Οδηγός για ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα υψηλής απόδοσης -- Μεταλλουργική επισκόπηση

1. Τύποι ανοξείδωτου χάλυβα

Ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι ένα κράμα με βάση το σίδηρο με περιεκτικότητα σε χρώμιο τουλάχιστον 10,5 τοις εκατό. Χρησιμοποιείται ευρέως λόγω της καλής αντοχής στη διάβρωση και της απόδοσης υψηλής θερμοκρασίας. Όταν η περιεκτικότητα σε χρώμιο φτάσει το 10,5 τοις εκατό, θα σχηματιστεί ένα στρώμα οξειδίου πλούσιου σε χρώμιο στην επιφάνεια του χάλυβα, το οποίο ονομάζεται στρώμα παθητικοποίησης ή φιλμ παθητικοποίησης. Αυτή η μεμβράνη προστατεύει τον ανοξείδωτο χάλυβα από τη σκουριά όπως ο συνηθισμένος χάλυβας. Υπάρχουν πολλά είδη ανοξείδωτου χάλυβα, αλλά όλος ο ανοξείδωτος χάλυβας πρέπει να πληροί την ελάχιστη απαίτηση περιεκτικότητας σε χρώμιο.

Ο ανοξείδωτος χάλυβας χωρίζεται σε πέντε κατηγορίες: ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας, φερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας, διπλός ανοξείδωτος χάλυβας (με μικτή δομή φερρίτη και ωστενίτης), μαρτενσιτικός ανοξείδωτος χάλυβας και ανοξείδωτος χάλυβας σκλήρυνσης καθίζησης. Η ταξινόμηση αυτών των κατηγοριών σχετίζεται με την κρυσταλλική δομή (ατομική διάταξη) και τη θερμική επεξεργασία του ανοξείδωτου χάλυβα. Μια ομάδα κρυστάλλων με την ίδια κρυσταλλική δομή σε ένα μέταλλο ονομάζεται φάση. Υπάρχουν τρεις κύριες φάσεις στον ανοξείδωτο χάλυβα: ωστενίτης, φερρίτης και μαρτενσίτης. Ο τύπος και η ποσότητα της μεταλλογραφικής δομής του ανοξείδωτου χάλυβα μπορεί να προσδιοριστεί με τυπική διαδικασία μεταλλογραφικής επιθεώρησης και οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο.

Το χαρακτηριστικό του ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα είναι ότι η μεταλλογραφική δομή είναι κυρίως ωστενιτική. Η κρυσταλλική δομή της φάσης ωστενίτη είναι η προσωποκεντρική κυβική δομή (fcc), δηλαδή υπάρχει ένα άτομο σε κάθε γωνία και κέντρο κάθε όψης του κύβου. Αντίθετα, η κρυσταλλική δομή της φάσης φερρίτη είναι κυβική δομή με κέντρο το σώμα (bcc), με ένα άτομο σε κάθε γωνία και κέντρο του κύβου. Η κρυσταλλική δομή της φάσης μαρτενσίτη είναι τετραγωνική δομή με επίκεντρο το σώμα υψηλής καταπόνησης.

Η κρυσταλλική δομή της φάσης ωστενίτη είναι το πρόσωπο-κεντρικό κυβικό πλέγμα (fcc), η φάση φερρίτη είναι κυβικό πλέγμα με κέντρο το σώμα (bcc) και η φάση μαρτενσίτη είναι τετραγωνικό πλέγμα με κέντρο το σώμα (bct).

 

1.1 Ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας:

Ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας δεν έχει μαγνητισμό, μέση αντοχή διαρροής, υψηλό ρυθμό σκλήρυνσης εργασίας, υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, καλή πλαστικότητα και εξαιρετική ανθεκτικότητα σε χαμηλή θερμοκρασία. Σε αντίθεση με άλλους ανοξείδωτους χάλυβες, η σκληρότητα των ωστενιτικών ανοξείδωτων χάλυβων μειώνεται αργά με τη μείωση της θερμοκρασίας. Ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας δεν έχει συγκεκριμένη θερμοκρασία μετάπτωσης όλκιμο-εύθραυστο (DBTT), επομένως είναι ιδανικό υλικό για εφαρμογές σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Διάγραμμα θερμοκρασίας μετάπτωσης όλκιμο-εύθραυστο (DBTT) από ωστενιτικό, φερριτικό και διπλό (ωστενιτικό-φερριτικό) ανοξείδωτο χάλυβα. Το πραγματικό DBTT εξαρτάται από το πάχος του τμήματος, τη χημική σύσταση και το μέγεθος των κόκκων. Το DBTT του φερριτικού ανοξείδωτου χάλυβα είναι γενικά 20 έως - 30 βαθμοί C (70 έως - 22 βαθμοί F).

 

Ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας έχει καλή συγκολλησιμότητα και μπορεί να κατασκευαστεί σε διάφορα πολύπλοκα σχήματα. Αυτή η σειρά ανοξείδωτων χάλυβων δεν μπορεί να σκληρυνθεί ή να ενισχυθεί με θερμική επεξεργασία, αλλά μπορεί να ενισχυθεί με ψυχρή διαμόρφωση ή σκλήρυνση εργασίας (βλ. ASTM A666). Ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας, ειδικά ο τυπικός ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας, έχει ένα πιθανό μειονέκτημα, δηλαδή, σε σύγκριση με τον φερριτικό ανοξείδωτο χάλυβα και τον διπλό ανοξείδωτο χάλυβα, είναι επιρρεπής σε ρωγμές λόγω διάβρωσης λόγω τάσης χλωρίου.

Η σειρά 300 ή ο τυπικός ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας περιέχει γενικά 8 τοις εκατό ~ 11 τοις εκατό νικέλιο και 16 τοις εκατό ~ 20 τοις εκατό χρώμιο. Η μεταλλογραφική δομή του τυπικού ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα αποτελείται κυρίως από ωστενιτικούς κόκκους και περιέχει μια μικρή ποσότητα (γενικά 1~5 τοις εκατό) φάσης δ φερρίτη (Εικ. 3). Λόγω της παρουσίας φάσης φερρίτη, αυτοί οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες έχουν λίγο μαγνητισμό.

Η τυπική μεταλλογραφική δομή του σφυρηλατημένου ανοξείδωτου χάλυβα 304L αποτελείται από ωστενιτικούς κόκκους και μεμονωμένους λωρίδες φερρίτη © TMR Stainless.

 

Σε σύγκριση με τον ανοξείδωτο χάλυβα της σειράς 300, ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας σειράς 200 έχει χαμηλότερη περιεκτικότητα σε Ni, αλλά υψηλότερη περιεκτικότητα σε Mn και N. Η αντοχή και ο συντελεστής σκλήρυνσης του ανοξείδωτου χάλυβα σειράς 200 είναι υψηλότεροι από αυτόν του ανοξείδωτου χάλυβα της σειράς 300. Λόγω της χαμηλής περιεκτικότητας σε νικέλιο, ο ανοξείδωτος χάλυβας σειράς 200 χρησιμοποιείται μερικές φορές ως φθηνό υποκατάστατο του ανοξείδωτου χάλυβα σειράς 300.

Η μικροδομή του ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα υψηλής απόδοσης είναι όλη ωστενιτική φάση χωρίς σιδηρομαγνητισμό (Εικ. 4). Σε σύγκριση με τον τυπικό ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα, ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας υψηλής απόδοσης περιέχει περισσότερα στοιχεία νικελίου, χρωμίου και μολυβδαινίου και γενικά περιέχει άζωτο. Αυτοί οι ανοξείδωτοι χάλυβες έχουν ισχυρή αντοχή στη διάβρωση σε διαβρωτικά περιβάλλοντα όπως ισχυρά οξέα, ισχυρά αλκάλια και μέσα υψηλής περιεκτικότητας σε χλωριούχα, συμπεριλαμβανομένου του υφάλμυρου νερού, του θαλασσινού νερού και του αλμυρού νερού. Σε σύγκριση με τον τυπικό ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα, ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας υψηλής απόδοσης έχει υψηλότερο βαθμό αντοχής και καλύτερη αντοχή στη διάβρωση λόγω καταπόνησης.

Μεταλλογραφική δομή από ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα υψηλής απόδοσης 6 τοις εκατό Mo, όλα αποτελούμενα από ωστενιτικούς κόκκους © TMR Stainless.

 

1.2 Φερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας:

Η μικροδομή του φερριτικού ανοξείδωτου χάλυβα είναι φάση φερρίτη. Ο φερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας έχει χαμηλή ή καθόλου περιεκτικότητα σε νικέλιο και είναι σιδηρομαγνητικός. Δεν μπορεί να σκληρυνθεί με θερμική επεξεργασία. Οι σιδηρομαγνητικές ιδιότητες αυτού του τύπου ανοξείδωτου χάλυβα είναι παρόμοιες με αυτές του ανθρακούχου χάλυβα. Ο φερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας έχει καλή αντοχή και η αντίσταση στη διάβρωση λόγω καταπόνησης χλωρίου είναι πολύ καλύτερη από τον τυπικό ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα σειράς 300. Ωστόσο, η μορφοποίηση και η συγκολλησιμότητα τους είναι φτωχές. Η σκληρότητά τους δεν είναι τόσο καλή όσο ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας και θα μειωθεί με την αύξηση του πάχους του τμήματος. Με τη μείωση της θερμοκρασίας, ο φερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας θα παρουσιάσει εμφανή μετάπτωση όλκιμο-εύθραυστο. Περιορισμένη από αυτούς τους παράγοντες, η χρήση φερριτικού ανοξείδωτου χάλυβα περιορίζεται συνήθως σε προϊόντα με λεπτότερο πάχος τοιχώματος, όπως λεπτές πλάκες, λωρίδες και σωλήνες με λεπτό τοίχωμα.

 

1.3 Duplex ανοξείδωτο χάλυβα:

Ο διπλός ανοξείδωτος χάλυβας αποτελείται από φάση φερρίτη και φάση ωστενίτη, με το καθένα να αντιπροσωπεύει περίπου το μισό. Ο διπλός ανοξείδωτος χάλυβας έχει πολλά χαρακτηριστικά ωστενιτικού και φερριτικού ανοξείδωτου χάλυβα. Αν και η θερμική επεξεργασία δεν μπορεί να σκληρύνει τέτοιους χάλυβες, η αντοχή διαρροής τους είναι συνήθως διπλάσια από αυτή του τυπικού ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα και η μαγνητική τους έλξη είναι ανάλογη με το κλάσμα όγκου της φάσης φερρίτη. Η ιδιότητα διπλής όψης της μεταλλογραφικής δομής του διπλού ανοξείδωτου χάλυβα κάνει την αντοχή του στη διάβρωση λόγω καταπόνησης καλύτερη από αυτή του τυπικού ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα.

 

1.4 Μαρτενσιτικός ανοξείδωτος χάλυβας:

Η μικροδομή του μαρτενσιτικού ανοξείδωτου χάλυβα είναι κυρίως μαρτενσίτης, ο οποίος μπορεί να περιέχει μικρή ποσότητα δευτερογενών φάσεων όπως φερρίτη, ωστενίτη και καρβίδιο. Ο μαρτενσιτικός ανοξείδωτος χάλυβας είναι σιδηρομαγνητικός και παρόμοιος με τον ανθρακούχο χάλυβα. Η τελική σκληρότητα εξαρτάται από την ειδική θερμική επεξεργασία. Ο μαρτενσιτικός ανοξείδωτος χάλυβας έχει υψηλή αντοχή, καλή αντοχή στη φθορά, κακή σκληρότητα και υψηλή θερμοκρασία μετάπτωσης όλκιμο-εύθραυστο. Είναι δύσκολο να συγκολληθούν και γενικά απαιτούν θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση. Επομένως, ο μαρτενσιτικός ανοξείδωτος χάλυβας περιορίζεται γενικά σε εφαρμογές μη συγκόλλησης. Η περιεκτικότητα σε χρώμιο του μαρτενσιτικού ανοξείδωτου χάλυβα δεν είναι πολύ υψηλή. Ορισμένα στοιχεία χρωμίου καθιζάνουν με τη μορφή καρβιδίων, με αποτέλεσμα χαμηλή αντίσταση στη διάβρωση, γενικά χαμηλότερη από τον τυπικό ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα 304/304L. Λόγω της κακής του σκληρότητας και αντοχής στη διάβρωση, ο μαρτενσιτικός ανοξείδωτος χάλυβας χρησιμοποιείται γενικά για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή αντοχή και σκληρότητα, όπως εργαλεία, συνδετήρες και άξονες.

 

1.5 Ανοξείδωτος χάλυβας που έχει σκληρυνθεί με υετό:

Ο ανοξείδωτος χάλυβας σκλήρυνσης με καθίζηση (PH) μπορεί επίσης να ενισχυθεί με θερμική επεξεργασία. Το βασικό χαρακτηριστικό αυτού του τύπου ανοξείδωτου χάλυβα είναι ότι η μερική του ενίσχυση επιτυγχάνεται με μηχανισμό καθίζησης. Λεπτά διαμεταλλικά ιζήματα παράγονται με θερμική κατεργασία γήρανσης με σκλήρυνση για βελτίωση της αντοχής. Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας σε χρώμιο, ο ανοξείδωτος χάλυβας που σκληραίνει με καθίζηση έχει καλύτερη αντοχή στη διάβρωση από τον μαρτενσιτικό ανοξείδωτο χάλυβα και είναι κατάλληλος για εφαρμογές υψηλής αντοχής που απαιτούν καλή αντοχή στη διάβρωση. Ο ανοξείδωτος χάλυβας σκλήρυνσης με καθίζηση χρησιμοποιείται κυρίως για ελατήρια, συνδετήρες, εξαρτήματα αεροσκαφών, άξονες, γρανάζια, φυσούνες και εξαρτήματα κινητήρων αεριωθουμένων.

 

2. Σύνθεση φάσης:

Τα στοιχεία κράματος επηρεάζουν τη σχέση ισορροπίας φάσης και έχουν ισχυρή επίδραση στη σταθερότητα των φάσεων ωστενίτη, φερρίτη και μαρτενσίτη. Τα στοιχεία που προστίθενται στον ανοξείδωτο χάλυβα μπορούν να χωριστούν σε στοιχεία σχηματισμού φάσης φερρίτη ή στοιχεία σχηματισμού φάσης ωστενίτη. Η ισορροπία φάσης εξαρτάται από τη χημική σύνθεση, τη θερμοκρασία ανόπτησης και το ρυθμό ψύξης του χάλυβα. Η αντοχή στη διάβρωση, η αντοχή, η σκληρότητα, η συγκολλησιμότητα και η μορφοποίηση επηρεάζονται όλα από την ισορροπία φάσης.

Τα στοιχεία που σχηματίζουν φερρίτη συμβάλλουν στο σχηματισμό της φάσης φερρίτη, ενώ τα στοιχεία σχηματισμού ωστενίτη προάγουν το σχηματισμό της φάσης ωστενίτη. Ο Πίνακας 3 παραθέτει τα κοινά στοιχεία σχηματισμού φάσης φερρίτη και ωστενίτη. Η ποιότητα του ανοξείδωτου χάλυβα και η εφαρμογή του καθορίζουν την απαιτούμενη ισορροπία φάσης. Οι περισσότεροι τυπικοί ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες έχουν μικρή ποσότητα φάσης φερρίτη υπό ανόπτηση διαλύματος. Η ανόπτηση διαλύματος μπορεί να βελτιώσει τη συγκολλησιμότητα και την σκληρότητα σε υψηλή θερμοκρασία. Ωστόσο, εάν η περιεκτικότητα σε φάση φερρίτη είναι πολύ υψηλή, άλλες ιδιότητες όπως η αντοχή στη διάβρωση και η σκληρότητα θα μειωθούν. Ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας υψηλής απόδοσης έχει σχεδιαστεί σύμφωνα με όλες τις ωστενιτικές φάσεις υπό συνθήκες ανόπτησης διαλύματος.

 

Για τον έλεγχο της σύστασης φάσης του χάλυβα και συνεπώς των ιδιοτήτων του χάλυβα, είναι απαραίτητο να διατηρούνται τα στοιχεία του κράματος σε ισορροπία. Το διάγραμμα δομής Schaeffler (Εικ. 5) αντικατοπτρίζει τη σχέση μεταξύ της χημικής σύνθεσης του ανοξείδωτου χάλυβα και της αναμενόμενης δομής φάσης στην κατάσταση στερεοποίησης, όπως αποκαλύπτεται από τη μικροδομή συγκόλλησης. Με αυτόν τον τρόπο, οι χρήστες μπορούν να προβλέψουν την ισορροπία φάσης με βάση τη δεδομένη χημική σύνθεση. Υπολογίστε το «ισοδύναμο νικελίου» και «ισοδύναμο χρωμίου» από τη χημική σύνθεση και σχεδιάστε τα στο σχήμα. Ο τύπος των κοινών παραμέτρων του οργανογράμματος Schaeffler έχει ως εξής:

Ισοδύναμο νικελίου{{0}} τοις εκατό Ni συν 30 τοις εκατό C συν 0,5 τοις εκατό Mn συν 30 τοις εκατό N

Ισοδύναμο χρωμίου{{0}} τοις εκατό Cr συν τοις εκατό Mo συν 1,5 τοις εκατό Si συν 0,5 τοις εκατό Nb

Ο τυπικός ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας υψηλής απόδοσης περιέχει περίπου 20 τοις εκατό Cr, 6 τοις εκατό Mo, 20 τοις εκατό Ni και 0,2 τοις εκατό N, το οποίο βρίσκεται στη ζώνη μονοφασικής ωστενιτικής φάσης στο σχήμα, κοντά στο "φερριτικό " γραμμή με ισοδύναμο νικέλιο περίπου 24 και ισοδύναμο χρώμιο περίπου 26. Αντίθετα, η χημική σύνθεση του τυπικού ανοξείδωτου χάλυβα (όπως το 304) αντιστοιχεί στη ζώνη διπλής όψης ωστενίτη συν φερρίτη (A συν F) με μικρή ποσότητα φερρίτη φάση. Ο φερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας βρίσκεται στη ζώνη φάσης φερρίτη στο σχήμα και ο διπλός ανοξείδωτος χάλυβας βρίσκεται στη ζώνη διπλής όψης ωστενίτη συν φερρίτη (A συν F).