Korozivzdorná ocel (slangově nerez, nerezová ocel či nerezavějící ocel) (anglicky stainless steel) je vysocelegovaná ocel se zvýšenou odolností vůči chemické i elektrochemické korozi. Korozní odolnost je založena na schopnosti tzv. pasivace povrchu železa. I když je pasivita korozivzdorných ocelí vůči celkové korozi dosažena v mnoha prostředích, lze se setkat v různých specifických prostředích se vznikem různých lokálních druhů koroze – štěrbinovou, bodovou, mezikrystalovou a korozním praskáním. Proto se kromě chromu používají i další prvky, které zvyšují korozní odolnost pro daný typ koroze.
Korozivzdorné oceli lze rozdělit podle chemického složení a struktury do tří základních skupin: feritické, martenzitické, austenitické oceli a tzv. přechodové skupiny feriticko-austenitické, martenziticko-austenitické a poloferitické oceli. Ačkoli korozivzdorné oceli obsahují vysoké množství legur, 12 až 30 % chromu, až 30 % niklu nebo do 24 % manganu a dalších, vždy se jedná o slitinu uhlíku s železem, tj. ocel.
Použití korozivzdorných ocelí je široké, od chemického a potravinářského průmyslu, přes automobilový průmysl, ve stavebnictví i jako architektonický materiál, při výrobě lodí atd.
Historický vývoj náhled|alt=Oznámení o vývoji korozivzdorné oceli v Sheffieldu z roku 1915 v New York Times|Oznámení o vývoji korozivzdorné oceli v Sheffieldu z roku 1915 v New York Times
náhled|alt=První letadlo, v jehož konstrukci byla použita korozivzdorná ocel|První letadlo Budd BB-1 Pioneer, v jehož konstrukci byla použita korozivzdorná ocel
Problematiku koroze znali pravděpodobně již ve starém Egyptě, v Řecku – od Platona, v Římě – od Plinia a Vitruvia, i v Dillí, kde je dodnes zachován železný pilíř z 5. nebo 6. století. První dochované zmínky o korozi kovaných železných částí vodních staveb se objevily až v 15. století. Koroze litinových vodovodů byla pozorována až o zhruba dvě století později. Pro ochranu litiny se používalo pokovování cínem (v Česku už asi po roce 1000), mědí (v Anglii v 17. století). V 18. století se problematikou koroze zabývali Stahl, Lavoisier a další. Roku 1821 Hall popisuje podstatu koroze jako oxidaci železa při působení vody a kyslíku. Později byla popsána koroze jako elektrochemický děj.
Korozní odolnost slitiny železa s chromem byla prokázána Berthierem v roce 1821 v lučavce královské, Malletem v roce 1838 v korozním prostředí, Frémyem v roce 1857 v prostředí koncentrovaných kyselin a dalšími.
Výzkum a vývoj korozivzdorných ocelí s chromem a niklem se ale rozeběhl až během prvních dvaceti let 20. století. Nezanedbatelná je také práce Philipa Monnartza z roku 1911, která uvádí vlastnosti slitin železa s chromem a jejich využití. V této práci naznačil dvě nejnižší meze obsahu chromu a to 12,5 % pro odolnost proti kyselině dusičné na normální teploty a 14 % při jejím varu. V kladenské Poldině huti byla v roce 1910 vyrobena ocel pro hlavně loveckých pušek s 10% obsahem niklu.
Harry Brearley z sheffieldských laboratoří, který hledal korozivzdorné slitiny pro sudy se střelným prachem, objevil v roce 1912 a následně zavedl výrobu martenzitické korozivzdorné oceli s obsahem uhlíku 0,24 %, chromu 12,8 %. Benno Strauss a Eduard Maurer patentovali pro firmu Krupp austenitickou korozivzdornou ocel 17. října 1912. O dva roky později Strauss a Maurer vyrobili ocel s 20 % chromu, 7 % niklu a 0,25 % uhlíku pro výrobnu čpavku.
První duplexní korozivzdorná ocel byla vyvinuta pro papírenský průmysl ve Švédsku okolo roku 1930. Teprve až ve 40. letech byly pochopeny metalurgické procesy a v padesátých letech standardizovány. Dalším významným skokem bylo kyslíko-argonové oduhličení ocelí na konci 60. let, které umožnilo výrobu nízkouhlíkových ocelí s regulovaným množstvím dusíku. Od 70. let dochází k výrobě vysoce kvalitních ocelí a super- korozivzdorných ocelí, např. superferitických s vynikající korozní odolností nebo superduplexních ocelí s výbornou korozivzdorností a zároveň dobrou svařitelností.
Korozivzdorné oceli byly používány mj. i ve vojenském průmyslu již během první světové války, např. v motorech letadel Sopwith Triplane, Sopwith Camel, a dalších.
Koroze
Ačkoliv se ocel nazývá korozivzdornou nebo někdy nerezovou neznamená to, že nepodléhá korozi. Za běžných podmínek působení atmosférického či vodního prostředí se s korozí lze setkat výjimečně, např. u zábradlí, příborů apod. Při působení agresivního prostředí se lze setkat s korozí korozivzdorných ocelí.
Druhy koroze
Chemická K chemické korozi dochází při styku tuhých látek s plynnými jako oxidačně-redukční reakce. Její rychlost dominantně závisí na teplotě prostředí.
Mezikrystalová koroze
Korozivzdorné oceli mají zvýšenou citlivost k mezikrystalové korozi, kterou způsobuje vylučování karbidů chromu (např. M23C6, M7C3) na hranicích zrn odebíráním chromu z přilehlých oblastí až klesne jeho obsah pod minimální mez, pod kterou může dojít ke vzniku koroze, zvláště v roztocích kyseliny fosforečné, octové, mléčné nebo v mořské vodě či chlorovaných rozpouštědel. K precipitaci karbidů dochází při tepelném zpracování v oblasti 400 až 800 °C, např. při svařování. Tento jev se nazývá zcitlivění korozivzdorných ocelí. Homogenní tuhý roztok a tedy zpětné rozpuštění karbidů lze dosáhnout při tzv. rozpouštěcím žíháním při teplotě 1000 až 1150 °C. Pro znecitlivění ocelí k mezikrystalové korozi se používá titanu nebo niobu, který přednostně vytváří karbidy a tím snižuje obsah uhlíku a potlačuje vznik nežádoucích karbidů chromu. Oceli legované titanem nebo niobem se pak nazývají stabilizované a jsou vhodné i ke svařování. Odolnost ocelí vystavených vyšším teplotám vůči mezikrystalové korozi lze též zvýšit snížením obsahu uhlíku, tuto závislost popisují tzv. Rolasonovy křivky.
Bodová koroze
Bodová koroze () vzniká při lokálním porušení pasivní vrstvy v místech s nehomogennostmi a vadami jakými jsou např. nekovové vměstky MnS, FeS a CaS. V drobných, ale hlubokých důlcích se zvyšuje koncentrace agresivních iontů, které dále prohlubují korozní důlek. Pro zvýšení odolnosti se zvyšuje obsah chromu nebo se přidává molybden či dusík. Odolnost proti bodové (pittingové) korozi lze empiricky vyjádřit následujícím indexem PRE: pro austenitické oceli jako PRE = Cr + 3,3×Mo + 16×N [hm. %], pro austeniticko-feritické oceli jako PRE = Cr + 3,3×Mo + 30×N [hm. %].
Štěrbinová koroze
Štěrbinová koroze má podobný charakter jako bodová koroze. Pro její vznik je rozhodující kvalita pasivní vrstvy a geometricky nevhodný tvar např. ve styčné spáře šroubového styku.Číhal, str. 67
Koroze za napětí Koroze za napětí (korozní praskání) vzniká i v málo agresivním prostředí obsahující chloridy a hydroxidy a za působení mechanického namáhání (napětí). Pro austenitické a duplexní oceli je agresivní prostředí tvořené např. MgCl2, BaCl2, NaCl – H2O, mořská voda, NaOH – H2S, pro feritické pak H2S, NH4Cl, NH4NO3. Kromě mechanického namáhání může být původcem napětí i tzv. reziduální napětí způsobené výrobou, např. válcováním nebo svařováním. Pro snížení rizika korozního praskání je vhodné snížit reziduální pnutí, snížit agresivitu prostředí případně zvýšit obsah molybdenu na 6 hm. %.
Galvanická (bimetalická) koroze Galvanická koroze se objevuje při kontaktu dvou rozdílných kovůProtože se jedná o spojení dvou kovů, označuje se tato koroze někdy jako bimetalická. vodivým elektrolytem (např. kondenzací atmosférické vlhkosti). Kov s nižší korozní ušlechtilostí (anoda) koroduje rychleji, než pokud by bylo zabráněno vodivému propojení. Typickým příkladem jsou šroubové spoje, ve které spojují části z korozivzdorné oceli šrouby z uhlíkové oceli. Části spoje z uhlíkové oceli budou korodovat masivněji než u spoje celého z uhlíkové oceli.
Charakteristika náhled|upright|vlevo|Mechanismus pasivace korozivzdorných ocelí
Korozivzdorná ocel je vysocelegovaná ocel se zvýšenou odolností vůči chemické i elektrochemické korozi. Korozní odolnost je založena na schopnosti tzv. pasivace povrchu železa. Velmi tenká vrstva oxidů (5×10−6 mmKovařík, str. 14, 1–2×10−6 mm) se vytvoří reakcí s okolním prostředím. Pasivity lze dosáhnout již při obsahu nad 13 hm. % resp. nad 12 hm. % resp. nad 10,5 % chromu v tuhém roztoku, při kterém se na povrchu vytvoří vrstva oxidu chromitého. To však neplatí pro vysocekorozivní prostředí jako jsou kyselina chlorovodíková nebo kyselina sírová. I když je pasivita korozivzdorných ocelí vůči celkové korozi dosažena v mnoha prostředích, lze se setkat v různých specifických prostředích se vznikem různých lokálních druhů koroze – štěrbinovou, bodovou, mezikrystalovou a korozním praskáním. Proto se kromě chromu používají i další prvky, které zvyšují korozní odolnost pro daný typ koroze, např. nikl, molybden, aj.
Korozivzdorné oceli lze rozdělit podle chemického složení a struktury do tří základních skupin: feritické, martenzitické, austenitické oceli a tzv. přechodové skupiny feriticko-austenitické, martenziticko-austenitické a poloferitické oceli. Ačkoli korozivzdorné oceli obsahují vysoké množství legur, 12 až 30 % chromu, až 30 % niklu nebo do 24 % manganu a dalších, vždy se jedná o slitinu uhlíku s železem, tj. ocel.Číhal, str. 87
náhled|Schaefflerův diagram s oblastmi
a s De Longovou stupnicí obsahu feritu v %
Pro získání odhadu struktury korozivzdorné chrom-niklové oceli se používá Shaefflerův a De Longův diagram. Tento binární diagram ukazuje vlivy feritotvorných prvků ekvivalentem %Creq a austenitotvorných prvků ekvivalentem %Nieq na výslednou strukturu oceli. Ekvivalenty %Creq a %Nieq jsou počítány podle vztahů: %Creq = Cr + Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb [hm. %], %Nieq = Ni + 30 C + 0.5 Mn [hm. %],
resp.:
%Creq = Cr + 2 Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb + 0,5 Ti [hm. %], %Nieq = Ni + 30 C + 30 N + 0.5 Mn [hm. %].
Pro výpočty ekvivalenty chromu a niklu Schaefflerova diagramu existuje mnoho postupů, které závisí na druhu oceli, množství a druhu použitých legur. Například upravený Shaefflerův diagram označovaný jako WRC – 1992, a další.
Druhy korozivzdorných ocelí
Austenitická korozivzdorná ocel náhled|Použití v potravinářském průmyslu. Austenitické korozivzdorné oceli obvykle obsahují méně než 0,10 % uhlíku, 16–22 % chromu, 8–40 % niklu, 0–5 % molybdenu, případně dusík, titan, niob, měď nebo křemík. Austenitické se nazývají podle austenitické struktury, kterou dosahují za normální teploty i za teplot pod bodem mrazu. Austenitickou strukturu zajišťuje dostatek tzv. austenitotvorných prvků, např. nikl, mangan, uhlík a dusík.
Mají nízkou mez kluzu 230–300 MPa, ale vysokou houževnatost až 240 J·cm2 při -196 °C a tažnost 45–65 %, díky které jsou vhodné ke tváření za studena, po kterém lze dosáhnout meze kluzu 510–960 MPa avšak při odpovídajícím snížení tažnosti na 25–8 %.
Jsou nemagnetické, ale zbytkový obsah 3–10 % feritu δ může způsobovat slabý feromagnetismus.
Z hlediska korozivzdornosti odolávají celkové korozi za přispění chromu, molybdenu, mědi, křemíku a niklu, mezikrystalové korozi stabilizací titanem případně niobem, bodové a štěrbinové korozi molybdenem, křemíkem a dusíkem, koroznímu praskání omezením obsahu fosforu, arzénu, antimonu popř. cínu. Jsou náchylné ke korozi pod napětím.
Austenitických ocelí se však vyrábějí desítky druhů ve následujících třech základních skupinách. chrom-niklové oceli s 0,01–0,15 % uhlíku, 12–25 % chromu, 8–38 % niklu, s případnými dalšími legurami – dusík, molybden, měď, křemík a stabilizované titanem a niobem; chrom-mangan-niklové s 0,02–0,15 % uhlíku, 12–22 % chromu, 5–12 % manganu, 3–8 % niklu, s případnými dalšími legurami – dusík, molybden a měď, stabilizované titanem a niobem; chrom-manganové s 0,02–0,08 % uhlíku, 10–18 % chromu, 14–25 % manganu, 3–8 % niklu, s případnými dalšími legurami – dusík, molybden a měď, stabilizované titanem a niobem.