7. korrózióálló és hőálló acélok a szövetszerkezetet ismerete … › _media › targyak...

A n y a g i s m e r e t 7. fejezet: Korrózióálló és hőálló acélok

7. Korrózióálló és hőálló acélok A szövetszerkezetet ismerete nagyon lénye-ges, különösen a hegesztési varratok esetében, ahol az alapanyag és a hegesztőanyag keveredé-se befolyásolja a kialakuló szövetet. Ellenőrzésé-re a Schaeffler-diagram∗ szolgál (91. ábra) mo-dernizált formájában. Ennek tengelyeire a CrE krómegyenérték és a NiE nikkelegyenérték kerül, a sok változat közül, pl. az alábbi formulával: CrE = Cr+Mo+1,5Si+0,7Nb+0,5Ti+3Al és NiE = Ni+30C+0,5Mn+Cu/3+22Ni.

7.1. A korrózióálló és hőálló acélok típusai

A korrózióálló (saválló, rozsdamentes, stainless, rostfrei, inoxydable) és a hőálló (revésedésálló, refractory, réfractaire) acélokat külön szabványba soroljuk (az utóbbiak a nik-kelötvözetekkel kerültek egy szabványba), azon-ban nagyfokú hasonlóságuk miatt érdemes őket egy fejezetben tárgyalni. A XX. század legelején fejlesztették ki az első korrózióálló acélokat, és felhasználásuk lendületesen növekedik világszer-te: éves felhasználásuk a legutóbbi évekre meg-közelítette a 20 millió tonnát. Az európai szab-ványos jelölésük „X” betűvel kezdődik, és rend-szerint nagyon hosszú egy-egy acél betűjele, ezért célszerűbb a rövid jelet használni, illetve az USA-ban használt AISI szabvány jelöléseit, mely utóbbiban a fő ötvözőként csak Cr-t tartalmazó acélok a 400-as sorozatba, a Cr+Ni-t tartalma-zók pedig a 300-as sorozatba tartoznak.

91. ábra – A Schaeffler-diagram

7.1.1. A korrózióállóság és a hőállóság A korrózióállóság – pontosabban a „nedves

korrózióval” vagy az „elektrokémiai korrózióval” szembeni ellenállás – az elméletileg 1/8 mol, a gyakorlatban legalább 10–11%-nyi Cr-nak kö-szönhető, amely egy vékony (1–5 nm) passzív hártyát alakít ki az acél felületén, és ez megvédi a további korróziótól, ill. lassítja azt.

A Mo és a Cu hozzáadása ellenállóbbá teszi ezt a passzív hártyát, és fokozza annak regenerá-lódását a sérülése esetén, mindez erőteljesen növeli a korrózióállóságot. A karbon rontja a korrózióállóságot!

– Ferrites korrózióálló acélok (MSZ EN 10088) 1. csoport: Cr ≈ 12,5%.

Pl. AISI 405 (1.4002, X6CrAl13). 2. csoport: Cr ≈ 17

%. Pl. AISI 430 (1.4016, X6Cr17).

A „száraz korrózió”, amely a nagy hőmérsék-letű gázokban alakul ki, egészen más folyamat, amellyel szemben a Cr-, a Si- és az Al-oxid teszi védetté az acélt, következésképpen a hőálló acé-lok ezt a két utóbbi két ötvözőt is tartalmazzák. A hőállóságot a felületen kialakuló, és onnan könnyen leválasztható reve képződési sebessé-gének határértékéhez kötik (1 g.m–2.h–1

3. csoport: Cr=18–30%, (C+N)<0,025% Pl. X2CrMoTi29-4, azaz 1.4592.

Az első két csoportba a hagyományos, 0,08–0,12%-ban maximált széntartalmú típusok tar-toznak (a ferrites szövetszerkezetet a 92.a. ábra mutatja), a 3. csoportba pedig az ún. szuperferri-tes korrózióálló acélok, amelyek „szupersége” a korróziós ellenállásnak a jelentős növekedésével függ össze.

).

7.1.2. A korrózióálló acélok főcsoportjai A csoportosítás alapja a szövetszerkezet sze-

rinti megkülönböztetés. A szövetszerkezetet pe-dig alapvetően az határozza meg, hogy a ferrit-képző és az ausztenitképző ötvözőelemek milyen mennyiségben vannak jelen.

A ferrites hőálló acélokban 0,7–1,4% Si- és 0,7–1,7% Al-ötvözés biztosítja a revésedéssel szembeni ellenállást.

Ferritképző ötvözők: Cr, Mo, Si, Ti, Nb, Al ∗ A. L. Schaeffler, Constitution Diagram for Stainless Steel Ausztenitképző ötvözők: Ni, Mn, C, Cu, N. Weld Metal, Metal Progress, Vol 56 (No. 5), Nov 1949, p. 680

47.


a)

b) 92. ábra – X6Cr17 ferrites (a), ill. X12Cr13 martenzites

acél (b – edzve és megeresztve) szövetszerkezete

– A martenzites korrózióálló acélok (MSZ EN 10088) 1. csoport: C=0,15% és Cr≈12,5%.

Pl. AISI 410 (1.4006, X12Cr13). 2. csoport: C=0,2–04% és Cr≈13,5%.

Pl. AISI 420 (1.4021, X20Cr13). 3. csoport: C=0,6–1,2% és Cr≈17%,

Pl. AISI 440C (1.4125, X105CrMo17). 4. csoport: C<0,1%, Cr≈17% és Ni≈3%.

Pl. 1.4418, azaz X4CrNiMo16-5-1. Az első három csoportba a hagyományos, tí-

pusok tartoznak, amelyek közül a 3. csoport tag-jai nagyszéntartalmú, hipereutektoidos szövet-szerkezetűek (92.b. ábra), a 4. csoportba pedig az ún. szupermartenzites korrózióálló acélok, tar-toznak, amelyek „szupersége” a korróziós ellen-állással és nagy szilárdsággal párosuló jelentős megnövekedett szívóssággal függ össze.

– Az ausztenites acélok (MSZ EN 10088)

a)

b) c)93. ábra – X4CrNi18-10 típusú (a), ill. Mn-N ötvözésű (b)

Titán-karbidok X6CrNiMoTi17-12-2 acélban (c)

1. főcsoport („18-10”): a). Alapösszetétel: Cr≈18 és Ni≈10%.

Pl. AISI 304 (1.4301, X12CrNi18-10). b). Kis C-tartalmúak („L” = low carbon).

Pl. AISI 304L (1.4307, X2CrNi18-09). c). Stabilizált acélok: Ti- vagy Nb-ötvözés.

Pl. AISI 321 (1.4541, X6CrNiTi18-10). d). „Nagy” C-tartalmú: C≈0,10%

Pl. AISI 302 (1.4310, X10CrNi18-8).

2. főcsoport (molibdénnel ötvözöttek): a). Alapösszetétel: Cr≈17, Ni≈12% + Mo.

Pl. 316 (1.4401, X5CrNiMo17-12-2). b). Kis C-tartalmúak („L” = low carbon).

Pl. 316L (1.4404, X2CrNiMo17-12-2). c). Stabilizált acélok: Ti- vagy Nb-ötvözés.

Pl. 316Cb (1.4580, X6CrNiMo17-12-2) ausztenites acél optikai mikroszkópos szövetképe.

3. főcsoport (nitrogénnel ötvözöttek): Pl. 316LN (1.4406, X2CrNiMoN17-11-2)

Az ausztenites acélok egy részének a szöveté-ben (max. 10%) δ-ferrit is található: ez nem ront-ja a korrózióállóságot, de javítja a hegeszthető-séget (94. ábra).

4. főcsoport (szuperausztenites acélok) Pl. 904L (1.4539, X1NiCrMoCu25-20-5).

A 4. főcsoportba sorolt szuperausztenites acé-lok korróziós ellenállása kiemelkedően jó. Az „AISI 316Cb” jelű acélban a „Cb” jelölés a columbium vegyjele (a columbium azonos a ni-óbiummal, de az USA-ban nem az utóbbi elne-vezést kedvelik …).

94. ábra – δ-ferrit-szigetek az ausztenites szövetben

A hőálló acélok (MSZ EN 10095) nagyon ha-sonlóak a korrózióálló minőségekkel, de a Si-tartalmuk nagyobb, jellemzően 1,0–2,0%. A 93. ábra jellegzetes ausztenites szövetrészleteket mu-tat.

48.


– A duplex (ausztenit–ferrites) korrózióálló acélok (MSZ EN 10088)

– A kiválásosan keményített korrózióálló acélok, „PH-acélok” (MSZ EN 10088)

1. csoport („duplex”): Cr=21–22%. Pl. „2304-es” (1.4362, X2CrNiN23-4) vagy „2205-ös” (1.4462, X2CrNiMoN22-5-3).

1. csoport: „közvetlenül edzhető” acélok csoportja. Az MS hőmérséklet a szobahőmérsék-let feletti. Szövetszerkezete a 97.a. ábrán látható.

2. csoport („szuperduplex”): Cr=25–27%. Pl. „2507-es” (1.4410, X2CrNiMoN25-7-3).

2. csoport („közvetve edzhető”) acélok: a „martenzit-start” hőmérséklet a szobahőmérsék-letnél kisebb, ezért kétlépcsős hőkezelést igé-nyelnek, szövetüket lásd a 97.b. ábrán.

Az 1. csoportba sorolt típusok között vannak Mo-mentes és Mo-nel ötvözött típusok, a 2.-ba pedig nagyon sok speciális típus besorolható, olyanok, amelyekben az alapötvözőkön (Cr, Ni, Mo, N) kívül Cu és W is található (95–96. ábra).

a)

b) 97. ábra – PH-acélok optikai mikroszkópos szövetképe

95. ábra – Duplex acél lágyított állapotának (vízben edzve!)

optikai mikroszkópos szövetképe

A szövetszerkezet szerinti felosztás szemlélte-tésére szolgál a 98. ábra, amely – ha nem is tel-jes részletességgel – de az itt bemutatott rendsze-rezésnek megfelelően segítheti az áttekintést.

98. ábra – A korrózióálló acélok ötvözési családfája

96. ábra – Duplex acél optikai mikroszkópos szövetképe hidegen hengerelt állapotban

49.


7.2. Az ausztenites korrózióálló acélok jel-lemző tulajdonságai és alkalmazásai

A korrózióálló acélok – nevükkel ellentétben – ugyancsak korrodálódnak. A korróziótípuso-kat, amelyek száma több tucatra rúg, a megjele-nési formájuk szerint két nagy csoportba sorol-juk:

Az ausztenites acélokat általában vízben hűtik le a melegalakítás hőmérsékletéről (1050–1200°C), tehát edzést hajtanak végre, de mivel az MS hőmérsékletük jóval kisebb, mint a szoba-hőmérséklet, a γ-vas nem alakul át martenzitté, hanem megmarad: ezt a hőkezelést „ausztenites lágyításnak” nevezik. Ha lassan hűl az ausztenites acél, gyakran felkeményedik, mivel az 500–800°C hőmérséklet-tartományban a Fe és a Cr közös vegyülete a σ-fázis, Cr-karbidok vagy más vegyület válhat ki benne.

általános korrózió (a teljes felületen) és helyi korrózió (az anyag egyes pontjain).

A 101–102. ábrán a korrózióálló acélok leg-jellegzetesebb helyikorróziós típusai láthatók: lyukkorrózió (pitting corrosion), réskorrózió (crevice corrosion), szemcsehatármenti korrózió (103. ábra) és feszültségkorrózió (104. ábra).

Az LKK kristályrács magyarázza a viszonylag csekély szilárdságot és a nagy szívósságot. A hi-degalakítás következtében (hengerlés, mélyhú-zás, hajlítás stb.) rendkívül erősen felkeményed-nek (99. ábra), aminek az oka az, hogy az alakí-tás hatására az ausztenit egyre nagyobb része alakul át martenzitté. Az ausztenites acéloknál tehát nem csak az alakítási keményedés műkö-dik, hanem az alakváltozás indukálta fázisátala-kulás is. Ez a jelenség nem mindenkor kívánatos: nagyon megnehezítheti a lemezalakítási művele-teket, és a forgácsolást.

100. ábra – Az általános korrózió megjelenési formája

101. ábra – A réskorrózió megjelenési formája

0 10 20 30 40 50 600

200

400

600

800

1000

1200

1400

Foly

ásha

tár R

p0,2

[MPa

]

Hidegalakítás mértéke [ % ]

Folyáshatár

99. ábra – Ferrites korrózióálló acélok ütőmunkájának változása (Michel Colombié)

0

20

40

60

80

100

120

140

Nyúlás

Nyú

lás

[%]

102. ábra – Lyukkorróziós bemaródások képei és metszetei

Az ausztenites korrózióálló acélok jól alkal-mazhatók nagy hőmérsékleteken is, kb. 750°C-ig hőállók és kúszásállók is. A nagy hőmérsékle-ten fontos tulajdonságokat a N-nel és a B-ral va-ló ötvözés javítja.

A korrózióállóság jobb megértéséhez annyi korróziós alapismeret hozzátartozik, hogy a kor-rózió 2 nagy csoportját és a legjellegzetesebb korróziótípusokat megnevezzük. A korrózió két fő csoportja tehát: a nedves korrózió (elektrokémiai korrózió) és a száraz korrózió (forró gázokban).

50.


103. ábra – Szemcsehatármenti korrózió ausztenites acélban

7.2.1. Alkalmazási példák

T ≈ 0 K-ig tartályok, csövek, készülékek. Nem lévén mágneses: műszerek, órák,

mágneslemez-redőny (de a hidegalakítás hatásá-ra mágnesezhetővé válik). Atomerőművi berendezések, hőcserélők. Vákuumtechnikai berendezések reaktora,

csövei, szerelvényei. Élelmiszeripari készülékek, berendezések. Épületburkolat, bútor, konyhai eszközök.

105. ábra – Ausztenites korrózióálló acélok alkalmazásai

104. ábra – Feszültségkorrózió ausztenites acélban

A szemcsehatármenti korróziót az idézi elő, hogy a krisztallithatárokon kiváló karbidok – amelyek krómtartalma több mint 60% – lokáli-san elvonják a krómot a szilárd oldatból, és a le-csökkent Cr-tartalmú anyag könnyen reagál a korróziós hatású közeggel. Ehhez természetesen karbon is szükséges, és a 0,03%-nál nagyobb C-tartalmú ausztenites acélok nagyon hajlamosak erre a károsodásra („szenzibilisek”)∗.

Éppen a szenzibilizáció elkerülése miatt fej-lesztették ki egyrészt a Ti-, ill. Nb-ötvözésű cso-portokat, amelyekben a krómnál erősebb kar-bidképzők lekötik a C-t, másrészt pedig az extra kis C-tartalmú acélokat. A forgácsolhatóság javí-tására kénnel (S) ötvözött típusok is léteznek.

∗ Ha a C-tartalom 0,02% helyett csak a duplájára nő az acél-ban, a szenzibilizáció kb. 40× gyorsabban következik be (kb. 1 óra alatt), míg ha tovább duplázódik (0,08%), már bő fél perc is elegendő hozzá, s ez hegesztéskor be is következik.

51.


7.3. A ferrites korrózióálló acélok jellemző 2. csoport tulajdonságai és alkalmazásai Háztartási villamos gépek, üzemi konyhai

szerelvények, lefolyórendszerek. A szövetszerkezetük ferrites, vagyis LKK szi-lárd oldatból és esetleg a Cr krbidjaiból, nitridjeiből áll. Mivel nem ausztenitesíthető, nagy hőmérsékleten hajlamos a szemcsedurvulásra: ez hegesztésnél gyakran bekövetkezik. A 750°C-nál kisebb hőmérsékleteken a Fe és a Cr közös ve-gyülete a σ-fázis vagy az α’-fázis képződhet, amelyek csökkentik a szívósságát.

Tejipari berendezések. 3. csoport (szuperferrites acélok). Tengervizes hőcserélők csövei. Geotermikus hőcserélők csövei, lemezei. Olajipari berendezések (szerves savak). Karbamidgyártás berendezései.

107. ábra – Ferrites korrózióálló acélok alkalmazási példái

A ferrites acélok szívóssága a hőmérséklet csökkenésével romlik: minél több krómot tartal-maznak, annál nagyobb lesz a képlékeny–rideg átmeneti hőmérsékletük (ez kedvezőtlen …): ezt lehet megfigyelni a 106. ábrán, amely különféle Cr-tartalmú ferrites acélok ütőmunkáját mutatja. Az ábrába bejelöltük a KV=40 J értékhez tartozó átmeneti hőmérsékletet is.

-40 -20 0 20 40 60 80 100

50

100

150

200

250

Képlékeny - rideg átmeneti hőmérséklet

18%

Cr17%

Cr

15% Cr

Cha

rpy-

féle

ütõ

mun

ka [J

]

Hőmérséklet [°C]106. ábra – Ferrites korrózióálló acélok ütőmunkájának

változása (Michel Colombié)

13% r C

33% Cr

A nagyobb Cr-tartalmú ferrites ridegtörésre való hajlama azt jelenti, hogy csak vékony leme-zek, huzalok és vékony falú csövek formájában célszerű ezeket a minőségeket felhasználni. A növelt hőmérsékleten bekövetkező kiválási fo-lyamatok miatt alkalmazásuk felső határa 200–350°C.

A ferrites acélok korróziós jellemzőit nem tár-gyaljuk, mindössze azt jegyezzük meg, hogy olyan esetekben célszerű az ausztenites acélok helyett alkalmazni őket, amikor a Cl–-ionok vagy más halogenid-ionok vannak jelen a felületen.

7.3.1. Alkalmazási példák 1. csoport Autóipar: kipufogók, katalizátordobok. Fémbútorok. Cukoripari berendezések vékony csövei.

52.


109. ábra – Martenzites korrózióálló acélok alkalmazásai

7.4. A martenzites korrózióálló acélok jel-lemző tulajdonságai és alkalmazásai

Általában nemesített állapotban (edzés + megeresztés) kerülnek felhasználásra. Az 1. csoportjuk kivételével levegőn hűtve is edzhe-tők. 350–550°C között kiválásosan keményíthe-tők, amely finoman diszpergált karbidok képző-désének eredménye.

A 3. csoportba sorolt martenzites acélok szi-lárdsága nemesített állapotban is igen nagy, fo-lyáshatáruk akár 180 MPa-t is elér. A szupermartenzites acélok (4. csoport) 690 MPa folyáshatárához 12% nyúlás társul, s így jól al-kalmazhatók erősen igénybevett, nagy méretű forgógépek tengelyeiként. A martenzites acélok korróziós jellemzőit nem tárgyaljuk.

7.4.1. Alkalmazási példák 1. csoport Szelepek, csapok, csavarok.

2. csoport Evőeszközök, konyhai eszközök.

3. csoport Sebészeti eszközök, forgácsolószerszámok.

4. csoport Nagy méretű szelepek, szivattyúk, komp-

resszorok, vízturbinák, gőzturbinák és hajómoto-rok tengelye, periszkópcsövek.

108. ábra – Martenzites korrózióálló acélok alkalmazásai

53.


54.

7.5. A duplex korrózióálló acélok jellemző A duplex acélok folyáshatára 2–3-szorosa is lehet az ausztenites típusokénak, ezért ugyano-lyan mechanikai terhelés esetén jóval kisebb ön-súlyú (saját tömegű) szerkezet tervezése is lehet-séges. A korróziós sajátosságaikról csak a lénye-get emeljük ki: a kloridion-tartalmú közegekben lényegesen jobban ellenállnak a lyukkorrózióval és a feszültségkorrózióval szemben, mint az ausztenites acélok: ezt szemlélteti a 111. ábra.

tulajdonságai és alkalmazásai

A szövetszerkezet 40–60% δ-ferritet tartalmaz, ennek értéke erősen függ a gyártás utolsó fázisá-ban végzett vízhűtés kezdőhőmérsékletétől 110. ábra). A duplex acélok nagyon érzékenyek a hőfolyamatokra: minél több ötvözőt tartalmaz-nak, annál gyorsabban képződhetnek bennük nitridek és intermetallikus fázisok (karbidok ne-migen, ui. kevés szenet tartalmaznak).

110. ábra – A duplex korrózióálló acélok szövetelemeinek

aránya az edzési hőmérséklet függvényében (Colombié)

112. ábra – A duplex korrózióálló acélok alkalmazásai

7.5.1. Alkalmazási példák

1000 1050 1100 1150 1200 125030

40

50

60 Ausztenit

Ferrit

Ferr

ittar

talo

m [

töm

eg-%

]

A vízhűtés kezdőhőmérséklete [ °C ]

(TMAX=250°C). Az olajipar, papíripar, vegyipar kloridos

(sósav, „hipó”) folyamatainak berendezései. Tengervizes hőcserélők, sótalanítóberen-

dezések, tankhajók, tengeri hidak. Hőcserélők, füstgáz-kéntelenítők.

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 1010

50

100

150

200

NINCS

NINCS

Duplexacél

Ausztenites acélpl. AISI 304, 316

Hőm

érsé

klet

[°C

]

Kloridion-koncentráció [tömeg-%]

0,01 0,1 10

25

50

75

AISI 304

AISI 316NINCS

Duplex acél

Hőm

érsé

klet

[°C

]

Kloridion-koncentráció [tömeg-%] 111. ábra – A duplex és az ausztenites acélok

korróziós jellemzőinek összehasonlítása

FESZÜLTSÉGKORRÓZIÓ

VAN

VAN

LYUKKORRÓZIÓ

VAN

7. korrózióálló és hőálló acélok a szövetszerkezetet ismerete … › _media › targyak...

Documents