Průvodce po vysoce výkonné austenitické nerezové oceli -- Přehled metalurgie

1. Druhy nerezové oceli

Nerezová ocel je slitina na bázi železa s obsahem chrómu nejméně 10,5 procenta. Je široce používán kvůli své dobré odolnosti proti korozi a vysokým teplotám. Když obsah chrómu dosáhne 10,5 procenta, na povrchu oceli se vytvoří vrstva oxidu bohatého na chrom, která se nazývá pasivační vrstva nebo pasivační film. Tato fólie chrání nerezovou ocel před korozí jako běžná ocel. Existuje mnoho druhů nerezové oceli, ale všechny nerezové oceli by měly splňovat požadavek na minimální obsah chrómu.

Nerezová ocel se dělí do pěti kategorií: austenitická nerezová ocel, feritická nerezová ocel, duplexní nerezová ocel (se smíšenou strukturou feritu a austenitu), martenzitická nerezová ocel a precipitačně kalená nerezová ocel. Klasifikace těchto kategorií souvisí s krystalovou strukturou (atomovým uspořádáním) a tepelným zpracováním nerezové oceli. Skupina krystalů se stejnou krystalovou strukturou v kovu se nazývá fáze. Nerezová ocel má tři hlavní fáze: austenit, ferit a martenzit. Typ a množství metalografické struktury nerezové oceli lze určit standardním procesem metalografické kontroly a optickým metalografickým mikroskopem.

Charakteristickým znakem austenitické nerezové oceli je, že metalografická struktura je převážně austenitická. Krystalová struktura austenitové fáze je plošně centrovaná krychlová (fcc) struktura, to znamená, že v každém rohu a středu každé strany krychle je atom. Naproti tomu krystalová struktura feritové fáze je krychlová struktura centrovaná na tělo (bcc), s jedním atomem v každém rohu a středu krychle. Krystalová struktura martenzitické fáze je na tělo centrovaná tetragonální struktura s vysokým napětím.

Krystalová struktura austenitové fáze je plošně centrovaná kubická (fcc) mřížka, feritová fáze je tělo centrovaná kubická (bcc) mřížka a martenzitická fáze je tělo centrovaná tetragonální (bct) mřížka.

 

1.1 Austenitická nerezová ocel:

Austenitická nerezová ocel nemá žádný magnetismus, střední mez kluzu, vysokou rychlost mechanického kalení, vysokou pevnost v tahu, dobrou plasticitu a vynikající houževnatost při nízkých teplotách. Na rozdíl od jiných korozivzdorných ocelí se houževnatost austenitických korozivzdorných ocelí snižuje pomalu s poklesem teploty. Austenitická nerezová ocel nemá žádnou jednoznačnou duktilně-křehkou přechodovou teplotu (DBTT), takže je ideálním materiálem pro nízkoteplotní aplikace.

Diagram přechodové teploty tvárné-křehké (DBTT) austenitické, feritické a duplexní (austeniticko-feritické) nerezové oceli. Skutečná DBTT závisí na tloušťce řezu, chemickém složení a velikosti zrna. DBTT feritické nerezové oceli je obecně 20 až - 30 stupňů C (70 až - 22 stupňů F).

 

Austenitická nerezová ocel má dobrou svařitelnost a lze z ní vyrobit různé složité tvary. Tuto řadu nerezových ocelí nelze kalit ani zpevňovat tepelným zpracováním, ale lze je zpevnit tvářením za studena nebo kalením (viz ASTM A666). Austenitická nerezová ocel, zejména standardní austenitická nerezová ocel, má potenciální nevýhodu, tj. ve srovnání s feritickou nerezovou ocelí a duplexní nerezovou ocelí je náchylná k chloridovému koroznímu praskání.

Řada 300 nebo standardní austenitická nerezová ocel obecně obsahuje 8 procent ~ 11 procent niklu a 16 procent ~ 20 procent chrómu. Metalografická struktura standardní austenitické nerezové oceli se skládá hlavně z austenitických zrn a obsahuje malé množství (obecně 1~5 procent) δ feritové fáze (obr. 3). Kvůli přítomnosti feritové fáze mají tyto austenitické nerezové oceli malý magnetismus.

Typická metalografická struktura kované nerezové oceli 304L se skládá z austenitických zrn a jednotlivých pásových feritů © TMR Stainless.

 

Ve srovnání s nerezovou ocelí řady 300 má austenitická nerezová ocel řady 200 nižší obsah Ni, ale vyšší obsah Mn a N. Pevnost a koeficient deformačního zpevnění nerezové oceli řady 200 jsou vyšší než u nerezové oceli řady 300. Kvůli nízkému obsahu niklu se někdy používá nerezová ocel řady 200 jako levná náhrada za nerezovou ocel řady 300.

Mikrostruktura vysoce výkonné austenitické nerezové oceli je celá austenitická fáze bez feromagnetismu (obr. 4). Ve srovnání se standardní austenitickou nerezovou ocelí obsahuje vysoce výkonná austenitická nerezová ocel více prvků niklu, chrómu a molybdenu a obecně obsahuje dusík. Tyto nerezové oceli mají silnou odolnost proti korozi v korozivních prostředích, jako jsou silné kyseliny, silné alkálie a média s vysokým obsahem chloridů, včetně poloslané vody, mořské vody a slané vody. Ve srovnání se standardní austenitickou nerezovou ocelí má vysoce výkonná austenitická nerezová ocel vyšší pevnostní třídu a lepší odolnost proti praskání korozí pod napětím.

Metalografická struktura 6 procent Mo vysoce výkonné austenitické nerezové oceli, vše složeno z austenitických zrn © TMR Stainless.

 

1.2 Feritická nerezová ocel:

Mikrostruktura feritické nerezové oceli je feritová fáze. Feritická nerezová ocel má nízký nebo žádný obsah niklu a je feromagnetická. Nelze jej vytvrdit tepelným zpracováním. Feromagnetické vlastnosti tohoto typu nerezové oceli jsou podobné vlastnostem uhlíkové oceli. Feritická nerezová ocel má dobrou pevnost a odolnost proti chloridovému koroznímu praskání je mnohem lepší než standardní austenitická nerezová ocel řady 300. Jejich tvarovatelnost a svařitelnost jsou však špatné. Jejich houževnatost není tak dobrá jako u austenitické nerezové oceli a bude klesat s rostoucí tloušťkou průřezu. S poklesem teploty bude feritická nerezová ocel vykazovat zřejmý přechod tvárný-křehký. Použití feritické nerezové oceli je omezeno těmito faktory a je obvykle omezeno na výrobky s tenčí tloušťkou stěny, jako jsou tenké desky, pásy a tenkostěnné trubky.

 

1.3 Duplexní nerezová ocel:

Duplexní nerezová ocel se skládá z feritové fáze a austenitové fáze, z nichž každá představuje asi polovinu. Duplexní nerezová ocel má mnoho vlastností austenitické a feritické nerezové oceli. Ačkoli tepelné zpracování nemůže takové oceli vytvrdit, jejich mez kluzu je obvykle dvakrát vyšší než u standardní austenitické nerezové oceli a jejich magnetická přitažlivost je úměrná objemovému podílu feritové fáze. Duplexní vlastnost metalografické struktury duplexní nerezové oceli činí její odolnost proti praskání korozí napětím lepší než u standardní austenitické nerezové oceli.

 

1.4 Martenzitická nerezová ocel:

Mikrostruktura martenzitické nerezové oceli je převážně martenzit, který může obsahovat malé množství sekundárních fází, jako je ferit, austenit a karbid. Martenzitická nerezová ocel je feromagnetická a podobná uhlíkové oceli. Konečná tvrdost závisí na konkrétním tepelném zpracování. Martenzitická nerezová ocel má vysokou pevnost, dobrou odolnost proti opotřebení, špatnou houževnatost a vysokou přechodovou teplotu tažnost-křehkost. Jsou obtížně svařitelné a obecně vyžadují tepelné zpracování po svařování. Proto je martenzitická nerezová ocel obecně omezena na nesvařovací aplikace. Obsah chrómu v martenzitické nerezové oceli není příliš vysoký. Některé prvky chromu se vysrážejí ve formě karbidů, což má za následek nízkou odolnost proti korozi, obecně nižší než u standardní austenitické nerezové oceli 304/304L. Kvůli své nízké houževnatosti a odolnosti proti korozi se martenzitická nerezová ocel obecně používá pro aplikace vyžadující vysokou pevnost a tvrdost, jako jsou nástroje, spojovací prvky a hřídele.

 

1.5 Precipitačně kalená nerezová ocel:

Precipitační kalení (PH) nerezová ocel může být také zpevněna tepelným zpracováním. Základní vlastností tohoto typu nerezové oceli je, že její částečné zpevnění je dosaženo precipitačním mechanismem. Jemné intermetalické precipitáty se vyrábějí tepelným zpracováním stárnutím, aby se zlepšila pevnost. Díky vysokému obsahu chrómu má precipitační kalená nerezová ocel lepší odolnost proti korozi než martenzitická nerezová ocel a je vhodná pro vysoce pevné aplikace vyžadující dobrou odolnost proti korozi. Precipitační kalená nerezová ocel se používá hlavně na pružiny, spojovací prvky, součásti letadel, hřídele, ozubená kola, měchy a části proudových motorů.

 

2. Fázové složení:

Legující prvky ovlivňují vztah fázové rovnováhy a mají silný vliv na stabilitu austenitové, feritové a martenzitické fáze. Prvky přidávané do nerezové oceli lze rozdělit na prvky tvořící feritovou fázi nebo prvky tvořící austenitickou fázi. Fázová rovnováha závisí na chemickém složení, teplotě žíhání a rychlosti ochlazování oceli. Odolnost proti korozi, pevnost, houževnatost, svařitelnost a tvarovatelnost jsou ovlivněny fázovou rovnováhou.

Ferit tvořící prvky přispívají k tvorbě feritové fáze, zatímco austenit tvořící prvky podporují tvorbu austenitové fáze. Tabulka 3 uvádí běžné prvky tvořící fázi feritu a austenitu. Druh nerezové oceli a její použití určují požadovanou fázovou rovnováhu. Většina standardních austenitických nerezových ocelí má při rozpouštěcím žíhání malé množství feritové fáze. Roztokové žíhání může zlepšit svařitelnost a houževnatost při vysoké teplotě. Pokud je však obsah feritové fáze příliš vysoký, sníží se další vlastnosti, jako je odolnost proti korozi a houževnatost. Vysoce výkonná austenitická nerezová ocel je navržena pro všechny austenitické fáze za podmínek rozpouštěcího žíhání.

 

Pro řízení fázového složení oceli a tím i vlastností oceli je nutné udržovat legovací prvky v rovnováze. Schaefflerův strukturní diagram (obr. 5) odráží vztah mezi chemickým složením nerezové oceli a očekávanou fázovou strukturou ve stavu tuhnutí, jak je patrné z mikrostruktury svaru. Tímto způsobem mohou uživatelé předpovídat fázovou rovnováhu na základě daného chemického složení. Z chemického složení vypočítejte „ekvivalent niklu“ a „ekvivalent chrómu“ a zakreslete je do obrázku. Vzorec společných parametrů organizačního diagramu Schaeffler je následující:

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

Ekvivalent chrómu{{0}} procent Cr plus procento Mo plus 1,5 procenta Si plus 0,5 procenta Nb

Typická vysoce výkonná austenitická nerezová ocel obsahuje asi 20 procent Cr, 6 procent Mo, 20 procent Ni a 0,2 procenta N, která se na obrázku nachází v zóně jednofázové austenitické fáze, poblíž "feritického " čára s ekvivalentem niklu asi 24 a ekvivalentem chrómu asi 26. Oproti tomu chemické složení standardní nerezové oceli (jako je 304) odpovídá duplexní zóně austenitu plus feritu (A plus F) s malým množstvím feritu fáze. Feritická nerezová ocel je na obrázku v zóně feritové fáze a duplexní nerezová ocel je v duplexní zóně austenit plus ferit (A plus F).