פלדת אל-חלד
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
פלדת אל-חלד או פלדה בלתי מחלידה (פלב"מ) מוגדרת בתורת המתכות כסגסוגת ברזל אשר מכילה כרום בכמות של לפחות 10.5% ממשקלה. שמה ניתן לה בשל העובדה שהסגסוגת עמידה בפני חלודה ושִתּוּך (קורוזיה) מסוגים אחרים הרבה יותר מפלדה רגילה שהיא סגסוגת ברזל-פחמן. המילה נירוסטה (קיצור ואיחוי המילים "פלדה בלתי מחלידה" בגרמנית Nichtrostenden Stahl), שהפכה בארץ למילה נרדפת לפלדת אל-חלד, היא סימן מסחר רשום של החברה הגרמנית תיסֶן-קרוּפּ נירוסטה בע"מ ThyssenKrupp Nirosta GmbH.
תוכן עניינים |
[עריכה] תכונות
העמידות של פלדת אל-חלד בפני שִתּוּך באה בזכות שכבת פסיבציה של תלת-תחמוצת הכרום (Cr2O3) אשר נוצרת כאשר הכרום נחשף לחמצן. שכבה זו אינה חדירה למים ולאוויר, ולכן היא מגנה על המתכת שמתחתיה, והיא דקה מכדי להיראות לעין, ולכן המתכת נראית מבריקה. יתר על כן, אם החומר נשרט, נוצרת מיידית שכבת פסיבציה על השריטה, בדומה למתכות אחרות כגון אלומיניום.
| החומר | נקודת ההיתוך |
| פלדה עשירה בפחמן | 1353°C |
| פלדת אל-חלד | 1363°C |
| פלדת פחמן בינוני | 1427°C |
| ניקל (היסוד) | 1455°C |
| פלדה מועטת פחמן | 1464°C |
| ברזל (היסוד) | 1530°C |
| כרום (היסוד) | 1615°C |
| פחמן (היסוד) | 3600°C |
חשיבות שכבת המגן הדקה מומחשת כאשר שני גופי פלדת אל-חלד, למשל בורג ואום, מהודקים זה אל זה בכוח. במקרים כאלה תתכן שחיקה של שכבת המגן, וכתוצאה מכך התחברות דמויית ריתוך בין שני החלקים. בשל התחברות זו, תתכן גזירה או קריעה של החלקים כאשר מנסים להפריד אותם.
בסביבות 200° צלזיוס מתחילה כל פלדה, כולל פלדת אל-חלד, לאבד מחוזקה, ובכ-550° צלזיוס היא מאבדת 50% מהחוזק המבני ומתחילה להתכופף[2]. נקודת ההתכה של פלדת אל-חלד היא בסביבות 1360° צלזיוס, אך מכיוון שהיא סגסוגת, נקודת ההתכה המדויקת משתנה בהתאם להרכבה המדויק. בטבלה משמאל מופיעים ערכי נקודות התכה של כמה סגסוגות ויסודות המוזכרים במאמר זה.
[עריכה] שימושים
עמידותה של פלדת אל־חלד בפני שיתוך וכתמים, מחירה הנמוך יחסית, והברק האופייני לה עשו אותה לחומר גלם מבוקש למגוון רחב של מוצרים. הסגסוגת מיוצרת בצורת יריעות, לוחות, מוטות, צינורות וחוטים, ומהם מייצרים מגוון גדול של מוצרים: כלי מטבח כגון סירי בישול, מחבתות, סכו"ם וכיורים; כלי ניתוח; כלי עבודה; מכשירי חשמל וציוד תעשייתי. כמו־כן היא משמשת בתעשיית הבניין - למעקות, ציפוי חוץ של מבנים (ראו תמונה מימין), ועוד. שימושים נוספים הם בייצור מטבעות, מדליות ובאמנות הפיסול.
פלדת אל-חלד ניתנת למיחזור ב־100%, כך שאפשר להגדירה כחומר ידידותי לסביבה. פסולת ברזל ופלדה משמשת לייצור כ־50% מהפלדה היוצאת ממפעלי הפלדה בעולם.
[עריכה] היסטוריה
קיימים כמה חפצים עשויים ברזל בלתי מחליד ששרדו מהעת העתיקה. אחד המפורסמים הוא עמוד הברזל העומד כיום ליד מסגד קואט-אול-איסלאם (Quwwat-ul-Islam) בדלהי שבהודו. אולם בשונה מפלדת האל-חלד, עמידותו של העמוד מיוחסת לריכוז הזרחן הגבוה בברזל בו השתמשו ליציקתו. חוקרים משערים שהזרחן שימש כזרז לתגובה כימית שיצרה שכבת פסיבציה של מיסאוויט – תרכובת של ברזל, חמצן ומימן (misawite - δ-FeOOH).
העמידות לשיתוך של סגסוגות ברזל-כרום הוכרה לראשונה ב-1821 על-ידי המטלורג הצרפתי פייר ברתייר (Pierre Berthier), אשר צפה בעמידותם בפני חומצות והציע להשתמש בהם בתעשיית הסכו"ם. אולם למטלורגים של המאה ה-19 לא הייתה הטכנולוגיה הנדרשת ליצירת הצירוף של ריכוז כרום גבוה עם ריכוז פחמן נמוך המיושם בייצור פלדת אל-חלד בימינו, וסגסוגות הברזל-כרום שהם הצליחו לייצר היו פריכות מכדי להיות בעלות ערך שימושי.
השיפור החל בשנות ה-90 המאוחרות של המאה ה-19, כאשר הנס גולדשמידט (Hans Goldschmidt) הגרמני פיתח תהליך של חיזור אלומינותרמי לייצור כרום נקי מפחמן. בין השנים 1904 ל-1911 ייצרו כמה חוקרים, שהבולט ביניהם היה ליאון גולט (Leon Guillet) הצרפתי, סגסוגות שהיו נחשבות בימינו לפלדת אל-חלד. ב-1911 פרסם פיליפ מונארץ (Philip Monnartz) הגרמני דו"ח על הקשר בין אחוז הכרום בסגסוגת לבין עמידותה בפני שיתוך.
הארי ברירלי (Harry Brearley) ממעבדות המחקר "בראון-פירת'" (Brown-Firth) שבעיר שפילד באנגליה נחשב כ"אבי פלדת האל-חלד". בשנת 1913, כאשר ניסה לייצר סגסוגת עמידה בשיתוך לייצור קני תותחים, גילה תהליך לייצור פלדת אל-חלד מרטנסיטית (martensitic – כינוי לסגסוגת ברזל בעלת פחות מאחוז אחד של פחמן), ואף תיעש את התהליך. בו זמנית במפעלי קרופ בגרמניה היו התפתחויות דומות, שם אדוארד מאורר (Eduard Maurer) ובנו שטראוס (Benno Strauss) פיתחו סגסוגת אל-חלד אוסטניטית (austenitic – כינוי לסגסוגת ברזל-פחמן שאינה מגנטית) שבה 21% כרום ו-7% ניקל. גם בארצות הברית באותה תקופה החלו קריסטיאן דנציזן (Christian Dantsizen) ופרדריק בקט (Frederick Becket) בייצור תעשייתי של פלדת אל-חלד.
[עריכה] סוגים
במיון לפי תכונות מגדירים מעל 150 סוגים של פלדת אל-חלד, מהם 15 נפוצים. לדוגמה, כדי לקבל סגסוגת שאינה מגנטית מוסיפים ניקל או מנגן. להשגת הקשיות והחוזק הנדרשים ללהבי סכינים ולכלי עבודה, מוסיפים פחמן.
כמו-כן ניתן למיין פלדת אל-חלד לפי גימור פני השטח החיצוני. הגימור יכול להיות מחוספס או חלק, מבריק או מָט.
[עריכה] שִתּוּך (קורוזיה)
למרות עמידותה, גם פלדת אל-חלד יכולה להיפגע משיתוך בתנאים מסוימים. מכיוון שהשיתוך שלה יכול להיות שונה ופחות בולט לעין מהחלודה המוכרת בברזל ובפלדה רגילה, ייתכן שהוא לא יתגלה בזמן ויגרום בעיות למי שאינו מודע לתופעה.
להלן מתוארים כמה מסוגי השיתוך שעוברת פלדת אל-חלד. סוגים נוספים מתוארים בערך המקביל בוויקיפדיה באנגלית.
- שיתוך שקעים (Pitting corrosion)
- תופעת הפסיבציה בנויה על היווצרות שכבת תלת-תחמוצת הכרום המתוארת לעיל. לכן בתנאים של העדר חמצן, או בתנאים בהם חומרים אחרים כגון כלור מתחרים עם החמצן על ההקשרות לכרום, לא תיווצר שכבת המגן. יתכן שבנקודות בודדות על פני השטח יחל בתנאים אלה תהליך אִכּוּל אשר יכול להתקדם אל תוך החומר ואף ליצור בו ממש שקעים. למרות שהתנאים לתחילת תהליך כזה צריכים להיות יחסית קיצוניים, יתכן שהתהליך לא ייפסק אפילו אם התנאים חוזרים להיות רגילים, שכן פנים השקע עצמו אינו בא במגע עם חמצן הדרוש לפסיבציה.
- לפעמים שקע שנראה קטן על פני השטח מסתיר מתחתיו חלל גדול, ובמקרים קיצוניים יכולים מאמצי הגזירה הנוצרים בקצוות של שקעים עמוקים לגרום לסדיקה ואף לשבירה של החומר. תופעות אלה מסוכנות מכיוון שהן קשות לגילוי מוקדם. שקעי שיתוך הם הגורם הנפוץ ביותר לכשלון מבני של פלדת אל-חלד. צעדי מניעה נגד שיתוך זה הם הבטחת חשיפה טובה לחמצן (למשל על-ידי ליטוש ומניעת שריטות) והגנה בפני חשיפה לכלור.
- מקרים אופייניים של שיתוך שקעים הם בחשיפה של פלדת אל-חלד לריכוזים גבוהים של יוני כלור, למשל – במגע ממושך עם מי הים.
- שיתוך בתפרי ריתוך (Weld decay)
- בעת ריתוך של פלדת אל-חלד, היא נחשפת לטמפרטורות גבוהות אשר יכולות לגרום להיקשרות של אטומי הכרום בתרכובת פחמנית (כרום-קרביד) באזור תפרי הריתוך. בשל כך יש פחות כרום זמין ליצירת שכבת המגן, ולכן האזור חשוף יותר לקורוזיה.
- ניתן למנוע קורוזיה זו באמצעות סגסוגות מיוחדות – דלות פחמן או מועשרות ביסודות קושרי פחמן כגון טיטניום וניאוביום. לסגסוגות מועשרות אלה נחוץ טיפול מיוחד של חימום לאחר הריתוך, כדי למנוע תופעה דומה הנקראת "knifeline attack", בה אזור צר מאוד – לפעמים ברוחת מיקרונים בודדים בלבד – לאורך תפר הריתוך נחשף לקורוזיה.
- בתעשיית הפלדה המודרנית נמנעים במידה רבה מבעיות אלה על-ידי בקרה קפדנית של רמת הפחמן בסגסוגת – לא יותר מ-0.3% פחמן.
- חלודה (Rouging)
- מכיוון שרובה של סגסוגת פלדת האל-חלד הוא בכל-זאת ברזל, היא עלולה פשוט להחליד (לתחמוצת ברזל) אם נמנעת היווצרות שכבת הפסיבציה על פניה. דבר זה יכול לקרות במקרים בהם זומהו פני השטח בפלדת ברזל-פחמן רגילה, למשל בגרירת פלדת האל-חלד מעל משטח פלדה רגילה, שיוף בגלגל השחזה שלא נוקה מחלקיקי פלדה רגילה, או ריתוכים זמניים לפלדה רגילה.
[עריכה] קישורים חיצוניים
- על ברזל, באתר המרכז לטכנולוגיה חינוכית
- על מתכות, באתר מכללת סמינר הקיבוצים
- סדרת מטבעות ברזילאיות מפלדת אל-חלד
- על הפסל בגן דניאל, ירושלים
