Technické informace korozivzdorné oceli Vlastnosti korozivzdorných ocelí Tento článek se zabývá často se vyskytujícími typy korozivzdorných ocelí (běžně nerezová ocel) a duplexních korozivzdorných ocelí (dvoufázová struktura; poměr feritu a austenitu je asi 50:50). Je potřeba se stručně seznámit s jejich charakteristickými vlastnostmi. Obecně se dělí na feritické a austenitické korozivzdorné oceli. Liší se použitými přísadovými prvky. Feritické oceli obvykle obsahují jako legovací přísadu 1218% chromu, zatímco austenitické obsahují kromě asi 18% chromu ještě alespoň 8% niklu. Austenitická korozivzdorná ocel obecné rozdělení Tabulka 1 podává přehled o složení a mechanických vlastnostech řady austenitických ocelí. Základním typem austenitických ocelí je 302, který je více známý pod označením 18 8. Jde o název, který se často dává i jiným typům z této skupiny oceli. Rozčlenění je na základě obsahu legujících prvků. Jako hlavní legující prvky lze ještě uvést molybden, mangan, titan, křemík, wolfram, vanad, kobalt a niob. Těmito složkami se dosahuje požadovaných vlastností, které má materiál mít podle účelu použití. Duplexní oceli kombinují výhody těchto vlastností. Tabulka 1: Složení a mechanické vlastnosti austenitických nerezových ocelí: Typ Nominální složení [ % ] Stav (a,b) Mez kluzu [ MPa ] Pevnost v tahu [ MPa ] Tažnost [ % ] Tvrdost podle Brinella [ N/mm 2 ] AISI 301 1.4310 X10CrNi188 AISI 302 AISI 303 AISI 304 1.4301 X5CrNi1810 AISI 305 1.4303 X4CrNi1812 AISI 308 AISI 309 AISI 310 AISI 314 AISI 316 1.4401 X5CrNiMo 17122 AISI 317 AISI 321 1.4541 X6CrNiTi18 10 AISI 347 max.0,15c; 1619,5Cr; 6,09,5Ni max. 0,15C; 1719Cr; 810Ni max. 0,15C; 1719Cr; 8,010Ni; 0,60Mo max. 0,07C; 1820Cr; 812Ni max. 0,12C; 1719Cr; 1013Ni 1921Cr; 1012Ni max. 0,20C; 2224Cr; 1215Ni max. 0,25C; 2426Cr; 1922Ni max. 0,25C; 2326Cr; 1922Ni 1618Cr; 1014Ni; 2,03,0Mo 1820Cr; 1115Ni; 3,04,0Mo 1719Cr; 912Ni Ti = min.5xc 1719Cr; 913Ni; Nb+Ta= min. 10xC 275 275 až 690 760 až 1275 620 až 1 620 až 1 až 1 60 608 10 30 10 Tvrdost podle Rockwella [ HRC ] 165 B85 až C41 1 B82 160 až 350 až 330 B84 Vrubová houževnatost (c) [ J ] 2 156 B82 až 1 10 až 330 275 620 65 165 B85 275 6 65 170 B87 345 690 40 4010 10 180 B90 275 620 160 B85 600 643 10 10 160 B84 115
Vysvětlivky k tabulce: a) Vlastnosti v provedení tváření jsou pro asi z ½ kalený kovový plech, s výjimkou pro 303, proto se vlastnosti vztahují k sušené látce. b) Austenitická nerezová ocel se měkce žíhá mezi 1010 a 1 C c) Při pokojové teplotě A z toho vyplývá následující obecná klasifikace pro austenitickou ocel: 1. Základ nerezové oceli 188 (legující prvky chrom a nikl), AISI 302 a 304 (americké normované označení; American Iron & Steel Industrie), materiál č. 1.4301 nebo X5CrNi1810 2. Typy s vyšším obsahem niklu, aby se snížila tendence k tvrdosti při tváření a zlepšily se vlastnosti při hlubokém tažení, 305 (1.4303 nebo X4CrNi1812). 3. Zvláště korozivzdorné typy obsahující molybden 316 (1.4401 nebo X5CrNi1722) a 317. 4. Stabilizované typy, 321 (1.4541 nebo X6CrNiTi1810) a 347. 5. Oceli se zvláště nízkým obsahem uhlíku, 304L a 316L. 6. Typy pro svařovací elektrody, 308 a 309. 7. Typy odolné proti oxidaci, 308 a 309 (1.4833 nebo X18CrNi2313), 310 (1.4845 nebo X8CrNi2521), 314 a 302B. 8. Varianta pro obrábění, 303. Vrubová houževnatost se pro jednotlivé typy neudává, protože se s jistotou předpokládá, že odolnost proti vrubům austenitických ocelí je v plném rozsahu při jakékoliv teplotě vysoká. Bez tohoto omezení se obvykle dosahuje hodnot vrubové houževnatosti okolo J při 195 C (tekutý dusík). Pro nižší teploty je zatím málo zkušeností, ale hodnoty, které jsou k dispozici, vykazují při zářezu právě tak dobré vlastnosti. K bodu 1. Základ 188; AISI 302 a 304 (1.4301 nebo X5CrNi1810) Tyto typy ocelí a zejména typ 304 představují víc jak polovinu celkové výroby nerezových ocelí. Typ 304 je tahoun mezi nerezovými oceli: využívá se pro každodenní použití, jako například v domácích spotřebičích, v architektuře, v dalších běžných oblastech použití, ale také pro vysoce kvalitní použití, jako třeba pro jaderné reaktory a kryogenní zařízení. Vedle dobrých vlastností s ohledem na korozi poskytují tyto typy ocelí vynikající schopnost tváření a také velmi dobrou svařitelnost. Typ 304, pro který se udává podle klasifikace AISI obsah uhlíku maximálně 8,88%, se dnes vyrábí s mnohem nižším obsahem uhlíku, asi 0,04%, protože proces tavení v prostředí argonu (AOD Argon Oxygen Decarburisation) zjednodušuje ochlazování. Svařování tenkostěnných materiálů při této hladině uhlíku pak nemá za následek zcitlivění. Tyto typy se občas používají ve vytvrzeném stavu. Teplota, která se uvádí při tváření, ovlivňuje v určitém rozsahu mechanické vlastnosti ve srovnání k těm materiálům, které by prošli martenzitickou přeměnou, pokud by se teplota poněkud snížila. Studené tváření při teplotách pod nulou poskytuje zajímavé a užitečné kombinace pevnosti a houževnatosti. K bodu 2. Ocel s vysokým obsahem niklu: AISI 305 Vyšší obsah niklu tohoto typu oceli (10 až 13%) stabilizuje vznik austenitické oceli, čímž se zabrání martenzitické přeměně. Z toho vyplývající nízká tvrdost se využívaná při intenzivním tváření jako je například tažení a hluboké tažení. Typické oblasti použití jsou: výroba čepiček per, nápojových sudů a lisovaného spojovacího materiálu.
. K bodu 3. Velmi korozivzdorné typy: AISI 316 a 317 (1.4401 nebo X5CrNi1722) Tyto typy ocelí obsahují 2 až 3 % nebo 3 až 4% molybdenu. Molybden zvyšuje odolnost vůči korozi v redukčním prostředí a také odolnost vůči štěrbinové korozi a důlkové korozi v roztocích chloridů. Vzhledem k tomu, že molybden silně aktivuje železo, musí se zvýšit obsah niklu, aby se zabránilo vzniku delta feritu. Další příznivé účinky molybdenu je vylepšená vyšší teplota tečení a pevnost v tahu. K bodu 4. Stabilizovaná ocel, AISI 321, 347 a 348 (1.4541 nebo X6CrNiTi1810) Zde se jedná o klasickou formu chromniklové oceli. Vedle obecně sníženého obsahu uhlíku je stabilizace titanem (možné také niobem) další možnost, jak vázat uhlíkové částice. Lépe reagující titan se zde váže s uhlíkem na karbid titanu. Snížení uhlíku je elegantní metoda, protože právě karbid titanu se projevuje významně horší obrobitelností a vytržením těchto karbidů při broušení a leštění se dosahuje nepatrného zhrubnutí povrchu. Složení 321 je shodné s 304, ovšem byl zde přidán titan, který odpovídá nejméně pětinásobku obsahu uhlíku. U typu 347 jsou karbidy vytvářeny směsí niobu a tantalu, která byla přidána v množství nejméně desetinásobku obsahu uhlíku. Typ 348 má to samé složení, ovšem obsah tantalu je zde omezen na 0,1%. Tento typ je stabilizován převážně niobem. Mechanické vlastnosti těchto stabilizovaných typů při pokojové teplotě jsou ty samé jaké u typu 304. K bodu 5. Oceli se zvláště nízkým obsahem uhlíku: AISI 304L a 316L. Tato ocel obsahuje maximálně 0,03% uhlíku s cílem snížit zcitlivění při svařování nebo žhavení při malém namáhání v tahu. Typy se zvláště malým obsahem uhlíku se zatím využívají častěji než stabilizované oceli především proto, že tyto typy ocelí se díky procesu tavení AOD mohou vyrábět ekonomicky odpovědnějším způsobem. Mez v kluzu těchto typů L je nižší než ta jejich konkurentů 304 a 316 a z toho důvodu jsou nižší hodnoty prodeje, než které se jim přisuzovaly. Aby se tento problém vyřešil, byly vyvinuty přizpůsobené typy, ke kterým byl přidán dusík. Jsou to typy 304LN a 316LN, které obsahují až 18% dusíku. Dusík v pevném roztoku zvyšuje mez kluzu přinejmenším až na úroveň standardních typů 304 a 316. Kromě toho dusík snáší zcitlivění. K bodu 6. Typy pro svařovací elektrody: AISI 308 a 309 Oblast použití těchto typů ocelí jsou svařovací elektrody. Rovnováha složení umožňuje v roztaveném svařovaném kovu tvorbu kontrolovaného množství delta feritu, což je nutný předpoklad, aby se zabránilo u austenitických nerezových ocelí trhlinám z tepelného pnutí. Pro tyto typy ocelí jsou ještě další oblasti použití, o tom ale později. K bodu 7. Typy odolné vůči oxidaci, AISI 302B, 308, 309, 310 a 314 Typy 308, 309 a 310 mají vysoký obsah chromu, díky čemuž vykazují velmi dobrou odolnost vůči oxidaci při vyšších teplotách. Zvýšený obsah niklu zlepšuje odolnost vůči proměnlivé oxidaci. Vyšší hodnota při legování u typu 310 přispívá k velmi vysoké pevnosti při vysokých teplotách. Typy 302B a 314 obsahují 2 až 3% nebo 1,5 až 3% křemíku. Vysoký podíl křemíku zlepšuje nejen odolnost vůči oxidaci, ale také snižuje, nebo v mnoha případech zcela potlačuje, výskyt ochlazování při vysokých teplotách. K bodu 8. Typy pro obrábění: AISI 303 a 303 Se Vysoký obsah síry a selenu v těchto typech ocelí zlepšuje jejich obrobitelnost. Z tohoto důvodu se vyrábí pouze ve tvaru tlustých a tenkých tyčí a používají se převážně při sériové výrobě k obrábění na automatových strojích. Varianta se selenem se používá pro větší průměry a tlusté stěny a není tak běžná jako varianta obsahující síru. Korozivzdornost těchto typů je negativně ovlivněna přítomností sulfidů a je potřeba dbát na to, aby se nepoužívaly na místech, na kterých je jejich menší odolnost vůči korozi na závadu.
Duplexní korozivzdorné oceli (feritickoaustenitické) Tyto druhy nerezových ocelí jsou už dlouho známé, ale ještě asi před deseti lety nehrály žádnou roli v praktickém využití. Zvýšená poptávka nerezových ocelí se zlepšenou odolností vůči indukovaným prasklinám způsobeným chloridy, které se tvoří korozí pod napětím a také zvýšená mechanická pevnost způsobili, že se duplexní oceli od té doby úplně vrátili do zorného pole výrobců. Výsledkem rozsáhlého výzkumu a vývoje jsou četné nové slitiny pro tváření a uskutečnil se dostatečný technický vývoj, aby bylo možné duplexní oceli zařadit mezi třídy oceli jako vlastní třídu, kdy na jedné straně jsou feritické ušlechtilé oceli (nerezavějící ocel = běžné označení pro ušlechtilou ocel) a na druhé straně jsou austenitické ušlechtilé oceli. Tak kombinují duplexní oceli množství vlastností z obou jmenovaných druhů: stálost, mechanickou pevnost, odolnost vůči korozi a zpracovatelnost, které jsou ještě lepší než u austenitické nerezové oceli. Převládající fáze u duplexní oceli jsou ferit a austenit. Poměr mezi těmito fázemi hraje důležitou roli při definování vlastností. 1 Obchodně dodávané duplexní slitiny Tabulka 2 uvádí přehled duplexních slitin, některé jsou už dávno známé, ale mnohé z nich jsou nedávno vyvinuté a také jejich složení. Obsah chromu u těchto typů ocelí je ve třech různých úrovních: 18, 22 a 25%. Obsah niklu se pohybuje od 3 do 6% a jeho hlavní funkcí je ovlivnění struktury. Všechny slitiny obsahují molybden, což ukazuje na to, že tato ocel byla vyvinuta pro výrobky v korozivním prostředí, pro které je obecně nutná odolnost vůči korozi a která je vyšší než u typu 304, v některých případech dokonce lepší než u typu 306. Novější slitiny obsahují také vyšší obsah dusíku, který se přidává kvůli tvorbě struktury, pevnosti a zlepšuje korozivzdornost. V případě slévárenské slitiny se může poměr austenitu a feritu vypočítat na základě Schaefferova a De Longova diagramu. Tyto diagramy se ale bohužel nedají tak úplně použít na slitiny pro tváření, protože ferit, který vzniká při tuhnutí jak se udává v těchto diagramech přechází při tepelném zpracování (asi 1000 až 0 C) částečně do austenitu. Odpovídající rovnocenný diagram pro slévárenské slitiny není (zatím) k dispozici. První typy duplexních ocelí byly citlivé s ohledem na vznik teplých trhlin, které vznikaly karbidem chromu na rozhraních ploch austenitu a feritu. Tento problém se vyřešil snížením obsahu uhlíku nebo přidáním titanu, který opět váže uhlík na karbid titanu. Tabulka 2: Složení slitin v hmotnostních % prodávaných nerezových duplexních ocelí, normativní hodnoty mechanických vlastností v měkce žíhaném stavu při pokojové teplotě. Typ Nominální složení [%] Ferit [%] Rp0,2 mez průtažnosti [MPa] Pevnost v tahu [MPa] Tažnost [%] Ferallium 2 (a) 7 Mo (b) U30 (c) 3 RE60 (d) SAF 2205 (d) 2427Cr; 4,56,5Ni; 24Mo; 1,34,0Cu 2328Cr; 2,,0Ni; 1,02,0Mo; max. 0,03C; 2022Cr; 5,58,5Ni; 2,03,0Mo; 0,5Cu max. 0,03C; 18,5Cr; 4,7Ni; 2,7Mo; max. 0,03C; 22Cr; 5,5Ni; 3,0Mo 50 min. 480 min. 740 min. 20 85 565 683 31 3050 515440 590800 2015 50 450 700900 30 45 410450 680900 25 Vysvětlivky k tabulce: a) Ochranná známka Cabot Corp. b) Ochranná známka Carpenter Technology Corp. c) Ochranná známka CreusotLoire. d) Ochranná známka Sandvik AB
2 Vylučování fází v duplexní oceli Po rozpouštěcím žíhání dvoufázové duplexní oceli při teplotě 1000 až 1 C jsou přítomné jedině dvě fáze, ferit a austenit. Obecně je potřeba rychlé ochlazení, aby se zabránilo vzniku jiných fází. Při teplotách pod 1000 C není duplexní ocel stabilní a vznikají další fáze: různé karbidy, křehké fáze s vysokým obsahem chromu a fáze alfa prima (a`). Na rozhraní zrn se vylučují se dva typy karbidu chromu, M7C3 a M22C6. M7C3 se vysráží při teplotě 950 až 1050 C a lze tomu zabránit tak, že se tento teplotní interval omezí na méně než deset minut. M22C6 se vysráží velmi rychle, pokud teplota klesne pod 950 C. Vylučovací fáze sigma je umocněna molybdenem a lze se jí vyhnout tak, že se ocel ochladí za méně než dvě až tři minuty až na 900 C. K vyloučení fáze alfa prima (a`) dochází pouze ve feritu a dochází k zkřehnutí při 475 C. Protože se stává křehkým pouze ferit, zatímco austenit zůstává beze změny, není slitina jako celek tak silně křehká jako je to běžné u feritické korozivzdorné oceli při vyloučení fáze alfa prima. 3 Mechanické vlastnosti Mez průtažnosti duplexní oceli je asi dvakrát až třikrát vyšší než mez průtažnosti austenitické korozivzdorné oceli (4000 MPa ve srovnání k 200250 MPa), zatímco pevnost v tahu je u obou přibližně stejná. Vyšší mez průtažnosti je vlastnost, která by neměla být podceňována, protože může mít značný vliv na snížení hmotnosti. Tažnost duplexních ocelí je nižší než u austenitických nerezových ocelí, ale přesto je dostatečná pro použití ve většině provozních oblastech. Hodnoty houževnatosti duplexních ocelí leží mezi hodnotami austenitických a feritických korozivzdorných ocelí. Odchylky vzhledem k houževnatosti, vyjádřené přechodovou teplotou mezi houževnatostí a křehkostí, jsou určené množstvím fáze feritu. Na to má příznivý vliv fáze austenitu, která je velmi houževnatá. Pokud je obsah feritu vyšší než přibližně 6070%, prudce klesá energie potřebná ke Carpyho zkoušce rázem. Většina obchodně používaných typů obsahuje přibližně 50% feritu a z tohoto důvodu disponují poměrně velmi dobrou houževnatostí. Musí se mít ovšem stále na paměti, že se austenit a ferit v duplexních tvářecích slitinách rozložily v řadě a ve směru válcování a že houževnatost závisí na tom, jak je ocel orientována. Optimálních hodnot houževnatosti se dosahuje, pokud se zkoušky vrubové houževnatosti provádějí tak, že směr rázu je v pravém úhlu ke směru uspořádání struktury. Optimální houževnatosti se u duplexní oceli dosahuje rychlým ochlazením z nízké teploty žíhání. Pomalé ochlazování nebo zastavení v intervalu teplot povede k různým stupňům křehkosti, které jsou určovány vyloučením fáze alfa prima (475 C křehnutí) a fáze sigma. Vytvoření fáze sigma je posíleno molybdenem, který se používá jako legovací prvek u takřka všech komerčně využívaných druhů duplexních ocelí. Tyto dva typy podmiňující vznik křehkosti jsou pozorovány v teplotním rozmezí 400500 C a nad 700 C. 4 Koroze a napěťová koroze Obecná odolnost vůči korozi komerčních korozivzdorných duplexních ocelí kolísá s ohledem na obsah chromu, molybdenu a dusíku. Nad převážnou částí korodujících materiálů převládá duplexní ocel typu 304 a 316. Odolnost duplexní oceli vůči důlkové korozi je také lepší než u typů 304 a 316. Typy ocelí nerezových duplexních ocelí se slitinou mědi, které obsahují 25% chromu a 3% molybdenu, mají velmi dobrou odolnost vůči korozi v mořské vodě, dokonce i v teplé mořské vodě. Duplexní oceli se používají za určitých okolností v rozvodných systémech pro CO 2 a také pro některé roury, které vedou kyselé plyny přítomné při získávání ropy. Odolnost duplexních ocelí vůči mezikrystalické korozi kolísá mezi komerčními slitinami hlavně kvůli působení a množstvím uhlíku a rovnováze feritu a austenitu. Slitiny s vysokým obsahem uhlíku a s převahou feritu jsou citlivé na mezikrystalickou korozi a je u nich nutné provádět po svařování slabé žíhání. Převážná většina komerčních slitin má malý obsah uhlíku (< 0,03%). Schopnost odolávat mezikrystalické korozi duplexních ocelí závisí na složení slitiny, také na postupu při svařování a prostředí, ve kterém bude výrobek umístněný. Ačkoliv jsou duplexní oceli citlivé na korozní praskání vyvolané chloridy, mají ve srovnání s austenitickou nerezovou ocelí značné výhody. Jejich chování je ovlivněno složením fázové rovnováhy; čím vyšší je podíl feritu tím lepší je odolnost vůči napěťové korozi. Prahová hodnota pnutí, pod kterou se žádná napěťová koroze nevyskytuje je u duplexní oceli o hodně vyšší než u typu 304. Jak vzkhedem k mezikrystalické korozi, tak vzledem k odolnosti vůči koroznímu praskání je potřeba u duplexních ocelí zvážit složení, rovnováhu fází, úroveň pnutí a prostředí, pro které je výrobek určen. Ir. A.J. Schornagel