Nerjavna jekla so ključni materiali v sodobni industriji, saj ponujajo izjemno odpornost proti rjavenju in koroziji, tudi v najzahtevnejših okoljih. Ta posebna zlitina, ki mora vsebovati vsaj 50 % železa, je postala nepogrešljiva v številnih aplikacijah, od gospodinjskih pripomočkov do kemične industrije. V tem prispevku bomo raziskali, kaj nerjavna jekla naredi tako edinstvena, in pregledali glavne vrste nerjavnih jekel ter njihove uporabe.
Kaj naredi nerjavna jekla odporna proti koroziji?
Osnovni element, ki zagotavlja odpornost proti rjavenju, je krom. Že majhen dodatek kroma (od 12,5 %) v zlitini omogoči tvorbo zaščitne plasti na površini jekla, ki preprečuje korozijo. Ta proces, znan kot pasivizacija, ustvari tanko plast oksidov, ki ščiti material pred nadaljnjimi kemičnimi reakcijami. Pomembno je, da je ta pasivna plast odvisna od prisotnosti kisika, saj brez njega oksidacija ni mogoča.
Poleg zaščite pred rjo krom prispeva tudi k večji trdnosti jekla in izboljša njegovo toplotno obstojnost, kar pomeni, da jeklo prenese višje temperature brez deformacij. Vendar krom ni edini element, ki igra ključno vlogo pri lastnostih nerjavnega jekla; druge legirne komponente, kot so nikelj, molibden, titan in niobij, prav tako pomembno prispevajo k izboljšanju različnih lastnosti teh jekel.
Ključni legirni elementi v nerjavnem jeklu
Nerjavna jekla pridobijo svoje edinstvene lastnosti predvsem zaradi različnih legirnih elementov, ki se dodajajo v osnovno železno zlitino. Tukaj so ključni elementi, ki prispevajo k odpornosti proti koroziji, trdnosti in drugim pomembnim lastnostim nerjavnih jekel:
- Nikelj (Ni): Nikelj povečuje splošno odpornost proti koroziji in izboljšuje udarno žilavost, zlasti pri nizkih temperaturah. Pomembno je, da ob vsaj 7 % vsebnosti niklja feritna struktura jekla preide v avstenitno. To preoblikovanje dodatno poveča odpornost jekla proti koroziji.
- Molibden (Mo): Molibden močno povečuje odpornost jekla proti jamičasti koroziji, kar je še posebej pomembno v okoljih, kjer so materiali izpostavljeni koncentriranim kemikalijam. Prav tako poveča trdnost jekla, zlasti pri povišanih temperaturah. Molibden je tudi feritotvoren element, ki dodatno prispeva k izboljšanju toplotne obstojnosti jekla.
- Baker (Cu): Tudi pri relativno majhnem deležu (približno 1,5 %) baker povečuje odpornost jekla proti določenim reduktivnim kislinam, kot je žveplova kislina.
- Silicij in aluminij (Si + Al): Ta dva elementa tvorita ferite in povečata odpornost jekla proti oksidaciji in škajanju. To je še posebej pomembno za feritna jekla z nizko vsebnostjo ogljika, kot so kromova jekla.
- Titan in niobij (Ti + Nb): Oba elementa se dodajata feritnemu in avstenitnemu jeklu kot stabilizatorja. Sta močna karbidotvorna elementa, ki izboljšata odpornost jekla proti interkristalni koroziji, zlasti v zvarih. Stabilizirata mikrostrukturo jekla, s čimer preprečita nastanek kromovih karbidov, ki bi sicer lahko povzročili lokalno korozijo.
- Žveplo (S): Žveplo je v nerjavnem jeklu običajno prisotno kot nečistoča, vendar se v majhnih količinah (do približno 0,35 %) dodaja za izboljšanje obdelovalnosti jekla z odrezovanjem. Jeklo, legirano z žveplom, je sicer slabo varivo ali pa je varivo samo pod določenimi pogoji.
- Dušik (N): Dušik stabilizira avstenitno mikrostrukturo jekla, podobno kot ogljik, vendar z manjšim vplivom na druge lastnosti. Dušik poveča trdnost jekla in ga naredi bolj odpornega proti deformacijam.
- Mangan (Mn): Mangan povečuje trdnost in obrabno obstojnost jekla, kar je še posebej pomembno pri aplikacijah, kjer so materiali izpostavljeni mehanskim obremenitvam.
Glavne skupine nerjavnih jekel
Nerjavna jekla so razdeljena v štiri glavne skupine glede na njihovo mikrostrukturno sestavo. Vsaka skupina ima edinstvene lastnosti, ki določajo njihovo uporabo v različnih industrijskih panogah.
1. Avstenitna jekla
Avstenitna jekla so najpogostejša vrsta nerjavnih jekel. Vsebujejo med 17 % in 26 % kroma ter 7 % do 26 % niklja, medtem ko je delež ogljika manjši od 0,12 %. Ta jekla imajo zaradi svoje sestave visoko odpornost proti koroziji, so nemagnetna in jih ni mogoče kaliti. So tudi zelo dobro variva, kar jih naredi priljubljena v številnih industrijskih aplikacijah.
Avstenitna jekla imajo majhno napetost tečenja in visoko žilavost pri izjemno nizkih temperaturah, kar pomeni, da so primerna za uporabo v okoljih, kjer so izpostavljena ekstremnim razmeram. Njihova trdnost se lahko poveča s postopki hladnega preoblikovanja, čeprav to zmanjša raztezek materiala in lahko privede do rahle magnetnosti zaradi deformacijske tvorbe martenzita.
Najpogostejše vrste avstenitnih jekel:
- AISI 304/Oznaka jekla 1.4301/V2A: To je najpogosteje uporabljeno avstenitno jeklo. Vsebuje med 17 % in 19 % kroma, 8,5 % do 10,5 % niklja ter največ 0,07 % ogljika. Je zelo uporabno v različnih industrijah, vključno s prehrambno in farmacevtsko industrijo, kemično in papirno industrijo ter pri proizvodnji gospodinjskih pripomočkov, grelnih in klimatskih naprav ter konstrukcijskih delov za uporabo v korozivnem okolju.
- AISI 304L/Oznaka jekla 1.4306: Gre za različico AISI 304 z nižjo vsebnostjo ogljika (največ 0,03 %), kar omogoča boljšo varivost brez izločanja karbidov in izboljšano odpornost proti interkristalni koroziji.
- AISI 321/Oznaka jekla 1.4541: To jeklo vsebuje dodatek titana kot stabilizacijskega elementa, kar preprečuje izločanje kromovih karbidov in izboljšuje odpornost proti interkristalni koroziji.
- AISI 316/Oznaka jekla 1.4401/V4A: Ta vrsta jekla vsebuje 16,5 % do 18,5 % kroma, 10,5 % do 13,5 % niklja in 2,0 % do 2,5 % molibdena, kar povečuje odpornost proti jamičasti koroziji in reduktivnim kislinam. Molibden izboljšuje odpornost proti kislinam, hkrati pa je pomembno dodajanje večje količine niklja za ohranitev avstenitne mikrostrukture.
- AISI 316L/Oznaka jekla 1.4435 BN 2: Ta različica AISI 316 ima nižjo vsebnost ogljika (največ 0,03 %) in je brez ferita, kar omogoča varjenje brez nadaljnje toplotne obdelave in izboljšano odpornost proti interkristalni koroziji.
- AISI 316Ti/Oznaka jekla 1.4571: Gre za različico AISI 316, dodatno stabilizirano s titanom, kar omogoča varjenje brez poznejše toplotne obdelave in večjo odpornost proti interkristalni koroziji.
2. Nerjavna jekla Duplex
Nerjavna jekla Duplex imajo značilno feritno-avstenitno mikrostrukturo v razmerju 50:50, kar pomeni, da združujejo lastnosti obeh vrst mikrostruktur. Vsebujejo približno 22 % kroma in 5 % niklja, skupaj z dodatki molibdena in dušika. Ta kombinacija daje jeklu visoko trdnost, odpornost na napetostno korozijsko pokanje in odlične mehanske lastnosti, zlasti napetost tečenja in trdnost. Nerjavna jekla Duplex se pogosto uporabljajo v kemičnih in morsko usmerjenih aplikacijah, kjer je odpornost na korozijo ključnega pomena.
3. Feritna jekla
Feritna jekla so v osnovi kromova jekla, ki vsebujejo med 12,5 % in 18 % kroma ter manj kot 0,1 % ogljika. Ta jekla so magnetna, ni jih mogoče kaliti, vendar se lahko varijo. So precej odporna proti koroziji in se pogosto uporabljajo v proizvodnji dušikove kisline, v notranji arhitekturi, avtomobilski industriji (na primer za pokrove koles in okrasne letve) ter pri proizvodnji gospodinjskih pripomočkov.
4. Martenzitna jekla
Martenzitna jekla so kromova jekla z vsebnostjo kroma med 12 % in 18 % ter ogljika med 0,1 % in 1,2 %. Vsebujejo lahko tudi nikelj (0,5 % do 2,5 %) in molibden (do približno 1,2 %). Ta jekla so magnetna in jih je mogoče izboljšati z ustrezno toplotno obdelavo, kot sta kaljenje in popuščanje. Zaradi razmeroma velikega deleža ogljika so martenzitna jekla pogojno variva, kar pomeni, da je pred varjenjem potrebno predgretje ali žarjenje.
Jekla z nižjo vsebnostjo ogljika (do približno 0,4 %) se običajno uporabljajo za poboljšanje, medtem ko se jekla z višjo vsebnostjo ogljika (nad 0,4 %) uporabljajo kot kaljena. Z dodajanjem ogljika se povečuje trdota v kaljenem stanju (0,1 % C = približno 40 HRC, 0,9 % C = približno 58 HRC). Martenzitna jekla se uporabljajo za mehansko zelo obremenjene strojne dele, gredi ter orodja in rezila, ki zahtevajo visoko odpornost proti oksidacijskim kislinam.
Zaključek
Nerjavna jekla so bistvenega pomena v številnih industrijah, kjer je odpornost proti koroziji in mehanska trdnost ključnega pomena. Z različnimi legirnimi elementi in mikrostrukturnimi sestavami omogočajo široko paleto uporabe, od vsakdanjih gospodinjskih predmetov do specifičnih industrijskih aplikacij. Razumevanje teh lastnosti omogoča boljšo izbiro materialov in prispeva k daljši življenjski dobi končnih izdelkov, kar je ključno za trajnostno industrijsko prakso.
