Vodič za austenitni nehrđajući čelik visokih performansi -- Metalurški pregled

1. Vrste nehrđajućeg čelika

Nehrđajući čelik je legura na bazi željeza s udjelom kroma od najmanje 10,5 posto. Široko se koristi zbog svoje dobre otpornosti na koroziju i visokih temperatura. Kada sadržaj kroma dosegne 10,5 posto, na površini čelika formirat će se sloj oksida bogatog kromom, koji se naziva pasivacijski sloj ili pasivacijski film. Ovaj film štiti nehrđajući čelik od hrđanja poput običnog čelika. Postoje mnoge vrste nehrđajućeg čelika, ali svi nehrđajući čelici moraju ispunjavati zahtjeve minimalnog sadržaja kroma.

Nehrđajući čelik podijeljen je u pet kategorija: austenitni nehrđajući čelik, feritni nehrđajući čelik, dupleks nehrđajući čelik (s miješanom strukturom ferita i austenita), martenzitni nehrđajući čelik i nehrđajući čelik koji otvrdnjava taloženjem. Klasifikacija ovih kategorija povezana je s kristalnom strukturom (rasporedom atoma) i toplinskom obradom nehrđajućeg čelika. Skupina kristala iste kristalne strukture u metalu naziva se faza. U nehrđajućem čeliku postoje tri glavne faze: austenit, ferit i martenzit. Vrsta i količina metalografske strukture nehrđajućeg čelika može se odrediti standardnim metalografskim postupkom inspekcije i optičkim metalografskim mikroskopom.

Karakteristika austenitnog nehrđajućeg čelika je da je metalografska struktura uglavnom austenitna. Kristalna struktura austenitne faze je kubična (fcc) struktura usmjerena na lice, to jest, postoji atom u svakom kutu i središtu svake strane kocke. Nasuprot tome, kristalna struktura feritne faze je kubična (bcc) struktura s jednim atomom u svakom kutu i središtu kocke. Kristalna struktura martenzitne faze je tetragonalna struktura usmjerena na tijelo visoke deformacije.

Kristalna struktura austenitne faze je kubična (fcc) rešetka usmjerena na lice, feritna faza je kubična (bcc) rešetka usmjerena na tijelo, a martenzitna faza je tetragonalna (bct) rešetka usmjerena na tijelo.

 

1.1 Austenitni nehrđajući čelik:

Austenitni nehrđajući čelik nema magnetizam, ima srednju granicu tečenja, visoku stopu otvrdnjavanja, visoku vlačnu čvrstoću, dobru plastičnost i izvrsnu žilavost na niskim temperaturama. Za razliku od ostalih nehrđajućih čelika, žilavost austenitnih nehrđajućih čelika polako opada s padom temperature. Austenitni nehrđajući čelik nema određenu duktilno-krhku prijelaznu temperaturu (DBTT), pa je idealan materijal za primjene na niskim temperaturama.

Dijagram temperature duktilno-krhkog prijelaza (DBTT) austenitnog, feritnog i dupleks (austenitno-feritnog) nehrđajućeg čelika. Stvarni DBTT ovisi o debljini presjeka, kemijskom sastavu i veličini zrna. DBTT feritnog nehrđajućeg čelika općenito je 20 do - 30 stupnjeva C (70 do - 22 stupnjeva F).

 

Austenitni nehrđajući čelik ima dobru zavarljivost i može se izraditi u različite složene oblike. Ova serija nehrđajućih čelika ne može se očvrsnuti ili ojačati toplinskom obradom, ali se može ojačati hladnim oblikovanjem ili otvrdnjavanjem (vidi ASTM A666). Austenitni nehrđajući čelik, posebno standardni austenitni nehrđajući čelik, ima potencijalni nedostatak, to jest, u usporedbi s feritnim nehrđajućim čelikom i dupleks nehrđajućim čelikom, sklon je pucanju uslijed kloridne korozije.

Serija 300 ili standardni austenitni nehrđajući čelik općenito sadrži 8 posto ~ 11 posto nikla i 16 posto ~ 20 posto kroma. Metalografska struktura standardnog austenitnog nehrđajućeg čelika uglavnom se sastoji od austenitnih zrnaca i sadrži malu količinu (općenito 1~5 posto) δ feritne faze (slika 3). Zbog prisutnosti feritne faze, ovi austenitni nehrđajući čelici imaju malo magnetizma.

Tipična metalografska struktura kovanog nehrđajućeg čelika 304L sastoji se od austenitnih zrnaca i pojedinačne trake ferita © TMR Stainless.

 

U usporedbi s nehrđajućim čelikom serije 300, austenitni nehrđajući čelik serije 200 ima niži sadržaj Ni, ali viši sadržaj Mn i N. Čvrstoća i koeficijent otvrdnuća kod nehrđajućeg čelika serije 200 viši su nego kod nehrđajućeg čelika serije 300. Zbog niskog sadržaja nikla, nehrđajući čelik serije 200 ponekad se koristi kao jeftina zamjena za nehrđajući čelik serije 300.

Mikrostruktura visokoučinkovitog austenitnog nehrđajućeg čelika je potpuno austenitna faza bez feromagnetizma (slika 4). U usporedbi sa standardnim austenitnim nehrđajućim čelikom, austenitni nehrđajući čelik visokih performansi sadrži više elemenata nikla, kroma i molibdena i općenito sadrži dušik. Ovi nehrđajući čelici imaju jaku otpornost na koroziju u korozivnim okruženjima kao što su jake kiseline, jake lužine i mediji s visokim udjelom klorida, uključujući slanu vodu, morsku i slanu vodu. U usporedbi sa standardnim austenitnim nehrđajućim čelikom, austenitni nehrđajući čelik visokih performansi ima višu ocjenu čvrstoće i bolju otpornost na pucanje uslijed korozije.

Metalografska struktura od 6 posto Mo visokoučinkovitog austenitnog nehrđajućeg čelika, sav sastavljen od austenitnih zrna © TMR Stainless.

 

1.2 Feritni nehrđajući čelik:

Mikrostruktura feritnog nehrđajućeg čelika je feritna faza. Feritni nehrđajući čelik ima nizak ili nikakav sadržaj nikla i feromagnetičan je. Ne može se stvrdnuti toplinskom obradom. Feromagnetska svojstva ove vrste nehrđajućeg čelika slična su svojstvima ugljičnog čelika. Feritni nehrđajući čelik ima dobru čvrstoću, a otpornost na pucanje uslijed korozije na kloridu mnogo je bolja od standardnog austenitnog nehrđajućeg čelika serije 300. Međutim, njihova sposobnost oblikovanja i zavarljivost su slabe. Njihova žilavost nije tako dobra kao kod austenitnog nehrđajućeg čelika i smanjit će se s povećanjem debljine presjeka. S padom temperature, feritni nehrđajući čelik će pokazati očigledan prijelaz duktilno-krhki. Ograničena ovim čimbenicima, uporaba feritnog nehrđajućeg čelika obično je ograničena na proizvode s tanjom debljinom stijenke, kao što su tanke ploče, trake i cijevi s tankim stijenkama.

 

1.3 Duplex nehrđajući čelik:

Duplex nehrđajući čelik sastoji se od feritne faze i austenitne faze, od kojih svaka čini oko polovicu. Duplex nehrđajući čelik ima mnoge karakteristike austenitnog i feritnog nehrđajućeg čelika. Iako toplinska obrada ne može očvrsnuti takve čelike, njihova granica razvlačenja je obično dvostruko veća od standardnog austenitnog nehrđajućeg čelika, a njihovo magnetsko privlačenje proporcionalno je volumnom udjelu feritne faze. Dvostruko svojstvo metalografske strukture dupleks nehrđajućeg čelika čini njegovu otpornost na pucanje od korozije boljom nego kod standardnog austenitnog nehrđajućeg čelika.

 

1.4 Martenzitni nehrđajući čelik:

Mikrostruktura martenzitnog nehrđajućeg čelika je uglavnom martenzit, koji može sadržavati malu količinu sekundarnih faza kao što su ferit, austenit i karbid. Martenzitni nehrđajući čelik je feromagnetičan i sličan ugljičnom čeliku. Konačna tvrdoća ovisi o specifičnoj toplinskoj obradi. Martenzitni nehrđajući čelik ima visoku čvrstoću, dobru otpornost na trošenje, slabu žilavost i visoku prijelaznu temperaturu duktilno-krhko. Teško ih je zavariti i općenito zahtijevaju toplinsku obradu nakon zavarivanja. Stoga je martenzitni nehrđajući čelik općenito ograničen na primjenu bez zavarivanja. Sadržaj kroma u martenzitnom nehrđajućem čeliku nije previsok. Neki elementi kroma talože se u obliku karbida, što rezultira niskom otpornošću na koroziju, općenito nižom od standardnog austenitnog nehrđajućeg čelika 304/304L. Zbog svoje slabe žilavosti i otpornosti na koroziju, martenzitni nehrđajući čelik općenito se koristi za aplikacije koje zahtijevaju visoku čvrstoću i tvrdoću, kao što su alati, spojni elementi i osovine.

 

1.5 Nehrđajući čelik očvrsnut taloženjem:

Precipitation hardened (PH) nehrđajući čelik također se može ojačati toplinskom obradom. Osnovna značajka ove vrste nehrđajućeg čelika je da se njegovo djelomično ojačanje postiže taložnim mehanizmom. Fini intermetalni talozi nastaju toplinskom obradom stvrdnjavanjem starenjem radi poboljšanja čvrstoće. Zbog visokog sadržaja kroma, nehrđajući čelik koji otvrdnjava taloženjem ima bolju otpornost na koroziju od martenzitnog nehrđajućeg čelika i prikladan je za primjene visoke čvrstoće koje zahtijevaju dobru otpornost na koroziju. Nehrđajući čelik koji otvrdnjava taloženjem uglavnom se koristi za opruge, pričvršćivače, dijelove zrakoplova, osovine, zupčanike, mijehove i dijelove mlaznih motora.

 

2. Fazni sastav:

Legirajući elementi utječu na odnos fazne ravnoteže i snažno utječu na stabilnost austenitnih, feritnih i martenzitnih faza. Elementi koji se dodaju nehrđajućem čeliku mogu se podijeliti na elemente koji tvore feritnu fazu ili elemente koji tvore austenitnu fazu. Fazna ravnoteža ovisi o kemijskom sastavu, temperaturi žarenja i brzini hlađenja čelika. Otpornost na koroziju, čvrstoća, žilavost, zavarljivost i sposobnost oblikovanja su pod utjecajem fazne ravnoteže.

Elementi koji tvore ferit doprinose stvaranju feritne faze, dok elementi koji tvore austenit potiču stvaranje austenitne faze. U tablici 3 navedeni su uobičajeni elementi koji tvore feritnu i austenitnu fazu. Vrsta nehrđajućeg čelika i njegova primjena određuju potrebnu ravnotežu faza. Većina standardnih austenitnih nehrđajućih čelika ima malu količinu feritne faze tijekom žarenja u otopini. Žarenje u otopini može poboljšati zavarljivost i žilavost na visokoj temperaturi. Međutim, ako je sadržaj feritne faze previsok, druga svojstva poput otpornosti na koroziju i žilavosti bit će smanjena. Austenitni nehrđajući čelik visokih performansi dizajniran je prema svim austenitnim fazama u uvjetima žarenja u otopini.

 

Za kontrolu faznog sastava čelika, a time i svojstava čelika, potrebno je elemente legure održavati u ravnoteži. Schaefflerov strukturni dijagram (Sl. 5) odražava odnos između kemijskog sastava nehrđajućeg čelika i očekivane fazne strukture u stanju skrućivanja, što se otkriva mikrostrukturom zavara. Na taj način korisnici mogu predvidjeti faznu ravnotežu na temelju zadanog kemijskog sastava. Iz kemijskog sastava izračunajte "ekvivalent nikla" i "ekvivalent kroma" i nacrtajte ih na slici. Formula uobičajenih parametara Schaefflerove organizacijske sheme je sljedeća:

Ekvivalent nikla{{0}} posto Ni plus 30 posto C plus 0,5 posto Mn plus 30 posto N

Kromov ekvivalent{{0}} posto Cr plus posto Mo plus 1,5 posto Si plus 0,5 posto Nb

Tipični visokoučinkoviti austenitni nehrđajući čelik sadrži oko 2 0 posto Cr, 6 posto Mo, 20 posto Ni i 0,2 posto N, koji se nalazi u zoni jednofazne austenitne faze na slici, u blizini "feritnog " linija s ekvivalentom nikla od oko 24 i ekvivalentom kroma od oko 26. Nasuprot tome, kemijski sastav standardnog nehrđajućeg čelika (kao što je 304) odgovara dupleks zoni austenita plus ferita (A plus F) s malom količinom ferita faza. Feritni nehrđajući čelik je u zoni feritne faze na slici, a dupleks nehrđajući čelik je u dupleks zoni austenit plus ferit (A plus F).