Przewaga niklu

Przegląd stali nierdzewnych zawierających nikiel

Stal nierdzewna nie jest jednym materiałem; istnieje pięć rodzin, z których każda składa się z wielu klas. Nikiel jest ważnym dodatkiem do stopów w prawie dwóch trzecich produkowanej obecnie stali nierdzewnej.

Chrom jest kluczowym pierwiastką stopową, która sprawia, że stal nierdzewna jest "nierdzewna". Więcej niż 10,5 procent musi być dodany do stali, aby umożliwić folii tlenku ochronnego do postaci, która zapewnia jej odporność na korozję i jasny, srebrzysty wygląd. Ogólnie rzecz biorąc, im większa ilość dodanego chromu, tym wyższa odporność na korozję. To odkrycie zostało dokonane nieco ponad sto lat temu. Niektóre z wczesnych stali nierdzewnych również zawierały nikiel, co skutkuje lepszymi właściwościami, a gatunki zawierające nikiel są używane od tego czasu. Dziś, nawet jeśli nikiel może być postrzegany jako stosunkowo kosztowny dodatek stopowy, około dwie trzecie tonażu stali nierdzewnej produkowanej każdego roku zawiera nikiel. Jaka jest rola niklu i dlaczego jest on stosowany tak szeroko?

Podstawową funkcją niklu jest stabilizacja struktury austenitycznej stali w temperaturze pokojowej i poniżej. Ta austenityczna (tj. kryształ sześcienny skoncentrowana na twarzy) jest szczególnie wytrzymała i plastyczna. Te i inne właściwości są odpowiedzialne za wszechstronność różnych gatunków stali nierdzewnej. Aluminium, miedź i nikiel same w sobie są dobrymi przykładami metali o strukturach austenitycznych.

Minimalna ilość niklu, która może ustabilizować strukturę austenityczną w temperaturze pokojowej wynosi około 8 procent, dlatego jest to procent obecny w najczęściej stosowanym gatunku stali nierdzewnej, a mianowicie typu 304. Typ 304 zawiera 18 procent chromu i 8 procent niklu i jest często określany jako 18/8. Kompozycja ta była jedną z pierwszych, które zostały opracowane w historii stali nierdzewnej, na początku XX wieku. Był używany do zakładów chemicznych i platerowane kultowego Chrysler Building w Nowym Jorku, który został ukończony w 1929 roku.

Mangan został po raz pierwszy użyty jako dodatek do stali nierdzewnej w 1930 roku. Seria 200 gatunków niskoluzyjnych, austenitycznych została dalej rozwinięta w latach 50., kiedy nikiel był rzadki. Nowsze ulepszenia w praktykach topnienia pozwoliły na kontrolowane dodawanie zwiększonych ilości azotu, silnego środka tworzącego austenit. Chociaż może to sugerować, że cały nikiel można zastąpić strukturą pozostającą austenityczną, nie jest to jednak takie proste; wszystkie wysokomanganowe gatunki austenityczne dostępne na rynku nadal mają celowe dodatki niklu. Wiele z nich ma również zmniejszoną zawartość chromu w celu utrzymania struktury austenitycznej. Takie podejście zmniejsza jednak odporność tych stopów na korozję w porównaniu ze standardowymi gatunkami niklu serii 300.

Ponieważ całkowita zawartość austenitów jest zmniejszona, struktura stali nierdzewnej zmienia się ze 100 procent austenitu na mieszaninę austenitu i ferrytu (kryształ sześcienny skoncentrowany na ciele); są to dupleksowe stale nierdzewne. Nikiel w dalszym ciągu stabilizuje strukturę fazy austenitowej. Wszystkie komercyjnie ważne gatunki dupleksowe, nawet "chude dupleksy", zawierają 1 procent lub więcej niklu jako celowego dodatku. Większość stali nierdzewnych dupleksowych ma wyższą zawartość chromu niż standardowe gatunki austenityczne; im większy średni poziom chromu, tym większa musi być minimalna zawartość niklu. Jest to podobne do przypadku serii 200.

Dwufazowa struktura klas dupleksowych sprawia, że są one z natury silniejsze niż zwykłe gatunki austenityczne. Ich nieco wyższa zawartość chromu daje im również nieznacznie lepszą odporność na korozję w porównaniu do standardowych gatunków. Chociaż istnieją inne cechy, które należy wziąć pod uwagę, gatunki dupleksowe znalazły kilka cennych aplikacji niszowych.

Dalsze zmniejszanie zawartości niklu - nawet do zera - zapewnia gatunki bez austenitu. Mają one całkowicie ferrytyczną strukturę. Żelazo i stal miękka mają również strukturę ferrytyczną w temperaturze otoczenia.

Nie wszystkie gatunki ferrytyczne są całkowicie bez niklowe. Nikiel jest znany obniżyć sferylowo-kruchy temperatury przejścia (DBTT), czyli temperatury, poniżej której stop staje się kruche. DBTT jest również funkcją innych czynników, takich jak wielkość ziarna i inne dodatki stopowe. Niemniej jednak, niektóre z wysoko stopowych gatunków super-ferrytycznych zawierają celowe dodawanie niklu w celu poprawy DBTT, zwłaszcza spoin.

W przeciwieństwie do gatunków austenitycznych, gatunki martenzytyczne mogą być hartowane przez obróbkę cieplną. Jednak niektóre zawierają nikiel, który nie tylko poprawia wytrzymałość, ale także umożliwia stali wyższą zawartość chromu, co z kolei daje zwiększoną odporność na korozję. Hartowanie obróbki cieplnej polega na ogrzewaniu do określonej temperatury, a następnie hartowaniu materiału, a następnie operacji odpuszczania.

Wreszcie, stygm utwardzania wytrącania (PH) mogą również rozwijać wysoką wytrzymałość poprzez obróbkę cieplną. Istnieją różne rodziny ph klasy, ale wszystkie są zawierające nikiel. W przeciwieństwie do rodziny martenzytycznej obróbka cieplna nie wymaga kroku gaszenia.