Nerūdijantis plienas: kodėl mes jį vadiname nerūdijančiu?

Šiuolaikinis nerūdijantis plienas ir jų naudojimas

Tai, ką dabar vadiname nerūdijančiu plienu, yra suskirstyta į keturias šeimas, kurios iš esmės reiškia jų mikroskopinę kristalinę struktūrą ir įvairias metalurgines fazes:

Austenitiniai plienai: austenito fazės nerūdijantį plieną sudaro nikelis ir molibdenas, kaip pagrindiniai jo legiravimo elementai, ir jo kubinė kristalų struktūra yra nukreipta į paviršių. Nikelio pridėjimas padidina jo atsparumą korozijai ir lankstumą, o molibdenas pagerina atsparumą korozijai rūgštinėmis sąlygomis. Įprastos austenitinio nerūdijančio plieno rūšys yra 304 ir 316.
Bendras naudojimas: šio tipo nerūdijantis plienas laikomas karščiui atspariu ir dažniausiai naudojamas šilumokaičiams, katilams ir krosnims gaminti. Kiti įprasti austenitinio nerūdijančio plieno panaudojimo būdai yra aviacijos ir kosmoso komponentai, elektronika, lokomotyvų dalys ir cheminių medžiagų rezervuarai. 200 serijos nerūdijantis plienas taip pat priklauso austenitinei šeimai, tačiau turi manganą kaip papildomą legiravimo elementą.

 

Martensitiniai plienai: martensito fazės nerūdijančio plieno šeima naudoja anglį ir chromą kaip pagrindinius legiravimo elementus. Esant didesnei anglies koncentracijai, medžiaga turi į kūną orientuotą tetragoninę kristalinę struktūrą; mažesnės anglies koncentracijos sudaro į kūną orientuotą kristalinę struktūrą. Martensitas susidaro, kai austenitas greitai gesinamas kambario temperatūroje. Martensitinis nerūdijantis plienas paprastai žinomas kaip 400 serijos nerūdijantis plienas, pvz., 410, 420 ir 440 klasės.
Bendras naudojimas: martensitinis nerūdijantis plienas dažniausiai naudojamas ten, kur norimas kietumas ir ilgaamžiškumas, pavyzdžiui, stalo įrankiams, įrankiams, turbinų mentėms, tvirtinimo detalėms ir krumpliaračiams.

 

Feritiniai plienai: ferito fazės nerūdijantis plienas yra nemagnetinis ir turi į kūną orientuotą kubinę kristalų struktūrą. Pagrindinės jo legiruojančios sudedamosios dalys yra chromas, geležis (taigi ir pavadinimas feritinis) ir maža anglies koncentracija. Todėl feritinis nerūdijantis plienas yra minkštesnis, bet taip pat turi didesnį lankstumą ir geresnį formavimąsi, tačiau jų negalima termiškai apdoroti. Feritinio nerūdijančio plieno pavyzdžiai yra kitos 400 serijos klasės, tokios kaip 409, 430 ir 446.
Bendras naudojimas: feritinis nerūdijantis plienas yra įprastas virtuvės reikmenų, automobilių komponentų ir pramoninių mašinų pasirinkimas.

 

Dvipusis plienas: dvipusis nerūdijantis plienas yra austenito ir ferito plieno mišinys.
Bendras naudojimas: dvipusis plienas dažnai naudojamas naftos ir dujų, popieriaus ir chemijos pramonėje.

Nerūdijančio plieno kilmė: 1800-ųjų pradžia

Nerūdijančio plieno istorija apimta skandalų, panašiai kaip mano mėgstamiausio mokslininko Nikola Tesla ir jo varžovo Thomaso Edisono istorija. Kaip ir jų įkvepianti istorija (skirta kalambūrai), nerūdijantis plienas atgabentas iš kelių vyrų, prisiėmusių nuopelnus už kito žmogaus darbą. Yra ištisos šalys, kurios iki šiol ginčijasi, kas yra nerūdijančio plieno „išradėjas“.

Nors kai kurie teigia, kad nerūdijantį plieną kalviai naudojo senovės Indijoje, Šri Lankoje, Arabijos pusiasalyje ir Kinijoje prieš pramonės revoliuciją, šios istorijos nebuvo gerai užfiksuotos. Mes žinome, kad 1800-ųjų pradžioje kelių šalių mokslininkai pastebėjo metalų lydinių, kuriuose yra chromo ir geležies, reiškinį – jie sugebėjo atsispirti rūgštinei korozijai.

Prancūzų metalurgas Pierre'as Berthier yra pirmasis, 1821 m. pripažinęs, kad korozijai atsparus plieno lydinys gali būti pagamintas pridedant chromo į geležį. Nors metalurgai padarė tokią išvadą, jie dar nežinojo, kaip svarbu apriboti anglies kiekį tuose pačiuose lydiniuose, kad būtų išvengta tarpgranulinės korozijos ir lūžimo dėl trapumo. Tačiau jiems buvo gera pradžia, kai išsiaiškino, kaip chromas pakeitė fizines metalų lydinio savybes.

1872 m. Anglijoje Johnas Clarkas ir Johnas Woodsas pateikė pirmąjį oficialų patentą tam, ką dabar laikome nerūdijančiu plienu. Jie pavadino savo gaminį vandeniui atspariu lydiniu ir jis buvo nepaprastai panašus į šiuolaikinius lydinius, tačiau medžiagoje vis tiek buvo per daug anglies.

Pirmasis oficialiai anglies dioksido problemą pripažino tyrėjas, tiesiog žinomas kaip Brustleinas 1875 m. Jo atradimas paskatino kelis dešimtmečius trukusius tyrimus, siekiant sukurti optimalų metalų mišinį ir gamybos metodą mažo anglies kiekio plienui sukurti. Nors šiandien turime modernius metalų lydinių kūrimo procesus, tuometinis mokslas buvo pradinis. Pagrindinė kliūtis gaminant chromo pagrindu pagamintą mažai anglies turintį plieną buvo rasti būdo, kaip atskirti chromą nuo natūraliai randamos anglies.
Praėjus maždaug dviem dešimtmečiams po Brustleino mažo anglies kiekio epifanijos, 1895 m. Hansas Goldschmidtas sukūrė aliuminoterminės reakcijos procesą, skirtą chromui gaminti / rafinuoti, kad jis būtų be anglies. Tai buvo lūžis, sudaręs galimybę sukurti šiuolaikinį nerūdijantį plieną. Cheminė reakcija, taip pat žinoma kaip aliuminio redukcijos metodas gaminant chromo metalą, parodyta žemiau.

Kr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Aliuminio redukcijos metodas chromo gamybai

Tai procesas, kai chromo oksidas (ir visos natūraliai su juo esančios priemaišos, pvz., silicis, siera ar anglis) ir aliuminis įpilami į plieninį indą, išklotą organiniu rišikliu, aliuminio oksidu arba magnio oksidu, ir kaitinamas. Mišinys uždegamas bario peroksidu, kad sukeltų egzoterminę reakciją – tai reiškia, kad susidaro grynoji energija (šiluma), kai susidaro chromas ir susidaręs šlakas.

Šiandien šis procesas vis dar naudojamas gaminant „gryną“ chromą ir aliuminio oksidą, skirtą įvairioms papildomo apdorojimo reikmėms. Cheminės reakcijos sudedamųjų dalių koncentracijas galima modifikuoti, kad gautų metalų grynumas būtų skirtingas.

Nerūdijančio plieno pažanga XX a. XX a

1900-ųjų pradžioje buvo padaryta keletas svarbių atradimų, susijusių su nerūdijančio plieno lydinių šeimos pažanga:

– 1904 m. Leonas Guiletas atrado keletą 400 serijų geležies ir chromo nerūdijančio plieno lydinių ir ištyrė 300 serijos geležies, nikelio ir chromo lydinius, nors jis nesuvokė, kad metalai yra atsparūs korozijai.

– P. Monnartz ir W. Brochure išsiaiškino, kad chromo pridėjimas prie metalo lydinio padidino jo atsparumą korozijai ir kiekybiškai įvertino mažiausią chromo koncentraciją 10,5 %. Jie taip pat dirbo detalizuodami ir tirdami padidėjusį atsparumą korozijai, atsirandantį pridedant molibdeno.

Kodėl mes tai vadiname nerūdijančiu plienu

Kitas didelis pažanga įvyko 1913 m., kai Harry Brearley oficialiai atrado nerūdijantį plieną, bandydamas sukurti erozijai atsparų plieną. Dabar Harry Brearly tikriausiai yra teisingas atsakymas į smulkmenišką klausimą apie tai, kas išrado nerūdijantį plieną, tačiau tiesa nėra tokia paprasta. Jis eksperimentavo pridėdamas chromo į plieną, tačiau likusi jo istorija apipinta mitais.

Kai kas sako, kad Brearly išmetė savo eksperimentinį metalo lydinį į šiukšliadėžę, kad vėliau jį ištrauktų ir suprastų, kad plienas nedėmė arba nerūdija. Kiti teigia, kad jis turėjo ėsdinti savo mėginį azoto rūgštimi, kad galėtų jį mikroskopiškai ištirti, tačiau jis nustatė, kad metalas nerūdija, kai buvo veikiamas azoto ir kitų rūgščių ar redukuojančių medžiagų. Haris matė, kad jo lydinys gali būti naudojamas peilių ašmenims, bet jo nepalaikė jo darbdaviai ir jis negalėjo priversti lydinio ilgą laiką atsispirti rūdijimui ar dėmėms.

Taigi, žingsniais jo draugas Ernestas Stiuartas, kuris nustatė, kad sukietėjus peilių geležtėms, pagerėjo jų atsparumas rūdims ir dėmėms. Brearly norėjo pavadinti medžiagą „Rustless Steel“, tačiau Stuartas pavadino ją „nerūdijančiu plienu“ dėl jos gebėjimo atsispirti dėmių atsiradimui po acto tirpalo poveikio.

Be to, nors Brearly teigia atradęs nerūdijantį plieną, kiti teigia, kad atrado jį anksčiau nei jis, įskaitant:

1908 m. Kupp Iron Works sukūrė chromo ir nikelio lydinį, skirtą naudoti jūroje.

1911 m. Elwoodas Haynesas sukūrė korozijai atsparų plieną, kad pakeistų surūdijusius skutimosi peiliukus.

Iš 1911-1914 Becket ir Dantsizen sukūrė keletą feritinių plieno lydinių.

1912 m. Max Mauermann teigė sukūręs nerūdijantį plieną, tačiau greičiausiai jis sukūrė tik perspektyvų nerūdijančio plieno gamybos metodą. Jis pateikė patentą šiam procesui, tačiau tuo metu jis buvo ginčijamas ir jis buvo pripažintas nerūdijančio plieno išradėju tik po mirties.

Turtinga nerūdijančio plieno istorija ir įvairių medžiagų rūšių kūrimas yra daugelio mokslininkų, tyrinėtojų, metalurgų ir inžinierių pastangos. Per pastarąjį šimtmetį pagerėjo nerūdijančio plieno rūšys, gamybos metodai ir perdirbimo metodai. Dabar galime visiškai panaudoti ir monopolizuoti natūralų nerūdijančio plieno oksidacijos reiškinį.

Nuo prieštaringų pradžios iki itin sudėtingos ir metalurgiškai įdomios dabarties nerūdijantis plienas yra neįtikėtinai universalus ir tvirtas metalas, tinkantis net sudėtingiausiems projektams.