Mistä ruostumaton teräs on tullut?

Ruostumaton teräs ei ole yksittäinen alkuaine vaan metalliseos. Itse asiassa se on päänimitys usealle erilaiselle metalliseokselle. Ruostumattomat teräkset ovat rautaseoksia, joiden pääseosaineet ovat kromi ja nikkeli (tai kromi ja mangaani). Lisäksi voidaan käyttää erilaisten ominaisuuksien aikaansaamiseksi esimerkiksi molybdeenia, typpeä, alumiinia tai hiiltä, ja mikroseosaineina titaania, vanadiinia tai niobiumia. Käytännössä teräksessä on oltava kromia vähintään noin 10,5 %, jotta stabiili, itsekorjautuva passiivikalvo muodostuu. Tästä tuleekin ruostumattoman teräksen standardin mukainen määritelmä: vähintään 10,5 % kromia (ja enintään 1,2 % hiiltä).

Kromin vaikutus teräksen korroosioon. Sinisellä merkitty 10,5 % -raja sekä 

yleisimpien laatujen kromipitoisuuksien alue on värjätty oranssilla.

(Muokattu: Lukkari & Kyröläinen, 2002)

Ruostumaton teräs ei siis ole jalometalli, kuten esimerkiksi kulta tai platina, vaan sitä suojaa korroosiota hyvin kestävä, erittäin ohut oksidikalvo (noin 0,000001 mm). Jos kalvo rikkoutuu eikä mahdollisuutta itsekorjautumiselle syystä tai toisesta ole, korroosionkesto menetetään. Kromia on yleisimmissä laaduissa noin 17 - 20 % ja nikkeliä noin 9 %. Hiiltä on näissä laaduissa vain noin 0,03 % ja se onkin ruostumattomissa teräksissä yleensä epäpuhtaus. Seostetuimmissa laaduissa kromia on jopa 27 %, nikkeliä 35 % ja lisäksi molybdeenia voi olla korroosionkestävyyden lisäämiseksi jopa 8 %. Tällaiset superseokset ovat erittäin kalliita ja juuri tiettyjen ominaisuuksien tarve on oltava todellinen, jotta niiden käyttö on järkevää.

Tärkeimpien seosaineiden löytyminen

Ruostumattoman teräksen seosaineista nikkelin tunnisti ja erotti malmista ensimmäisenä länsinaapuristamme kotoisin ollut Axel Cronstedt vuonna 1751. Nikkeli otettiin teolliseen käyttöön seuraavalla vuosisadalla, eli 1800-luvulla, jolloin sitä käytettiin seoksena kuparin ja sinkin kanssa pinnoittamiseen. Tuloksiinsa herra Axel päätyi hieman surkuhupaisasti, sillä hän yritti oikeasti erottaa kuparia nikkoliitti nimisestä malmista. Tämä malmi ei sisällä kuparia vaan nikkeliä ja myrkyllistä arseenia. Malmista hän sai irti vain lujaa ja suhteellisen kovaa, hopeanhohtoista metallia. Hän nimesi löydetyn metallin perinteisen myytin mukaisesti nikkeliksi. Sen ajan perinteinen myytti juontaa juurensa vanhoihin saksien heimon kuparikaivoksiin: kaivoksissa asunut peikko, Vanha Nick (Nickel), nimittäin pilasi kuparimalmin tehden siitä samalla myrkyllistä. Moni kaivosmies kuoli arseenimyrkytykseen louhiessaan mielestään kuparimalmia, mutta malmi olikin nikkoliittia: samannäköistä kuin punertava kuparimalmi, mutta koostumus täysin erilainen. Nykyään nikkeliä jalostetaan  pendlantiitista, garnieriitistä ja limoniitista. Nikkoliitin käyttö on hyvin vähäistä sen myrkyllisyyden vuoksi.

Nikkeliä louhitaan maailmalla pääasiassa Venäjällä, Indonesiassa, Filippiineillä ja Kanadassa. Suurimmat tiedetyt nikkelivarannot ovat Australiassa ja Uudessa-Kaledoniassa. Uudessa-Kaledoniassa asuu reilut 250 000 ihmistä, pinta-ala on vajaa 19 000 km² ja heillä on jalkojensa alla 25 % maailman nikkelivarannoista. Kanadan nikkelivarannot ovat peräisin jättimäisestä meteoriittitörmäyksestä. Malmi sijaitsee Sudburyn kraaterissa, maailman toiseksi suurimmassa törmäyskraaterissa, jonka halkaisija on noin 250 km. Samassa rytäkässä kanadalaisille suotiin melkoiset varannot muun muassa platinaa, kultaa, palladiumia ja kuparia.

Suomessakin louhitaan nikkeliä, tosin määrä on melko vähäinen maailman mittakaavalla. Suomen varannot ovat noin 4 100 000 tonnia ja tuotanto noin 60 000 tonnia vuodessa. Koko maailman tuotanto on tällä hetkellä noin 1 700 000 tonnia, eli Suomen osuus on noin 3,5 %. Nikkeli on laskennallisesti Suomen kaivosteollisuuden tärkein metalli. Tällä hetkellä noin 65 % kaikesta tuotetusta nikkelistä käytetään ruostumattoman teräksen valmistamiseen.

Varsinaisen ruostumattoman teräksen syntymisen mahdollisti ranskalainen kemisti Nicolas-Louis Vauquelin erottamalla puhtaan kromin malmista vuonna 1797. Pääasiallinen malmi kromin valmistuksessa on kromiitti, joka on mustanvälkehtivä kromia sisältävä mineraali. Sitä esiintyy erityisesti Etelä-Afrikassa, noin 61 % koko maailman arvioiduista kromiittivaroista. Suomessa maailman kromiittivarannoista on 2,4 %, mikä on Suomen kansantaloudelle merkittävä määrä. Kromi on laskennallisesti Suomen toiseksi tärkein metalli. Noin 80 % kromituotannosta käytetään ruostumattoman teräksen valmistamiseen.

Kromi on siitä ihmeellinen materiaali, että se on huoneenlämpötilassa kiinteänä antiferromagneettinen ja yli 38°C lämpötilassa se muuttuu paramagneettiseksi. Kromi nimitys tulee kreikan kielen sanasta chrōma, joka tarkoittaa väriä. Kromin eri yhdisteet antavat useille jalokiville ja malmeille värikkään hohdon, kuuluisin ehkäpä rubiinin verenpunainen sävy.

Varsinaisten teräslaatujen keksiminen

Pian kromin löytämisen jälkeen havaittiin sen kestävän erittäin hyvin syövyttäviä aineita, mutta puhtaana se oli kuitenkin erittäin kovaa ja haurasta. Useat eri materiaalitutkijat havaitsivat kromin liukenevan hyvin teräkseen ja parantavan sen korroosionkestävyyttä. Vuonna 1821 ranskalainen Pierre Berthier julkaisi tutkimuksen kromiseosten korroosiokestävyydestä. Samaa asiaa ihmettelivät Englannissa herrat Stoddard ja Farraday. Vuonna 1872, John T. Woods ja John Clark patentoivat muutamia 30 - 35 % kromia ja noin 2 % volframia sisältäviä seoksia. Nämä olivat maailman ensimmäiset nimenomaan säänkestäviksi tarkoitetut seokset (nykyään säänkestävät teräkset sisältävät jotakuinkin 0,5 - 1 % kromia). Vuonna 1875 ranskalainen tieteilijä Brustlein kertoi maailmalle, että rauta-kromi-seosten eräs tärkeimmistä ominaisuuksista on matala hiilipitoisuus. Tämä oli eräänlainen läpimurto ruostumattomien terästen historiassa.

Pari vuosikymmentä myöhemmin saksalainen Hans Goldschmidt esitteli alumiinioksidipelkistyksen, jolla saatiin hiilipitoisuus riittävän alhaiseksi, alle Brustlein esittämän 0,15 %. Tämän jälkeen alkoi tapahtua ja useat materiaalitieteilijät julkaisivat tutkimuksia liittyen rauta-kromi ja rauta-kromi-nikkeli -seoksiin. Näitä olivat esimerkiksi ranskalaiset Leon Alexandre Guillet ja Albert Portevin sekä englantilainen W. Giesen. Käytännössä vuosien 1904 - 1909 aikana oli kehitetty kolme neljästä nykyisistä ruostumattomien terästen luokista; ferriittiset, austeniittiset ja martensiittiset laadut. Teräksiä valmistettiin kuitenkin vain tutkimusolosuhteissa. Vuonna 1911 saksalaiset P. Monnartz and W. Borchers saivat selville maagisen, itsekorjautuvalle passiivikalvolle tärkeän, 10,5 % kromipitoisuusrajan ja he hakivatkin Saksassa huomiolleen patentin. Samat henkilöt tajusivat myös molybdeenin parantavan korroosionkestoa huomattavasti.

Myöhemmin on väitetty, että useat tutkijat USA:ssa (Elwood Haynes: ruostumaton partahöylä 1911), Saksassa (Krupp Works -telakka rakensi The Half Moon nimisen laivan rungon ruostumattomasta teräksestä 1908), ja esimerkiksi Puolassa (Max Mauermann esitteli oman versionsa ruostumattomasta teräksestä vuonna 1913 Wienissä) ovat keksineet ruostumattoman teräksen. Jopa ruotsalaiset ovat yrittäneet omia sen keksimistä itselleen.

Vuonna 1913 Sheffieldistä kotoisin ollut herrasmiesmetallurgi, Harry Brarley, oli mukana luomassa ensimmäisiä ruostumattomasta teräksestä teollisesti sarjassa tuotettuja veitsiä. Laatu, jota veitsiin käytettiin, syntyi oikeastaan vahingossa Brearleyn kehittäessä parempaa materiaalia kiväärien piippuihin. Keksitty ruostumaton laatu sisälsi 12,8 % kromia ja 0,24 % hiiltä (martensiittinen laatu). Samoihin aikoihin Saksassa valmistettiin teollisesti ensimmäiset austeniittiset laadut (Benno Strauss & Eduard Maurer) ja USA:ssa ensimmäiset ferriittiset laadut (Frederick Becket & Christian Dantsizen). Ehkä hieman yllättävääkin, mutta ensimmäiset teolliseen käyttöön valmistetut laadut ovat säilyneet lähes muuttumattomana tähän päivään asti (myös maailman ylivoimaisesti käytetyimmät laadut AISI 304 ja AISI 316). Viimeinen neljästä ruostumattomien terästen pääryhmästä, duplex-teräs, kehitettiin Ruotsissa vuonna 1930 paperiteollisuuden tarpeisiin (keksijänä J. Hochmann). Maailman ensimmäiset duplex-valut tehtiin Suomessa samana vuonna. Duplex-teräkset ovat kuitenkin kehittyneet huomattavasti 80 vuoden aikana, eikä ensimmäisiä keksittyjä laatuja oikeastaan enää käytetä.

Kuten yllä kirjoitetun perusteella voi päätellä, ruostumattomalle teräkselle ei ole yksiselitteistä keksijää, mutta niiden isänä pidetään nykyään, syystä tai toisesta, kuitenkin Harry Brearlya. Vuosi oli 1913, joten onneksi olkoon 100-vuotias ruostumaton teräs!

Alkuvuosien jälkeen ruostumattoman teräksen käyttö lisääntyi hitaasti, mutta varmasti ja uusia käyttökohteita havaittiin kiihtyvällä tahdilla. Siitä valmistettiin lentokoneita, sillä vuorattiin julkisia rakennuksia, siitä tehtiin junien runkoja, kirurgien välineitä, tekoniveliä, oluttynnyreitä, säiliöitä, putkistoja, melkein mitä vain, ja käyttö lisääntyy edelleen. Käytön lisääntyminen on noin 6 % vuodessa. Eikä ihme, onhan kyseessä ylivoimaisesti paras materiaali moneen käyttöön!


Lähteet:
[1] Central Intelligence Agency - The world factbook, New Caledonia. Saatavissa: https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/geos/nc.html
[2] Cunat P-J., The Euro Inox Handbook of Stainless Steel. 2002, Brysseli: Euro Inox.
[3] Impact craters on Earth - North America, Part one. Saatavissa: http://www.thelivingmoon.com/43ancients/02files/Earth_Images_09.html#Sudbury
[4] ISSF, 2012. 100 Years of Stainless Steel. Saatavissa: http://www.stainlesssteelcentenary.info/
[5] Lukkari J., Kyröläinen A., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. 2002, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET
[6] Nickel Institut 2011. About nickel. Saatavissa: http://www.nickelinstitute.org/NickelUseInSociety/AboutNickel
[7] Outokumpu Stainless AB. Corrosion Handbook for Stainless Steels. Tenth Edition. Avesta : Outokumpu Oyj, 2009.
[8] Rissanen T., Suomen kaivostoiminnan toimialakatsaus 2010. Saatavissa: http://www3.tokem.fi/kirjasto/tiedostot/Rissanen_B_8_2011.pdf
[9] Suomen Kuvalehti, Eurooppa listasi malmit - Suomessa lupaava määrä kriittisiä mineraaleja. 2010. Saatavissa: http://suomenkuvalehti.fi/jutut/kotimaa/eurooppa-listasi-malmit-suomessa-lupaava-maara-kriittisia-mineraaleja

Arvoisa tiedonjanoinen vastaanottaja!

Olette löytäneet itsenne Jet-Steel Oy:n blogiin ja hyvä niin. Tämä on se paikka, jossa kirjoitetaan totuuksia! Blogin avulla on tarkoitus kertoa toiminnastamme ja avata ihmisille ruostumattomien terästen sekä alumiinin, tuon maailman yleisimmän metallin, joka vasta hetki sitten valjastettiin ihmiskunnan käyttöön, ja sen seoksien sielunelämää.

Yrityksemme haluaa lisätä ihmisten tietoutta ruostumattomista teräksistä sekä erilaisista alumiinilaaduista, jotta niiden käyttö lisääntyisi. Usein ajatellaan, että ruostumaton teräs on vaihtoehtona erittäin kallis tai alumiiniseokset käyttökohteeseen liian pehmeitä. Suosittelen seuraamaan tätä blogia, sillä voitte huomata, että edellämainitut materiaalit ovat usein (varsinkin ohutlevytuotteissa) varteenotettava vaihtoehto perinteiselle teräkselle. On nykyään rakennettu jopa siltoja ruostumattomasta teräksestä, koska se on korrosoivista meriolosuhteista huolimatta huoltovapaa vaihtoehto - elinkaariajattelu kunniaan!

Ruostumattoman teräksen sekä alumiinin käyttö yleistyy maailmalla koko ajan niiden erinomaisten ominaisuuksien vuoksi. Tärkeimpinä ominaisuuksina voidaan pitää:

• korroosionkestävyyttä
• esteettisyyttä
• hygieenisyyttä
• täydellistä kierrätettävyyttä
• palonkestävyyttä (vain ruostumaton teräs)
• erinomaista paino-lujuus-suhdetta (alumiiniseoksilla hyvä).

Suomalaiset ovat siitä erikoinen kansanryhmittymä, että olemme kunnostautuneet kuluttamaan ruostumatonta terästä maailman mittakaavalla huomattavasti, noin 16kg/hlö/vuosi. Samaan lukuun päässee vain Japani. Alumiinin kohdalla tilanne on aivan toinen; kulutamme sitä vain noin 15kg/hlö/vuosi, joka on puolet siitä, mitä esimerkiksi Japanissa, USA:ssa tai Ruotsissa kulutetaan. Ovatko suomalaiset jääneet pimentoon alumiinin käytettävyydestä vai puuttuuko meiltä jokin merkittävä teollisuuden ala?

Blogissa tulemme tutustumaan alumiiniin ja sen seoksiin sekä ruostumattomiin teräksiin materiaaleina, mutta kerromme myös ohutlevytuotteiden suunnitteluun ja valmistukseen liittyvistä yksityiskohdista. Tekstejä on tarkoitus julkaista noin kerran kuukaudessa ja toivon lukijoiden ehdottavan aiheita ja kyselevän heitä mietityttäviä asioita edellämainittuihin materiaaleihin tai niiden työstämiseen liittyen. Tulevia aiheita ovat muun muassa:

• Ruostumattoman teräksen ja alumiinin käyttö nykyään
• Miksi ruostumaton teräs ei ruostu, miksi alumiini kestää korroosiota?
• Onko ruostuomaton teräs aina samanlaista?
• Mitä tarkoittavat esimerkiksi merkinnät 1.4307, 1.4404, AISI304,  AISI316, X2CrNi18-9...
• Miksi magneetti ei jää yleensä kiinni ruostumattomaan teräkseen?
• Miten ruostumaton teräs ja alumiini käyttäytyvät kylmässä?
• Mitä erikoista on ruostumattoman teräksen ja alumiinin hitsauksessa?

Näihin kuviin, näihin tunnelmiin
- Sami Korhonen