נירוסטה: למה אנחנו קוראים לזה נירוסטה?

פלדות אל-חלד מודרניות והשימושים שלהן

מה שאנו מכנים כיום נירוסטה מגיע בארבע משפחות המתייחסות באופן כללי למבנה הגבישי המיקרוסקופי שלהן ולשלבים המתכתיים המשתנים שלהן:

פלדות אוסטיניות: פלדת אל-חלד בשלב אוסטניט מורכבת מניקל ומוליבדן כמרכיבי הסגסוג העיקריים שלה, ובעלת מבנה גביש מעוקב במרכז הפנים. תוספת של ניקל מגבירה את עמידות הקורוזיה ואת משיכותו, בעוד מוליבדן משפר את העמידות בפני קורוזיה בתנאים חומציים. דרגות נפוצות של נירוסטה אוסטניטית הן 304 ו-316.
שימושים נפוצים: סוג זה של נירוסטה נחשב עמיד בחום ומשמש בדרך כלל לייצור מחליפי חום, דוודים ותנורים. יישומים נפוצים אחרים של נירוסטה אוסטניטית הם רכיבי תעופה וחלל, אלקטרוניקה, חלקי קטר ומיכלים כימיים. פלדות אל-חלד מסדרת 200 הן גם במשפחה האוסטניטית, אך יש בהן מנגן כאלמנט סגסוג נוסף.

 

פלדות מרטנסיביות: משפחת פלדת אל-חלד משלב מרטנזיט משתמשת בפחמן וכרום כיסודות הסגסוג העיקריים שלה. בריכוזי פחמן גבוהים יותר, לחומר יש מבנה גבישי טטראגונלי במרכז הגוף; ריכוזי פחמן נמוכים יותר יוצרים מבנה גבישי במרכז הגוף. מרטנזיט נוצר כאשר האוסטניט מרוווה במהירות בטמפרטורת החדר. פלדת אל חלד מרטנסיטית ידועה בדרך כלל כסדרת 400 של נירוסטה, כגון דרגות 410, 420 ו-440.
שימושים נפוצים: פלדת אל חלד מרטנסיטית משמשת בדרך כלל ביישומים שבהם רצויים קשיות ועמידות, כגון סכו"ם, כלי עבודה, להבי טורבינה, מחברים וגלגלי שיניים.

 

פלדות פריטיות: פלדת אל-חלד בשלב פריט אינה מגנטית ובעלת מבנה גביש קובי במרכז הגוף. מרכיבי הסגסוג העיקריים שלו הם כרום, ברזל (ומכאן השם פריטי), וריכוז נמוך של פחמן. נירוסטה פריטית היא אפוא רכה יותר, אך גם בעלת גמישות מוגברת ויכולת צורה משופרת - אך לא ניתן לטפל בהן בחום. דוגמאות לפלדת אל חלד פריטית הן דרגות אחרות מסדרת 400, כגון 409, 430 ו-446.
שימושים נפוצים: פלדות אל חלד פריטיות הן בחירה נפוצה עבור כלי מטבח, רכיבי רכב ומכונות תעשייתיות.

 

פלדות דופלקס: נירוסטה דופלקס היא תערובת של אוסטניט ופלדת פריט.
שימושים נפוצים: פלדות דופלקס משמשות לעתים קרובות בתעשיות הנפט והגז, הנייר והכימיקלים.

המקורות של נירוסטה: עבודות קרקע בשנות ה-1800

ההיסטוריה של הנירוסטה רצופה בשערורייה, בדומה לסיפורם של המדען האהוב עלי, ניקולה טסלה ויריבו תומס אדיסון. כמו הסיפור המחשמל שלהם (משחק מילים), פלדת אל-חלד הגיעה מכמה גברים שלוקחים קרדיט על עבודתו של אדם אחר. יש מדינות שלמות שעד היום חולקות מיהו "ממציא" הנירוסטה.

בעוד שיש הטוענים כי הנירוסטה נוצלה על ידי נפחים בהודו העתיקה, סרי לנקה, חצי האי ערב וסין לפני המהפכה התעשייתית, ההיסטוריות הללו לא תועדו היטב. מה שאנחנו כן יודעים הוא שבתחילת המאה ה-19, מדענים בכמה מדינות צפו בתופעה עם סגסוגות מתכות המכילות כרום וברזל - הן הצליחו לעמוד בפני קורוזיה חומצית.

מטלורג צרפתי, פייר ברתיאר, נחשב לראשון שזיהה בשנת 1821 שניתן לייצר סגסוגת פלדה עמידה בפני קורוזיה על ידי הוספת כרום לברזל. בעוד שמטלורגים הסיקו את המסקנה הזו, הם עדיין לא ידעו את החשיבות של הגבלת תכולת הפחמן באותן סגסוגות כדי למנוע קורוזיה בין-גרגירית ושבירה עקב שבירות. אבל, הם התחילו טוב בלקט כיצד כרום שינה את התכונות הפיזיקליות של סגסוגת מתכת.

באנגליה בשנת 1872, ג'ון קלארק וג'ון וודס הגישו את הפטנט הרשמי הראשון על מה שאנו מחשיבים כיום מפלדת אל-חלד. הם קראו למוצר שלהם סגסוגת עמידה במים והוא היה דומה להפליא לסגסוגות מודרניות, אבל עדיין היה בחומר יותר מדי פחמן.

הראשון שזיהה רשמית את סוגיית הפחמן היה חוקר הידוע בפשטות בשם Brustlein בשנת 1875. התגלותו עוררה כמה עשורים של מחקר לפיתוח התערובת האופטימלית של מתכות ושיטת ייצור לפיתוח פלדה דלת פחמן. בעוד שיש לנו היום תהליכים מודרניים ליצירת סגסוגות מתכת, המדע אז היה בסיסי. מציאת דרך להפריד כרום מהפחמן איתו נמצא באופן טבעי היה המכשול העיקרי לייצור פלדה דלת פחמן על בסיס כרום.
כשני עשורים לאחר ההתגלות דלת הפחמן של ברוסטליין, בשנת 1895 פיתח הנס גולדשמידט את תהליך התגובה האלונותרמית לייצור/זיקוק כרום כך שיהיה נטול פחמן. זו הייתה נקודת המפנה שאפשרה את פיתוחה של נירוסטה מודרנית. התגובה הכימית למה שמכונה גם שיטת הפחתת האלומיניום לייצור מתכת כרום מוצגת להלן.

Cr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

שיטת הפחתת אלומיניום לייצור כרום

זהו תהליך שבו תחמוצת כרום (וכל זיהומים שנמצאים איתה באופן טבעי כמו סיליקון, גופרית או פחמן) ואלומיניום מתווספים למיכל פלדה המרופד בחומר מקשר אורגני, אלומינה או תחמוצת מגנזיום וחום. התערובת נדלקת עם בריום מי חמצן כדי ליצור תגובה אקסותרמית - כלומר יש שחרור נטו של אנרגיה (חום) כאשר הכרום והסיגים שנוצרו.

כיום, תהליך זה עדיין משמש לייצור כרום "טהור" וגם תחמוצת אלומיניום עבור יישומים שונים לאחר עיבוד. ניתן לשנות את ריכוזי המרכיבים של התגובה הכימית כדי לייצר רמות טוהר שונות של המתכות המתקבלות.

התקדמות פלדת אל-חלד בשנות ה-1900

תחילת שנות ה-1900 הביאה למספר תגליות חשובות בקידום משפחת סגסוגות הנירוסטה:

– בשנת 1904 גילה ליאון גווילט מספר 400 סגסוגות מפלדת אל חלד של ברזל-כרום וחקר את סדרת 300, סגסוגות ברזל-ניקל-כרום - אם כי לא הבין שהמתכות עמידות בפני קורוזיה.

– P. Monnartz ו-W. Brochure גילו שהוספת כרום לסגסוגת המתכת הגבירה את עמידותה בפני קורוזיה, וכימתה את ריכוז הכרום המינימלי כ-10.5%. הם גם עבדו על פירוט וחקר העמידות המוגברת בפני קורוזיה שמגיעה עם תוספת מוליבדן.

למה אנחנו קוראים לזה נירוסטה

ההתקדמות הגדולה הבאה התרחשה בשנת 1913 כאשר ידוע כי הארי בררלי גילה רשמית פלדה אל חלד בניסיון ליצור פלדה עמידה בפני שחיקה. עכשיו, הארי בררלי הוא כנראה התשובה הנכונה לשאלת טריוויה על מי המציא את הנירוסטה, אבל האמת לא כל כך פשוטה. הוא התנסה בהוספת כרום לפלדה, אבל שאר הסיפור שלו רצוף מיתוס.

יש אומרים שברלי זרק את סגסוגת המתכת הניסיונית שלו לפח, רק כדי לשלוף אותה מאוחר יותר ולהבין שהפלדה לא הכתימה או לא החלידה. אחרים טוענים שהוא נאלץ לחרוט את הדגימה שלו בחומצה חנקתית כדי לבחון אותה מיקרוסקופית, אבל הוא גילה שהמתכת לא החלידה כשנחשפה לחומצות חנקתיות ואחרות או לחומרים מפחיתים. הארי ראה את הפוטנציאל של הסגסוגת שלו לשמש להבי סכינים, אבל הוא לא נתמך על ידי מעסיקיו, והוא לא הצליח לגרום לסגסוגת לעמוד בפני חלודה או הכתמה לפרקי זמן ארוכים.

אז, בצעדים חברו ארנסט סטיוארט, שמצא שהקשחת להבי הסכין שיפרה את עמידותם בפני חלודה וכתמים. ברלי רצה לקרוא לחומר "פלדת חלודה", אבל סטיוארט קרא לו "פלדת אל חלד" בגלל יכולתו להתנגד להכתמה לאחר שנחשף לתמיסת חומץ.

כמו כן, בעוד שברלי טוען לגילוי של פלדת אל-חלד, אחרים נחשבים כמי שגילו אותה לפניו, כולל:

בשנת 1908 פיתחה Kupp Iron Works סגסוגת כרום ניקל ליישום ימי.

בשנת 1911, אלווד היינס יצר פלדה עמידה בפני קורוזיה כדי להחליף את סכיני הגילוח החלודים שלו.

מ-1911-1914, בקט ודאנציזן יצרו כמה סגסוגות פלדה פריטיות.

בשנת 1912, מקס מאוארמן טען שיצר פלדת אל-חלד, אך ככל הנראה הוא יצר רק שיטת ייצור בר-קיימא לנירוסטה. הוא הגיש פטנט על התהליך, אבל הוא היה שנוי במחלוקת בזמנו, והוא לא הוכר כממציא נירוסטה עד לאחר מותו.

ההיסטוריה העשירה של הנירוסטה ופיתוח הכיתות השונות של החומר נובעת ממאמציהם של מדענים, חוקרים, מטלורגים ומהנדסים רבים. במהלך המאה האחרונה פלוס, סוגי הנירוסטה, שיטות הייצור ושיטות המיחזור השתפרו כולם. כעת אנו יכולים לרתום ולעשות מונופול על תופעות הטבע של חמצון נירוסטה.

מההתחלה השנויה במחלוקת ועד להווה המתוחכם והמעניין ביותר מבחינה מתכתית, נירוסטה היא מתכת מגוונת וחזקה להפליא המתאימה אפילו לפרויקטים המורכבים ביותר שלך.