टायटॅनियम मदत करते, पण कमकुवत ठिकाणे दूर करत नाही
स्टेनलेस स्टील गंजाला प्रतिकार करते म्हणून त्याला महत्त्व दिले जाते, मात्र या प्रतिकारालाही मर्यादा आहेत. समुद्राच्या पाण्यासारख्या क्लोराइड-समृद्ध वातावरणात पिटिंग गंज म्हणून ओळखली जाणारी अत्यंत स्थानिक हानी अजूनही होऊ शकते. टायटॅनियम मिसळल्याने सामग्रीची कामगिरी का सुधारते, पण समस्या पूर्णपणे का सुटत नाही, याचा अभ्यास तोहोकू विद्यापीठातील संशोधकांनी केला.
या कामाचा केंद्रबिंदू समावेश म्हणून ओळखले जाणारे सूक्ष्म अंतर्भूत कण आहेत. स्टेनलेस स्टीलमध्ये पिट्स अन्यथा एकसमान दिसणाऱ्या पृष्ठभागावर सर्वत्र न होता या सूक्ष्म ठिकाणांपासून सुरू होऊ शकतात. सहज विरघळणाऱ्या मॅंगनीज सल्फाइड समावेशांचे अधिक स्थिर टायटॅनियमयुक्त सल्फाइडमध्ये रूपांतर करण्यासाठी सामान्यतः टायटॅनियम मिसळले जाते. हे रूपांतर फायदेशीर असले तरी अपूर्ण आहे: समावेशांची विशिष्ट रासायनिक रचना अजूनही महत्त्वाची आहे, असे नव्या संशोधनातून दिसते.
मॉडेल नमुने स्वतंत्र समावेशांचा अभ्यास सुलभ करतात
संशोधकांनी Fe-16%Cr मिश्रधातूवर आधारित फेरिटिक स्टेनलेस स्टीलचा अभ्यास केला; त्याची ओळख Type 430 अशी करण्यात आली. समावेशांची रचना पद्धतशीरपणे नियंत्रित केलेले मॉडेल नमुने त्यांनी तयार केले. व्यावसायिक स्टीलमधील समावेशांचा आकार फक्त काही मायक्रोमीटर असतो आणि स्वतंत्र कणांचे विद्युत-रासायनिक वैशिष्ट्य ठरवणे कठीण असते. या व्यावहारिक अडचणीवर या रचनेने उपाय केला.
टायटॅनियमयुक्त समावेशांना एकाच वर्गात न ठेवता, पथकाने चार प्रकारांची तुलना केली: मॅंगनीज सल्फाइड, MnS असे लिहिले जाते; मिश्रित मॅंगनीज-टायटॅनियम सल्फाइड, (Mn,Ti)S असे लिहिले जाते; टायटॅनियम डायसल्फाइड, TiS₂; आणि टायटॅनियम नायट्राइड, TiN. या कणांचे वर्तन तुलना करण्यासाठी सूक्ष्म-स्तरीय विद्युत-रासायनिक मोजमापे वापरली गेली.
तपासलेल्या परिस्थितीत विरघळण्याच्या प्रतिकाराचा स्पष्ट क्रम निकालांतून दिसून आला. MnS सर्वाधिक सहज विरघळले. त्यानंतर (Mn,Ti)S आणि मग TiS₂ होते. तपासलेल्या मर्यादेत TiN विरघळले नाही. हे महत्त्वाचे आहे, कारण समावेशातील विरघळण्यामुळे आजूबाजूच्या स्टीलमध्ये पिट सुरू होण्यास अनुकूल परिस्थिती निर्माण होऊ शकते.
उरलेले सल्फाइड स्थानिक हानीचा मार्ग ठरू शकतात
MnSचे अधिक स्थिर टायटॅनियमयुक्त सल्फाइडमध्ये रूपांतर करून पिटिंग-गंज प्रतिकार सुधारण्याचा टायटॅनियम मिसळण्यामागचा उद्देश असतो. हा मूलभूत विचार अभ्यासाला मान्य आहे: टायटॅनियमयुक्त सल्फाइड सामान्यतः MnSपेक्षा अधिक स्थिर होते. मात्र, ही प्रक्रिया पूर्ण संरक्षण का देत नाही, हेही निकाल दाखवतात. टायटॅनियम असलेले सल्फाइड समावेश अजूनही विरघळू शकतात आणि त्यांचे विद्युत-रासायनिक वर्तन रचनेनुसार मोठ्या प्रमाणात बदलते.
व्यावहारिकदृष्ट्या, स्टीलमध्ये टायटॅनियम आहे की नाही यापेक्षा प्रक्रिया झाल्यानंतर प्रत्यक्षात कोणत्या प्रकारचे समावेश आहेत, याकडे हा अभ्यास लक्ष वेधतो. उरलेले सल्फाइड विरघळू शकत असतील तर ते पिटिंग सुरू होण्याची संभाव्य ठिकाणे राहू शकतात. संशोधकांच्या मोजमापांत टायटॅनियम नायट्राइडने वेगळे वर्तन दाखवले आणि तपासलेल्या मर्यादेत विरघळण्यास प्रतिकार केला.
पिटिंग ही स्थानिक प्रक्रिया असल्याने हा फरक महत्त्वाचा आहे. स्टेनलेस-स्टीलचा एखादा घटक त्याच्या बहुतांश पृष्ठभागावर अखंड दिसू शकतो, पण मोजक्या असुरक्षित ठिकाणांपासून हानी सुरू होऊ शकते. त्यामुळे कोणते सूक्ष्म घटक सर्वाधिक संवेदनशील आहेत हे समजून घेणे, संपूर्ण सामग्री अधिक टिकाऊ बनवण्यासाठी उपयुक्त ठरू शकते.
स्टेनलेस स्टीलच्या सामान्य वापरांमध्ये संभाव्य महत्त्व
घरगुती उपकरणे, शस्त्रक्रियेसाठीची साधने आणि वाहनांचे भाग यांसारख्या वापरांसाठी अधिक टिकाऊ स्टेनलेस स्टीलची रचना करण्यास हे निष्कर्ष मदत करू शकतात, असे संशोधक सांगतात. नियमित वापरात किंवा सेवेदरम्यान अशा उत्पादनांचा ओलावा, क्षार किंवा क्लोराइड असलेल्या इतर परिस्थितींशी संपर्क येऊ शकतो. केवळ एका मिश्रधातूतील बदलामुळे गंज पूर्णपणे नाहीसा होतो, असा दावा या कामात नाही; त्याऐवजी, विशिष्ट समावेशांच्या स्थिरतेचे मूल्यमापन करण्यासाठी हे पुरावे उपलब्ध करून देते.
टायटॅनियम गंज प्रतिकार सुधारते का, असे साधे विचारण्यापेक्षा हा अधिक अचूक अभियांत्रिकी प्रश्न आहे. उत्तर समावेशाच्या प्रकारावर अवलंबून आहे, असे मोजमापे दाखवतात. तपासलेल्या चार कणांमध्ये MnS सर्वांत कमी स्थिर होते, तर तपासलेल्या परिस्थितीत TiNमध्ये विरघळणे दिसले नाही. ही दोन टायटॅनियमयुक्त सल्फाइड या दोन टोकांच्या दरम्यान होती.
नियंत्रित नमुना पद्धतही या निकालासाठी केंद्रस्थानी आहे. समावेशांची रचना वेगळी करून, व्यावसायिक सामग्रीत स्पष्टपणे ओळखणे कठीण असलेले वर्तन पथकाला तपासता आले; तिथे सूक्ष्म कण आणि मिश्र सूक्ष्मरचना थेट मोजमाप गुंतागुंतीचे करतात. त्यामुळे हा अभ्यास सूक्ष्म रचनेचा संबंध सामग्री-स्तरीय प्रश्नाशी—पिट सुरू होण्याच्या प्रतिकाराशी—जोडण्याचा मार्ग देतो.
सामग्रीच्या रचनेतून मिळणारा धडा
स्टेनलेस स्टीलमध्ये टायटॅनियमचा वापर चुकीचा आहे, असे या संशोधनातून सांगितलेले नाही. टायटॅनियम प्रतिकार सुधारत असतानाही उरलेला धोका का राहू शकतो, हे ते स्पष्ट करते. रचनाकार आणि उत्पादकांसाठी याचा अर्थ असा की, टायटॅनियमची उपस्थिती जितकी महत्त्वाची आहे तितकीच समावेशांची रासायनिक रचना आणि विद्युत-रासायनिक स्थिरता नियंत्रित करणेही महत्त्वाचे असू शकते.
क्लोराइड असलेल्या वातावरणात अधिक टिकाऊ स्टेनलेस स्टील मिळवण्यासाठी विरघळणे जिथून सुरू होऊ शकते अशी ठिकाणे कमी करणे किंवा नियंत्रित करणे आवश्यक आहे. MnS, (Mn,Ti)S, TiS₂ आणि TiN यांची केलेली तुलना प्रयोगांत कोणते समावेश अधिक किंवा कमी स्थिर होते याचा तपशीलवार नकाशा देते. स्टेनलेस स्टीलच्या सर्वाधिक टिकून राहिलेल्या कमकुवतपणांपैकी एक असलेल्या स्थानिक गंजाचा अधिक चांगला सामना करणारे स्टील विकसित करण्याच्या प्रयत्नांना हा पुरावा मदत करू शकतो.
हा लेख Phys.orgच्या वृत्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.
Originally published on phys.org
