Nikkeli ruostumattomassa teräksessä – miksi sitä käytetään?

Nikkeli ruostumattomassa teräksessä on tärkeä seosaine erityisesti austeniittisissa teräslaaduissa, kuten yleisesti käytetyissä 304- ja 316-sarjan teräksissä. Nikkelin tehtävä ei ole yksin tehdä teräksestä ruostumatonta, vaan se auttaa vakauttamaan austeniittista kiderakennetta ja parantaa monissa seoksissa sitkeyttä, muovattavuutta, hitsattavuutta sekä käyttöominaisuuksia vaativissa lämpötiloissa. Ruostumattomuuden perustan muodostaa ennen kaikkea kromi, joka mahdollistaa suojaavan passiivikalvon muodostumisen teräksen pinnalle.

Mitä nikkeli tekee ruostumattomassa teräksessä?

Ruostumaton teräs ei ole yksi materiaali, vaan suuri joukko rauta-kromipohjaisia metalliseoksia. Kun koostumukseen lisätään riittävästi nikkeliä yhdessä kromin ja muiden seosaineiden kanssa, teräksen mikrorakenne voidaan pitää austeniittisena huoneenlämpötilassa. Austeniittinen rakenne on yksi syy siihen, miksi monet nikkeliä sisältävät ruostumattomat teräkset ovat helposti muovattavia, sitkeitä ja hyvin hitsattavia.

Nikkelin vaikutusta on hyödyllistä tarkastella osana koko seosta. Kromi on keskeinen korroosionkestävyyden kannalta, molybdeeni voi parantaa kestävyyttä esimerkiksi monissa kloridipitoisissa ympäristöissä ja typpi voi vaikuttaa sekä lujuuteen että rakenteeseen. Nikkeli puolestaan toimii erityisesti rakenteen vakauttajana ja auttaa säilyttämään austeniittisen teräksen ominaisuudet laajalla lämpötila-alueella.

Jos nikkelin ominaisuudet alkuaineena kiinnostavat laajemmin, katso myös opas nikkeli metallina. Tässä artikkelissa näkökulma rajataan nimenomaan ruostumattoman teräksen seosmetallurgiaan.

Kromi ja nikkeli eivät tee samaa asiaa

Nikkeli ja kromi mainitaan usein samassa yhteydessä, mutta niiden roolit ruostumattomassa teräksessä ovat erilaiset. Kromi on se alkuaine, jonka ansiosta teräksen pinnalle voi muodostua ohut ja itseään korjaava kromipitoinen oksidikerros. Tämä passiivikalvo erottaa ruostumattoman teräksen tavallisesta hiiliteräksestä ja hidastaa korroosiota sopivissa käyttöolosuhteissa.

Nikkeli ei korvaa kromia. Sen tärkeä tehtävä on muuttaa ja vakauttaa teräksen rakennetta sekä tukea ominaisuuksia, joita monissa käyttökohteissa tarvitaan: venyvyyttä, sitkeyttä, kylmämuovattavuutta ja hyvää hitsattavuutta. Nikkeli voi myös parantaa korroosionkestävyyttä tietyissä kemiallisissa ympäristöissä, mutta lopullinen kestävyys määräytyy aina koko koostumuksen, pinnan kunnon, lämpötilan ja ympäristön perusteella.

Miksi 304-teräs sisältää nikkeliä?

Yksi tunnetuimmista ruostumattomista teräksistä on AISI 304 eli eurooppalaisessa nimikkeistössä EN 1.4301. Sen tyypillinen koostumus tunnetaan usein ilmaisulla ”18/8”: noin 18 prosenttia kromia ja noin 8 prosenttia nikkeliä. Tarkat koostumusrajat määräytyvät kuitenkin standardin ja tuotteen mukaan, joten 18/8 on käytännöllinen yleiskuvaus, ei jokaisen tuotteen tarkka analyysitulos.

Nikkeli auttaa 304-terästä säilyttämään austeniittisen rakenteen. Tämän seurauksena materiaali soveltuu hyvin esimerkiksi levyjen syvävetoon, astioihin, keittiölaitteisiin, putkiin, säiliöihin ja moniin rakennus- sekä teollisuussovelluksiin. Austeniittinen 304 on yleensä vain heikosti magneettinen toimitustilassa, mutta voimakas kylmämuokkaus voi lisätä magneettisuutta. Siksi pelkkä magneettitesti ei ole luotettava tapa päätellä nikkelin määrää tai teräksen tarkkaa laatua.

Miten 316 ja 316L eroavat 304-teräksestä?

316- ja 316L-teräkset ovat myös austeniittisia kromi-nikkeliteräksiä, mutta niissä on lisäksi molybdeeniä. Tyypillisessä 316L-laadussa nikkeliä on noin kymmenen prosenttia ja molybdeeniä noin kaksi prosenttia. Molybdeeni parantaa kestävyyttä monissa vaativissa ympäristöissä, minkä vuoksi 316-tyyppisiä teräksiä käytetään esimerkiksi prosessiteollisuudessa, elintarvike- ja lääketeollisuuden laitteissa, putkistoissa sekä muissa kohteissa, joissa tavallista 304-laatua suurempaa korroosionkestävyyttä voidaan tarvita.

316L:n L-kirjain viittaa matalampaan hiilipitoisuuteen. Se on tärkeää erityisesti hitsatuissa rakenteissa, koska alhaisempi hiilipitoisuus vähentää haitallisten kromikarbidien muodostumisen riskiä hitsauksen lämpövaikutusalueella. Nikkeli ei siis yksin selitä 316L-teräksen ominaisuuksia, vaan suorituskyky syntyy kromin, nikkelin, molybdeenin, hiilen ja muiden seosaineiden yhteisvaikutuksesta.

Taulukon pitoisuudet ovat suuntaa-antavia esimerkkejä yleisistä teräslaaduista. Materiaalivalinnassa on käytettävä kyseisen standardin, valmistajan materiaalitodistuksen ja käyttökohteen vaatimusten mukaista koostumusta.

Onko olemassa ruostumatonta terästä ilman nikkeliä?

Kyllä. Kaikki ruostumaton teräs ei ole austeniittista eikä tarvitse suurta nikkelipitoisuutta. Ferriittiset ruostumattomat teräkset perustuvat pääasiassa kromiin ja sisältävät tyypillisesti vain vähän nikkeliä tai eivät käytännössä lainkaan. Tunnettu esimerkki on 430-tyyppinen ferriittinen ruostumaton teräs, jota käytetään muun muassa kodinkoneissa, sisustusosissa ja muissa kohtuullisen korroosiorasituksen kohteissa.

Ferriittinen teräs ei kuitenkaan ole suora korvike kaikille austeniittisille laaduille. Sen muovattavuus, hitsauskäyttäytyminen, lämpölaajeneminen, magneettisuus ja mekaaniset ominaisuudet eroavat 304- ja 316-tyyppisistä teräksistä. Materiaali pitäisi siksi valita käyttötarkoituksen perusteella, ei vain sen mukaan, kuinka paljon nikkeliä se sisältää.

Nikkeli, korroosio ja ruostumattoman teräksen kestävyys

On helppo päätellä, että enemmän nikkeliä tarkoittaisi automaattisesti enemmän korroosionkestävyyttä, mutta käytännössä asia on monimutkaisempi. Kromipitoisuus, molybdeeni, typpi, hiilipitoisuus, metallin pinta, hitsauksen jälkeinen käsittely sekä ympäristön kemiallinen koostumus voivat kaikki olla ratkaisevia. Esimerkiksi kloridit voivat aiheuttaa pistesyöpymistä tai rakokorroosiota teräslaadusta riippuen.

Nikkelin vaikutus korroosioon näkyy osana seoksen kokonaisuutta. Austeniittinen rakenne ja nikkelin tarjoama kemiallinen vakaus ovat hyödyllisiä monissa ympäristöissä, mutta materiaalin valinta on aina tehtävä todellisen käyttöympäristön perusteella. Jos tarkoitus on suojata toisen metallin pintaa nikkelikerroksella, kyse on eri tekniikasta; siitä kerrotaan erikseen artikkelissa nikkelipinnoituksen perusteet.

Mitä ”kirurginteräs” kertoo nikkelistä?

Hakutermi ”kirurginteräs nikkeli” voi antaa vaikutelman yhdestä tarkasti määritellystä metallista, mutta kirurginteräs ei ole kaikissa yhteyksissä yksiselitteinen teräslaatu. Erilaisissa lääketieteellisissä instrumenteissa ja tuotteissa voidaan käyttää eri ruostumattomia teräksiä, joista osa on nikkeliä sisältäviä austeniittisia laatuja ja osa muita teräsryhmiä. Siksi materiaalin tarkka EN-, AISI- tai ASTM-laatu on luotettavampi tieto kuin yleinen nimitys.

Tässä yhteydessä nikkeliä kannattaa tarkastella metallurgisena seosaineena: sen tehtävä liittyy ensisijaisesti teräksen rakenteeseen ja teknisiin ominaisuuksiin. Mahdolliset terveyteen, ihokosketukseen tai lääketieteelliseen käyttötarkoitukseen liittyvät vaatimukset on arvioitava erikseen kyseisen tuotteen standardien ja käyttökohteen perusteella.

Miten nikkelipitoisuus vaikuttaa materiaalin valintaan?

Suunnittelussa ei yleensä kysytä vain, sisältääkö teräs nikkeliä, vaan mitä ominaisuuksia rakenteelta tarvitaan. Jos valmistus sisältää paljon syvävetoa, taivutusta ja hitsausta, austeniittinen kromi-nikkeliteräs voi olla erittäin käytännöllinen vaihtoehto. Jos taas tärkeää on esimerkiksi ferriittisen teräksen magneettisuus, pienempi lämpölaajeneminen tai vähäinen nikkelipitoisuus, ferriittinen teräs voi sopia paremmin.

Nikkeli on myös arvokas teollinen raaka-aine, joten sen markkinahinta voi vaikuttaa nikkeliä sisältävien seosten kustannuksiin. Ajantasaisen raaka-ainemarkkinan seuraamiseen voi käyttää sivua nikkelin hinta tänään. Terästuotteen lopullinen hinta ei kuitenkaan seuraa nikkelin markkinahintaa yksi yhteen, koska mukana ovat myös muut seosaineet, energia, valmistus, jalostus, logistiikka ja tuotekohtaiset lisät.

Yhteenveto: miksi nikkeliä käytetään ruostumattomassa teräksessä?

Nikkeliä käytetään ruostumattomassa teräksessä erityisesti siksi, että se vakauttaa austeniittista rakennetta ja auttaa saavuttamaan hyvän yhdistelmän sitkeyttä, muovattavuutta, hitsattavuutta ja käyttövarmuutta. Se toimii yhdessä kromin ja muiden seosaineiden kanssa, eikä korvaa kromin keskeistä roolia passiivikalvon muodostumisessa.

304- ja 316-tyyppiset teräkset ovat tunnettuja nikkeliä sisältäviä austeniittisia laatuja, mutta ruostumattomia teräksiä on myös vähän nikkeliä sisältävinä tai nikkelittöminä ferriittisinä vaihtoehtoina sekä kaksifaasisina duplex-laatuina. Oikea teräslaatu määräytyy aina käyttökohteen, ympäristön ja valmistusmenetelmän perusteella.

Suomalaisesta näkökulmasta nikkelillä on myös pitkä teollinen historia. Jos aihe kiinnostaa materiaalitekniikan ulkopuolelta, katso erillinen artikkeli Petsamon nikkelin historiasta.