Yüksek Performanslı Östenitik Paslanmaz Çelik Kılavuzu -- Metalurjiye Genel Bakış

1. Paslanmaz çelik türleri

Paslanmaz çelik, krom içeriği yüzde 10,5'ten az olmayan demir bazlı bir alaşımdır. İyi korozyon direnci ve yüksek sıcaklık performansı nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Krom içeriği yüzde 10,5'e ulaştığında, çeliğin yüzeyinde pasivasyon tabakası veya pasivasyon filmi olarak adlandırılan krom bakımından zengin bir oksit tabakası oluşacaktır. Bu film, paslanmaz çeliği sıradan çelik gibi paslanmaya karşı korur. Pek çok paslanmaz çelik türü vardır, ancak tüm paslanmaz çelikler minimum krom içeriği gereksinimini karşılamalıdır.

Paslanmaz çelik beş kategoriye ayrılır: östenitik paslanmaz çelik, ferritik paslanmaz çelik, dubleks paslanmaz çelik (ferrit ve östenit karışık yapıya sahip), martensitik paslanmaz çelik ve çökeltme sertleştirmeli paslanmaz çelik. Bu kategorilerin sınıflandırılması, paslanmaz çeliğin kristal yapısı (atomik diziliş) ve ısıl işlemi ile ilgilidir. Bir metalde aynı kristal yapıya sahip kristal grubuna faz denir. Paslanmaz çelikte üç ana faz vardır: östenit, ferrit ve martensit. Paslanmaz çeliğin metalografik yapısının türü ve miktarı, standart metalografik inceleme süreci ve optik metalografik mikroskop ile belirlenebilir.

Östenitik paslanmaz çeliğin özelliği, metalografik yapının esas olarak östenitik olmasıdır. Östenit fazının kristal yapısı yüz merkezli kübik (fcc) yapıdır, yani küpün her yüzünün her köşesinde ve merkezinde birer atom vardır. Buna karşılık, ferrit fazının kristal yapısı, küpün her bir köşesinde ve merkezinde bir atom bulunan, vücut merkezli kübik (bcc) bir yapıdır. Martensit fazının kristal yapısı, yüksek gerinimli vücut merkezli dörtgen yapıdır.

Östenit fazının kristal yapısı yüz merkezli kübik (fcc) kafes, ferrit fazı vücut merkezli kübik (bcc) kafes ve martensit fazı vücut merkezli dörtgen (bct) kafestir.

 

1.1 Östenitik paslanmaz çelik:

Östenitik paslanmaz çelik manyetizmaya, orta akma mukavemetine, yüksek iş sertleştirme oranına, yüksek çekme mukavemetine, iyi plastisiteye ve mükemmel düşük sıcaklık tokluğuna sahip değildir. Diğer paslanmaz çeliklerden farklı olarak östenitik paslanmaz çeliklerin tokluğu sıcaklığın düşmesiyle yavaş yavaş azalır. Östenitik paslanmaz çeliğin sünek-kırılgan geçiş sıcaklığı (DBTT) yoktur, bu nedenle düşük sıcaklık uygulamaları için ideal bir malzemedir.

Östenitik, ferritik ve dubleks (östenitik-ferritik) paslanmaz çeliğin sünek-kırılgan geçiş sıcaklığı (DBTT) diyagramı. Gerçek DBTT, kesit kalınlığına, kimyasal bileşime ve tane boyutuna bağlıdır. Ferritik paslanmaz çeliğin DBTT'si genellikle 20 ila - 30 derece C'dir (70 ila - 22 derece F).

 

Östenitik paslanmaz çelik iyi kaynaklanabilirliğe sahiptir ve çeşitli karmaşık şekillerde yapılabilir. Bu paslanmaz çelik serisi, ısıl işlemle sertleştirilemez veya güçlendirilemez, ancak soğuk şekillendirme veya iş sertleştirme ile güçlendirilebilir (bkz. ASTM A666). Östenitik paslanmaz çelik, özellikle standart östenitik paslanmaz çelik, potansiyel bir dezavantaja sahiptir, yani ferritik paslanmaz çelik ve dubleks paslanmaz çelik ile karşılaştırıldığında, klorür stresli korozyon çatlamasına eğilimlidir.

300 serisi veya standart östenitik paslanmaz çelik genellikle yüzde 8 ~ yüzde 11 nikel ve yüzde 16 ~ yüzde 20 krom içerir. Standart östenitik paslanmaz çeliğin metalografik yapısı esas olarak östenitik tanelerden oluşur ve az miktarda (genellikle yüzde 1~5) δ Ferrit fazı içerir (Şekil 3). Ferrit fazının varlığından dolayı, bu östenitik paslanmaz çelikler biraz manyetizmaya sahiptir.

Dövme paslanmaz çelik 304L'nin tipik metalografik yapısı, östenitik tanelerden ve bireysel şerit ferritten oluşur © TMR Paslanmaz.

 

300 serisi paslanmaz çelik ile karşılaştırıldığında, 200 serisi östenitik paslanmaz çelik daha düşük Ni içeriğine, ancak daha yüksek Mn ve N içeriğine sahiptir. 200 serisi paslanmaz çeliğin mukavemet ve gerinim sertleşme katsayısı, 300 serisi paslanmaz çeliğe göre daha yüksektir. Düşük nikel içeriği nedeniyle, 200 serisi paslanmaz çelik bazen 300 serisi paslanmaz çeliğin ucuz bir ikamesi olarak kullanılır.

Yüksek performanslı östenitik paslanmaz çeliğin mikro yapısı, ferromanyetizma içermeyen tamamen östenitik fazdır (Şekil 4). Standart östenitik paslanmaz çelikle karşılaştırıldığında, yüksek performanslı östenitik paslanmaz çelik daha fazla nikel, krom ve molibden elementi içerir ve genellikle nitrojen içerir. Bu paslanmaz çelikler, acı su, deniz suyu ve tuzlu su dahil olmak üzere güçlü asit, güçlü alkali ve yüksek klorürlü ortamlar gibi aşındırıcı ortamlarda güçlü korozyon direncine sahiptir. Standart östenitik paslanmaz çelikle karşılaştırıldığında, yüksek performanslı östenitik paslanmaz çelik, daha yüksek mukavemet derecesine ve gerilimli korozyon çatlağına karşı daha iyi dirence sahiptir.

Tamamı östenitik tanelerden oluşan, yüzde 6 Mo yüksek performanslı östenitik paslanmaz çeliğin metalografik yapısı © TMR Paslanmaz.

 

1.2 Ferritik paslanmaz çelik:

Ferritik paslanmaz çeliğin mikro yapısı ferrit fazıdır. Ferritik paslanmaz çeliğin nikel içeriği düşüktür veya hiç yoktur ve ferromanyetiktir. Isıl işlemle sertleştirilemez. Bu tip paslanmaz çeliğin ferromanyetik özellikleri karbon çeliğine benzer. Ferritik paslanmaz çelik, iyi bir mukavemete sahiptir ve klorür stresi korozyon çatlağına karşı direnci, standart 300 serisi östenitik paslanmaz çelikten çok daha iyidir. Bununla birlikte, şekillendirilebilirlikleri ve kaynaklanabilirlikleri zayıftır. Toklukları östenitik paslanmaz çelik kadar iyi değildir ve kesit kalınlığı arttıkça azalır. Sıcaklığın düşmesiyle, ferritik paslanmaz çelik, belirgin bir sünek-kırılgan geçiş gösterecektir. Bu faktörlerle sınırlı olarak, ferritik paslanmaz çeliğin kullanımı genellikle ince levhalar, şeritler ve ince duvarlı borular gibi daha ince duvar kalınlığına sahip ürünlerle sınırlıdır.

 

1.3 Dubleks paslanmaz çelik:

Dubleks paslanmaz çelik, her biri yaklaşık yarısını oluşturan ferrit fazı ve östenit fazından oluşur. Dubleks paslanmaz çelik, östenitik ve ferritik paslanmaz çeliğin birçok özelliğine sahiptir. Isıl işlem bu tür çelikleri sertleştiremese de, akma dayanımları genellikle standart östenitik paslanmaz çeliğin iki katıdır ve manyetik çekimleri, ferrit fazının hacim oranıyla orantılıdır. Dubleks paslanmaz çeliğin metalografik yapısının dubleks özelliği, gerilimli korozyon çatlağına direncini standart östenitik paslanmaz çelikten daha iyi hale getirir.

 

1.4 Martensitik paslanmaz çelik:

Martensitik paslanmaz çeliğin mikro yapısı, ferrit, östenit ve karbür gibi az miktarda ikincil fazlar içerebilen esas olarak martensittir. Martensitik paslanmaz çelik ferromanyetiktir ve karbon çeliğine benzer. Nihai sertlik, spesifik ısıl işleme bağlıdır. Martensitik paslanmaz çelik, yüksek mukavemete, iyi aşınma direncine, zayıf tokluğa ve yüksek sünek-kırılgan geçiş sıcaklığına sahiptir. Kaynaklanmaları zordur ve genellikle kaynak sonrası ısıl işlem gerektirirler. Bu nedenle, martensitik paslanmaz çelik genellikle kaynaksız uygulamalarla sınırlıdır. Martensitik paslanmaz çeliğin krom içeriği çok yüksek değildir. Bazı krom elementleri karbür formunda çökelerek düşük korozyon direncine neden olur, genellikle standart 304/304L östenitik paslanmaz çelikten daha düşüktür. Zayıf tokluğu ve korozyon direnci nedeniyle, martensitik paslanmaz çelik genellikle aletler, bağlantı elemanları ve miller gibi yüksek mukavemet ve sertlik gerektiren uygulamalarda kullanılır.

 

1.5 Çökeltme sertleştirilmiş paslanmaz çelik:

Çökeltme sertleştirme (PH) paslanmaz çeliği ısıl işlemle de güçlendirilebilir. Bu tip paslanmaz çeliğin temel özelliği kısmi mukavemetinin çöktürme mekanizması ile sağlanmasıdır. Mukavemeti artırmak için yaşlandırma sertleştirme ısıl işlemiyle ince intermetalik çökeltiler üretilir. Yüksek krom içeriği nedeniyle çökelme sertleştirmeli paslanmaz çelik, martensitik paslanmaz çelikten daha iyi korozyon direncine sahiptir ve iyi korozyon direnci gerektiren yüksek mukavemetli uygulamalar için uygundur. Yağışla sertleşen paslanmaz çelik, esas olarak yaylar, bağlantı elemanları, uçak parçaları, miller, dişliler, körükler ve jet motoru parçaları için kullanılır.

 

2. Faz bileşimi:

Alaşım elementleri faz dengesi ilişkisini etkiler ve östenit, ferrit ve martensit fazlarının kararlılığı üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. Paslanmaz çeliğe eklenen elementler, ferrit fazı oluşturan elementler veya östenit fazı oluşturan elementler olarak ayrılabilir. Faz dengesi çeliğin kimyasal bileşimine, tavlama sıcaklığına ve soğuma hızına bağlıdır. Korozyon direnci, mukavemet, tokluk, kaynaklanabilirlik ve şekillendirilebilirliğin tümü faz dengesinden etkilenir.

Ferrit oluşturan elementler, ferrit fazının oluşumuna katkıda bulunurken, östenit oluşturan elementler, ostenit fazının oluşumunu teşvik eder. Tablo 3, ortak ferrit ve östenit fazı oluşturan elemanları listeler. Paslanmaz çeliğin kalitesi ve uygulaması gerekli faz dengesini belirler. Çoğu standart östenitik paslanmaz çelik, çözelti tavlaması altında az miktarda ferrit fazına sahiptir. Çözelti tavlaması, yüksek sıcaklıkta kaynaklanabilirliği ve tokluğu iyileştirebilir. Bununla birlikte, ferrit fazı içeriği çok yüksekse, korozyon direnci ve tokluk gibi diğer özellikler azalacaktır. Yüksek performanslı östenitik paslanmaz çelik, çözelti tavlama koşulu altında tüm östenitik fazlara göre tasarlanmıştır.

 

Çeliğin faz bileşimini ve dolayısıyla çeliğin özelliklerini kontrol etmek için alaşım elementlerini dengede tutmak gerekir. Schaeffler yapı diyagramı (Şekil 5), paslanmaz çeliğin kimyasal bileşimi ile kaynak mikro yapısının ortaya koyduğu katılaşma durumunda beklenen faz yapısı arasındaki ilişkiyi yansıtır. Bu şekilde, kullanıcılar verilen kimyasal bileşime dayalı olarak faz dengesini tahmin edebilirler. Kimyasal bileşimden "nikel eşdeğeri" ve "krom eşdeğerini" hesaplayın ve şekilde çizin. Schaeffler organizasyon şemasının ortak parametrelerinin formülü aşağıdaki gibidir:

Nikel eşdeğeri{{0}} Ni artı yüzde 30 C artı yüzde 0,5 Mn artı yüzde 30 N

Krom eşdeğeri{{0}} yüzde Cr artı yüzde Mo artı yüzde 1,5 Si artı yüzde 0,5 Nb

Tipik yüksek performanslı östenitik paslanmaz çelik yaklaşık yüzde 20 Cr, yüzde 6 Mo, yüzde 20 Ni ve yüzde 0,2 N içerir; bu, şekildeki tek fazlı östenitik faz bölgesinde "ferritik " nikel eşdeğeri yaklaşık 24 ve krom eşdeğeri yaklaşık 26 olan çizgi. Buna karşılık, standart paslanmaz çeliğin (304 gibi) kimyasal bileşimi, az miktarda ferrit içeren östenit artı ferritin (A artı F) ikili bölgesine karşılık gelir. faz. Ferritik paslanmaz çelik, şekildeki ferrit faz bölgesindedir ve dubleks paslanmaz çelik, östenit artı ferrit (A artı F) dubleks bölgesindedir.