Poznawanie właściwości materiałów w celu ich późniejszego wykorzystania użytkowego było dla naszego gatunku kluczowym aspektem, który bez wątpienia zdecydował o cywilizacyjnym postępie Homo sapiens. Przyglądając się uważnie poszczególnym okresom rozwoju naszej cywilizacji dość łatwo można zauważyć charakterystyczne materiały, z których nasz gatunek korzystał na poszczególnych etapach rozwoju – od kamienia przez brąz do żelaza i to dopiero umiejętność obróbki żelaza,  a później tworzenia stopów metali oraz umiejętność planowania oczekiwanych własności sprawiła, że otwierając jakikolwiek podręcznik do materiałoznawstwa doznajemy swoistego olśnienia widząc ogrom grup materiałowych, których stworzenie jest udziałem człowieka.

 

W niniejszym artykule chcielibyśmy jednak zwrócić szczególną uwagę na stale odporne na korozję. Stale zakwalifikowane do tej grupy według PN-EN 10088-1 zawieraja co najmniej 10,5% Cr i maksymalnie 1,2% węgla (C) – o ile ich najważniejszą cechą ma być odporność na korozję.

Odporność stali nierdzewnych na korozję związana jest przede wszystkim z działaniem chromu, który powiększa zdolność tzw. pasywacji stopów żelaza. Przejście w stan pasywny  zaznacza się skokową zmianą potencjału elektrochemiczego metalu lub stopu na bardziej dodatni. Na podstawie składu chemicznego można najogólniej podzielić stale odporne na korozję na: chromowe i chromowo-niklowe. Jednak częściej stosuje się klasyfikację tych stali według struktury i rozróżnia się stale ferrytyczne, martenzytyczne i austenityczne.

Stal ferrytyczna

Stale nierdzewne o strukturze ferrytycznej o  dobrych własności ach mechanicznych. Stale z tej grupy są  materiałem o wysokiej granicy plastyczności, znacznie łatwiejszym do cięcia i obróbki, a ponadto charakteryzują się  dobrą przewodnością cieplną oraz wykazują większą niż stale austenityczne odporność na korozję naprężeniową wywoływaną chlorkami. Podstawową własnością tej stali jest również magnetyczność. Stal ferrytyczną wyróżnia brak niklu w składzie chemicznym. Zawiera natomiast minimum 10,5% chromu. Innymi pierwiastkami wchodzącymi w skład stopu są molibden, aluminium i tytan. Stale ferrytyczne przy stabilizacji niobem wykazują wysoką odporność na odkształcanie się.

Brak drogiego niklu w zawartości stali ferrytycznej przekłada się na jej niską cenę. Dzięki temu znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle. Głównie wykorzystywana jest w przemyśle motoryzacyjnym i spożywczym, jak również naftowym, koksowniczym. Ponadto stosowana jest do budowy niektórych urządzeń w przemyśle chemicznym, do wyposażenia kuchni i wytwarzania sprzętu gospodarstwa domowego.

Stale ferrytyczne można podzielić na pięć grup:

Grupa I zawiera do 14% chromu, który zapewnia ochronę przed rdzewieniem. Do grupy zalicza się następujące typy stali wg normy AISI: 409, 410, 410L, 420. Niska zawartość chromu przekłada się na niską cenę tych gatunków. Znajdują one zastosowanie w środowisku pozbawionym kontaktu z wodą. Sprawdzają się jako materiał do wykończenie wnętrz, są używane do produkcji samochodowych układów wydechowych i innych elementów pojazdów a także do obudowy sprzętu RTV.

Grupa II i typ stali 430 jest najpopularniejszą wśród stali ferrytycznych. Udział gatunku w światowej produkcji wynosi 48%. Zawiera do 18% chromu, wykazuje dobrą odporność na korozję i tym samym znajduje zastosowanie w środowisku wymagającym podwyższonej odporności korozyjnej – np. w aplikacjach mających kontakt z wodą. Używana jest do produkcji sprzętów gospodarstwa domowego takich jak zmywarki do naczyń czy też bębny w pralkach automatycznych.

Grupa III obejmuje stale zawierające dodatki stopowe takie jak tytan i niob, które zapewniają lepszą spawalność i plastyczność. Wyróżnia się typy 430Ti, 439, 441. Stal znajduje podobne zastosowanie jak grupa II: np. przy produkcji układów wydechowych w samochodach, części spawanych w pralkach automatycznych oraz zmywarkach, w przemyśle spożywczym do produkcji zbiorników i cystern przewozowych.

Gatunki stali wchodzące w skład grupy IV oraz grupy V charakteryzują się zawartością chromu od 18% aż do 30%. Zawierają również dodatek molibdenu, co w całości zapewnia najwyższą odporność korozyjną. Stal znajduje zastosowanie w środowisku nadbrzeżnym, ponadto w produkcji sprzętu gospodarstwa domowego, elementów w przemyśle samochodowym czy też budownictwie.

Stal martenzytyczna

Martenzytyczna stal nierdzewna nie jest tak odporna na korozję jak opisana wcześniej stal ferrytyczna, ale posiada za to wyjątkowo wysokie własności wytrzymałościowe i wysoką odporność na ścieranie. Zawartość chromu w stali wynosi od 11,5 do 17,5%. Charakteryzuje się również stosunkowo wysoką zawartością węgla (od 0,08 do 0,5%), który nadaje właściwości hartujące i podwyższa poziom twardości, ale także czyni materiał w pewnym stopniu kruchym. Martenzytyczne stale nierdzewne są niespawalne, bądź trudno spawalne – wyjątkiem jest gatunek 1.4006. Stopy te mogą podlegać obróbce cieplnej. Uzyskana struktura martenzytyczna jest magnetyczna.

Obróbka cieplna stali nierdzewnych martenzytycznych

Wyżarzanie następuje w temperaturze 900-1000 stopni celsjusza.Chłodzenie następuje w powietrzu lub dla zwiększenia wytrzymałości w oleju lub wodzie, zależy to od gatunku. Przed zastosowaniem stali, plastyczność, można zwiększyć poprzez odpuszczanie. Stal martenzytyczna znajduje zastosowanie w środowiskach mało agresywnych. Wykorzystywana do produkcji części urządzeń wymagających twardości jak np. śruby, sprężyny, sworznie, wały, łopatki turbin parowych, części pomp, zawory pras hydraulicznych. Ponadto służy do wytwarzania narzędzi skrawających, przyrządów chirurgicznych, narzędzi pomiarowych i innych.

Własności mechaniczne stali austenitycznych 

Zwykłe stale austenityczne (gatunki podstawowe) po zabiegu przesycania, tj. po obróbce cieplnej gwarantującej maksymalną odporność na działanie korozji, nie mają najlepszych wskaźników mechanicznych. Lepsze wskaźniki wytrzymałości stale te uzyskują po dodaniu pierwiastków stabilizujących (Ti, Nb) lub pierwiastków wpływających na umocnienie roztworu stałego austenitu, np. azotu. Niską granicę plastyczności stali austenitycznych i niezbyt dużą wytrzymałość na rozciąganie rekompensuje dość dobra ich ciągliwość, a zwłaszcza udarność i to zarówno w temperaturze pokojowej jak i w temperaturach obniżonych (ujemnych).