Kon Harjoitus 8: Ruostumattomat teräkset. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

Transkriptio

1 Kon Harjoitus 8: Ruostumattomat teräkset Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto

2 EN AISI/SAE Tyyppi L LN 321H

3 EN vs AISI/SAE tunnukset EN numerotunnuksen ja AISI/SAE tunnusten välillä ei ole yhteyttä. Yhteneväisyydet lähinnä sattumaa EN tunnukset annettu teräksille, joita ASTM kuvaa lisämääreillä (L,N) STANDARDIEN VÄLILLÄ EI SIIS OLE YHTEYTTÄ! AISI/SAE numeron avulla ei voi päätellä EN-tunnusta. EN AISI/SAE L LN H Timo Kiesi

4 Duplex Austenittiset Ferriittiset EN ja AISI/SAE tunnusten vastaavuuksia ruostumattomille teräksille L LN LN H / L 304N S S / / / L / LN Ti 316N 316H L LN H H MoLN L S Martensiittiset / / / PH-laadut * * * * * * Ei AISI/SAE tunnuksia (SAF) Timo Kiesi

5 Painohäviö vs, kromipitoisuus Painohäviö (g/mm 2 ) 0,10 0,08 0,06 0,04 Korroosionopeus ilmastoolosuhteissa laskee olemattomaksi, kun %Cr kasvaa yli 12%. Ruostumaton 0,02 0, Cr-pitoisuus (%)

6 Passivoituminen Eräät metallit, kuten kromi, titaani ja alumiini sekä monet niiden seoksista, tulevat passiivisiksi. Kemiallisten reaktioiden (ml. Korroosio) nopeus rajapinnassa hidastuu lähes olemattomaksi Metallin pinnalle muodostuu ohut ja tiivis M x O x -kerros, jonka läpi korroosio ei pääse tapahtumaan. Esimerkiksi ruostumattomaan teräkseen seostettu kromi muodostaa hapen kanssa teräksen pintaan tiiviin Cr 2 O 3 -kerroksen. Mikäli ympäristössä on riittävästi happea, kykenee vaurioitunut oksidikerros uusiutumaan hyvin nopeasti. Muutokset (ml. paikalliset) ympäristössä voivat muuttaa metallin takaisin passiiviseen tilaan ja siten korroosion kiihtymiseen.

7 Ruostumattomat teräkset Korroosion kestävyys kasvaa yleensä seosaineiden määrän mukaan. Erityisesti merkittävä on Cr-pitoisuus Mo: pistekorroosio, haponkestävät Ni Hinta nousee seosainemäärän mukaan Erityisesti Ni-pitoisuus Seostuksella saavutetaan sekä korroosionkesto että mekaaniset ominaisuudet (matriisin mikrorakenne)

8 Austeniittisten ruostumattomien terästen peruslaadut -Cr, -Ni 304 peruslaatu (18 %Cr, 8 %Ni) 301 työstökarkeneva (0,15%C, 16 18%Cr, 6..8%Ni) +N +N 304LN & 316LN typpiseostetut -C 304L matalahiilinen laatu (<0,03%C, 18%Cr, 8%Ni) +Mo, +Ni 316L haponkestävä teräs (<0,03%C, 17%Cr, 12%Ni, 2,5%Mo) +C 304H korkean lämpötilan laatu (0,05%C, 19%Cr, 9%Ni) +Ti tai Nb 321 & 347 stabiloidut laadut (0,06%C, 19%Cr, 9%Ni, Ti tai Nb)

9 Korkean lämpötilan austeniittiset ruostumattomat seokset 304L matalahiilinen laatu (<0,03%C-18%Cr-8%Ni) +C 304H korkean lämpötilan laatu (0,05%C-19%Cr-9%Ni) +C, +Ni Korkeahiiliset austeniittiset ruostumattomat teräkset (n. 0,4%C, >25 %Cr, korkea Ni) 310 (0,1%C, 25%Cr, 20%Ni) 316H +C, +Mo (0,06%C, 17%Cr, 12%Ni, 3%Mo) +C, +Cr, +Ni +C, +Mn, +V, Nb, B +Ni, +Cr Korkean lämpötilan nikkeliseokset Alloy DS, 600, 800 Alloy 1250 (0,1%C, 6%Mn, 10%Ni, 15%Cr, Mo, V, Nb, B)

10 Korkeasti seostetut austeniittiset ja superausteniittiset ruostumattomat teräkset 316L haponkestävä teräs (<0,03%C, 17%Cr, 12%Ni, 2,5%Mo) +Ni, +Mo, (+N) 317L (19%Cr, 13%Ni, 4%Mo, (N)) Superausteniittiset seokset +Ni, +Mo+ N +Cr, +Ni, (+Mo, +N) 310L (25%Cr, 21%Ni, (2%Mo, N)) -Cr, +Ni, +Mo, +Cu 904L (21%Cr, 25%Ni, 5%Mo, 2%Cu) +Cr, +Ni, +Mo, +Nb Nikkelisuperseokset Alloy 825, 625, 690, jne

11 Martensiittiset ja ferriittiset ruostumattomat teräkset +Ni, +Mo, -Cr Hiiliteräs -C, +Ni, +Mo Sitkeät martensiittiset RST (0,04%C, 13 15%Cr, 4 6%Ni, 1,5%Mo) Supermartensiittiset RST (0,01%C, 12%Cr, 6,5%Ni, 0 2,5%Mo) +Cr, +Cu +C, +Cr AISI 410 & 420 (martensiittinen RST) (0,1 0,2%C, 12%Cr) Erkautuskarkenevat RST (esim. 630, 450) (0,04%C, 15%Cr, 5%Ni, Mo, Cu, Nb) -C, +Cr AISI 430 (ferriittinen RST) (0,05C, 17%Cr) +Cr Korkeakromiset ferriittiset laadut (0,2%C,20 30Cr) +Cr, +Mo, +Ni, +Ti/Nb Superferriittiset laadut (matala C & N, 26%Cr, 4%Mo, Ti/Nb)

12 Tärkeimmät ferriittiset ruostumattomat teräkset (AISI/SAEtunnusten mukaan) 430 Yleisseos 442 +Cr hilseilyn kesto 429 -Cr parempi hitsattavuus 405 -Cr, +Al ei lujitu 409 -Cr autojen pakoputket 430F +P, +S työstettävyys paranee 434 +Mo parempi korroosion kesto 446 +Cr hilseilyn kesto 444 -C, +Mo parempi korroosion kesto Ti ja Nb stabilointi 439 -C Ti stabilointi 430F Se +Se työstettävyys paranee 436 +Mo, +Ta +Nb Korroosion ja korkean lämpötilan kesto

13 Tärkeimmät martensiittiset ruostumattomat teräkset (AISIstandardin mukaan) 410 Yleisseos 414 +Ni parempi korroosion kesto 403 turpiinin siivet 420 +Cr lujuus ja sitkeys 416 +P, +S työstettävyys paranee 440C +Mo Parempi korroosion kesto 431 +Cr, +Ni parempi korroosion kesto 422 +Mo, +V, +W korkean lämpötilan lujuus ja sitkeys 420F +P, +S parempi työstettävyys 416Se +Se parempi työstettävyys 440B&A +C Korkeampi sitkeys

14 Duplex ruostumattomat teräkset AISI % Cr martensiittinen seos +Cr, +Ni Lean duplex -lajit (21 %Cr - 1,5 %Ni 5 %Mn, N) +Ni, Mo, N 2205 duplex seokset (22%Cr - 5%Ni - 3%Mo, N) +Cr, +Ni, +Mo, +N Super-duplex seokset (25 %Cr 7 %Ni 4 %Mo, N)

15 PH-ruostumattomat teräkset [Precipitation hardening] 5. ruostumattomien terästen ryhmä Korkea lujuuden ja korroosiokestävyyden yhdistelmä Lujuus perustus erkautuskarkaisulämpökäsittelyyn Matala hiilipitoisuus kromikarbidien muodostuminen estyy Seosaineina erkaumia muodostavia seosaineita: Nb, Cu, Mo Lämpökäsittely 1. Austentiointi: 1050 C 2. Sammutus ilmassa tai öljyyn 3. Vanhennus: C

16 Rako- ja pistekorroosion mekanismi Mikäli ympäristössä ei ole happea saatavilla, ei passiivikerros uusiudu vaurion synnyttyä. Esimerkiksi rakokorroosiossa raossa paikallinen ympäristö köyhtyy hapesta, eikä passiivikerros enää voi uudistua. Rako saostuu H+ ja Cl- ioneista, jotka tuhoavat olemassa olevan passiivikerroksen. Korroosio etenee, sillä metalliin muodostuu paikallinen sähköpari, jossa rako toimii anodina ja raon ulkopuolinen happea sisältävä alue katodina. Pistekorroosiossa tapahtuu vastaavankaltainen ilmiö alkuviassa, esimerkiksi syvässä naarmussa.

17 Pitting Resistance Equivalent = PRE Ruostumattomat teräksen alttiutta pistekorroosiolle voidaan arvioida PRE-luvun avulla. Korkeampi luku, parempi pistekorroosion kesto. PREn % Cr 3,3 % Mo x % N EUROInox Ferritic solution x 16 (joskus 30)

18 Pitting Resistance Equivalent = PRE PRE-kaavalle on kehitetty useita variaatioita eri seostusasteisille teräksille ja nikkeliseoksille PRE % Cr - Alkuperäinen, austeniittiset ruostumattomat ilman N - seostusta PREn % Cr - x 16 (joskus 30), duplex, - W -seostut superduplexit PREN %Cr 15, (%Mo %W - Nikkeliseokset 3,3% Mo 3,3% Mo x% N N -seostetut austeniittiset PREw %Cr 3, 3(%Mo 0, 5%W) 16N Nb) 30N 0, 5%Cu

19 EN vs AISI/SAE tunnukset EN AISI/SAE PREn %Cr + 3, 3%Mo , L LN H 18 Vertailun vuoksi: EN 4845 / AISI 310S: 26 EN / AISI 904L: 36 Timo Kiesi

20 Tehtävä 2. Schaeffler-diagrammi (1948) X-akseli: kromi-ekvivalentti ferriitin muodostajat Cr ekv % Cr % Mo 1,5 % Si 0,5 % Nb. Y-akseli: nikkeli-ekvivalentti austeniitin muodostajat Ni ekv % Ni 30 % C 0,5 % Mn. Voidaan arvioida: ruostumattoman teräksen mikrorakennetta hitsausliitoksen mikrorakennetta, etenkin mustan ja kirkkaan liitoksessa voidaan käyttää apuna oikean lisäaineen valinnassa Huomioidaan vain seosaineiden vaikutus, ei jäähtymisnopeutta. Alkuperäistä diagrammia on vuosien saatossa muokattu useaan kertaan, esim DeLong (1973), WRC (1988, 1992).

21 Tehtävä 2. Lasketaan Cr- ja Ni-ekvivalentit Cr ekv Ni ekv

22 Tehtävä

23 Tehtävä 2. Kuvaajasta voidaan havaita, että yleisimmät austeniittiset seokset keskittyvät 18 %Cr - 10 %Ni seostuksen tienoille. Tällä seostuksella saavutetaan austeniittinen rakenne optimimäärällä nikkeliä, jonka osuus lopputuotteen hinnasta on merkittävä. Ferriittiä suosivien seosaineiden lisääminen vaatii myös austeniittia suosivien seosaineiden määrän lisäämistä. Usein korkeasti seostetuilla ruostumattomilla teräksillä tavoitellaan austeniittista rakennetta sen hyvien korroosio-ominaisuuksien vuoksi.

24 Tehtävä 3. L teräs on matalahiilinen versio Esim. AISI 304 max. 0,08 %C, AISI 304L max. 0,03 %C N teräs on typpiseostettu (typpi = N) Esim. AISI 304LN & 316LN H Korkealämpötilakäyttöön tarkoitettu seos Normaalia suurempi raekoko, C-pitoisuusraja korkeampi Esim. AISI 304H Ti Titaanilisäys (stabilointi) Esim. AISI 316Ti

25 Tehtävä 4. Tunnukset tarkoittavat teräksen toimitustilaa 2B sileä pinta saadaan aikaiseksi kylmävalssauksella, hehkutuksella, peittaamalla (peittaus = puhdistus happokyvyssä) sekä viimeistely valssaamalla. 2H muokkauslujitettu, kirkas pinta saadaan aikaiseksi kylmävalssaamalla, hehkuttamalla ja peittaamalla. Tämän jälkeen suoritetaan vielä valssaus, jolla lujittaa terästä F

26 Tehtävä H C = AISI 301LN seos epästabiili austeniittinen ruostumaton teräs, ruostumaton rakenneteräs C850 kylmämuokkausaste C850 = R m 850 MPa (Normaaliseoksen R m = 650 MPa) 2H = muokkauslujitettu, kirkas pinta toimitustila (kylmävalssaus, hehkutus, peittaus, lujitus valssaamalla)

27 Tehtävä 6. Muokkauslujittuminen Voimakkaasti muokkauslujittuva seos Normaalisti muokkauslujittuva seos Normaalisti havaitaan tasainen lujuuden kasvu myötö- ja murtoluujuden välillä. lujuuden kasvu seurausta muokkauslujittumisesta Austeniittisilla seoksilla tasavenymä on suuri ja kuroutuminen tapahtuu vasta hyvin suurilla venymillä seurauksena ainutlaatuinen lujuuden ja sitkeyden yhdistelmä.

28 Työstökarkeneminen aka muokkausmartensiitti Kun T < Md, muuttuu austeniitti jännityksen ja ulkoisen muokkauksen seurauksena martensiitiksi. Tehtävä 6. Martensiitti on lujempaa kuin austeniitti, jolloin teräs lujittuu enemmän. Ilmiötä havaitaan austeniittisilla RSTseoksilla sekä Hadfieldin mangaaniteräksillä. Johtuu siitä, että a on tasapainon mukainen rakenne, mutta sitä ei ole ehtinyt muodostua diffuusiolla huoneenlämpötilassa metastabiili g

29 Uudet ultralujat teräkset austeniittiset vaihtoehdot? Matalalujuuksiset teräkset (<200 Mpa) Lujat teräkset Ultralujat teräkset (> 550 Mpa) IF Austeniittiset teräkset (myös rst) Murtovenymä (%) IS BH IS C-Mn Perinteiset lujat teräkset HSLA TRIP DP AHSS Martensiittiset Murtolujuus (MPa)

30 Tehtävä 7. Ruostumattomien terästen hauraus- ja korroosioilmiöitä Yleensä ongelmat ovat seos- ja ympäristökohtaisia. Esimerkiksi passiivisen oksidikerroksen muodostuminen estyy paikallisesti rako- tai pistekorroosio austeniittiset seokset altistuvat jännityskorroosiolle kloridiympäristössä ferriittisillä seoksilla on lämpötila-alueita, joissa ne ovat hauraita: lohkohauraus, 475 C -hauraus, sigmahauraus, rakeenkasvuhauraus. Materiaalin valinnassa tulee tuntea nämä rajoitukset.

31 Lohkohauraus (ferriittiset rst) 1) %Cr kasvaa 2) Transitiolämpötila nousee 3) Iskusitkeys laskee

32 Sigmahauraus (ferriittiset rst) Hauras sigmafaasi

33 Sigmahauraus (ferriittiset rst) Haurasta sigma-faasia erkautuneen raerajoilla

34 Rakeenkasvuhauraus (ferriittiset rst) Ti ja Ni seostus hidastavat rakeenkasvua 1) Raekoko kasvaa 2) Hauraita faaseja raerajoilla Sitkeys laskee hehkutettaessa korkeissa lämpötiloissa

35 475 C hauraus (ferriittiset rst) Hehkutettaessa C a faasin erkautuminen Sitkeyden ja erityisesti iskusitkeyden merkittävä laskeminen

36 Muita Vetyhauraus hitaan muodonmuutoksen yhteydessä murtumiseen tarvittava jännitys, murtovenymä ja murtokurouma laskevat H on raudan hilassa helposti diffuusiolla liikkuva atomi Erityisesti lujuuden nousu ja sitkeyden lasku altistavat vetyhauraudelle tyypillinen korkealujuusteräs ongelma Kuumahalkeilu Jähmettymisen yhteydessä teräkseen liukenemattomat seosja epäpuhtausaineet saostuvat loppusulaan. Jähmettymisrintamien kohdatessa muodostuu heikko rintama, joka murtuu kuormitettaessa. Erityisesti austeniittisena jähmettyvän rakenteen ongelma g-rst hitsaus.

37 Haurausalueet Sheffler-diagrammissa Esimerkiksi eriparihitsaus, lisäaineen valinta Ns. Bystramin kolmio turvallinen alue eriparihitsilisäaineen koostumukselle

38 Tehtävä 8. Herkistyminen Korkeissa lämpötiloissa kromi muodostaa karbideja (tai nitridejä) Esimerkiksi hitsauksen yhteydessä HAZvyöhykkeellä Syntyy paikallinen alue, jossa vapaan kromin pitoisuus laskee. Sitoutunut kromi ei kykene muodostamaan kromioksidikerrosta. Korroosio tapahtuu teräksen kromiköyhillä alueilla, usein raerajoilla. Herkistymistä estetään: käyttämällä matalahiilistä seosta esim. 304L hitsauksen jälkeisellä lämpökäsittelyllä liotetaan syntyneet karbidit käyttämällä stabiloitua seosta seostettu Ti tai Nb, jotka muodostavat karbideja Cr sijasta.

39 Tehtävä 9. Uimahalli-case Kantavat rakenteet ovat yleensä vetojännityksen alaisena Uimahallin ilma sisältää klooria Austeniittinen ruostumaton teräs on altis jännityskorroosiolle (SCC) juuri näissä olosuhteissa Ei sovellu kohteeseen

40 Tehtävä 10. UKK-CASE Kolikot sisältävät suuren määrän nikkeliä Kolikot ovat jalompia kuin austeniittinen ruostumaton teräs seurauksena galvaaninen korroosio Kolikon ja altaan väliin jää rako vedenpuhdistuksessa käytettävä kloori saostuu ko. rakoon Passiivikerroksen muodostumiseen estyy, koska happea ei pääse rakoon. seurauksena rako- ja pistekorroosiota.

41 Tehtävä 11. Linja-auton kori Auton rakenteet altistuvat maantiesuolalle. Hiiliterästen kohdalla korroosion korjauskustannukset muodostuvat suuriksi. Koko korin suojaaminen sinkityksellä on vaikeaa. RS-teräksillä voidaan korjauskustannuksia laskea linja-auton eliniän aikana. Austeniittiset ruostumattomat teräkset olisivat korroosion kannalta paras vaihtoehto. Niiden heikkona puolena on korkea hankintahinta. Ferriittiset ruostumattomat teräkset ovat austeniittisia seoksia halvempia omaten kuitenkin riittävät korroosio- sekä lujuusominaisuudet.