Stal nierdzewna zawiera minimum 10,5% chromu, mniej niż 1,2% węgla oraz inne składniki stopowe. Jej naturalną cechą jest odporność na korozję, osiągnięta dzięki reakcji chromu z tlenem, w wyniku której na powierzchni tworzy się bardzo cienka, odporna na korozję, samoochronna warstwa. Ta warstwa ochronna odtwarza się samoistnie w przypadku uszkodzenia. Odporność na korozję stali nierdzewnej i jej właściwości fizyczne mogą być wzmocnione poprzez dodanie innych składników, takich jak nikiel, molibden, tytan, niob, mangan, azot, miedź, krzem, glin i wanad.
Podział stali nierdzewnej:
· stal austenityczna
· stal ferrytyczna
· stal martenzytyczna
· stal austenityczno-ferrytyczna (duplex)
Stal austenityczna zawiera od 0,015 do 0,10% węgla, 16 do 18% chromu, 8 do 13% niklu i 0 do 4% molibdenu. Obecność molibdenu jeszcze bardziej wzmacnia odporność na korozję w środowisku kwaśnym. Austenityczna stal nierdzewna stanowi 70% światowej produkcji stali.
Stale austenityczne odporne na korozję są w zasadzie stalami chromowo-niklowymi o niskiej zawartości węgla. Dodatek niklu w ilości ok. 8% do niskowęglowych stali chromowych zawierających ok. 18% Cr zwiększa ich odporność na korozję i na działanie kwasów, podwyższa wytrzymałość i udarność. Duży dodatek niklu powoduje, że stale te mają strukturę austenityczną. Ze względu na dobrą odporność na działanie wielu kwasów stale te są również nazywane kwasoodpornymi.
Stale zawierające 18% Cr i 8% Ni oznaczane popularnie znakiem 18/8, zyskały ogromne znaczenie praktyczne. Większość dziś stosowanych gatunków stali kwasoodpornych stanowi modyfikację tego podstawowego składu. Ze względu na niebezpieczeństwo korozji międzykrystalicznej, zawartość węgla w stalach 18/8 powinna być jak najniższa. Bardzo ważną cechą jest ich wysoka ciągliwość i sprężystość. W celu uzyskania wymaganych właściwości zmienia się ich skład poprzez dodanie pierwiastków stopowych podwyższających:
- ogólną odporność na korozję (chrom, molibden, miedź, krzem, nikiel)
- własności mechaniczne (azot)
- skrawalność (siarka, selen, fosfor, ołów, miedź)
- odporność na pękanie spawów (mangan)
- odporność na korozję punktową i szczelinową (molibden, krzem, azot)
- odporność na odprysk korozyjny (ograniczenie zawartości fosforu, arsenu, antymonu)
- stabilność w stanie ciekłym (molibden, tytan, niob, bor)
- żaroodporność (chrom, aluminium, krzem, nikiel).
Dla określonych obszarów zastosowań wymagane są stale austenityczne o wyższej wytrzymałości. Wzrost granicy plastyczności można na przykład osiągnąć poprzez obróbkę plastyczną na zimno. Tak więc w zależności od stopnia takiej obróbki można uzyskać różne stopnie umocnienia. Przy obróbce plastycznej na zimno może dodatkowo dojść do utworzenia się martenzytu odkształceniowego. Inną możliwością jest utwardzanie roztworowe poprzez przedsięwzięcia z zakresu techniki stopowej. W porównaniu z węglem dodatek azotu do stopu przynosi tę korzyść, że obok poprawy wytrzymałości podwyższona zostaje również odporność na korozję.
Stalami austenitycznymi z zawartością azotu są na przykład stale 1.4311, 1.4318, 1.4406 lub 1.4439. Poprzez ukierunkowany dobór zawartości składników stopowych możliwe jest podniesienie umownej granicy plastyczności nawet do wartości powyżej 400 N/mm2.
Wartości wydłużenia przy zerwaniu stali austenitycznych są prawie dwukrotnie wyższe niż dla stali ferrytycznych – prowadzi to do bardzo dobrej zdolności do przeróbki plastycznej na zimno. Z tego wynikają korzystne zdolności do głębokiego tłoczenia i do obciągania jak również do dobrego podwijania krawędzi. Szczególne znaczenie mają również wyższe wartości robocze udarności, które aż do bardzo niskich temperatur leżą na wysokim poziomie. Stąd stale odporne na korozję, ciągliwe w niskich temperaturach, mogą być zastosowane w urządzeniach pracujących w temperaturach do minus 269ºC .
Stal nierdzewna ferrytyczna jako główny dodatek stopowy zawiera chrom oraz niewielkie domieszki molibdenu, tytanu, niobu oraz innych składników. Stal nazywana jest ferrytyczną, gdyż w swojej budowie strukturalnej posiada ferryt. Ferryt jest to roztwór stały węgla w żelazie α zawierający niewielkie ilości, mniejsze niż 0,025%, węgla oraz niekiedy inne dodatki stopowe. Ferryt, jest to jedna z możliwych odmian alotropowych stali, stabilna do temperatury przemiany eutektoidalnej (układ żelazo-węgiel) - do temperatury 770°C, jest materiałem miękkim i ciągliwym, mniej wytrzymały, twardy i plastyczny niż austenit. Ferryt jest magnetyczny do temperatury Curie wynoszącej 770°C.
Stal nierdzewną ferrytyczną można podzielić na pięć grup w zależności od zawartości chromu oraz innych składników stopowych:
Grupa | I | II | III | IV | V |
Zawartość chromu | 10-14% | 14-18% | 14-18% | 18-30% | 18-30% |
Inne dodatki | - | - | Tytan, niob | Molibden | - |
Udział grupy w całości produkcji | 30% | 48% | 13% | 7% | 2% |
Typy stali wg normy AISI | 409, 410, 410L, 420 | 430 | 430Ti, 439, 441 | 434, 436, 444 | 446, 445/447 |
Grupa I zawiera minimalne ilości chromu zapewniające „nierdzewność”. Niska zawartość chromu w stalach przekłada się również na stosunkowo niską cenę. Typ 409 jest powszechnie używany do produkcji samochodowych układów wydechowych. Typ 410L wykorzystywany jest przy produkcji zbiorników, elementów pojazdów oraz obudów sprzętu RTV.
Grupa II ze stalą 430 należy do najpopularniejszej grupy stali nierdzewnych ferrytycznych. Jej udział w ogólnej produkcji wynosi aż 48%. Wysoka zawartość chromu a tym samym wysoka odporność korozyjna pozwala na stosowanie jej w aplikacjach wymagających podwyższonej odporności korozyjnej. Stosuje się ją do produkcji zmywarek naczyń, bębnów pralek automatycznych, paneli ściennych itp.
Grupa III zawiera stale z dodatkami stopowymi zapewniającymi lepszą spawalność oraz formowalność. Dobra odporność korozyjna pozwala na zastępowanie tą stalą stali austenityczej 304. Znajduje zastosowanie przy produkcji samochodowych układów wydechowych (zapewniając dłuższe życie niż stal 409), części spawanych w pralkach automatycznych oraz zmywarkach.
Grupa IV zawiera stale z dodatkiem molibdenu, który wpływa na podniesienie ich odporności korozyjnej nawet do poziomu odporności stali typu 316. Typowe zastosowanie stal ta znajduje w produkcji wyrobów AGD, elementów w przemyśle samochodowym, budownictwie.
Grupa V zawiera jako główne składniki stopowe chrom oraz molibden. Stale z tej grupy przewyższają swoimi własnościami stal z gatunku 316. Szerokie zastosowanie stal ta znajduje w środowiskach wysoko korozyjnych takich jak przemysł offshore (związany ze strefą nadbrzeżną).
Właściwości mechaniczne stali ferrytycznych zakładają strukturę drobnokrystaliczną, którą osiąga się poprzez odpowiednią obróbkę wyżarzającą tychże stali. Z uwagi na względnie niską zawartość chromu 11-12 procentowych stali chromowych (1.4003, 1.4512) ich odporność na korozję, już w niekorzystnych warunkach atmosferycznych lub w mediach wodnych, jest ograniczona tak, że zalicza się je jedynie do stali o podwyższonej odporności na korozję. Przy 17- procentowych stalach chromowych osiąga się lepszą odporność na korozję dzięki wyższej zawartości chromu. Przez wprowadzenie ok. 1% molibdenu jako dodatku stopowego można jeszcze bardziej poprawić odporność na korozję.
Niektóre stale zawierają tytan lub niob jako pierwiastki tworzące węgliki, które wiążą węgiel. Stale takie po spawaniu są odporne także przy większych grubościach bez dodatkowej obróbki cieplnej, a więc stabilne wobec korozji międzykrystalicznej. Szczególną zaletą ferrytycznych stali odpornych na korozję jest to, że w przeciwieństwie do austenitycznych stali CrNi wykazują one wysoką odporność na śródkrystaliczną korozję naprężeniową wywoływaną chlorkami.
Granica plastyczności stali ferrytycznych jest wyższa od granicy plastyczności stali austenitycznych co sprawia, że wydłużenie przy formowaniu jest porównywalne ze stalami węglowymi. Stal ferrytyczna posiada dobrą przewodność cieplną w stosunku do stali austenitycznych. Ma to szczególne znaczenie przy wymiennikach ciepła gdzie dobra wymiana ciepła jest podstawą ich działania.
Stale nierdzewne swoją wysoką odporność korozyjną zawdzięczają dodatkowi stopowemu jakim jest chrom, a w szczególności warstwie pasywnej jaką tworzą tlenki chromu na powierzchni stali. Większa zawartość chromu w stali zapewnia lepszą odporność korozyjną.
W przypadku stali martenzytycznych występuje w czasie nagrzewania całkowita przemiana ferrytu w austenit, dzięki czemu możliwe jest hartowanie i powstawanie struktury martenzytycznej. Stale te hartują się już w czasie chłodzenia na powietrzu i właśnie z tego powodu nazywane są martenzytycznymi.
Stale martenzytyczne są odporne na działanie kwasu azotowego, szeregu kwasów organicznych i produktów spożywczych. Na korozję atmosferyczną są odporne pod warunkiem braku agresywnych zanieczyszczeń w powietrzu. Odporność chemiczne tych stali zależy ponadto od gładkości powierzchni. Ich odporność na korozję jest niska.
Mogą mieć zastosowanie w kontakcie z kwasem azotowym, bornym, octowym, benzoesowym, olejowym, pikrynowym, z węglanami, azotanami i ługami. Ich odporność na korozję spada wraz ze wzrostem temperatury. Odporność na korozję atmosferyczną jest dostateczna jedynie przy bardzo czystym powietrzu.
Mogą mieć zastosowanie w kontakcie z kwasem azotowym, bornym, octowym, benzoesowym, olejowym, pikrynowym, z węglanami, azotanami i ługami. Ich odporność na korozję spada wraz ze wzrostem temperatury. Odporność na korozję atmosferyczną jest dostateczna jedynie przy bardzo czystym powietrzu.
W przypadku stali z 12-18% Cr i zawartościach C od 0,1%, chodzi o stale, które w wysokich temperaturach są całkowicie austenityczne. Jeśli zostaną one nagle schłodzone z zakresu austenitycznego, to znaczy, że ulegną zahartowaniu, uzyskują one wówczas strukturę martenzytyczną. Temperatury austenizacji mieszczą się w zależności od gatunku stali, w okolicy 950 - 1050ºC. Schłodzenie może być przeprowadzone dużo wolniej aniżeli przy porównywalnych stalach niestopowych (np. schłodzenie na powietrzu). Twardość tych stali jest tym większa, im wyższa jest zawartość C. W stanie ulepszonym uzyskuje się wysokie wartości wytrzymałościowe.
W martenzytycznych stalach niklowych rolę węgla przejmuje nikiel (na przykład 1.4313). Zdolność do ulepszania zostaje przy tym utrzymana, bez występowania szkodliwych skutków z tytułu podwyższonej zawartości węgla (wytrącanie się węglików, wysokie utwardzenie). Odporność na korozję zostaje jeszcze podwyższona przez dodatek molibdenu (1.4418).
W zależności od kształtu wyrobu stale martenzytyczne są dostarczane w stanie wyżarzonym lub ulepszonym. Wyroby, które dostarcza się w stanie zmiękczająco wyżarzonym (jak taśmy zimno i gorąco walcowane i z nich przycięte na długość blachy), mogą być przerabiane plastycznie na zimno i na gorąco (np. gięcie, wytłaczanie, sztancowanie, wyciąganie wgłębne) przed podjęciem obróbki ulepszającej. Obróbka ulepszająca obejmuje hartowanie i następnie odpuszczanie do temperatur 650 - 750ºC. W wyniku obróbki odpuszczającej spada wytrzymałość a wzrasta odporność na obciążenia dynamiczne.
W zależności od kształtu wyrobu stale martenzytyczne są dostarczane w stanie wyżarzonym lub ulepszonym. Wyroby, które dostarcza się w stanie zmiękczająco wyżarzonym (jak taśmy zimno i gorąco walcowane i z nich przycięte na długość blachy), mogą być przerabiane plastycznie na zimno i na gorąco (np. gięcie, wytłaczanie, sztancowanie, wyciąganie wgłębne) przed podjęciem obróbki ulepszającej. Obróbka ulepszająca obejmuje hartowanie i następnie odpuszczanie do temperatur 650 - 750ºC. W wyniku obróbki odpuszczającej spada wytrzymałość a wzrasta odporność na obciążenia dynamiczne.
Warunkiem dostatecznej odporności na korozję jest odpowiednie wykonanie powierzchni, które osiąga się przez następujące zaraz potem trawienie lub dokładne szlifowanie i polerowanie. Ta grupa stali z uwagi na jej wysoką odporność na ścieranie i wytrzymałość na przecinanie znajduje szerokie zastosowanie.
Stale austenityczno-ferrytyczne stanowią dużą alternatywę w stosunku do klasycznych jednofazowych stali austenitycznych i ferrytycznych. Stale duplex charakteryzują się przede wszystkim dużą odpornością na korozję ogólną, korozję międzykrystaliczną, korozję naprężeniową oraz korozję wżerową. Są one w wielu ośrodkach odporniejsze na korozję naprężeniową niż stale czysto austenityczne i cechują się lepszą zdolnością do pasywacji od stali o strukturze ferrytycznej. Łączą w sobie zalety stali ferrytycznych (m.in. wyższa wytrzymałość, mniejszy współczynnik rozszerzalności cieplnej, lepsza spawalność) z niektórymi zaletami stali austenitycznych (np. mniejsza skłonność do rozrost ziarn, wyższa udarność).
Stal 1.4462 zawiera ok. 22% Cr, ok. 5% Ni oraz 3% Mo jak również azot. Prowadzi to do wyważonej struktury austenityczno-ferrytycznej (z reguły 50:50). Umowna granica plastyczności leży wyraźnie powyżej tej granicy dla stali austenitycznych. Osiągane są mimo to dobre wskaźniki odporności na obciążenia dynamiczne. Dalej trzeba podkreślić korzystne parametry wytrzymałości zmęczeniowej tej stali również w mediach korozyjnych.
Rozważając zachowanie się korozyjne austenityczno-ferrytycznych stali odpornych na korozję należy podkreślić ich - w stosunku do stali austenitycznych - lepszą odporność na wywoływaną przez chlorki korozję naprężeniową.
Wytrzymałość na rozciąganie w stalach duplex jest zazwyczaj oko dwa razy wyższa od granicy plastyczności, natomiast w przypadku stali austenitycznych relacja ta wynosi zaledwie ok. 0,35. Twardość stali duplex jest wyższa od stali austenitycznych i jest to bezpośrednio związane z większą wytrzymałością struktury dwufazowej. Wyższa twardość sprawia, że stale duplex wykazują dobrą odporność na zużycie ścierne i erozję.
