Przewodnik po austenitycznej stali nierdzewnej o wysokiej wydajności -- Przegląd metalurgiczny

1. Rodzaje stali nierdzewnej

Stal nierdzewna jest stopem na bazie żelaza o zawartości chromu nie mniejszej niż 10,5 procent. Jest szeroko stosowany ze względu na dobrą odporność na korozję i działanie w wysokich temperaturach. Gdy zawartość chromu osiągnie 10,5 procent, na powierzchni stali utworzy się warstwa tlenku bogatego w chrom, która nazywana jest warstwą pasywacyjną lub folią pasywacyjną. Folia ta chroni stal nierdzewną przed korozją jak zwykła stal. Istnieje wiele rodzajów stali nierdzewnej, ale wszystkie stale nierdzewne powinny spełniać wymagania dotyczące minimalnej zawartości chromu.

Stale nierdzewne dzieli się na pięć kategorii: stal nierdzewna austenityczna, stal nierdzewna ferrytyczna, stal nierdzewna duplex (o mieszanej strukturze ferrytu i austenitu), stal nierdzewna martenzytyczna i stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo. Klasyfikacja tych kategorii jest związana ze strukturą krystaliczną (układem atomowym) i obróbką cieplną stali nierdzewnej. Grupa kryształów o tej samej strukturze krystalicznej w metalu nazywana jest fazą. Istnieją trzy główne fazy stali nierdzewnej: austenit, ferryt i martenzyt. Rodzaj i ilość struktury metalograficznej stali nierdzewnej można określić za pomocą standardowego procesu kontroli metalograficznej i optycznego mikroskopu metalograficznego.

Cechą charakterystyczną austenitycznej stali nierdzewnej jest to, że struktura metalograficzna jest głównie austenityczna. Struktura krystaliczna fazy austenitu jest strukturą sześcienną skoncentrowaną na ścianie (fcc), to znaczy atom znajduje się w każdym rogu i środku każdej powierzchni sześcianu. W przeciwieństwie do tego, struktura krystaliczna fazy ferrytowej jest strukturą sześcienną skupioną na ciele (bcc), z jednym atomem w każdym rogu i środku sześcianu. Struktura krystaliczna fazy martenzytycznej to tetragonalna struktura skoncentrowana na ciele o dużym naprężeniu.

Struktura krystaliczna fazy austenitu to sieć sześcienna centrowana na powierzchni (fcc), faza ferrytu to sieć sześcienna centrowana na ciele (bcc), a faza martenzytu to sieć tetragonalna centrowana na ciele (bct).

 

1.1 Austenityczna stal nierdzewna:

Austenityczna stal nierdzewna nie ma magnetyzmu, średniej granicy plastyczności, wysokiej szybkości utwardzania, wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, dobrej plastyczności i doskonałej udarności w niskich temperaturach. W przeciwieństwie do innych stali nierdzewnych, ciągliwość austenitycznych stali nierdzewnych zmniejsza się powoli wraz ze spadkiem temperatury. Austenityczna stal nierdzewna nie ma określonej temperatury przemiany ciągliwej w kruchą (DBTT), dlatego jest idealnym materiałem do zastosowań w niskich temperaturach.

Wykres temperatury przemiany ciągliwej w kruchą (DBTT) stali nierdzewnej austenitycznej, ferrytycznej i duplex (austenityczno-ferrytycznej). Rzeczywisty DBTT zależy od grubości przekroju, składu chemicznego i wielkości ziarna. DBTT ferrytycznej stali nierdzewnej wynosi zazwyczaj od 20 do - 30 stopni C (70 do - 22 stopni F).

 

Austenityczna stal nierdzewna ma dobrą spawalność i może być wykonana w różnych skomplikowanych kształtach. Tej serii stali nierdzewnych nie można utwardzać ani wzmacniać przez obróbkę cieplną, ale można je wzmocnić przez formowanie na zimno lub hartowanie przez zgniot (patrz ASTM A666). Austenityczna stal nierdzewna, zwłaszcza standardowa austenityczna stal nierdzewna, ma potencjalną wadę, to znaczy w porównaniu z ferrytyczną stalą nierdzewną i stalą nierdzewną typu duplex jest podatna na pękanie korozyjne naprężeniem chlorkowym.

Seria 300 lub standardowa austenityczna stal nierdzewna zawiera na ogół 8% ~11% niklu i 16% ~20% chromu. Struktura metalograficzna standardowej austenitycznej stali nierdzewnej składa się głównie z ziaren austenitycznych i zawiera niewielką ilość (na ogół 1 ~ 5 procent) fazy ferrytu δ (ryc. 3). Ze względu na obecność fazy ferrytowej te austenityczne stale nierdzewne mają niewielki magnetyzm.

Typowa struktura metalograficzna kutej stali nierdzewnej 304L składa się z ziaren austenitycznych i pojedynczych pasków ferrytu © TMR Stainless.

 

W porównaniu ze stalą nierdzewną serii 300, austenityczna stal nierdzewna serii 200 ma niższą zawartość Ni, ale wyższą zawartość Mn i N. Wytrzymałość i współczynnik twardnienia stali nierdzewnej serii 200 są wyższe niż w przypadku stali nierdzewnej serii 300. Ze względu na niską zawartość niklu stal nierdzewna serii 200 jest czasami używana jako tani zamiennik stali nierdzewnej serii 300.

Mikrostruktura wysokowydajnej austenitycznej stali nierdzewnej jest w całości fazą austenityczną bez ferromagnetyzmu (rys. 4). W porównaniu ze standardową austenityczną stalą nierdzewną, austenityczna stal nierdzewna o wysokiej wydajności zawiera więcej pierwiastków niklu, chromu i molibdenu i generalnie zawiera azot. Te stale nierdzewne mają wysoką odporność na korozję w środowiskach korozyjnych, takich jak silne kwasy, silne zasady i media o wysokiej zawartości chlorków, w tym woda słonawa, woda morska i woda słona. W porównaniu ze standardową austenityczną stalą nierdzewną, wysokowydajna austenityczna stal nierdzewna ma wyższy stopień wytrzymałości i lepszą odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe.

Struktura metalograficzna 6-procentowej Mo austenitycznej stali nierdzewnej o wysokiej wydajności, w całości złożona z ziaren austenitycznych © TMR Stainless.

 

1.2 Ferrytyczna stal nierdzewna:

Mikrostruktura ferrytycznej stali nierdzewnej to faza ferrytu. Ferrytyczna stal nierdzewna ma niską zawartość niklu lub nie zawiera go wcale i jest ferromagnetyczna. Nie można go utwardzić przez obróbkę cieplną. Właściwości ferromagnetyczne tego rodzaju stali nierdzewnej są podobne do właściwości stali węglowej. Ferrytyczna stal nierdzewna ma dobrą wytrzymałość, a odporność na korozję naprężeniową chlorków jest znacznie lepsza niż standardowa austenityczna stal nierdzewna serii 300. Jednak ich odkształcalność i spawalność są słabe. Ich wytrzymałość nie jest tak dobra jak austenityczna stal nierdzewna i będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem grubości przekroju. Wraz ze spadkiem temperatury ferrytyczna stal nierdzewna będzie wykazywać wyraźną przemianę plastyczno-kruchą. Ograniczone przez te czynniki, zastosowanie ferrytycznej stali nierdzewnej jest zwykle ograniczone do produktów o cieńszej grubości ścianek, takich jak cienkie blachy, taśmy i cienkościenne rury.

 

1.3 Stal nierdzewna duplex:

Stal nierdzewna duplex składa się z fazy ferrytu i fazy austenitu, z których każda stanowi około połowy. Stal nierdzewna duplex ma wiele cech stali nierdzewnej austenitycznej i ferrytycznej. Chociaż obróbka cieplna nie może utwardzić takich stali, ich granica plastyczności jest zwykle dwukrotnie większa niż w przypadku standardowej austenitycznej stali nierdzewnej, a ich przyciąganie magnetyczne jest proporcjonalne do udziału objętościowego fazy ferrytu. Właściwość dupleksu struktury metalograficznej stali nierdzewnej duplex sprawia, że ​​jej odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe jest lepsza niż w przypadku standardowej austenitycznej stali nierdzewnej.

 

1.4 Stal nierdzewna martenzytyczna:

Mikrostruktura martenzytycznej stali nierdzewnej to głównie martenzyt, który może zawierać niewielką ilość faz wtórnych, takich jak ferryt, austenit i węglik. Martenzytyczna stal nierdzewna jest ferromagnetyczna i podobna do stali węglowej. Końcowa twardość zależy od określonej obróbki cieplnej. Martenzytyczna stal nierdzewna ma wysoką wytrzymałość, dobrą odporność na zużycie, słabą ciągliwość i wysoką temperaturę przejścia ciągliwego w kruchość. Są trudne do spawania i na ogół wymagają obróbki cieplnej po spawaniu. Dlatego martenzytyczna stal nierdzewna jest ogólnie ograniczona do zastosowań niezwiązanych ze spawaniem. Zawartość chromu w martenzytycznej stali nierdzewnej nie jest zbyt wysoka. Niektóre pierwiastki chromu wytrącają się w postaci węglików, co skutkuje niską odpornością na korozję, na ogół niższą niż standardowa austenityczna stal nierdzewna 304/304L. Ze względu na słabą ciągliwość i odporność na korozję martenzytyczna stal nierdzewna jest zwykle stosowana do zastosowań wymagających wysokiej wytrzymałości i twardości, takich jak narzędzia, elementy złączne i wały.

 

1.5 Stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo:

Stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo (PH) może być również wzmocniona przez obróbkę cieplną. Podstawową cechą tego rodzaju stali nierdzewnej jest to, że jej częściowe umocnienie uzyskuje się dzięki mechanizmowi wytrącania. Drobne osady międzymetaliczne powstają w wyniku obróbki cieplnej polegającej na utwardzaniu starzeniowym w celu poprawy wytrzymałości. Ze względu na wysoką zawartość chromu stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo ma lepszą odporność na korozję niż stal nierdzewna martenzytyczna i nadaje się do zastosowań o dużej wytrzymałości wymagających dobrej odporności na korozję. Stal nierdzewna utwardzana wytrącająco jest stosowana głównie do produkcji sprężyn, elementów złącznych, części samolotów, wałów, kół zębatych, mieszków i części silników odrzutowych.

 

2. Skład fazowy:

Pierwiastki stopowe wpływają na równowagę fazową i mają silny wpływ na stabilność faz austenitu, ferrytu i martenzytu. Pierwiastki dodawane do stali nierdzewnej można podzielić na pierwiastki tworzące fazę ferrytu lub pierwiastki tworzące fazę austenitu. Równowaga fazowa zależy od składu chemicznego, temperatury wyżarzania i szybkości chłodzenia stali. Odporność na korozję, wytrzymałość, ciągliwość, spawalność i odkształcalność są zależne od równowagi fazowej.

Pierwiastki tworzące ferryt przyczyniają się do tworzenia fazy ferrytu, podczas gdy pierwiastki tworzące austenit sprzyjają tworzeniu się fazy austenitu. W tabeli 3 wymieniono powszechnie stosowane pierwiastki tworzące fazę ferrytu i austenitu. Gatunek stali nierdzewnej i jej zastosowanie określają wymaganą równowagę faz. Większość standardowych austenitycznych stali nierdzewnych ma niewielką ilość fazy ferrytowej podczas wyżarzania rozpuszczającego. Wyżarzanie rozpuszczające może poprawić spawalność i wytrzymałość w wysokiej temperaturze. Jeśli jednak zawartość fazy ferrytowej jest zbyt wysoka, inne właściwości, takie jak odporność na korozję i udarność, zostaną zmniejszone. Wysokowydajna austenityczna stal nierdzewna jest zaprojektowana zgodnie ze wszystkimi fazami austenitycznymi w warunkach wyżarzania rozpuszczającego.

 

Aby kontrolować skład fazowy stali, a tym samym właściwości stali, konieczne jest utrzymywanie pierwiastków stopowych w równowadze. Diagram struktury Schaefflera (rys. 5) odzwierciedla zależność między składem chemicznym stali nierdzewnej a oczekiwaną strukturą fazową w stanie krzepnięcia, co ujawnia mikrostruktura spoiny. W ten sposób użytkownicy mogą przewidzieć równowagę fazową na podstawie podanego składu chemicznego. Oblicz „ekwiwalent niklu” i „ekwiwalent chromu” ze składu chemicznego i narysuj je na rysunku. Formuła wspólnych parametrów schematu organizacyjnego Schaefflera jest następująca:

Równoważnik niklu {{0}} procent Ni plus 30 procent C plus 0,5 procent Mn plus 30 procent N

Równoważnik chromu {{0}} procent Cr plus procent Mo plus 1,5 procent Si plus 0,5 procent Nb

Typowa wysokowydajna austenityczna stal nierdzewna zawiera około 20 procent Cr, 6 procent Mo, 20 procent Ni i 0,2 procent N, co znajduje się w jednofazowej strefie fazy austenitycznej na rysunku, w pobliżu „ferrytycznej " Linia z ekwiwalentem niklu około 24 i chromem około 26. Natomiast skład chemiczny standardowej stali nierdzewnej (takiej jak 304) odpowiada strefie dupleksowej austenitu i ferrytu (A plus F) z niewielką ilością ferrytu faza. Ferrytyczna stal nierdzewna znajduje się na rysunku w strefie fazy ferrytu, a stal nierdzewna duplex znajduje się w strefie dupleksu austenitu i ferrytu (A plus F).