Stal nierdzewna – skład, właściwości i rodzaje

Zawarty w stali chrom, wchodząc w reakcję z tlenem znajdującym się w powietrzu, tworzy na powierzchni stali niewidoczną gołym okiem warstwę tlenku chromowego, która zabezpiecza stal przed działaniem czynników powodujących korozję. Warstwa ochronna, uszkodzona mechanicznie lub przez działanie związków chemicznych, po ponownym zetknięciu się z tlenem, ulega samoistnej odbudowie. Następuje to nawet w tak ubogim w wolny tlen środowisku jak zwykła woda.
Wyższa zawartość chromu w stali daje lepszą odporność na korozję. Odporność ta ulega dalszemu podwyższeniu po dodaniu molibdenu. Dodatek niklu ma na celu uzyskanie struktury austenitycznej stali, co ułatwia jej obróbkę plastyczną na zimno i spawanie.

Najbardziej rozpowszechnione są austenityczne stale chromowo-niklowe typu 18/8, zawierające około 18% chromu i 8% niklu. Stanowią one ponad 50% światowej produkcji stali nierdzewnej. Stale 18/8 używane są na przykład do produkcji artykułów gospodarstwa domowego (m.in. garnków), do produkcji wyposażenia kuchni domowych i zbiorowego żywienia oraz w budownictwie, zarówno na elementy wewnątrz jak i na zewnątrz budowli.

Korozja stali nierdzewnych:

Ważnym czynnikiem wpływającym na odporność korozyjną jest gładkość i czystość powierzchni. Nawet drobne nierówności powierzchni, mogą stać się zalążkami korozji. Pierwszym objawem korozji ogólnej stali jest zwykle matowienie jej powierzchni.

Przyczyny zmian wyglądu powierzchni mogą być następujące:

• zastosowanie gatunku stali w bardziej agresywnym środowisku od przewidywanego
• zbyt szorstka powierzchnia zatrzymującą osady i zabrudzenia
• błędy projektowania powodujące powstanie szczelin i kieszeni w których gromadzi się woda i zanieczyszczenia
• zanieczyszczenie powierzchni stali nierdzewnej cząstkami żelaza
• w transporcie oraz w wyniku stosowania niewłaściwych narzędzi lub materiałów ściernych przy produkcji lub przy montażu

Odnosi się to w szczególności do elementów wyposażenia kąpielisk, zarówno otwartych jak i krytych, gdzie korozji sprzyja wilgotność otoczenia i podwyższona temperatura wody, a w szczególności obecność chlorków używanych do jej dezynfekcji.

Odporność na korozję stali zależy od trzech czynników:

1. Składu chemicznego:

Podstawowym pierwiastkiem tychże stali jest chrom. Wprowadzony on do stali w ilości większej aniżeli 13 [%] powoduje skokową zmianę potencjału elektrochemicznego. Wynika stąd wniosek, że odporność na korozję występuje dopiero przy zawartości powyżej 13 [%] chromu.

Stale chromowe są odporne na korozję w środowiskach utleniających np. kwasu azotowego, nie są one natomiast odporne na działanie środowisk redukujących np. kwasu solnego czy siarkowego. Przy temperaturach wysokich minimalna zawartość chromu zapewniająca odporność na korozję wzrasta do 20 [%].

Drugim oprócz chromu najważniejszym składnikiem stopowym stali odpornych na korozję jest nikiel, który podwyższa odporność stali na działanie wielu środowisk korozyjnych, a zwłaszcza kwasu siarkowego, roztworów obojętnych chlorków jak woda morska. Stale zawierające nikiel nie są odporne na działanie gazów zawierających związki siarki przy podwyższonych temperaturach z uwagi na powstawanie siarczku niklu. Węgiel natomiast pogarsza odporność na korozję. Stal ulega silnemu obniżeniu odporności na korozję jeżeli węgiel występuje w niej w postaci węglików.

2. Struktury stali:

Najwyższą odporność na korozję wykazują stale austenityczne potem ferrytyczne, a najniższą martenzytyczne. Większą odporność na korozję mają struktury jednofazowe.

Większą odporność struktur jednofazowych należy przepisywać znacznie korzystniejszym warunkom do powstawania stanu pasywnego oraz do utrzymania jego trwałości i ciągłości. Prawdopodobieństwo powstania ogniw lokalnych w stali o strukturze jednofazowej jest bardzo małe. Pojawienie się w stalach jednofazowych dodatkowych składników w strukturze prowadzi zawsze do zmniejszenia odporności korozyjnej.

3. Stanu powierzchni:

W stalach odpornych na korozję głównym składnikiem stopowym jest chrom. Dodatek chromu dąży do utworzenia w strukturze węglików chromu, który krystalizuje w sieci heksagonalnej. Odporność stali na korozję jest związana ze zdolnością stali do pasywacji. Pod nazwą pasywacji rozumiemy zwiększenia odporności metalu na korozję przez utlenienie jego powierzchni. Przyjmuje się, iż na powierzchni pasywnego metalu istnieje szczelna i silnie przylegająca warstewka tlenków, która chroni metal przed oddziaływaniem otaczającego środowiska.

Trzy grupy stali ze względu na zawartość chromu:

I. Stale wysoko chromowe:

W zależności od zawartości chromu można podzielić je na:

• stale o zawartości od 12 do 14 [%] Cr i do 0,45 [%] C – struktura tych stali jest różna w zależności od zawartości węgla. W zakresie niskich zawartości węgla (poniżej 0,1 [%]) pole fazy alfa rozciąga się w całym zakresie temperatur i i stale o takim składzie będą miały strukturę ferrytyczną. Stale ze średnią zawartością węgla (tj. od 0,2 do 0,3 [%] będą miały po nagrzaniu powyżej 950 [°C] strukturę ferrytyczno – austenityczną. Po ochłodzeniu struktura tych stali będzie zawierała ferryt i martenzyt i z tego względu nazwano je półferrytycznymi. Stale o zawartości węgla powyżej 0,3 [%] przechodzą po nagrzaniu całkowicie w austenit, a po ochłodzeniu będą miały strukturę martenzytyczną. Analizując przypadki stale 0H13, 0H13J zaliczamy do stali ferrytycznych, stal 1H13 do stali półferrytycznych, natomiast stale 2H13, 3H13, 4H13 do stali martenzytycznych. Stale te posiadają dobrą odporność na korozję w obecności pary wodnej i kwasu azotowego, kwasu octowego nie są natomiast odporne na działanie kwasu solnego i siarkowego.
• stale o zawartości od 16 do 18 [%] Cr i około 0,1 [%] C są stalami o większej odporności na korozję np. H17,H17N2 mają w stanie wolno chłodzonym strukturę ferrytyczną lub ferrytyczno – martenzytyczną. Są szeroko stosowane w przemyśle spożywczym. Stale te są odporne na działanie stopionej siarki i jej par, rozcieńczonych roztworów alkaicznych, rozcieńczonych zimnych kwasów organicznych, mydła, oraz korozji naprężeniowej. Mogą być stosowane przy temperaturach nie przekraczających 900 [°C].
• stale o zawartości od 18 do 28 [%] chromu np. H25T mają strukturę ferrytyczną. Mogą być stosowane przy temperaturach nie przekraczających 1150 [°C].

II. Stale chromowo – niklowe:

Mają strukturę austenityczną. Najczęściej stosowana jest stal typu 18/8 zawierająca 18 [%] Cr i 8 [%] Ni względnie jej modyfikacje jak 0H18N9, 1H18N9, 2H18N9. Stal ta jest wybitnie odporna na korozję, nie działa na nią kwas azotowy, stężony kwas siarkowy, fosforowy i inne. W celu zwiększenia odporności na kwas siarkowy i octowy stosuje się dodatki molibdenu w ilości od 1,5 [%] do 2,5 [%] np. H18N10MT, H17N13M2T.

Dodatek miedzi w ilości ok. 3 [%] zmniejsza skłonność tych stali do korozji naprężeniowej. Dodatek krzemu w ilości od 2 do 3 [%] polepsza odporność na działanie kwasu solnego i rozcieńczonego kwasu siarkowego np. H18N9S. Stale chromowo niklowe są szeroko stosowane w budowie aparatury chemicznej na części aparatury w przemyśle spożywczym. Wadą tych stali jest niestety skłonność do korozji międzykrystalicznej, która występuje przy ich nagrzaniu do temp. od 450 [°C] do 750 [°C]. Przyczyną tego rodzaju korozji jest wydzielanie się na granicach ziarn węglików chromu powodujące zubożenie granic ziarn w chrom.

Skłonność do korozji międzykrystalicznej można usunąć przez:

• obniżenie zawartości węgla do 0,02 – 0,03 [%] np. 00H18N10,
• wprowadzenie do stali silnie węglikotwórczych pierwiastków jak tytan czy niob np. 1H18N9T, 0H18N12Nb, lub odpowiednią obróbkę cieplną, co utrudnia powstawanie węglików chromu i składnik ten koncentruje się wtedy w roztworze.

III. Stale chromowo – niklowo – manganowe:

Są to stale, w których w celach oszczędnościowych częściowo zastąpiono nikiel manganem względnie azotem np. 1H17N4G9. Mają one też strukturę austenityczną jednak ich odporność na korozję jest nieco gorsza niż stali chromowo niklowych. W środowiskach takich jak roztwory kwasu mlekowego, octowego i innych występujących w sokach owocowych wykazują dobrą odporność. Są one szeroko stosowane w przemyśle mleczarskim.