Vodič za metalurški pregled austenitnog nehrđajućeg čelika visokih performansi --

1. Vrste nerđajućeg čelika

Nerđajući čelik je legura na bazi gvožđa sa sadržajem hroma ne manjim od 10,5 odsto. Široko se koristi zbog svoje dobre otpornosti na koroziju i visokih temperatura. Kada sadržaj hroma dostigne 10,5 posto, na površini čelika će se formirati sloj oksida bogatog kromom, koji se naziva pasivacijski sloj ili pasivacijski film. Ovaj film štiti nehrđajući čelik od hrđe poput običnog čelika. Postoji mnogo vrsta nehrđajućeg čelika, ali svi nehrđajući čelici treba da ispunjavaju zahtjeve za minimalni sadržaj hroma.

Nehrđajući čelik je podijeljen u pet kategorija: austenitni nehrđajući čelik, feritni nehrđajući čelik, dupleks nehrđajući čelik (sa mješovitom strukturom ferita i austenita), martenzitni nehrđajući čelik i nehrđajući čelik koji se stvrdnjava putem taloženja. Klasifikacija ovih kategorija vezana je za kristalnu strukturu (atomski raspored) i termičku obradu nerđajućeg čelika. Grupa kristala sa istom kristalnom strukturom u metalu naziva se faza. U nehrđajućem čeliku postoje tri glavne faze: austenit, ferit i martenzit. Tip i količina metalografske strukture nerđajućeg čelika može se odrediti standardnim procesom metalografske kontrole i optičkim metalografskim mikroskopom.

Karakteristika austenitnog nerđajućeg čelika je da je metalografska struktura uglavnom austenitna. Kristalna struktura austenitne faze je kubična (fcc) struktura usmjerena na lice, to jest, postoji atom na svakom uglu i centru svake strane kocke. Nasuprot tome, kristalna struktura feritne faze je kubična (bcc) struktura usredsređena na telo, sa po jednim atomom u svakom uglu i centru kocke. Kristalna struktura martenzitne faze je tetragonalna struktura usredsređena na tijelo visoke deformacije.

Kristalna struktura austenitne faze je kubična (fcc) rešetka sa centrom na lice, feritna faza je kubična (bcc) rešetka s centrima za tijelo, a martenzitna faza je tijelo centrirana tetragonalna (bct) rešetka.

 

1.1 Austenitni nerđajući čelik:

Austenitni nehrđajući čelik nema magnetizam, srednju granicu tečenja, visoku stopu očvršćavanja, visoku vlačnu čvrstoću, dobru plastičnost i odličnu žilavost pri niskim temperaturama. Za razliku od drugih nerđajućih čelika, žilavost austenitnog nerđajućeg čelika polako opada sa padom temperature. Austenitni nehrđajući čelik nema određenu temperaturu prijelaza duktilno-krhki (DBTT), tako da je idealan materijal za primjenu na niskim temperaturama.

Dijagram temperature prijelaza duktilno-krhki (DBTT) austenitnog, feritnog i dupleksnog (austenit-feritnog) nehrđajućeg čelika. Stvarni DBTT zavisi od debljine preseka, hemijskog sastava i veličine zrna. DBTT feritnog nerđajućeg čelika je generalno 20 do - 30 stepeni C (70 do - 22 stepeni F).

 

Austenitni nehrđajući čelik ima dobru zavarljivost i može se izraditi u različite složene oblike. Ova serija nerđajućih čelika ne može se očvrsnuti ili ojačati termičkom obradom, ali se može ojačati hladnim oblikovanjem ili radnim kaljenjem (vidi ASTM A666). Austenitni nerđajući čelik, posebno standardni austenitni nerđajući čelik, ima potencijalni nedostatak, to jest, u poređenju sa feritnim nerđajućim čelikom i dupleks nerđajućim čelikom, sklon je korozijskom pucanju hloridnim stresom.

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

Tipična metalografska struktura kovanog nerđajućeg čelika 304L sastoji se od austenitnih zrna i pojedinačnih trakastih ferita © TMR Stainless.

 

U poređenju sa nerđajućim čelikom serije 300, austenitni nerđajući čelik serije 200 ima niži sadržaj Ni, ali veći sadržaj Mn i N. Čvrstoća i koeficijent otvrdnjavanja deformacijom nehrđajućeg čelika serije 200 veći su od nehrđajućeg čelika serije 300. Zbog niskog sadržaja nikla, nehrđajući čelik serije 200 se ponekad koristi kao jeftina zamjena za nehrđajući čelik serije 300.

Mikrostruktura austenitnog nerđajućeg čelika visokih performansi je austenitna faza bez feromagnetizma (slika 4). U poređenju sa standardnim austenitnim nerđajućim čelikom, austenitni nerđajući čelik visokih performansi sadrži više elemenata nikla, hroma i molibdena i generalno sadrži azot. Ovi nehrđajući čelici imaju jaku otpornost na koroziju u korozivnim sredinama kao što su jake kiseline, jake alkalije i mediji s visokim sadržajem klorida, uključujući bočatu vodu, morsku i slanu vodu. U poređenju sa standardnim austenitnim nerđajućim čelikom, austenitni nerđajući čelik visokih performansi ima viši stepen čvrstoće i bolju otpornost na korozijsko pucanje pod stresom.

Metalografska struktura od 6 posto Mo austenitnog nerđajućeg čelika visokih performansi, sve sastavljeno od austenitnih zrna © TMR nerđajući.

 

1.2 Feritni nerđajući čelik:

Mikrostruktura feritnog nerđajućeg čelika je feritna faza. Feritni nerđajući čelik ima nizak ili nikakav sadržaj nikla i feromagnetičan je. Ne može se očvrsnuti termičkom obradom. Feromagnetna svojstva ove vrste nehrđajućeg čelika su slična onima ugljičnog čelika. Feritni nehrđajući čelik ima dobru čvrstoću i otpornost na korozijsko pucanje pod naprezanjem klorida je mnogo bolja od standardnog austenitnog nehrđajućeg čelika serije 300. Međutim, njihova sposobnost oblikovanja i zavarljivost su loši. Njihova žilavost nije tako dobra kao kod austenitnog nehrđajućeg čelika i smanjivat će se s povećanjem debljine presjeka. Sa smanjenjem temperature, feritni nehrđajući čelik će pokazati očigledan prijelaz duktilno-krhki. Ograničena ovim faktorima, upotreba feritnog nehrđajućeg čelika obično je ograničena na proizvode s tanjom debljinom stijenke, kao što su tanke ploče, trake i cijevi tankih stijenki.

 

1.3 Duplex nerđajući čelik:

Dupleksni nerđajući čelik se sastoji od feritne faze i austenitne faze, od kojih svaka čini oko polovinu. Dupleksni nerđajući čelik ima mnoge karakteristike austenitnog i feritnog nerđajućeg čelika. Iako toplinska obrada ne može očvrsnuti takve čelike, njihova granica popuštanja je obično dvostruko veća od standardnog austenitnog nehrđajućeg čelika, a njihovo magnetsko privlačenje je proporcionalno volumnom udjelu feritne faze. Dupleksno svojstvo metalografske strukture dupleks nerđajućeg čelika čini njegovu otpornost na pucanje od korozije pod naponom boljom od one standardnog austenitnog nerđajućeg čelika.

 

1.4 Martenzitni nerđajući 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 je ugljičnom čeliku. Konačna tvrdoća zavisi od specifične termičke obrade. Martenzitni nehrđajući čelik ima visoku čvrstoću, dobru otpornost na habanje, slabu žilavost i visoku temperaturu prijelaza duktilno-lomljivo. Teško ih je zavariti i općenito zahtijevaju termičku obradu nakon zavarivanja. Stoga je martenzitni nehrđajući čelik općenito ograničen na primjene bez zavarivanja. Sadržaj hroma u martenzitnom nerđajućem čeliku nije previsok. Neki elementi hroma se talože u obliku karbida, što rezultira niskom otpornošću na koroziju, generalno nižom od standardnog 304/304L austenitnog nerđajućeg čelika. Zbog svoje slabe žilavosti i otpornosti na koroziju, martenzitni nehrđajući čelik se općenito koristi za aplikacije koje zahtijevaju veliku čvrstoću i tvrdoću, kao što su alati, pričvršćivači i osovine.

 

1.5 Nehrđajući čelik otvrdnut na padavine:

Nehrđajući čelik koji očvršćuje taloženjem (PH) također se može ojačati toplinskom obradom. Osnovna karakteristika ove vrste nerđajućeg čelika je da se njegovo delimično ojačanje postiže precipitacionim mehanizmom. Fini intermetalni precipitati nastaju termičkom obradom starenjem i stvrdnjavanjem radi poboljšanja čvrstoće. Zbog visokog sadržaja hroma, nerđajući čelik koji se stvrdnjava na taloženje ima bolju otpornost na koroziju od martenzitnog nerđajućeg čelika i pogodan je za aplikacije visoke čvrstoće koje zahtevaju dobru otpornost na koroziju. Nerđajući čelik se uglavnom koristi za opruge, pričvršćivače, delove aviona, osovine, zupčanike, mehove i delove mlaznih motora.

 

2. Fazni sastav:

Legirajući elementi utiču na odnos fazne ravnoteže i imaju snažan uticaj na stabilnost austenitnih, feritnih i martenzitnih faza. Elementi koji se dodaju nehrđajućem čeliku mogu se podijeliti na elemente koji formiraju feritnu fazu ili elemente za formiranje austenitne faze. Fazna ravnoteža zavisi od hemijskog sastava, temperature žarenja i brzine hlađenja čelika. Fazna ravnoteža utiče na otpornost na koroziju, čvrstoću, žilavost, zavarljivost i formabilnost.

Elementi koji tvore ferit doprinose stvaranju feritne faze, dok elementi koji tvore austenit potiču nastanak austenitne faze. Tabela 3 navodi uobičajene feritne i austenitne faze formiranja elemenata. Vrsta nehrđajućeg čelika i njegova primjena određuju potrebnu faznu ravnotežu. Većina standardnih austenitnih nerđajućih čelika ima malu količinu feritne faze pri žarenju u rastvoru. Žarenje rastvorom može poboljšati zavarljivost i žilavost na visokoj temperaturi. Međutim, ako je sadržaj feritne faze previsok, druga svojstva kao što su otpornost na koroziju i žilavost će biti smanjena. Austenitni nehrđajući čelik visokih performansi dizajniran je prema svim austenitnim fazama pod uvjetima žarenja otopinom.

 

Za kontrolu faznog sastava čelika, a time i svojstava čelika, potrebno je održavati elemente legure u ravnoteži. Schaeffler strukturni dijagram (slika 5) odražava odnos između kemijskog sastava nehrđajućeg čelika i očekivane fazne strukture u stanju skrućivanja, kao što je otkriveno mikrostrukturom zavara. Na ovaj način korisnici mogu predvideti faznu ravnotežu na osnovu datog hemijskog sastava. Izračunajte "ekvivalent nikla" i "ekvivalent hroma" iz hemijskog sastava i nacrtajte ih na slici. Formula uobičajenih parametara Schaeffler organizacione sheme je sljedeća:

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

Ekvivalent hroma{{0}} posto Cr plus posto Mo plus 1,5 posto Si plus 0,5 posto Nb

Tipični austenitni nehrđajući čelik visokih performansi sadrži oko 20 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 "feritne " linija sa ekvivalentom nikla od oko 24 i ekvivalentom hroma od oko 26. Nasuprot tome, hemijski sastav standardnog nerđajućeg čelika (kao što je 304) odgovara dupleks zoni austenita plus ferit (A plus F) sa malom količinom ferita faza. Feritni nerđajući čelik je u zoni feritne faze na slici, a dupleks nerđajući čelik je u zoni austenita plus ferit (A plus F) dupleks.