Stal nierdzewna - materiałoznawstwo

Spis treści Dlaczego stal jest „nierdzewna” Gatunki stali nierdzewnej Szeroko o zastosowaniu stali nierdzewnej Korozja Spawalność Podatność na obróbkę plastyczną / własności mechaniczne Skrawalność Wykończenia powierzchni

Dlaczego stal nierdzewna? Odporność na korozję w różnych środowiskach Względy sanitarne (przemysł spożywczy, szpitale itp.) – neutralność biologiczna Względy estetyczne (architektura, wnętrza itp.) Łatwość obróbki Żaroodporność Wysoki współczynnik wytrzymałości do wag Niski koszt życia produktu Całkowicie podlegają recyclingowi

Dlaczego stal nierdzewna jest odporna na korozję? Dodając >10,5% Cr do stali, uzyskujemy następujący efekt: Chrom + tlen atmosferyczny => powłoka CrO2 => pasywowana powierzchnia Grubość powłoki CrO2 – ok. 10 nm (0,000001 mm) Powłoka CrO2 chroni stal przed atakami korozji Jeżeli powierzchnia nie jest pasywowana, to jest narażona na korozję

Co może uszkodzić pasywowaną powierzchnię? Brud Oleje Tłuszcze, smary Kontakt z materiałami innego typu (stal czarna) Podgrzewanie w otwartej atmosferze (spawanie, wyżarzanie) – powierzchnia tlenowa na stali nierdzewnej Sole, kwasy, itp.

Późniejsza obróbka materiału Różne typy możliwej obróbki CHEMICZNA Wytrawianie w kwasie (H2O + HNO3 + HF, t = 40oC, czas 20 min + 20 min) Wytrawianie elektrolityczne Pasta wytrawiająca MECHANICZNA Szczotkowanie (tylko czyste szczotki) Piaskowanie (kuleczkami ze stali nierdzewnej) Szlifowanie Polerowanie

Pamiętaj ! Pasywowana powierzchnia jest odporna na korozję Aktywna (niepasywowana) powierzchnia nie jest odporna na korozję Wytrawianie jest najlepszą metodą pasywacji stali nierdzewnej (ale nie zawsze jest to możliwe) Powierzchnia stali nierdzewnej powinna być zawsze czysta, nigdy w bezpośrednim kontakcie ze stalą czarną, olejami, smarami itp.

Grupy gatunków stali nierdzewnej Skład chemiczny czynnikiem określającym mikrostrukturę stali Zmieniając skład chemiczny materiału, możliwe jest nadanie różnych właściwości mechanicznych oraz odporności na korozję stali nierdzewnej Główne grupy gatunków: Stal austenityczna Stal ferrytyczna Stal austenityczno-ferrytyczna (duplex) Stal martenzytyczna

Wzrost odporności korozyjnej wraz z przyrostem składników stopowych Koszt materiału (na bazie 1.4512) Składniki stopowe (udział % w masie) Relacje cenowe Molibden Nikiel Chrom Odporność na korozję 2.0 - 2.5 10.5 - 13.5 160 % 8.5 - 10.5 17.0 - 19.0 130 % 16.5 - 18.5 15.5 - 17.5 120 % 10.5 - 12.5 100 % X6 CrTi 12 1.4512 X6 Cr 17 1. 4016 X5 CrNi 18 10 1.4301 X5 CrNiMo 17 12 2 1.4401 Ferryt Austenit

Stale austenityczne – „standardowe gatunki stali nierdzewnej” Austenityczna stal nierdzewna jest najszerzej stosowana w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, papierniczym itp. Stale 18/9 (18% Cr, 9% Ni) AISI 304/ EN 4301 AISI 304L / EN 4306 (niski węgiel, C max = 0,03%) AISI 321 / EN 4541 (stabilizowany Ti, do zastosowań, gdzie temp>= 400oC) Poprzez dodanie 2-3% molibdenu stal uzyskuje większą odporność na ataki korozji ze strony kwasów (np. kwasu siarkowego itp.) AISI 316 / EN 4401 AISI 316L / EN 4404 AISI 316Ti / EN 4571 (stabilizowany, do zastosowań, gdzie temp. >= 400oC) Bardzo dobra spawalność Niemagnetyczne Słabo przewodzą ciepło

Zestawienie stali austenitycznych

Typowe zakresy zastosowań ważniejszych gatunków stali austenitycznych

Stal austenityczna

Ferrytyczne stale nierdzewne Gatunki ferrytyczne mają głównie zastosowanie do produkcji AGD, urządzeń piorących, systemów wydechowych (katalizatory), ram w przemyśle autobusowym, jako rury do wymienników ciepła, itp. magnetyczne 16-18% Cr (10,5-30) doskonała odporność na korozję naprężeniową tańsze od stali austenitycznej (brak Ni) umiarkowana spawalność - kruche

Zestawienie stali ferrytycznych

Typowe zakresy zastosowań ważniejszych gatunków stali ferrytycznych i martenzytycznych

Stal austenityczno – ferrytyczna (duplex) nowa generacja stali nierdzewnej, szybko rozwijająca się skład to 50% austenitu i 50% ferrytu typowy skład chemiczny to: 22 Cr, 5 Ni, 3 Mo większa twardość niż austenitycznej stali nierdzewnej doskonała odporność na korozję wżerową oraz naprężeniową dobra spawalność / ważne, aby uzyskać tę samą mikrostrukturę spawu co materiału wsadowego przemysł papierniczy, nabrzeża + instalacje gazowe

Stal austenityczno – ferrytyczna (duplex)

Zestawienie stali nierdzewnych

WIĘCEJ O ZASTOSOWANIU STALI NIERDZEWNYCH

Zakresy zastosowania wyrobów płaskich ze stali nierdzewnych , kwaso- i żaroodpornych (RSH)

Zakres zastosowań 17-procentowych stali chromowych (1.4016, 1.4520)

Zakres zastosowań martenzytycznych stali chromowych (1.4021, 1.4034)

KOLEJ 1.4003

Zakres zastosowań stali chromowo-niklowo-molibdenowych (1. 4401, 1

INSTALACJE CHEMICZNE

Zakres zastosowań wysokostopowych stali chromowo-niklowo-molibdenowych (1.4439, 1.4539)

Zastosowanie stali DUPLEX Tankowiec do przewozu chemikaliów – materiał 1.4462

Potencjał stali nierdzewnych - przykłady zastosowania

Potencjał stali nierdzewnych - przykłady zastosowania

Zastosowanie: zlewozmywaki

Zastosowanie: suszarki do bielizny

Zastosowanie : architektura Chrysler Building, New York City, N. Y Zastosowanie : architektura Chrysler Building, New York City, N.Y. (USA)

Zastosowanie: naczynia i sztućce

Garnki

Windy

KOROZJA

Odporność korozyjna dla różnych gatunków stali Po 1-rocznym składowaniu w środowisku wody morskiej (strefa rozpylania wody morskiej) Po 1-rocznym składowaniu na zewnątrz w strefie przemysłowej

Korozja powierzchniowa ubytkowa Korozja powierzchniowa ubytkowa charakteryzuje się mniej lub bardziej równomiernym ubytkiem warstwy metalu na całej powierzchni Wielkość ubytku poniżej 0,1 mm / rok pozwala z reguły określić odporność korozyjną jako wystarczającą Powstaje tylko w kwasach i silnych ługach

Korozja miejscowa korozja wżerowa korozja szczelinowa korozja naprężeniowa korozja zmęczeniowa korozja międzykrystaliczna korozja kontaktowa

Etapy powstawania korozji wżerowej Tworzenie wżerów ( lokalna aktywacja ) Nienaruszona warstwa pasywna - chemicznie ( np. chlorki ) - mechanicznie Stal nierdzewna lub w roztworze statycznym W roztworze ubogim w chlorki lub w roztworze dynamicznym W roztworze bogatym w chlorki Repasywacja Powiększanie wżerów

Pozostałe rodzaje korozji Korozja szczelinowa – powstaje w szczelinach / na zarysowaniach (podobna do wżerowej) Korozja naprężeniowa – pęknięcia, które przebiegają śródkrystalicznie; powstaje gdy: Powierzchnia elementu jest pod naprężeniem rozciągającym (gięcie, rozciąganie, walcowanie na zimno, głębokie tłoczenie) Działanie jednego medium (np. jony chlorków) Naprężenia rozciągające można zredukować przez śrutowanie. Zawartość niklu wpływa na wzrost odporności na ten rodzaj korozji. Korozja zmęczeniowa – powstaje we wszystkich korozyjnie działających mediach (nie tylko w jednym) w połączeniu z przemiennymi obciążeniami (gdy występuje naprężenie przemienne, lecz nie ma żadnego pęknięcia)

Pozostałe rodzaje korozji Korozja międzykrystaliczna – w kwaśnych mediach, gdy w wyniku działania ciepła (450-850oC przy austenitach i 900-przy ferrytach), wytrącają się na granicach ziaren węgliki chromu (np. przy spawaniu – zubożenie zawartości chromu w okolicach spoiny). Podwyższenie odporności stali austenitycznych na ten rodzaj korozji – zwiększenie zawartości tytanu lub niobu; przy stalach ferrytycznych – wyżarzanie stabilizujące w temp. 750-800oC. Korozja kontaktowa (stykowa) – materiały metaliczne stykają się + są zwilżone elektrolitem – materiał mniej szlachetny (anoda) zostaje zaatakowany w miejscu styku, materiał bardziej szlachetny (katoda) pozostaje bez zmiany

SPAWALNOŚĆ

SPAWALNOŚĆ W praktyce niemal wszystkie stale odporne na korozję można łączyć wszystkimi metodami spawania i zgrzewania Stale ferrytyczne - nadają się do spawania, przy czym należy liczyć się ze zmniejszeniem ciągliwości w okolicach spoiny; dlatego nie zaleca się spawania konstrukcji poddawanym naprężeniom lub drganiom Stale martnezytyczne - warunkowo do spawania nadają się gatunki o małej zawartości węgla; w tej grupie stali jak i w ferrytach należy stosować austenityczne dodatki spawalnicze Stale austenityczne - zdecydowanie najlepsze do spawania

OBRÓBKA PLASTYCZNA

PODSTAWOWE WŁASNOŚCI MECHANICZNE Granica plastyczności (Re) to wartość naprężenia przy której zaczynają powstawać nieodwracalne odkształcenia plastyczne. Za umowne kryterium do określenia tej granicy przyjmuje się trwałe odkształcenie względne równe 0,002. Pomiędzy granicą sprężystości a granicą plastyczności rozciąga się obszar częściowej sprężystości (lub częściowej plastyczności). Wytrzymałość na rozciąganie (Rm) to  naprężenie, przy którym pojawia się szyjka (w próbce).  Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej zerwanie. W statycznej próbie rozciągania rozciąga się odpowiednio wykonany pręt o przekroju okrągłym wykorzystując urządzenie zwane zrywarką Twardość  – cecha metali świadcząca o podatności lub odporność na odkształcenia powierzchni, zgniecenie jej lub zarysowanie, pod wpływem zewnętrznego nacisku. Pomiar twardości metodą Brinella polega na wgnieceniu w powierzchnię badanego materiału hartowanej kulki stalowej o średnicy D pod wpływem działania prostopadle przyłożonej do próbki siły F, a po odciążeniu na zmierzeniu średnicy d powstałego w materiale trwałego odcisku kulki. Twardość wyrażana jest najczęściej w skali twardości Brinella HB w N/mm2. HB wylicza się ze wzoru:     gdzie A to pole powierzchni kulistego odcinka obliczana ze wzoru A = πDh. Wydłużenie przy zerwaniu (A5 %)- stosunek zmiany długości próbki w momencie zerwania do długości początkowej próbki, wyrażony w procentach

WŁASNOŚCI MECHANICZNE Dla stali w stanie wyżarzonym: Stale martenzytyczne – wysoka wytrzymałość, niska plastyczność Stale austenityczne - niższa wytrzymałość, wysoka plastyczność Stale ferrytyczne – granica plastyczności wyższa niż stali austenitycznych Duplex – granica plastyczności znacznie wyższa niż granica plastycności stali ferrytycznych i austenitycznych; plastyczność podobna do ferrytów

WŁASNOŚCI MECHANICZNE Zależą od: Składu chemicznego Obróbki cieplnej - w przypadku martenzytycznych stali nierdzewnych Zgniotu w przypadku odkształcenia plastycznego na zimno - austenity, duplex (umocnienie przez zgniot wyróżnia te stale – interesujące połączenie wysokiej wytrzymałości i odkształcalności, co umożliwia ograniczenie ciężaru elementów)

PODATNOŚC NA OBRÓBKĘ PLASTYCZNĄ METODY PRZEKSZTAŁCANIA WYROBÓW PŁASKICH GŁĘBOKIE TŁOCZENIE – W ZALEŻNOŚCI OD STANU NAPRĘŻENIA WYRÓŻNIA SIĘ WŁAŚCIWE GŁĘBOKIE TŁOCZENIE (MOŻLIWE JEST SPŁYWANIE WYKROJU POPRZEZ PIERŚCIEŃ CIĄGADŁA; GRUBOŚĆ TŁOCZONEGO MATERIAŁU – BEZ ZMIAN) PRZETŁACZANIE (WYKRÓJ JEST TRZYMANY SZTYWNO PRZEZ DOCISKACZ I SPŁYWANIE NIE JEST MOŻLIWE; TŁOCZONY MATERIAŁ MA CORAZ CIEŃSZĄ ŚCIANKĘ) WYGINANIE – MOŻE BYĆ PRZEPROWADZONE NA PRASIE KRAWĘDZIOWEJ W TŁOCZNIKU LUB ZA POMOCĄ PROFILOWANIA ROLKOWEGO W KLATKACH WALCOWNICZYCH (przykładem jest wytwarzanie rur wzdłużnie spawanych)

PODATNOŚC NA OBRÓBKĘ PLASTYCZNĄ STALE FERRYTYCZNE – przy głębokim tłoczeniu wysoki graniczny stosunek średnicy wykroju do średnicy stempla; przy obciąganiu są zaś podatne na odkształcenia plastyczne tylko w ograniczonym stopniu; zastosowanie: wytłoczki zlewozmywaków, listwy ozdobne samochodów, rury spawane STALE AUSTENITYCZNE – podczas przeróbki plastycznej zmieniają się częściowo w martenzyt; jeżeli jest to konieczne, to musi być to usunięte poprzez wyżarzanie międzyoperacyjne; przy głębokim tłoczeniu – podobnie jak stale ferrytyczne; przy obciąganiu – lepsze właściwości niż ferryty – stąd większe zastosowanie przy skomplikowanych częściach tłoczonych

SKRAWALNOŚĆ

SKRAWALNOŚĆ Szczególnie stale austenityczne uważane są za trudne w skrawaniu – ze względu na wysoką skłonność do umacniania się przez zgniot, niską przewodność cieplną i dobrą ciągliwość Siarka - najważniejszy pierwiastek przyczyniający się do poprawienia skrawalności (krótkie, łamliwe wióry, gładsze powierzchnie, mniejsze zużycie narzędzi)

WYKOŃCZENIA POWIERZCHNI

WYKOŃCZENIA POWIERZCHNI METALICZNIE CZYSTA POWIERZCHNIA JEST PODSTAWOWYM WARUNKIEM DOBREJ ODPORNOŚCI NA KOROZJĘ USUNIĘCIE ZGORZELINY POPRZEZ: ŚRUTOWANIE, SZLIFOWANIE, SZCZOTKOWANIE I/LUB WYTRAWIANIE Blacha zimnowalcowana powierzchnia 2B (matowa) Blacha zimnowalcowana z tłoczonym wzorem Blacha gorącowalcowana powierzchnia 1 Blacha zimnowalcowana powierzchnia BA (lustrzana)

DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ