בלוג

פלב"מ (פלדות בלתי-מחלידות)

מבוא


פלדות בלתי-מחלידות (פלב”מ) הם משפחה של פלדות שבהרכבם הכימי קיים מסגסג מסוג כרום (Chrome) בריכוז מינימלי של 12% (אחוז משקלי).
פלדות בלתי מחלידות מאופיינות בעמידות טובה כנגד קורוזיה בזכות הריכוז הגבוהה של מסגסג מסוג כרום, וקיים קשר ישיר בין ריכוז הכרום בפלדה לבין טיב העמידות שלה בפני חלודה.
תכולת הכרום הגבוהה מובילה ליצירת פני שטח מתכתיים מבריקים, ולכן הפלב"מ נבדל במראה שלו מהפלדות הרגילות (פחמניות).

בנוסף לכרום, הפלב”מ מכילות מסגסגים נוספים כגון:ברזל, ניקל, מנגן, סיליקון, וכמובן גם פחמן (כמו כל פלדה) אך ריכוז הפחמן באחוז משקלי נמוך מאוד ביחס לפלדה רגילה.
סוגי המסגסגים וריכוזם מגדירים נתכי פלב"מ שונים.

שכבת הגנה - פסיבציה

מנגנון ההגנה של הפלב”מ כנגד קורוזיה מתבסס על שכבת פסיביציה – שכבה מגינה, שקופה, דקה מאוד (Film), העשויה מתחמוצת הכרום.
שכבה זו מבודדת את הפלדה מהגורמים הקורוזיביים שנמצאים בסביבה (מים,לחות).
שכבת הפסיביציה נוצרת באופן טבעי על פני שטח הפלב”מ, והיא נוצרת מחדש בכל פעם שהפלב”מ נשרט, ולכן הפלב”מ תמיד מוגן בפני חלודה גם כאשר הוא נמצא תחת שחיקה.
למרות העמידות הטובה של הפלב"מ כנגד חלודה, עדיין יתכן בהחלט מצב שבו פלב"מ כן מחליד, וזה תלוי בתנאים שבהם בהפלב"מ נמצא.

שימושים של פלב"מ

פלדות אל-חלד משמשות עבור מגוון רחב של יישומים, כגון:

יישומים כלליים
בזכות מראה יוקרתי, טיב פני שטח מעולה, עמידות סביבתית מעולה.

דוגמאות ליישומים: סכו"ם, סירים, מטבחים, מקררים, כיורים, ברזים, תאי מעליות, מוצרי חשמל, חלקי רכב.

יישומים לטמפ' גבוהה
לפלב"מ עמידות מעולה בטמפ' גבוההף ובנוסף עמידות טובה בפני זחילה (הערה בהמשך). הולכת חום של פלב”מ היא רבע מזו של פלדה רגילה, ולכן היא מעולה ליישומים שבהם לא מעוניינים שחום יעבור בצורה טובה – כמו לדוגמא בכפית תה – אנו רוצים לערבב את התה מבלי שהכפית תהיה חמה מידי.
הפלב”מ מאפשרת עמידות טובה בפני קורוזיה בתנאי טמפ’ גבוהה – שהם מזרזים קורוזיה ולכן עבור יישומי טמפ’ גבוהה פלדות רגילות אינם מסוגלות לענות על הדרישות.

דוגמאות ליישומים: תאי בעירה, ממירים קטליטיים, תנורים, צנרת לטמפ’ גבוהה, שסתומים.

הערה: זחילה (Creep)
זחילה היא מצב שבו החומר משנה את צורתו באופן פלסטי (עיוות), בקצב איטי, כאשר החומר נתון למאמץ.
בטמפ’ גבוהה (40% מטמפ’ ההתכה של הפלדה) הפלדה זוחלת בכיוון המאמץ ומשנה את צורתה. קצב הזחילה משתנה כתלות בזמן, והקצב עולה עם הזמן.

יישומים לסביבה מימית / ימית
בגלל העמידות הטובה כנגד קורוזיה, הפלב”מ מעולה ליישומים בסביבה מימית.
הפלב”מ היגייני, קל לניקוי וחיטוי, אינו פוגם בטעם של האוכל.

דוגמאות ליישומים: רפואה, תעשיית מזון, תעשייה כימית, אחסנה של חומרים קורוזיביים.

סוגי פלב"מ

קיימים 5 תתי-משפחות של פלב"מ:

  • פלב"מ אוסטניטי (Austenitic Stainless Steel)
  • פלב"מ פריטי (Ferritic Stainless Steel)
  • פלב"מ מרטנזיטי (Martensitic Stainless Steel)
  • פלב"מ מחוזק ע"י מתבדלים (Percipitation Hardening Stainless Steel)
  • פלב"מ דופלקס (Duplex Stainless Steel)

פלב"מ אוסטניטי (Austenitic Stainless Steel)

  • הסוג הנפוץ ביותר, העמיד ביותר בפני קורוזיה בזכות ריכוז גבוהה של כרום וניקל.
  • אינם מגנטיות. (למעט אזורים שבהם המתכת עברה דפורמציה פלסטית, ואז אזורים אלו כן מגנטיים).
  • חוזק גבוהה בנתכים שעברו תהליך עיבוד פלסטי ("מצב משוך").
  • עמידות מעולה בטמפ' גבוהה (עד 900 מעלות-צלזסיוס), ובטמפ' נמוכות (טמפ' קריאוגניות, מתחת לאפס).

  • רגישות לכלורידים, ואינם מתאימות לסביבה של מים מלוחים.
  • נתכים מסויימים אינם רתיכים, נתכים אחרים הרתיכות טובה, אך דורשים תהליך ריתוך "מיוחד".

דוגמאות לנתכים נפוצים: 301, 303, 304, 310, 316, 347.


פלב"מ פריטי (Ferritic Stainless Steel)

  • עמידות מעולה בפני קורוזיה, גם בסביבה כלורידית.
  • עמידות בטמפ' גבוהה.
  • מחיר זול יחסית לשאר הפלב"מ, בגלל שהנתך אינו מכיל ניקל.

  • חוזק נמוך, ואינם ניתנים להקשייה ע"י טיפול תרמי.

דוגמאות לנתכים נפוצים: 446,430,410,409


פלב"מ מרטנזיטי (Martensitic Stainless Steel)

  • חוזק גבוהה מאוד, בזכות טיפולים תרמיים, ומבנה מרטנזיטי.
  • עמידות טובה בשחיקה.

  • פריך.
  • עמידות בקורוזיה הגרועה ביותר מבין כל משפחת הפלב"מ.
  • אינם מיועדים ליישומי טמפ' גבוהה.
  • בעייתיות בריתוכים - נוטה לסידוק מימני.


דוגמאות לנתכים נפוצים: 440,416,420,410


פלב"מ מחוזק ע"י מתבדלים (Percipitation Hardening Stainless Steel)

  • חוזק גבוהה.
  • מתאים לשירות בטמפ' גבוהה.

  • מחיר יקר.
  • עמידות סבירה כנגד קורוזיה.


דוגמאות לנתכים נפוצים: 17-7PH, 17-4PH, 15-5PH, 13-8PH


פלב"מ דופלקס (Duplex Stainless Steel)

  • עמידות מעולה בפני קורוזיה.
  • עמיד במיוחד בסביבה כלורידית.
  • מתאים ליישומים הדורשים חוזק גבוהה ועמידות בפני קורוזיה.

  • מחיר יקר מאוד.
  • ניתן לריתוך אך דורש תהליך קפדני.


מגנטיות

בניגוד לפלדה שהיא מגנטית, הפלב"מ האוסטניטי שהוא סוג של פלדה, דווקא אינו מגנטי.
ישנם גורמים שונים המשפיעים על מגנטיות של חומר, כגון מיקרו מבנה, טמפרטורה, תהליך הייצור.
פלב"מ אוסטניטי אינו מגנטי מכיוון שהוא בנוי במיקרו-מבנה של קוביה FCC, ומבנה זה אינו מגנטי.
ישנם מקרים מסויימים שבהם הפלב"מ האוסטניטי הופך מ- לא מגנטי למגנטי.
לדוגמא: עיבוד פלסטי של פלב"מ אוסטניטי גורם לאזורים מסויימים שעברו דפורמציה (כיפופים, אזורים משוכים) להפוך מגנטיים.
דוגמא לכך ניתן לראות בסרטון הבא שצילמתי:


בסרטון רואים חלק מצנרת פליטה של רכב (סופית של אגזוז), החלק עשוי מפלב”מ אוסטניטי ולכן במצבו הטבעי הוא אינו מגנטי,
ולמרות זאת ניתן לראות שבאזורים מסויימים הפלב"מ אכן מגנטי (המגנט נעצר).
האזורים שבהם הפלב”מ אכן מגנטי הם אזורים שעברו תהליך של עיבוד פלסטי (תהליך של שינוי צורת החומר באופן תמידי), והתהליך הזה גרם לכך שהפלב”מ כן יהיה מגנטי.


תחמוצות (Heat Tint)



תחמוצות (Heat Tint) קיימת תופעה של יצירת תחמוצות (Oxide) על פני שטח הפלדה כאשר הפלב"מ נחשף לטמפ' גבוהה, וקיים קשר בין גוון הצבע לבין הטמפ' שאליה נחשפה הפלב"מ.
פלב"מ מכילות שכבת פסיבציה מאוד דקה שנוצרת על פני שטח הפלדה, השכבה הזאת היא שכבה שקופה שמספקת את ההגנה כנגד חלודה.
שכבת הפסיבציה היא שכבה ש"מתרפאה" באופן טבעי, כלומר ברגע שמשייפים את הפלב"מ, מיד מתחילה להיווצר שכבת פסיבציה חדשה.
ברגע שהשכבה הזו מגיעה לטמפ' גבוהה, הכרום מגיב עם החמצן שנמצא באוויר, ונוצרות תחמוצות.
תחמצות אלו מאופיינות בצבעים חזקים בגוונים: צהוב,חום,אדום,כחול,סגול.
תופעה זו של הופעת תחמוצות על פני הפלדה נפוצה כאשר מרתכים פלב"מ, או כאשר מבצעים לפלדות אחרות שמכילום כרום טיפולים תרמיים.
המשותף לשני המקרים הוא שבשניהם הפלדה מגיעה לטמפ' גבוהה, וזה מאפשר קיום של תנאים מתאימים ליצירת התגובה הכימית בין החמצן לכרום והתוצרים הם תחמוצות בצבעים שונים, קורולוציה לטמפרטורה.
התחמוצות שנוצרות יכולות להראות מרשימות ויפות אבל מנגד הם מהוות מוקד להתפחות חלודה ע"ג הפלדה.
כפי שצויין מקודם, שכבת הפסיבציה הטבעית של הפלדה ששומרת עליה מפני חלודה נובעת כתוצאה מהמאצות המסגסג כרום,
ומכיוון שהתחמוצות הם תוצרים של תגובה בין כרום לחמצן,ריכוז הכרום באזור התחמוצת מתדלדל ולכן אזור התחמוצת אינו מכיל שכבת פסיבציה הולמת כנגד יצירת חלודה.
הפתרון הוא להתשמש בחומצות מאכלות ) Etching ( בשילוב עם שיוף של אזור התחמוצות על מנת לחשוף את השכבה שמתחת לתחמוצות ששכן מכילה כרום בריכוז תקין.

פלדה

מבוא


פלדה זו סגסוגת שמורכבת מהיסודות ברזל, פחמן ומעוד מגוון יסודות אחרים בריכוז נמוך שנקראים “מסגסגים”, וריכוזם משפיע על סוג הפלדה.
ישנם כמות אדירה של סוגי פלדות שונים, מכיוון שכל קומבינציה של מסגסגים מייצרת פלדה שונה בעלת תכונות שונות.

הערה: סגסוגת (Alloy)
סגסוגת מוגדרת כערבוב של 2 חומרים כאשר החומרים במצב מותך, כאשר החומר המותך מתמצק נוצרת סגסוגת.

פלדה מורכבת מברזל טהור ומעט פחמן.
הברזל הטהור – נקרא Ferrite, ומופיע בטבלה המחזורית של היסודות כ- Fe , הוא חומר רך מידי מכדי לשמש כחומר גלם עבור מוצר הנדסי, ולכן על מנת להשתמש בברזל כחומר גלם מכינים באופן מלאכותי פלדות.

הפלדה היא חומר גלם נפוץ בזכות היחס עלות-תועלת הגבוהה שלה, ובזכות הגמישות התכנונית שהיא מאפשרת.
מבחינת יחס עלות/תועלת – פלדות מהוות חומר גלם בעל תכונות מכניות מעולות כגון חוזק (Strength) גבוהה, משיכות (Ducltility) גבוהה, עמידות (Durability) מעולה, עמידות בהתעייפות (Fatigue) מעולה, ולכן הפלדות משמשות כחומר גלם עבור מגוון אדיר של מוצרים.
מבחינת גמישות תכנונית – הפלדות ניתנות לעיבוד, לחיתוך, ולחיבור בקלות, דבר זה מאפשר יצירת מגוון אדיר של מוצרים בעזרת פלדה.

מבחינת עלות חומר גלם, מחיר הפלדה הוא זול, וזאת מכיוון שעופרות הברזל שנמצאות באדמה אשר מהם מפיקים פלדות, נמצאות בשפע בכדור הארץ, ובנוסף הפלדה נמצאת תמיד בתהליך מחזור מאוד יעיל, ובזכות עובדות אלו הפלדה משווקת במחיר זול.


מחזור פלדה

הפלדה ניתנת למחזור באופן מלא, וזה מהווה יתרון אדיר.
למעשה פלדה היא החומר גלם הממוחזר ביותר בעולם, וסיכוי גבוהה שאם תחשבו על מוצר כלשהוא שעשוי מפלדה, הפלדה שהוא עשוי ממנה כבר עברה מספר מחזורים ורוב הסיכויים שהיא פעם שימשה עבור מוצר אחר לחלוטין.
לדוגמא יתכן מצב שבו פח של רכב נגרט והותך, לאחר מכן יוצר ממנו סיר, הסיר נגרט והותך, וכרגע משמש בתור גשר, ובעתיד כאשר הגשר יסיים את תפקידו הוא יפורק, יוגרט ויותך ואז ייתכן שייצרו ממנו עמוד חשמל.

בערך כ2/3 מהפלדה החדשה המופקת מקורה בגרוטאות פלדה אחרות שהותכו, ה 1/3 הנותר מקורו במחצבים שנחצבו מקרקע כדור הארץ.
בזכות יכולת המחזור המעולה של הפלדה נמנע מצב של זיהום כדור הארץ בגרוטאות מתכת באתרי פסולת, ומתאפשר חיסכון בכמויות כריית המחצב מקרקע כדור הארץ.


תהליך הפקת פלדה


בטבע הברזל נמצא בתוך מחצב (גוש חומר שכורים אותו מהאדמה) ולא ניתן למצוא ברזל טהור, מכיוון שהברזל הטהור מתלכד עם יסודות נוספים כמו זרחן,מנגן,סיליקון, קלציום, ואלו ביחד יוצרים מחצב שנקרא “המטיט” וסוג נוסף של מחצב שנקרא “מגנטיט”.
את המחצב כורים מאדמה ולאחר מכן מעבירים אותו תהליך של הפרדה על מנת לבודד את הברזל מהמחצב.

בשלב הבא לאחר ההפרדה, מכינים ברזל יציקה (Pig Iron) על ידי התכה של הברזל ביחד עם אבני גיר ואבני פחם.
תהליך ההתכה מתבצע בכבשן (תנור בטמפ’ גבוהה) גבוהה שבתחתית שלו מוזרק אוויר חם, כאשר האוויר החם עובר בכבשן הוא מתחמם עוד יותר ובמפגש עם אבני פחם נוצר גז CO
גז הCO מטפס במעלה הכבשן ושם הוא פוגש את המחצב ומתקבל ברזל יציקה במצב נוזלי, וזה גולש למטה ונאסף לתוך כלי קיבול, משם מעבירים את הברזל הנוזלי לתבניות על מנת לאפשר לברזל להתמצק למטילים בטמפ’ הסביבה.
ברזל היציקה מכיל ריכוז גבוהה מאוד של פחמן (בערך 4%) , ומכיל גם יסודות אחרים כמו מנגן,צורן וזרחן, יסודות אלו נקראים “מזהמים” ולכן בהמשך התהליך יהיה צורך להוציאם על מנת לקבל פלדה.

בשלב הבא מתיכים את מטילי ברזל היציקה בכבשן שמכיל סביבה עשירה בחמצן, החמצן מגיב עם הפחמן שנמצא בברזל היציקה וזאת במטרה להפחית את תכולת הפחמן מ 4% לטווח של 0-1.5% כלומר לריכוז מאוד נמוך של פחמן.
בנוסף יש צורך להוציא את המזהמים ולצורך כך מכניסים לכבשן גרוטאות ברזל, ואבן גיר.
גרוטאות הברזל מכילות חלודה אשר מגיבה עם הצורן והמנגן ואבן הגיר מגיבה עם הזרחן ובכך נוצרים גושים (סיגים) שאותם ניתן להפריד ע”י סינון מהברזל המותך.

בשלב הבא מוסיפים לברזל המותך יסודות מסגסגים על מנת ליצור פלדה מסוג מסוים בעלת תכונות מסוימות, כאשר הנוזל המותך מתמצק מקבלים פלדה.
המסגסגים הבסיסיים שמוסיפים לכל פלדה כוללים (מלבד פחמן): גפרית,זרחן,מנגן.
מסגסגים מיוחדים כוללים: כרום, ניקל, ונדיום, מולבידן, צורן (סיליקון),בורון, חנקן, טיטניום, נחושת, אלומיניום.


סוג הפלדה נקבע בהתאם להרכב הכימי של הפלדה – סוגי המסגסגים וריכוזם.
התכונות המכניות של הפלדה נקבעות בהתאם לסוג הפלדה, וגם בהתאם לתהליכי ייצור שהפלדה עברה, תהליכים כגון: עיבוד פלסטי,טיפול תרמי,טיפול פני שטח.

פלדות מסווגות ע”י תקנים של איגודים מקצועיים, כגון:
American Iron and Steel Institute (AISI)
Society of Automotive Engineers (SAE)
American Society for Testing and Materials (ASTM)
Deutsches Institut für Normung (DIN)

או בהתאם ל
unified numbering system (UNS

איגודים/תקנים אלה מגדירים מספר קטלוגי/שם לפלדה שעומדת בקריטריונים מסוימים, ובעזרת טבלאות נתונים של הפלדה, ניתן לבצע התאמה בין סוג הפלדה לתכונות הרצויות במוצר.

ריכוז פחמן בפלדה


המסגסג החשוב ביותר בפלדה הוא הפחמן, ובהתאם ריכוזו משפיע מאוד על התכונות שלה.
פלדה מכיל ריכוז נמוך מאוד של פחמן, ולמרות זאת, הבדל קטן בריכוז גורם להבדל גדול בתכונות המכניות.

פלדות בעלות ריכוז פחמן נמוך
פלדות שנקראות Mild Steel או Plain Carbon Steel
ריכוז פחמן: 0.25% - 0.1%

הפלדות הנפוצות ביותר לשימוש כללי.
הזולות ביותר, קלות לעיבוד, ומתאימות לריתוך.

אינם מתאימות לטיפולים תרמיים, ולכן מבחינת חוזק הם בעלות חוזק נמוך.

דוגמאות: 1010,1020,A36


פלדות בעלות ריכוז פחמן בינוני
פלדות שנקראות Moderate Steel
ריכוז פחמן: 0.7%-0.25%

מתאימות לריתוך.

מתאימות לטיפולים תרמיים.

דוגמאות:


פלדות בעלות ריכוז פחמן גבוהה
פלדות שנקראות Tool Steel
ריכוז פחמן: 1.2%-0.7%

פלדות בעלות חוזק גבוהה, קשיות גבוהה. פריכות יותר, משיכות פחות. ניתנות לריתוך, אבל בתהליך מיוחד הכולל חימום מוקדם של אזור תפר הריתוך.

מתאימות לטיפולים תרמיים.

דוגמאות: HSS, A2


פלדות נתך
פלדות שנקראות Alloy Steel
ריכוז פחמן:
פלדות המכילות מסגסגים מיוחדים כגון כרום, ניקל, ונדיום, מולבידן, צורן(סיליקון), טיטניום,נחושת. פלדות בעלות תכונות מיוחדות כגון חוזק גבוהה, קשיות גבוהה, עמידות סביבתית משופרת, טובות עבור תנאי זחילה (טמפ’ גבוהה).
ניתנות לריתוך, אבל בתהליך מיוחד הכולל חימום מוקדם של אזור תפר הריתוך.

מתאימות לטיפולים תרמיים.

דוגמאות: 4130 , 4140


פלדות בלתי מחלידות (פלב"מ)
פלדות שנקראות Stainless Steel
ריכוז פחמן:
פלדות המכילות את המסגסג כרום בריכוז מינימלי 12%. בעלות תכונות עמידות סביבתית משופרת, עמידות בפני קורוזיה, טובות עבור תנאי זחילה (טמפ’ גבוהה), טיב פני שטח מעולה.
מתאימות לטיפולים תרמיים.

דוגמאות: 410, 304


משקל של פלדה

חסרון של הפלדה הוא המשקל העצמי הגבוהה שלה.
משקל תלוי במסה של הגוף (ובתאוצת הכובד), ומסה של גוף תלויה בצפיפות החומר.
הצפיפות של פלדה היא 7850 ק”ג/מטר^3 , כלומר קוביית פלדה בממדים: מטר רוחב X מטר עומק X מטר גובה תשקול 7850 [ק"ג], שזה 7.85 טון.
לצורך אינדיקציה, קובייה בעלת ממדים זהים, שעשויה מאלומיניום תשקול 2720 [ק"ג] בלבד, שזה 2.72 טון, כלומר אלומיניום שוקל בערך 1/3 מפלדה.
נביא דוגמא אחרת , מעט יותר מוחשית:
צינור בקוטר נומינלי 1” (33.4[ממ]), בעל עובי דופן 1[ממ] באורך של 1 מטר.
עבור צינור שעשוי מפלדה, משקלו יהיה 0.8 [ק"ג], כלומר 800 [גרם].
עבור צינור שעשוי מאלומיניום, משקלו יהיה 0.27[ק"ג], כלומר 270 [גרם].
עבור צינור שעשוי מפלסטיק, משקלו יהיה 0.13[ק"ג], כלומר 130 [גרם].
מכאן ניתן ללמוד שקיימים הבדלים גדולים בין המשקלים של החומרים, ופלדה היא יחסית חומר כבד.
משקל מהווה שיקול חשוב כאשר בוחרים חומר גלם עבור מוצר מסוים.