Rustfrit stål
10 tips om rustfrit stål
- Rustfrit stål er ikke kun ét, veldefineret materiale, men en fællesbetegnelse for en lang række legeringer, der alle har tre ting til fælles:
* Hovedelementet skal være jern (dvs. et ”stål”)
* Stålet skal indeholde mindst 10,5 % krom (Cr)
* Stålet skal højst indeholde 1,2 % kulstof (C)
Udover disse tre krav er der frit spil, og vi kan tilsætte en lang række forskellige grundstoffer, fordi vi ønsker at trække de fysiske eller kemiske egenskaber i en ønsket retning. Kun fantasien og det periodiske system sætter grænsen. - Der er fem hovedgrupper af rustfrit stål, og den klart vigtigste af disse er de austenitiske. I denne gruppe har stålet oftest 16-20 % Cr, 8-25 % molybdæn (Mo) og – meget vigtigt – mindst 8 % nikkel (Ni).
Ni er en effektiv austenitstabilisator og bidrager kraftigt til at skubbe stålet over i netop dem kubisk fladecentrerede struktur (FCC). Netop FCC-strukturen har fantastiske, mekaniske egenskaber, især som god strækkelighed og svejsbarhed, og i tilgift er korrosionsegenskaberne ikke så ringe endda. Bland austenitterne finder vi både de ”almindelige rustfri” af 18/8-klassen (4301/AISI 304-klassen) og de molybdænholdige, ”syrefaste” stål af 4404(316-klassen.
Den austenitiske gruppe dækker ca. 90 % af det danske marked for rustfrit stål; ca. 70 % af verdensmarkedet. - Hvis man slet ikke tilsætter Ni, vil stålet oftest forblive kubisk rumcentreret (BCC). Det er den struktur, vi kalder ferritisk, og den kender vi fra alle fra de stålplader, man bruger til biler, skibe, bygningsstål etc. Stålet har ganske vist fået styrket korrosionsbestandigheden ved tilsætning af mindst 10,5 % Cr, men strukturen er den samme.
Ferritiske, rustfri stål er stærkt magnetiske og er lettest at finde som tyndplader. Vi ser dem ofte i køkkenet: Facader på køleskabe og andre hvidevarer, emhætter, dørslag, rustfri skåle og – til bryggerset – tromlerne på vaskemaskiner og tørretumblere. De ferritiske stål er mere almindelige, end folk tror. - Holdes Ni på det halve af det krævede til austenit, får vi en interessant dobbeltstruktur: Duplex. Knap halvdelen af stålets mikrostruktur spiser al nikkel og bliver austenitisk, mens den anden halvdel slet ikke får Ni og bliver ferritisk. Duplexe er således en blanding af ferrit og austenit, typisk 55 % ferrit.
Mekanisk er duplexe stål markant stærkere (og derved mindre bukbare) end både ferrit og austenit, og korrosionsbestandigheden er overbevisende. Duplexe stål bruges derfor oftest til formål, hvor der stilles særligt store krav til materialerne – fx på Nordsøen og i den kemiske industri. - Visse rustfri ståltyper kan hærdes. Det er især de såkaldt martensitiske stål, hvor kombinationen af højt indhold af kulstof (C) og lavt indhold af krom (Cr) gør, at stålet kan hærdes ved kraftig opvarmning og bratkøling.
De hærdbare martensitter ser vi oftest i form af køkkenknive. De kan slibes ultraskarpe, og pga. hårdheden forbliver de skarpe i lang tid. De rustfri knive er endda stærkt magnetiske (knivmagneten), men til gengæld ikke særligt korrosionsbestandige. Det ser vi, når de får ”røde prikker” efter nogle ture i opvaskemaskinen. Det kalder man ofte ”flyverust”, men det er ikke korrekt, da det faktisk er korrosion af selve knivbladene. De lækre køkkenknive skal vaskes op under vandhanen. - Pga. de mindst 10,5 % Cr har rustfrit stål en fremragende evne til at passivere. Stålet dækkes af et tyndt (5-10 nm!) lag af krom-oxider, og dette lag fungerer som en ultratynd maling og beskytter effektivt stålet mod ulykker udefra. Dette kaldes ”passivitet”.
Passivfilmen er desværre ikke bestandig mod alt; stålet kan i slemme tilfælde korrodere. Oftest sker dette ved en lokal nedbrydning af passivfilmen, mens resten forbliver passivt. Korrosionsangrebene bliver derved meget lokale i form af fx pinholes (grubetæring/pitting) eller revner (spændingskorrosion). - Stålets korrosionsbestandighed (overfor pitting) styres ofte af stålets indhold af krom (Cr), molybdæn (Mo) og til dels kvælstof (N). Jo højere indhold, jo bedre, så i praksis er valget af det optimale rustfri stål ”bare” et spørgsmål om at vælge et stål med masser af Cr og Mo. Det er pga. Mo, at ”syrefast stål” af 4401-klassen er mere bestandigt end ”almindeligt rustfrit” af 4301-klassen.
Ulempen er naturligvis, at højtlegerede stål har det med at være dyrere, så i praksis skal man analysere hver enkelt situation og vælge det stål, der giver bedst balance mellem korrosionsbestandighed og pris. - Korrosion er som regel værst under fuldt neddykkede forhold, men det kan også være et problem over vandlinjen. Hovedforskellen mellem forholdene over og under vandlinjen er mængden af elektrolyt – vand. Under vand er der rigeligt; over vand er det ”bare” sjask og sprøjt, men det kan også være slemt nok ved kysten eller under en dansk, saltholdig vinter.
Skal man maksimere stålets korrosionsbestandighed over vand, er det nødvendigt at tænke i maksimal drænbarhed. Overflader skal holdes fine og glatte for at sikre minimal vedhæftning, og vandrette steder eller områder med bagfald skal helt undgås. Jo mindre vand, jo mindre er risikoen for korrosion. - Der findes ikke officielt ”fødevaregodkendte stål”. Ifølge EU-forordningen 1935/2004 må stålet ikke påvirke hverken fødevarerne eller forbrugeren (os!), men der findes ingen positivliste over godkendte ståltyper.
Heldigvis er verden ret enkel, og det danske projekt ”Metal in Food” (2004-07) viste klart, at når ”bare” vi vælger stål og processer, så der ikke sker korrosion, vil der heller ikke afgives tungmetaller til mediet. Endnu et godt argument for at vælge et tilstrækkeligt korrosionsbestandigt stål og overholde ”Good Manufacturing Practice” (GMP). - Man skulle ikke tro det, men rustfrit stål er et af verdens mest genbrugelige metaller / legeringer, og op mod 80 % af Europas nye stål laves med skrot som udgangsmateriale. Det er det skrot, der samles op hos den enkelte virksomhed, hvorfra det sorteres og køres til stålværkerne, hvor det smeltes og justeres med ekstra Cr, Mo, Ni eller det, der nu skal til for at lave ståltype X:
* Alle de nyttige elementer i stålet går tilbage til nyt stål
* Vi begrænser de yderst miljøskadelige minedrift
* Vi skal ikke bruge krudt på at oprense og raffinere de urene malme for uønskede elementer som S, P mm.
* Der er god økonomi i at genbruge det rustfri stålskrot.
* Vi slipper for rustfrit stål i naturen.
Facit er, at rustfrit stål er et af klodens mest genbrugelige materialer. Ingen andre almindeligt anvendte legeringer kan levere samme grad af ”recycling”.
