RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET: tuoteominaisuudet ja materiaalinvalinta

Transkriptio

1 RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET: tuoteominaisuudet ja materiaalinvalinta

2 RUOSTUMATTOMATON TERÄS, perusominaisuudet 27/09/16 2

3 Ruostumaton teräs = teräs, jossa vähintään 11 % kromia Kromi reagoi hapen kanssa o o o Teräksen pinnalle muodostuu ohut, muutaman nanometrin paksuinen passiivikalvo, joka suojaa terästä korroosiolta Passiivikalvon ominaisuudet: Tiivis ja korroosionkestävä Koostuu kromioksideista Vain noin 2-5* nm paksu Sähkönjohtava ja tavallisesti näkymätön Passiivikalvon muodostuminen: Kasvaa itsestään ilmassa ja happea sisältävässä vedessä Voi kasvaa uudelleen pinnan vaurioiduttua Source: Acesita *Lähteestä riippuen 5-15 nm 27/09/16 3

4 GD-OES mittaustuloksia (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy) Oksidikerroksen paksuus [nm] Lähde: Material Science Forum Vol. 762 (2013) pp Corrosion Resistance of Welds in 21% Ferritic Stainless Steels Is It Comparable to Type 304L? S. Anttila & H-P Heikkinen 27/09/16 4

5 Ruostumaton teräs Ruostumattomat teräkset luokitellaan niiden kiderakenteen perusteella Austeniittiset (γ) Ferriittiset (α) Duplex (austeniittis-ferriittiset) Martensiittiset 27/09/16 5

6 Kromi- ja nikkeliseostuksen vaikutus teräksen kiderakenteeseen Lähde: Nichtrostende Stähle, /09/16 6

7 Kiderakenne vs. koostumus Nikkeli-ekvivalentti = Ni Mn + 30 (C + N) (Cu + Co) A+M Martensitic Austenitic A+F+M Austentic-ferritic (duplex) F+M Kromiekvivalentti = Cr Si + 2 Mo + 2 Ti Nb Ferritic 27/09/16 7

8 Austeniittisten ja ferriittisten terästen perusominaisuudet Ferriittiset ruostumattomat teräkset: Tilakeskeinen kuutiollinen rakenne, ka. tiheys ~68% Tiheys: ~7.7 kg/dm 3 Sähkönvastus: ~0.60 Ω mm 2 m -1 Lämmönjohtavuus: ~25 W m -1 K -1 Lämpölaajenemiskerroin (20 C 100 C): ~10 x 10-6 K -1 Magneettinen Välisija-atomien, C ja N diffuusionopeus suurempi ferriittisissä teräksissä Austeniittiset ruostumattomat teräkset: Tiivispakkauksellinen pintakeskeinen kuutiollinen rakenne, ka. tiheys ~74% Tiheys: ~7.9 kg/dm 3 Sähkönvastus : ~0.73 Ω mm 2 m -1 Lämmönjohtavuus: ~15 W m -1 K -1 Lämpölaajenemiskerroin (20 C 100 C): ~16 x 10-6 K -1 Antimagneettinen Välisija-atomien, C ja N liukoisuus suurempi austeniittisissa laaduissa 27/09/16 8

9 Mekaaniset ominaisuudet Ruostumattomilla teräksillä on myös erinomaiset lujuus- ja sitkeysominaisuudet! Venymä (%) Myötölujuus (MPa) /09/16 9

10 Korroosionkestävyys, austeniittiset vs. ferriittiset teräkset Corrosion resistance % Cr % Cr 8% Ni % Cr % Cr Ti+Nb % Cr 10% Ni 2% Mo % Cr 2% Mo Ti+Nb Pitting resistance equivalent (PRE) PRE = %Cr x %Mo + 16 x %N 27/09/16 10

11 Ruostumattomien terästen yleisimmät materiaalistandardit Eurooppalaisessa ruostumattomien terästen materiaalistandardissa EN on esitetty yli 130 eri teräslajia. Eurooppalaisia EN-standardeja o o o o SFS-EN :2014, ruostumattomien terästen luettelo SFS-EN :2014, nauha- ja levytuotteet yleiseen käyttöön SFS-EN :2009, nauha- ja levytuotteet rakennuskäyttöön SFS-EN :2007, painelaiteteräkset Amerikkalaisia ASTM-standardeja o o o ASTM A240, paineastiamateriaalit ASTM A666, yleinen käyttö ja muokkauslujitetut tuotteet ASTM A480, toimitustilat yms 27/09/16 11

12 RUOSTUMATTOMATTOMAN TERÄKSEN KÄYTTÖ 27/09/16 12

13 Kromimalmista ja kierrätysteräksestä teräsnauhaksi ja levyksi 27/09/16 13

14 ja edelleen lopputuotteiksi rajattomat mahdollisuudet 14

15 Ruostumaton teräs on tulevaisuuden tärkeimpiä rakennusaineita Korroosion kestävä Luja Lämmönkestävä Hygieeninen ja esteettinen Matalat elinkaarikustannukset Täysin kierrätettävä ja eniten kierrätetty materiaali maailmassa Marina Bay silta, Singapore 15

16 Ruostumattomien terästen yleisimmät materiaalistandardit Eurooppalaisessa ruostumattomien terästen materiaalistandardissa EN on esitetty yli 130 eri teräslajia. Eurooppalaisia EN-standardeja o o o o SFS-EN :2014, ruostumattomien terästen luettelo SFS-EN :2014, nauha- ja levytuotteet yleiseen käyttöön SFS-EN :2009, nauha- ja levytuotteet rakennuskäyttöön SFS-EN :2007, painelaiteteräkset Amerikkalaisia ASTM-standardeja o o o ASTM A240, paineastiamateriaalit ASTM A666, yleinen käyttö ja muokkauslujitetut tuotteet ASTM A480, toimitustilat yms 27/09/16 16

17 Yleisimpiä ruostumattomia teräksiä EN C % max. Cr % Ni % Mo % Muut % R p0,2 N/mm 2 kuvaus Huom. Lujuudet ovat kylmävalssatuille tuotteille. A , ruostumaton yleisteräs A , , niukkahiilinen ruostumaton yleisteräs A ,03 17,6 6,5 - N 350 CrNiN rakenneteräs A , ,5 - Mn, N 350 mangaaniseosteinen ruostumaton teräs A , , Mo-seostettu haponkestävä teräs A , ,5-240 haponkestävä teräs, Mo min. 2,5 % A , Si, Ce 240 tulenkestävä teräs, 253 MA A , ,5 Cu 240 runsasseosteinen, mm. kemianteollis. A , Cu, N 320 ns. valtameriteräs, esim. 254 SMO F , , krominen rakenneteräs F , Ti 220 pakoputkiteräs F , Ti krominen yleisteräs ( Ti-seost.) F , Ti 300 kuumavesivaraajateräs D , ,5 3 N 480 keskiseosteinen duplex D , ,5 0,1 Mn, N 480 niukkaseosteinen duplex, esim. LDX 2101 M , ruostumaton terämateriaali M , ,5 N 650 turbiiniteräs 17

18 Ruostumattoman teräksen loppukäyttökohteet Maailman loppukäyttökohteet Outokummun myynti loppukäyttökohteittain 11% 2% 17% 16% 18% 13% 14% 15% 38% 19% 37% Rakentaminen Kuljetus Prosessiteollisuus ja raaka-aineet Ravintolat ja kotitaloudet Kemian sekä petrokemian teollisuus ja energia Muut Rakentaminen Kuljetus Prosessiteollisuus ja raaka-aineet Ravintolat ja kotitaloudet Kemian sekä petrokemian teollisuus ja energia Lähde: SMR, ruostumattomien terästuotteiden kulutus maailmassa 2010 Lähde: Outokummun myynti loppukäyttökohteittain

19 Ruostumattoman teräksen kysyntää lisäävät tekijät Kaupungistuminen Energia Puhdas vesi Infrastruktuuri Rakentaminen Kodinkoneet Uusiutuvat energianlähteet Ydinenergia Suolanpoisto Vedenkäsittely Kestävä kehitys ruostumattoman teräksen ainutlaatuisten ominaisuuksien myötä 27/09/16 19

20 Suurimpien teräslajiryhmien markkinaosuudet ja ruostumattoman teräksen hintakehitys Nikkelin korkea hinta vaikutti voimakkaasti markkinaosuuksiin Lähde: ISSF Annual Review /09/16 20

21 ISSF Book of New Applications Statistics on steel grades mentioned in the publication CrNi 304 CrNi 301 CrNiMo 316 CrMn 200 Cr 400 Duplex Others 27/09/16 21

22 MATERIAALINVALINTAA 27/09/16 22

23 Materiaalin valintaa Mahdollisuudet: Kustannnussäästöt hinnaltaan vakaampien raaka-aineiden vuoksi Paremmin tiettyyn sovellukseen tai työstämiseen sopiva materiaali Muistettavaa: Eri teräslajeilla on erilaiset materiaaliominaisuudet, jotka voivat vaikuttaa lopputuotteen ominaisuuksiin ja valmistettavuuteen. Vaikutus tuoteominaisuuksiin suuri vähäinen Korroosionkestävyys Fysikaaliset ominaisuudet Pinnan laatu Metallurgiset ominaisuudet Mekaaniset ominaisuudet vähäinen Vaikutus materiaalin työstettävyyteen suuri 27/09/16 23

24 Fysikaalisten ominaisuuksien vertailu Pituuden lämpötilakertoimia Austeniittisten teräkset eivät ole ferromagneettisia. Sulamispiste on ºC. Hiiliterästen sulamispiste on noin 1500ºC. Sähköisiä ominaisvastuksia Lämmönjohtavuuksia 27/09/16 24

25 Austeniittisten terästen ominaisuuksia ü hyvä korroosionkestävyys seostuksesta riippuen o kloridit ja pelkistävät hapot ovat ongelmallisia ü hyvä hitsattavuus ja kylmämuovattavuus ü myötölujuus (venymisraja R p0,2 ) on pehmeäksi hehkutettuna välillä N/mm 2 o erittäin lujaa kylmämuokatussa tilassa, kuten lujitusvalssattuna ü laaja käyttölämpötila-alue (-200 o C o C) o o hyvä lujuus ja hapettumisen kestävyys korkeissa lämpötiloissa hyvä sitkeys matalissa lämpötiloissa myös hitsatuilla rakenteilla 27/09/16 25

26 Mangaaniseosteiset austeniittiset ruostumattomat teräkset Kaikkia markkinoilla olevia CrMn-teräksiä ei ole sisällytetty materiaalistandardeihin. Kuitenkin suuntaus kohti alhaisempaa Ni-pitoisuutta on ollut jo pitempiaikainen trendi. Osa 200-sarjan teräksistä on valmistettu alhaisella kromi- ja nikkelipitoisuudella (15/4 ja 15/1), jolloin niiden korroosio-ominaisuudet ovat vastaavia standardin mukaisia tuotteita heikompia. Korkea rikkipitoisuus laskee korroosionkestävyyttä! EN / AISI - merkintä / / 301LN / / 204Cu / / 409 Cr/Ni-pit. % tyypillisesti 18 / 8 18 / 6,5 16 / 4 16 / 2 17 / 0 11 / 0 Cr15/ Ni4 Cr15/ Ni1 Korroosionkestävyys paranee. Korroosionkestävyys heikkenee. 27/09/16 26

27 Muiden ruostumattomien teräslajien edut Ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä saavutetaan tietyissä käyttökohteissa optimaalinen kustannuskilpailukyky. Ominaisuudet ovat parantunutta korroosionkestävyyttä lukuunottamatta hiiliterästen kaltaisia. Duplex-teräksillä saavutetaan korkea lujuus ja hyvä korroosionkestävyys. Niiden käyttö onkin lisääntynyt muun muassa prosessiteollisuudessa. Valujen ja paksujen levyjen lisäksi ohuempien nauhatuotteiden sekä putkien saatavuus on nykyisin parantunut. Rakennekäyttö lisääntynee tulevaisuudessa. Martensiittisten ruostumattomien terästen suuri lujuus ja karkaistavuus ovat etuja erikoissovelluksissa. 27/09/16 27

28 Materiaalintaa esim. muovauskohteisiin CrMn-teräkset, ns. 200-sarja EN AISI 201 EN Cu EN Cu Uudet seokset Yleisrosteri AISI 304 EN AISI 430 Korkeampi myötölujuus Riski viivästyneeseen murtumaan Tyypillisesti karheampi pinta Mahdollinen kupariseostus voi vaikuttaa romun hintaan Rajoituksia mm. elintarvikekäyttöön, esim. Cr min.17% Standardointityö osittain keskeneräistä Alhaisempi takaisinjousto muovauksessa Alhaisemmat leikkausvoiman tarpeet Kiiltävien pintojen saatavuus yleisesti hyvä Cr-pitoisuuden vaikutus korroosionkestävyyteen on korostunutta, muiden seosaineiden vähyyden johdosta Uusia teräslajeja ei ole standardoitu laajemmin EN AISI 441 Ferriittiset teräkset, ns. 400-sarja EN AISI 444 > 20% Cr -teräkset ja tietysti korroosionkestävyys 27/09/16 28

29 Ruostumattomien terästen lujuus ja korroosion kestävyys Myötölujuus +CP700 Lujitusvalssatut austeniittiset ruostumattomat teräkset (lujuusluokkaan +CP1100 asti) CP500 LDX 2101 SAF L SAF SMO Duplex kaksifaasiset ruostumattomat teräkset Austeniittiset ruostumattomat teräkset Korroosionkestävyys 27/09/16 29

30 Ruostumattoman teräksen pinta Pinta-ominaisuudet ovat ruostumattoman teräksen käytön yksi avaintekijä Säilyy muuttumattomana pitkän ajanjakson

31 Pinnan toimitustilat EN ASTM Kuvaus 1D 1 kuumavalssattu ja peitattu 2E 1 kylmävalssattu, hehkutettu, kuulapuhallettu ja peitattu, esim. RAP TM 2E 2D 2D kylmävalssattu, hehkutettu ja peitattu 2B 2B kylmävalssattu, hehkutettu ja peitattu, viimeistelyvalssattu 2R BA kylmävalssattu, kiiltohehkutettu 2H TR muokkauslujitettu, mm: C850 (1/4 Hard) ja C1000 (1/2 Hard) 2F - mattapinta (viimeistelyvalssaus karhennetuilla valsseilla) 2G, 2K 3, 4 hiottu, satiini-/hienohiottu 2J 6 harjattu 2M, 2W - kuviovalssatut ja aallotetut pinnat Lähteet: EN :1995 ja ASTM A /09/16 31

32 Pintojen heijastavuus ja kuvaterävyys 2F DB 2B RAP TM 2E 2BB Kylmävalssattu, hehkutettu, peitattu ja viimeistelyvalssattu Kylmävalssattu, hehkutettu, kuulapuhallettu ja peitattu Kylmävalssattu, hehkutettu, kiiltopeitattu ja viimeistelyvalssattu 27/09/16 32

33 Ruostumattoman teräksen heijastuvuus Walt Disney concert hall, los angeles; designed by Frank Gehry (2003) 27/09/16 33

34 OUTOKUMMUN TUOTEPERHEET JA TUOTERYHMÄT 27/09/16 34

35

36 Tuoteryhmä Käyttötarkoitus Classic Moda Core Ruostumattomat yleisteräkset lievästi syövyttäviin olosuhteisiin. PRE alle 17. Ruostumattomat yleisteräkset syövyttäviin olosuhteisiin. PRE Supra Haponkestävät yleisteräkset voimakkaasti syövyttäviin olosuhteisiin. PRE Pro Forta Lujat ruostumattomat teräkset. Mahdollistavat rakenteiden ohentamisen ja keventämisen. Myötölujuus R po.2 > 400 MPa. PRE Ultra Ruostumattomat erikoisteräkset erittäin voimakkaasti syövyttäviin olosuhteisiin. PRE yli 27. Dura Therma Prodec Deco Lämpökäsiteltävät ruostumattomat teräkset, joilla korkea kovuus ja lujuus. Tulenkestävät ja kuumalujat ruostumattomat erikoisteräkset. Käyttölämpötila yli 550 C. Hyvin koneistettavat ruostumattomat teräkset. Pidempi työkalun käyttöikä ja korkeampi tuottavuus koneistuksessa. Erikoispinnat kodinkoneisiin sekä design- ja arkkitehtonisiin sovelluksiin. Kaikki kiiltohehkutetut, kiillotetut, harjatut, hiotut ja kuvioidut pinnat

37 Lujuus vs. korroosio-ominaisuudet

38 Murtovenymä vs. korroosio-ominaisuudet

39 Esimerkki: Classic tuoteperhe, Core tuoteryhmä

40 40

41 Eri kohteisiin erilaisia pintoja Tero Taulavuori - Tornion tutkimuskeskus 41 February 12, 2010 Seppo Lantto, Tero Taulavuori