Rustfrit stål

Rustfrit stål (korrosionsbestandigt stål, i daglig tale "rustfrit stål") - legeret stål , modstandsdygtigt over for korrosion i atmosfæren og aggressive miljøer, med varmebestandige egenskaber [1] [2] . Forskellige typer af rustfrit stål omfatter kulstof , nitrogen , aluminium , silicium , svovl , titanium , krom , nikkel , kobber , selen , niobium og molybdæn [3] .

Historie

I 1820-1821 bemærkede Michael Faraday og Pierre Berthier evnen af ​​en legering af krom og jern til at modstå syrekorrosion. Fordi forskerne endnu ikke kendte rollen af ​​lavt kulstofindhold, var de ude af stand til at opnå en legering med et højt chromindhold [4] .

Rustfrit stål blev patenteret i 1912 af de tyske ingeniører hos Krupp. Patentet vedrørte austenitisk stål. Navnet rustfrit stål blev først brugt af den engelske ingeniør Harry Brearley. Han arbejdede i militærindustrien på Brown Firth Laboratories i Sheffield. I 1913 opdagede Harry Brearley , der eksperimenterede med forskellige typer og egenskaber af legeringer , evnen af ​​stål med et højt chromindhold til at modstå syrekorrosion . 

Englænderen formåede at overbevise knivfabrikanten R.F. Mosley om sin nye opfindelse . Oprindeligt blev rustfrit stål kun brugt til fremstilling af bestik. I 1924 patenterede Storbritannien AISI 304 stål, indeholdende 18 % krom og 8 % nikkel.

Grupper

Rustfrit stål er opdelt i tre grupper:

• korrosionsbestandige stål - det kræves, at de er modstandsdygtige over for korrosion under simple industrielle og huslige forhold (de kan bruges til at fremstille udstyrsdele til olie- og gasindustrien, let, maskinbygningsindustrien, kirurgiske instrumenter, rustfri husholdningsredskaber og beholdere) ;
• varmebestandige stål  - de skal have varmebestandighed  - det vil sige modstandsdygtighed over for korrosion ved høje temperaturer i meget aggressive miljøer (for eksempel i kemiske anlæg);
• varmebestandige stål  - de skal have høj temperaturbestandighed  - det vil sige god mekanisk styrke ved høje temperaturer.

Kemisk sammensætning

Rustfrit stål adskiller sig fra kulstofstål i sit kromindhold. Ubeskyttet kulstofstål ruster med det samme, når det udsættes for luft og fugt. Denne film af jernoxid (rust) er aktiv og accelererer korrosion, hvilket gør det lettere at skabe mere jernoxid. Fordi jernoxid har en lavere densitet end stål, udvider laget sig og har en tendens til at flage af og falde af. Samtidig indeholder rustfrit stål nok chrom til at passivere, hvilket skaber et inert lag af chromoxid på overfladen. Dette lag forhindrer yderligere korrosion ved at blokere diffusionen af ​​ilt til overfladen af ​​stålet og stopper spredningen af ​​korrosion over det meste af metallet. Passivering sker kun ved et tilstrækkeligt højt indhold af chrom og i nærvær af ilt i det.

Når de vælger den kemiske sammensætning af en korrosionsbestandig legering, er de styret af den såkaldte regel : hvis et metal, der danner en fast opløsning med det og er modstandsdygtigt over for korrosion (f.eks. krom), tilsættes et metal, der er ikke modstandsdygtig over for korrosion (for eksempel jern), så vises den beskyttende effekt brat med indførelsen af ​​mol det andet metal (korrosionsbestandighed øges ikke i forhold til mængden af ​​legeringskomponent, men brat). Det vigtigste legeringselement i rustfrit stål er krom Cr (12-20%); udover krom indeholder rustfrit stål elementer, der ledsager jern i dets legeringer ( C , Si , Mn , S , P ), samt elementer, der indføres i stål for at give det de nødvendige fysiske og mekaniske egenskaber og korrosionsbestandighed ( Ni , Mn ). Ti , Nb , Co , Mo ) .

Rustfrit ståls modstandsdygtighed over for korrosion afhænger direkte af kromindholdet: ved dets indhold på 13 % og derover er legeringerne rustfrie under normale forhold og i let aggressive miljøer, mere end 17 % er korrosionsbestandige og i mere aggressive oxidations- og andre miljøer, især i salpetersyre med en styrke på op til halvtreds %.

Årsagen til rustfrit ståls korrosionsbestandighed skyldes hovedsageligt, at der dannes en tynd film af uopløselige oxider på overfladen af ​​en kromholdig del i kontakt med et aggressivt miljø, mens tilstanden af ​​materialets overflade, fraværet af indre spændinger og krystalfejl, er af stor betydning.

I stærke syrer ( svovlsyre , saltsyre , fosforsyre og deres blandinger) anvendes komplekst legerede legeringer med et højt Ni-indhold og Mo-, Cu- og Si-additiver.

Øget atmosfærisk korrosionsbestandighed af stål opnås som regel ved en målrettet ændring i dets kemiske sammensætning. Det menes, at små tilsætninger af nikkel, krom og især fosfor og kobber øger bygningsståls modstandsdygtighed over for atmosfærisk korrosion mest effektivt. Legering med kobber i området 0,2-0,4% øger således korrosionsbestandigheden af ​​åbne strukturer i en industriel atmosfære med 20-30%.

Klassifikation

Ifølge den kemiske sammensætning er rustfrit stål opdelt i:

• Chrom , som igen er opdelt efter struktur i;
  • martensitisk ;
  • Semi-ferritisk (mår-ferritisk);
  • ferritisk ;
• krom-nikkel;
  • Austenitisk
  • Austenitisk-ferritisk
  • Austenitisk-martensitisk
  • Austenitisk carbid
• Krom-mangan-nikkel [5] (klassificeringen er den samme som chrom-nikkel rustfri stål).

Der er austenitiske rustfrie stål, tilbøjelige til intergranulær korrosion , og stabiliseret  - med tilsætningsstoffer Ti og Nb . En væsentlig reduktion i rustfrit ståls tendens til intergranulær korrosion opnås ved at reducere kulstofindholdet (op til 0,03%).

Rustfrit stål, der er tilbøjeligt til intergranulær korrosion, udsættes normalt for varmebehandling efter svejsning.

Jern og nikkellegeringer er meget udbredt, hvor den austenitiske struktur af jern på grund af nikkel stabiliseres, og legeringen bliver til et svagt magnetisk materiale.

Martensitisk og martensitisk-ferritisk stål

Martensitisk og martensitisk-ferritisk stål har god korrosionsbestandighed under atmosfæriske forhold, i let aggressive miljøer (i svage opløsninger af salte, syrer) og har høje mekaniske egenskaber. De bruges hovedsageligt til slidprodukter, som skæreværktøj, især knive, til elastiske elementer og strukturer i fødevare- og kemisk industri, der er i kontakt med lettere aggressive medier. Denne type omfatter ståltype 30X13, 40X13 osv.

Ferritisk stål

Disse stål anvendes til fremstilling af produkter, der opererer i oxiderende miljøer (f.eks. i salpetersyreopløsninger), til husholdningsapparater, i fødevarer, let industri og til varmevekslerudstyr i kraftteknik.

Ferritiske kromstål har høj korrosionsbestandighed i salpetersyre, vandige opløsninger af ammoniak, i ammoniumnitrat, en blanding af salpeter-, phosphor- og flussyre, såvel som i andre aggressive miljøer. Denne type omfatter stål af 400.-serien.

Austenitiske stål

Den største fordel ved stål af austenitisk klasse er deres høje serviceegenskaber (styrke, duktilitet, korrosionsbestandighed i de fleste arbejdsmiljøer) og gode fremstillingsevne [5] [6] . Derfor har austenitisk korrosionsbestandigt stål fundet bred anvendelse som et strukturelt materiale i forskellige grene af teknik. Teoretisk set er produkter fremstillet af austenitisk rustfrit stål ikke-magnetiske under normale forhold, men efter kold deformation (enhver bearbejdning) kan de udvise nogle magnetiske egenskaber (en del af austenitten bliver til ferrit).

Austenitisk-ferritisk og austenitisk-martensitisk stål

Fordelen ved stål af denne gruppe er en øget flydespænding sammenlignet med austenitiske enfaset stål, fraværet af en tendens til kornvækst med bibeholdelse af en to-faset struktur, et lavere indhold af akut mangelfuldt nikkel og god svejsbarhed.

Austenitisk-ferritisk stål er meget udbredt i forskellige grene af moderne teknologi, især inden for kemiteknik, skibsbygning og luftfart . Denne type inkluderer ståltype 08Kh22N6T, 08Kh21N6M2T, 08Kh18G8N2T.

Behovene for moderne teknologi i korrosionsbestandige stål med øget styrke og fremstillingsevne har ført til udviklingen af ​​stål af martensitisk (overgangs) klasse. Det er stål af typen 07X16H6, 09X15H9Yu, 08X17H5M3.

Ved fremstilling af kemisk udstyr, især til drift i svovlsyre og saltsyre, er det nødvendigt at bruge legeringer med højere korrosionsbestandighed end austenitiske stål. Til disse formål anvendes legeringer baseret på jern-nikkel base type 04KhN40MTDTYu og legeringer baseret på nikkel-molybdæn base N70MF, krom-nikkel base KhN58V og krom-nikkel-molybdæn base KhN65MV, KhN60MB.

Produktion og anvendelse

Ifølge International Stainless Steel Forum udgjorde verdens produktion af rustfrit stål i 2009 24,579 millioner tons [7]

• Krom rustfri stål:
  • Hydrauliske presseventiler ;
  • Turbine vinger ;
  • Fittings til revneinstallationer ;
  • skæreværktøj;
  • Fjedre ;
  • husholdningsartikler;
• Krom-nikkel og chrom-mangan-nikkel rustfrit stål:
  • Husholdningsartikler, især bordservice (stål af fødevarekvalitet)
  • Ortopædisk tandpleje (fremstilling af ærmer til stemplede kroner)
• Stabiliseret austenitisk rustfrit stål:
  • Svejset udstyr, der fungerer i aggressive miljøer; Produkter, der opererer ved høje temperaturer - 550-800 ° C;
  • Konstruktion og arkitektur;
  • Fødevareindustrien ;
  • Trapper, rækværk og rækværk.

Rustfrit stål bruges i både deformeret og støbt tilstand.

Svejsning af rustfrit stål

Svejsning af rustfrit stål har egenskaber, der er karakteristiske for alle højlegerede stål . Først og fremmest er det ved svejsning nødvendigt at tage højde for og forhindre udbrænding af forskellige elementer og i forbindelse hermed en ændring i den kemiske sammensætning af svejsningen, risikoen for overophedning af svejsestedet, som opstår pga. til lav termisk ledningsevne (op til 50% af konventionelle stål) og høj elektrisk resistivitet af det metal, der svejses, og også betydelige termiske deformationer forårsaget af en høj termisk udvidelseskoefficient .

Elektrisk svejsning af rustfrit stål kan udføres ved modstandssvejsning og forskellige buesvejsningsmetoder. Med den manuelle metode anvendes ofte argon-buesvejsning med en ikke-forbrugelig wolframelektrode med manuel fremføring af sparteltråd, semi-automatisk svejsning med en forbrugselektrode i et beskyttelsesgasmiljø og svejsning med stykke (coated) elektroder . Med automatisk svejsning ligner teknologierne halvautomatiske. Kuldioxid kan bruges som et beskyttende medium ved svejsning af lavansvarlige dele med en kulstof- eller forbrugselektrode , ved svejsning af kritiske dele - inaktive gasser argon eller helium samt blandinger af gasser. Svejsning med en wolframelektrode i et kuldioxidmiljø er kun mulig, når der anvendes en dobbeltdyse med en intern argonstråle, der beskytter elektroden. For at fjerne oxidfilmen og forbedre kvaliteten af ​​sømmen anvendes flusmidler .

Gasoxy-acetylensvejsning er også mulig, men bruges nu praktisk talt ikke, selvom det i lang tid var den eneste måde at svejse tyndvæggede rustfri ståldele. I øjeblikket, når man svejser tynde metaller, er en pulseret elektrisk svejsetilstand almindelig, hvor svejsestrømimpulser med en frekvens på 2..3 Hz overlejres på en konstant ("standby") lysbuestrøm på 5..10 A. Værdien af ​​svejsestrømmen i pulsen reguleres over et bredt område på 10 ... 200 A [8] .

Austenitisk rustfrit stål som 12X18H9, 12X18H10 [ca. 1] (ca. fra disse valsede plader i rustfrit stål) tolererer ikke kalcinering. Kalcinering forårsager strukturelle ændringer i dem, på grund af hvilke, efter kalcinering, vil intergranulær (intergranulær) korrosion begynde i stålet . Intergranulær korrosion er også farlig, fordi den ikke forårsager tab af præsentationen af ​​produktet, så produktet, mens det stadig er smukt og skinnende, pludselig kan falde sammen under belastning.

For at beskytte mod intergranulær korrosion tilsættes titanium (T) eller niobium (B) til sådanne stål i en mængde på 5 C  - 0,6%. Stål legeret på denne måde betegnes: 12X18H9 T , 12X18H9 B , 12X18H10 T , 12X18H10 B [ca. 2] . Derfor er austenitiske rustfrie stål til svejsning egnede (hvis uden efterfølgende varmebehandling) dem med bogstavet "T" eller "B" i slutningen.

Stykke (belagte [note 3] ) svejseelektroder fremstilles ikke kun af sort stål (til svejsning af sort stål), men også af rustfrit stål (for eksempel UONII-13 / NZh [note 4] ). Den elektriske modstand i rustfrit stål er større end den elektriske modstand af sort stål, så rustfrit stål svejseelektroder gøres kortere end sorte stålelektroder, da en for lang rustfri stålelektrode kan smelte (umiddelbart i hele længden) og kollapse, før den er helt brugt op.

At svejse en rustfri ståldel til en sort ståldel, såkaldt. overføre elektroder. I dette tilfælde skal stålet, som overgangselektroderne er fremstillet af, have et øget (ca. halvanden gange [note 5] ) indhold af legeringselementer (f.eks. "X25H18 ..."; "X23H15 ... "). Overgangselektroder har en grøn belægning.

Svejseelektroder med blå belægning - til svejsning af fødevarer af rustfrit stål (tanke, tanke, rørledninger, blandeblade osv. til fødevareindustrien).

Andre korrosionsbestandige legeringer

Cr - Ni - legeringer , der indeholder mindre end 50 % jern og har endnu bedre egenskaber med hensyn til korrosions- og varmebestandighed, betragtes ikke længere som stål. Disse såkaldte superlegeringer er højtemperaturlegeringer og er baseret på en legering af typen NiCr8020, som først blev beskrevet omkring 1906. Ved tilsætning af aluminium og titanium kan de hærdes, og deres styrke vil stige markant ved høje temperaturer. Moderne handelsnavne, for eksempel Inconel , Incoloy , Hastelloy , Kronifer , Nicrofer. Sidstnævnte er en meget korrosionsbestandig nikkel-chrom-molybdæn-legering, som afhængig af tilsætningsstoffet er opdelt i forskellige legeringer (Nicrofer 3127, Nicrofer 5923, H-C4 eller H-C22).

Sådanne legeringer bruges hovedsageligt i jetmotorer, kraftværker ( i gasturbiner ), gasindustrien og den kemiske industri, dvs. hvor høj styrke ved meget høje temperaturer eller under meget aggressive forhold skal garanteres på lang sigt.

Noter

1. ↑ Legerede og højlegerede stål er udpeget ved at angive legeringselementerne, angivet med bogstaver, med en angivelse efter hvert bogstav af den omtrentlige procentdel af legeringselementet. Bogstavbetegnelserne er især som følger: X - krom , H - nikkel , T - titanium , B - niobium ; B- i wolfram , F- vanadium , M- molybdæn , G - mangan ; D- kobber , P- bor , Yu (fra "juvenal" ) - aluminium . Så X18H10 betyder, at dette stål indeholder omkring 18 % krom og omkring 10 % nikkel.
2. ↑ Hvis legeringselementet er en procent eller mindre, skrives kun bogstavet, der angiver det, uden at angive procentdelen af ​​dets indhold efter det.
3. ↑ Det, der i daglig tale kaldes stavsvejseelektrodebelægning, kaldes belægning i korrekt professionel svejseterminologi.
4. ↑ Belægningen af ​​svejseelektroder af mærket UONII-13 blev udviklet hos NII-13.
5. ↑ Ved svejsearbejde anses det for, at svejsningens metal (normalt fremstillet) består af 70 % af metallet i svejseelektroderne (bruges til denne svejsning) og 30 % af metallet i de dele, der skal svejses.

1. ↑ Definition af  RUST . www.merriam-webster.com _ Hentet 3. marts 2021. Arkiveret fra originalen 28. juni 2021.
2. ↑ Korrosion | kemisk proces  (engelsk) . Encyclopedia Britannica . Hentet 3. marts 2021. Arkiveret fra originalen 28. februar 2021.
3. ↑ Rustfrit stål . - Materials Park, OH: ASM International, 1994. - ISBN 9780871705037 . Arkiveret 14. april 2021 på Wayback Machine
4. ↑ Opdagelsen af ​​rustfrit stål  . British Stainless Steel Association . www.bssa.org.uk. Hentet 13. januar 2019. Arkiveret fra originalen 12. juli 2017.
5. ↑ 12 Yu . A. Semerenko, LN Pal'-Val, LV Skibina. Akustiske modstandsegenskaber af nye γ-austenitiske legeringer af Fe-Cr-Mn-systemet i temperaturområdet 5–325 K Arkiveret 23. januar 2022 på Wayback Machine // Physics of Metals & Advanced Technologies 5, nr. 2. P. 213 -221 (2010)
6. ↑ L. N. Pal-Val, Yu. A. Semerenko, P. P. Pal-Val, L. V. Skibina, G. N. Grikurov. Undersøgelse af de akustiske og resistive egenskaber af lovende chrom-mangan austenitiske stål i temperaturområdet 5-300 )K
7. ↑ Den globale produktion af rustfrit stål faldt i 2009 med 5,2 %
8. ↑ V. V. Masakov, N. I. Masakova, A. V. Melzitdinova. Svejsning af rustfrit stål. Studievejledning . - Togliatti: TSU, 2011. - 184 s. (Russisk)

Litteratur

• Rustfrit stål // Great Soviet Encyclopedia . - 3. udg. - M . : Soviet Encyclopedia, 1974. - T. 17. Morshin-Nikish. - S. 510. - 616 s.
• Skorokhodov V. N., Odessky P. D., Rudchenko A. V. "Konstruktionsstål"

Links

• Korrespondancetabel over de vigtigste kvaliteter af alle typer rustfrit stål i henhold til GOST, EN, UNS, SIS, BS, AISI, kemisk sammensætning, mekaniske egenskaber Arkiveret kopi af 11. marts 2016 på Wayback Machine

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk norsk Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	BNF : 119664986 GND : 4126143-4 J9U : 987007534037305171 LCCN : sh85127793 NDL : 00571764