Kon-67.3110 Harjoitus 8: Ruostumattomat teräkset Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto
EN AISI/SAE Tyyppi 1.4021 1.4301 1.4401 1.4460 304L 201 316LN 321H
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 1.4021 420 1.4301 301 1.4306 304L 1.4372 201 1.4401 316 1.4406 316LN 1.4460 329 1.4878 321H Timo Kiesi 23.4.2013 8
Duplex Austenittiset Ferriittiset EN ja AISI/SAE tunnusten vastaavuuksia ruostumattomille teräksille 1.4372 201 1.4373 202 1.4310 301 301L 1.4318 301LN 1.4305 303 1.4301 304 1.4311 304LN 1.4948 304H 1.4307 / 1.4306 304L 304N 1.4833 309S 1.4845 310S 1.4841 314 1.4401 / 1.4436 316 1.4404 / 1.4435 / 1.4432 316L 1.4406 / 1.4429 316LN 1.4571 316Ti 316N 316H 1.4438 317L 1.4434 317LN 1.4541 321 1.4878 321H 1.4550 347 347H 1.4466 310MoLN 1.4539 904L 1.4864 330 1.4002 405 1.4512 409 1.4000 410S 1.4016 430 1.4113 434 1.4510 439 1.4521 444 1.4526 436 1.4749 446 1.4006 410 Martensiittiset 1.4021 / 1.4028 / 1.4031 420 / 1.4034 PH-laadut 1.4542 630 1.4568 631 1.4162 2101* 1.4362 2304* 1.4462 2205* 1.4410 2507* 1.4507 255* * Ei AISI/SAE tunnuksia (SAF) Timo Kiesi 23.4.2013 9
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 0,00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Cr-pitoisuus (%)
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.
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)
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)
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)
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
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)
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
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
Duplex ruostumattomat teräkset AISI 410 12% 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)
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: 500-600 C
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.
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)
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
EN vs AISI/SAE tunnukset EN AISI/SAE PREn %Cr + 3, 3%Mo + 1.4021 420 13 1.4301 301 18,5 1.4306 304L 19 1.4372 210 17 1.4401 316 25 1.4406 316LN 28 1.4460 329 34 1.4878 321H 18 Vertailun vuoksi: EN 4845 / AISI 310S: 26 EN 1.4539 / AISI 904L: 36 Timo Kiesi 23.4.2013 24
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).
Tehtävä 2. Lasketaan Cr- ja Ni-ekvivalentit Cr ekv Ni ekv 1.4016 17 1 1.4021 13 6 1.4462 25 6 1.4310 17 10 1.4301 18 10 1.4401 19 11 1.4833 22 14
Tehtävä 2. 1.4833 1.4401 1.4301 1.4310 1.4462 1.4021 1.4016
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.
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
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. 1.4301 2F
Tehtävä 5. 1.4318 2H C850 1.4318= 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)
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.
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
Uudet ultralujat teräkset austeniittiset vaihtoehdot? Matalalujuuksiset teräkset (<200 Mpa) Lujat teräkset Ultralujat teräkset (> 550 Mpa) 60 50 IF Austeniittiset teräkset (myös rst) Murtovenymä (%) 40 30 20 10 IS BH IS C-Mn Perinteiset lujat teräkset HSLA TRIP DP AHSS Martensiittiset 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Murtolujuus (MPa)
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.
Lohkohauraus (ferriittiset rst) 1) %Cr kasvaa 2) Transitiolämpötila nousee 3) Iskusitkeys laskee
Sigmahauraus (ferriittiset rst) Hauras sigmafaasi
Sigmahauraus (ferriittiset rst) Haurasta sigma-faasia erkautuneen raerajoilla
Rakeenkasvuhauraus (ferriittiset rst) Ti ja Ni seostus hidastavat rakeenkasvua 1) Raekoko kasvaa 2) Hauraita faaseja raerajoilla Sitkeys laskee hehkutettaessa korkeissa lämpötiloissa
475 C hauraus (ferriittiset rst) Hehkutettaessa 400-550 C a faasin erkautuminen Sitkeyden ja erityisesti iskusitkeyden merkittävä laskeminen
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.
Haurausalueet Sheffler-diagrammissa Esimerkiksi eriparihitsaus, lisäaineen valinta Ns. Bystramin kolmio turvallinen alue eriparihitsilisäaineen koostumukselle
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.
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
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.
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.