Korozivzdorné oceli

Váš svět, naše znalosti
Technické informace - korozivzdorné oceli
Vlastnosti korozivzdorných ocelí
Tento článek se zabývá často se vyskytujícími typy korozivzdorných ocelí (běžně nerezová ocel)
a duplexních korozivzdorných ocelí (dvoufázová struktura; poměr feritu a austenitu je asi 50:50). Je
potřeba se stručně seznámit s jejich charakteristickými vlastnostmi.
Obecně se dělí na feritické a austenitické korozivzdorné oceli. Liší se použitými přísadovými prvky.
Feritické oceli obvykle obsahují jako legovací přísadu 12-18% chromu, zatímco austenitické obsahují
kromě asi 18% chromu ještě alespoň 8% niklu.
Austenitická korozivzdorná ocel - obecné rozdělení
Tabulka 1 podává přehled o složení a mechanických vlastnostech řady austenitických ocelí.
Základním typem austenitických ocelí je 302, který je více známý pod označením 18 - 8. Jde o název,
který se často dává i jiným typům z této skupiny oceli. Rozčlenění je na základě obsahu legujících
prvků. Jako hlavní legující prvky lze ještě uvést molybden, mangan, titan, křemík, wolfram, vanad,
kobalt a niob.
Těmito složkami se dosahuje požadovaných vlastností, které má materiál mít podle účelu použití.
Duplexní oceli kombinují výhody těchto vlastností.
Tabulka 1: Složení a mechanické vlastnosti austenitických nerezových ocelí:
Typ
Nominální
složení
[%]
Stav
(a,b)
AISI 301
1.4310
X10CrNi18-8
max.0,15C;
16-19,5Cr;
6,0-9,5Ni
max. 0,15C;
17-19Cr;
8-10Ni
max. 0,15C;
17-19Cr;
8,0-10Ni;
0,60Mo
max. 0,07C;
18-20Cr;
8-12Ni
max. 0,12C;
17-19Cr;
10-13Ni
max. 0,08C;
19-21Cr;
10-12Ni
max. 0,20C;
22-24Cr;
12-15Ni
max. 0,25C;
24-26Cr;
19-22Ni
max. 0,25C;
23-26Cr;
19-22Ni
max. 0,08C;
16-18Cr;
10-14Ni;
2,0-3,0Mo
max. 0,08C;
18-20Cr;
11-15Ni;
3,0-4,0Mo
max. 0,08C;
17-19Cr;
9-12Ni
Ti =
min.5xC
max. 0,08C;
17-19Cr;
9-13Ni;
Nb+Ta=
min. 10xC
žíhané na měkko
zpevněné/tvářené
za studena
žíhané na měkko
zpevněné/tvářené
za studena
žíhané na měkko
zpevněné/tvářené
za studena
AISI 302
AISI 303
AISI 304
1.4301
X5CrNi18-10
AISI 305
1.4303
X4CrNi18-12
AISI 308
AISI 309
AISI 310
AISI 314
AISI 316
1.4401
X5CrNiMo
17-12-2
AISI 317
AISI 321
1.4541
X6CrNiTi1810
AISI 347
Mez
kluzu
[ MPa ]
Pevnost
v tahu
[ MPa ]
Tažnost
[%]
Tvrdost
podle
Brinella
[ N/mm2 ]
165
275
760
60
až 1035
až 1275
60-8
275
až 1035
620
až 1240
55
55-10
240
až 690
620
až 1240
žíhané na měkko
zpevněné/tvářené
za studena
žíhané na měkko
240
až 1035
Tvrdost
podle
Rockwella
[ HRC ]
Vrubová
houževnatost
(c)
[J]
B85
135
až C41
-
155
B82
až C35
135
-
55
55-30
160
až 350
B84
až C35
115
-
585
až 1240
55
55-10
150
až 330
B80
až C35
135
-
255
585
55
156
B82
135
-
žíhané na měkko
zpevněné/tvářené
za studena
žíhané na měkko
240
až 1035
585
až 1240
55
55-10
150
až 330
B80
až C35
135
-
275
620
65
165
B85
135
-
žíhané na měkko
275
655
65
170
B87
135
-
žíhané na měkko
zpevněné/tvářené
za studena
žíhané na měkko
zpevněné/tvářené
za studena
345
až 860
690
až 1035
40
40-10
180
-
B90
až C30
120
-
240
až 860
585
až 1035
55
55-10
150
až 300
B80
až C30
120
-
žíhané na měkko
275
620
55
160
B85
120
-
žíhané na měkko
zpevněné/tvářené
za studena
240
až 860
600
až 1035
55
55-10
150
až 300
B80
až C30
120
-
žíhané na měkko
zpevněné/tvářené
za studena
240
až 860
643
až 1035
55
55-10
160
až 300
B84
až C30
120
-
HEYMAN® Manufacturing GmbH • Tel.: +420 54321 4900 • Fax: +420 54321 3690 • www.heyman.cz • [email protected]
Váš svět, naše znalosti
Vysvětlivky k tabulce:
a) Vlastnosti v provedení tváření za studena jsou pro asi z ½ kalený kovový plech, s výjimkou pro 303,
proto se vlastnosti vztahují k sušené látce.
b) Austenitická nerezová ocel se měkce žíhá mezi 1010 a 1120°C
c) Při pokojové teplotě
A z toho vyplývá následující obecná klasifikace pro austenitickou ocel:
1. Základ nerezové oceli 18-8 (legující prvky chrom a nikl), AISI 302 a 304 (americké normované
označení; American Iron & Steel Industrie), materiál č. 1.4301 nebo X5CrNi18-10
2. Typy s vyšším obsahem niklu, aby se snížila tendence k tvrdosti při tváření a zlepšily se vlastnosti
při hlubokém tažení, 305 (1.4303 nebo X4CrNi18-12).
3. Zvláště korozivzdorné typy obsahující molybden 316 (1.4401 nebo X5CrNi17-2-2) a 317.
4. Stabilizované typy, 321 (1.4541 nebo X6CrNiTi18-10) a 347.
5. Oceli se zvláště nízkým obsahem uhlíku, 304L a 316L.
6. Typy pro svařovací elektrody, 308 a 309.
7. Typy odolné proti oxidaci, 308 a 309 (1.4833 nebo X18CrNi23-13), 310
(1.4845 nebo X8CrNi25-21), 314 a 302B.
8. Varianta pro obrábění, 303.
Vrubová houževnatost se pro jednotlivé typy neudává, protože se s jistotou předpokládá, že odolnost
proti vrubům austenitických ocelí je v plném rozsahu při jakékoliv teplotě vysoká. Bez tohoto omezení
se obvykle dosahuje hodnot vrubové houževnatosti okolo 135J při -195°C (tekutý dusík). Pro nižší
teploty je zatím málo zkušeností, ale hodnoty, které jsou k dispozici, vykazují při zářezu právě tak
dobré vlastnosti.
K bodu 1.
Základ 18-8; AISI 302 a 304 (1.4301 nebo X5CrNi18-10)
Tyto typy ocelí a zejména typ 304 představují víc jak polovinu celkové výroby nerezových ocelí. Typ
304 je tahoun mezi nerezovými oceli: využívá se pro každodenní použití, jako například v domácích
spotřebičích, v architektuře, v dalších běžných oblastech použití, ale také pro vysoce kvalitní použití,
jako třeba pro jaderné reaktory a kryogenní zařízení. Vedle dobrých vlastností s ohledem na korozi
poskytují tyto typy ocelí vynikající schopnost tváření a také velmi dobrou svařitelnost. Typ 304, pro
který se udává podle klasifikace AISI obsah uhlíku maximálně 8,88%, se dnes vyrábí s mnohem
nižším obsahem uhlíku, asi 0,04%, protože proces tavení v prostředí argonu (AOD - Argon Oxygen
Decarburisation) zjednodušuje ochlazování. Svařování tenkostěnných materiálů při této hladině uhlíku
pak nemá za následek zcitlivění. Tyto typy se občas používají ve vytvrzeném stavu. Teplota, která se
uvádí při tváření za studena, ovlivňuje v určitém rozsahu mechanické vlastnosti ve srovnání k těm
materiálům, které by prošli martenzitickou přeměnou, pokud by se teplota poněkud snížila. Studené
tváření při teplotách pod nulou poskytuje zajímavé a užitečné kombinace pevnosti a houževnatosti.
K bodu 2.
Ocel s vysokým obsahem niklu: AISI 305
Vyšší obsah niklu tohoto typu oceli (10 až 13%) stabilizuje vznik austenitické oceli, čímž se zabrání
martenzitické přeměně. Z toho vyplývající nízká tvrdost se využívaná při intenzivním tváření jako je
například tažení a hluboké tažení. Typické oblasti použití jsou: výroba čepiček per, nápojových sudů a
za studena lisovaného spojovacího materiálu.
HEYMAN® Manufacturing GmbH • Tel.: +420 54321 4900 • Fax: +420 54321 3690 • www.heyman.cz • [email protected]
.
Váš svět, naše znalosti
K bodu 3.
Velmi korozivzdorné typy: AISI 316 a 317 (1.4401 nebo X5CrNi17-2-2)
Tyto typy ocelí obsahují 2 až 3 % nebo 3 až 4% molybdenu. Molybden zvyšuje odolnost vůči korozi
v redukčním prostředí a také odolnost vůči štěrbinové korozi a důlkové korozi v roztocích chloridů.
Vzhledem k tomu, že molybden silně aktivuje železo, musí se zvýšit obsah niklu, aby se zabránilo
vzniku delta feritu. Další příznivé účinky molybdenu je vylepšená vyšší teplota tečení a pevnost v tahu.
K bodu 4.
Stabilizovaná ocel, AISI 321, 347 a 348 (1.4541 nebo X6CrNiTi18-10)
Zde se jedná o klasickou formu chromniklové oceli. Vedle obecně sníženého obsahu uhlíku je
stabilizace titanem (možné také niobem) další možnost, jak vázat uhlíkové částice. Lépe reagující titan
se zde váže s uhlíkem na karbid titanu. Snížení uhlíku je elegantní metoda, protože právě karbid
titanu se projevuje významně horší obrobitelností a vytržením těchto karbidů při broušení a leštění se
dosahuje nepatrného zhrubnutí povrchu.
Složení 321 je shodné s 304, ovšem byl zde přidán titan, který odpovídá nejméně pětinásobku obsahu
uhlíku. U typu 347 jsou karbidy vytvářeny směsí niobu a tantalu, která byla přidána v množství
nejméně desetinásobku obsahu uhlíku. Typ 348 má to samé složení, ovšem obsah tantalu je zde
omezen na 0,1%. Tento typ je stabilizován převážně niobem. Mechanické vlastnosti těchto
stabilizovaných typů při pokojové teplotě jsou ty samé jaké u typu 304.
K bodu 5.
Oceli se zvláště nízkým obsahem uhlíku: AISI 304L a 316L.
Tato ocel obsahuje maximálně 0,03% uhlíku s cílem snížit zcitlivění při svařování nebo žhavení při
malém namáhání v tahu. Typy se zvláště malým obsahem uhlíku se zatím využívají častěji než
stabilizované oceli především proto, že tyto typy ocelí se díky procesu tavení AOD mohou vyrábět
ekonomicky odpovědnějším způsobem. Mez v kluzu těchto typů L je nižší než ta jejich konkurentů 304
a 316 a z toho důvodu jsou nižší hodnoty prodeje, než které se jim přisuzovaly. Aby se tento problém
vyřešil, byly vyvinuty přizpůsobené typy, ke kterým byl přidán dusík. Jsou to typy 304LN a 316LN,
které obsahují až 18% dusíku. Dusík v pevném roztoku zvyšuje mez kluzu přinejmenším až na úroveň
standardních typů 304 a 316. Kromě toho dusík snáší zcitlivění.
K bodu 6.
Typy pro svařovací elektrody: AISI 308 a 309
Oblast použití těchto typů ocelí jsou svařovací elektrody. Rovnováha složení umožňuje v roztaveném
svařovaném kovu tvorbu kontrolovaného množství delta feritu, což je nutný předpoklad, aby se
zabránilo u austenitických nerezových ocelí trhlinám z tepelného pnutí. Pro tyto typy ocelí jsou ještě
další oblasti použití, o tom ale později.
K bodu 7.
Typy odolné vůči oxidaci, AISI 302B, 308, 309, 310 a 314
Typy 308, 309 a 310 mají vysoký obsah chromu, díky čemuž vykazují velmi dobrou odolnost vůči
oxidaci při vyšších teplotách. Zvýšený obsah niklu zlepšuje odolnost vůči proměnlivé oxidaci. Vyšší
hodnota při legování u typu 310 přispívá k velmi vysoké pevnosti při vysokých teplotách. Typy 302B
a 314 obsahují 2 až 3% nebo 1,5 až 3% křemíku. Vysoký podíl křemíku zlepšuje nejen odolnost vůči
oxidaci, ale také snižuje, nebo v mnoha případech zcela potlačuje, výskyt ochlazování při vysokých
teplotách.
K bodu 8.
Typy pro obrábění: AISI 303 a 303 Se
Vysoký obsah síry a selenu v těchto typech ocelí zlepšuje jejich obrobitelnost. Z tohoto důvodu se
vyrábí pouze ve tvaru tlustých a tenkých tyčí a používají se převážně při sériové výrobě k obrábění na
automatových strojích. Varianta se selenem se používá pro větší průměry a tlusté stěny a není tak
běžná jako varianta obsahující síru. Korozivzdornost těchto typů je negativně ovlivněna přítomností
sulfidů a je potřeba dbát na to, aby se nepoužívaly na místech, na kterých je jejich menší odolnost
vůči korozi na závadu.
HEYMAN® Manufacturing GmbH • Tel.: +420 54321 4900 • Fax: +420 54321 3690 • www.heyman.cz • [email protected]
Váš svět, naše znalosti
Duplexní korozivzdorné oceli (feriticko-austenitické)
Tyto druhy nerezových ocelí jsou už dlouho známé, ale ještě asi před deseti lety nehrály žádnou roli
v praktickém využití. Zvýšená poptávka nerezových ocelí se zlepšenou odolností vůči indukovaným
prasklinám způsobeným chloridy, které se tvoří korozí pod napětím a také zvýšená mechanická
pevnost způsobili, že se duplexní oceli od té doby úplně vrátili do zorného pole výrobců. Výsledkem
rozsáhlého výzkumu a vývoje jsou četné nové slitiny pro tváření a uskutečnil se dostatečný technický
vývoj, aby bylo možné duplexní oceli zařadit mezi třídy oceli jako vlastní třídu, kdy na jedné straně
jsou feritické ušlechtilé oceli (nerezavějící ocel = běžné označení pro ušlechtilou ocel) a na druhé
straně jsou austenitické ušlechtilé oceli. Tak kombinují duplexní oceli množství vlastností z obou
jmenovaných druhů: stálost, mechanickou pevnost, odolnost vůči korozi a zpracovatelnost, které jsou
ještě lepší než u austenitické nerezové oceli. Převládající fáze u duplexní oceli jsou ferit a austenit.
Poměr mezi těmito fázemi hraje důležitou roli při definování vlastností.
1
Obchodně dodávané duplexní slitiny
Tabulka 2 uvádí přehled duplexních slitin, některé jsou už dávno známé, ale mnohé z nich jsou
nedávno vyvinuté a také jejich složení. Obsah chromu u těchto typů ocelí je ve třech různých
úrovních: 18, 22 a 25%. Obsah niklu se pohybuje od 3 do 6% a jeho hlavní funkcí je ovlivnění
struktury. Všechny slitiny obsahují molybden, což ukazuje na to, že tato ocel byla vyvinuta pro výrobky
v korozivním prostředí, pro které je obecně nutná odolnost vůči korozi a která je vyšší než u typu 304,
v některých případech dokonce lepší než u typu 306. Novější slitiny obsahují také vyšší obsah dusíku,
který se přidává kvůli tvorbě struktury, pevnosti a zlepšuje korozivzdornost. V případě slévárenské
slitiny se může poměr austenitu a feritu vypočítat na základě Schaefferova a De Longova diagramu.
Tyto diagramy se ale bohužel nedají tak úplně použít na slitiny pro tváření, protože ferit, který vzniká
při tuhnutí - jak se udává v těchto diagramech - přechází při tepelném zpracování (asi 1000 až
1200°C) částečně do austenitu.
Odpovídající rovnocenný diagram pro slévárenské slitiny není (zatím) k dispozici. První typy
duplexních ocelí byly citlivé s ohledem na vznik teplých trhlin, které vznikaly karbidem chromu na
rozhraních ploch austenitu a feritu. Tento problém se vyřešil snížením obsahu uhlíku nebo přidáním
titanu, který opět váže uhlík na karbid titanu.
Tabulka 2: Složení slitin v hmotnostních % prodávaných nerezových duplexních ocelí, normativní
hodnoty mechanických vlastností v měkce žíhaném stavu při pokojové teplotě.
Typ
Nominální složení [%]
Ferit [%]
Rp0,2 mez
průtažnosti
[MPa]
Pevnost
v tahu
[MPa]
Tažnost
[%]
Ferallium
255
(a)
max. 0,08C; 24-27Cr;
4,5-6,5Ni; 2-4Mo;
1,3-4,0Cu
50
min. 480
min. 740
min. 20
7 Mo
(b)
max. 0,08C; 23-28Cr;
2,5-5,0Ni; 1,0-2,0Mo;
85
565
683
31
U30
(c)
max. 0,03C; 20-22Cr;
5,5-8,5Ni; 2,0-3,0Mo;
0,5Cu
30-50
515-440
590-800
20-15
3 RE60
(d)
max. 0,03C; 18,5Cr;
4,7Ni; 2,7Mo;
50
450
700-900
30
SAF 2205
(d)
max. 0,03C; 22Cr; 5,5Ni;
3,0Mo
45
410-450
680-900
25
Vysvětlivky k tabulce:
a) Ochranná známka Cabot Corp.
b) Ochranná známka Carpenter Technology Corp.
c) Ochranná známka Creusot-Loire.
d) Ochranná známka Sandvik AB
HEYMAN® Manufacturing GmbH • Tel.: +420 54321 4900 • Fax: +420 54321 3690 • www.heyman.cz • [email protected]
Váš svět, naše znalosti
2
Vylučování fází v duplexní oceli
Po rozpouštěcím žíhání dvoufázové duplexní oceli při teplotě 1000 až 1150°C jsou přítomné jedině dvě
fáze, ferit a austenit. Obecně je potřeba rychlé ochlazení, aby se zabránilo vzniku jiných fází. Při
teplotách pod 1000°C není duplexní ocel stabilní a vznikají další fáze: různé karbidy, křehké fáze
s vysokým obsahem chromu a fáze alfa prima (a`). Na rozhraní zrn se vylučují se dva typy karbidu
chromu, M7C3 a M22C6. M7C3 se vysráží při teplotě 950 až 1050°C a lze tomu zabránit tak, že se tento
teplotní interval omezí na méně než deset minut. M22C6 se vysráží velmi rychle, pokud teplota klesne
pod 950°C. Vylučovací fáze sigma je umocněna molybdenem a lze se jí vyhnout tak, že se ocel ochladí
za méně než dvě až tři minuty až na 900°C. K vyloučení fáze alfa prima (a`) dochází pouze ve feritu
a dochází k zkřehnutí při 475°C. Protože se stává křehkým pouze ferit, zatímco austenit zůstává beze
změny, není slitina jako celek tak silně křehká jako je to běžné u feritické korozivzdorné oceli při
vyloučení fáze alfa prima.
3
Mechanické vlastnosti
Mez průtažnosti duplexní oceli je asi dvakrát až třikrát vyšší než mez průtažnosti austenitické
korozivzdorné oceli (400-550 MPa ve srovnání k 200-250 MPa), zatímco pevnost v tahu je u obou
přibližně stejná. Vyšší mez průtažnosti je vlastnost, která by neměla být podceňována, protože může
mít značný vliv na snížení hmotnosti. Tažnost duplexních ocelí je nižší než u austenitických
nerezových ocelí, ale přesto je dostatečná pro použití ve většině provozních oblastech.
Hodnoty houževnatosti duplexních ocelí leží mezi hodnotami austenitických a feritických
korozivzdorných ocelí. Odchylky vzhledem k houževnatosti, vyjádřené přechodovou teplotou mezi
houževnatostí a křehkostí, jsou určené množstvím fáze feritu. Na to má příznivý vliv fáze austenitu,
která je velmi houževnatá.
Pokud je obsah feritu vyšší než přibližně 60-70%, prudce klesá energie potřebná ke Carpyho zkoušce
rázem. Většina obchodně používaných typů obsahuje přibližně 50% feritu a z tohoto důvodu disponují
poměrně velmi dobrou houževnatostí. Musí se mít ovšem stále na paměti, že se austenit a ferit
v duplexních tvářecích slitinách rozložily v řadě a ve směru válcování a že houževnatost závisí na tom,
jak je ocel orientována. Optimálních hodnot houževnatosti se dosahuje, pokud se zkoušky vrubové
houževnatosti provádějí tak, že směr rázu je v pravém úhlu ke směru uspořádání struktury.
Optimální houževnatosti se u duplexní oceli dosahuje rychlým ochlazením z nízké teploty žíhání.
Pomalé ochlazování nebo zastavení v intervalu teplot povede k různým stupňům křehkosti, které jsou
určovány vyloučením fáze alfa prima (475°C - křehnutí) a fáze sigma. Vytvoření fáze sigma je
posíleno molybdenem, který se používá jako legovací prvek u takřka všech komerčně využívaných
druhů duplexních ocelí. Tyto dva typy podmiňující vznik křehkosti jsou pozorovány v teplotním rozmezí
400-500°C a nad 700°C.
4
Koroze a napěťová koroze
Obecná odolnost vůči korozi komerčních korozivzdorných duplexních ocelí kolísá s ohledem na obsah
chromu, molybdenu a dusíku. Nad převážnou částí korodujících materiálů převládá duplexní ocel typu
304 a 316. Odolnost duplexní oceli vůči důlkové korozi je také lepší než u typů 304 a 316. Typy ocelí
nerezových duplexních ocelí se slitinou mědi, které obsahují 25% chromu a 3% molybdenu, mají velmi
dobrou odolnost vůči korozi v mořské vodě, dokonce i v teplé mořské vodě.
Duplexní oceli se používají za určitých okolností v rozvodných systémech pro CO 2 a také pro některé
roury, které vedou kyselé plyny přítomné při získávání ropy.
Odolnost duplexních ocelí vůči mezikrystalické korozi kolísá mezi komerčními slitinami hlavně kvůli
působení a množstvím uhlíku a rovnováze feritu a austenitu. Slitiny s vysokým obsahem uhlíku a
s převahou feritu jsou citlivé na mezikrystalickou korozi a je u nich nutné provádět po svařování slabé
žíhání. Převážná většina komerčních slitin má malý obsah uhlíku (< 0,03%). Schopnost odolávat
mezikrystalické korozi duplexních ocelí závisí na složení slitiny, také na postupu při svařování
a prostředí, ve kterém bude výrobek umístněný.
Ačkoliv jsou duplexní oceli citlivé na korozní praskání vyvolané chloridy, mají ve srovnání
s austenitickou nerezovou ocelí značné výhody. Jejich chování je ovlivněno složením fázové
rovnováhy; čím vyšší je podíl feritu tím lepší je odolnost vůči napěťové korozi. Prahová hodnota pnutí,
pod kterou se žádná napěťová koroze nevyskytuje je u duplexní oceli o hodně vyšší než u typu 304.
Jak vzkhedem k mezikrystalické korozi, tak vzledem k odolnosti vůči koroznímu praskání je potřeba u
duplexních ocelí zvážit složení, rovnováhu fází, úroveň pnutí a prostředí, pro které je výrobek určen.
Ir. A.J. Sc hor n ag e l
HEYMAN® Manufacturing GmbH • Tel.: +420 54321 4900 • Fax: +420 54321 3690 • www.heyman.cz • [email protected]