Paslanmaz Çelik Nedir? Avantajları ve Kullanım Alanları

1. Paslanmaz Çelik Nedir?

Paslanmaz çelikler,  demir, karbon, molibden veya nikel elementleri içeren alaşımlardır ve karakteristik özelliklerini kromdan alırlar. Paslanmaz çeliklerin yaygın olarak kullanılan malzeme sınıfına girmelerinin temelindeki etken farklı kalite ve özelliklerde elde edilmeleridir.

Paslanmaz çelik, günlük yaşamda çatal ve bıçak gibi mutfak eşyalarından, büyük sanayi tesislerine kadar uzanan geniş bir yelpazede kullanılmaktadır.

Demir alaşımlarının çoğunda olduğu gibi çeliklerin de geneli oksijen ile temas sonucu oksitlenerek yüzeylerinde pas adı verilen bir tabaka oluşturur. Paslanma olarak adlandırılan bu süreç boyama, epoksi bazlı reçine ile yapılan kaplamalar, galvanizleme olarak bilinen çinko kaplama işlemleri ile ertelenir ya da durdurulur.

Kolay korozyona uğrayan demir alaşımlarının korozif ortamlara dayanımlarını güçlendirmek amacıyla paslanmaz çelikler geliştirilmiştir. Paslanmaz çelik kullanımının yaygınlaşmasında, atmosfer ile teması sonucu pasivite tabakası olarak adlandırılan koruyucu krom oksit (Cr2O3) tabakasının oluşması büyük rol oynamaktadır. İnce krom oksit tabakası aşağıda gösterilmektedir. Bu şekilde oluşum gösteren çeliklere paslanmaz çelik adı verilir.

2. Kullanım Alanları

Paslanmaz çeliğin kullanım alanları şu şekilde sıralanabilir;

• Nükleer reaktör parçaları,
• Isı eşanjörleri,
• Petrokimya endüstrisi,
• Yağ endüstrisi,
• Kağıt endüstrisi,
• Fosil yakıtlardan elektrik üreten enerji santralleri,
• Gıda üretimi,
• Mutfak eşyaları,
• Fırın elemanları,
• Otomobil parçaları (eksoz, iç döşeme, vs.),
• Binaların dış kaplamaları,
• Pencere,
• Kapı,
• Merdiven,
• Bina girişleri,
• Çatı kaplamaları

3. Paslanmaz Çeliklerin Avantajları

Paslanmaz çeliklerin avantajlaı; korozyona olan dayanımları, düşük ve yüksek sıcaklıklara olan dayanımları, mekanik dayanımları, üretim kolaylığı, hijyenik özellikleri ve uzun ömürleri şeklinde sıralanabilir. Detaylı olarak üstün özellikleri aşağıdaki gibi sıralanabilir.

1. Korozyon Dayanımı: Paslanmaz çeliklerde korozif ortamlara dayanım oldukça yüksektir. Düşük alaşımlı paslanmaz çelikler özellikle atmosferik korozyona, yüksek alaşımlı paslanmaz çelikler ise daha yüksek korozyon dayanımına sahiptir.
2. Düşük ve Yüksek Sıcaklıklar: Paslanmaz çelik türlerinin bazıları, çok düşük sıcaklıklarda dahi gevrekleşme ile tokluklarını korurken, bazı türleri ise yüksek sıcaklıklarda dahi malzemenin mekanik dayanımında ve tufallaşmasında önemli bir düşme görülmez.
3. Üretim Kolaylığı: Kaynakla birleştirme, soğuk ve sıcak şekillendirme, kesme ve talaşlı imalat işlemleri kullanılarak kolayca şekillendirilebilirler.
4. Mekanik Dayanım: Çoğu paslanmaz çeliğin pekleşmesinde soğuk şekillendirme yöntemi kullanılır. Dayanımın artması ile malzeme kalınlıkları azaltılarak fiyatta ve birim ağırlıkta sağlanan düşüşler ile maliyet azaltılabilir. Bazı türlerine ise ısıl işlem yoluyla yüksek bir dayanım kazandırmak mümkündür.
5. Görünüm: Farklı yüzey kalitelerinde elde edilebilen paslanmaz çelikler, yüzeylerinin kaliteli ve kolay bakımlı olması sebebiyle uzun ömürlü olarak kullanılabilir.
6. Hijyenik özellik: Kolay temizlenebilme özelliğine sahip olan paslanmaz çelikler; ilaç sanayisinde, gıda, hastane ve mutfak malzemelerinde kullanımı yaygındır.

EN 10088-1: 2005 standardında, paslanmaz çeliklerin en az %10,5 Cr, en çok %1,2 C içermesi gerektiği belirtilmiştir. Bu oranı belirlemek için birçok çalışma yapılmış nihayetinde atmosferik korozyon ve ani paslanmalara karşı direncin optimum değeri bu oranda sağlanmıştır. Metalin hava ile teması sırasında aniden meydana gelen bu şeffaf, yoğun, elastik ve ince yapıdaki amorf katman sayesinde paslanmaz çelikler, kimyasal tepkimeye girmez ve mekanik özelliklerini yitirmeden korozif ortamlara karşısında yüksek direnç gösterirler. Paslanmaz çeliklerde krom miktarı artışı, korozif ortamlara karşı direnç ile doğru orantılı olarak artmaktadır.

Paslanmaz çeliklerin en önemli ikinci alaşım elementi nikeldir. Nikel, bilhassa oksit tabakasını bozma etkisi olan ortamlarda, oksit tabakasının tekrar oluşumunu iyileştirir; fakat nikel oranının % 8-10 değerini geçmesi durumunda çeliğin gerilmelı korozyon dayanımı kötüleşir. Nikel oranının % 30 civarına çıkması ile gerilmelı korozyon dayanımı tekrar iyileşir. Nikel, paslanmaz çeliğin akma sınırını, tokluğunu ve oksit tabakasını bozucu (indirgeyici) asitlere karşı direncini artırır.

Paslanmaz çeliklere krom ve nikelden başka, oksit tabakasının pasiflik özelliğini kuvvetlendirmek için molibden, sülfirikasite karşı direnci artırmak için bakır, yüksek sıcaklık oksidasyon direncini artırmak için silisyum ve alüminyum (silisyum aynı zamanda gerilmeli korozyon direncini artırır), kromkarbür oluşumunu engellemek için titanyum ve niyobyum, pullanma korozyon direncini ve mekanik özelliklerini iyileştirmek için azot elementleri alaşım elementi olarak katılabilir. Paslanmaz çeliklerde karbon, sertleştirme özelliğini sağlamak ve bilhassa yüksek sıcaklıklardaki mekanik özellikleri iyileştirmek için katılır. Paslanmaz çeliklerde karbon oranı % 0,02…1 arasında değişebilmektedir.

4. Paslanmaz Çeliklere Kaynak Yapılabilir mi?

Paslanmaz çeliklerin büyük bir bölümünün kaynak kabiliyeti yüksektir ve ark kaynakları ile (örtülü elektrotla ark kaynağı, TIG kaynağı, MIG kaynağı, Tozaltı ark kaynağı), direnç kaynakları ile (elektrik direnç kaynağı, yakma alın kaynağı, saplama kaynağı), elektron ve lazer ışın kaynakları ile ergitmeli olarak kaynak edilebilirler.

5. Paslanmaz Çeliklerin Sınıflandırılması

Kristal yapı ve mukavemet mekanizmalarına bağlı olarak paslanmaz çelikler 5 ana başlıkta toplanırlar;

1. Östenitik paslanmaz çelikler,
2. Ferritik paslanmaz çelikler,
3. Ferritik-östenitik (Dubleks) paslanmaz çelikler,
4. Martenzitik paslanmaz çelikler,
5. Çökelme sertleştirmesi uygulanabilen paslanmaz çelikler

6. Paslanmaz Çelikler Korozyon Yapar mı?

Paslanmaz çeliklerin korozyona direnci her şartta mükemmel değildir, değişik ortamlarda paslanmaz çelikler de korozyona uğrayabilirler. Korozyon ortamına göre paslanmaz çelik seçimi yapılmalıdır.

Kuvvetli asitler ve tuzlar etkisi altında paslanmaz çelikler kimyasal korozyona uğrayabilir. Her bir paslanmaz çeliğin asitlere karşı farklı davranışları vardır. Bilhassa tuzlu deniz suyunda, tuzun pasif tabakanın bazı bölgelerini bozması sonucu, paslanmaz çelikler pullanma şeklinde korozyona uğrayabilir. Paslanmaz çeliğin içindeki alaşım elementlerinden Cr, Mo ve N oranı pullanmaya karşı direnci artırır.

Çeliğin paslanmazlığını sağlayan yüzeydeki kromoksit tabakası, oksidin indirgenmesine neden olan ortamlarda kırılabilir ve bu bölgelerden çatlak şeklinde korozyon meydana gelir.

Paslanmaz çeliğin ısıtılıp yavaş soğuması veya kaynak yapıldıktan sonra yavaş soğutulması esnasında, 425-870 °C arasında karbon, kromkarbür oluşturarak tane sınırlarına çökelir ve tane sınırlarına yakın bölgelerin krom miktarını düşürerek taneler arası korozyonun oluşmasına sebep olur. Bundan dolayı kaynak işlemi yapılacak paslanmaz çeliklerin karbon oranları çok küçük (<% 0,05) tutulur veya karbona daha aktif karbür yapıcı titanyum, niyobyum gibi elementler ilave edilir.

Yüksek karbonlu martenzitik çeliklerde karbonun çözünmüş halde olması gerekir. Karbonun martenzit fazında tamamıyla çözünmüş olduğu mikro yapıda mutfak bıçaklarında olduğu gibi, paslanmazlık devam eder.

Paslanmaz çeliklerde intermetalik fazların çökelmesi korozyona duyarlılığı artırır. Genellikle yüksek krom ve molibden içeren paslanmaz çeliklerde oluşan sigma fazının krom ve molibden oranı yüksektir; geriye kalan kısmın krom ve molibden oranı azalır ve paslanmaz çeliğin taneler arası korozyon, pullanma korozyonu ve çatlak korozyonu direnci zayıflar. Çeliğin kaynağı esnasında ısıdan etkilenen bölgelerde bu problem oluşabilir. Sigma fazının çökelmesi 540-900 C ler arasında meydana gelir. Çözeltiye alma tavlaması ile problemin önüne geçilebilir.

Yüzey pürüzlülüğünün artması korozyonu artırdığından, parçaların iyice parlatılmış olması tavsiye edilir.

Çelik üzerinde gerilme ve korozif etki beraber olması durumunda gerilmeli korozyon meydana gelir. Çelik üzerinde gerilme yığılması oluşan bölgelerde dislokasyon yoğunluğu artar. Dislokasyon yoğunluğu fazla olan yerler, anodik olarak çözünür ve çatlak büyür. Yeni oluşan çatlak dibinde yine gerilme yığılması meydana geldiği için, korozyon etkisi ile çatlak hızla büyür. Parça yüzeyindeki pürüzlülükler gerilme yığılması oluşturabilir. Parçanın yüzeyi çok düzgün dahi olsa, statik veya değişken gerilme neticesinde pürüzlülük meydana gelebilir. Böyle bir durumda parçanın yüzeyinde korozyonu engelliyen bir oksit tabakası bulunsa bile, yüzeydeki bu oksit tabakası yırtılır ve korozyon meydana gelir.

Paslanmaz çeliklerin birleştirilmesinde kullanılan malzemelenn elektropotansiyeline göre, paslanmaz çelik veya bağlama elemanı (cıvata, perçin) galvanik korozyona uğrayabilir. Paslanmaz çeliklerden yapılan yapıların tasarımı yapılırken, elektrolit görevi görecek suyun veya başka sıvıların birikmesini engellemek gerekir.

Paslanmaz çeliklere Ti, Mo, Cu ilavesi korozyona karşı dayanıklılığı artırır. Ti ve Nb ilavesinde, bu elementler yüksek sıcaklıklarda stabil karbürler oluşturduklarından dolayı paslanmaz çeliklerin yüksek sıcaklık dayanımını artırır.

Ostenitik çelikler ymk yapıya sahip olduklarından, daha yüksek difüzyon direncine sahiptirler; yani ostenit fazında demir atomunun, demir atomları içindeki yayınma katsayısı, ferrit fazındakinden yaklaşık 21 kat daha düşüktür. Ayrıca yüzey merkezi, kristal yapının en yoğun düzlemlerinin alt alta düzgün dizilmemesi sonucu meydana gelen dizilme hatası enerjisi yüksektir. Bu yüzden sünme dayanımları daha iyidir. Bu özelliklerinden dolayı yüksek sıcaklıklarda çalışacak çelikler nikel oranları yüksek olan ostenitik paslanamaz çeliklerdir.