Stale nierdzewne zawdzięczają swoje unikalne własności, w szczególności wysoką odporność na korozję, obecności odpowiednio dobranych pierwiastków stopowych. Każdy z tych pierwiastków pełni określoną funkcję, wpływając na mikrostrukturę materiału, jego własności mechaniczne (wytrzymałość, plastyczność, twardość), odporność chemiczną (np. na kwasy, chlorki), spawalność i podatność na obróbkę, trwałość w różnych warunkach środowiskowych, a także inne cechy użytkowe istotne z punktu widzenia projektowania i eksploatacji.

Skład chemiczny stali nierdzewnych jest projektowany w sposób zrównoważony, tak aby przez odpowiedni udział pierwiastków stopowych uzyskać synergiczny efekt ich działania na własności użytkowe materiału. Precyzyjne projektowanie składu chemicznego sprawia, że stale nierdzewne wyróżniają się wyjątkową trwałością i wszechstronnością zastosowań w różnych gałęziach przemysłu.

Poniżej przedstawiono najważniejsze pierwiastki stopowe obecne w stalach nierdzewnych oraz ich kluczowe funkcje wpływające na własności materiału.

Chrom (Cr)

Tworzy na powierzchni stali pasywną warstwę tlenków chromu, która chroni stal przed dalszym utlenianiem i korozją.

Minimalna zawartość w stali nierdzewnej to 10,5%. Im wyższa zawartość Cr, tym lepsza odporność na korozję materiału

Nikiel (Ni)

Obecność niklu w stali nierdzewnej powoduje powstanie struktury austenitycznej, która zapewnia niemagnetyczność materiału, wysoką ciągliwość oraz odporność na dynamiczne oddziaływanie siły (udarność).

Poprawia odporność na kwasy, szczególnie kwas siarkowy.

Molibden (Mo)

Dodatek molibdenu przy obecności chromu zwiększa odporność na korozję wżerową i szczelinową, co pomaga przeciwdziałać szkodliwemu działaniu chlorków.

Im wyższa zawartość molibdenu (istnieją stale nierdzewne zawierające 6% molibdenu), tym lepsza odporność na wyższe poziomy chlorków.

Węgiel (C)

Węgiel jest zawsze obecny w stali nierdzewnej. Kluczowe znaczenie ma jego ilość. We wszystkich typach z wyjątkiem stali martenzytycznych udział węgla jest utrzymywany na bardzo niskim poziomie. W gatunku martenzytycznym poziom ten jest celowo zwiększany w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i twardości po obróbce cieplnej (hartowaniu i odpuszczaniu).

Węgiel może mieć także negatywny wpływ na odporność na korozję. Jeśli połączy się z chromem tworząc węgliki chromu w trakcie wygrzewania w wysokiej temperaturze, to może doprowadzić do zjawiska korozji międzykrystalicznej. Z tego względu w większości stali nierdzewnych jego udział jest bardzo ograniczony.

Mangan (Mn)

Zazwyczaj mangan dodaje się do stali nierdzewnych w celu wspomagania procesu odtleniania podczas topienia oraz zapobiegania tworzeniu się wtrąceń siarczku żelaza, które mogą powodować pękanie na gorąco. Jest on również stabilizatorem austenitu, a dodany w większych ilościach (od 4 do 15%) zastępuje część niklu w gatunkach stali nierdzewnej serii 200 a także w stalach typu lean duplex.

Miedź (Cu)

Poprawia odporność stali na działanie nieorganicznych kwasów, szczególnie kwasu siarkowego H₂SO₄.

Krzem (Si)

Zwiększa odporność na utlenianie i nawęglanie w wysokich temperaturach. Występuje w stalach nierdzewnych żaroodpornych.

Aluminium (Al)

Silny odtleniacz, stosowany na etapie wytopu w celu usunięcia pozostałości tlenu z kąpieli metalicznej. Występuje w stalach nierdzewnych żaroodpornych, gdzie przyczynia się do tworzenia stabilnej warstwy ochronnej, która spowalnia utlenianie w wysokiej temperaturze.

Niob (Nb) i Tytan (Ti)

Niob i tytan to dodatki stabilizujące, które wiążą węgiel w węgliki, zapobiegając tworzeniu węglików chromu i tym samych zabezpieczają przez zjawiskiem korozji międzykrystalicznej po spawaniu.

Azot (N)

Zwiększa wytrzymałość i odporność na korozję wżerową i szczelinową w stalach austenitycznych i stalach typu duplex.

Siarka (S)

Poprawia obrabialność, ale obniża odporność na korozję wżerową. W większości przypadków jej udział jest ograniczony do minimum, z wyjątkiem gatunków o polepszonej skrawalności.

Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali nierdzewnych

Literatura

[1]. SSINA – Alloying Elements: https://www.ssina.com/education/product-resources/alloying-elements/

[2]. Pierre-Jean Cunat, „Alloying Elements in Stainless Steel”, International Stainless Steel Forum (ISSF)