7.1. A korrózióálló és hőálló acélok típusai

Átírás

1 7.1. A korrózióálló és hőálló acélok típusai A korrózióálló (saválló, rozsdamentes, stainless, rostfrei, inoxydable) és a hőálló (revésedésálló, refractory, réfractaire) acélokat külön szabványba soroljuk (az utóbbiak a nikkelötvözetekkel kerültek egy szabványba), azonban nagyfokú hasonlóságuk miatt érdemes őket egy fejezetben tárgyalni. A XX. század legelején fejlesztették ki az első korrózióálló acélokat, és felhasználásuk lendületesen növekedik világszerte: éves felhasználásuk a legutóbbi évekre megközelítette a 20 millió tonnát. Az európai szabványos jelölésük X betűvel kezdődik, és rendszerint nagyon hosszú egy-egy acél betűjele, ezért célszerűbb a rövid jelet használni, illetve az USA-ban használt AISI szabvány jelöléseit, mely utóbbiban a fő ötvözőként csak Cr-t tartalmazó acélok a 400-as sorozatba, a Cr+Ni-t tartalmazók pedig a 300-as sorozatba tartoznak. 7. Korrózióálló és hőálló acélok A szövetszerkezetet ismerete nagyon lényeges, különösen a hegesztési varratok esetében, ahol az alapanyag és a hegesztőanyag keveredése befolyásolja a kialakuló szövetet. Ellenőrzésére a Schaeffler-diagram szolgál (91. ábra) modernizált formájában. Ennek tengelyeire a CrE krómegyenérték és a NiE nikkelegyenérték kerül, a sok változat közül, pl. az alábbi formulával: CrE = Cr+Mo+1,5Si+0,7Nb+0,5Ti+3Al és NiE = Ni+30C+0,5Mn+Cu/3+22Ni A korrózióállóság és a hőállóság A korrózióállóság pontosabban a nedves korrózióval vagy az elektrokémiai korrózióval szembeni ellenállás az elméletileg 1/8 mol, a gyakorlatban legalább 10 11%-nyi Cr-nak köszönhető, amely egy vékony (1 5 nm) passzív hártyát alakít ki az acél felületén, és ez megvédi a további korróziótól, ill. lassítja azt. A Mo és a Cu hozzáadása ellenállóbbá teszi ezt a passzív hártyát, és fokozza annak regenerálódását a sérülése esetén, mindez erőteljesen növeli a korrózióállóságot. A karbon rontja a korrózióállóságot! A száraz korrózió, amely a nagy hőmérsékletű gázokban alakul ki, egészen más folyamat, amellyel szemben a Cr-, a Si- és az Al-oxid teszi védetté az acélt, következésképpen a hőálló acélok ezt a két utóbbi két ötvözőt is tartalmazzák. A hőállóságot a felületen kialakuló, és onnan könnyen leválasztható reve képződési sebességének határértékéhez kötik (1 g.m 2.h 1 ) A korrózióálló acélok főcsoportjai A csoportosítás alapja a szövetszerkezet szerinti megkülönböztetés. A szövetszerkezetet pedig alapvetően az határozza meg, hogy a ferritképző és az ausztenitképző ötvözőelemek milyen mennyiségben vannak jelen. Ferritképző ötvözők: Cr, Mo, Si, Ti, Nb, Al Ausztenitképző ötvözők: Ni, Mn, C, Cu, N. 91. ábra A Schaeffler-diagram Ferrites korrózióálló acélok (MSZ EN 10088) 1. csoport: Cr 12,5%. Pl. AISI 405 (1.4002, X6CrAl13). 2. csoport: Cr 17%. Pl. AISI 430 (1.4016, X6Cr17). 3. csoport: Cr=18 30%, (C+N)<0,025% Pl. X2CrMoTi29-4, azaz Az első két csoportba a hagyományos, 0,08 0,12%-ban maximált széntartalmú típusok tartoznak (a ferrites szövetszerkezetet a 92.a. ábra mutatja), a 3. csoportba pedig az ún. szuperferrites korrózióálló acélok, amelyek szupersége a korróziós ellenállásnak a jelentős növekedésével függ össze. A ferrites hőálló acélokban 0,7 1,4% Si- és 0,7 1,7% Al-ötvözés biztosítja a revésedéssel szembeni ellenállást. A. L. Schaeffler, Constitution Diagram for Stainless Steel Weld Metal, Metal Progress, Vol 56 (No. 5), Nov 1949, p

2 A martenzites korrózióálló acélok (MSZ EN 10088) 1. csoport: C=0,15% és Cr 12,5%. Pl. AISI 410 (1.4006, X12Cr13). 2. csoport: C=0,2 04% és Cr 13,5%. Pl. AISI 420 (1.4021, X20Cr13). 3. csoport: C=0,6 1,2% és Cr 17%, Pl. AISI 440C (1.4125, X105CrMo17). 4. csoport: C<0,1%, Cr 17% és Ni 3%. Pl , azaz X4CrNiMo Az első három csoportba a hagyományos, típusok tartoznak, amelyek közül a 3. csoport tagjai nagyszéntartalmú, hipereutektoidos szövetszerkezetűek (92.b. ábra), a 4. csoportba pedig az ún. szupermartenzites korrózióálló acélok, tartoznak, amelyek szupersége a korróziós ellenállással és nagy szilárdsággal párosuló jelentős megnövekedett szívóssággal függ össze. Az ausztenites acélok (MSZ EN 10088) 1. főcsoport ( ): a). Alapösszetétel: Cr 18 és Ni 10%. Pl. AISI 304 (1.4301, X12CrNi18-10). b). Kis C-tartalmúak ( L = low carbon). Pl. AISI 304L (1.4307, X2CrNi18-09). c). Stabilizált acélok: Ti- vagy Nb-ötvözés. Pl. AISI 321 (1.4541, X6CrNiTi18-10). d). Nagy C-tartalmú: C 0,10% Pl. AISI 302 (1.4310, X10CrNi18-8). 2. főcsoport (molibdénnel ötvözöttek): a). Alapösszetétel: Cr 17, Ni 12% + Mo. Pl. 316 (1.4401, X5CrNiMo ). b). Kis C-tartalmúak ( L = low carbon). Pl. 316L (1.4404, X2CrNiMo ). c). Stabilizált acélok: Ti- vagy Nb-ötvözés. Pl. 316Cb (1.4580, X6CrNiMo ) 3. főcsoport (nitrogénnel ötvözöttek): Pl. 316LN (1.4406, X2CrNiMoN ) 4. főcsoport (szuperausztenites acélok) Pl. 904L (1.4539, X1NiCrMoCu ). A 4. főcsoportba sorolt szuperausztenites acélok korróziós ellenállása kiemelkedően jó. Az AISI 316Cb jelű acélban a Cb jelölés a columbium vegyjele (a columbium azonos a nióbiummal, de az USA-ban nem az utóbbi elnevezést kedvelik ). A hőálló acélok (MSZ EN 10095) nagyon hasonlóak a korrózióálló minőségekkel, de a Sitartalmuk nagyobb, jellemzően 1,0 2,0%. A 93. ábra jellegzetes ausztenites szövetrészleteket mutat. a) b) 92. ábra X6Cr17 ferrites (a), ill. X12Cr13 martenzites acél (b edzve és megeresztve) szövetszerkezete a) b) c) 93. ábra X4CrNi18-10 típusú (a), ill. Mn-N ötvözésű (b) ausztenites acél optikai mikroszkópos szövetképe. Titán-karbidok X6CrNiMoTi acélban (c) Az ausztenites acélok egy részének a szövetében (max. 10%) δ-ferrit is található: ez nem rontja a korrózióállóságot, de javítja a hegeszthetőséget (94. ábra). 94. ábra δ-ferrit-szigetek az ausztenites szövetben 48.

3 A duplex (ausztenit ferrites) korrózióálló acélok (MSZ EN 10088) 1. csoport ( duplex ): Cr=21 22%. Pl es (1.4362, X2CrNiN23-4) vagy 2205-ös (1.4462, X2CrNiMoN22-5-3). 2. csoport ( szuperduplex ): Cr=25 27%. Pl es (1.4410, X2CrNiMoN25-7-3). Az 1. csoportba sorolt típusok között vannak Mo-mentes és Mo-nel ötvözött típusok, a 2.-ba pedig nagyon sok speciális típus besorolható, olyanok, amelyekben az alapötvözőkön (Cr, Ni, Mo, N) kívül Cu és W is található ( ábra). A kiválásosan keményített korrózióálló acélok, PH-acélok (MSZ EN 10088) 1. csoport: közvetlenül edzhető acélok csoportja. Az M S hőmérséklet a szobahőmérséklet feletti. Szövetszerkezete a 97.a. ábrán látható. 2. csoport ( közvetve edzhető ) acélok: a martenzit-start hőmérséklet a szobahőmérsékletnél kisebb, ezért kétlépcsős hőkezelést igényelnek, szövetüket lásd a 97.b. ábrán. a) 97. ábra PH-acélok optikai mikroszkópos szövetképe b) 95. ábra Duplex acél lágyított állapotának (vízben edzve!) optikai mikroszkópos szövetképe A szövetszerkezet szerinti felosztás szemléltetésére szolgál a 98. ábra, amely ha nem is teljes részletességgel de az itt bemutatott rendszerezésnek megfelelően segítheti az áttekintést. 96. ábra Duplex acél optikai mikroszkópos szövetképe hidegen hengerelt állapotban 98. ábra A korrózióálló acélok ötvözési családfája 49.

4 7.2. Az ausztenites korrózióálló acélok jellemző tulajdonságai és alkalmazásai Az ausztenites acélokat általában vízben hűtik le a melegalakítás hőmérsékletéről ( C), tehát edzést hajtanak végre, de mivel az M S hőmérsékletük jóval kisebb, mint a szobahőmérséklet, a γ-vas nem alakul át martenzitté, hanem megmarad: ezt a hőkezelést ausztenites lágyításnak nevezik. Ha lassan hűl az ausztenites acél, gyakran felkeményedik, mivel az C hőmérséklet-tartományban a Fe és a Cr közös vegyülete a σ-fázis, Cr-karbidok vagy más vegyület válhat ki benne. Az LKK kristályrács magyarázza a viszonylag csekély szilárdságot és a nagy szívósságot. A hidegalakítás következtében (hengerlés, mélyhúzás, hajlítás stb.) rendkívül erősen felkeményednek (99. ábra), aminek az oka az, hogy az alakítás hatására az ausztenit egyre nagyobb része alakul át martenzitté. Az ausztenites acéloknál tehát nem csak az alakítási keményedés működik, hanem az alakváltozás indukálta fázisátalakulás is. Ez a jelenség nem mindenkor kívánatos: nagyon megnehezítheti a lemezalakítási műveleteket, és a forgácsolást. A korrózióálló acélok nevükkel ellentétben ugyancsak korrodálódnak. A korróziótípusokat, amelyek száma több tucatra rúg, a megjelenési formájuk szerint két nagy csoportba soroljuk: általános korrózió (a teljes felületen) és helyi korrózió (az anyag egyes pontjain). A ábrán a korrózióálló acélok legjellegzetesebb helyikorróziós típusai láthatók: lyukkorrózió (pitting corrosion), réskorrózió (crevice corrosion), szemcsehatármenti korrózió (103. ábra) és feszültségkorrózió (104. ábra) ábra Az általános korrózió megjelenési formája Folyáshatár R p0,2 [MPa] Folyáshatár Nyúlás Nyúlás [%] 101. ábra A réskorrózió megjelenési formája Hidegalakítás mértéke [ % ] 99. ábra Ferrites korrózióálló acélok ütőmunkájának változása (Michel Colombié) Az ausztenites korrózióálló acélok jól alkalmazhatók nagy hőmérsékleteken is, kb. 750 Cig hőállók és kúszásállók is. A nagy hőmérsékleten fontos tulajdonságokat a N-nel és a B-ral való ötvözés javítja. A korrózióállóság jobb megértéséhez annyi korróziós alapismeret hozzátartozik, hogy a korrózió 2 nagy csoportját és a legjellegzetesebb korróziótípusokat megnevezzük. A korrózió két fő csoportja tehát: a nedves korrózió (elektrokémiai korrózió) és a száraz korrózió (forró gázokban) ábra Lyukkorróziós bemaródások képei és metszetei 50.

5 Alkalmazási példák T 0 K-ig tartályok, csövek, készülékek. Nem lévén mágneses: műszerek, órák, mágneslemez-redőny (de a hidegalakítás hatására mágnesezhetővé válik). Atomerőművi berendezések, hőcserélők. Vákuumtechnikai berendezések reaktora, csövei, szerelvényei. Élelmiszeripari készülékek, berendezések. Épületburkolat, bútor, konyhai eszközök ábra Szemcsehatármenti korrózió ausztenites acélban 104. ábra Feszültségkorrózió ausztenites acélban A szemcsehatármenti korróziót az idézi elő, hogy a krisztallithatárokon kiváló karbidok amelyek krómtartalma több mint 60% lokálisan elvonják a krómot a szilárd oldatból, és a lecsökkent Cr-tartalmú anyag könnyen reagál a korróziós hatású közeggel. Ehhez természetesen karbon is szükséges, és a 0,03%-nál nagyobb C- tartalmú ausztenites acélok nagyon hajlamosak erre a károsodásra ( szenzibilisek ). Éppen a szenzibilizáció elkerülése miatt fejlesztették ki egyrészt a Ti-, ill. Nb-ötvözésű csoportokat, amelyekben a krómnál erősebb karbidképzők lekötik a C-t, másrészt pedig az extra kis C-tartalmú acélokat. A forgácsolhatóság javítására kénnel (S) ötvözött típusok is léteznek. Ha a C-tartalom 0,02% helyett csak a duplájára nő az acélban, a szenzibilizáció kb. 40 gyorsabban következik be (kb. 1 óra alatt), míg ha tovább duplázódik (0,08%), már bő fél perc is elegendő hozzá, s ez hegesztéskor be is következik ábra Ausztenites korrózióálló acélok alkalmazásai 51.

6 7.3. A ferrites korrózióálló acélok jellemző 2. csoport tulajdonságai és alkalmazásai Háztartási villamos gépek, üzemi konyhai szerelvények, lefolyórendszerek. A szövetszerkezetük ferrites, vagyis LKK szilárd oldatból és esetleg a Cr krbidjaiból, Tejipari berendezések. nitridjeiből áll. Mivel nem ausztenitesíthető, nagy 3. csoport (szuperferrites acélok). hőmérsékleten hajlamos a szemcsedurvulásra: ez Tengervizes hőcserélők csövei. hegesztésnél gyakran bekövetkezik. A 750 C-nál Geotermikus hőcserélők csövei, lemezei. kisebb hőmérsékleteken a Fe és a Cr közös vegyülete a σ-fázis vagy az α -fázis képződhet, Karbamidgyártás berendezései. Olajipari berendezések (szerves savak). amelyek csökkentik a szívósságát. A ferrites acélok szívóssága a hőmérséklet csökkenésével romlik: minél több krómot tartalmaznak, annál nagyobb lesz a képlékeny rideg átmeneti hőmérsékletük (ez kedvezőtlen ): ezt lehet megfigyelni a 106. ábrán, amely különféle Cr-tartalmú ferrites acélok ütőmunkáját mutatja. Az ábrába bejelöltük a KV=40 J értékhez tartozó átmeneti hőmérsékletet is. Charpy-féle ütõmunka [J] Képlékeny - rideg átmeneti hőmérséklet 13% Cr 15% Cr 17% Cr 18% Cr 33% Cr Hőmérséklet [ C] 106. ábra Ferrites korrózióálló acélok ütőmunkájának változása (Michel Colombié) A nagyobb Cr-tartalmú ferrites ridegtörésre való hajlama azt jelenti, hogy csak vékony lemezek, huzalok és vékony falú csövek formájában célszerű ezeket a minőségeket felhasználni. A növelt hőmérsékleten bekövetkező kiválási folyamatok miatt alkalmazásuk felső határa C. A ferrites acélok korróziós jellemzőit nem tárgyaljuk, mindössze azt jegyezzük meg, hogy olyan esetekben célszerű az ausztenites acélok helyett alkalmazni őket, amikor a Cl -ionok vagy más halogenid-ionok vannak jelen a felületen Alkalmazási példák 1. csoport Autóipar: kipufogók, katalizátordobok. Fémbútorok. Cukoripari berendezések vékony csövei ábra Ferrites korrózióálló acélok alkalmazási példái 52.

7 7.4. A martenzites korrózióálló acélok jellemző tulajdonságai és alkalmazásai Általában nemesített állapotban (edzés + megeresztés) kerülnek felhasználásra. Az 1. csoportjuk kivételével levegőn hűtve is edzhetők C között kiválásosan keményíthetők, amely finoman diszpergált karbidok képződésének eredménye. A 3. csoportba sorolt martenzites acélok szilárdsága nemesített állapotban is igen nagy, folyáshatáruk akár 180 MPa-t is elér. A szupermartenzites acélok (4. csoport) 690 MPa folyáshatárához 12% nyúlás társul, s így jól alkalmazhatók erősen igénybevett, nagy méretű forgógépek tengelyeiként. A martenzites acélok korróziós jellemzőit nem tárgyaljuk Alkalmazási példák 1. csoport Szelepek, csapok, csavarok. 2. csoport Evőeszközök, konyhai eszközök. 3. csoport Sebészeti eszközök, forgácsolószerszámok. 4. csoport Nagy méretű szelepek, szivattyúk, kompresszorok, vízturbinák, gőzturbinák és hajómotorok tengelye, periszkópcsövek ábra Martenzites korrózióálló acélok alkalmazásai 109. ábra Martenzites korrózióálló acélok alkalmazásai 53.

8 7.5. A duplex korrózióálló acélok jellemző A duplex acélok folyáshatára 2 3-szorosa is tulajdonságai és alkalmazásai lehet az ausztenites típusokénak, ezért ugyanolyan mechanikai terhelés esetén jóval kisebb önsúlyú (saját tömegű) szerkezet tervezése is lehet- A szövetszerkezet 40 60% δ-ferritet tartalmaz, ennek értéke erősen függ a gyártás utolsó fázisában végzett vízhűtés kezdőhőmérsékletétől séges. A korróziós sajátosságaikról csak a lényeget emeljük ki: a kloridion-tartalmú közegekben 110. ábra). A duplex acélok nagyon érzékenyek lényegesen jobban ellenállnak a lyukkorrózióval a hőfolyamatokra: minél több ötvözőt tartalmaznak, annál gyorsabban képződhetnek bennük és a feszültségkorrózióval szemben, mint az ausztenites acélok: ezt szemlélteti a 111. ábra. nitridek és intermetallikus fázisok (karbidok nemigen, ui. kevés szenet tartalmaznak) Alkalmazási példák (T MAX =250 C). Az olajipar, papíripar, vegyipar kloridos 60 Ausztenit (sósav, hipó ) folyamatainak berendezései. Tengervizes hőcserélők, sótalanítóberendezések, tankhajók, tengeri hidak. 50 Hőcserélők, füstgáz-kéntelenítők. Ferrittartalom [ tömeg-% ] 40 Ferrit A vízhűtés kezdőhőmérséklete [ C ] 110. ábra A duplex korrózióálló acélok szövetelemeinek aránya az edzési hőmérséklet függvényében (Colombié) Hőmérséklet [ C] NINCS FESZÜLTSÉGKORRÓZIÓ VAN NINCS VAN Duplex acél Ausztenites acél pl. AISI 304, Kloridion-koncentráció [tömeg-%] LYUKKORRÓZIÓ Duplex acél 75 Hőmérséklet [ C] NINCS VAN AISI 304 AISI ,01 0,1 1 Kloridion-koncentráció [tömeg-%] 111. ábra A duplex és az ausztenites acélok korróziós jellemzőinek összehasonlítása 112. ábra A duplex korrózióálló acélok alkalmazásai 54.