Útmutató a nagy teljesítményű ausztenites rozsdamentes acélhoz -- Kohászati áttekintés
Feb 02, 2023
1. A rozsdamentes acél fajtái
A rozsdamentes acél egy vasalapú ötvözet, amelynek krómtartalma nem kevesebb, mint 10,5%. Jó korrózióállósága és magas hőmérsékleti teljesítménye miatt széles körben használják. Amikor a krómtartalom eléri a 10,5 százalékot, az acél felületén krómban gazdag oxidréteg képződik, amelyet passzivációs rétegnek vagy passzivációs filmnek nevezünk. Ez a fólia védi a rozsdamentes acélt a rozsdásodástól, mint a közönséges acél. Sokféle rozsdamentes acél létezik, de minden rozsdamentes acélnak meg kell felelnie a minimális krómtartalom követelményének.
A rozsdamentes acél öt kategóriába sorolható: ausztenites rozsdamentes acél, ferrites rozsdamentes acél, duplex rozsdamentes acél (ferrit és ausztenit vegyes szerkezetével), martenzites rozsdamentes acél és csapadékedzésű rozsdamentes acél. E kategóriák besorolása a rozsdamentes acél kristályszerkezetével (atomelrendezésével) és hőkezelésével kapcsolatos. A fémben azonos kristályszerkezetű kristályok csoportját fázisnak nevezzük. A rozsdamentes acélnak három fő fázisa van: ausztenit, ferrit és martenzit. A rozsdamentes acél metallográfiai szerkezetének típusa és mennyisége szabványos metallográfiai vizsgálati eljárással és optikai metallográfiai mikroszkóppal határozható meg.
Az ausztenites rozsdamentes acél jellemzője, hogy a metallográfiai szerkezet főként ausztenites. Az ausztenit fázis kristályszerkezete felületközpontú köbös (fcc) szerkezet, azaz a kocka minden lapjának minden sarkában és középpontjában egy atom található. Ezzel szemben a ferrit fázis kristályszerkezete testközpontú köbös (bcc) szerkezet, a kocka sarkaiban és középpontjában egy atom található. A martenzit fázis kristályszerkezete nagy feszültségű testközpontú tetragonális szerkezet.
Az ausztenit fázis kristályszerkezete felületközpontú köbös (fcc) rács, a ferrit fázis testközpontú köbös (bcc) rács, a martenzit fázis pedig testközpontú tetragonális (bct) rács.
1.1 Ausztenites rozsdamentes acél:
Az ausztenites rozsdamentes acélnak nincs mágnesessége, közepes folyáshatára, magas keményedési sebessége, nagy szakítószilárdsága, jó plaszticitása és kiváló alacsony hőmérsékleti szívóssága. Más rozsdamentes acéloktól eltérően az ausztenites rozsdamentes acélok szívóssága a hőmérséklet csökkenésével lassan csökken. Az ausztenites rozsdamentes acélnak nincs határozott képlékeny-brittle átmeneti hőmérséklete (DBTT), így ideális anyag alacsony hőmérsékletű alkalmazásokhoz.
Ausztenites, ferrites és duplex (ausztenites-ferrites) rozsdamentes acél képlékeny-brittle átmeneti hőmérsékletének (DBTT) diagramja. A tényleges DBTT a metszet vastagságától, a kémiai összetételtől és a szemcsemérettől függ. A ferrites rozsdamentes acél DBTT-je általában 20 és - 30 °C közötti (70 és - 22 °F).
Az ausztenites rozsdamentes acél jó hegeszthetőségű, és különféle összetett formákká alakítható. Ez a sorozat rozsdamentes acél nem edzhető vagy erősíthető hőkezeléssel, de megerősíthető hidegalakítással vagy munkaedzéssel (lásd ASTM A666). Az ausztenites rozsdamentes acélnak, különösen a szabványos ausztenites rozsdamentes acélnak van egy potenciális hátránya, vagyis a ferrites rozsdamentes acélhoz és a duplex rozsdamentes acélhoz képest hajlamos a kloridos feszültségkorróziós repedésekre.
A 300-as sorozatú vagy szabványos ausztenites rozsdamentes acél általában 8–11 százalék nikkelt és 16–20 százalék krómot tartalmaz. A szabványos ausztenites rozsdamentes acél metallográfiai szerkezete főként ausztenites szemcsékből áll, és kis mennyiségű (általában 1-5 százalék) δ ferrit fázist tartalmaz (3. ábra). A ferritfázis jelenléte miatt ezek az ausztenites rozsdamentes acélok kis mágnesességgel rendelkeznek.
A kovácsolt 304L rozsdamentes acél tipikus metallográfiai szerkezete ausztenites szemcsékből és egyedi ferritcsíkokból áll © TMR Stainless.
A 300-as sorozatú rozsdamentes acélhoz képest a 200-as sorozatú ausztenites rozsdamentes acél alacsonyabb Ni-tartalommal, de magasabb Mn- és N-tartalommal rendelkezik. A 200-as sorozatú rozsdamentes acél szilárdsági és alakváltozási keménységi együtthatója magasabb, mint a 300-as sorozatú rozsdamentes acélé. Az alacsony nikkeltartalom miatt a 200-as sorozatú rozsdamentes acélt néha a 300-as sorozatú rozsdamentes acél olcsó helyettesítőjeként használják.
A nagy teljesítményű ausztenites rozsdamentes acél mikroszerkezete ferromágnesesség nélküli ausztenites fázis (4. ábra). A szabványos ausztenites rozsdamentes acélhoz képest a nagy teljesítményű ausztenites rozsdamentes acél több nikkelt, krómot és molibdén elemet tartalmaz, és általában nitrogént tartalmaz. Ezek a rozsdamentes acélok erős korrózióállósággal rendelkeznek olyan korrozív környezetben, mint az erős sav, erős lúg és magas kloridtartalmú közegek, beleértve a brakkvizet, a tengervizet és a sós vizet. A szabványos ausztenites rozsdamentes acélhoz képest a nagy teljesítményű ausztenites rozsdamentes acél nagyobb szilárdságú és jobban ellenáll a feszültségkorróziós repedéseknek.
Metallográfiai szerkezete 6 százalék Mo nagy teljesítményű ausztenites rozsdamentes acélból, minden ausztenites szemcsékből áll © TMR Stainless.
1.2 Ferrites rozsdamentes acél:
A ferrites rozsdamentes acél mikroszerkezete ferrit fázisú. A ferrites rozsdamentes acél alacsony vagy egyáltalán nem tartalmaz nikkelt, és ferromágneses. Hőkezeléssel nem keményíthető. Az ilyen típusú rozsdamentes acélok ferromágneses tulajdonságai hasonlóak a szénacélokéhoz. A ferrites rozsdamentes acél jó szilárdsággal rendelkezik, és a kloridfeszültség korróziós repedésekkel szembeni ellenállása sokkal jobb, mint a szabványos 300-as sorozatú ausztenites rozsdamentes acél. Az alakíthatóságuk és a hegeszthetőségük azonban gyenge. Szívósságuk nem olyan jó, mint az ausztenites rozsdamentes acélé, és a metszetvastagság növekedésével csökkenni fog. A hőmérséklet csökkenésével a ferrites rozsdamentes acél nyilvánvaló képlékeny-törékeny átmenetet mutat. E tényezők által korlátozva a ferrites rozsdamentes acél használata általában vékonyabb falvastagságú termékekre korlátozódik, például vékony lemezekre, szalagokra és vékonyfalú csövekre.
1.3 Duplex rozsdamentes acél:
A duplex rozsdamentes acél ferrit fázisból és ausztenit fázisból áll, amelyek mindegyike körülbelül a felét teszi ki. A duplex rozsdamentes acél számos ausztenites és ferrites rozsdamentes acél tulajdonsággal rendelkezik. Bár a hőkezelés nem edzi meg az ilyen acélokat, folyáshatáruk általában kétszerese a szabványos ausztenites rozsdamentes acélénak, és mágneses vonzásuk arányos a ferritfázis térfogatrészével. A duplex rozsdamentes acél metallográfiai szerkezetének duplex tulajdonsága miatt jobban ellenáll a feszültségkorróziós repedésekkel szemben, mint a szabványos ausztenites rozsdamentes acélé.
1.4 Martenzites rozsdamentes acél:
A martenzites rozsdamentes acél mikroszerkezete főként martenzit, amely tartalmazhat kis mennyiségű másodlagos fázist, mint például ferrit, ausztenit és karbid. A martenzites rozsdamentes acél ferromágneses és hasonló a szénacélhoz. A végső keménység az adott hőkezeléstől függ. A martenzites rozsdamentes acél nagy szilárdsággal, jó kopásállósággal, gyenge szívóssággal és magas képlékeny-törékeny átmeneti hőmérséklettel rendelkezik. Nehezen hegeszthetők, és általában hegesztés utáni hőkezelést igényelnek. Ezért a martenzites rozsdamentes acél általában nem hegesztési alkalmazásokra korlátozódik. A martenzites rozsdamentes acél krómtartalma nem túl magas. Egyes krómelemek karbidok formájában kicsapódnak, ami alacsony korrózióállóságot eredményez, általában alacsonyabb, mint a szabványos 304/304L ausztenites rozsdamentes acélé. Rossz szilárdsága és korrózióállósága miatt a martenzites rozsdamentes acélt általában nagy szilárdságot és keménységet igénylő alkalmazásokhoz, például szerszámokhoz, kötőelemekhez és tengelyekhez használják.
1.5 Csapadékban edzett rozsdamentes acél:
A csapadékkeményítésű (PH) rozsdamentes acél hőkezeléssel is megerősíthető. Ennek a rozsdamentes acéltípusnak az alapvető jellemzője, hogy részleges megerősítése csapadékos mechanizmussal történik. Finom intermetallikus csapadék keletkezik öregedő keményítési hőkezeléssel a szilárdság javítása érdekében. A magas krómtartalom miatt a csapadékedzésű rozsdamentes acél jobb korrózióállósággal rendelkezik, mint a martenzites rozsdamentes acél, és alkalmas nagy szilárdságú, jó korrózióállóságot igénylő alkalmazásokhoz. A csapadékban keményedő rozsdamentes acélt főként rugókhoz, kötőelemekhez, repülőgép-alkatrészekhez, tengelyekhez, fogaskerekekhez, légrugókhoz és sugárhajtómű-alkatrészekhez használják.
2. Fázis összetétele:
Az ötvözőelemek befolyásolják a fázisegyensúlyi viszonyt, és erősen befolyásolják az ausztenit, ferrit és martenzit fázisok stabilitását. A rozsdamentes acélhoz hozzáadott elemek ferrit fázisképző elemekre vagy ausztenit fázisképző elemekre oszthatók. A fázisegyensúly az acél kémiai összetételétől, hőkezelési hőmérsékletétől és hűtési sebességétől függ. A fázisegyensúly befolyásolja a korrózióállóságot, a szilárdságot, a szívósságot, a hegeszthetőséget és az alakíthatóságot.
A ferritképző elemek a ferritfázis, míg az ausztenitképző elemek az ausztenit fázis kialakulását segítik elő. A 3. táblázat felsorolja a gyakori ferrit és ausztenit fázisképző elemeket. A rozsdamentes acél minősége és alkalmazása határozza meg a szükséges fázisegyensúlyt. A legtöbb szabványos ausztenites rozsdamentes acél kis mennyiségű ferrit fázist tartalmaz oldatos izzítás alatt. Az oldatos izzítás javíthatja a hegeszthetőséget és a szívósságot magas hőmérsékleten. Ha azonban a ferrit fázis tartalma túl magas, az egyéb tulajdonságok, például a korrózióállóság és a szívósság csökkenni fognak. A nagy teljesítményű ausztenites rozsdamentes acélt az összes ausztenites fázisnak megfelelően, oldatos izzítási körülmények között tervezték.
Az acél fázisösszetételének és ezáltal az acél tulajdonságainak szabályozásához szükséges az ötvözetelemek egyensúlyban tartása. A Schaeffler szerkezeti diagram (5. ábra) a rozsdamentes acél kémiai összetétele és a megszilárdulási állapotban várható fázisszerkezet közötti kapcsolatot tükrözi, amint azt a varrat mikroszerkezete mutatja. Így a felhasználók az adott kémiai összetétel alapján megjósolhatják a fázisegyensúlyt. Számítsa ki a kémiai összetételből a "nikkel egyenértéket" és a "króm egyenértéket", és rajzolja be az ábrába! A Schaeffler szervezeti diagram általános paramétereinek képlete a következő:
Nikkel-egyenérték {{0}} százalék Ni plus 30 százalék C plus 0,5 százalék Mn plus 30 százalék N
Króm egyenérték{{0}} százalék Cr plusz százalék Mo plus 1,5 százalék Si plus 0,5 százalék Nb
A tipikus nagyteljesítményű ausztenites rozsdamentes acél körülbelül 20 százalék Cr-t, 6 százalék Mo-t, 20 százalék Ni-t és 0,2 százalék nitrogént tartalmaz, amely az ábrán az egyfázisú ausztenites fáziszónában, a "ferrites" közelében található. " vonal körülbelül 24-es nikkel- és körülbelül 26-os króm-egyenértékkel. Ezzel szemben a szabványos rozsdamentes acél (például 304) kémiai összetétele megfelel az ausztenit plusz ferrit (A és F) duplex zónájának kis mennyiségű ferrittel fázis. A ferrites rozsdamentes acél az ábrán a ferrit fáziszónában, a duplex rozsdamentes acél pedig az ausztenit plusz ferrit (A plusz F) duplex zónában található.
