Ruostumattoman teräksen materiaalien luokitus ja ominaisuudet

Johdanto: Ruostumattoman teräksen määrittävä elementti

Ruostumaton teräs määritellään runsasseosteiseksi teräkseksi, joka sisältää vähintään 10,5 % kromia ja enintään 1,2 % hiilipitoisuutta. Tämä kromin lisäys on kriittinen tekijä, joka antaa sen poikkeuksellisen korroosionkestävyyden. Kun kromipitoisuus ylittää noin 10 %, teräksen pinnalle muodostuu vakaa, itsekorjautuva passiivinen kalvo – ohut, ei-kiteinen kerros hydratoitua kromihydroksidia. Tämä passiivinen kalvo, tyypillisesti vain noin 3 nanometriä paksu, toimii läpäisemättömänä esteenä syövyttäviä elementtejä vastaan. Jos tämä kalvo vaurioituu, se uusiutuu automaattisesti hapen läsnä ollessa, jolloin ruostumaton teräs säilyttää korroosionkestävyyden ja esteettisen ulkonäön myös käsittelyn tai kulumisen jälkeen. Ruostumattomat teräkset luokitellaan metallurgisen rakenteensa perusteella viiteen pääperheeseen: austeniittiset, ferriittiset, martensiittiset, dupleksi- ja sadekarkaistuvat ruostumattomat teräkset.

Austeniittiset ruostumattomat teräkset: monipuolinen työhevonen

Austeniittiset ruostumattomat teräkset ovat laajimmin käytetty tuoteperhe, ja niiden osuus maailmanlaajuisesta tuotannosta on yli 70 prosenttia. Ne määritellään kasvokeskeisellä kuutiolla (FCC) olevalla kiderakenteella, joka stabiloidaan lisäämällä nikkeliä - tyypillisesti 8-20 % - kromipohjaan. Tämä rakenne antaa poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten erinomaisen korroosionkestävyyden, korkean sitkeyden, erinomaisen hitsattavuuden ja helpon valmistuksen. Määrittelevä ominaisuus on niiden ei-magneettinen luonne hehkutetussa tilassa. Näitä teräksiä ei voida karkaista lämpökäsittelyllä; sen sijaan ne vahvistuvat kylmätyöstöllä. Ikonisin laatu on 304 (18 % Cr, 8 % Ni), joka tunnetaan erinomaisesta yleisestä korroosionkestävyydestä, hyvästä muovattavuudesta ja hitsattavuudesta. Sovelluksissa, jotka vaativat parannettua piste- ja rakokorroosionkestävyyttä, erityisesti kloridiympäristöissä, 316, joka sisältää 2-3 % molybdeeniä, on edullinen. Vähähiiliset versiot, kuten 304L ja 316L, on suunniteltu hitsattuihin sovelluksiin minimoidakseen rakeiden välisen korroosion riskin. Kattavan suorituskyvyn ansiosta austeniittiset laatulajit ovat välttämättömiä useilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien elintarvikkeiden ja juomien valmistus, kemialliset laitteet, arkkitehtoniset sovellukset ja lääketieteellinen teknologia.

Ferriittiset ruostumattomat teräkset: magneettinen ja kustannustehokas vaihtoehto

Ferriittisille ruostumattomille teräksille on tunnusomaista runkokeskeinen kuutio (BCC) kiderakenne ja ne ovat, kuten puhdas rauta huoneenlämpötilassa, magneettisia. Niiden kromipitoisuus vaihtelee 10,5–18 %, ja niiden hiilipitoisuus on erittäin alhainen. Yleisimmin käytetty laatu on tyyppi 430. Ferriittisten terästen korroosionkestävyys on kohtalainen tai hyvä, mikä kasvaa kromipitoisuuden kasvaessa. Suuri etu on niiden kestävyys kloridin aiheuttamaa jännityskorroosiohalkeilua vastaan, joka voi vaivata austeniittisia laatuja tietyissä ympäristöissä. Niitä ei voi kovettaa lämpökäsittelyllä, ja niitä käytetään aina hehkutetussa tilassa. Vaikka ne ovat yleensä halvempia kuin austeniittiset teräkset, niillä on rajoituksia, kuten alempi sitkeys, muovattavuus ja hitsattavuus. Näistä haasteista huolimatta ferriittisiä laatuja käytetään laajalti autojen sisustamisessa, arkkitehtonisissa sovelluksissa ja kodinkoneissa, kuten astianpesukoneissa ja vaatteiden kuivausrummuissa.

Martensiittiset ruostumattomat teräkset: lujuutta lämpökäsittelyllä

Martensiittiset ruostumattomat teräkset ovat ainutlaatuisia niiden kyvyn vuoksi karkaista ja lujittaa lämpökäsittelyn avulla, aivan kuten hiili- ja niukkaseosteiset teräkset. Hehkutetussa tilassaan niillä on ferriitin kaltainen BCC-rakenne. Kuitenkin, kun se jäähdytetään (sammutetaan) nopeasti korkeista lämpötiloista, rakenne muuttuu kehokeskeiseksi tetragonaaliseksi (BCT) martensiitiksi. Pääseosalkuaine on kromi, tyypillisesti 12-15 %, jonka hiilipitoisuus on korkeampi kuin ferriittisissä laatulajeissa. Tämän yhdistelmän avulla ne saavuttavat erittäin korkean lujuuden ja kovuuden – joidenkin laatujen ollessa jopa 60 HRC – alhaisemman sitkeyden ja sitkeyden kustannuksella. Niillä on kohtalainen korroosionkestävyys, joka on yleensä alhaisempi kuin austeniittisten tai ferriittisten laatujen. Yleisiä laatuja ovat 410, 420 ja 440, joita käytetään sovelluksissa, jotka vaativat kulutuskestävyyttä ja kohtalaista korroosionkestävyyttä, kuten ruokailuvälineet, kirurgiset instrumentit, turbiinien siivet ja laakeripyörät.

Ruostumattomat duplex-teräkset: kahden maailman parhaat puolet

Duplex-ruostumattomat teräkset määritellään kaksivaiheisella mikrorakenteella, joka sisältää suunnilleen yhtä suuret osuudet austeniittia ja ferriittiä, eikä kumpikaan faasi muodosta alle 30 % kokonaismäärästä. Tämän ainutlaatuisen rakenteen ansiosta ne yhdistävät molempien perheiden vahvuudet: ne tarjoavat noin kaksinkertaisen myötölujuuden tavallisiin austeniittisiin laatuihin verrattuna säilyttäen samalla hyvän sitkeyden ja sitkeyden. Ne kestävät myös erinomaisesti pistesyöpymistä, rakokorroosiota ja ennen kaikkea kloridijännityskorroosiohalkeilua. Yleisimmin käytetty laatu on 2205 (22 % Cr, 5 % Ni), joka tarjoaa paremman korroosionkestävyyden kuin 316L monissa väliaineissa. Vaikka duplex-teräkset ovat kalliimpia kuin tavalliset ferriittiset teräkset ja niillä on rajoituksia käyttölämpötilan suhteen (yleensä alle 300 °C), ne ovat materiaali valinta vaativiin sovelluksiin öljy- ja kaasuteollisuudessa, kemianteollisuudessa, meriteollisuudessa sekä massa- ja paperiteollisuudessa.

Saostumattomat ruostumattomat teräkset: huippulujuus

Sadekarkenevat (PH) ruostumattomat teräkset saavuttavat poikkeuksellisen korkean lujuuden ja korroosionkestävyyden yhdistelmän erikoistuneen lämpökäsittelyprosessin ansiosta. Toisin kuin martensiittiset laadut, jotka kovetetaan yksinomaan sammutus- ja temperointisyklillä, PH-laadut vahvistuvat saostumalla hienojakoisia hiukkasia ylikyllästyneestä kiinteästä liuoksesta. Yleisin ja laajalti tunnustettu PH-laatu on 17-4 PH (UNS S17400), joka on martensiittista saostuskarkaisua. Tämä laatu tarjoaa ainutlaatuisen yhdistelmän korkeaa lujuutta, hyvää sitkeyttä ja erinomaista korroosionkestävyyttä, mikä tekee siitä sopivan monenlaisiin ilmailu-, kemian- ja yleisen suunnittelun komponentteihin, joissa standardien martensiittisten laatujen suorituskyky on riittämätön. Muita PH-laatuja ovat puoliausteniittiset ja austeniittiset tyypit, kuten 17-7 PH ja A-286.