STALE ODPORNE NA KOROZJ

Transkrypt

1 STALE ODPORNE NA KOROZJ

2 OGÓLNA KLASYFIKACJA STALI ODPORNYCH NA KOROZJ - kryterium podziału ODPORNO NA KOROZJ stale trudno rdzewiejce stale odporne na korozj OGÓLNA KLASYFIKACJA STALI ODPORNYCH NA KOROZJ - kryterium podziału STRUKTURA ferrytyczne, martenzytyczne, martenzytyczne umacniane wydzieleniowo, austenityczne, ferrytyczno austenityczne (typu DUPLEX)

3 OGÓLNA KLASYFIKACJA STALI ODPORNYCH NA KOROZJ - kryterium podziału SKŁAD CHEMICZNY wysokochromowe, chromowo niklowe, chromowo niklowo manganowe Stale wysokochromowe o strukturze ferrytycznej, ferrytyczno martenzytycznej lub martenzytycznej, s odporne głównie na korozj chemiczn, w tym na utlenianie w atmosferze powietrza, wody naturalnej i pary wodnej w niskiej i podwyszonej temperaturze, na działanie zimnych roztworów alkalicznych, rozcieczonych kwasów i soli, z wyjtkiem chlorków i jodków, oraz na działanie ropy naftowej i jej par, paliw, olejów, alkoholi, a take rodków spoywczych. Stale chromowo niklowe i chromowo niklowo manganowe, o strukturze austenitycznej s odporne głownie na korozj elektrochemiczn w rodowisku kwasów nieorganicznych i organicznych, zwizków azotu, roztworów soli i agresywnych rodków spoywczych.

4 , nalece do klasy stali nierdzewnych, s objte normami PN-EN do PN-EN , zgodnie z normami europejskimi maj oznaczenie składajce si z litery X, liczby podajcej rednie stenie C w setnych czciach %, symboli głównych pierwiastków stopowych, a za nimi liczb (rozdzielonych poziom kresk) podajcych rednie stenie głównych pierwiastków stopowych w %.

5 Zasady oznaczania gatunków stali nierdzewnych według norm europejskich Zgodnie z normami europejskimi obowizuj dwa systemy oznaczania stali: - znakowy, w którym znak stali składa si z symboli literowych i cyfr (wg PN-EN :1994), - cyfrowy, w którym numer stali składa si tylko z cyfr (wg PN-EN :1994). W systemie znaków, w przypadku gatunków stali odpornych na korozj symbole stali wskazuj na jej ilociowy skład chemiczny. System znaków składa si z nastpujcych liter i liczb: symbol X oznaczajcy, e co najmniej jeden pierwiastek stopowy wystpuje w iloci wikszej od 5 %, liczby umieszczonej za symbolem X, odpowiadajcych 100-krotnej wymaganej redniej zawartoci wgla, symbole pierwiastków chemicznych okrelajcych dodatki stopowe w stali (symbole zapisuje si w kolejnoci malejcych zawartoci pierwiastków), liczby za symbolami pierwiastków chemicznych okrelajcych zawarto kolejnych pierwiastków stopowych w stali.

6 W systemie cyfrowym oznaczenie gatunku stali składa si z 5 cyfr: 1.xxnn, gdzie 1 oznacza stal, xx człon składajcy si z dwóch cyfr oznacza grup stali, nn -trzeci człon, równie dwucyfrowy, wyrónia konkretny gatunek w grupie. Znaczenie oznacze cyfrowych dla stali odpornych na korozj: stale z Cr o zawartoci <2,5%Ni stale z Cr o zawartoci >2,5%Ni bez Mo, Nb lub Ti z Mo, bez Nb lub Ti bez Mo, Nb lub Ti z Mo, bez Nb lub Ti stale z Cr, Cr i Ni lub Cr, Ni i Mo z dodatkami specjalnymi pierwiastków (Cu, Nb, Ti,...) Przykłady: X20Cr13 (1.4021) - stal odporna na korozj o redniej zawartoci wgla równej 20/100 = 0,2% i 13% steniu chromu. X1CrNiMoCuN (1.4537) - stal odporna na korozj o redniej zawartoci wgla równej 1/100 = 0,01%, zawierajca 25 % chromu, 25 % niklu, 5 % molibdenu i poniej 1 % miedzi i azotu. X6CrNiMoTi (1.4571) - stal odporna na korozj o redniej zawartoci wgla równej 6/100 = 0,06%, zawierajca 17 % chromu, 12 % niklu, 2 % molibdenu i poniej 1 % tytanu.

7 STALE FERRYTYCZNE WYSOKOCHROMOWE ODPORNE NA KOROZJ Podstawowym dodatkiem stopowym w stalach odpornych na korozj jest chrom. W steniu wikszym od 13% powoduje on zmniejszenie poniej zera standardowego potencjału Fladego w porównaniu z wartoci ok. 0,63 V, odpowiadajc czystemu Fe (rys. 1). Stopy elaza o steniu powyej 13% Cr wykazuj wic wiksz skłonno do tworzenia warstw pasywnych, o trwałoci wikszej ni tworzonych na czystym elazie. Decyduje to o znacznej odpornoci na korozj wysokochromowych stopów elaza. Rys. 1. Wpływ Cr na potencjał Fladego stali

8 STALE FERRYTYCZNE WYSOKOCHROMOWE ODPORNE NA KOROZJ Chrom stabilizuje odmian Fe, ograniczajc wystpowanie austenitu. W stopach Fe Cr maksymalna rozpuszczalno Cr w austenicie wynosi 12%. Przy steniu wikszym od 12% Cr w stopach Fe Cr w całym zakresie od temperatury pokojowej do temperatury solidusu trwały jest ferryt. Wgiel powoduje przesunicie zakresu wystpowania austenitu przy wikszym steniu Cr, zwikszajc zakres obszaru dwufazowego + (rys. 2). Rys. 2. Przekroje steniowe trójskładnikowego układu równowagi Fe Cr C przy stałym steniu a) 13% Cr, b) 17% Cr, c) 25% Cr

9 STALE FERRYTYCZNE WYSOKOCHROMOWE ODPORNE NA KOROZJ Stale o małym steniu wgla poddaje si wyarzaniu w temperaturze C z chłodzeniem w powietrzu lub wodzie. Stale te wykazuj struktur ferrytyczn, dobr odporno na korozj i wytrzymało na rozciganie MPa. Ze wzgldu na obecno C w stalach o strukturze ferrytycznej mog wystpowa wgliki, w wysokiej temperaturze ulegajce rozpuszczeniu w roztworze stałym. Sprzyja to powstawaniu niewielkiej iloci austenitu, który ulega nastpnie przemianie w martenzyt podczas chłodzenia. Zmniejsza to plastyczno i spawalno tych stali, powodujc pknicia. W celu uniknicia tego zjawiska do stali ferrytycznych dodaje si Ti w steniu około piciokrotnie wikszym od łcznego stenia C i N. Wgliki tytanu s trwałe do znacznie wyszej temperatury ok C, co uniemoliwia tworzenie si austenitu podczas obróbki cieplnej. Oddziaływanie podobne jak Ti maj dodatki Nb lub Zr. W niektórych gatunkach stali o strukturze ferrytycznej wystpuje równie dodatek 0,1 0,3% Al, stabilizujcy ferryt, co równie zapobiega niekorzystnemu tworzeniu si austenitu podczas obróbki cieplnej. Gatunki majce podwyszone stenie S ponad 0,15% cechuj si du skrawalnoci, jednak ich odporno na korozj jest zmniejszona.

10 Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej i wytrzymało ferrytycznych, wysokochromowych stali odpornych na korozj

11 Przykłady zastosowa stali o strukturze ferrytycznej X6Cr17 X3CrTi17 Zlewozmywaki i zestawy zlewów X6Cr17 X6Cr17 X6Cr17 X6CrMo17-1 X6CrMoNb17-1 X3CrTi17 X2CrTi17 X2CrMoTi18-2 X2CrTi12 X2CrTiNb18 X3CrTi17 X2CrMoTi18-2 X2CrMoCuTi29-4 X6CrMoCuTi29-4 Sztuce, miski, pokrywki Samochodowe opaski zaciskowe przewodów Dekoracyjne okrawki samochodowe Wntrza zmywarek do naczy Zbiorniki gorcej wody Samochodowe układy wydechowe Rury w aparatach wyparnych i przegrzewaczach wtórnych oraz kotły dla rafinerii cukru Kanały kominowe Rury dla instalacji odsalania wody morskiej

12 STALE MARTENZYTYCZNE WYSOKOCHROMOWE ODPORNE NA KOROZJ Stale o steniu 13 i 17% Cr, przy steniu wgla wikszym od odpowiednio 0,1 i 0,05% w wysokiej temperaturze maj struktur dwufazow +, a przy jeszcze wikszym steniu wgla struktur jednofazow (rys. 1). W stalach o steniu ok. 17% Cr obszar moe by poszerzony po wprowadzeniu ok. 2% Ni. Wystpowanie austenitu w wysokiej temperaturze umoliwia hartowanie tych stali po chłodzeniu w powietrzu w celu uzyskania struktury martenzytycznej i nastpne ich odpuszczanie. Struktura martenzytu odpuszczonego zapewnia tym stalom wiksze własnoci wytrzymałociowe, do ok MPa, przy nieco mniejszej odpornoci na korozj w porównaniu ze stalami wysokochromowymi o strukturze ferrytycznej. Niektóre stale z tej grupy maj najwiksze stenie wgla, ok. 1%, wród stali odpornych na korozj.

13 Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej i wytrzymało martenzytycznych wysokochromowych stali odpornych na korozj

14 STALE MARTENZYTYCZNE UMACNIANE WYDZIELENIOWO ODPORNE NA KOROZJ umacniane wydzieleniowo cechuj si wikszymi własnociami wytrzymałociowymi w porównaniu ze stalami o strukturze martenzytu odpuszczonego umacnianego tylko wydzieleniami wglików. Skład chemiczny tych stali jest tak dobrany, aby przy małym steniu wgla (poniej 0,1%) umoliwi take wydzielanie faz midzymetalicznych (np. Ni 3 Mo, NiAl 2 ) z niskowglowego martenzytu. Obróbka cieplna tych stali polega na hartowaniu i odpuszczaniu). Podczas austenityzowania nastpuje rozpuszczenie pierwiastków stopowych w osnowie austenitycznej, a podczas nastpnego ozibiania zachodzi przemiana martenzytyczna. Podczas ozibiania stali zawierajcych ok. 7% Ni korzystne jest wymraanie w celu wymuszenia przemiany austenitu w martenzyt niskowglowy o małej twardoci. Wysok wytrzymało, nawet do ponad 1500 MPa, nadaje stali nastpne odpuszczanie, w czasie którego wydzielaj si wgliki i fazy midzymetaliczne z martenzytu.

15 STALE MARTENZYTYCZNE UMACNIANE WYDZIELENIOWO ODPORNE NA KOROZJ Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej i wytrzymało martenzytycznych, umacnianych wydzieleniowo stali odpornych na korozj

16 Przykłady zastosowa stali o strukturze martenzytycznej X20Cr13 X30Cr13 X46Cr13 Ostrza noy X30Cr13 Noe, noyce dla przemysłu papierniczego X20Cr13 Membrany sprarek, spryny X30Cr13 X46Cr13 Przyrzdy chirurgiczne

17 STALE AUSTENITYCZNE CHROMOWO NIKLOWE ODPORNE NA KOROZJ Wysok odporno na korozj elektrochemiczn wykazuj stale i stopy jednofazowe. W przypadku dodania wicej ni 8% Ni do stali zawierajcych co najmniej 18% Cr stale te w całym zakresie temperatury wykazuj struktur austenitu (rys. 2). Stale o strukturze austenitycznej maj wysze własnoci mechaniczne, wiksz odporno na korozj i mniejsz skłonno do rozrostu ziarn ni stale o strukturze ferrytycznej. W stalach Cr Ni typu 18 8 rozpuszczalno wgla w austenicie zmniejsza si wraz z obnieniem temperatury i w temperaturze pokojowej wynosi ok. 0,04% (rys. 2). Zmniejszajcej si rozpuszczalnoci C w austenicie towarzyszy wydzielanie si wglików (Fe,Cr) 23 C 6. Rys. 2. Wpływ wgla na struktur stali o steniu 18% Cr i 8% Ni

18 STALE AUSTENITYCZNE CHROMOWO NIKLOWE ODPORNE NA KOROZJ Jednofazow struktur austenitu o wysokiej odpornoci na korozj, bez wydziele wglików, stal uzyskuje w wyniku przesycania w wodzie z temperatury 1100 C. W przypadku ponownego nagrzania tak obrobionej stali do temperatury wyszej od ok. 500 C, np. w warunkach pracy lub w czasie spawania, nastpuje wydzielanie wglików chromu w postaci siatki, nierzadko przerywanej na granicach ziarn, a w przypadku spawania w strefie wpływu ciepła. Proces ten jest zwizany z dechromizacj obszarów przyległych do granic ziarn austenitu (rys. 3) i korozj midzykrystaliczn. Rys. 3. Schemat wpływu wydzielania wglików typu M 23 C 6 na zmiany stenia wgla i chromu w pobliu granicy ziarn w stalach wysokochromowych a) uwraliwionych na korozj midzykrystaliczn,

19 STALE AUSTENITYCZNE CHROMOWO NIKLOWE ODPORNE NA KOROZJ W temperaturze ok. 500 C szybko dyfuzji Cr jest znacznie mniejsza od szybkoci dyfuzji C. Wgiel tworzcy wgliki pochodzi wic z obszaru całego ziarna, natomiast Cr z obszarów przyległych do jego granic. Moe to powodowa lokalne zmniejszenie stenia Cr poniej ok. 12%. Z tego powodu nastpuje gwałtowny wzrost potencjału Fladego stali w tych miejscach i uwraliwienie jej na działanie korozji elektrochemicznej, przebiegajcej po granicach ziarn. Szybko dyfuzji Cr w temperaturze ok. 650 C jest znacznie wiksza ni w niszej temperaturze i dlatego korozja midzykrystaliczna po nagrzaniu do tej temperatury nie zachodzi. Podobnie wpływa znaczne przedłuenie wygrzewania stali, nawet w stosunkowo niskiej temperaturze zblionej do 500 C. Rys.4. Schemat wpływu wydzielania wglików typu M 23 C 6 na zmiany stenia wgla i chromu w pobliu granicy ziarn w stalach wysokochromowych b) odpornych na ten rodzaj korozji w wyniku przedłuenia czasu i podwyszenia temperatury wygrzewania

20 STALE AUSTENITYCZNE CHROMOWO NIKLOWE ODPORNE NA KOROZJ Wraliwo na korozj midzykrystaliczn zaley wic od stenia wgla w roztworze, temperatury i czasu wygrzewania, co mona przedstawi na wykresie CTW (czas temperatura wraliwo na korozj midzykrystaliczn), podobnym do wykresów CTP (rys. 5). Rys. 5. Wykres CTW czas temperatura wraliwo na korozj midzykrystaliczn stali Cr Ni typu 18 8 o rónym steniu wgla

21 STALE AUSTENITYCZNE CHROMOWO NIKLOWE ODPORNE NA KOROZJ W celu skutecznego przeciwdziałania korozji midzykrystalicznej nie mona dopuci do wydzielenia wglików chromu. Osiga si to przez: ponowne przesycanie stali, co moe by stosowane tylko do elementów o niewielkich wymiarach; zmniejszenie stenia C poniej 0,03%; w niektórych gatunkach dopuszcza si stenie wgla nie wiksze ni 0,07%; sposób ten naley uzna za najbardziej skuteczny, cho wymagajcy specjalnych zabiegów metalurgicznych; tzw. stabilizowanie stali przez wprowadzenie pierwiastków wglikotwórczych o wikszym od Cr powinowactwie chemicznym do wgla, najczciej Ti lub Nb; pierwiastki te tworz trwałe wgliki typu MX, nieprzechodzce do roztworu stałego podczas przesycania; ich stenie jest dobierane tak, aby zwiza cały wgiel: %Ti 4%C, %Nb 8%C.

22 STALE AUSTENITYCZNE CHROMOWO NIKLOWE ODPORNE NA KOROZJ Nadmiar Ti zmniejsza odporno na korozj, zwłaszcza w strefie wpływu ciepła w pobliu spoiny, a ponadto utlenia si całkowicie w strefie przetopienia spoiny. Poniewa Nb wykazuje małe powinowactwo chemiczne do tlenu, korzystne jest jego zastosowanie, cho wiksze s tego koszty. Stale stabilizowane maj dobre własnoci wytrzymałociowe w temperaturze do ok. 600 C. Dodatek 1 3% Mo zwiksza odporno stali chromowo niklowych o strukturze austenitycznej na działanie kwasów siarkowego i octowego oraz na korozj werow w obecnoci jonów chlorkowych. Dodatek 2 3% Si polepsza odporno na działanie kwasu solnego i rozcie czonego kwasu siarkowego, a take aroodporno. Skłonno stali Cr Ni do korozji napreniowej zmniejsza dodatek ok. 3% Cu.

23 Przykłady zastosowa stali o strukturze austenitycznej X5CrNi18-10 X2CrNiMo X5CrNi18-10 X2CrNiMo X2CrNi18-9 X5CrNi18-10 X5CrNi18-7 X2CrNiMo X2CrNiMo Zbiorniki na mleko Zbiorniki na białe wino Wyposaenie dla dostaw ywnoci, szpitali, przechowywania artykułów spoywczych Zlewozmywaki oraz kompletne zestawy zlewów, Przybory kuchenne Sztuce oraz miski Kanały kominowe Zbiorniki gorcej wody

24 Kolejne dodatki stopowe w stalach Cr Ni typu 18 8, przy zrónicowanym steniu C i N, wpływaj na przesunicie zakresu istnienia faz i zmiany stabilnoci struktury austenitycznej. Orientacyjne okrelenie składu fazowego stali Cr Ni w zalenoci od stenia dodatków stopowych umoliwiaj wykresy, podajce skład fazowy spoiny stali po szybkim chłodzeniu z temperatury spawania (rys. 6). Struktura jednorodnego austenitu bez obecnoci martenzytu lub ferrytu Fe wystpuje tylko w cile okrelonym zakresie stenia C, N, Cr, Ni i innych pierwiastków stopowych. Jednofazowa struktura austenityczna uniemoliwia zwikszenie własnoci wytrzymałociowych tej grupy stali w procesie obróbki cieplnej. Zwikszenie wytrzymałoci stali austenitycznych mona uzyska stosujc dodatek azotu lub przez odkształcenie plastyczne na zimno. Rys. 6. Wpływ pierwiastków austenito- i ferrytotwórczych na struktur spoiny stali Cr Ni typu 18 8, spawanej i szybko ochłodzonej z temperatury krzepnicia do temperatury pokojowej;cr E ekwiwalent chromu, Ni E ekwiwalent niklu

25 Skład chemiczny, warunki przesycania oraz wytrzymało stali chromowo niklowych o strukturze austenitycznej odpornych na korozj zestawiono w kolejnych tablicach (według PN-EN :1998). Stale o najwikszym steniu Cr, Ni i Mo maj struktur bardzo stabilnego austenitu, przez co s nazywane stalami w pełni austenitycznymi lub super austenitycznymi. Cechuj si one bardzo du odpornoci na korozj, jednak ze wzgldu na cen powinny by stosowane jedynie w uzasadnionych przypadkach.

26 Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej oraz wytrzymało na rozciganie austenitycznych stali odpornych na korozj

27 Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej oraz wytrzymało na rozciganie austenitycznych stali odpornych na korozj

28 Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej oraz wytrzymało na rozciganie austenitycznych stali odpornych na korozj

29 STALE AUSTENITYCZNE CHROMOWO NIKLOWO MANGANOWE ODPORNE NA KOROZJ W zwizku z deficytem Ni stosuje si zastpczo odporne na korozj stale chromowo niklowo manganowe o strukturze austenitycznej. W celu stabilizacji austenitu oraz rozdrobnienia ziarna do stali tych dodaje si ponadto 0,1 0,3% N. Stale te ustpuj nieco pod wzgldem odpornoci na korozj stalom chromowo niklowym. S stosowane na aparatur chemiczn pracujc pod cinieniem w niskiej temperaturze. W rodowiskach, takich jak roztwory kwasu mlekowego, octowego i innych, wystpujcych w sokach owocowych, stale Cr Ni Mn wykazuj dobr odporno na korozj. Dlatego ze stali tych s wykonywane aparaty do przerobu mleka i jego produktów, urzdzenia przetwórstwa warzywno owocowego oraz inna aparatura przemysłu spoywczego.

30 STALE FERRYTYCZNO AUSTENITYCZNE ODPORNE NA KOROZJ o zwikszonym steniu Cr i innych pierwiastków ferrytotwórczych w stosunku do ograniczonego stenia Ni i innych pierwiastków austenitotwórczych w temperaturze pokojowej cechuj si struktur dwufazow+. Stale te zawieraj zwykle 22 27% Cr, 4 7% Ni oraz dodatki Mo i N, co powoduje, e udział austenitu w tych stalach zawiera si w przedziale ok. 40 do 60% (rys. 6). Stale ferrytyczno austenityczne maj wiksze własnoci wytrzymałociowe w porównaniu ze stalami austenitycznymi oraz cechuj si szczególnie dobr odpornoci na korozj napreniow.

31 Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej oraz wytrzymało na rozciganie ferrytyczno austenitycznych stali odpornych na korozj

32 Obróbka cieplna stali odpornych na korozje o strukturze ferrytyczno-austenitycznej Rys. 7. Przekrój potrójnego układu równowagi fazowej Fe Cr Ni przy 70% Fe. Stabilno strukturaln stali typu duplex mona przeledzi na podstawie przekroju układu równowagi fazowej stopów Fe-Cr-Ni przy steniu 70% Fe. Na rysunku 7 zaznaczono stan strukturalny stali zawierajcej 0,03%C, 22%Cr, 5%Ni, 3%Mo i 0,2%N. Analizowana stal krystalizuje w postaci roztworu stałego, który wraz z obnianiem temperatury od ok do ok. 850 C ulega czciowej przemianie w austenit, a w temperaturze ok. 850 C w mieszanin faz +. W temperaturze pokojowej stabiln struktur rozpatrywanej stali jest mieszanina faz i +. W celu uzyskania struktury dwufazowej + stal poddaje si obróbce cieplnej polegajcej na przesycaniu z temperatury niszej od wyznaczonej przez lini granicy midzy mieszanin faz + i. Na udział poszczególnych faz w strukturze stali ma wpływ temperatura przesycania i szybko chłodzenia. Dwufazowe stale ferrytyczno austenityczne poddaje si przesycaniu w zakresie ok C na powietrzu i w wodzie.

33 Przykłady zastosowa stali o strukturze ferrytyczno - austenitycznej X2CrNiMo Inynieria chemiczna wymienniki ciepła w instalacjach PCV wyposaenie do przechowywania kwasów organicznych zbiorniki i przewody rurowe Produkcja papieru -zbiorniki cinieniowe -impregnatory, -kotły Inynieria przybrzena -spiralne przewody parowe