Yüksek Performanslı Östenitik Paslanmaz Çelik Metalürjisi

 

 
Paslanmaz çelikler, esas olarak korozyon dirençleri için kullanılan en az % 10.5 Cr içeren demir bazlı alaşımlardır. Bu krom seviyesinde, çelik üzerinde pasif tabaka veya pasif film adı verilen kromla zenginleştirilmiş bir yüzey oksit oluşur. Paslanmaz çeliği normal çelik gibi “paslanmaya” karşı korur. Birçok farklı paslanmaz çelik vardır, ancak hepsi bu minimum krom gereksinimini karşılar. Paslanmaz çelikler dört ana kategoriden birine aittir: östenitik, ferritik, dubleks (karışık ferritik ve östenitik) ve martenzitik. Kategoriler, çeliklerin kristal yapısı (atomların dizilimi) ve ısıl işlemleri ile ilgilidir.

Adından da anlaşılacağı gibi, yüksek performanslı östenitik paslanmaz çelikler (HPASS) östenitik kategoridedir. Atomlar kübik bir kafesin köşelerinde ve yüz merkezlerinde bulunduğundan, yüz merkezli kübik (fcc) kristal yapıya sahiptirler. Genellikle nikel ve krom içerirler, çok yumuşaktırlar ve ısıl işlemle sertleştirilemezler. Ferritik çelikler, kübik bir kafesin köşelerinde ve merkezlerinde atomları olan vücut merkezli bir kübik (bcc) kristal yapıya sahiptir. Genellikle düşük nikel içeriğine sahiptirler ve ısıl işlemle sertleştirilemezler. Dubleks çelikler kabaca eşit miktarda ferrit ve östenit yapıları içerir ve ferritik ve östenitik çelikler tarafından sağlananlar arasında özellikler sunar. Martensitik çelikler ısıl işlemle sertleştirilebilen çeliklerdir.

Önerilen Makale: Çelik malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için paslanmaz çelik nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Bir metalde, aynı kristal yapısına sahip kristal gruplarına faz denir. Paslanmaz çeliklerde bulunan üç kristal yapı için faz isimleri östenit, ferrit ve martensittir. Metalürji, mevcut fazları tanımlamak ve ölçmek için küçük bir numunenin yüzeyini parlatma ve dağlama tekniğini kullanır. Temsili bir HPASS mikro yapısı, diğer fazlardan arındırılmış östenit “taneler” - fcc kristal grupları - koleksiyonunu gösterecektir.

Metalürji, çelikte bulunan fazların miktarını ve türünü kontrol etmek için kimyasal bileşim ve ısıl işlem kullanır. Ferrit oluşturan elemanlar ferrit oluşumunu teşvik ederken östenit oluşturan elemanlar östenit oluşumunu teşvik eder.

Bir çeliğin “faz dengesi” (farklı fazların nispi miktarları) özelliklerini belirler. Çeliğin faz dengesini ve dolayısıyla özelliklerini kontrol etmek, alaşım elementlerinin dengesini gerektirir. Schaeffler Diyagramı, bir kaynakta bulunabileceği gibi, döküm halinde paslanmaz çelikte bulunan kimyasal bileşim ve fazlar arasındaki ilişkiyi gösteren bir araçtır. Kullanıcının belirtilen bir kompozisyondan faz dengesini belirlemesine izin verir. Yaklaşık % 20 Cr, % 6 Mo, % 20 Ni ve % 0.2 N içeren tipik bir HPASS, tek fazlı östenit bölgesindeki şemada, yaklaşık 24'lük Nikel Eşdeğerinde Ferrit Yok çizgisi ve bir Krom yakınında yer alacaktır. Yaklaşık 26'ya eşdeğerdir. Ferritik çelikler bu diyagramın Ferrit bölgesi içine düşecek şekilde tasarlanmıştır ve dubleks çelikler iki fazlı ostenit + ferrit (A + F) bölgesi içine düşmektedir. Diyagram, karbon veya silikon içeriğindeki küçük değişikliklerin faz dengesi üzerinde büyük bir etkiye sahip olabileceğini göstermektedir.
 

Standart ve HPASS'nin ideal mikro yapısı, herhangi bir ikincil fazı olmayan homojen bir östenit tanesidir. Bununla birlikte, bu çoğu durumda östenitik çelikler için denge koşulu değildir. Paslanmaz çelikler yüksek sıcaklıklara maruz kaldığında östenitik yapıda diğer ikincil fazlar oluşabilir ve bunlar genellikle özelliklere zarar verir. Üretici veya imalatçı, bu ikincil fazların oluşmasını önlemek için tavlama işlemlerini ve diğer imalat parametrelerini yakından kontrol etmelidir. HPASS, yüksek alaşım içeriği nedeniyle ikincil faz oluşumuna karşı çok hassastır. Bu nedenle, HPASS'nin başarılı kullanımı için bu aşamaların oluşumu ve kontrolünün tam olarak anlaşılması önemlidir.

Karbürler ve krom nitrürleri endişe vericidir, çünkü östenit tane sınırlarında oluşma ve orada korozyon direncini azaltma eğilimindedirler. Diğer iki önemli ikincil faz sigma ve chi'dir. Bu fazlara metaller yerine kimyasal bileşik gibi oldukları için metaller arası bileşikler denir. Çok yüksek krom ve / veya molibden içeriği içerirler, kırılgandırlar ve çevredeki krom veya molibden alanlarını tüketerek korozyon direncini azaltabilirler. Aşağıdaki bölümlerde tartışılmaktadır.

Sekonder faz kararlılığının sıcaklığı Erime noktasına yakın olan yeterince yüksek sıcaklıklarda, tek bir östenit faz yapısı hem standart kaliteler hem de çoğu HPASS için denge koşuludur. Çeliğin bileşimine bağlı olan daha düşük bir sıcaklıkta, bazen çökelti olarak adlandırılan bir veya daha fazla ikincil faz, dengeye ulaşmak için oluşmak isteyebilir. Bu düşük sıcaklık normalde herhangi bir çelik için çözelti tavlama sıcaklık aralığının alt sınırıdır.

Standart kalitelerde krom karbür (Cr23C6) birincil sorundur. Örneğin Tip 304'te, yaklaşık 900 ° C'nin (1650 ° F) altında oluşmaya başlar. Daha yüksek alaşım içeriği ile diğer ikincil fazları oluşturma eğilimi ve oluşum sıcaklıkları artar. Çok yüksek alaşımlı HPASS'lerin bazılarında, chi fazı yaklaşık 1095 ° C'de (2000 ° F) oluşabilir. Bu, HPASS'nin standart derecelerden çok daha yüksek sıcaklıklarda, genellikle 1095 ° C'nin (2000 ° F) üzerinde çözelti ile tavlanması gerektiği anlamına gelir. HPASS'ın başarıyla tavlanması için bu gereksinime uyulmalıdır.
 

İkincil faz oluşumunun kinetiği, diğer bir deyişle ikincil fazların soğutma üzerinde oluşma hızı, bu çeliklerin başarılı bir şekilde tavlanması ve kaynaklanması için dikkate alınması gereken çok önemli bir faktördür. Dereceden bağımsız olarak, paslanmaz çelikler ikincil fazların oluşmasını önlemek için yeterince hızlı soğutulmalıdır. Soğutma hızı ve derecesi arasındaki ilişkiyi göstermek için, standart Tip 304 paslanmaz çelik ve en olası ikincil fazı, krom karbür durumunu göz önünde bulundurun. Krom karbür stabildir ve yaklaşık 900 °C'nin (1650 ° F) altındaki sıcaklıklarda soğutma üzerinde oluşmaya başlar. Oluşma oranı 900 ° C'nin (1650 ° F) hemen altında yavaştır ve çok yüksek olduğu yaklaşık 700 ° C'ye (1300 ° F) kadar azalan sıcaklıkla hızla artar. Bu nedenle, karbür oluşumundan kaçınmak ve kabul edilebilir tavlanmış veya kaynaklı bir mikroyapı elde etmek için 304 tipi çok hızlı bir şekilde 700 °C'nin (1300 °F) altında bir sıcaklığa soğutulmalıdır.

Soğutma yeterince hızlı değilse, östenit tanelerinin sınırları üzerinde krom karbürler oluşur. Yoğun yağış, tane sınırları boyunca sürekli bir karbür ağı oluşturur. Krom karbürler oluşturmak için, paslanmaz çelik matristen karbon ve krom, tahıl sınırında birleşir ve çökelir (tanede olduğundan daha fazla alan vardır). Bu nedenle, tahıl sınırları boyunca karbürlerin etrafındaki alan, dökme malzemeye göre daha düşük krom içeriğine sahiptir, dolayısıyla daha düşük bir korozyon direnci. “Duyarlılık” olarak bilinen fenomen iyi bilinmekte ve anlaşılmaktadır. 

İkincil faz oluşumunun kinetiği, verilen herhangi bir alaşım için Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm (TTT) eğrileri ile açıklanabilir. Eğriler, ilk olarak tüm ikincil fazları çözmek için test numunelerini bir miktar yüksek sıcaklığa (çözelti tavlama sıcaklığı) ısıtarak elde edilir. Numuneler daha sonra hızlı bir şekilde ilgili bir ara sıcaklığa soğutulur, orada çeşitli süreler boyunca tutulur ve yine ara sıcaklık yapısını "dondurmak" için oda sıcaklığına hızla soğutulur. İkincil fazlar metalografik veya x-ışını teknikleri ile nicelendirilir ve ikincil fazların oluşumunu ve büyümesini açıklayan elde edilen veriler, geçen tutma süresine karşı sıcaklık çizelgeleri üzerinde çizilir. Numuneler ayrıca amaçlanan servis koşullarına uygun korozyon testlerine ve korozyon verilerine benzer bir şekilde çizilebilir. Bu durumda, ortaya çıkan eğrilere Zaman-Sıcaklık-Duyarlılık (TTS) eğrileri denir.

Yaklaşık 900 ° C'nin (1650 °F) üstünde çelikler tamamen östenitik kalır. Yaklaşık 540 °C ile 900 ° C (1.000 ° F ve 1.650 ° F) arasında, yağışa başlama süresi büyüklük sırasından daha fazla değişir. Düşük karbon içerikli çeliklerde krom karbür çökelme kinetiği çok daha yavaştır. Pratik bir bakış açısından, eğriler, bu çeliklerin tavlanması veya kaynaklanması sırasında, hassaslaşmayı ve bununla ilişkili lokal korozyon tehlikesini önlemek için eğrilerin burnunun altında hızla soğutulması gerektiğini göstermektedir. Karbon içeriğinin düşürülmesi, soğutma için mevcut süreyi uzatır, bu da hassasiyetten kaçınmayı kolaylaştırır.

Standart kalitelerde krom karbür çökeltme iyi anlaşılmıştır. Farklı kesit boyutları için gerekli soğutma hızları hakkında bilgi mevcuttur ve özel durumları karşılamak için alternatif alaşımlar mevcuttur. Bunlar arasında düşük karbon dereceleri (304L ve 316L Tipleri), stabilize dereceleri (321 ve 347 Tipleri) ve krom karbür çökelme hızını geciktirmek için azot ilavelerini kullanan azot modifiye standart dereceleri bulunur.

HPASS ile sigma ve chi fazlarının çökelmesi krom karbürden daha fazla endişe vericidir, çünkü alaşımlardaki yüksek krom ve molibden içeriği bu fazların hızlı oluşumunu teşvik eder. Tüm HPASS, krom karbür oluşumu oranını en aza indiren ve krom karbür duyarlılaştırma endişesini azaltan düşük karbon içeriğine sahiptir. % 2 Mo ve oldukça yüksek bir karbon içeriği içeren Tip 316 paslanmaz için bir TTT diyagramı, krom karbürün beş dakika gibi kısa bir sürede oluşabileceğini gösterir, ancak chi ve sigma fazları sadece 80 saat sonra oluşur. Buna karşılık, benzer krom ve nikel içeriğine sahip ancak% 5 Mo içeren bir alaşım çok kısa sürede chi oluşumuna maruz kalır. % 5 Mo alaşımında chi oluşumu süresi, krom karbür oluşumu için olandan bile daha kısadır.

Daha önce kısaca belirtildiği gibi, azot bu fazların oluşumunu geciktirir ve bu amaç için birçok HPASS'de kullanılır. Azot ilavesi, hem chi hem de krom karbür oluşumunun başlangıcını iki ila dörde kıyasla on dakikaya iter. Sadece% 0.039 N içeren alaşım için dakika. % 0.145 N alaşımı, ikincil fazlar oluşmadan tavlama veya kaynaklamadan sonra daha yavaş soğumaya izin verir.

En yüksek alaşımlı HPASS'de krom ve molibden çok yüksek seviyelere yükseldikçe, intermetalik fazlar daha kısa zamanlarda oluşur. Azot ilavesi faydalıdır, ancak% 0,20-0,50 N'lik çok yüksek azot muhtevası bile, yağış başlangıcını istenen on dakika veya daha fazla aralıkta zamana kaydıramaz. Tip 317LMN, (% 17 Cr, % 14 Ni, % 4.5 Mo, % 0.15 N), azot etkisine bağlı olarak daha yüksek alaşım içeriğine rağmen yaklaşık 316 ile ikincil fazlar oluşturur. Alaşım 254 SMO (% 20 Cr, % 18 Ni, % 6 Mo, % 0.20 N), yaklaşık 30 saniye içinde yağış almaya başlar ve 904L alaşımı (% 20 Cr,% 25 Ni, % 4.55 Mo, azot ilavesi yok) bir dakikadan daha kısa sürede intermetalik faz oluşumuna maruz kalır. Açıkçası, bu tür alaşımlar ikincil faz oluşumunu önlemek için kesit boyutu veya sert soğutma üzerinde sınırlamalar gerektirir.