Stal nierdzewna w szczegółach: główne pierwiastki, kluczowe cechy i klasyfikacja stali nierdzewnej

Stal nierdzewna jest zazwyczaj nauczana jako pięć kategorii: austenityczna, ferrytyczna, martenzytyczna, duplex i utwardzana wydzieleniowo. Kategorie są rzeczywiste i nie są powodem, dla którego gatunek zachowuje się w określony sposób. Gatunek znajduje się tam, gdzie się znajduje, z powodu dwóch liczb, które można obliczyć na podstawie jego składu, a jego odporność na korozję można ocenić za pomocą trzeciej. Gdy te trzy liczby znajdą się na stronie, pięć kategorii staje się regionami na mapie, a nie etykietami do zapamiętania.

Pierwsza liczba to zawartość chromu, która jest progiem, a nie skalą. Druga para to ekwiwalenty chromu i niklu, które decydują o tym, czy struktura powstająca podczas chłodzenia jest ferrytem, austenitem, czy mieszaniną. Trzecia to liczba ekwiwalentna odporności na wżery, która przekształca chrom, molibden i azot w jedną liczbę, którą można porównać między gatunkami.

Ta strona przedstawia te trzy liczby, pokazuje, gdzie lądują popularne gatunki na każdej z nich, i wyjaśnia jeden mechanizm, który usuwa ochronę zapewnianą przez pierwszą liczbę: chrom, który tworzy pasywną warstwę, może zostać usunięty przez węgiel na granicach ziaren.

Chrom sprawia, że stop jest nierdzewny. Powyżej około 10,5% w roztworze stałym metal tworzy na swojej powierzchni cienką i ciągłą warstwę tlenku chromu, a ta warstwa oddziela stal nierdzewną od stali niskostopowej, która jedynie zawiera chrom. Poniżej tego poziomu warstwa nie jest ciągła, a stop rdzewieje jak zwykła stal.

Próg jest stwierdzeniem dotyczącym chromu w roztworze, a nie chromu w analizie. Jeśli chrom jest związany w wydzielinie, nie jest dostępny do tworzenia warstwy, a stop zachowuje się tak, jakby zawierał go mniej. To rozróżnienie jest całym tematem ostatniej sekcji i wyjaśnia, dlaczego gatunek, który spełnia swoje świadectwo, nadal może korodować przy spawaniu.

Nikiel działa inaczej. Nie tworzy warstwy i nie jest wymagany do odporności na korozję w każdej rodzinie. Jego rolą jest stabilizacja austenitu, dlatego gatunki austenityczne zawierają 6 do 22% niklu w zakresach składu, które są powszechnie sprzedawane, a gatunki ferrytyczne zawierają go mało lub wcale.

Chrom i molibden sprzyjają ferrytowi. Nikiel, węgiel i mangan sprzyjają austenitowi. Diagram Schaefflera redukuje pełny skład do dwóch liczb, które odzwierciedlają te tendencje, a gatunek jest umieszczany na diagramie poprzez obliczenie obu.

Wyrażenie dotyczące węgla wyjaśnia zaskakujący kupujących wynik. Dwa gatunki o tej samej zawartości niklu mogą znaleźć się w różnych regionach, jeśli ich poziomy węgla są różne, ponieważ węgiel jest trzydzieści razy skuteczniejszy niż nikiel w stabilizacji austenitu w tym wyrażeniu. To jeden z powodów, dla których niskowęglowa wersja gatunku nie jest po prostu czystszą wersją tego samego gatunku i dlaczego sufiks L pojawia się na rysunkach, gdzie występuje spawanie.

Rząd austenityczny zawiera zastrzeżenie, które podręczniki często pomijają. Wyżarzony gatunek austenityczny jest niemagnetyczny, a hartowany na zimno nie jest całkowicie. Obróbka na zimno może tworzyć martenzyt w metastabilnym gatunku austenitycznym, więc głęboko tłoczona lub mocno walcowana część może wykazywać reakcję magnetyczną, której nie przewiduje wyżarzony certyfikat. Specyfikacja wymagająca zachowania niemagnetycznego powinna to określać w stanie wykończonym, a nie w stanie wyżarzonym.

Wżeranie jest trybem awarii, który decyduje o materiale w zastosowaniach z chlorkami i zależy od trzech pierwiastków, a nie jednego. Liczba ekwiwalentna odporności na wżery łączy je w jedną liczbę, a standardowa forma to chrom plus 3,3 razy molibden plus 16 razy azot.

Liczba umieszcza popularne gatunki na skali od około 16 do powyżej 70, a skala jest powodem, dla którego 316 jest określany do miejsca przybrzeżnego, a 304 nie.

Dwa progi są warte zapamiętania, ponieważ pojawiają się w specyfikacjach zakupu. PREN wynoszący co najmniej 32 jest liczbą powszechnie stosowaną do ochrony przed wżerami w wodzie morskiej, a PREN wynoszący 40 lub więcej jest liczbą powszechnie stosowaną do usług w środowisku siarkowodoru i do usług w wodzie morskiej o wyższym ryzyku. Są to wartości przesiewowe, a nie gwarancje, a następny akapit wyjaśnia dlaczego.

Ograniczenie jest podane przez stowarzyszenie publikujące obliczenia. PREN jest przydatny do szeregowania gatunków w ramach jednej rodziny i nie może przewidzieć, czy dany gatunek będzie odpowiedni do konkretnego zastosowania. 2205 i 904L o podobnym PREN nie zachowują się identycznie, ponieważ jeden jest duplex, a drugi austenityczny, a porównanie jest znaczące tylko między gatunkami o tej samej strukturze. Temperatura, wykończenie powierzchni, przepływ i obecność osadów wpływają na wynik, a żaden z nich nie pojawia się w formule.

Chrom tworzy warstwę tylko wtedy, gdy pozostaje w roztworze. Węgiel ją usuwa, i to na granicach ziaren. Gdy stal nierdzewna austenityczna jest utrzymywana w zakresie temperatur od około 500 do 850°C, węgiel w stopie łączy się z chromem na granicach, tworząc węgliki chromu, a metal bezpośrednio obok każdego węglika jest pozbawiony chromu.

Strefa zubożona jest wąska i ciągła wzdłuż granicy, więc stop ma teraz przez nią ścieżkę, która nie jest już nierdzewna, podczas gdy masa ziarna nadal jest. Środek korozyjny atakuje tę ścieżkę, a wynikiem jest korozja międzykrystaliczna, która wygląda jak połączenie, które straciło krawędzie, a nie powierzchnia, która zardzewiała.

Dwa standardowe rozwiązania działają na różne mechanizmy. Gatunek L zmniejsza dostępny węgiel, więc może powstać mniej węglików. Gatunek stabilizowany dodaje tytan lub niob, które łączą się z węglem łatwiej niż chrom, więc chrom pozostaje w roztworze. Oba są poprawne i nie są wymienne: gatunek stabilizowany może być używany w wyższej temperaturze niż gatunek L, a gatunek L jest zazwyczaj tańszy.

Gatunek powinien być wybierany na podstawie mechanizmu, który spodziewany jest jako kończący część. Tabela łączy mechanizm z rodziną i liczbą, która go przewiduje.

DLX dostarcza produkty ze stali nierdzewnej i stopów niklu z Changzhou, Jiangsu, w postaci drutu od 0,025 mm, pręta okrągłego do 50 mm, taśmy od 0,50 mm do 2,5 mm grubości, oraz rur i blach w standardowych rozmiarach hutniczych. Zakres obejmuje rodziny austenityczne, ferrytyczne, duplex i utwardzane wydzieleniowo, wraz ze stopami niklu stosowanymi tam, gdzie gatunek nierdzewny osiąga swoje granice w kwasach chlorkowych lub redukujących.

Materiał jest dostarczany zgodnie ze standardem podanym w zamówieniu, z certyfikatem EN 10204 3.1 na życzenie i numerem wytopu, który można prześledzić do wyników badań. Użyteczne pytanie brzmi nie, do której rodziny należy gatunek, ale który mechanizm spodziewany jest jako kończący część i która liczba przewiduje ten mechanizm.

Ponieważ jest to poziom, przy którym warstwa tlenku chromu staje się wystarczająco ciągła, aby chronić powierzchnię. Poniżej niej warstwa jest niekompletna, a stop rdzewieje jak stal niskostopowa. Próg dotyczy chromu w roztworze, więc stop, którego chrom został zużyty przez węgliki, może zachowywać się tak, jakby był poniżej linii, nawet jeśli certyfikat mówi inaczej.

Molibden. Gatunek 316 dodaje go, a molibden ma wagę 3,3 w liczbie odporności na wżery, co przesuwa wartość z około 19 dla 304 do około 27 dla 316. To wystarcza, aby miało znaczenie w zastosowaniach z chlorkami i nie wystarcza, aby osiągnąć próg wody morskiej wynoszący 32, dlatego zastosowanie przybrzeżne często przechodzi do 904L, do gatunku duplex lub do stopu niklu.

W stanie wyżarzonym jest, a w stanie hartowanym na zimno może nie być. Obróbka na zimno może tworzyć martenzyt w metastabilnym gatunku austenitycznym, więc głęboko tłoczona lub mocno walcowana część może wykazywać reakcję magnetyczną, której nie przewiduje wyżarzony certyfikat. Specyfikacja wymagająca zachowania niemagnetycznego powinna określać stan, w którym jest mierzona.

Jest to utrata chromu z granic ziaren, gdy węgliki chromu tworzą się w zakresie od około 500 do 850°C. Spaw i jego strefa wpływu ciepła przechodzą przez ten zakres podczas chłodzenia, więc granica staje się ścieżką, która nie jest już nierdzewna, podczas gdy wnętrza ziaren nadal są. Wynikiem jest korozja międzykrystaliczna, a standardowe rozwiązania to gatunek o niskiej zawartości węgla lub gatunek stabilizowany.

Jest to narzędzie przesiewowe, a nie metoda wyboru. Szereguje gatunki w ramach jednej rodziny i nie może przewidzieć, czy dany gatunek będzie odpowiedni do konkretnego zastosowania. Gatunek duplex i austenityczny o podobnych wartościach nie zachowują się identycznie, a temperatura, wykończenie powierzchni, przepływ i osady wpływają na wynik, nie pojawiając się w formule.

Niska zawartość węgla. Limit węgla spada do około 0,03%, co zmniejsza ilość węgliku chromu, który może tworzyć się na granicach ziaren podczas spawania. Jest to standardowe rozwiązanie dla wykonanej części, której nie można ponownie wyżarzyć po spawaniu, i kosztuje mniej niż gatunek stabilizowany.

Stal nierdzewna to pięć rodzin umieszczonych przez dwa obliczone ekwiwalenty, chronionych przez jeden próg i szeregowanych w zastosowaniach z chlorkami przez jedną liczbę. Chrom powyżej około 10,5% w roztworze tworzy warstwę. Ekwiwalenty chromu i niklu decydują o tym, czy struktura jest ferrytem, austenitem, czy mieszaniną. Liczba odporności na wżery, chrom plus 3,3 razy molibden plus 16 razy azot, szereguje gatunki w ramach rodziny i ustala progi przesiewowe 32 i 40.

Ochrona może zostać usunięta bez zmiany certyfikatu. Węgiel usuwa chrom z granic ziaren między około 500 a 850°C, a spaw jest zazwyczaj miejscem, gdzie to się dzieje. Gatunek o niskiej zawartości węgla lub gatunek stabilizowany zapobiega temu, a wybór między nimi zależy od temperatury pracy i kosztów.

Diagram Schaefflera i wyrażenia ekwiwalentne, opublikowane w materiałach dotyczących metalurgii spawania: ekwiwalent chromu = Cr + Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb, i ekwiwalent niklu = Ni + 30 C + 0,5 Mn.

British Stainless Steel Association, obliczanie liczb ekwiwalentnych odporności na wżery. Źródło wyrażenia PREN = Cr + 3,3 Mo + 16 N, opublikowanych zakresów dla 304, 316, 316L, 904L, 2205 i 2507, oraz stwierdzenia, że PREN jest przydatny do szeregowania i porównywania, ale nie może przewidzieć, czy gatunek będzie odpowiedni do danego zastosowania.

Opublikowane dane porównawcze PREN dla stopów stali nierdzewnej i niklu, podające pojedyncze wartości 19 dla 304, 27 dla 316, 35 dla 904L, 36 dla 2205, 43 dla 2507 i 254 SMO, 46 dla AL-6XN, 51 dla stopu 625 i 68 dla Hastelloy C-276.

Opublikowane wytyczne techniczne dotyczące progów PREN, stwierdzające, że wartość co najmniej 32 jest używana do ochrony przed wżerami w wodzie morskiej, a 40 lub więcej jest używane do usług w środowisku siarkowodoru i do bardziej intensywnych usług w wodzie morskiej.

Opublikowane badania nad uczulaniem stali nierdzewnej austenitycznej, opisujące wytrącanie węglików chromu na granicach ziaren i wynikającą z tego strefę zubożoną w chrom w zakresie temperatur od około 500 do 850°C.

Opublikowane materiały dotyczące metalurgii spawania opisujące uczulanie w strefie wpływu ciepła i stosowanie gatunków o niskiej zawartości węgla i stabilizowanych w celu zapobiegania mu.

EN 10088 i ASTM A240, jako normy produktowe definiujące nazwane gatunki stali nierdzewnej i podane zakresy składu.

EN 10204, dokumenty inspekcyjne, dla definicji certyfikatu 3.1 jako dokumentu zawierającego rzeczywiste wyniki badań i zatwierdzonego przez niezależnego przedstawiciela inspekcji producenta.

Podane zakresy składu i wartości obliczone są standardowymi danymi dla nazwanych gatunków i nie są limitami akceptacji dla dostarczonej partii. PREN jest indeksem szeregowania, a nie szybkością korozji, a dwa gatunki o tej samej wartości w różnych rodzinach nie zachowują się identycznie. Uczulanie zależy od zawartości węgla, czasu w zakresie i szybkości chłodzenia, więc gatunek, który jest odporny w jednej produkcji, może być atakowany w innej o tym samym składzie. Wartości właściwości dla dostarczonej części zależą od jej stanu i kierunku badania, a certyfikat opisuje wytop, a nie komponent. Specyfikacje produktu są aktualizowane, a wydanie wymienione w zamówieniu ma zastosowanie. Nic na tej stronie nie zastępuje zwolnienia inżynierskiego ani testów kwalifikacyjnych uzgodnionych między kupującym a dostawcą.