Guide till högpresterande austenitiskt rostfritt stål -- metallurgisk översikt

1. Typer av rostfritt stål

Rostfritt stål är en järnbaserad legering med en kromhalt på minst 10,5 procent. Det används ofta på grund av dess goda korrosionsbeständighet och höga temperaturprestanda. När kromhalten når 10,5 procent kommer ett skikt av kromrik oxid att bildas på stålytan, vilket kallas passiveringsskikt eller passiveringsfilm. Denna film skyddar rostfritt stål från rost som vanligt stål. Det finns många typer av rostfritt stål, men allt rostfritt stål bör uppfylla kravet på lägsta krominnehåll.

Rostfritt stål delas in i fem kategorier: austenitiskt rostfritt stål, ferritiskt rostfritt stål, duplext rostfritt stål (med blandad struktur av ferrit och austenit), martensitiskt rostfritt stål och utfällningshärdande rostfritt stål. Klassificeringen av dessa kategorier är relaterad till kristallstrukturen (atomarrangemang) och värmebehandling av rostfritt stål. En grupp kristaller med samma kristallstruktur i en metall kallas en fas. Det finns tre huvudfaser i rostfritt stål: austenit, ferrit och martensit. Typen och kvantiteten av metallografisk struktur av rostfritt stål kan bestämmas med standard metallografisk inspektionsprocess och optiskt metallografiskt mikroskop.

Utmärkande för austenitiskt rostfritt stål är att den metallografiska strukturen huvudsakligen är austenitisk. Kristallstrukturen av austenitfas är en ansiktscentrerad kubisk (fcc) struktur, det vill säga det finns en atom i varje hörn och mitt på varje sida av kuben. Däremot är ferritfasens kristallstruktur kroppscentrerad kubisk (bcc) struktur, med en atom i varje hörn och mitt i kuben. Kristallstrukturen i martensitfasen är högspänningskroppscentrerad tetragonal struktur.

Austenitfasens kristallstruktur är ansiktscentrerat kubiskt (fcc) gitter, ferritfasen är kroppscentrerat kubiskt (bcc) gitter, och martensitfasen är kroppscentrerat tetragonalt (bct) gitter.

 

1.1 Austenitiskt rostfritt stål:

Austenitiskt rostfritt stål har ingen magnetism, medelhög sträckgräns, hög arbetshärdningshastighet, hög draghållfasthet, god plasticitet och utmärkt seghet vid låg temperatur. Till skillnad från andra rostfria stål minskar segheten hos austenitiska rostfria stål långsamt med sjunkande temperatur. Austenitiskt rostfritt stål har ingen bestämd segt-spröd övergångstemperatur (DBTT), så det är ett idealiskt material för lågtemperaturapplikationer.

Diagram över duktil-spröd övergångstemperatur (DBTT) av austenitiskt, ferritiskt och duplex (austenitiskt-ferritiskt) rostfritt stål. Den faktiska DBTT beror på snitttjocklek, kemisk sammansättning och kornstorlek. DBTT för ferritiskt rostfritt stål är i allmänhet 20 till - 30 grader C (70 till - 22 grader F).

 

Austenitiskt rostfritt stål har god svetsbarhet och kan tillverkas i olika komplexa former. Denna serie av rostfria stål kan inte härdas eller förstärkas genom värmebehandling, men kan förstärkas genom kallformning eller arbetshärdning (se ASTM A666). Austenitiskt rostfritt stål, särskilt standard austenitiskt rostfritt stål, har en potentiell nackdel, det vill säga, jämfört med ferritiskt rostfritt stål och duplext rostfritt stål, är det benäget att spricka kloridspänningskorrosion.

300-serien eller standard austenitiskt rostfritt stål innehåller i allmänhet 8 procent ~11 procent nickel och 16 procent ~20 procent krom. Den metallografiska strukturen hos standard austenitiskt rostfritt stål består huvudsakligen av austenitiska korn och innehåller en liten mängd (vanligtvis 1~5 procent) δ ferritfas (fig. 3). På grund av närvaron av ferritfas har dessa austenitiska rostfria stål en liten magnetism.

Den typiska metallografiska strukturen hos smidet rostfritt stål 304L består av austenitiska korn och individuella remsor av ferrit © TMR Stainless.

 

Jämfört med rostfritt stål i 300-serien har austenitiskt rostfritt stål i 200-serien lägre Ni-innehåll, men högre Mn- och N-innehåll. Styrkan och töjningshärdningskoefficienten för 200-seriens rostfria stål är högre än för 300-seriens rostfria stål. På grund av det låga nickelinnehållet används 200-seriens rostfria stål ibland som ett billigt substitut för 300-seriens rostfria stål.

Mikrostrukturen hos högpresterande austenitiskt rostfritt stål är helt i austenitisk fas utan ferromagnetism (Fig. 4). Jämfört med standard austenitiskt rostfritt stål innehåller högpresterande austenitiskt rostfritt stål mer nickel, krom och molybdenelement och innehåller i allmänhet kväve. Dessa rostfria stål har stark korrosionsbeständighet i korrosiva miljöer som stark syra, stark alkali och hög kloridhalt, inklusive bräckt vatten, havsvatten och saltvatten. Jämfört med standard austenitiskt rostfritt stål har högpresterande austenitiskt rostfritt stål högre hållfasthetsgrad och bättre motståndskraft mot spänningskorrosionssprickor.

Metallografisk struktur av 6 procent Mo högpresterande austenitiskt rostfritt stål, allt sammansatt av austenitiska korn © TMR Stainless.

 

1.2 Ferritiskt rostfritt stål:

Mikrostrukturen hos ferritiskt rostfritt stål är ferritfas. Ferritiskt rostfritt stål har låg eller ingen nickelhalt och är ferromagnetiskt. Den kan inte härdas genom värmebehandling. De ferromagnetiska egenskaperna hos denna typ av rostfritt stål liknar dem hos kolstål. Ferritiskt rostfritt stål har god hållfasthet och motståndskraft mot kloridspänningskorrosionssprickor är mycket bättre än austenitiskt rostfritt stål i standard 300-serien. Deras formbarhet och svetsbarhet är dock dålig. Deras seghet är inte lika bra som austenitiskt rostfritt stål och kommer att minska med ökningen av snitttjockleken. Med sänkningen av temperaturen kommer ferritiskt rostfritt stål att visa uppenbar duktil-spröd övergång. Begränsad av dessa faktorer är användningen av ferritiskt rostfritt stål vanligtvis begränsad till produkter med tunnare väggtjocklek, såsom tunna plattor, remsor och tunnväggiga rör.

 

1.3 Duplex rostfritt stål:

Duplext rostfritt stål består av ferritfas och austenitfas, var och en står för ungefär hälften. Duplext rostfritt stål har många egenskaper hos austenitiskt och ferritiskt rostfritt stål. Även om värmebehandling inte kan härda sådana stål, är deras sträckgräns vanligtvis dubbelt så hög som för standard austenitiskt rostfritt stål, och deras magnetiska attraktion är proportionell mot volymfraktionen av ferritfas. Duplexegenskapen hos den metallografiska strukturen av duplext rostfritt stål gör dess motståndskraft mot spänningskorrosionssprickor bättre än för standard austenitiskt rostfritt stål.

 

1.4 Martensitiskt rostfritt stål:

Mikrostrukturen hos martensitiskt rostfritt stål är huvudsakligen martensit, som kan innehålla en liten mängd sekundära faser som ferrit, austenit och karbid. Martensitiskt rostfritt stål är ferromagnetiskt och liknar kolstål. Den slutliga hårdheten beror på den specifika värmebehandlingen. Martensitiskt rostfritt stål har hög hållfasthet, god slitstyrka, dålig seghet och hög duktil-spröd övergångstemperatur. De är svåra att svetsa och kräver i allmänhet värmebehandling efter svetsning. Därför är martensitiskt rostfritt stål i allmänhet begränsat till icke-svetsningsapplikationer. Kromhalten i martensitiskt rostfritt stål är inte för hög. Vissa kromelement fälls ut i form av karbider, vilket resulterar i låg korrosionsbeständighet, generellt lägre än standard austenitiskt rostfritt stål 304/304L. På grund av dess dåliga seghet och korrosionsbeständighet används martensitiskt rostfritt stål i allmänhet för applikationer som kräver hög hållfasthet och hårdhet, såsom verktyg, fästelement och axlar.

 

1.5 Nederbördshärdat rostfritt stål:

Nederbördshärdande (PH) rostfritt stål kan också förstärkas genom värmebehandling. Den grundläggande egenskapen hos denna typ av rostfritt stål är att dess partiella förstärkning uppnås genom utfällningsmekanism. Fina intermetalliska fällningar produceras genom åldringshärdande värmebehandling för att förbättra styrkan. På grund av högt krominnehåll har utfällningshärdande rostfritt stål bättre korrosionsbeständighet än martensitiskt rostfritt stål och är lämpligt för höghållfasta applikationer som kräver god korrosionsbeständighet. Nederbördshärdande rostfritt stål används främst för fjädrar, fästelement, flygplansdelar, axlar, kugghjul, bälgar och jetmotordelar.

 

2. Fassammansättning:

Legeringselementen påverkar fasjämviktsförhållandet och har ett starkt inflytande på stabiliteten hos austenit-, ferrit- och martensitfaser. Element som tillsätts till rostfritt stål kan delas in i ferritfasbildande element eller austenitfasbildande element. Fasjämvikten beror på stålets kemiska sammansättning, glödgningstemperatur och kylhastighet. Korrosionsbeständighet, styrka, seghet, svetsbarhet och formbarhet påverkas alla av fasjämvikt.

Ferritbildande element bidrar till bildningen av ferritfas, medan austenitbildande element främjar bildningen av austenitfas. Tabell 3 listar vanliga ferrit- och austenitfasbildande element. Graden av rostfritt stål och dess tillämpning bestämmer den erforderliga fasbalansen. De flesta standard austenitiska rostfria stål har en liten mängd ferritfas under lösningsglödgning. Lösningsglödgning kan förbättra svetsbarheten och segheten vid hög temperatur. Men om halten av ferritfas är för hög kommer andra egenskaper såsom korrosionsbeständighet och seghet att minska. Högpresterande austenitiskt rostfritt stål är designat enligt alla austenitiska faser under lösningsglödgningsförhållanden.

 

För att kontrollera stålets fassammansättning och därmed stålets egenskaper är det nödvändigt att hålla legeringselementen i jämvikt. Schaeffler-strukturdiagrammet (fig. 5) återspeglar förhållandet mellan den kemiska sammansättningen av rostfritt stål och den förväntade fasstrukturen i stelningstillståndet, vilket framgår av svetsmikrostrukturen. På så sätt kan användare förutsäga fasjämvikten baserat på den givna kemiska sammansättningen. Beräkna "nickelekvivalenten" och "kromekvivalenten" från den kemiska sammansättningen och rita dem i figuren. Formeln för gemensamma parametrar i Schaefflers organisationsdiagram är följande:

Nickel ekvivalent {{0}} procent Ni plus 30 procent C plus 0,5 procent Mn plus 30 procent N

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

Det typiska högpresterande austenitiska rostfria stålet innehåller cirka 20 procent Cr, 6 procent Mo, 20 procent Ni och 0,2 procent N, vilket är beläget i den enfasiga austenitiska faszonen i figuren, nära "ferritisk" " linje med nickelekvivalent på cirka 24 och kromekvivalent på cirka 26. Däremot motsvarar den kemiska sammansättningen av standard rostfritt stål (som 304) duplexzonen av austenit plus ferrit (A plus F) med en liten mängd ferrit fas. Ferritiskt rostfritt stål är i ferritfaszonen i figuren och duplext rostfritt stål finns i austenit plus ferrit (A plus F) duplexzonen.