Dur Di-staen: Pam Ydym Ni'n Ei Alw'n Ddi-staen?

Dur Di-staen Modern a'u Defnydd

Daw'r hyn rydyn ni'n ei alw nawr yn ddur di-staen mewn pedwar teulu sy'n cyfeirio'n fras at eu strwythur crisialog microsgopig a'u cyfnodau metelegol amrywiol:

Dur awstenitig: mae dur gwrthstaen cyfnod austenite yn cynnwys nicel a molybdenwm fel ei brif elfennau aloi, ac mae ganddo strwythur grisial ciwbig sy'n canolbwyntio ar yr wyneb. Mae ychwanegu nicel yn cynyddu ei wrthwynebiad cyrydiad a hydwythedd, tra bod molybdenwm yn gwella ymwrthedd cyrydiad i amodau asidig. Y graddau cyffredin o ddur di-staen austenitig yw 304 a 316.
Defnyddiau cyffredin: ystyrir bod y math hwn o ddur di-staen yn gwrthsefyll gwres ac fe'i defnyddir yn gyffredin i gynhyrchu cyfnewidwyr gwres, boeleri a ffwrneisi. Cymwysiadau cyffredin eraill o ddur di-staen austenitig yw cydrannau awyrofod, electroneg, rhannau locomotif, a thanciau cemegol. Mae 200 o ddur di-staen cyfres hefyd yn y teulu austenitig, ond mae ganddynt fanganîs fel elfen aloi ychwanegol.

 

Dur martensitig: mae teulu dur di-staen cyfnod martensite yn defnyddio carbon a chromiwm fel ei brif elfennau aloi. Ar grynodiadau carbon uwch, mae gan y deunydd strwythur grisial tetragonal sy'n canolbwyntio ar y corff; mae crynodiadau carbon is yn ffurfio strwythur grisial sy'n canolbwyntio ar y corff. Mae martensite yn cael ei ffurfio pan fydd austenite yn cael ei ddiffodd yn gyflym ar dymheredd ystafell. Gelwir dur di-staen martensitig yn gyffredin fel 400 cyfres o ddur di-staen, megis graddau 410, 420, a 440.
Defnyddiau cyffredin: defnyddir dur di-staen martensitig yn gyffredin mewn cymwysiadau lle dymunir caledwch a gwydnwch, megis cyllyll a ffyrc, offer, llafnau tyrbin, caewyr a gerau.

 

Dur ferritig: mae dur di-staen cyfnod ferrite yn anfagnetig ac mae ganddo strwythur crisial ciwbig sy'n canolbwyntio ar y corff. Ei brif gyfansoddion aloi yw cromiwm, haearn (a dyna pam yr enw ferritig), a chrynodiad isel o garbon. Mae dur gwrthstaen ferritig felly yn feddalach, ond mae hefyd wedi cynyddu hydwythedd a gwell ffurfadwyedd - ond ni ellir eu trin â gwres. Enghreifftiau o ddur di-staen ferritig yw graddau cyfres 400 eraill, megis 409, 430, a 446.
Defnyddiau cyffredin: mae duroedd di-staen ferritig yn ddewis cyffredin ar gyfer llestri cegin, cydrannau modurol, a pheiriannau diwydiannol.

 

Dur deublyg: mae dur di-staen dwplecs yn gymysgedd o ddur austenite a ferrite.
Defnyddiau cyffredin: defnyddir duroedd deublyg yn aml yn y diwydiannau olew a nwy, papur a chemegol.

Gwreiddiau Dur Di-staen: Gwaith Tir yn y 1800au

Mae hanes dur gwrthstaen yn frith o sgandal, yn debyg i stori fy hoff wyddonydd, Nikola Tesla a’i wrthwynebydd Thomas Edison. Yn yr un modd â'u stori drydanol (pun a fwriadwyd), daeth dur gwrthstaen gan nifer o ddynion yn cymryd clod am waith dyn arall. Mae yna wledydd cyfan sydd, hyd heddiw yn anghytuno pwy yw'r "dyfeisiwr" o ddur di-staen.

Er bod rhai yn dadlau bod gofaint yn India hynafol, Sri Lanka, penrhyn Arabia, a Tsieina cyn y Chwyldro Diwydiannol yn defnyddio dur gwrthstaen, ni chofnodwyd yr hanesion hynny'n dda. Yr hyn a wyddom yw bod gwyddonwyr mewn sawl gwlad wedi sylwi ar ffenomen yn y 1800au cynnar gydag aloion metel yn cynnwys cromiwm a haearn - roeddent yn gallu gwrthsefyll cyrydiad asid.

Mae metelegydd o Ffrainc, Pierre Berthier, yn cael ei gredydu fel y cyntaf i gydnabod ym 1821 y gellid gwneud aloi dur sy'n gwrthsefyll cyrydiad trwy ychwanegu cromiwm at haearn. Er bod metelegwyr wedi dod i'r casgliad hwn, nid oeddent yn gwybod eto pa mor bwysig yw cyfyngu ar gynnwys carbon yn yr un aloion hynny i atal cyrydiad rhyng-gronynnog a hollti oherwydd brau. Ond, cawsant ddechrau da trwy ganfod sut y newidiodd cromiwm briodweddau ffisegol aloi metel.

Yn Lloegr ym 1872, ffeiliodd John Clark a John Woods y patent swyddogol cyntaf ar gyfer yr hyn yr ydym bellach yn ei ystyried yn ddur di-staen. Roeddent yn galw eu cynnyrch yn Aloi Gwrthiannol i Ddŵr ac roedd yn hynod debyg i aloion modern, ond roedd gan y deunydd ormod o garbon o hyd.

Y cyntaf i gydnabod y mater carbon yn swyddogol oedd ymchwilydd o'r enw Brustlein yn syml ym 1875. Ysgogodd ei ddatguddiad sawl degawd o ymchwil i ddatblygu'r cymysgedd gorau posibl o fetelau a dull cynhyrchu ar gyfer datblygu dur carbon isel. Er bod gennym brosesau modern ar gyfer creu aloion metel heddiw, roedd y wyddoniaeth bryd hynny yn elfennol. Dod o hyd i ffordd i wahanu cromiwm o'r carbon y daethpwyd o hyd iddo'n naturiol ag ef oedd y prif rwystr i gynhyrchu dur carbon isel yn seiliedig ar gromiwm.
Tua dau ddegawd ar ôl epiffani carbon isel Brustlein, ym 1895 datblygodd Hans Goldschmidt y broses adwaith aluminothermig ar gyfer cynhyrchu/coethi cromiwm i fod yn ddi-garbon. Dyma'r trobwynt a alluogodd ddatblygiad dur di-staen modern. Mae'r adwaith cemegol ar gyfer yr hyn a elwir hefyd yn ddull lleihau alwminiwm ar gyfer cynhyrchu metel cromiwm i'w weld isod.

Cr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Dull Lleihau Alwminiwm ar gyfer Cynhyrchu Cromiwm

Mae'n broses lle mae cromiwm ocsid (ac unrhyw amhureddau a geir yn naturiol ag ef fel silicon, sylffwr neu garbon) ac alwminiwm yn cael eu hychwanegu at gynhwysydd dur wedi'i leinio â naill ai rhwymwr organig, alwmina, neu fagnesiwm ocsid, a gwres. Mae'r cymysgedd yn cael ei danio â bariwm perocsid i greu adwaith ecsothermig - sy'n golygu bod egni (gwres) yn rhyddhau net pan gynhyrchir y cromiwm a'r slag canlyniadol.

Heddiw, mae'r broses hon yn dal i gael ei defnyddio i gynhyrchu cromiwm 'pur' ac alwminiwm ocsid ar gyfer amrywiol gymwysiadau ôl-brosesu. Gellir addasu'r crynodiadau cyfansoddol ar gyfer yr adwaith cemegol i gynhyrchu lefelau purdeb gwahanol o'r metelau canlyniadol.

Cynnydd Dur Di-staen yn y 1900au

Daeth y 1900au cynnar â nifer o ddarganfyddiadau pwysig yn natblygiad y teulu aloi dur di-staen:

– Ym 1904 darganfu Leon Guilet sawl aloion dur di-staen 400 cyfres, haearn-cromiwm, ac ymchwiliodd i'r aloion haearn-nicel-cromiwm cyfres 300 - er na sylweddolodd fod y metelau'n gallu gwrthsefyll cyrydiad.

– Darganfu P. Monnartz a W. Brochure fod ychwanegu cromiwm at yr aloi metel yn cynyddu ei wrthwynebiad cyrydiad, a meintiolodd y crynodiad cromiwm lleiaf fel 10.5%. Buont hefyd yn gweithio ar fanylu ac ymchwilio i'r ymwrthedd cyrydiad cynyddol a ddaw yn sgil ychwanegu molybdenwm.

Pam Rydyn ni'n Ei Alw'n Dur Di-staen

Digwyddodd y datblygiad mawr nesaf ym 1913 pan honnir bod Harry Brearley wedi darganfod dur di-staen yn swyddogol mewn ymgais i greu dur sy'n gwrthsefyll erydiad. Nawr, mae'n debyg mai Harry Brearly yw'r ateb cywir i gwestiwn dibwys ynghylch pwy ddyfeisiodd ddur di-staen, ond y gwir yw nad yw mor syml â hynny. Arbrofodd ag ychwanegu cromiwm at ddur, ond mae gweddill ei stori yn llawn chwedloniaeth.

Dywed rhai i Brearly daflu ei aloi metel arbrofol yn y sbwriel, dim ond i'w dynnu allan yn ddiweddarach a sylweddoli nad oedd y dur yn staenio neu nad oedd yn rhydu. Mae eraill yn honni bod yn rhaid iddo ysgythru ei sampl ag asid nitrig i'w archwilio'n ficrosgopig, ond canfu nad oedd y metel yn rhydu pan oedd yn agored i asidau nitrig ac asidau eraill neu gyfryngau lleihau. Gwelodd Harry botensial ei aloi i gael ei ddefnyddio ar gyfer llafnau cyllell, ond ni chafodd ei gefnogi gan ei gyflogwyr, ac ni allai gael yr aloi i wrthsefyll rhydu neu staenio am gyfnodau hir o amser.

Felly, fesul cam, ei ffrind Ernest Stuart, a ganfu fod caledu'r llafnau cyllell yn gwella eu gallu i wrthsefyll rhwd a staen. Roedd Brearly eisiau galw'r deunydd yn "Dur Rustless," ond fe'i henwodd Stuart yn "Ddur Di-staen" oherwydd ei allu i wrthsefyll staenio ar ôl dod i gysylltiad â hydoddiant finegr.

Hefyd, tra bod Brearly yn honni ei fod wedi darganfod dur di-staen, mae eraill yn cael eu cyffwrdd i fod wedi ei ddarganfod o'i flaen, gan gynnwys:

Ym 1908, datblygodd Kupp Iron Works aloi cromiwm-nicel ar gyfer cais morol.

Ym 1911, creodd Elwood Haynes ddur a oedd yn gwrthsefyll cyrydiad i gymryd lle ei lafnau rasel rhydlyd.

O 1911-1914, creodd Becket a Dantsizen ychydig o aloion dur ferritig.

Ym 1912, honnodd Max Mauermann ei fod wedi creu dur di-staen, ond mae'n debyg mai dim ond dull cynhyrchu hyfyw ar gyfer dur di-staen a greodd. Fe ffeiliodd batent ar gyfer y broses, ond roedd anghydfod yn ei gylch ar y pryd, ac ni chafodd ei gydnabod fel dyfeisiwr dur di-staen tan ar ôl ei farwolaeth.

Mae hanes cyfoethog dur di-staen a datblygiad y gwahanol raddau o'r deunydd yn ddyledus i ymdrechion llawer o wyddonwyr, ymchwilwyr, metelegwyr a pheirianwyr. Dros y ganrif ddiwethaf a mwy, mae'r mathau o ddur di-staen, dulliau cynhyrchu a dulliau ailgylchu i gyd wedi gwella. Gallwn nawr harneisio a monopoleiddio ffenomenau naturiol ocsidiad dur di-staen yn llawn.

O'i ddechreuadau dadleuol i'w bresennol hynod soffistigedig a metelegol ddiddorol, mae dur di-staen yn fetel hynod hyblyg a chadarn sy'n addas ar gyfer hyd yn oed eich prosiectau mwyaf cymhleth.