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The 630 foot (192 m) high, stainless-clad (type 304) Gateway Arch defines St. Louis, Missouri's skyline.

In metallurgy, stainless steel is defined as an iron-carbon alloy with a minimum of 10.5% chromium content.^[1] The name originates from the fact that stainless steel does not stain, corrode or rust as easily as ordinary steel. This material is also called corrosion resistant steel when it is not detailed exactly to its alloy type and grade, particularly in the aviation industry. As such, there are now different and easily accessible grades and surface finishes of stainless steel, to suit the environment to which the material will be subjected in its lifetime. Common uses of stainless steel are everyday cutlery and watch straps.

Stainless steels have higher resistance to oxidation (rust) and corrosion in many natural and man made environments; however, it is important^{[citation needed]} to select the correct type and grade of stainless steel for the particular application.

High oxidation resistance in air at ambient temperature is normally achieved with additions of a minimum of 13% (by weight) chromium, and up to 26% is used for harsh environments.^[2] The chromium forms a passivation layer of chromium(III) oxide (Cr₂O₃) when exposed to oxygen. The layer is too thin to be visible, which means that the metal remains lustrous. It is, however, impervious to water and air, protecting the metal beneath. Also, this layer quickly reforms when the surface is scratched. This phenomenon is called passivation and is seen in other metals, such as aluminium and titanium. When stainless steel parts such as nuts and bolts are forced together, the oxide layer can be scraped off causing the parts to weld together. When disassembled, the welded material may be torn and pitted, an effect that is known as galling.

Nickel also contributes to passivation, as do other less commonly used ingredients such as molybdenum and vanadium.

[edit] Commercial value of stainless steel

The pinnacle of New York's Chrysler Building is clad with type 302 stainless steel.[3]

An art deco sculpture on the Niagara-Mohawk Power building in Syracuse, New York

Pipes and fittings made of stainless steel

Stainless steel's resistance to corrosion and staining, low maintenance, relative inexpense, and familiar luster make it an ideal base material for a host of commercial applications. There are over 150 grades of stainless steel, of which fifteen are most common. The alloy is milled into sheets, plates, bars, wire, and tubing to be used in cookware, cutlery, hardware, surgical instruments, major appliances, industrial equipment, a structural alloy in automotive and aerospace assembly and building material in skyscrapers and other large buildings.

Stainless steel is also used for jewelry and watches. The most common stainless steel alloy used for jewelry is 316L. It can be re-finished by any jeweler and unlike silver will not oxidize and turn black.

Stainless steel is 100% recyclable. In fact, an average stainless steel object is composed of about 60% recycled material, 25% originating from end-of-life products and 35% coming from manufacturing processes.^[4]

[edit] Corrosion

Even a high-quality alloy can corrode under certain conditions. Because these modes of corrosion are more exotic and their immediate results are less visible than rust, they often escape notice and cause problems among those who are not familiar with them.

[edit] Pitting corrosion

Passivation relies upon the tough layer of oxide described above. When deprived of oxygen (or when a salt such as chloride competes as an ion), stainless steel lacks the ability to re-form a passivating film. In the worst case, almost all of the surface will be protected, but tiny local fluctuations will degrade the oxide film in a few critical points. Corrosion at these points will be greatly amplified, and can cause corrosion pits of several types, depending upon conditions. While the corrosion pits only nucleate under fairly extreme circumstances, they can continue to grow even when conditions return to normal, since the interior of a pit is naturally deprived of oxygen. In extreme cases, the sharp tips of extremely long and narrow pits can cause stress concentration to the point that otherwise tough alloys can shatter, or a thin film pierced by an invisibly small hole can hide a thumb sized pit from view. These problems are especially dangerous because they are difficult to detect before a part or structure fails. Pitting remains among the most common and damaging forms of corrosion in stainless alloys, but it can be prevented by ensuring that the material is exposed to oxygen (for example, by eliminating crevices) and protected from chlorides wherever possible.

Pitting corrosion can occur when stainless steel is subjected to high concentration of Chloride ions (for example, sea water) and moderately high temperatures. A textbook example^{[citation needed]} for this was a replica of the Jet d'Eau fountain in Geneva, ordered by an Arab Sheikh for installation in the Red Sea – King Fahd's Fountain. The difference between the freshwater of Lake Geneva and the saltwater of the sea called for much greater specialisation of the engineering processes and materials involved, as a straight duplicate of the Geneva fountain would not have survived long in the saltwater environment.

[edit] Rouging

Rouging is a very peculiar^{[citation needed]} phenomenon, which occurs only on polished stainless steel surfaces with very low surface roughness in a pure water environment. This effect is most common^{[citation needed]} in pharmaceutical industries. It occurs because pure water is lacking any ions and pulls the metal ions of the passive stainless steel surface into solution. Iron ions do not dissolve at neutral pH and will precipitate as an iron hydroxide film, which has a reddish colour, hence the name rouging.

[edit] Intergranular corrosion

Some compositions of stainless steel are prone to intergranular corrosion when exposed to certain environments. When heated to around 700 °C, chromium carbide forms at the intergranular boundaries, depleting the grain edges of chromium, impairing their corrosion resistance. Steel in such condition is called sensitized. Steels with carbon content 0.06% undergo sensitization in about 2 minutes, while steels with carbon content under 0.02% are not sensitive to it.

Intergranular corrosion

A special case of intergranular corrosion is called "weld decay" or "knifeline attack" (KLA). Due to the elevated temperatures of welding the stainless steel can be sensitized very locally along the weld. The chromium depletion creates a galvanic couple with the well-protected alloy nearby in highly corrosive environments. As the name "knifeline attack" implies, this is limited to a small zone, often only a few micrometres across, which causes it to proceed more rapidly. This zone is very near the weld, making it even less noticeable.^[5]

It is possible to reclaim sensitized steel by heating it to above 1000 °C and holding at this temperature for a given period of time dependent on the mass of the piece, followed by quenching it in water. This process dissolves the carbide particles, then keeps them in solution.

It is also possible to stabilize the steel to avoid this effect and make it welding-friendly. Addition of titanium, niobium and/or tantalum serves this purpose; titanium carbide, niobium carbide and tantalum carbide form preferentially to chromium carbide, protecting the grains from chromium depletion. Use of extra-low carbon steels is another method and modern steel production usually ensures a carbon content of <0.03%>

[edit] Crevice corrosion

In the presence of reducing acids or exposure to reducing atmosphere, the passivation layer protecting steel from corrosion can break down. This wear can also depend on the mechanical construction of the parts, e.g. under gaskets, in sharp corners, or in incomplete welds. Such crevices may promote corrosion, if their size allows penetration of the corroding agent but not its free movement. The mechanism of crevice corrosion is similar to pitting corrosion, though it happens at lower temperatures.

[edit] Stress corrosion cracking

Stress corrosion cracking can be a severe form of stainless steel corrosion. It forms when the material is subjected to tensile stress and some corrosive environments, especially chloride-rich environments (sea water) at higher temperatures. The stresses can be a result of service loads, or can be caused by the type of assembly or residual stresses from fabrication (e.g. cold working); residual stresses can be relieved by annealing.

Stress Corrosion Cracking (SCC) is the result of anodic dissolution which is locally increased by deformation mechanism.

Indeed, materials submitted to high stresses (either residual or applied) suffer from local deformation which causes dislocations in the microstructure. Such dislocations are responsible for slip planes to occur. As soon as slip planes are able to emerge at the outer surface of the steel, the passive film is altered or destroyed, allowing corrosion to develop locally. The combination of galvanic coupling between depassivated zones and the rest of the surface which remain passive account for cracking to develop. The resistance of stainless steels to SCC depends on a lot of factors.

As in all aggressive media responsible for SCC, corrosion potentials situated near the active/passive transition domain are the most dangerous. This may be explained by the fact that the passive film is easily destroyed in area where slip planes arise at the surface as a result of deformation process under the effect of applied or residual stresses. So, when electrochemical conditions drive the rest potential in the active/passive transition domain, the SCC risk is high.

This limits the usefulness of stainless steels of the 300 series (304, 316) for containing water with higher than few ppm content of chlorides at temperatures above 50 °C. In more aggressive conditions, higher alloyed austenitic stainless steels (6% Mo grades) or Mo-containing duplex stainless steels may be selected.

High Ni austenitics are much more resistant to Stress Corrosion Cracking (SCC); indeed, their deformation mechanism is different since they exhibit numerous but small dislocations.

Ferritic stainless steels, particularly high Chromium grades are very resistant to SCC if they do not contain Nickel.

Chlorine catalyzes the formation of hydrogen which hardens and embrittles the metal locally, causing concentration of the stress and a microscopic crack. The chlorine moves into the crack, continuing the process.

[edit] Sulphide stress cracking

Sulphide stress cracking is an important failure mode in the oil industry, where the steel comes into contact with liquids or gases with considerable hydrogen sulfide content, e.g., sour gas. It is influenced by the tensile stress and is worsened in the presence of chloride ions. Very high levels of hydrogen sulfide apparently inhibit the corrosion. Rising temperature increases the influence of chloride ions, but decreases the effect of sulfide, due to its increased mobility through the lattice; the most critical temperature range for sulphide stress cracking is between 60–100 °C (140–212 °F).

[edit] Galvanic corrosion

Galvanic corrosion occurs when a galvanic cell is formed between two dissimilar metals. The resulting electrochemical potential then leads to formation of an electric current that leads to electrolytic dissolving of the less noble material. This effect can be prevented by electrical insulation of the materials, e.g. by using rubber or plastic sleeves or washers, keeping the parts dry so there is no electrolyte to form the cell, or keeping the size of the less-noble material significantly larger than the more noble ones (e.g. stainless-steel bolts in an aluminum block won't cause corrosion, but aluminum rivets on stainless steel sheet would rapidly corrode).

If these options are not available to protect from galvanic corrosion, a sacrificial anode can be used to protect the less noble metal. For example, if a system is composed of 316 SS, a very noble alloy with a low galvanic potential, and a mild steel, a very active metal with high galvanic potential, the mild steel will corrode in the presence of an electrolyte such as salt water. If a sacrificial anode is used such as a Mil-Spec A-18001K zinc alloy, Mil-Spec A-24779(SH) aluminum alloy, or magnesium, these anodes will corrode instead, protecting the other metals in the system. The anode must be electrically connected to the protected metal(s) in order to be able to preserve them. This is common practice in the marine industry to protect ship equipment. Boats and vessels that are in salt water use either zinc alloy or aluminum alloy. If the boats are only in fresh water, a magnesium alloy is used. Magnesium has one of the highest galvanic potential of any metal. If it is used in a saltwater application on a steel or aluminum hull boat, hydrogen bubbles will form under the paint, causing blistering and peeling.

[edit] Contact corrosion

Contact corrosion is a combination of galvanic corrosion and crevice corrosion, occurring where small particles of suitable foreign material are embedded to the stainless steel. Carbon steel is a very common contaminant here, coming from nearby grinding of carbon steel or use of tools contaminated with carbon steel particles. The particle forms a galvanic cell, and quickly corrodes away, but may leave a pit in the stainless steel from which pitting corrosion may rapidly progress. Some workshops therefore have separate areas and separate sets of tools for handling carbon steel and stainless steel, and care has to be exercised to prevent direct contact between stainless steel parts and carbon steel storage racks.

Particles of carbon steel can be removed from a contaminated part by passivation with dilute nitric acid, or by pickling with a mixture of hydrofluoric acid and nitric acid.

[edit] Types of stainless steel

There are different types of stainless steels: when nickel is added, for instance, the austenite structure of iron is stabilized. This crystal structure makes such steels non-magnetic and less brittle at low temperatures. For higher hardness and strength, carbon is added. When subjected to adequate heat treatment these steels are used as razor blades, cutlery, tools etc.

Significant quantities of manganese have been used in many stainless steel compositions. Manganese preserves an austenitic structure in the steel as does nickel, but at a lower cost.

Stainless steels are also classified by their crystalline structure:

• Austenitic, or 300 series, stainless steels comprise over 70% of total stainless steel production. They contain a maximum of 0.15% carbon, a minimum of 16% chromium and sufficient nickel and/or manganese to retain an austenitic structure at all temperatures from the cryogenic region to the melting point of the alloy. A typical composition of 18% chromium and 10% nickel, commonly known as 18/10 stainless is often used in flatware. Similarly 18/0 and 18/8 is also available. “Superaustenitic” stainless steels, such as alloy AL-6XN and 254SMO, exhibit great resistance to chloride pitting and crevice corrosion due to high Molybdenum contents (>6%) and nitrogen additions and the higher nickel content ensures better resistance to stress-corrosion cracking over the 300 series. The higher alloy content of "Superaustenitic" steels makes them more expensive. Other steels can offer similar performance at lower cost and are preferred in certain applications.^{[citation needed]}

• Ferritic stainless steels are highly corrosion resistant, but less durable than austenitic grades. They contain between 10.5% and 27% chromium and very little nickel, if any. Most compositions include molybdenum; some, aluminium or titanium. Common ferritic grades include 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo, and 29Cr-4Mo-2Ni.

• Martensitic stainless steels are not as corrosion resistant as the other two classes, but are extremely strong and tough as well as highly machineable, and can be hardened by heat treatment. Martensitic stainless steel contains chromium (12–14%), molybdenum (0.2–1%), zero to less than 2% nickel, and about 0.1–1% carbon (giving it more hardness but making the material a bit more brittle). It is quenched and magnetic. It is also known as "series-00" steel.

• Precipitation-hardening martensitic stainless steels have corrosion resistance comparable to austenitic varieties, but can be precipitation hardened to even higher strengths than the other martensitic grades. The most common, 17-4PH, uses about 17% chromium and 4% nickel. There is a rising trend in defence budgets to opt for an ultra-high-strength stainless steel if possible in new projects as it is estimated that 2% of the U.S. GDP is spent dealing with corrosion. The Lockheed-Martin JSF is the first aircraft to use a precipitation hardenable stainless steel – Carpenter Custom 465 – in its airframe.

• Duplex stainless steels have a mixed microstructure of austenite and ferrite, the aim being to produce a 50:50 mix although in commercial alloys the mix may be 40:60 respectively. Duplex steel have improved strength over austenitic stainless steels and also improved resistance to localised corrosion particularly pitting, crevice corrosion and stress corrosion cracking. They are characterised by high chromium (19–28%) and molybdenum (up to 5%) and lower nickel contents than austenitic stainless steels.

[edit] Comparison of standardized steels

Stainless steel Grades [list is not exhaustive]

• 200 Series—austenitic chromium-nickel-manganese alloys
• 300 Series—austenitic chromium-nickel alloys
  • Type 301—highly ductile, for formed products. Also hardens rapidly during mechanical working. Good weldability. Better wear resistance and fatigue strength than 304.
  • Type 302—same corrosion resistance as 304, with slightly higher strength due to additional carbon.
  • Type 303—easier machining version of 304 via addition of sulfur and phosphorus. Also referred to as "A1" in accordance with International Organization for Standardization ISO 3506.^[6]
  • Type 304—the most common grade; the classic 18/8 stainless steel. Also referred to as "A2" in accordance with International Organization for Standardization ISO 3506.^[6]
  • Type 309— better temperature resistance than 304
  • Type 316—the second most common grade (after 304); for food and surgical stainless steel uses; Alloy addition of molybdenum prevents specific forms of corrosion. 316 steel is used in the manufacture and handling of food and pharmaceutical products where it is often required in order to minimize metallic contamination. It is also known as "marine grade" stainless steel due to its increased resistance to chloride corrosion compared to type 304. SS316 is often used for building nuclear reprocessing plants. Most watches that are made of stainless steel are made of Type 316L; Rolex is an exception in that they use Type 904L. Also referred to as "A4" in accordance with International Organization for Standardization ISO 3506.^[6]
  • Type 321—similar to 304 but lower risk of weld decay due to addition of titanium. See also 347 with addition of niobium for desensitization during welding.
• 400 Series—ferritic and martensitic chromium alloys
  • Type 408—heat-resistant; poor corrosion resistance; 11% chromium, 8% nickel.
  • Type 409—cheapest type; used for automobile exhausts; ferritic (iron/chromium only).
  • Type 410—martensitic (high-strength iron/chromium). Wear resistant, but less corrosion resistant.
  • Type 416— easy to machine due to additional sulfur
  • Type 420—"Cutlery Grade" martensitic; similar to the Brearley's original "rustless steel". Also known as "surgical steel". Excellent polishability.
  • Type 430—decorative, e.g., for automotive trim; ferritic. Good formability, but with reduced temperature and corrosion resistance.
  • Type 440—a higher grade of cutlery steel, with more carbon in it, which allows for much better edge retention when the steel is heat treated properly. It can be hardened to around Rockwell 58 hardness, making it one of the hardest stainless steels. Due to its toughness and relatively low cost, most display-only and replica swords or knives are made of 440 stainless. Also known as "razor blade steel". Available in four grades 440A, 440B, 440C, and the uncommon 440F (free machinable). 440A, having the least amount of carbon in it, is the most stain-resistant; 440C, having the most, is the strongest and is usually considered a more desirable choice in knifemaking than 440A except for diving or other salt-water applications.
• 500 Series—heat resisting chromium alloys
• 600 Series—martensitic precipitation hardening alloys
  • Type 630—most common PH stainless, better known as 17-4; 17% chromium, 4% nickel

[edit] Stainless steel finishes

316L stainless steel, with an unpolished, mill finish.

Standard mill finishes can be applied to flat rolled stainless steel directly by the rollers and by mechanical abrasives. Steel is first rolled to size and thickness and then annealed to change the properties of the final material. Any oxidation that forms on the surface (scale) is removed by pickling, and the passivation layer is created on the surface. A final finish can then be applied to achieve the desired aesthetic appearance.

• No. 0 - Hot Rolled Annealed, thicker plates
• No. 1 - Hot rolled, annealed and passivated
• No, 2D - cold rolled, annealed, pickled and passivated
• No, 2B - same as above with additional pass through polished rollers
• No, 2BA - Bright Anealed (BA) same as above with highly polished rollers
• No. 3 - coarse abrasive finish applied mechanically
• No. 4 - brushed finish
• No. 6 - matte finish
• No. 7 - reflective finish
• No. 8 - mirror finish
• No. _ - bead blast finish

[edit] History

An announcement, as it appeared in the 1915 New York Times, of the discovery of stainless steel.^[7]

A few corrosion-resistant iron artifacts survive from antiquity. A famous (and very large) example is the Iron Pillar of Delhi, erected by order of Kumara Gupta I around the year AD 400. However, unlike stainless steel, these artifacts owe their durability not to chromium, but to their high phosphorus content, which together with favorable local weather conditions promotes the formation of a solid protective passivation layer of iron oxides and phosphates, rather than the non-protective, cracked rust layer that develops on most ironwork.

The corrosion resistance of iron-chromium alloys was first recognized in 1821 by the French metallurgist Pierre Berthier, who noted their resistance against attack by some acids and suggested their use in cutlery. However, the metallurgists of the 19th century were unable to produce the combination of low carbon and high chromium found in most modern stainless steels, and the high-chromium alloys they could produce were too brittle to be of practical interest.

This situation changed in the late 1890s, when Hans Goldschmidt of Germany developed an aluminothermic (thermite) process for producing carbon-free chromium. In the years 1904–1911, several researchers, particularly Leon Guillet of France, prepared alloys that would today be considered stainless steel.

In Germany, Friedrich Krupp Germaniawerft built the 366-ton sailing-yacht "Germania" featuring a chrome-nickel steel hull in 1908.^[8] In 1911, Philip Monnartz reported on the relationship between the chromium content and corrosion resistance. On October 17, 1912, Krupp engineers Benno Strauss and Eduard Maurer patented austenitic stainless steel.^[9]

Similar industrial developments were taking place contemporaneously in the United States, where Christian Dantsizen and Frederick Becket were industrializing ferritic stainless.

However Harry Brearley of the Firth-Brown research laboratory in Sheffield, England is most commonly credited as the "inventor" of stainless steel, but many historians feel this is disputable.^{[citation needed]} In 1913, while seeking an erosion-resistant alloy for gun barrels, he discovered and subsequently industrialized a martensitic stainless steel alloy. The discovery was popularized a few years later, in a January 1915 newspaper article in the New York Times.^[10]

[edit] Uses in sculpture, building facades and building structures

• Stainless steel was particularly in vogue during the art deco period. The most famous example of this is the upper portion of the Chrysler Building (illustrated above). Diners and fast food restaurants feature large ornamental panels, stainless fixtures and furniture. Owing to the durability of the material, many of these buildings still retain their original and spectacular appearance.
• In recent years the forging of stainless steel has given rise to a fresh approach to architectural blacksmithing. The work of Giusseppe Lund illustrates this well. [1]
• Also pictured above, the Gateway Arch is clad entirely in stainless steel: 886 Tons (804 metric tonnes) of 1/4" (6.3 mm) plate, #3 Finish, Type 304. [2]
• Type 316 stainless is used on the exterior of both the Petronas Twin Towers and the Jin Mao Building, two of the world's tallest skyscrapers. [3]
• Stainless Steel is the fourth common material used in metal wall tiles, and is used for its corrosion resistance properties in kitchens and bathrooms. [4]
• The aeration building in the Edmonton Composting Facility, the size of 14 NHL hockey rinks, is the largest stainless steel building in North America. [5]

[edit] See also

• AISI steel grades
• Budd Company – Historically notable user of stainless steel
• Surface finishing
• Architectural steel

[edit] References

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Rustorezista ŝtalo, rustoimuna aŭ neoksidebla ŝtalo

La rustorezista ŝtalo enhavas de 10,5 ĝis 13 procentojn da kromo, kiuj estas solvitaj en aŭstenitaj aŭ feritaj mikskristaloj. La efiko baziĝas sur tio, ke la granda kromproporcio havas protektan funkcion per la dika pasiva surfaca tavolo el kroma oksido. Pluaj alojopartoj kiel nikelo, molibdeno, mangano kaj niobo kondukas al pli korodorezistaj proprecoj.

Ĝi estas uzata en jetmotoroj, produktado de kemiindustriaj instalaĵoj, kuirejaj ujoj, tranĉiloj.

La rustorezista ŝtalo estis patentigita en 1912 fare de firmao Fried. Krupp AG en Essen kaj la produktado rapide elvolviĝis.

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El acero inoxidable es un tipo de acero resistente a la corrosión, dado que el cromo que contiene posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro. Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Contiene, por definición, un mínimo de 10,5% de cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno. Al igual que la mayoría de los aceros, vienen regulados en España por la norma UNE 36001 que los clasifica dentro de la serie F310.

Historia [editar]

Los primeros trabajos realizados para la fabricación de los hierros y aceros inoxidables datan del siglo XIX. Ya en aquellos días se sabía que el hierro aleado con ciertos metales, como el cobre y el níquel resistía mejor a la oxidación que el hierro ordinario. En 1865 ya se hacían, aunque en cantidades muy limitadas, aceros con 25 y 35% de níquel que resistían muy bien la acción de la humedad del aire y, en general, del medio ambiente; pero se trataba de fabricaciones en muy pequeña escala que nunca se continuaron. En esa época no se llegó a estudiar ni a conocer bien esta clase de aceros. En 1872 Woods y Clark fabricaron aceros con 5% de cromo que tenían también mayor resistencia a la corrosión que los hierros ordinarios de esa época. Posteriormente en 1892 Hadfield, en Sheffield, estudió las propiedades de ciertos aceros aleados con cromo y dio a conocer en sus escritos que el cromo mejoraba sensiblemente la resistencia a la corrosión. En 1904-1910, Guillet y Portevin, en Francia, realizaron numerosos estudios sobre aceros aleados con cromo y níquel, determinando microestructuras y tratamientos de muchos de ellos. Llegaron a fabricar aceros muy similares a los típicos aceros inoxidables que se usan en la actualidad, pero hasta entonces nunca le dieron especial atención a la inoxidabilidad.

El desarrollo original de lo que son actualmente los aceros inoxidables aconteció en los albores de la primera guerra mundial. En forma independiente y casi simultánea, en Inglaterra y en Alemania se descubrieron los aceros inoxidables tal como los conocemos ahora. El metalúrgico inglés Harry Brearly investigando cómo mejorar una aleación para proteger los cilindros de los cañones, encontró que agregando cromo a los aceros de bajo carbono, obtenía aceros resistentes a las manchas (stainless) o resistentes a la oxidación. Los doctores Strauss y Maurer, de Alemania, en 1912 patentaron dos grupos de aceros inoxidables al cromo-níquel de bajo contenido de carbono; uno de éstos, con la denominación 18-8, ha sido utilizado desde entonces en numerosas aplicaciones.

Las propiedades y composiciones de los aceros inoxidables se mantuvieron en secreto por los países beligerantes mientras duró la primera guerra mundial. Posteriormente, a partir de las pocas aleaciones experimentadas en 1920. y de un limitado número de grados comercialmente disponibles en 1930, la familia de los aceros inoxidables ha crecido en forma impresionante. En la actualidad se cuenta con un gran número de tipos y grados de acero inoxidable en diversas presentaciones, y con una gran variedad de acabados, dimensiones, tratamientos, etc.

Un metal muy diferente [editar]

Como todos los tipos de aceros, el acero inoxidable no es un metal simple sino una aleación. Lo que tienen en común todos los aceros es que el principal ingrediente (elemento de aleación) es hierro, al que se añade una pequeña cantidad de carbono. El acero inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando se descubrió que una pequeña cantidad de cromo (habitualmente un mínimo de 11%) añadido al acero común, le daba un aspecto brillante y lo hacía altamente resistente a la suciedad y a la oxidación. Esta resistencia a la oxidación, denominada «resistencia a la corrosión», es lo que hace al acero inoxidable diferente de otros tipos de acero.

No es un revestimiento [editar]

El acero inoxidable es un material sólido y no un revestimiento especial aplicado al acero común para darle características “inoxidables”. Aceros comunes, e incluso otros metales, son a menudo cubiertos o “bañados” con metales blancos como el cromo, níquel o zinc para proteger sus superficies o darles otras características superficiales. Mientras que estos baños tienen sus propias ventajas y son muy utilizados, el peligro radica en que la capa puede ser dañada o deteriorarse de algún modo, lo que anularía su efecto protector. La apariencia del acero inoxidable puede, sin embargo, variar y dependerá en la manera que esté fabricado y en su acabado superficial.

El acero inoxidable está en todas partes [editar]

Su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Sin embargo, justo después de su descubrimiento se apreció que el material tenía otras muchas valiosas propiedades que lo hacen idóneo para una amplia gama de usos diversos. Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas, hecho que puede comprobarse con tan solo unos ejemplos:

• En el hogar: cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas, equipamiento de jardín y mobiliario.
• En la ciudad: paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructuras de las estaciones.
• En la industria: equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y petroquímicas, componentes para la automoción y aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos.

Tipos de aceros inoxidables [editar]

Los aceros inoxidables que contienen solamente cromo se llaman ferríticos, ya que tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. Son magnéticos y se distinguen porque son atraídos por un imán. Con elevados porcentajes de carbono, estos aceros son templables y pueden, por tanto, endurecerse por tratamiento térmico. A estos aceros endurecidos se llaman aceros inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica.

Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel se llaman austeníticos, ya que tienen una estructura metalográfica en estado recocido, formada básicamente por austenita. No son magnéticos en estado recocido y, por tanto, no son atraídos por un imán.

Los aceros inoxidables austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener martensita. Se convierten en parcialmente magnéticos, lo que en algunos casos dificulta el trabajo en los artefactos eléctricos.

A todos los aceros inoxidables se les puede añadir un pequeño porcentaje de molibdeno, para mejorar su resistencia a la corrosión por cloruros.

Familias de los aceros inoxidables [editar]

A modo de ejemplo cabe citar las siguientes aleaciones de acero inoxidable que se comercializan:

• Acero inoxidable extrasuave: Contiene un 13% de Cr y un 0,15% de C. Se utiliza en la fabricación de: elementos de máquinas, álabes de turbinas, válvulas, etc. Tiene una resistencia mecánica de 80 kg/mm2 y una dureza de 175-205 HB.

• Acero inoxidable 16Cr-2Ni: Tiene un porcentaje de 0,20% de C, 16% de Cr y 2% de Ni. Alcanza una resistencia mecánica de 95 kg/mm2 y un dureza de 275-300 HB. Se suelda con dificultad, y se utiliza para la construcción de álabes de turbinas , ejes de bombas,utensilios de cocina, cuchillería, etc.

• Acero inoxidable al cromo níquel 18-8 tiene un 0,18 de C, un 18% de Cr y un 8% de Ni Tiene una resistencia mecánica de 60 kg/mm2 y una dureza de 175-200Hb, Es un acero inoxidable muy utilizado porque resiste bien el calor hasta 400ºC. Tiene una gran cantidad de aplicaciones.

• Acero inoxidable al Cr- Mn: Tiene un 0,14% de C, un 11% de Cr y un 18% de Mn. Alcanza una resistencia mecánica de 65 kg/mm2 y una dureza de 175-200HB. Es soldable y resiste bien altas temperaturas. Es amagnético. Se utiliza en colectores de escape y elementos parecidos.

Mientras la forma original del acero inoxidable (aleación de hierro con aproximadamente 12% cromo) todavía es muy utilizada, los ingenieros tienen ahora muchas opciones en cuanto a los diferentes tipos. Entre todos, hay más de 100 tipos diferentes pero están clasificados normalmente en diferentes “familias” metalúrgicas, tales como austeníticos, ferríticos, martensíticos y dúplex.

La proporción de hierro y cromo puede variar y otros elementos como el níquel, molibdeno, manganeso y nitrógeno, pueden ser incorporados para ampliar la gama de posibilidades. Cada tipo de acero inoxidable tiene sus propias características mecánicas y físicas y será fabricado de acuerdo con la normativa nacional o internacional establecida.

Usos del acero inoxidable [editar]

Los aceros inoxidables se utilizan principalmente en cuatro tipos de mercados:

• Electrodomésticos: grandes electrodomésticos y pequeños aparatos para el hogar.
• Automoción: especialmente tubos de escape.
• Construcción: edificios y mobiliario urbano (fachadas y material).
• Industria: alimentación, productos químicos y petróleo.

Su resistencia a la corrosión, sus propiedades higiénicas y sus propiedades estéticas hacen del acero inoxidable un material muy atractivo para satisfacer diversos tipos de demandas, como lo es la industria médica.

Acero inoxidable en la industria médica [editar]

Existe una diversidad de composiciones químicas para el acero inoxidable, las cuales le otorgan cualidades particulares y deseadas; desde el grado de implante médico, hasta la facilitación de manufactura de instrumentos quirúrgicos. Entre los aceros empleados en la industria médica se encuentran comúnmente los siguientes:

• 17-4
• 304
• 316
• 316L
• 455
• 589

Muchos de éstos pueden ser sometidos a un tratamiento térmico con el fin de modificar sus cualidades físicas. Por ejemplo, el acero inoxidable 17-4 puede ser tratado al calor, por una duración determinada, con el fin de lograr cierto grado de dureza y así, hacer que el objeto funcione adecuadamente por más largo tiempo. Es importante que las condiciones sean controladas, desde la temperatura y tiempo de horneado, hasta la limpieza de la atmósfera del horno y del acero en sí. La dureza del acero inoxidable puede ser medida en la escala Brinell, Rockwell u otras.

Adicionalmente, una capa pasiva puede ser aplicada para la inhibición del óxido o de reacciones con algún elemento, mas no siempre es el caso pues no siempre es ni necesario ni requerido, por razones de costo o porque no todos los aceros inoxidables pueden ser tratados.

Véase también [editar]

• Acero
• Dureza

Enlaces externos [editar]

• acerca del acero inoxidable Cedinox
• acerca del acero inoxidable International Stainless Steel Forum

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Ruostumattomasta teräksestä valmistettu astiainpesuallas

Ruostumattomaksi teräkseksi kutsutaan rautaseosta, joka sisältää kromia enemmän kuin 10 prosenttia.

Ruostumattomien terästen hyvä korroosionkestävyys perustuu sen sisältämään kromiin. Ruostumattomassa teräksessä kromi reagoi hapen kanssa ja muodostaa suojaavan kalvon teräksen pinnalle. Suojakalvon muodostumista metallipinnalle kutsutaan passivoitumiseksi. Passiivikalvo on äärimmäisen ohut ja valoa läpäisevä, siksi pinta on metallisen kirkas. Passiivikalvoon käytössä syntyvät naarmut ja muut rikkoutumat korjautuvat itsekseen hapettavassa ympäristössä. Arkikielessä ruostumatonta terästä kutsutaan usein nimellä rosteri (väännös ruotsin sanasta "rostfri", ruostumaton).

Korroosionkestävyyden varmistamiseksi myös hitsattavissa teräksissä pyritään estämään kromikarbidien erkautuminen raerajoilla ajamalla AOD-konvertterissa terässulan hiilipitoisuus happipuhalluksen avulla mahdollisimman matalaksi, yleensä enimmillään 0,030 % pitoisuuteen.

Eräänä ruostumattoman teräksen keksijänä tunnetaan englantilainen Harry Brearly, joka kokeillessaan erilaisia seoksia havaitsi vuonna 1912 kromirautaseosten olevan ruostumattomia. Teräksentuottaja Friedrich Krupp sai vuonna 1912 patentin "korkean korroosionkestävyyden omaaville" austeniittisille CrNi-teräksille.

[muokkaa] Ruostumattomat teräslajit

Ruostumattomat teräkset voidaan luokitella pääseosaineiden tai mikrorakenteen mukaan.

[muokkaa] Koostumuksen mukainen luokittelu

• CrNi-teräkset eli tavalliset austeniittiset ruostumattomat teräkset
• austeniittiset CrMnNi-teräkset eli ns. austeniittiset ruostumattomat mangaaniteräkset
• austeniittiset CrNiMo-teräkset eli "haponkestävät"
• austeniittiset CrNiTi- ja CrNiMoTi-teräkset eli titaanistabiloidut teräkset
• Cr- tai CrTi-teräkset ferriittisiä tai martensiittisia (voidaan stabiloida seostamalla titaania)

[muokkaa] Mikrorakenteen mukainen luokittelu

• austeniittiset
• ferriittiset
• duplex- eli ferriittisausteniittiset teräkset
• martensiittiset teräkset

[muokkaa] Seosaineiden vaikutus mikrorakenteeseen

Austeniittisissa teräksissä on toisena pääseosaineena aina nikkeliä ja/tai mangaania kromin lisäksi. Tyypillinen koostumus on 18% Cr ja 8% Ni. Austeniittista rakennetta stabiloivia seosaineita ovat C, Mn, Ni, Cu ja N.

Välisija-atomeina austeniittiin liukenevat hiili ja etenkin typpi lujittavat voimakkaasti terästä.

Titaania käytetään hiilen sitomiseen niin, ettei se erkaudu esimerkiksi hitsin hitaasti jäähtyessä raerajoille kromikarbideina, mikä altistaisi teräksen raerajakorroosiolle. Typpi lisää teräksen myötölujuutta. Molybdeeni parantaa pistesyöpymiskestävyyttä kloridipitoisissa liuoksissa. Tavallisissa haponkestävissä kauppateräksissä on molybdeenia 2% tai 2,5%. Hyvin korroosionkestävissä erikoisteräksissä molybdeenia voi olla 3-6%.

Ferriittisten terästen mikrorakennetta stabiloivat seosaineet Cr, Si ja Mo

Näissä teräksissä on kromia 12-25% ja hiiltä alle 0,1%. Rakenne on ferriittinen ja magneettista, mutta teräs ei karkene lämpökäsittelyllä. Ferriittisen rakenteen varmistamiseksi pyritään austeniittia suosivien alkuaineiden pitoisuudet saamaan mahdollisimman pieniksi.

[muokkaa] Standardit

Tunnettuja ruostumattomien terästen standardeja:

• EN 10088-1 Ruostumattomat teräkset. Osa 1: Ruostumattomien terästen luettelo
• EN 10088-2 Ruostumattomat teräkset. Osa 2: Yleiseen käyttöön tarkoitetut korroosionkestävät levyt ja nauhat. Tekniset toimitusehdot
• EN 10088-3 Ruostumattomat teräkset. Osa 3: Yleiseen käyttöön tarkoitetut korroosionkestävät tangot, valssilangat, langat, profiilit, kirkkaat tuotteet ja puolivalmisteet. Tekniset toimitusehdot
• EN 10028-7 Painelaiteteräkset. Levytuotteet. Osa 7: Ruostumattomat teräkset
• EN 10217-7 Hitsatut painelaiteteräsputket. Tekniset toimitusehdot. Osa 7: Ruostumattomat teräsputket
• ASTM A240 Ruostumattomat teräkset, nauhat ja levyt paineastioihin (lajit, koostumus ja mekaaniset ominaisuudet)
• ASTM A480 Ruostumattomat teräkset, tekniset toimitusehdot (koestusvaatimukset, toimitustilat, mittatoleranssit, ainestodistukset)

[muokkaa] Teräslajien standardimerkinnät

Tavallisimmat CrNi-teräslajit ovat 1.4307 (EN) / 304L (ASTM), 1.4301 / 304, CrNiTi-teräs 1.4541 / 321, "haponkestävät" eli CrNiMo-teräkset 1.4404, 1.4432, 1.4436 / 316L ja CrNiMoTi-teräs 1.4571 / 316Ti

[muokkaa] Standardilajien vastaavuuksia

Nykyisin on yleistä, että matalahiilistä teräslajia myydään normaalihiilisen lajin ainestodistuksella, koska matalahiilinen laji täyttää myös normaalihiilisen lujuusvaatimukset: Esimerkiksi samalta matalahiiliseltä sulatukselta voidaan toimittaa teräslajeja 316L ja 316. Tästä on logistista etua sekä teräksen valmistajalle että ostajalle, koska siten voidaan vähentää varastossa olevien terälajien lukumäärää.

[muokkaa] Ruostumattomien toimitustiloja

[muokkaa] Käyttö

Teräksiä käytetään useimmin pehmeäksi hehkutettuina. Kylmämuokkaamalla lujitettuja austeniittisia teräksiä käytetään myös kuljetusvälineisiin niiden hyvän lujuus-paino -suhteen vuoksi.

Ruostumatonta teräksistä yleisimpiä ovat austeniittiset laadut, joita käytetään muun muassa aterimiin, kattiloihin, kulhoihin, keittiökalusteisiin, olutastioihin sekä elintarvike-, paperiteollisuuden ja kemianteollisuuden laitteisiin, joissa on suuri korroosion riski. Sitä käytetään muun muassa säiliöiden, putkien ja paperikoneiden valmistukseen. Auton katalysaattorit ja pakoputket voidaan valmistaa osaksi ruostumattomasta teräksestä. Rakennusmateriaalina ruostumattoman teräksen käyttö on kasvamassa sen lujuuden ja syöpymiskestävyyden ansiosta julkisivuissa.

Useissa käyttökohteissa myös pinnanlaatu ja ulkonäkö on tärkeä: kiiltohehkutettuna, mekaanisesti tai elektrolyyttisesti kiillotettuna pinta on hyvin heijastava, peilimäinen ja sellaisena helposti puhdistettava, elintarvike- ja lääketeollisuuskäyttöön soveltuva.

[muokkaa] Valmistus

Raaka-aineista pääosa on kierrätettyä teräsromua, sekä ruostumatonta että seostamatonta hiiliterästä. Raaka-aineina käytetään lisäksi muita metallisia ns. primäärisiä raaka-aineita, kuten ferrokromia (FeCr), ferronikkeliä (FeNi), elektrolyyttinikkeliä (Ni), ferromangaania (FeMn), elektrolyyttimangaania (Mn), ferropiitä (FeSi), ferrotitaania (FeTi) jne.

Nykyisin tavallisin teräksenvalmistusreitti on valokaariuuni + AOD-konvertteri. Valokaariuunissa tapahtuu teräsromun ja seosaineiden sulattaminen. Seuraavaksi AOD-konvertterissa (Argon-Oxygen-Decarburisation) happipuhalluksella sulasta poltetaan ensin hiili mahdollisimman tarkkaan. Tällöin hapettuu myös osa kromista, piistä ja mangaanista ja siirtyy oksidina teräksen pinnalle syntyvään kuonaan. Siksi sula täytyy pelkistää, eli vapauttaa kuonautuneet seosaineet hapesta, jolloin seosaineet siirtyvät takaisin puhtaana metallina terässulaan. Pelkistäminen tehdään lisäämällä teräkseen piitä.

Lopuksi sulalle tehdään rikinpoisto. AOD:lla tapahtuu myös koostumuksen täsmäys asiakkaan vaatimiin arvoihin. Ennen valua otetusta näytteestä tarkistetaan koostumus.

Jatkuvavalulla tehdyt aihiot kuumavalssataan nauhoiksi, jotka lämpökäsitellään ja peitataan jatkuvatoimisilla linjoilla. Peitattu kuumanauha yleensä vielä kylmävalssataan ohuemmaksi ja lopuksi hehkutetaan ja peitataan. Happopeittaus poistaa teräksen pintaan lämpökäsittelyssä syntyneen oksidihilseen.

Peitatun nauhan pinta on mattamainen. Nauhan pintaa voidaan vielä lievästi viimeistelyvalssata, harjata tai hioa erilaisen pinnan ulkonäön aikaan saamiseksi.

[muokkaa] Ekologisuus ja taloudellisuus

Ruostumaton teräs on käytössä pitkäikäinen ja siksi myös ekologinen materiaali. Ruostumattoman teräksen voi käytöstä poistettuna teräsromuna käyttää kokonaan raaka-aineena uudelleen. Mitä enemmän ruostumattoman teräksen romusta saadaan kiertoon, sitä vähemmän tarvitaan kalliita primäärisiä seosmetalleja kuten nikkeliä ja molybdeeniä. Nikkelin ja molybdeenin hinnat vaihtelevat voimakkaasti syklisesti, mikä heijastuu voimakkaasti ruostumattoman teräksen markkinahinnan ja kulutuksen vaihteluun. Eräissä vaatimattomissa käyttökohteissa voidaan perinteinen 18-8-teräs korvata sitä halvemmalla AISI 201-tyyppisellä teräksellä, jossa huomattava osa nikkelistä on korvattu seostamalla mangaania ja typpeä. Mangaanin laajamittaista käyttöä nikkelin korvaajana haittaa sen alhainen saanti romusta. Mangaani palaa suurimmaksi osaksi sulatuksen aikana oksidiksi ja siirtyy terässulasta kuonaan.

Sulatukseen kuluu runsaasti sähköenergiaa, koska sula on kuumennettava noin 1700 asteeseen ja sulan happipuhalluksessa hiilen palaessa kehittyy vain vähän ylimääräistä lämpöä.

Vaikka ruostumattoman teräksen hinta tuntuu usein korkealta, jää teräksen elinkaaren aikainen kokonaiskustannus (ns. elinkaarikustannus) pitkän käyttöiän ansiosta yleensä pienemmäksi verrattuna moneen muuhun materiaaliin (esim. maalattu hiiliteräs tai alumiini).

[muokkaa] Teräslajien ominaisuudet

Austeniittiset ruostumattomat ovat hyvin muovattavia, sitkeitä matalissa lämpötiloissa, hyvin hitsattavia ja lujuutensa säilyttäviä korkeissa lämpötiloissa.

Austeniittisilla teräksillä ei ole iskusitkeyden transitioläpötilaa, vaan ne säilyttävät korkean iskusitkeyden vielä −196 °C:n lämpötilassa.

Painelaite- ja rakenneputkia valmistetaan teräsnauhoista hitsaamalla. Yleisimmin putket valmistetaan TIG- ja LASER-hitsausmenetelmillä ilman lisäainetta.

Austeniittiset teräkset eivät ole lämpökäsiteltynä magneettisia, siksi ne voi erottaa ferriittisistä teräksistä magneetilla kokeilemalla. Metastabiili austeniitti säilyy huoneenlämpötilaan asti siihen liuenneiden seosaineiden ansiosta.

Kylmämuokkauksessa metastabiilista austeniittista syntyy α´-martensiittia, joka lujittaa voimakkaasti ja on magneettinen faasi. Martensiittia muodostuu myös venytysmuovauksessa kuten pesualtaan valmistuksessa. Muokkausmartensiitti parantaa venytysmuovattavuutta estämällä ennenaikaista murtumista paikallisen kuroutuman kohdalla. Epästabiilin koostumuksen vaikutus ilmenee vetokokeessa sekä murtolujuuden että tasavenymän kasvuna. Muokkauksessa syntyy sitä enemmän martensiittia, mitä niukemmin teräs on seostettu, mitä matalampi muokkauslämpötila ja mitä korkeampi muokkausaste on. Vastaavasti runsasseosteista laatua olevaan riittävän korkeaan lämpötilaan esilämmitettyyn kappaleeseen ei synny muokkausmartensiittia, jolloin lujittuminen ja muokkausenergian tarve on vähäisempi kuin huoneenlämpötilassa tehdyssä muokkauksessa.

Syvävedossa martensiitin muodostumisesta on haittaa jo siksi, että se lisää voimantarvetta. Niinpä tyypillisessä syvävetoprosessissa, kattilan vedossa valitaan mahdollisimman stabiili koostumus. Venytysmuovaukseen puolestaan sopii tavallista epästabiilimpi koostumus.

Muovaukseen tarkoitettujen austeniittisten terästen stabiilisuuden mittana käytetään koostumuksesta laskettavaa Md30-lämpötilaa.

Ferriittiset teräkset ovat austeniittisia lajeja halvempia, koska niissä ei ole kallista nikkeliä seosaineena. Ferriittisten terästen kylmäsitkeys ei ole niin hyvä kuin austeniittisten.

Duplextyyppiset teräkset sisältävät likimain yhtä paljon austeniittista ja ferriittistä mikrorakennetta, joka on saatu seostamalla teräkseen enemmän ferriittiä suosivia ja vähemmän austeniittia suosivia aineita kuin austeniittisilla teräslajeilla. Näissä teräksissä yhdistyvät parhaimmillaan sekä austeniittisten että ferriittisten hyvät ominaisuudet hitsattavuuden, muovattavuuden ja korroosionkestävyyden puolesta.

Martensiittiset teräkset ovat erittäin lujia, mutta usein myös kylmähauraita ja huonosti muovattavia. Ne soveltuvat hyvin työkalumateriaaleiksi, kun vaaditaan lujuutta ja kulumiskestävyyttä. Tyypillisiä käyttökohteita ovat leikkurinterät ja veitset.

[muokkaa] Korroosio

Myös ruostumattomia teräksiä vaivaa korroosio eri muodoissaan, vaikka ne eivät ruostukaan kuten hiiliteräkset. Kloridipitoiset liuokset aiheuttavat pistesyöpymiä ja austeniittisilla teräksillä hitsatuissa rakenteissa jännityskorroosiota. Ferriittiset teräkset ovat immuuneja jännityskorroosiolle.

Molybdeeni parantaa pistekorroosiokestävyyttä. Parhaimman korroosionkestävyyden omaavissa lajeissa on jopa 6% molybdeenia, mutta siten ne ovat myös hyvin kalliita.

[muokkaa] Raerajakorroosio

Lämpökäsittelyn tai hitsauksen jälkeen tapahtuvassa hitaassa jäähtymisessä korkeahiilisissä (yli 0,05% C) teräslajeissa voi raerajoille erkautua kromikarbideja synnyttäen ympärilleen kromiköyhän vyöhykkeen. Ilmiötä kutsutaan teräksen herkistymiseksi. Herkistyneet kromista köyhtyneet raerajat syöpyvät selektiivisesti happoliuoksissa. Teräkseen seostetaan titaania tai niobia hiilen sitomiseksi ja siten herkistymiseen johtavien raerajakarbidien synnyn ehkäisemiseksi. Parannettuun raerajakorroosionkestävyyteen päästään myös alemmalla hiilipitoisuudella (max 0,030%).

Raerajakorroosio

[muokkaa] Raerajakorroosiokoe

Korroosionkestävyyden varmistamiseksi on standardoituja testimenetelmiä. Näistä tunnetuin on raerajakorroosion testausta varten kehitetty Straussin koe (kuparisulfaatti-rikkihappoliuos) standardien ASTM A162 Practice E ja SFS EN ISO 3651-2 menetelmän A mukaan suoritettuna. Raerajakorroosiokoe tehdään matalahiilisille ja stabiloiduille lajeille herkistyslämpökäsiteltynä, muutoin lopputuotteen valmistustilassa. Testikappaleet taivutetaan ( 90 - 180°) CuSO₄·H₂SO₄-liuoksessa 16 - 24 h keittämisen jälkeen. Testikappaleen taivutuskohdan vetopuolella ei saa olla murtumia hyväksytyn testin jälkeen.

[muokkaa] Aiheesta muualla

• Lindroos, Sulonen, Veistinen: Uudistettu Miekk-ojan Metallioppi ISBN 951-666-216-1
• Outokummun kotisivu
• Ruostumattomien terästen tuote-esite Steel Grades, Properties and Global Standards (englanniksi)
• Teräsrakenneyhdistys: RST-käsikirja
• Kyröläinen, Lukkari: Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus, MET, ISBN 951-817-794-5
• Fortes, Ferreira: Materiais dois mil, Part 1.2 Novel stainless steels (ed. A.Kyröläinen in English), ISBN 972-8469-23-2
• Euro Inox (monikielinen, myös suomeksi)

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Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie quotidienne, industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports, médecine et chirurgie, etc. Comme les autres aciers, ce sont des alliages de fer et de carbone auquel on vient ajouter du chrome et d'autres éléments, notamment le nickel, mais aussi parfois le molybdène et le vanadium, afin d'améliorer la résistance à la corrosion.

Rappels sur la corrosion [modifier]

Les phénomènes de corrosion des métaux sont surtout de nature électrochimique. En présence d'une solution de type électrolyte, le potentiel métal-solution varie selon les points de la surface et de ce fait, des courants électriques apparaissent et provoquent l'endommagement du métal.

La résistance à la corrosion dépend de la valeur de ces potentiels et surtout de leur répartition sur les surfaces. Toutes les hétérogénéités donnent naissance à des couples électriques, à commencer par celles qui résultent des différences de structure et de composition des microcristaux qui constituent le matériau lui-même. D'autres hétérogénéités sont dues à la présence de soudures, de rivets, de façonnages locaux entraînant un écrouissage (dans les tôles pliées par exemple), mais aussi au frottement contre des pièces antagonistes ou même à de simples rayures.

A chaud, la diffusion des agents corrosifs dans l'épaisseur du métal peut compliquer encore le problème.

La lutte contre la corrosion est une préoccupation constante dans beaucoup de domaines industriels. Une solution relativement simple consiste à recouvrir la surface à protéger par un matériau insensible au milieu agressif, matériau qui peut être métallique ou non. Les peintures, les vernis, certains traitements de surface, les revêtements métalliques de plomb, de zinc, de nickel, de chrome, etc. peuvent être souvent utilisés avec succès. Il est possible également de remplacer les métaux par d'autres matériaux de plus grande inertie chimique comme le graphite, la céramique, le verre, les matières plastiques, etc.

Généralités sur les aciers inoxydables [modifier]

Composition des aciers inoxydables [modifier]

Pour être classé dans la catégorie inoxydable, un acier doit contenir au moins 10,5% de chrome et moins de 1,2% de carbone.

(Analyse Chimique en % pondéral) La plupart des aciers inoxydables utilisés sont conformes à des normes :

• Européennes (Norme EN 10088 en particulier)
• Américaines (Normes de l'AISI)

Les normes d'autres pays existent également mais sont peu connues internationalement.

Produits en aciers inoxydables [modifier]

Les principales formes de produits sont :

• les tôles à chaud et à froid
• les barres
• les fils
• les demi-produits destinés soit à être forgés, soit relaminés
• les fibres

Généralités [modifier]

En plus de la résistance à la corrosion qui caractérise les matériaux énumérés plus haut, les aciers inoxydables possèdent une qualité déterminante qui est la résistance mécanique.

L'élément d'alliage auquel les aciers inoxydables doivent leur principale caractéristique est le chrome. Contrairement à ce que l'on croit généralement, ce métal est très réactif du point de vue chimique et il est en particulier très oxydable, mais son oxyde forme une véritable peau à la fois transparente et protectrice. Allié au fer et au nickel, il provoque la formation d'un composé de surface oxydé capable de ralentir ou même d'arrêter totalement la corrosion.

Le chrome et le nickel s'oxydent ainsi :

4 Cr + 3 O₂ → 2 Cr₂O₃

2 Ni + O₂ → 2 NiO

Le terme « inoxydable » est en fait trompeur et très mal choisi ...

Comme nous le verrons, il existe de très nombreuses nuances d'acier inoxydables et le choix est parfois difficile, car ils n'ont pas tous le même comportement dans un milieu donné. On les désigne souvent par les pourcentages massiques en nickel et en chrome. Ainsi, un inox 18/10, tel que ceux utilisés en coutellerie, pour les couverts et pour la cuisine en général, contient 18 % en masse de chrome et 10 % en masse de nickel. Cette désignation est en fait très insuffisante car elle ne préjuge en rien de la structure métallurgique ...

La teneur en chrome est dans tous les cas d'au moins 12 %. D'autres éléments d'alliage, pour l'essentiel des métaux relativement « nobles » comme le nickel, le molybdène, le cuivre, améliorent encore la résistance chimique, en particulier dans les milieux non oxydants.

Les propriétés de résistance de ces alliages ont été découvertes en 1913 lorsque l'on s'aperçut que des échantillons polis en vue d'examens de laboratoire ne subissaient pas d'oxydation. En fait, on peut dire que :

• les aciers inoxydables ne peuvent être corrodés à froid qu'en présence d'humidité. C'est ainsi qu'ils résistent au chlore, gaz pourtant très corrosif, pourvu que ce dernier soit parfaitement sec.
• l'action des solutions aqueuses est telle que la corrosion électrochimique prend le pas sur la corrosion chimique directe ; la bonne tenue du matériau dépend, comme cela a été écrit plus haut, des potentiels électrochimiques en surface et de leur répartition.
• comme l'aluminium, métal extrêmement oxydable qui se recouvre d'un oxyde protecteur, les aciers inoxydables se comportent de manière active lorsqu'ils viennent d'être usinés, décapés ou polis et de manière passive lorsque les attaques extérieures ont permis de former la « peau » qui les protège.
• une bonne utilisation des aciers inoxydables nécessite donc un métal d'une très grande homogénéité pour éviter des corrosions locales et un passage de l'état actif à l'état passif en tous les points de la surface exposée.

Par rapport à une électrode à hydrogène de référence, le potentiel des aciers inoxydables se situe entre le molybdène et le mercure, non loin de l'argent et du platine.

Le dépôt de particules ferreuses sur les surfaces d'acier inoxydable est très dangereux en milieu humide, car la rouille sert de catalyseur et la surface finit par se « piquer ».

Histoire - Découverte [modifier]

Les premiers alliages de fer résistant à la corrosion furent coulés dès l'antiquité : le pilier de fer de Delhi, érigé sous ordre de Kumarâgupta I^er au V^e siècle subsiste encore de nos jours en parfait état. Cependant une distinction doit être faite dans le vocabulaire : ces alliages devaient leur résistance à leur haute teneur en phosphore, et non en chrome. Il ne s'agissait donc pas d'aciers inoxydables dans le sens que l'on donne actuellement au terme. Dans ces alliages et sous des conditions climatiques favorables, il se forme en surface une couche de passivation d'oxyde de fer et de phosphates qui protège le reste du métal bien mieux qu'une couche de rouille.

Les premiers aciers résistants à base de chrome furent développés par le métallurgiste français Pierre Berthier, qui remarqua leur résistance à certains acides et imagina leur application en coutellerie. Cependant, à l'époque, on n'utilisait pas les bas taux en carbone et haut taux en chrome couramment utilisés dans les aciers inoxydables modernes, et les alliages obtenus alors, trop riches en carbone, étaient trop fragiles pour avoir un véritable intérêt.

Dans les années 1890, l'Allemand Hans Goldschmidt développa et breveta un procédé appelé la thermite qui permettait d'obtenir du fer sans carbone. Entre 1904 et 1911, divers chercheurs, notamment le Français Léon Guillet, mirent au point différents alliages que l'on pourrait aujourd'hui considérer comme inoxydables. En 1911, l'Allemand Philip Monnartz mettait en évidence l'influence du taux en chrome des alliages et leur résistance à la corrosion.

Enfin, en 1913, l'Anglais Harry Brearley des laboratoires Brown-Firth, en travaillant sur l'érosion dans les canons d'armes à feu, dévellopa dans la ville de Sheffield en Angleterre un acier qu'il baptisa rustless (« sans-rouille ») et qui sera ensuite rebaptisé stainless (« sans-tâche », ou « pur ») qui sera officiellement le premier acier à porter le nom d'« inoxydable », et rentra dans l'histoire comme leur inventeur. Il s'agissait alors d'un acier inoxydable martensitique (0,24 % en carbone et 12,8 % en chrome). Cependant d'autres aciers comparables avaient été développés en Allemagne par Eduard Maurer et Benno Strauss qui élaboraient un acier inoxydable austénitique (21 % de chrome et 7 % de nickel) pour Krupp Ag. Aux États-Unis, Christian Dantsizen et Frederick Becket lancèrent déjà la fabrication industrielle d'acier inoxydable ferritique. En 1908, Krupp avait déjà construit des navires à coque en acier inoxydable chrome-nickel.

En 1924, W. H. Hatfield, qui succéda à Harry Brearley à la tête des laboratoires Brown-Firth, élabora l'acier « 18/8 » (18 % en masse de chrome et 8 % en nickel) qui est probablement le représentant le plus utilisé des aciers inoxydables fer/chrome.

Types de corrosion des aciers inoxydables [modifier]

Comme tous les métaux, ces aciers peuvent subir une corrosion chimique uniforme qui attaque les surfaces de manière régulière ; on peut alors mesurer la masse perdue par unité de surface et par unité de temps.

corrosion intergranulaire

D'autres formes de corrosion caractérisent les aciers inoxydables austénitiques et peuvent se révéler très gênantes à l'usage :

• la corrosion intergranulaire, en cheminant entre les microcristaux du métal, finit par désagréger le métal. Elle est liée à la précipitation de carbure de chrome le long des joints. Pour qu'elle se produise, trois conditions doivent être remplies : au moins 0,035 % de carbone, une sensibilisation par un maintien à une température de 400 à 800°C, un milieu extérieur acide avec un pouvoir oxydant compris entre deux limites bien définies ;
• la corrosion par piqûres n'est généralement pas due à une hétérogénéité du matériau mais à la présence accidentelle d'une poussière métallique qui, en milieu humide, forme une pile électrique. La surface de l'acier constitue alors la cathode et se corrode. On peut ainsi voir des tôles de 2 mm d'épaisseur se percer en quelques heures. Un milieu à la fois très acide et très oxydant peut produire des effets similaires ;
• la corrosion sous contrainte provoque la mise hors service très rapide des objets qu'elle attaque. Elle est heureusement très rare. Pour qu'elle se produise, il faut que les pièces comportent des parties mises en tension, même faiblement, sous l'effet des contraintes de service ou des effets secondaires des soudures, de l'emboutissage ... et qu'elles soient en outre exposées à un milieu corrosif de type eau impure, solutions de chlorures même très diluées, soude caustique chaude.

Structure métallurgique et rôle des éléments d'addition [modifier]

Les éléments d’addition [modifier]

Le chrome [modifier]

Les aciers inoxydables sont des alliages fer-chrome ou plus exactement acier-chrome c'est-à-dire fer-carbone-chrome. Conformément à la norme européenne EN 10088-1 ^[1], un acier est classé acier inoxydable s’il contient au minimum 10,5 % en masse de chrome et au maximum 1,2 % en masse de carbone .

C’est le chrome qui donne aux aciers inoxydables leur résistance à la corrosion.

Le carbone [modifier]

La teneur en carbone est limitée à un maximum de 1,2 % en masse afin d’éviter la formation de carbures^[2] qui sont préjudiciables au matériau. Par exemple, le carbure M₂₃C₆ qui peut apparaître dans l'austénite 18-9 a un effet négatif vis-à-vis de la corrosion intergranulaire^[3].

Autres éléments [modifier]

Le nickel favorise la formation de structures homogènes de type austénitique, intéressantes pour éviter la corrosion mais à éviter soigneusement dans le domaine du frottement.

Le manganèse est un substitut du nickel. Certaines séries d’alliages austénitique ont été développées permettant de faire face aux incertitudes d’approvisionnement du nickel.^[4]

Le molybdène et le cuivre améliorent la tenue dans la plupart des milieux corrosifs, en particulier ceux qui sont acides, mais aussi dans les solutions phosphoriques, soufrées, etc. Le molybdène accroît la stabilité des films de passivation.

Le tungstène améliore la tenue aux températures élevées des aciers inoxydables austénitiques.

Le titane doit être utilisé à une teneur qui dépasse le quadruple de la teneur en carbone. Il évite l'altération des structures métallurgiques lors du travail à chaud, en particulier lors des travaux de soudure.

Le silicium joue également un rôle dans la résistance à l’oxydation, notamment vis à vis des acides fortement oxydant (acide nitrique concentré ou acide sulfurique concentré chaud ^[5]

Système fer-chrome [modifier]

Diagramme de phase fer-chrome.

Le fer pur possède trois formes allotropiques en fonction de la température :

• jusqu’à 910°C (point A3): forme alpha (α), ferrite (cubique centré),
• de 910 à 1400°C (point A4): forme gamma (γ), austénite (cubique face centrée),
• de 1400 à 1538 °C (température de fusion), forme delta (δ), ferrite (cubique centré).

Le chrome est un élément dit alphagène. Il favorise fortement la forme ferritique. Sur le diagramme de phase Fe-Cr, le domaine austénitique est assez réduit et est représenté par un domaine limité appelé boucle gamma.

Pour des teneurs supérieures à 11,5% de chrome, l’alliage reste ferritique dans toute la plage de température. Il y a disparition de la transformation allotropique α- γ. Entre 10,5 et 11,5% de chrome, l’alliage est biphasé ferrite + austénite dans certaines plages de température. Il subit une transformation ferrite/austénite pour des teneurs inférieures à 10,5%.

On notera, que le chrome entre 0 et 8% abaisse la température A3 et se comporte comme un élément gammagène. Ce comportement s’inverse pour de teneurs supérieures à 8%. Point à partir duquel, cette température augmente ^[6].

Pour certaines teneurs de chrome, dans le cadre d’un refroidissement lent, il peut y avoir formation de phase intermétallique sigma (σ) à des températures inférieures à 820°C. Elle précipite au joint de grain ou dans la matrice ferritique entraînant une fragilité ^[7].

Système fer-chrome-nickel [modifier]

Coupe du diagramme de phase ternaire Fe-Cr-Ni montrant l’évolution du domaine austénitique γ en fonction de la teneur en nickel.

Le nickel est à l’opposé du chrome un élément dit gammagène. Il ouvre le domaine austénitique.

Concrètement, l’addition de nickel augmente la taille de la boucle gamma.

Éléments α-gènes γ-gènes [modifier]

D’autres éléments ont un rôle alphagènes ou gammagènes. Un rôle particulier est tenu par le carbone et l’azote.

Le carbone à un rôle gammagène et rentre donc en compétition avec le chrome ^[3]. En fait plus que le carbone seul, c’est le couple carbone-azote dont il faut tenir compte. Ces deux éléments étant des éléments d’alliage d'insertion contrairement aux autres éléments qui sont des éléments de substitution^[8].

Les éléments alphagène sont le chrome, le molybdène, le silicium, le titane, le niobium, le vanadium, le tungstène, l'aluminium et le tantale^[9].

Les éléments gammagènes sont le nickel, le carbone, l'azote, le cobalt et le manganèse. Le manganèse peut avoir un rôle plus complexe^[9].

Diagramme de Pryce et Andrew.

Plusieurs modèles approximatifs ont été mis au point pour prévoir le comportement de l’alliage en fonction de la composition globale de l’alliage. Les teneurs sont affecté de coefficient établit par expérience afin de tenir compte du poids de chacun des éléments.

Pour les produits laminés, il existe le modèle de Pryce et Andrew donnant les équations suivantes :

• chrome équivalent : (Cr)_eq= (%Cr)+3(Si%)+(%Mo) ;
• nickel équivalent : (Ni)_eq= (%Ni)+0.5(%Mn)+21(%C)+11,5(%N)^[3].

On remarquera le poids important du carbone et de l’azote.

Il existe également le modèle de Schaeffler et le modèle de Delong pour les aciers inoxydables à l’état brut de soudage^[10].

Diagramme de Schaeffler

• Modèle de Schaeffler :

• chrome équivalent : (Cr)_eq= (%Cr)+1,5(Si%)+(%Mo)+0,5(%Nb)
• Nickel équivalent : (Ni)_eq= (%Ni)+0,5(%Mn)+30(%C).

• Modèle de Delong :

• Chrome équivalent : (Cr)_eq= (%Cr)+1,5(Si%)+(%Mo)+0,5(%Nb)
• Nickel équivalent : (Ni)_eq= (%Ni)+0,5(%Mn)+30(%C)+30(%N)

Contrairement au modèle de Schaeffler, le modèle de Delong prend en compte l’azote.

Types d'aciers inoxydables [modifier]

Les aciers au chrome sont ferritiques et magnétiques à l'état adouci. Certains se comportent comme des aciers spéciaux auto-trempants, d'autres ne se trempent que partiellement ou pas du tout. Les aciers au nickel-chrome sont en général austénitiques et le traitement d'hypertrempe, loin de les durcir, a au contraire la propriété de les adoucir. Il existe d'innombrables nuances appropriées aux usages les plus divers.

En ce qui concerne l'usage, on distingue les aciers martensitiques, ferritiques et austénitiques.

• Les aciers martensitiques sont utilisés lorsque les caractéristiques de résistance mécanique sont importantes. Les plus courants titrent 13 % de chrome avec au moins 0,08 % de carbone. D'autres nuances sont plus chargées en additions, avec éventuellement un faible pourcentage de nickel.
• Les aciers ferritiques ne prennent pas la trempe. On trouve dans cette catégorie des aciers réfractaires à haute teneur en chrome (jusqu'à 30 %), particulièrement intéressants en présence de soufre.
• Les aciers austénitiques sont de loin les plus nombreux, en raison de leur résistance chimique très élevée, de leur ductilité comparable à celle du cuivre ou du laiton, et aussi de leurs bonnes caractéristiques mécaniques élevées. Les teneurs en éléments d'addition tournent autour de 18 % de chrome et 10 % de nickel. La teneur en carbone est très basse et la stabilité améliorée par des éléments tels que le titane ou le niobium.
• Les aciers austéno-ferritiques ont des propriétés intermédiaires entre les deux précédentes catégories et parmi eux se trouvent des alliages particulièrement aptes à la soudure et d'autres très résistants à la corrosion intergranulaire.

La connaissance des types d'acier est essentielle pour les systèmes constitués d'éléments assemblés mécaniquement ou par soudage, la mise en présence de deux aciers inoxydables trop différents dans un électrolyte peut en effet provoquer des phénomènes de corrosion électrochimique très destructeurs.

Conditions à réunir pour favoriser la résistance à la corrosion [modifier]

Les facteurs favorables à la lutte contre la corrosion sont également applicables aux aciers inoxydables :

• Les surfaces doivent être décapées pour éliminer tous les oxydes résultant du travail à chaud : laminage, forgeage, traitements thermiques, assemblages par soudure, etc.,
• Ne traiter thermiquement que des pièces propres et sèches, sans traces de graisses, de résidus de produits dégraissants, et surtout sans particules ferreuses. Le nettoyage à l'acide nitrique avant traitement est généralement une excellente solution,
• Supprimer les tensions résiduelles résultant d'un écrouissage à froid, en particulier celles qui résultent de l'emboutissage,
• Éviter, lors de la conception des pièces, de créer des zones difficiles à nettoyer,
• Éviter tous les contacts non indispensables entre les pièces d'acier inoxydables et les autres matériaux, métalliques ou non,
• Plus encore pour les aciers inoxydables que pour les autres métaux, l'état de surface doit être particulièrement soigné car il conditionne l'établissement d'un film passivant.

Influence de divers milieux [modifier]

• Eaux industrielles : l'eau pure est sans effet mais les chlorures (et dans une moindre mesure beaucoup d'autres sels), même à l'état de traces, sont particulièrement néfastes pour les aciers inoxydables ; les nuances contenant du molybdène sont alors les plus indiquées.
• Vapeur d'eau : normalement sans effet, elle peut toutefois poser des problèmes si elle contient certaines impuretés.
• Atmosphères naturelles, à l'exception des atmosphères marines : elles posent d'autant moins de problèmes que l'acier contient davantage d'éléments nobles et que la surface est mieux polie.
• Atmosphères marines et industrielles : les aciers au chrome s'altèrent très lentement mais on préfère en général utiliser des aciers au molybdène.
• Acide nitrique : il attaque la plupart des métaux industriels mais l'acier inoxydable en général lui résiste particulièrement bien, par suite de la passivation de sa surface : le molybdène n'est intéressant que si l'acide contient des impuretés.
• Acide sulfurique : la résistance dépend beaucoup de la concentration et la présence d'impuretés oxydantes améliore la passivation. D'une manière générale les nuances austénitiques contenant du molybdène sont les meilleures.
• Acide phosphorique : la résistance est généralement bonne mais il faut surveiller les impuretés, en particulier l'acide fluorhydrique.
• Sulfites acides : la corrosion peut être catastrophique car ces solutions, que l'on rencontre souvent dans les papeteries, comportent beaucoup d'impuretés ; là encore les alliages au molybdène sont préférables.
• Acide chlorhydrique : la corrosion augmente régulièrement au fur et à mesure que la concentration augmente, l'association est donc à éviter.
• Acides organiques : ils ne sont généralement pas aussi corrosifs que les acides minéraux et ceux que l'on rencontre dans l'industrie alimentaire (acides acétique, oxalique, citrique, etc.) sont pratiquement sans effet.
• Solutions alcalines : les solutions froides n'ont pratiquement pas d'action mais il n'en est pas de même pour les solutions concentrées et chaudes.
• Solutions salines : le comportement est généralement assez bon, sauf en présence de certains sels comme les chlorures ; les nitrates au contraire favorisent la passivation et améliorent la tenue.
• Produits alimentaires : il n'y a généralement aucun problème de corrosion sauf avec certains produits qui contient des composants sulfureux naturels ou ajoutés, comme la moutarde et les vins blancs.
• Produits organiques : ils sont généralement sans action sur les aciers inoxydables, saufs s'ils sont chlorés : les colles, savons, goudrons, produits pétroliers, etc. ne posent aucun problème.
• Sels et autres produits minéraux fondus : les produits alcalins corrodent tous les aciers inoxydables mais les nitrates, cyanures, acétates, ... n'attaquent pas les aciers inoxydables. La plupart des autres sels et des métaux fondus produisent des dégâts rapides.

Mise en œuvre des aciers inoxydables [modifier]

Problèmes particuliers du travail à chaud [modifier]

Par rapport à d'autres matériaux métalliques, les aciers inoxydables possèdent certaines propriétés particulières dont il faut tenir compte lors de la mise en forme :

• Ils sont très mauvais conducteurs de la chaleur,
• Leur résistance mécanique est élevée, surtout dans le cas des austénitiques (à froid ce sont au contraire les martensitiques les plus résistants),
• Le grain tend à grossir à chaud et ne peut être régénéré que par corroyage,
• Le travail doit être suivi d'un recuit et d'un décapage permettant de profiter de la résistance à la corrosion.

Les pièces massives doivent donc être chauffées lentement jusqu'à environ 800°C avant d'être portées plus rapidement à la température de travail, qui se situe aux alentours de 1000°C. Il faut éviter avant tout la décarburation des aciers martensitiques, le maintien prolongé à haute température des aciers ferritiques et des aciers austénitiques, dont le grain grossit facilement et se révèle difficile ou parfois même impossible à régénérer. Le refroidissement rapide à l'eau, après travail, est souvent préconisé.

Traitements thermiques [modifier]

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C'est le plus souvent sous forme de tôles ou de tubes que l'on utilise les aciers inoxydables, et dans ce cas on est souvent obligé de pratiquer un recuit d'adoucissement après des opérations telles que l'emboutissage, pour éviter le maintien de contraintes résiduelles trop élevées.

Le dégraissage avant traitement doit être particulièrement soigné, les atmosphères oxydantes sont les plus indiquées et les atmosphères carburantes doivent être proscrites.

Les aciers martensitiques trouvent leur principale utilisation en construction mécanique, sous forme de pièces massives. Pour obtenir la résistance voulue, ils sont généralement trempés puis revenus. L'adoucissement s'impose généralement après l'écrouissage résultant du travail à froid. Le revenu abaissant la résistance à la corrosion, il vaut mieux utiliser une nuance moins riche en carbone qui diminue l'intensité de la trempe et permet d'éviter un revenu à trop haute température.

Les aciers ferritiques ne prennent pas la trempe mais il faut souvent les recuire, par exemple entre deux passes d'emboutissage ou en cas de soudure. Un trop long maintien à température élevée engendre une certaine fragilité par suite du grossissement du grain.

Les aciers austénitiques et austéno-ferritiques sont adoucis par un traitement à haute température, de 900°C jusqu'à 1150°C, suivi d'un refroidissement aussi rapide que possible. La résistance à la corrosion, particulièrement à sa forme intergranulaire, nécessite de pratiquer autant que possible un traitement d'hypertrempe.

La détente des tensions internes peut se faire à température relativement basse, environ 400 ou 450°C.

Les aciers inoxydables à durcissement structural nécessitent des traitements particuliers selon les nuances.

Formage à froid [modifier]

Toutes les techniques habituelles du travail à froid sont applicables aux aciers inoxydables et donc aux pièces obtenues à partir de tôles ou de fils que l'on peut trouver dans d'innombrables objets d'usage courant.

Les aciers inoxydables sont relativement durs et cette dureté s'élève par écrouissage, au fur et à mesure qu'on les déforme. Ce phénomène est particulièrement marqué pour les aciers austénitiques. Les aciers ferritiques s'écrouissent moins mais l'allongement qu'on peut leur imposer est plus faible.

Le « retour élastique » après formage est beaucoup plus grand que pour les aciers doux « ordinaires ».

La lubrification entre les pièces en cours de formage et les outils est essentielle mais ne pose pas de problèmes particuliers pour la plupart des opérations. Toutefois, pour les pièces à caractère décoratif il faut faire attention à la formation de défauts superficiels par suite d'un grippage intempestif. L'emploi d'outils en acier trempé, en fonte méhanite ou encore en cupro-aluminium, ainsi que les protections par des vernis pelables ou des feuilles plastiques constituent souvent une bonne solution.

L'écrouissage diminue la résistance à la corrosion et crée parfois un magnétisme résiduel. Un recuit permet de restaurer les structures.

Le pliage à la presse ou à la molette ne présente pas de difficulté particulière.

L'emboutissage nécessite des machines deux fois plus puissantes que celles qui servent pour l'acier doux. La pression exercée par les serre-flans doit être suffisante pour éviter les plissements mais pas trop pour éviter les déchirures. Les fontes alliées au nickel-chrome donnent les meilleurs outillages, les feuilles minces peuvent être conformées dans des matrices en alliage cuivre-zinc. Les congés doivent avoir un rayon ni trop petit, ni trop grand, pour éviter à la fois un écrouissage excessif et les plissements, on prend en général entre 5 et 10 fois l'épaisseur des flans. La lubrification s'effectue avec tous les lubrifiants classiques, solutions savonneuses, huiles solubles ou non, avec dans les cas difficiles des ajouts de lubrifiants solides ou de matières chimiquement actives : plomb, talc, graphite, bisulfure de molybdène, huiles sulfurées ou sulfochlorées, additifs phosphorés, ... Les recuits se font de préférence en atmosphère oxydante et autant que possible aussitôt après l'emboutissage.

Le repoussage ne pose pas de problème particulier, les précautions à prendre sont les mêmes que pour l'emboutissage, les meilleurs outils sont en acier cémenté.

Assemblage des aciers inoxydables [modifier]

Soudage et brasage [modifier]

Les méthodes classiques de soudage des

פסל הנירוסטה לזכר יצחק רבין בגן דניאל, ככר העיר, ליד בנין עיריית ירושלים

פלדת אל-חלד או פלדה בלתי מחלידה (פלב"מ) מוגדרת בתורת המתכות כסגסוגת ברזל אשר מכילה כרום בכמות של לפחות 10.5% ממשקלה. שמה ניתן לה בשל העובדה שהסגסוגת עמידה בפני חלודה ושִתּוּך (קורוזיה) מסוגים אחרים הרבה יותר מפלדה רגילה שהיא סגסוגת ברזל-פחמן. המילה נירוסטה (קיצור ואיחוי המילים "פלדה בלתי מחלידה" בגרמנית Nichtrostenden Stahl), שהפכה בארץ למילה נרדפת לפלדת אל-חלד, היא סימן מסחר רשום של החברה הגרמנית תיסֶן-קרוּפּ נירוסטה בע"מ ThyssenKrupp Nirosta GmbH.

[עריכה] תכונות

העמידות של פלדת אל-חלד בפני שִתּוּך באה בזכות שכבת פסיבציה של תלת-תחמוצת הכרום (Cr₂O₃) אשר נוצרת כאשר הכרום נחשף לחמצן. שכבה זו אינה חדירה למים ולאוויר, ולכן היא מגנה על המתכת שמתחתיה, והיא דקה מכדי להיראות לעין, ולכן המתכת נראית מבריקה. יתר על כן, אם החומר נשרט, נוצרת מיידית שכבת פסיבציה על השריטה, בדומה למתכות אחרות כגון אלומיניום.

חשיבות שכבת המגן הדקה מומחשת כאשר שני גופי פלדת אל-חלד, למשל בורג ואום, מהודקים זה אל זה בכוח. במקרים כאלה תתכן שחיקה של שכבת המגן, וכתוצאה מכך התחברות דמוית ריתוך בין שני החלקים. בשל התחברות זו, תתכן גזירה או קריעה של החלקים כאשר מנסים להפריד אותם.

בסביבות 200° צלזיוס מתחילה כל פלדה, כולל פלדת אל-חלד, לאבד מחוזקה, ובכ-550° צלזיוס היא מאבדת 50% מהחוזק המבני ומתחילה להתכופף[2]. נקודת ההתכה של פלדת אל-חלד היא בסביבות 1360° צלזיוס, אך מכיוון שהיא סגסוגת, נקודת ההתכה המדויקת משתנה בהתאם להרכבה המדויק. בטבלה משמאל מופיעים ערכי נקודות התכה של כמה סגסוגות ויסודות המוזכרים במאמר זה.

[עריכה] שימושים

הצריח של בניין קרייזלר בעיר ניו יורק מצופה בפלדת אל-חלד "נירוסטה" של חברת תיסֶן-קרוּפּ

עמידותה של פלדת אל־חלד בפני שיתוך וכתמים, מחירה הנמוך יחסית, והברק האופייני לה עשו אותה לחומר גלם מבוקש למגוון רחב של מוצרים. הסגסוגת מיוצרת בצורת יריעות, לוחות, מוטות, צינורות וחוטים, ומהם מייצרים מגוון גדול של מוצרים: כלי מטבח כגון סירי בישול, מחבתות, סכו"ם וכיורים; כלי ניתוח; כלי עבודה; מכשירי חשמל וציוד תעשייתי. כמו־כן היא משמשת בתעשיית הבניין - למעקות, ציפוי חוץ של מבנים (ראו תמונה מימין), ועוד. שימושים נוספים הם בייצור מטבעות, מדליות ובאמנות הפיסול.

פלדת אל-חלד ניתנת למיחזור ב־100%, כך שאפשר להגדירה כחומר ידידותי לסביבה. פסולת ברזל ופלדה משמשת לייצור כ־50% מהפלדה היוצאת ממפעלי הפלדה בעולם.

[עריכה] היסטוריה

כתובת עתיקה שהשתמרה על עמוד הברזל העתיק בדלהי

קיימים כמה חפצים עשויים ברזל בלתי מחליד ששרדו מהעת העתיקה. אחד המפורסמים הוא עמוד הברזל העומד כיום ליד מסגד קואט-אול-אסלאם (Quwwat-ul-Islam) בדלהי שבהודו. אולם בשונה מפלדת האל-חלד, עמידותו של העמוד מיוחסת לריכוז הזרחן הגבוה בברזל בו השתמשו ליציקתו. חוקרים משערים שהזרחן שימש כזרז לתגובה כימית שיצרה שכבת פסיבציה של מיסאוויט – תרכובת של ברזל, חמצן ומימן (misawite - δ-FeOOH).

העמידות לשיתוך של סגסוגות ברזל-כרום הוכרה לראשונה ב-1821 על-ידי המטלורג הצרפתי פייר ברתייר (Pierre Berthier), אשר צפה בעמידותם בפני חומצות והציע להשתמש בהם בתעשיית הסכו"ם. אולם למטלורגים של המאה ה-19 לא הייתה הטכנולוגיה הנדרשת ליצירת הצירוף של ריכוז כרום גבוה עם ריכוז פחמן נמוך המיושם בייצור פלדת אל-חלד בימינו, וסגסוגות הברזל-כרום שהם הצליחו לייצר היו פריכות מכדי להיות בעלות ערך שימושי.

השיפור החל בשנות ה-90 המאוחרות של המאה ה-19, כאשר הנס גולדשמידט (Hans Goldschmidt) הגרמני פיתח תהליך של חיזור אלומינותרמי לייצור כרום נקי מפחמן. בין השנים 1904 ל-1911 ייצרו כמה חוקרים, שהבולט ביניהם היה ליאון גולט (Leon Guillet) הצרפתי, סגסוגות שהיו נחשבות בימינו לפלדת אל-חלד. ב-1911 פרסם פיליפ מונארץ (Philip Monnartz) הגרמני דו"ח על הקשר בין אחוז הכרום בסגסוגת לבין עמידותה בפני שיתוך.

לוח הזיכרון להארי ברירלי על בנין מעבדות בראון-פירת' בעיר שפילד

הארי ברירלי (Harry Brearley) ממעבדות המחקר "בראון-פירת'" (Brown-Firth) שבעיר שפילד באנגליה נחשב כ"אבי פלדת האל-חלד". בשנת 1913, כאשר ניסה לייצר סגסוגת עמידה בשיתוך לייצור קני תותחים, גילה תהליך לייצור פלדת אל-חלד מרטנסיטית (martensitic – כינוי לסגסוגת ברזל בעלת פחות מאחוז אחד של פחמן), ואף תיעש את התהליך. בו זמנית במפעלי קרופ בגרמניה היו התפתחויות דומות, שם אדוארד מאורר (Eduard Maurer) ובנו שטראוס (Benno Strauss) פיתחו סגסוגת אל-חלד אוסטניטית (austenitic – כינוי לסגסוגת ברזל-פחמן שאינה מגנטית) שבה 21% כרום ו-7% ניקל. גם בארצות הברית באותה תקופה החלו קריסטיאן דנציזן (Christian Dantsizen) ופרדריק בקט (Frederick Becket) בייצור תעשייתי של פלדת אל-חלד.

[עריכה] סוגים

במיון לפי תכונות מגדירים מעל 150 סוגים של פלדת אל-חלד, מהם 15 נפוצים. לדוגמה, כדי לקבל סגסוגת שאינה מגנטית מוסיפים ניקל או מנגן. להשגת הקשיות והחוזק הנדרשים ללהבי סכינים ולכלי עבודה, מוסיפים פחמן.

כמו-כן ניתן למיין פלדת אל-חלד לפי גימור פני השטח החיצוני. הגימור יכול להיות מחוספס או חלק, מבריק או מָט.

[עריכה] שִתּוּך (קורוזיה)

למרות עמידותה, גם פלדת אל-חלד יכולה להיפגע משיתוך בתנאים מסוימים. מכיוון שהשיתוך שלה יכול להיות שונה ופחות בולט לעין מהחלודה המוכרת בברזל ובפלדה רגילה, ייתכן שהוא לא יתגלה בזמן ויגרום בעיות למי שאינו מודע לתופעה.

להלן מתוארים כמה מסוגי השיתוך שעוברת פלדת אל-חלד. סוגים נוספים מתוארים בערך המקביל בוויקיפדיה באנגלית.

• שיתוך שקעים (Pitting corrosion)

תופעת הפסיבציה בנויה על היווצרות שכבת תלת-תחמוצת הכרום המתוארת לעיל. לכן בתנאים של העדר חמצן, או בתנאים בהם חומרים אחרים כגון כלור מתחרים עם החמצן על ההקשרות לכרום, לא תיווצר שכבת המגן. ייתכן שבנקודות בודדות על פני השטח יחל בתנאים אלה תהליך אִכּוּל אשר יכול להתקדם אל תוך החומר ואף ליצור בו ממש שקעים. למרות שהתנאים לתחילת תהליך כזה צריכים להיות יחסית קיצוניים, ייתכן שהתהליך לא ייפסק אפילו אם התנאים חוזרים להיות רגילים, שכן פנים השקע עצמו אינו בא במגע עם חמצן הדרוש לפסיבציה.

לפעמים שקע שנראה קטן על פני השטח מסתיר מתחתיו חלל גדול, ובמקרים קיצוניים יכולים מאמצי הגזירה הנוצרים בקצוות של שקעים עמוקים לגרום לסדיקה ואף לשבירה של החומר. תופעות אלה מסוכנות מכיוון שהן קשות לגילוי מוקדם. שקעי שיתוך הם הגורם הנפוץ ביותר לכשלון מבני של פלדת אל-חלד. צעדי מניעה נגד שיתוך זה הם הבטחת חשיפה טובה לחמצן (למשל על-ידי ליטוש ומניעת שריטות) והגנה בפני חשיפה לכלור.

מקרים אופייניים של שיתוך שקעים הם בחשיפה של פלדת אל-חלד לריכוזים גבוהים של יוני כלור, למשל – במגע ממושך עם מי הים.

• שיתוך בתפרי ריתוך (Weld decay)

בעת ריתוך של פלדת אל-חלד, היא נחשפת לטמפרטורות גבוהות אשר יכולות לגרום להיקשרות של אטומי הכרום בתרכובת פחמנית (כרום-קרביד) באזור תפרי הריתוך. בשל כך יש פחות כרום זמין ליצירת שכבת המגן, ולכן האזור חשוף יותר לקורוזיה.

ניתן למנוע קורוזיה זו באמצעות סגסוגות מיוחדות – דלות פחמן או מועשרות ביסודות קושרי פחמן כגון טיטניום וניאוביום. לסגסוגות מועשרות אלה נחוץ טיפול מיוחד של חימום לאחר הריתוך, כדי למנוע תופעה דומה הנקראת "knifeline attack", בה אזור צר מאוד – לפעמים ברוחת מיקרונים בודדים בלבד – לאורך תפר הריתוך נחשף לקורוזיה.

בתעשיית הפלדה המודרנית נמנעים במידה רבה מבעיות אלה על-ידי בקרה קפדנית של רמת הפחמן בסגסוגת – לא יותר מ-0.3% פחמן.

• חלודה (Rouging)

מכיוון שרובה של סגסוגת פלדת האל-חלד הוא בכל-זאת ברזל, היא עלולה פשוט להחליד (לתחמוצת ברזל) אם נמנעת היווצרות שכבת הפסיבציה על פניה. דבר זה יכול לקרות במקרים בהם זומהו פני השטח בפלדת ברזל-פחמן רגילה, למשל בגרירת פלדת האל-חלד מעל משטח פלדה רגילה, שיוף בגלגל השחזה שלא נוקה מחלקיקי פלדה רגילה, או ריתוכים זמניים לפלדה רגילה.

[עריכה] קישורים חיצוניים

• על ברזל, באתר המרכז לטכנולוגיה חינוכית
• על מתכות, באתר מכללת סמינר הקיבוצים
• סדרת מטבעות ברזילאיות מפלדת אל-חלד
• על הפסל בגן דניאל, ירושלים

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Baja tahan karat adalah senyawa besi yang mengandung setidaknya 10,5% Kromium untuk mencegah proses pengaratan.

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