RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET: tuoteominaisuudet ja materiaalinvalinta
RUOSTUMATTOMATON TERÄS, perusominaisuudet 27/09/16 2
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
GD-OES mittaustuloksia (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy) Oksidikerroksen paksuus [nm] Lähde: Material Science Forum Vol. 762 (2013) pp. 734-740 Corrosion Resistance of Welds in 21% Ferritic Stainless Steels Is It Comparable to Type 304L? S. Anttila & H-P Heikkinen 27/09/16 4
Ruostumaton teräs Ruostumattomat teräkset luokitellaan niiden kiderakenteen perusteella Austeniittiset (γ) Ferriittiset (α) Duplex (austeniittis-ferriittiset) Martensiittiset 27/09/16 5
Kromi- ja nikkeliseostuksen vaikutus teräksen kiderakenteeseen Lähde: Nichtrostende Stähle, 1989 27/09/16 6
Kiderakenne vs. koostumus Nikkeli-ekvivalentti = Ni + 0.5 Mn + 30 (C + N) + 0.5 (Cu + Co) 20 10 A+M Martensitic Austenitic A+F+M Austentic-ferritic (duplex) F+M 0 0 10 20 30 Kromiekvivalentti = Cr + 1.5 Si + 2 Mo + 2 Ti + 0.5 Nb Ferritic 27/09/16 7
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
Mekaaniset ominaisuudet 60 50 Ruostumattomilla teräksillä on myös erinomaiset lujuus- ja sitkeysominaisuudet! Venymä (%) 40 30 20 10 200 400 600 800 Myötölujuus (MPa) 1000 1200 1400 27/09/16 9
Korroosionkestävyys, austeniittiset vs. ferriittiset teräkset Corrosion resistance 4003 11% Cr 304 18% Cr 8% Ni 430 16.5% Cr 441 18% Cr Ti+Nb 316 17% Cr 10% Ni 2% Mo 444 18% Cr 2% Mo Ti+Nb Pitting resistance equivalent (PRE) PRE = %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N 27/09/16 10
Ruostumattomien terästen yleisimmät materiaalistandardit Eurooppalaisessa ruostumattomien terästen materiaalistandardissa EN 10088-1 on esitetty yli 130 eri teräslajia. Eurooppalaisia EN-standardeja o o o o SFS-EN 10088-1:2014, ruostumattomien terästen luettelo SFS-EN 10088-2:2014, nauha- ja levytuotteet yleiseen käyttöön SFS-EN 10088-4:2009, nauha- ja levytuotteet rakennuskäyttöön SFS-EN 10028-7:2007, 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
RUOSTUMATTOMATTOMAN TERÄKSEN KÄYTTÖ 27/09/16 12
Kromimalmista ja kierrätysteräksestä teräsnauhaksi ja levyksi 27/09/16 13
ja edelleen lopputuotteiksi rajattomat mahdollisuudet 14
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
Ruostumattomien terästen yleisimmät materiaalistandardit Eurooppalaisessa ruostumattomien terästen materiaalistandardissa EN 10088-1 on esitetty yli 130 eri teräslajia. Eurooppalaisia EN-standardeja o o o o SFS-EN 10088-1:2014, ruostumattomien terästen luettelo SFS-EN 10088-2:2014, nauha- ja levytuotteet yleiseen käyttöön SFS-EN 10088-4:2009, nauha- ja levytuotteet rakennuskäyttöön SFS-EN 10028-7:2007, 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
Yleisimpiä ruostumattomia teräksiä EN 10088-2 C % max. Cr % Ni % Mo % Muut % R p0,2 N/mm 2 kuvaus Huom. Lujuudet ovat kylmävalssatuille tuotteille. A 1.4301 0,07 18 8 - - 230 ruostumaton yleisteräs A 1.4307 0,03 18 8,5 - - 220 niukkahiilinen ruostumaton yleisteräs A 1.4318 0,03 17,6 6,5 - N 350 CrNiN 18-7 -rakenneteräs A 1.4372 0,15 17 4,5 - Mn, N 350 mangaaniseosteinen ruostumaton teräs A 1.4404 0,03 17 10,5 2-240 Mo-seostettu haponkestävä teräs A 1.4432 0,03 17 11 2,5-240 haponkestävä teräs, Mo min. 2,5 % A 1.4835 0,09 21 11 - Si, Ce 240 tulenkestävä teräs, 253 MA A 1.4539 0,02 20 24 4,5 Cu 240 runsasseosteinen, mm. kemianteollis. A 1.4547 0,02 20 18 6 Cu, N 320 ns. valtameriteräs, esim. 254 SMO F 1.4003 0,03 11 0,5 - - 280 12-krominen rakenneteräs F 1.4512 0,03 11 - - Ti 220 pakoputkiteräs F 1.4016 0,05 17 - - Ti 240 17-krominen yleisteräs (1.4510 Ti-seost.) F 1.4521 0,025 17-2 Ti 300 kuumavesivaraajateräs D 1.4462 0,03 22 5,5 3 N 480 keskiseosteinen duplex D 1.4162 0,04 21 1,5 0,1 Mn, N 480 niukkaseosteinen duplex, esim. LDX 2101 M 1.4034 0,5 13 - - - - ruostumaton terämateriaali M 1.4313 0,05 13 4 0,5 N 650 turbiiniteräs 17
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 2010 18
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
Suurimpien teräslajiryhmien markkinaosuudet ja ruostumattoman teräksen hintakehitys Nikkelin korkea hinta vaikutti voimakkaasti markkinaosuuksiin Lähde: ISSF Annual Review 2011 27/09/16 20
ISSF Book of New Applications Statistics on steel grades mentioned in the publication 45 40 35 30 25 20 15 2006 2007 2009 10 5 0 CrNi 304 CrNi 301 CrNiMo 316 CrMn 200 Cr 400 Duplex Others 27/09/16 21
MATERIAALINVALINTAA 27/09/16 22
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
Fysikaalisten ominaisuuksien vertailu Pituuden lämpötilakertoimia Austeniittisten teräkset eivät ole ferromagneettisia. Sulamispiste on 1400 1450ºC. Hiiliterästen sulamispiste on noin 1500ºC. Sähköisiä ominaisvastuksia Lämmönjohtavuuksia 27/09/16 24
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 220...350 N/mm 2 o erittäin lujaa kylmämuokatussa tilassa, kuten lujitusvalssattuna ü laaja käyttölämpötila-alue (-200 o C...+800 o C) o o hyvä lujuus ja hapettumisen kestävyys korkeissa lämpötiloissa hyvä sitkeys matalissa lämpötiloissa myös hitsatuilla rakenteilla 27/09/16 25
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 1.4301 / 304 1.4318 / 301LN 1.4372 / 201 1.4597 / 204Cu 1.4016 / 430 1.4512 / 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
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
Materiaalintaa esim. muovauskohteisiin CrMn-teräkset, ns. 200-sarja EN 1.4372 AISI 201 EN 1.4618 201Cu EN 1.4597 204Cu Uudet seokset Yleisrosteri 1.4301 AISI 304 EN 1.4016 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 1.4509 AISI 441 Ferriittiset teräkset, ns. 400-sarja EN 1.4521 AISI 444 > 20% Cr -teräkset ja tietysti korroosionkestävyys 27/09/16 28
Ruostumattomien terästen lujuus ja korroosion kestävyys Myötölujuus +CP700 Lujitusvalssatut austeniittiset ruostumattomat teräkset (lujuusluokkaan +CP1100 asti) 1.4318 1.4372 1.4301 +CP500 LDX 2101 SAF2304 2205 1.4404 904L SAF2507 254SMO Duplex kaksifaasiset ruostumattomat teräkset Austeniittiset ruostumattomat teräkset Korroosionkestävyys 27/09/16 29
Ruostumattoman teräksen pinta Pinta-ominaisuudet ovat ruostumattoman teräksen käytön yksi avaintekijä Säilyy muuttumattomana pitkän ajanjakson
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 10088-2:1995 ja ASTM A 480-01 27/09/16 31
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
Ruostumattoman teräksen heijastuvuus Walt Disney concert hall, los angeles; designed by Frank Gehry (2003) http://wikipedia.org 27/09/16 33
OUTOKUMMUN TUOTEPERHEET JA TUOTERYHMÄT 27/09/16 34
8.10.2015 35
Tuoteryhmä Käyttötarkoitus Classic Moda Core Ruostumattomat yleisteräkset lievästi syövyttäviin olosuhteisiin. PRE alle 17. Ruostumattomat yleisteräkset syövyttäviin olosuhteisiin. PRE 17-22. Supra Haponkestävät yleisteräkset voimakkaasti syövyttäviin olosuhteisiin. PRE 22 27. Pro Forta Lujat ruostumattomat teräkset. Mahdollistavat rakenteiden ohentamisen ja keventämisen. Myötölujuus R po.2 > 400 MPa. PRE 18-43. 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. 8.10.2015 36
Lujuus vs. korroosio-ominaisuudet 8.10.2015 37
Murtovenymä vs. korroosio-ominaisuudet 8.10.2015 38
Esimerkki: Classic tuoteperhe, Core tuoteryhmä 8.10.2015 39
40
Eri kohteisiin erilaisia pintoja 41 25.11.2008 Tero Taulavuori - Tornion tutkimuskeskus 41 February 12, 2010 Seppo Lantto, Tero Taulavuori