Podstawowe pojęcia MULTI - SERVICE S.A Kwidzyn ul. Żwirowa 10 tel. +48 (55) fax. +48 (55) STAL NIERDZEWNA I KWASOODPORNA

Transkrypt

1 MULTI - SERVICE S.A. STAL NIERDZEWNA I KWASOODPORNA MULTI - SERVICE S.A Kwidzyn ul. Żwirowa 10 tel. +48 (55) fax. +48 (55) Podstawowe pojęcia Stal: stop pierwiastka żelaza (Fe) z węglem 'C', gdzie zawartość węgla nie przekracza ~2,1 %(stale niestopowe). Jest to wartość graniczna dla której węgiel rozpuszcza się w żelazie. Stal jest produktem który jest obrobiony plastycznie oraz obrabialny cieplnie. Stal często też zawiera w swoim składzie różnego rodzaju pierwiastki zmieniające właściwości stali. Należą do nich najczęściej: chrom (Cr), nikiel (Ni), mangan (Mn), wolfram (W), miedź (Cu), molibden, tytan (Ti). Jednakże z drugiej strony jest też ogromna ilość pierwiastków które ingerując w skład stali są niepożądane i przez to uznawane są za zanieczyszczenia. Proces otrzymywania stali, w najogólniejszym ujęciu, polega na usuwaniu ze wsadu metalowego (surówki, surówki i złomu, złomu) domieszek (C, Si, Mn, P i S) drogą świeżenia (utleniania) lub inną drogą chemiczną, oraz na wiązaniu produktów reakcji (MnO, SiO2, P2O5, CaS, MnS) w nierozpuszczalny w kąpieli metalowej żużel, lub wydzielaniu w postaci gazowej do otaczającej atmosfery (CO, CO2). Surówka hutnicza - półprodukt redukcji rudy w piecu, ma bardzo wysoką zawartość węgla, zwykle 3,5-4,5% i liczne zanieczyszczenia, co czyni ją bardzo kruchą i nieprzydatną bezpośrednio jako materiał, z wyjątkiem ograniczonych zastosowań. Stal nierdzewna: innymi słowy jest to stal odporna na korozję. Stop żelaza zawierający co najmniej 10,5% domieszki chromu (Cr) (wg amerykańskiej normy AISI) oraz dodatki innych pierwiastków stopowych w celu modyfikacji struktury i polepszenia właściwości takich jak odporność korozyjna, wytrzymałość, podatność na kształtowanie i odporność na niskie temperatury. Stali nierdzewnych używa się: na zbiorniki,na wyroby z ropy naftowej, zbiorniki i cysterny mleczarskie, niecki basenów pływackich, kolumny rektyfikacyjne, instalacje w przemyśle koksowniczym, łopatki turbin parowych, armaturę przemysłową i domową, narzędzia chirurgiczne, sztućce, naczynia i garnki, instalacje w przemyśle spożywczym, takielunek i okucia żeglarskie, wytrzymałe konstrukcje stalowe, dekoracyjne elewacje, części silnikowe w samolotach i rakietach, windy, chłodnie, klimatyzatory, piece żaroodporne, balustrady ozdobne, itp. Normy HACCP wymagają, by używać stali nierdzewnej w kontakcie z żywnością. Stal kwasoodporna: definiowana jest jako stal która jest odporna na działanie kwasów o słabszej mocy niżeli kwas siarkowy VI (H2SO4). Uzyskana kwasoodporność jest wynikiem stabilizacji fazy austenitu. Stabilizację tą można uzyskać poprzez dodanie dużej zawartości procentowej pierwiastków chromu (~19%) oraz niklu (~11%) czy też innych dodatków stopowych pośród których można wyróżnić: mangan (Mn), tytan (Ti), miedź (Cu) czy też molibden (Mn). Stale kwasoodporne wykorzystuje się do budowy zbiorników kwasowych oraz instalacji przemysłowych, do ich produkcji i dystrybucji, oraz innych instalacji zawierających kwasy, np. w przemyśle farbiarskim, przy produkcji nawozów itp. Korozja: jest to zjawisko związane z rodzajem oddziaływania występującego na strukturze fizykochemicznej pomiędzy metalem a środowiskiem (najczęściej agresywnym) czego efektem są zmiany w strukturze niszczejącego metalu.(chem. reakcja katoda anoda). Zwykła stal reaguje z tlenem w powietrzu, co powoduje powstanie na powierzchni stali warstwy tlenku żelaza. Powierzchnia ta jest ekstremalnie porowata i pozwala na dalsze utlenianie stali, powodując korozję, której efektem jest rdza. Zależnie od rodzaju materiału dominujące procesy mają charakter reakcji chemicznych, procesów elektrochemicznych, mikrobiologicznych lub fizycznych. Szybkość z jaką przebiega korozyjne niszczenie zależy od rodzaju i sposobu kontaktujących się ze sobą materiałów, łączenia elementów i innych czynników.

2 Rodzaje korozji: Ogólna (równomierna): Jest to korozja stosunkowo najmniej groźna, gdyż polega na równomiernym zaatakowaniu całej powierzchni stali nierdzewnej. W wyniku tego grubość wyrobu stalowego zmniejsza się równomiernie, z jednoczesnym zmniejszeniem się ogólnej wytrzymałości korodowanego elementu. Międzykrystaliczna: Korozja międzykrystaliczna należy do najbardziej groźnych typów korozji. Atakuje stale nierdzewne wzdłuż granic ziaren. Agresywne środowisko korozyjne bądź wyłuskuje poszczególne ziarna z powierzchni stali, zmniejszając tym samym grubość ścianek urządzenia produkcyjnego, bądź też bez dostrzegalnych oznak zewnętrznych narusza spójność pomiędzy poszczególnymi ziarnami w takim stopniu, że stal już po lekkim uderzeniu rozsypuje się na proszek. Stale nierdzewne korodują międzykrystalicznie wówczas, gdy równocześnie:są skłonne do tego typu korozji, zostały nagrzane do temperatur niebezpiecznych, wynoszących dla stali austenitycznych od 450 do 8500C, stykają się ze środowiskiem wywołującym ten typ korozji, np. z HNO3, mieszaniną H2SO4 i CuSO4 itd. Korozja naprężeniowa do niebezpiecznej w skutkach korozji, atakującej międzykrystalicznie lub śródkrystalicznie stale odporne na korozję, należy korozja naprężeniowa, która pojawia się tylko wówczas, gdy stal jest podatna na ten typ korozji, stal jest poddana naprężeniom wewnętrznym (własnym) lub przykładanym z zewnątrz, stal jest narażona na działanie środowisk korozyjnie agresywnych wywołujących ten typ korozji, np. chlorków czy ługów, stal pracuje w środowiskach nagrzanych do temperatury >600oC Korozja wżerowa - innym rodzajem korozji miejscowej jest korozja wżerowa, która charakteryzuje się punktowym ubytkiem masy stali. Przebieg procesu korozji wżerowej związany jest z działaniem lokalnego ogniwa, które tworzy się pomiędzy dużą spasywowaną powierzchnią stali stanowiącą katodę, a miejscową zdepasywowaną strefą stanowiącą anodę. Korozja zmęczeniowa - Zjawisko korozji zmęczeniowej jest zjawiskiem występującym na skutek współdziałania środowiska korozyjnie agresywnego i cyklicznych lub zmiennych naprężeń, co w konsekwencji prowadzi do pękania metalu. Oddziaływanie naprężeń sprawia, że zostaje naruszona warstewka ochronna (warstewka pasywna) na stali odpornej na korozję, skutkiem czego atakowany jest obszar metalu niechronionego (odsłoniętego). Korozja szczelinowa - orozja szczelinowa powstaje w wyniku stopniowego zanikania warstewki pasywnej w szczelinach, w których na skutek utrudnionego napowietrzenia i zahamowanego dopływu tlenu, warstewka ta nie może się zregenerować. Korozja galwaniczna - korozja ta jest wywołana stykiem dwóch metali lub stopów o różnych potencjałach, w konsekwencji czego powstaje ogniwo galwaniczne. Skuteczność działania ogniwa zwiększa się ze wzrostem różnicy potencjałów stykających się ze sobą dwóch metali w środowisku korozyjnym, np. zawierającym jony chlorkowe. Reakcja na anodzie: reakcja odbywająca się na elektrodzie która polega na przeniesieniu ładunku na granicy faz między przewodnikiem a elektrolitem gdzie przenoszony jest ładunek dodatni od przewodnika do elektrolitu, w tym samym kierunku przepływa też prąd. Jest to reakcja utleniania M->M n+ +n e-, czyli substancja reagująca oddaje jeden lub więcej elektronów. Reakcja na katodzie: reakcja odbywająca się na elektrodzie która polega na przeniesieniu ładunku na granicy faz między przewodnikiem a elektrolitem gdzie przenoszony jest ładunek ujemny od przewodnika do elektrolitu, w tym samym kierunku przepływa też prąd. Jest to reakcja redukcyjna ½O +H 2 2O+2e-->2OH-,czyli substancja reagująca przyjmuje jeden lub więcej elektronów. Warstwa pasywna: jest to cienka warstwa tlenków, głównie chromu, znajdujących się na powierzchni stali nierdzewnej chroniąca daną stal przed korozją. Warstewka ta jest nieporowata i obejmuje całą powierzchnię elementu, jako kombinacja tlenu z powietrza lub wody z chromem zawartym w stopie. Warstwa pasywna na stalach nierdzewnych charakteryzuje się skłonnością do samoczynnego odbudowywania się w środowisku zawierającym tlen.

3 Stale o szczególnych właściwościach: stale automatowe A10X, A10XN, A11, A35, A45, A35G2 Stale automatowe przeznaczone do obróbki skrawaniem na obrabiarkach i automatach z których wytwarza się drobne części, takie jak: śruby, nakrętki, sworznie, na które nie działają zbyt duże siły i obciążenia podczas pracy.stale te do wyrobów tych części nie muszą posiadać dużych właściwości wytrzymałościowych, ale muszą posiadać dobrą skrawalność co zapewnia zwiększona zawartość fosforu i siarki, wywołujących kruchy i łatwo usuwalny wiór. Siarka występuje w postaci siarczanów - wymagane są drobne i równomiernie rozłożone wydzielania, zapewniające dobrą odporność stali i ograniczające ujemne oddziaływania na własności mechaniczne. Fosfor występuje w postaci roztworu stałego z żelazem, zwiększając tym jego twardość i kruchość. Zarówno siarka jak i fosfor posiadają skłonności do segregacji, dlatego maksymalna zawartość siarki nie powinna przekraczać 0,35% a fosforu 0,06% AISI 304: (tzw. nierdzewka) najpopularniejszy materiał nierdzewny, o dobrej odporności na korozję w wielu środowiskach, dobrze spawalny. Stosowany przemyśle spożywczym i chemicznym oraz na częściach wymagających głębokiego tłoczenia, odporny na korozję w środowisku atmosferycznym, wody naturalnej, roztworów alkalicznych, niektórych kwasów organicznych i nieorganicznych. Stosowany, gdy nie ma dużego zagrożenia ze strony działania kwasów. Skład chemiczny: C < 0,03%; Si < 1,0%; Mn < 2,0%; P < 0,045%; S < 0,015%; N < 0,011%; Cr = 18,0%-20,0%; Ni = 10,0%-12,0% AISI 321: pochodna nierdzewki z dodatkiem tytanu. Wykazuje dużą odporność na korozję międzykrystaliczną (czyli przebiegającą na granicy ziaren metalu). Może być stosowana w zakresie temperatur od C. Często stosowana jako wymienniki ciepła, w elementach narażonych na działanie agresywnych środków konserwujących, na urządzenia pracujące w temperaturze 200 C. Skład chemiczny: C < 0,08%; Si < 1,0%; Mn < 2,0%; P < 0,045%; S < 0,015%; Cr = 17,0%-19,0%; Ni = 9,0%-12,0%; Ti < 0,07% AISI 316, 316L, 316 Ti: nazywana inaczej kwasówką, jedna z najbardziej rozpowszechnionych stali kwasoodpornych. Materiał o podwyższonej odporności na korozję w środowiskach zaliczanych jako agresywne. Możliwość pracy w temperaturze 300/400 C. Zastosowanie: przemysł chemiczny, farmaceutyczny, tekstylny, spożywczy, do wyrobu celulozy, farb. Stale z dodatkiem molibdenu, przez to bardziej odporne na korozję wżerową w środowisku z jonami chlorkowymi. Skład: AISI 316: C < 0,07%; Si < 1,0%; Mn < 2,0%; P < 0,045%; S < 0,015%; N < 0,011%; Cr = 16,5%-18,5%; Mo = 2,0%-2,5%; Ni = 10,0%-13,0%. AISI 316L: C < 0,03%; Si < 1,0%; Mn < 2,0%; P < 0,045%; S < 0,015%; N < 0,011%; Cr = 16,5%-18,5%; Mo = 2,0%-2,5%; Ni = 10,0%-13,0%. AISI 316 Ti: C < 0,08%; Si < 1,0%; Mn < 2,0%; P < 0,045%; S < 0,015%; Cr = 16,5%-18,5%; Mo = 2,0%-2,5%; Ni = 10,5%-13,5%; Ti < 0,7%. Zastosowanie Stali Nierdzewnej: Stal nierdzewna ma już prawie wiek, jednakże przez znaczną większość tego czasu nie zostały one wykorzystywane w budownictwie czy architekturze. Różnego rodzaju nierdzewki obok swoich walorów estetycznych czy wizualnych oferują przecież także solidność, trwałość i praktyczność. Dzięki różnorodności gatunków i rodzajów powierzchni oraz szerokiej palecie produktów, jest ona w stanie spełnić najbardziej wyszukane wymagania stawiane materiałom budowlanym i wykończeniowym przez architektów oraz dekoratorów wnętrz. Wykonuje się z nich najczęściej balustrady, windy, drabiny oraz często można spotkać je w artystycznym połączeniu z elementami drewna, szkła czy polimerów. Do najbardziej znanych przykładów światowej architektury można przywołać wieżę Twins Towers z Kuala Lumpur czy też Sonic Center znajdujące się w Berlinie. Stal nierdzewna ma ogromne zastosowanie w przemyśle fabrycznym. W zależności od rodzaju medium z którym stal ma styczność można wykorzystać je np. w przemyśle celulozowo- papierniczym gdzie stale te posiadają zwiększone zawartości molibdenu. Stale austenityczne wykorzystywane są w wielu etapach przemysłu chemicznego, jednakże ich dobór jest powierzany z reguły osobom o dużym doświadczeniu w tej dziedzinie. W dzisiejszych czasach większość energii pozyskuje się poprzez spalanie produktów kopalnych (węgla, ropy naftowej i gazu) lub w elektrowniach jądrowych. W każdym przypadku produkcji energii, stal nierdzewna jest niezbędna. Poczynając od produkcji gazu czy ropy naftowej, zarówno na lądzie i morzu, kończąc na zakładach spalających i produkujących energię elektryczną (również elektrowniach atomowych), stal nierdzewna jest wszędzie. Używane w tej gałęzi przemysłu gatunki stali nierdzewnych, to prawie zawsze stale specjalne wysokostopowe, co do których wymagania, zarówno co do testowania, jak i wydawania certyfikatów, są bardzo surowe. Biorąc pod uwagę szerokie zastosowanie stali nierdzewnej, nie mogło jej też zabraknąć w transporcie. Jest to potężny rynek zbytu na stal nierdzewną zarówno na lądzie jak i morzu. Konieczność transportu różnego typu materiałów, towarów i cieczy wzrasta każdego roku przy

4 jednoczesnym trendzie minimalizowania kosztów i zapewnienia bezpieczeństwa. Odpowiedzią na to, są odpowiednio zaprojektowane z reguły wielozadaniowe, kontenery i zbiorniki ze stali nierdzewnej. Wielozadaniowe, ponieważ dzięki właściwościom surowca, z którego są wykonane, mogą zarówno przewozić surowce spożywcze (np. mleko), a następnie produkty chemiczne (np. rozpuszczalnik). Ale nie odbiegają zbytnio od życia codziennego, można podać za przykład przdmioty z którym mamy do czynienia na co dzień. Stal zatwierdzona jest jako materiał do wykonywania wyposażenia do przechowywania, przetwórstwa i transportu żywności a także wszelkiego rodzaju sztućców, garnków, misek czy też podstaw sprzętu AGD takich jak pralki, kuchenki, piekarniki. Mogło by się wydawać na pozór iż stal nierdzewna jest w znacznym stopniu wykorzystywana w przemyśle motoryzacyjnym, niestety praktycznie wszystkie nadwozia samochodowe są wykonywane głównie z tradycyjnych stali konstrukcyjnych typu S, ze względu na wartość karoserii która przeznaczona jest dla użytkowników gdzie minimalizacja kosztów produkcji jest jedną z podstawowych cech. Kolejnym czynnikiem wpływającym jest waga takiego rodzaju nadwozia. Stal nierdzewna ze względu na swoją zwiększoną masę spowodowała by zwiększone zużycie paliwa. Dodatkowo można dodać też iż samochody osobowe przeznaczone są do optymalnego czasu eksploatacji przez klienta, gdzie wyjątek stanowią środki transportu masowego czy ciężarówki które mają na celu długowieczność swojej służby. Dlatego też przy samochodach osobowych Stal nierdzewna wykorzystywana jest głównie przy rurach wydechowych i ozdobnych listwach wykończeniowych które zazwyczaj stanowią około kg wagi auta. Na końcu nie można zapomnieć o najbardziej koniecznym użyciu stali żeglarstwie. Stal nierdzewna ze względu na swoją długość użyteczności i odporności korozyjnej w kontakcie z wodą i powietrzem jest stosowana w prawie każdym elemencie jachtów na które działają duże wartości sił. Stal ferrytyczna: jej głównym dodatkiem jest chrom (Cr), a także molibden (Mo), tytan (Ti) oraz niob (Nb). Nosi nazwę ferrytycznej ze względu na obecność ferrytu w budowie stopu. Ferryt - stały roztwór węgla, który posiada ziarnistą, jasnoszarą strukturę (pow. mikroskopowe). Roztwór zawiera małe ilości węgla w żelazie, nie większe niż 0,0025%. Stal ferrytyczna jest materiałem ciągliwym i miękkim. Stale o wysokich zawartościach chromu cechuje duża hartowność, mogą być hartowane na powietrzu, nie mają w ogóle zakresu przemiany bainitycznej, lecz perlityczną z maksimum w temperaturze 700 oc. W celu otrzymania struktury perlitycznej należy je po obróbce plastycznej wygrzać w temperaturze 700 oc przez 2 godziny. Po zahartowaniu stale te zawierają duże ilości austenitu szczątkowego. Tworzeniu się martenzytu w tych stalach można zapobiec przez wprowadzenie tytanu w ilości koniecznej do związania węgla i azotu. Również aluminium stabilizuje ferryt i wiąże azot. Jak widać zakres stopów czysto ferrytycznych ograniczony jest do bardzo niskich zawartości węgla a powyżej 0,25 % C przy 25 % Cr nie można osiągnąć całkowitego rozpuszczenia węglików poniżej około 1250 oc. Stal austenityczna: należą do najczęściej stosowanych w tej grupie materiałów. Dodatek 8% niklu w stali o stężeniu 18% chromu zapewnia stalom odpornym na korozję trwałą strukturę austenityczną. Stale te charakteryzują się najlepszą odpornością na korozje a ich własności mechaniczne zawierają się w zakresie od 450 do 950 MPa. W miarę wzrostu dodatków stopowych, głównie chromu i molibdenu może jeszcze bardziej poprawić odporność na korozje. Dla uzyskania dobrych własności technologicznych konieczna jest struktura drobnoziarnista. Końcowym etapem obróbki jest wyżarzanie odpuszczające w temperaturach 1000 i 1150 stopni z późniejszym chłodzeniem w wodzie lub na powietrzu. Stale te niestety nie ulegają hartowaniu. Ich niską granicę plastyczności i niezbyt dużą wytrzymałość na rozciąganie rekompensuje dobra ciągliwość a przede wszystkim udarność (w temperaturze pokojowej oraz w temperaturach ujemnych) Mają bardzo dobre zdolności do przeróbki plastycznej na zimno. Stal martenzytyczna: stale o strukturze martenzytycznej charakteryzują się podobnym stężeniem chromu jak stale ferrytyczne, lecz zawiera przesycony roztwór stały węgla w sieci alfa. Twardość austenitu zależy od zawartości węgla zawartego w austenicie. Struktura martenzytu odpuszczonego zapewnia tym stalom wysokie własności wytrzymałościowe do 1100 MPa wytrzymałości na rozciąganie. Stale martenzytyczne są

5 magnetyczne. Ich odporność na korozje jest niska.