פלדת אל-חלד

העמידות של פלדת אל-חלד בפני שִתּוּך (קורוזיה) באה בזכות שכבת פסיבציה של תלת-תחמוצת הכרום (Cr₂O₃) אשר נוצרת כאשר הכרום נחשף לחמצן. שכבה זו אינה חדירה למים ולאוויר, ולכן 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.

חשיבות שכבת המגן הדקה מומחשת כאשר שני גופי פלדת אל-חלד, למשל בורג ואום, מהודקים זה אל זה בכוח. במקרים כאלה תיתכן שחיקה של שכבת המגן, וכתוצאה מכך התחברות דמוית ריתוך בין שני החלקים. בשל התחברות זו, תיתכן 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.

 

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 א), ועוד. שימושים נוספים הם בייצור מטבעות, תכשיטים, 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.

 

 

קיימים כמה חפצים עשויים ברזל בלתי מחליד ששרדו מהעת העתיקה. אחד המפורסמים הוא עמוד הברזל של דלהי שבהודו, שעליו נשתמרה כתובת בסנסקריט מהמאה ה-5. 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 (Goldschmidt) הגרמני פיתח תהליך של חיזור אלומינותרמי לייצור כרום נקי מפחמן. בין השנים 1904 ל-1911 ייצרו כמה חוקרים, שהבולט ביניהם היה לאון גייה (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 (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.

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.

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.

• שיתוך שקעים (Pitting corrosion)

תופעת הפסיבציה בנויה על היווצרות שכבת תלת-תחמוצת הכרום המתוארת לעיל. לכן בתנאים של היעדר חמצן, או בתנאים בהם חומרים אחרים כגון כלור מתחרים עם החמצן על ההקשרות לכרום, לא תיווצר שכבת המגן. ייתכן 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, ייתכן 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 לכישלון 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 ברוחב 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 שברזל הוא חלק הארי של סגסוגת פלדת האל-חלד, הוא עלול להחליד (לתחמוצת ברזל) אם נמנעת היווצרות שכבת הפסיבציה. התופעה מתעוררת בתגובה לזיהום פני השטח של פלדת האל-חלד בפלדת ברזל-פחמן רגילה, כתוצאה מגרירתן זו כנגד זו, שיופן בגלגל השחזה משותף, ריתוכים זמניים בין שני סוגי המתכות, ופעולות נוספות שיוצרות ביניהן מגע ישיר.

נהוג לקטלג את פלדות אל-חלד למספר קבוצות בעלות תכונות ייחודיות. השינוי בא בעקבות הרכבים שונים של כרום וניקל במתכת. הקבוצות הנפוצות הם:

  ערך מורחב – נירוסטה אוסטינית

באנגלית: Austenitic Stainless Steels. מכילה לפחות 16% כרום ו6% ניקל. הקבוצה הבסיסית היא SAE304 והיא כוללת חומרים משופרים יותר כמו: SAE310 שמגדיל את ההתנגדות מטמפרטורה גבוהה, SAE316 שמגדיל את ההתנגדות מקורוזיה, SAE304L שיותר קל לריתוך ו- SAE303 שיותר קל לעיבוד.

באנגלית: Ferritic Stainless Steels. מכילה בין 10.5 ל-18% כרום (לא מכילה ניקל). הקבוצה הבסיסית היא SAE430 וכוללת חומרים משופרים יותר כמו: SAE444 שבעלת התנגדות גבוהה לקורוזיה ויכולת לריתוך וSAE409 שקשיחה יותר.

באנגלית: Martensitic Stainless Steels. כמו הקבוצה הקודמת, גם קבוצה זו משתמשת בכרום כבסיס, אבל ביחד עם רמה גבוהה של פחמן יוצרים סוג חדש של פלדת אל-חלד קשיחה יותר. הקבוצה הבסיסית היא SAE410 והיא כוללת חומרים משופרים יותר כמו: SAE420 בעלת קשיחות גבוהה וSAE431 שכוללת התנגדות גדולה לקורוזיה וקשיחות גבוהה.

באנגלית: Duplex Stainless Steels. מכילות את הקבוצות SAE2304 שמכילה 23% כרום ו4% ניקל וSAE2205 שמכילה 22% כרום ו5% ניקל. פלדות אלה משלבות כמה תכונות מיוחדות: הן עמידות בפני לחץ הישחקות מקורוזיה, אבל לא כמו פלדות אל-חלד מברזל טהור. החוזק שלהם גדול מפלדות אל-חלד מברזל טהור, אך נחות מפלדות אל-חלד עשירות בברזל. לעומת זאת, העמידות שלהם בפני לחץ גדולה יותר מפלדות אל-חלד עשירות בברזל בכמעט פי 2. באופן כללי הן עמידות יותר מבחינת קורוזיה וישנם סוגים שעמידים יותר מSAE316. כמו כן עמידות בטמפרטורות גבוהות וחוזקם נשמר.

  מדיה וקבצים בנושא פלדת אל-חלד בוויקישיתוף

• על ברזל, באתר המרכז לטכנולוגיה חינוכית
• על מתכות, באתר מכללת סמינר הקיבוצים
• מהי נירוסטה? ואיך היא הפכה לפופולרית כל כך בקרב ארגונים ובתי עסק בישראל? באתר אסקור 22 במאי 2022
• סדרת מטבעות ברזילאיות מפלדת אל-חלד
• על הפסל בגן דניאל, ירושלים
• מאיר ברק, מדוע מגנטים לא עובדים על פלב"ם?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 13 מרץ 2010
• השוואת תקנים בינלאומיים של פלדות אל-חלד
• פלדת אל-חלד, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)