Ruostumattomat teräkset luento SHY Oulun paikallisosaston 50 v. juhlaseminaarissa

Ruostumattomat teräkset luento SHY Oulun paikallisosaston 50 v. juhlaseminaarissa Timo Kauppi 2015 1

STAINLESS STEEL EDELSTAHL RÅSTFRITT STÅL RUOSTUMATON TERÄS JALOTERÄS 2

Opintojakson oppimistavoite tunnetaan eri ruostumattomat teräslajit ja niiden ominaisuudet osataan valita oikeantyyppinen teräs korrodoiviin olosuhteisiin ja korkeisiin lämpötiloihin tunnetaan ruostumattomien terästen valmistusprosessi pääpiirteissään osataan tulkita aihepiiriin liittyviä standardeja Lapin amk opintojakso 3K7336 Ruostumattomien terästen valmistus, ominaisuudet ja metallurgiaa, 3 op 3

4

5

Mitä on ruostumaton teräs? http://www.euro-inox.org/pdf/map/what_is_stainless_steel_fi.pdf 6

Tätä... http://www.arcelormittal.com/stainlesseurope/applications-gallery.html 7

...mutta myös tätä 8

...ja myös tätä 9

yleistä 10

yleistä 11

yleistä 12

yleistä 13

yleisimmät materiaalistandardit 14

15

16

SFS-ISO EN 10088-1 standardissa ruostumattomat teräkset luokitellaan kolmeen pääryhmään korroosionkestävät teräkset (18 eri standardia) tulenkestävät teräkset (2 eri standardia) kuumalujat teräkset (5 eri standardia) nämä luokitellaan edelleen seuraavien periaatteiden mukaan ominaisuuksien mukaan, materiaalistandardien laatimiseksi mikrorakenteensa mukaan, standardien taulukoiden laatimiseksi pääseosaineidensa mukaan, teräslajien luokittelemiseksi taulukoissa. 17

18

19

Nimikkeet SFS-EN 10027-2 mukaan 1.40xx teräslajeille, joissa Ni < 2,5 %, ilman molybdeenia, ilman erityisiä seosaineita 1.41xx teräslajeille, joissa Ni < 2,5 %, molybdeeniseostettu, ilman erityisiä seosaineita 1.43xx teräslajeille, joissa Ni 2,5 %, ilman molybdeenia, ilman erityisiä seosaineita 1.44xx teräslajeille, joissa Ni 2,5 %, molybdeeniseostettu, ilman erityisiä seosaineita 1.45xx ja 1.46xx teräslajeille, joihin on lisätty erityisiä seosaineita, kuten Ti, Nb tai Cu. 1.47xx teräslajeille, joissa Ni < 2,5 % 1.48xx teräslajeille, joissa Ni 2,5 %. 20

Luokittelu ominaisuuksien mukaan Korroosionkestävät teräkset kestävät hyvin ympäristöstä aiheutuvaa yleistä tai paikallista korroosiota. Tulenkestävät teräkset, ovat yleensä ferriittisiä tai austeniittisia teräksiä, jotka kestävät hyvin hapettumista ja kuumien kaasujen sekä palamistuotteiden vaikutuksia yli 550 C lämpötiloissa. Kuumalujat teräkset ovat yleensä martensiittisia ja austeniittisia ja niiden virumiskestävyys on hyvä pitkäaikaisessa mekaanisessa rasituksessa yli 500 C lämpötiloissa. 21

Luokittelu mikrorakenteen mukaan Ferriittiset teräkset Ferriitin (alfa-rauta, α-fe) kiderakenne on tilakeskinen kuutiollinen (tkk). Ferriitti on magneettinen ja hauras tietyn transitiolämpötilan alapuolella. Deltaferriitti (δ) on jähmettymisen aikana syntyvä jäännösfaasi, jonka rakenne on tilakeskinen kuutiollinen ja sen ominaisuudet ovat ferriitin kaltaiset. Ferriittisiä teräksiä hehkutetaan lämpötila-alueella 750...950 C austeniitin muodostumisen välttämiseksi. Lämpökäsittelyt korkeammissa lämpötiloissa voivat aiheuttaa austeniitin muodostumista, joka muuttuu jäähtyessään martensiitiksi ja voi myös aiheuttaa raekoon kasvusta johtuvaa haurastumista. 22

Luokittelu mikrorakenteen mukaan Martensiittiset teräkset Martensiitti muodostuu austeniitista lämpökäsittelyn aikana tai kylmämuokattaessa. Martensiitin lujuus on suuri ja se on magneettinen. Lämpötiloissa 900...1000 C näiden terästen rakenne on austeniittinen, johon liukenee runsaasti hiiltä. Jäähtyessään austeniitti muuttuu hiiliylikylläiseksi liuokseksi, jonka rakenne on tilakeskinen α'-matriisi, eli martensiitti, joka on stabiili huoneenlämpötilaan asti. 23

Luokittelu mikrorakenteen mukaan Erkautuskarkenevat teräkset Liuotushehkutuksen ja karkaisun jälkeen martensiitista erkautuvat metallienväliset yhdisteet, kuten karbidit, nitridit tai kuparifaasi, lisäävät teräksen lujuutta. Lämpökäsittelyolosuhteet on säädettävä haluttujen mekaanisten ominaisuuksien ja valmistajalta saatavien ohjeiden mukaiseksi. Esimerkkejä ovat teräslajit 1.4568, 1.4542 ja 1.4594. 24

Luokittelu mikrorakenteen mukaan Austeniittiset teräkset Austeniitilla (gamma-rauta, γ-fe) on pintakeskinen kuutiollinen kiderakenne. Austeniitti ei ole magneettinen ja se on sitkeää laajalla alueella, kryogeenisistä lämpötiloista virumislämpötiloihin. Austeniitilla ei ole haurasmurtumataipumusta. Murtolujuus on suuri matalissa lämpötiloissa. Austeniittisia teräksiä voidaan muokkauslujittaa erittäin lujiksi kylmämuokkaamalla. Austeniittisen rakenteen stabiilisuus riippuu seosaineiden määrästä. Teräslajeilla, joiden seosainepitoisuus on matala, rakenne voi muuttua martensiitiksi plastisen muodonmuutoksen aikana ja/tai matalaan lämpötilaan jäähdytettäessä. 25

Luokittelu mikrorakenteen mukaan Austeniittis-ferriittiset (duplex) teräkset Näillä teräksillä on kaksifaasirakenne, jonka ferriittipitoisuus on 30...50 %. Terästen lujuudet ovat suurempia kuin austeniittisilla teräksillä, joten niiden kylmämuokkauksessa vaaditaan suuria voimia. Näillä teräksillä on hyvä jännityskorroosionkestävyys. Sigmafaasi ja muut sitkeyttä ja korroosionkestävyyttä heikentävät faasit voivat muodostua nopeasti lämpötilaalueella 600...900 C, pääasiassa ferriitistä. Siksi teräkset on kuumamuokattava tämän lämpötila-alueen yläpuolella ja jäähdytettävä nopeasti. Hitsit tulisi jäähdyttää nopeasti lämpötila-alueen ohi. 26

Stainless steel - fastest growing metal by demand 27

Global steel production 2003 28

käyttö Muut 3 % Energia ja kemian teollisuus 14 % Auto- ja kuljetusteollisuus 12 % Catering ja kotitalouskoneet 34 % Rakentaminen 17 % Muu prosessiteollisuus 20 % Kuva 1. Ruostumattoman teräksen käyttö maailmassa sektoreittain (ennen 2009), % ( SMR) http://www3.tokem.fi/kirjasto/tiedostot/b_9_2011.pdf

jatkojalostus Maakunta kpl osuus Uusimaa 35 16,7 % Pirkanmaa 24 11,5 % Varsinais-Suomi 22 10,5 % Päijät-Häme 17 8,1 % Satakunta 14 6,7 % Keski-Suomi 13 6,2 % Pohjois-Pohjanmaa 12 5,7 % Etelä-Pohjanmaa 10 4,8 % Etelä-Savo 10 4,8 % Kanta-Häme 10 4,8 % Pohjanmaa 9 4,3 % Etelä-Karjala 8 3,8 % Kymenlaakso 8 3,8 % Lappi 6 2,9 % Keski-Pohjanmaa 4 1,9 % Pohjois-Karjala 3 1,4 % Pohjois-Savo 3 1,4 % Kainuu 1 0,5 % Yhteensä 209 http://www3.tokem.fi/kirjasto/tiedostot/b_9_2011.pdf

Ruostumatonta terästä jatkojalostavien pkyritysten jakautuminen - kartoituksessa n=209 31

ruostumattoman teräksen hinta World prices for CR 1.4301 sheet - nominal period averages 7 300 6 300 US$/tonne 5 300 4 300 3 300 2 300 1 300 300 2004Q1 2004Q3 2005Q1 2005Q3 2006Q1 2006Q3 2007Q1 2007Q3 2008Q1 2008Q3 2009Q1 2009Q3 2010Q1 USA Germany Hong Kong import 2010Q3 2011Q1f US$/tonne 7 300 6 300 5 300 4 300 3 300 2 300 1 300 300 World prices for CR 1.4016 sheet - nominal period averages 2004Q1 2004Q3 2005Q1 2005Q3 2006Q1 2006Q3 2007Q1 2007Q3 2008Q1 2008Q3 2009Q1 2009Q3 2010Q1 USA Germany Hong Kong import 2010Q3 2011Q1f 32

lujuus virheettömälle kiteelle teoreettisesti laskettu lujuus on n. 100 10 000 kertaa suurempi kuin todellisuudessa mitatut arvot ero johtuu siitä, että todellisissa kiteissä on aina hilavirheitä, jotka heikentävät materiaalin lujuutta erotellaan: pistemäiset hilavirheet; vakanssit, välisija-atomit, korvaussija-atomit yksiulotteiset hilavirheet; dislokaatiot kaksiulotteiset hilaviat; raerajat, pinousviat kolmiulotteiset hilaviat; vakanssien ja vieraiden atomien kertymät 33

metallisten materiaalien lujuuksia R p0.2 = 350 MPa A = 1 cm 2 = 100 mm 2 s = F/A F = 350 N/mm 2 x 100 mm 2 = 35000 N m = 35000 kgm 2 /s 2 / 9,81 m 2 /s 2 = 3567,8 kg 34

metallisten materiaalien lujuuksia hiiliteräkset R eh /R p 170 MPa (IF teräkset) 700 MPa (TM-valssatut nauhat) 960-1500 MPa (AHSS, suorakarkaistut) ruostumattomat teräkset, levyt ja nauhat, R p0.2 210 MPa (EN 1.4301) austeniittinen rst (Fe Cr - Ni) 220 MPa (EN 1.4404) haponkestävä rst (Mo-seostus) 260 MPa (EN 1.4016) ferriittinen rst (Fe Cr) 390 MPa (EN 1.4420) austeniittinen rst (Fe Cr Ni Mo - N) 550 MPa (EN 1.4410) duplex rst (Fe Cr Ni Mo - N) alumiini R p 50 MPa (99,996% Al) 220 MPa (Al-Zn seokset, lämpökäsiteltynä) >700 MPa (Al Zn Mg Cu seokset) 35

hiiliterästen lujuuksia 36

rst lujuuksia 80 70 std g (Mo alloyed) High performance g murtovenymä [%] 60 50 40 30 20 std g std a duplex Mart. 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 myötölujuus [MPa] 37

muokkauslujittuminen plastisessa muodonmuutoksessa pätee s = K x e n (Hollomon) s = s 0 + K x e n (Ludwik) n on muokkauslujittumiseksponentti ja K 500 450 400 350 Stress [MPa] 300 250 200 150 100 50 0.05%C teräs puhdas kupari 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 strain 38

muokkauslujittuminen Taulukko. Jännitys venymämalleja. (Hertelẻ ym. 2011, 520) Ludwik (1909) Ramberg-Osgood (1943) Hollomon (1945) Voce (1948) Swift (1952) Ludwigson (1971) Kauppi T., ym. Ohutlevylehti 2/2012. s. 36-42. 39

muokkauslujittuminen Kauppi T., ym. Ohutlevylehti 2/2012. s. 36-42.

tkk, hiiliteräs Huom! 40% reduktio -> Rp = 345 MPa (50 ksi) From Materials Science, by John Russ 41

pkk, aust. ruostumaton teräs 1800 1600 Huom! 40% reduktio -> Rp = 1100 MPa 100 90 lujuus N/mm2 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 kyva reduktio % venymä % 42

venytysmuovaus a vaaditaan muokkauslujittumista g 43

hitsattavuus hitsausstandardi SFS EN 1011-3 standardi antaa yleiset suositukset ruostumattomien terästen sulahitsaukseen standardin liitteet A...D antavat lisätietoja koskien austeniittisia, austeniittis-ferriittisiä, ferriittisiä ja martensiittisia ruostumattomia teräksiä yleisessä osassa käsitellään kaikille ruostumattomille teräksille yhteisiä asioita määritelmät perusaineiden käsittely ja varastointi hitsausaineet jne. 44

hitsattavuus (g rst) Hitsattavuuden ja hitsauksen kannalta on tarpeen ryhmitellä yleisimmät austeniittiset teräkset kahteen pääryhmään: Austeniittiset vakioteräkset: austeniittiset teräkset, joiden mikrorakenne (myös hitsiaineiden) on austeniittinen yhdessä pienen määrän ferriittiä kanssa Austeniittiset erikoisteräkset: täysausteniittiset teräkset, joiden (myös hitsiaineiden) mikrorakenne on täysin austeniittinen ilman ferriittiä www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 45

hitsattavuus (g rst) Fysikaaliset ominaisuudet, jotka poikkeavat paljon seostamattomien terästen arvoista: magneettisuus, lämmönjohtavuus, lämpölaajeneminen, sähköinen ominaisvastus ja sulamislämpötila-alue, taulukko 4. www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 46

hitsattavuus (g rst) Austeniittisen teräksen epämagneettisuus ei vaikuta paljoakaan hitsaukseen. Magneetin avulla on toki helppo tunnistaa austeniittinen teräs muista teräksistä. Austeniittinen teräs johtaa lämpöä huomattavasti huonommin kuin seostamaton teräs, mikä hidastaa hitsin jäähtymistä ja voi lisätä herkistymisvaaraa sekä vetelyitä. Lämpölaajenemiskerroin on 50 % suurempi, mikä lisää vetelyitä hitsauksessa. Tästä syystä osien sovitukset ja silloitukset on tehtävä huolellisemmin ja tiheämpään. Noin viisi kertaa suurempi ominaisvastus nopeutta lisäaineen sulamista, jolloin se sulaa nopeammin samalla virralla kuin seostamaton lisäaine. www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 47

hitsattavuus (g rst) Akkulaatikko hitsattuna käsin TIG:llä, JaloteräsStudio, Tornio, 2010 Akkulaatikko hitsattuna robottilaserilla, JaloteräsStudio, Tornio, 2010 48

hitsattavuus (g rst) www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 49

ferriitti hitsiaineessa (g rst) Tunnetuin ja tärkein ferriitin vaikutuksista on sen kuumahalkeilua estävä vaikutus. Useimmat austeniittiset hitsiaineet sisältävät pienen määrän ferriittiä. Lisäaineet/hitsiaineet voidaan luokitella ferriittipitoisuuden FN (Ferrite Number, ferriittiluku) perusteella karkeasti esimerkiksi seuraavasti: täysausteniittinen FN < 0,1 austeniittinen + hyvin vähän ferriittiä FN < 4 austeniittinen + vähän ferriittiä FN 3-15 austeniittinen + melko paljon ferriittiä FN 15-40 austeniittinen + paljon ferriittiä FN 30-70 www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 50

ferriitti hitsiaineessa (g rst) Hitsiaineen ferriittipitoisuus voidaan määrittää erilaisten ferriittidiagrammien, ns. Schaeffler-diagrammien avulla, mittaamalla magneettisilla mittalaitteilla tai metallografisesti mikroskoopissa. Ferriittidiagrammeja on viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana kehitetty monia erilaisia: Schaeffler-diagrammi, 1949 Bystram-diagrammi, 1956 DeLong-diagrammi, 1973 WRC-diagrammi, 1992 www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 51

Schaeffler diagrammi www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 52

ferriittidiagrammit (g rst) www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 53

herkistyminen Herkistyminen ja raerajakorroosio ovat perinteellisiä perusasioita ruostumattoman teräksen hitsauksen yhteydessä. Aikoinaan ne olivatkin ongelma, koska teräksen valmistus ei ollut niin kehittynyt kuin nykyään (C pitoisuudet olivat korkeampia). Herkistymiseksi sanotaan ilmiötä, jossa teräs tulee taipuvaiseksi raerajakorroosiolle. Teräksen herkistymistä voi tapahtua kuumennuksen aikana lämpötila-alueella 550-850 C, kuva 40. www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 54

herkistyminen www.promaint.net/downloader.asp?id=75&type=1 55

raerajakorroosio T. Kauppi, luennot, RST, valmistus, ominaisuudet. Metallurgiaa 2011: KORROOSIO 56

http://www.corrosionclinic.com/types_of_corrosion/intergranular_corrosion_cracking.htm 57

Raerajakorroosio testaus EN 1.4548 teräs, hitsattu 310 tyypin lisäaineella Syövytys 39% HNO 3 Syövytys 8% Oksaalihappo. 58

Raerajakorroosio testaus EN 1.4548 teräs, HAZ Cr 23 C 6 Syövytys 8% Oksaalihappo. 59

Herkistyminen EN 1.4835 teräs 800 253MA ei herkistymistä osittain herkistynyt herkistynyt 700 lämpötila [ C] 600 500 400 1 10 100 1000 aika [h] 60

Stabilointi

hitsattavuus (a rst) Mikrorakenne on joko ferriittinen (täysin ferriittiset teräkset) tai ferriittinen yhdessä pienen määrän martensiittia kanssa (puoliferriittiset teräkset). Täysin ferriittinen rakenne on altis rakeenkasvulle lämpötiloissa yli 950 C. Tästä on seurauksena alentunut sitkeys mm. hitsausliitoksessa. Raekoon hienontaminen ja sitkeyden palauttaminen ei ole mahdollista lämpökäsittelyllä. Rakeenkasvu on pienempää stabiloiduissa ferriittisissä ruostumattomissa teräksissä ja pienintä puoliferriittisissä ruostumattomissa teräksissä. SFS EN 1011-3, LIITE B, opastava 62

hitsattavuus (a rst) Yleensä suositaan austeniittisia lisäaineita perusainetta vastaavien lisäaineiden sijaan austeniittisen hitsiaineen suuremman sitkeyden takia. Riittävän korroosionkestävyyden varmistamiseksi kromipitoisuus hitsiaineessa ei saa olla matalampi kuin perusaineessa. Jos käyttöolosuhteissa on rikkiä, niin ympäristön kanssa kosketuksissa olevat palot pitäisi hitsata ferriittisellä tai ferriittis-austeniittisella lisäaineella. SFS EN 1011-3, LIITE B, opastava 63

hitsattavuus (a rst) Ferriittiset ruostumattomat teräkset ovat alttiita raerajakorroosiolle, jos herkistymistä ei estetä käyttämällä erittäin matalahiilisiä ja -typpisiä tai stabiloituja (titaani-, niobi-/tanttaali- tai zirkoniumstabilointi) teräksiä tahi tekemällä lämpökäsittely lämpötiloissa 750...800 C hitsauksen jälkeen. Seosaineiden diffuusio on monta kertaa nopeampaa kuin austeniittisissa teräksissä! SFS EN 1011-3, LIITE B, opastava 64

hitsattavuus (a rst) 1.4003 1.4016 65

hitsattavuus (a rst) 1.4509 66

1.4003 lämmöntuonnin vaikutus 0.149kJ/mm 0.346kJ/mm 67

1.4003 lämmöntuonnin vaikutus 500 0.149kJ/mm 400 True stress in N/mm² 300 200 100 0 0.346kJ/mm 0 10 20 30 Strain in %

1.4016 lämmöntuonnin vaikutus 0.151kJ/mm 0.335kJ/mm 69

1.4016 lämmöntuonnin vaikutus 0.151kJ/mm 0.335kJ/mm 70

1.4016 lämmöntuonnin vaikutus 600 0.151kJ/mm 400 True stress in N/mm² 200 0.335kJ/mm 0 0 10 20 30 Strain in %

iskusitkeys iskuenergia [J/cm2] 160 140 120 100 80 60 40 1.4003, 0.149kJ/mm 1.4003, 0.346kJ/mm 1.4016, 0.151kJ/mm 1.4016, 0.355kJ/mm 1.4016, perusaine 1.4003, perusaine 20 0-50 -40-30 -20-10 0 10 20 30 lämpötila [ C]

laserhitsi EN 1.4016 270 250 TIG kovuus [HV5] 230 210 190 170 150-3 -2-1 0 1 2 3 4 etäisyys hitsin keskilinjasta [mm]

herkistyminen A 1 lämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa tapahtuu a -> g faasimuutos ja tällöin C+N atomeja diffuntoituu syntyneille austeniittialueilla austeniitin hajaantuessa tapahtuu lämpötilan laskiessa 800 > 400 C varsinkin raerajoilla Cr 23 C 6 ja CrN - erkautu-mista ja tämä johtaa herkistymiseen karbidien erkautuminen on huomattavasti nopeampaa kuin austeniittisissa laaduissa, koska Cr,C ja N diffuusionopeus on n. Kymmenkertainen C ja N liukoisuus ferriittiin on huomattavasti pienempi kuin austeniittiin 74

herkistyminen 75

herkistyminen 76

eri faaseja / austeniittinen rst g d MC Cr 2 N M 23 C 6 M 6 C a (e) h s c 77

metallien väliset faasit Sigma faasi seokset jotka rakentuvat VIII ryhmän metalleille kuten Mn, Fe, Co, Ni ja sisältävät Ti, Cr tai V voivat muodostaa useita erilaisia metallien välisiä faaseja s on kova ja hauras metallien välinen yhdiste (FeCr) EN 1.4401 teräksessä koostumus on Fe44%Cr29,2%Mo8,3% esiintyy lähinnä korkea Cr ja Ni seosteisissa (esim. AISI 310) 78

metallien väliset faasit Sigma faasi seokset jotka rakentuvat VIII ryhmän metalleille kuten Mn, Fe, Co, Ni ja sisältävät Ti, Cr tai V voivat muodostaa useita erilaisia metallien välisiä faaseja s on kova ja hauras metallien välinen yhdiste (FeCr) EN 1.4401 teräksessä koostumus on Fe44%Cr29,2%Mo8,3% esiintyy lähinnä korkea Cr ja Ni seosteisissa (esim. AISI 310) 79

eri faaseja (g rst) 80

eri faaseja (g rst) 81

eri faaseja (g rst) 20Cr-32Ni-Nb toimitustilainen materiaali vanhennettu 100h / 875 C 17.11.2015 Timo Kauppi

Ja tämänkin luennon teille tarjosi: