na koroziju kako bi zamijenio svoje zarđale oštrice za brijanje.

Od 1911-1914, Becket i Dantsizen su stvorili nekoliko feritnih legura čelika.

Godine 1912. Max Mauermann je tvrdio da je stvorio nehrđajući čelik, ali je vjerovatno stvorio samo održivu proizvodnu metodu za nehrđajući čelik. Podnio je patent za ovaj proces, ali je u to vrijeme bio sporan, a on je bio priznat kao izumitelj nehrđajućeg čelika tek nakon svoje smrti.

Bogata istorija nerđajućeg čelika i razvoj različitih vrsta materijala duguje se naporima mnogih naučnika, istraživača, metalurga i inženjera. Tokom prošlog stoljeća plus, vrste nehrđajućeg čelika, metode proizvodnje i metode recikliranja su se poboljšale. Sada možemo u potpunosti iskoristiti i monopolizirati prirodne fenomene oksidacije nehrđajućeg čelika.

Od svojih kontroverznih početaka do svoje vrlo sofisticirane i metalurški zanimljive sadašnjosti, nehrđajući čelik je nevjerojatno svestran i robustan metal pogodan čak i za vaše najsloženije projekte.