pienoiskuva|Gateway Archin pinta on ruostumatonta terästä. 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.
Ruostumattomat teräslajit
Ruostumattomat teräkset voidaan luokitella pääseosaineiden tai mikrorakenteen mukaan.
Koostumuksen mukainen luokittelu CrNi-teräkset eli tavalliset austeniittiset ruostumattomat teräkset austeniittiset CrMnNi-teräkset eli niin sanotut austeniittiset ruostumattomat mangaaniteräkset austeniittiset CrNiMo-teräkset eli ”haponkestävät” (lyh. HST) austeniittiset CrNiTi- ja CrNiMoTi-teräkset eli titaanistabiloidut teräkset Cr- tai CrTi-teräkset ferriittisiä tai martensiittisia (voidaan stabiloida seostamalla titaania)
Mikrorakenteen mukainen luokittelu austeniittiset ferriittiset duplex- eli ferriittisausteniittiset teräkset martensiittiset teräkset
Seosaineiden vaikutus mikrorakenteeseen pienoiskuva|Ruostumattomasta teräksestä valmistettuja putkia. 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
Standardilajien vastaavuuksia EN-stand. teräsnr. EN-stand. teräsnimike ASTM-stand. Type 1.4016 X6Cr17 430 1.4512 X6CrTi12 409 1.4372 X5CrNiMn17-5-6.5 201 1.4310 X10CrNi18-8 301 1.4318 X2CrNiN18-7 301LN 1.4307 X2CrNi18-9 304L 1.4306 X2CrNi19-11 304L 1.4311 X2CrNiN18-10 304LN 1.4301 X5CrNi18-10 304 1.4948 X6CrNi18-11 304H 1.4303 X5CrNi18 12 305 1.4541 X6CrNiTi18-10 321 1.4878 X12CrNiTi18-9 321H 1.4404 X2CrNiMo17-12-2 316L 1.4401 X5CrNiMo17-12-2 316 1.4406 X2CrNiMoN17-12-2 316LN 1.4432 X2CrNiMo17-12-3 316L 1.4435 X2CrNiMo18-14-3 316L 1.4436 X3CrNiMo17-13-3 316 1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2 316Ti 1.4429 X2CrNiMoN17-13-3 316LN 1.4438 X2CrNiMo18-15-4 317L 1.4539 X1NiCrMoCu25-20-5 904
Nykyisin on yleistä, että matalahiilistä teräslajia myydään normaalihiilisen lajin ainestodistuksella, koska matalahiilinen laji täyttää myös normaalihiilisen lujuusvaatimukset. Esimerkiksi samalta matalahiiliseltä sulatukselta voidaan toimittaa teräslajeja 316L ja 316. Tästä on logistista etua sekä teräksen valmistajalle että ostajalle, koska siten voidaan vähentää varastossa olevien teräslajien lukumäärää.
Ruostumattomien toimitustiloja Toimitustila EN-stand. merkintä ASTM-stand. merkintä Kuumavalssattu, hehkutettu ja peitattu 1D 1 Kylmävalssattu, hehkutettu ja peitattu 2D 2D Kylmävalssattu, hehkutettu, peitattu ja viimeistelyvalssattu 2B 2B Kylmävalssattu, hehkutettu, peitattu ja muokkauslujitettu 2H TR Kylmävalssattu, hehkutettu, peitattu ja hiottu 2K 4 Kylmävalssattu, hehkutettu, peitattu ja harjattu 2J 6 Kylmävalssattu, kiiltohehkutettu 2R BA
Käyttö Ruostumattoman teräksen etuina ovat korroosionkestävyys 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-, paperi- 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 teräksestä, 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 ja 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 sekä mangaanista ja siirtyy oksidina teräksen pinnalle syntyvään kuonaan. Siksi sula täytyy pelkistää eli vapauttaa kuonautuneet seosaineet hapesta, jolloin seosaineet siirtyvät takaisin puhtaina metalleina 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 aikaansaamiseksi.
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.