Nikli sulamid: raud, nikkel ja roostevaba teras praktikas

Nikli sulamid on väga lai materjalirühm: nikkel võib olla sulami põhikomponent või ainult üks lisand raua, kroomi, vase ja teiste elementide kõrval. Praktikas kasutatakse niklit eelkõige selleks, et muuta materjali struktuuri, parandada sitkust, töödeldavust ning teatud keskkondades korrosiooni- ja kuumuskindlust.

Oluline on eristada mõisteid. Iga niklit sisaldav teras ei ole automaatselt „niklisulam” kitsamas tehnilises tähenduses. Näiteks roostevaba teras on rauapõhine sulam, milles korrosioonikindluse põhielemendiks on kroom. Nikkel võib seal stabiliseerida austeniitset struktuuri ja muuta terase vormitavamaks, sitkemaks ning sobivamaks eri temperatuuridel kasutamiseks. Kõrge niklisisaldusega sulamites võib nikkel aga juba ise olla põhikomponent.

Mida tähendab raua ja nikli sulam?

Raua ja nikli sulam tähendab materjali, mille peamiste koostisosade hulka kuuluvad raud (Fe) ja nikkel (Ni). Nende omavaheline suhe võib olla väga erinev ning väiksemates kogustes lisatakse sageli ka kroomi, süsinikku, molübdeeni, vaske või teisi elemente. Seetõttu ei kirjelda väljend „raud ja nikkel” üht kindlat materjali, vaid tervet sulamite perekonda.

Kui niklit lisatakse rauapõhisele sulamile, võib see mõjutada terase faasistruktuuri ja omadusi. Üks tähtsamaid mõjusid on austeniitse struktuuri stabiliseerimine. See on eriti oluline paljudes roostevaba terase markides, sest austeniitsed terased on üldiselt hästi vormitavad, sitked ning säilitavad omadusi ka madalatel temperatuuridel. Samas sõltub lõpptulemus alati kogu keemilisest koostisest ja kuumtöötlusest, mitte ainult nikli protsendist.

Nikkel roostevabas terases: mida see tegelikult teeb?

Roostevaba terase puhul omistatakse korrosioonikindlus mõnikord ekslikult ainult niklile. Tegelikult on roostevaba terase korrosioonikindluse aluseks piisav kroomisisaldus, mis võimaldab pinnale tekkida õhukesel passiivsel kroomirikkal oksiidikihil. Nikkel täidab teistsugust, kuid samuti olulist rolli: see aitab stabiliseerida austeniitset kristallstruktuuri ning võib parandada materjali sitkust, vormitavust ja käitumist nii madalal kui ka kõrgel temperatuuril.

Levinud näide on roostevaba teras 304, mida nimetatakse sageli ka 18/8 teraseks, viidates ligikaudu 18% kroomile ja 8% niklile. Täpne koostis määratakse siiski standardi ja margi järgi. Kõrgema korrosioonikoormuse jaoks kasutatakse sageli teisi marke, näiteks molübdeeni sisaldavaid austeniitseid teraseid. Seetõttu ei tasu materjali sobivust hinnata ainult küsimuse järgi, kui palju selles niklit on.

Kui soovite esmalt mõista niklit ennast kui keemilist elementi ja metalli, vaadake artiklit nikli omadused. Seal on fookus puhta nikli põhiomadustel ja kasutusaladel, mitte sulamite võrdlusel.

Miks lisatakse niklit terasesse?

Nikli lisamise eesmärk sõltub terase liigist. Konstruktsiooniterastes võib nikkel parandada sitkust ja aidata saavutada soovitud tugevuse ning löögitaluvuse kombinatsiooni. Roostevabas terases kasutatakse niklit sageli austeniidi stabiliseerimiseks. Kõrgetel temperatuuridel töötavates sulamites on oluline ka nikli võime toetada struktuuri stabiilsust ja roometugevust ehk vastupanu aeglasele püsivale deformatsioonile pikaajalise koormuse all.

Nikkel ei tööta sulamis üksinda. Kroom, molübdeen, süsinik, mangaan, räni ja teised elemendid mõjutavad samaaegselt tugevust, keevitatavust, kõvadust, korrosioonikindlust ja kuumuskindlust. Seetõttu on praktilises materjalivalikus olulisem teada konkreetset terasemarki või standardit kui hinnata eset pelgalt kirjelduse „raua ja nikli sulam” järgi.

Fe-Ni sulamid ja Invar: kui tähtis on koostise suhe?

Hea näide raua ja nikli koostise mõjust on Invari tüüpi Fe-Ni sulam. Klassikaline Invar sisaldab ligikaudu 36% niklit ja ülejäänud põhiosa moodustab raud. Selle sulamiperekonna eripära on väga väike soojuspaisumine tavapärase temperatuurivahemiku lähedal. See tähendab, et detaili mõõtmed muutuvad temperatuuriga vähem kui paljudel tavalistel metallidel.

Sellist omadust kasutatakse kohtades, kus mõõtmete stabiilsus on tähtsam kui näiteks minimaalne hind või väike mass: täppisinstrumendid, mõõtesüsteemid, optilised seadmed ja muud termiliselt tundlikud konstruktsioonid. See näide näitab hästi, miks niklisisaldust ei saa käsitleda lihtsalt põhimõttel „rohkem niklit on parem”. Õige sisaldus sõltub soovitud omadusest.

Kas kõik niklisulamid on korrosioonikindlad?

Ei. Sulami vastupidavus sõltub konkreetsest keskkonnast, temperatuurist, pingetest, pinnaseisundist ja kogu keemilisest koostisest. Nikkel võib parandada korrosioonikäitumist mitmes sulamisüsteemis, kuid see ei tee materjali universaalselt roostevabaks. Näiteks kloriide sisaldav keskkond, happed, kõrge temperatuur või halb konstruktsioon võivad põhjustada ka kvaliteetse sulami kahjustumist.

Seetõttu tuleb tehnilise detaili valikul lähtuda tootja või standardi andmetest ning reaalsest kasutuskeskkonnast. Mõiste „niklisulam” üksi ei ütle, kas materjal sobib merevette, toiduainetööstusse, ahju või välitingimustesse. Sama põhimõte kehtib ka roostevaba terase puhul: eri margid võivad väliselt sarnaneda, kuid nende korrosioonitaluvus ja temperatuuripiirid on erinevad.

Vask ja nikkel moodustavad eraldi sulamiperekonna

Nikkel ei moodusta olulisi sulameid ainult rauaga. Vask-nikkel sulamid on omaette rühm, mida kasutatakse muu hulgas merekeskkonnas ja soojusvahetites. Nende omadused ja nimetused erinevad raua-nikli ning roostevabade teraste omadest. Eesti keeles võib ajalooliste esemete puhul kohata ka nimetust melhior. Selle teema täpsemaks eristamiseks vaadake artiklit mis on melhior.

Kui eesmärk on pinnale niklikiht tekitada, ei ole tegemist sulamiga samas tähenduses. Nikeldamine on pinna katmise protsess, kus alusmaterjalile moodustatakse niklit sisaldav kiht. Seega tuleb eristada kolme asja: niklit kui metalli, niklit sulami koostisosana ja niklit pinnakattena.

Kuidas niklit sisaldavat metalli praktikas hinnata?

Kui käes on tundmatu metallese, ei piisa tavaliselt värvist ega magnetitestist täpse sulami määramiseks. Mõned austeniitsed roostevabad terased on nõrgalt magnetilised või praktiliselt mittemagnetilised, kuid külmtöötlus võib magnetilisi omadusi muuta. Samal ajal on olemas niklit sisaldavaid sulameid, mis käituvad magneti suhtes hoopis teisiti. Usaldusväärsem on otsida materjalimärgistust, sertifikaati või kasutada koostise analüüsi.

Vanametalli või tootmisjäägi puhul võib sulami täpne klass mõjutada selle sorteerimist ja väärtust, kuid kokkuostu hind ei ole sama mis nikli börsihind. Kui eesmärk on vaadata nikli turuhinda ja hinnagraafikut, kasutage lehte nikli hind. Laiema võrdluse jaoks on olemas ka metalli hind täna ülevaade.

Peamine järeldus

Nikli sulamid ei tähenda üht kindlat materjali. Raua ja nikli sulam võib olla roostevaba teras, erilise soojuspaisumisega Fe-Ni materjal või kõrgele temperatuurile mõeldud keerukam sulam. Nikli ülesanne sõltub alati kogu koostisest: see võib stabiliseerida austeniiti, parandada sitkust ja vormitavust ning toetada kuumuse või korrosiivse keskkonna taluvust.

Praktilise valiku puhul tasub alustada sulami margist ja kasutuskeskkonnast, mitte ainult nikli sisaldusest. Kui materjal peab taluma konkreetset hapet, merevett, kõrget temperatuuri või suurt mehaanilist koormust, tuleb kontrollida vastava standardi ja tootja andmeid. Nii väldite olukorda, kus üldnimetus „niklisulam” annab materjali tegelike omaduste kohta liiga lihtsustatud pildi.