Ruostumaton teräs

Ruostumaton teräs (aikaisemmin myös jaloteräs, puhekielessä rosteri) on rautaseosta, joka sisältää kromia enemmän kuin 10 prosenttia.
Ruostumattomien terästen hyvä korroosionkestävyys perustuu niiden sisältämään kromiin. Ruostumattomassa teräksessä kromi reagoi hapen kanssa ja muodostaa suojaavan kalvon teräksen pinnalle. Suojakalvon muodostumista metallipinnalle kutsutaan passivoitumiseksi. Passiivikalvo on äärimmäisen ohut ja valoa läpäisevä, siksi pinta on metallisen kirkas. Passiivikalvoon käytössä syntyvät naarmut ja muut rikkoutumat korjautuvat itsekseen hapettavassa ympäristössä. Korroosionkestävyyden varmistamiseksi myös hitsattavissa teräksissä pyritään estämään kromikarbidien erkautuminen raerajoilla ajamalla AOD-konvertterissa terässulan hiilipitoisuus happipuhalluksen avulla mahdollisimman matalaksi, yleensä enimmillään 0,030 prosentin pitoisuuteen.
Eräänä ruostumattoman teräksen keksijänä tunnetaan englantilainen Harry Brearley, joka kokeillessaan erilaisia seoksia havaitsi vuonna 1912 kromirautaseosten olevan ruostumattomia. Teräksentuottaja Friedrich Krupp sai vuonna 1912 patentin ”korkean korroosionkestävyyden omaaville” austeniittisille CrNi-teräksille.

Seosaineiden vaikutus mikrorakenteeseen

Austeniittisissa teräksissä on toisena pääseosaineena aina nikkeliä ja/tai mangaania kromin lisäksi. Tyypillinen koostumus on 18 prosenttia kromia ja 8 prosenttia nikkeliä (kuitenkin vähintään 17 % kromia ja 7 % nikkeliä). Austeniittista rakennetta stabiloivia seosaineita ovat hiili, mangaani, nikkeli, kupari ja typpi. Välisija-atomeina austeniittiin liukenevat hiili ja etenkin typpi lujittavat voimakkaasti terästä.
Titaania käytetään hiilen sitomiseen niin, ettei se erkaudu esimerkiksi hitsin hitaasti jäähtyessä raerajoille kromikarbideina, mikä altistaisi teräksen raerajakorroosiolle. Typpi lisää teräksen myötölujuutta. Molybdeeni parantaa pistesyöpymiskestävyyttä kloridipitoisissa liuoksissa. Tavallisissa haponkestävissä kauppateräksissä on molybdeenia 2 tai 2,5 prosentin verran. Hyvin korroosionkestävissä erikoisteräksissä molybdeenia voi olla 3–6 prosenttia.
Ferriittisten terästen mikrorakennetta stabiloivat seosaineet kromi, pii ja molybdeeni Näissä teräksissä on kromia 12–25 prosenttia ja hiiltä alle 0,1 prosenttia. Rakenne on ferriittinen ja magneettista, mutta teräs ei karkene lämpökäsittelyllä. Ferriittisen rakenteen varmistamiseksi pyritään austeniittia suosivien alkuaineiden pitoisuudet saamaan mahdollisimman pieniksi.

Teräslajien standardimerkinnät

Tavallisimmat CrNi-teräslajit ovat 1.4307 (EN) / 304L (ASTM), 1.4301 / 304, CrNiTi-teräs 1.4541 / 321, ”haponkestävät” eli CrNiMo-teräkset 1.4404, 1.4432, 1.4436 / 316L ja CrNiMoTi-teräs 1.4571 / 316Ti

Käyttö

Ruostumattoman teräksen etuina ovat korroosion kestävyys ja verrattain edullinen hinta. Lisäksi ruostumattoman teräksen pinta on helppo puhdistaa, joten kyseessä on hygieeninen materiaali. Ruostumaton teräs voi olla kosketuksissa veden kanssa ruostumatta, minkä vuoksi ruostumatonta terästä käytetään kosteissa tai märissä olosuhteissa. Kuitenkin esimerkiksi muovit, kivet ja keraamiset materiaalit kestävät myös korroosiota - kaikissa käyttökohteissa metallin käyttö ei ole siten perusteltua vaan ruostumatonta terästä käytetään sellaisissa käyttökohteissa, joissa tarvitaan metallin lujuusominaisuuksia. Alumiini on ruostumatonta terästä kalliimpaa, mutta se on ruostumatonta terästä huomattavasti kevyempää. Sinkkipinnoitettu, eli galvanoitu teräs on sen sijaan ruostumatonta terästä edullisempaa, minkä vuoksi sitä käytetään ruostumattoman teräksen sijaan esimerkiksi katuvalojen pylväissä sekä erilaisissa aidoissa ja kaiteissa. Siten galvanoitua terästä käytetään ruostumattoman teräksen sijaan jos mahdollista, mutta sen sinkitty pinta ei ole yhtä esteettinen kuin ruostumattoman teräksen kiiltäväksi hiottu pinta. Lisäksi galvanoidun teräksen pintaa on vaikeampi puhdistaa. Sinkitty teräs kestää suolaista ympäristöä, kuten merivettä, paremmin kuin ruostumattomat teräkset.
Teräksiä käytetään useimmin pehmeäksi hehkutettuina. Kylmämuokkaamalla lujitettuja austeniittisia teräksiä käytetään myös kuljetusvälineisiin niiden hyvän lujuus-paino-suhteen vuoksi, esimerkiksi rekoissa.
Ruostumattomista teräksistä yleisimpiä ovat austeniittiset laadut, joita käytetään muun muassa aterimiin, kattiloihin, kulhoihin, keittiökalusteisiin, olutastioihin sekä elintarvike-, paperiteollisuuden ja kemianteollisuuden laitteisiin, joissa on suuri korroosion riski. Sitä käytetään muun muassa säiliöiden, putkien ja paperikoneiden valmistukseen. Auton katalysaattorit ja pakoputket voidaan valmistaa osaksi ruostumattomasta teräksestä. Rakennusmateriaalina ruostumattoman teräksen käyttö on kasvamassa sen lujuuden ja syöpymiskestävyyden ansiosta julkisivuissa. Kotitalouksien veitset, sakset ja tiskialtaat valmistetaan ruostumattomasta teräksestä. Myös hissien,  liukuportaiden, lukkojen ja ovenkahvojen valmistukseen käytetään ruostumattomia teräksiä. Erilaisia kodinkoneita tai niiden osia valmistetaan myös ruostumattomasta teräksesta, esimerkiksi astianpesukoneen ja pyykinpesukoneen keskeiset osat ovat ruostumatonta terästä. Ruostumatonta terästä käytetään käsikaiteissa sekä kylpyhuoneiden pyyhekuivaimissa ja pyyhekoukuissa. Esimerkiksi Saksassa ja Itävallassa julkisten vessojen vessanpöntöt tehdään ruostumattomasta teräksestä. Ruostumatonta terästä käytetään myös nykytaiteen veistoksissa, kuten esimerkiksi Chicagon Cloud Gate -teoksessa.
Useissa käyttökohteissa myös pinnanlaatu ja ulkonäkö on tärkeä: kiiltohehkutettuna, mekaanisesti tai elektrolyyttisesti kiillotettuna pinta on hyvin heijastava, peilimäinen ja sellaisena helposti puhdistettava, elintarvike- ja lääketeollisuuskäyttöön soveltuva.

Valmistus

Raaka-aineista pääosa on kierrätettyä teräsromua, sekä ruostumatonta että seostamatonta hiiliterästä. Raaka-aineina käytetään lisäksi muita metallisia ns. primäärisiä raaka-aineita, kuten ferrokromia (FeCr), ferronikkeliä (FeNi), elektrolyyttinikkeliä (Ni), ferromangaania (FeMn), elektrolyyttimangaania (Mn), ferropiitä (FeSi), ferrotitaania (FeTi) jne.
Nykyisin tavallisin teräksenvalmistusreitti on valokaariuuni + AOD-konvertteri. Valokaariuunissa tapahtuu teräsromun ja seosaineiden sulattaminen. Seuraavaksi AOD-konvertterissa (Argon-Oxygen-Decarburisation) happipuhalluksella sulasta poltetaan ensin hiili mahdollisimman tarkkaan. Tällöin hapettuu myös osa kromista, piistä ja mangaanista ja siirtyy oksidina teräksen pinnalle syntyvään kuonaan. Siksi sula täytyy pelkistää, eli vapauttaa kuonautuneet seosaineet hapesta, jolloin seosaineet siirtyvät takaisin puhtaana metallina terässulaan. Pelkistäminen tehdään lisäämällä teräkseen piitä.
Lopuksi sulalle tehdään rikinpoisto. AOD:lla tapahtuu myös koostumuksen täsmäys asiakkaan vaatimiin arvoihin. Ennen valua otetusta näytteestä tarkistetaan koostumus. Jatkuvavalulla tehdyt aihiot kuumavalssataan nauhoiksi, jotka lämpökäsitellään ja peitataan jatkuvatoimisilla linjoilla. Peitattu kuumanauha yleensä vielä kylmävalssataan ohuemmaksi ja lopuksi hehkutetaan ja peitataan. Happopeittaus poistaa teräksen pintaan lämpökäsittelyssä syntyneen oksidihilseen. Peitatun nauhan pinta on mattamainen. Nauhan pintaa voidaan vielä lievästi viimeistelyvalssata, harjata tai hioa erilaisen pinnan ulkonäön aikaan saamiseksi.

Ekologisuus ja taloudellisuus

Ruostumaton teräs on käytössä pitkäikäinen ja siksi myös ekologinen materiaali. Ruostumattoman teräksen voi käytöstä poistettuna teräsromuna käyttää kokonaan raaka-aineena uudelleen. Mitä enemmän ruostumattoman teräksen romusta saadaan kiertoon, sitä vähemmän tarvitaan kalliita primäärisiä seosmetalleja, kuten nikkeliä ja molybdeeniä. Nikkelin ja molybdeenin hinnat vaihtelevat voimakkaasti syklisesti, mikä heijastuu voimakkaasti ruostumattoman teräksen markkinahinnan ja kulutuksen vaihteluun. Eräissä vaatimattomissa käyttökohteissa voidaan perinteinen 18-8-teräs korvata sitä halvemmalla AISI 201 -tyyppisellä teräksellä, jossa huomattava osa nikkelistä on korvattu seostamalla mangaania ja typpeä. Mangaanin laajamittaista käyttöä nikkelin korvaajana haittaa sen alhainen saanti romusta. Mangaani palaa suurimmaksi osaksi sulatuksen aikana oksidiksi ja siirtyy terässulasta kuonaan.
Sulatukseen kuluu runsaasti sähköenergiaa, koska sula on kuumennettava noin 1 700 asteeseen ja sulan happipuhalluksessa hiilen palaessa kehittyy vain vähän ylimääräistä lämpöä.
Vaikka ruostumattoman teräksen hinta tuntuu usein korkealta, jää teräksen elinkaaren aikainen kokonaiskustannus (ns. elinkaarikustannus) pitkän käyttöiän ansiosta yleensä pienemmäksi verrattuna moneen muuhun materiaaliin (esim. maalattu hiiliteräs tai alumiini).

Teräslajien ominaisuudet

Austeniittiset ruostumattomat teräkset ovat hyvin muovattavia, sitkeitä matalissa lämpötiloissa, hyvin hitsattavia ja lujuutensa säilyttäviä korkeissa lämpötiloissa. Austeniittisilla teräksillä ei ole iskusitkeyden transitiolämpötilaa, vaan ne säilyttävät korkean iskusitkeyden vielä −196 °C:n lämpötilassa. Painelaite- ja rakenneputkia valmistetaan teräsnauhoista hitsaamalla. Yleisimmin putket valmistetaan TIG- ja LASER-hitsausmenetelmillä ilman lisäainetta. Austeniittiset teräkset eivät ole lämpökäsiteltynä magneettisia, siksi ne voi erottaa ferriittisistä teräksistä magneetilla kokeilemalla. Metastabiili austeniitti säilyy huoneenlämpötilaan asti siihen liuenneiden seosaineiden ansiosta.
Kylmämuokkauksessa metastabiilista austeniittista syntyy α´-martensiittia, joka lujittaa voimakkaasti ja on magneettinen faasi. Martensiittia muodostuu myös venytysmuovauksessa kuten pesualtaan valmistuksessa. Muokkausmartensiitti parantaa venytysmuovattavuutta estämällä ennenaikaista murtumista paikallisen kuroutuman kohdalla. Epästabiilin koostumuksen vaikutus ilmenee vetokokeessa sekä murtolujuuden että tasavenymän kasvuna. Muokkauksessa syntyy sitä enemmän martensiittia, mitä niukemmin teräs on seostettu, mitä matalampi muokkauslämpötila ja mitä korkeampi muokkausaste on. Vastaavasti runsasseosteista laatua olevaan riittävän korkeaan lämpötilaan esilämmitettyyn kappaleeseen ei synny muokkausmartensiittia, jolloin lujittuminen ja muokkausenergian tarve on vähäisempi kuin huoneenlämpötilassa tehdyssä muokkauksessa.
Syvävedossa martensiitin muodostumisesta on haittaa jo siksi, että se lisää voimantarvetta. Niinpä tyypillisessä syvävetoprosessissa, kattilan vedossa valitaan mahdollisimman stabiili koostumus. Venytysmuovaukseen puolestaan sopii tavallista epästabiilimpi koostumus. Muovaukseen tarkoitettujen austeniittisten terästen stabiilisuuden mittana käytetään koostumuksesta laskettavaa Md30-lämpötilaa.
Ferriittiset teräkset ovat austeniittisia lajeja halvempia, koska niissä ei ole kallista nikkeliä seosaineena.
Ferriittisten terästen kylmäsitkeys ei ole niin hyvä kuin austeniittisten.
Duplextyyppiset teräkset sisältävät likimain yhtä paljon austeniittista ja ferriittistä mikrorakennetta, joka on saatu seostamalla teräkseen enemmän ferriittiä suosivia ja vähemmän austeniittia suosivia aineita kuin austeniittisilla teräslajeilla.  Näissä teräksissä yhdistyvät parhaimmillaan sekä austeniittisten että ferriittisten hyvät ominaisuudet hitsattavuuden, muovattavuuden ja korroosionkestävyyden puolesta.
Martensiittiset teräkset ovat erittäin lujia, mutta usein myös kylmähauraita ja huonosti muovattavia. Ne soveltuvat hyvin työkalumateriaaleiksi, kun vaaditaan lujuutta ja kulumiskestävyyttä. Tyypillisiä käyttökohteita ovat leikkurinterät ja veitset.

Korroosio

Myös ruostumattomia teräksiä vaivaa korroosio eri muodoissaan, vaikka ne eivät ruostukaan kuten hiiliteräkset. Kloridipitoiset liuokset aiheuttavat pistesyöpymiä ja austeniittisilla teräksillä hitsatuissa rakenteissa jännityskorroosiota. Ruostumattomat teräkset syöpyvät siis suolaisessa ympäristössä, kuten merivedessä. Ferriittiset teräkset ovat immuuneja jännityskorroosiolle.
Molybdeeni parantaa pistekorroosiokestävyyttä. Parhaimman korroosionkestävyyden omaavissa lajeissa on jopa 6 prosenttia molybdeenia, mutta siten ne ovat myös hyvin kalliita.

Raerajakorroosio

Lämpökäsittelyn tai hitsauksen jälkeen tapahtuvassa hitaassa jäähtymisessä korkeahiilisissä (yli 0,05 % C) teräslajeissa voi raerajoille erkautua kromikarbideja synnyttäen ympärilleen kromiköyhän vyöhykkeen. Ilmiötä kutsutaan teräksen herkistymiseksi. Herkistyneet kromista köyhtyneet raerajat syöpyvät selektiivisesti happoliuoksissa. Teräkseen seostetaan titaania tai niobia hiilen sitomiseksi ja siten herkistymiseen johtavien raerajakarbidien synnyn ehkäisemiseksi. Parannettuun raerajakorroosionkestävyyteen päästään myös alemmalla hiilipitoisuudella (max 0,030 %).

Raerajakorroosiokoe

Korroosionkestävyyden varmistamiseksi on standardoituja testimenetelmiä. Näistä tunnetuin on raerajakorroosion testausta varten kehitetty Straussin koe (kuparisulfaatti-rikkihappoliuos) standardien ASTM A162 Practice E ja SFS EN ISO 3651-2 menetelmän A mukaan suoritettuna. Raerajakorroosiokoe tehdään matalahiilisille ja stabiloiduille lajeille herkistyslämpökäsiteltynä, muutoin lopputuotteen valmistustilassa. Testikappaleet taivutetaan (90–180°) CuSO₄·H₂SO₄-liuoksessa 16–24 tuntia keittämisen jälkeen. Testikappaleen taivutuskohdan vetopuolella ei saa olla murtumia hyväksytyn testin jälkeen.