Avantajul nichelului

Prezentare generală a oțelurilor inoxidabile care conțin nichel

Oțelul inoxidabil nu este un singur material; există cinci familii, fiecare dintre ele constând în multe clase. Nichelul este un supliment important de aliere în aproape două treimi din oțelul inoxidabil produs astăzi.

Cromul este elementul cheie de aliere care face ca oțelurile inoxidabile să fie „inoxidabile”. Mai mult de 10,5 la sută trebuie adăugat la oțel pentru a permite formarea filmului de oxid de protecție care oferă rezistența la coroziune și aspectul strălucitor, argintiu. În general, cu cât este mai mare cantitatea de crom adăugată, cu atât este mai mare rezistența la coroziune. Această descoperire a fost făcută cu puțin peste un secol în urmă. Unele dintre primele oțeluri inoxidabile conțineau, de asemenea, nichel, rezultând proprietăți îmbunătățite, iar calitățile care conțin nichel sunt utilizate de atunci. Astăzi, chiar dacă nichelul poate fi văzut ca un adaos de aliaj relativ scump, aproximativ două treimi din tonajul oțelului inoxidabil produs în fiecare an conține nichel. Care este rolul nichelului și de ce este utilizat atât de mult?

Funcția principală a nichelului este de a stabiliza structura austenitică a oțelului la temperatura camerei și mai jos. Această structură austenitică (adică cristalul cubic centrat pe față) este deosebit de dură și ductilă. Acestea și alte proprietăți sunt responsabile pentru versatilitatea diferitelor clase de oțel inoxidabil. Aluminiul, cuprul și nichelul în sine sunt exemple bune de metale cu structuri austenitice.

Cantitatea minimă de nichel care poate stabiliza structura austenitică la temperatura camerei este de aproximativ 8 procente, motiv pentru care este procentul prezent în cea mai utilizată clasă de oțel inoxidabil, și anume tipul 304. Tipul 304 conține 18 procente crom și 8 procente nichel și este adesea denumit 18/8. Această compoziție a fost una dintre primele dezvoltate în istoria oțelului inoxidabil, la începutul secolului al XX-lea. A fost folosit pentru uzinele chimice și pentru a îmbrăca iconica clădire Chrysler din New York, care a fost finalizată în 1929.

Manganul a fost folosit pentru prima dată ca adaos la oțelul inoxidabil în anii 1930. Seria 200 de clase austenitice cu conținut scăzut de nichel a fost dezvoltată în continuare în anii 1950, când nichelul era rar. Îmbunătățiri mai recente în practicile de topire au permis adăugarea controlată a unor cantități crescute de azot, un agent puternic care formează austenita. Deși acest lucru ar putea sugera că tot nichelul poate fi înlocuit cu structura rămasă austenitică, totuși nu este la fel de simplu ca acesta; toate clasele austenitice cu conținut ridicat de mangan disponibile în prezent în comerț au încă un adaos deliberat de nichel. Mulți au, de asemenea, un conținut redus de crom pentru a menține structura austenitică. Cu toate acestea, această abordare reduce rezistența la coroziune a acestor aliaje în comparație cu clasele standard de nichel din seria 300.

Deoarece conținutul total de formatori de austenită este redus, structura oțelului inoxidabil se schimbă de la 100% austenită la un amestec de austenită și ferită (cristal cubic centrat pe corp); acestea sunt oțelurile inoxidabile duplex. Nichelul continuă să stabilizeze structura fazei austenitei. Toate clasele duplex importante din punct de vedere comercial, chiar și „duplexurile slabe”, conțin 1% sau mai mult nichel ca adaos deliberat. Majoritatea oțelurilor inoxidabile duplex au un conținut mai mare de crom decât clasele austenitice standard; cu cât nivelul mediu de crom este mai mare, cu atât trebuie să fie mai mare conținutul minim de nichel. Acest lucru este similar cu cazul seriei 200.

Structura în două faze a claselor duplex le face inerent mai puternice decât clasele austenitice comune. Conținutul lor de crom ușor mai mare le conferă, de asemenea, o rezistență la coroziune ușor îmbunătățită în comparație cu clasele standard. Deși există alte caracteristici de luat în considerare, clasele duplex au găsit câteva aplicații de nișă valoroase.

Reducerea în continuare a conținutului de nichel - chiar și la zero - produce calități fără austenită deloc. Acestea au o structură complet feritică. Fierul și oțelurile ușoare au, de asemenea, o structură feritică la temperaturi ambiante.

Nu toate clasele feritice nu sunt complet nichelate. Se știe că nichelul scade temperatura de tranziție ductil-fragilă (DBTT), adică temperatura sub care aliajul devine fragil. DBTT este, de asemenea, o funcție a altor factori, cum ar fi mărimea bobului și alte adaosuri de aliere. Cu toate acestea, unele dintre clasele super-feritice foarte aliate conțin un adaos intenționat de nichel pentru a îmbunătăți DBTT, în special a sudurilor.

Spre deosebire de clasele austenitice, clasele martensitice pot fi întărite prin tratament termic. Cu toate acestea, unele conțin nichel, ceea ce nu numai că îmbunătățește rezistența, dar permite, de asemenea, oțelului să aibă un conținut mai mare de crom, care, la rândul său, oferă o rezistență crescută la coroziune. Tratamentul termic de călire implică încălzirea la o anumită temperatură și apoi stingerea materialului, urmată de o operație de călire.

În cele din urmă, gradele de întărire a precipitațiilor (PH) pot dezvolta, de asemenea, rezistență ridicată prin tratament termic. Există diferite familii de grade PH, dar toate conțin nichel. Spre deosebire de familia martensitică, tratamentul termic nu implică o etapă de stingere.