Lavkulstof, titanstabiliseret og normalt, rustfrit stål

Transkript

1 Lavkulstof, titanstabiliseret og normalt, rustfrit stål Myter og sandheder - og hvad er egentlig forskellen? Damstahl Group: Germany, Denmark, Sweden, Norway, the Netherlands, Slovenia and Finland

2 Lavkulstof, titanstabiliseret og normalt, rustfrit stål Myter og sandheder og hvad er egentlig forskellen? Der eksisterer en syndflod af ammestuehistorier om forskellen mellem lavkulstofstål og almindelige typer. Er lavkulstof mekanisk stærkere, og er standardstål mere bestandige i stærke syrer? Kan man i Tyskland kun bruge titanstabiliseret stål? Hvad er egentlig sandt, og hvad er falsk? For alle austenitiske, ferritiske og ferritisk-austenitiske (duplexe) ståltyper er kulstof at betragte som en uønsket forurening. Risikoen for sensibilisering og efterfølgende interkrystallinsk korrosion stiger voldsomt med stålets indhold af kulstof, og for at undgå dette er det vigtigt at holde kulstofindholdet så langt nede som muligt. Af samme grund indeholder samtlige standarder en øvre grænse for kulstofindholdet undtagen de martensitiske typer, hvor kulstof er ønskeligt aht. hærdbarheden. Ved de martensitiske stål er oftest specificeret et interval for kulstof; for alle andre er grænsen et loft. Dette gælder for samtlige almindelige, rustfri ståltyper, inkl. alle typerne i tabellen nedenfor (RS&K, kapitel 4.1 og 8.1.2). EN 1.XXXX Type C % Cr % Ni % Mo % Si % Mn % S % P % Andet AISI 4301 A 0, A, L 0, A, L 0, A, Ti 0, S 0, S, L 0, S, L 0, S, L 0, S 0, S, Ti 0,08 17,5-19,5 18,0-20,0 17,5-19,5 17,0-19,0 17,0-19,0 8,00-10,5 10,0-12,0 8,00-10,5 9,00-12,0 10,0-13,0 10,0-13,0 10,5-13,0 12,5-15,0 10,5-13,0 10,5-13,5 1,0 2,0 0,015 0,045 N 0, ,0 2,0 0,015 0,045 N 0,11 (304L) 1,0 2,0 0,015 0,045 N 0,11 304L 1,0 2,0 0,015 0,045 2,00-2,50 2,00-2,50 2,50-3,00 2,50-3,00 2,50-3,00 2,00-2,50 Ti (5xC) - 0, ,0 2,0 0,015 0,045 N 0, ,0 2,0 0,015 0,045 N 0,11 316L 1,0 2,0 0,015 0,045 N 0,11 316L 1,0 2,0 0,015 0,045 N 0,11 316L 1,0 2,0 0,015 0,045 N 0, ,0 2,0 0,015 0,045 Ti (5xC) - 0,70 (316Ti) Tabel 1: Legeringssammensætningen for de mest almindelige, rustfri ståltyper, både normale (4301, 4401 og 4436), lavkulstof (4306, 4307, 4404, 4432 og 4435) og titanstabiliserede stål (4541 og 4571). De øverste fire hører til gruppen af almindelige rustfri (18/8-stål), mens de seks nederste tilhører gruppen af molybdænlegerede, syrefaste stål. A = Almindeligt rustfrit (18/8-klassen), S = Syrefast (Mo-legeret), L = Lavkulstof, og Ti = Titanstabiliseret stål. Data fra RS&K, kapitel 8. Lavkulstof / titanstabiliseret stål 1

3 Sensibilisering og interkrystallinsk korrosion (RS&K, kapitel 6.5) Hvorfor er kulstof så generende? Hovedlegeringselementet i rustfrit stål er krom (Cr), og jo højere kromindhold, jo bedre er korrosionsbestandigheden især i kloridholdige og oxiderende medier. Desværre har kulstof (C) en ubehagelig tendens til at binde krom. Dette sker især i temperaturområdet mellem 500 og 850 ºC, og da kulstoffet især ligger i stålets korngrænser, betyder dette en selektiv afkromning af området lige ved siden af korngrænserne. Denne selektive afkromning kaldes sensibilisering, og i praksis indebærer det en forringet korrosionsbestandighed. Grundet de lokale svækkelser vil korrosionen have en tendens til at angribe netop de afkromede zoner, og sådanne korrosionsangreb kaldes interkrystallinsk korrosion (RS&K, kapitel 6.5). A B C Mekanismen for interkrystallinsk korrosion i austenitisk, rustfrit stål. A: Stålet før opvarmning. Det skadelige kulstof ligger i korngrænserne. B: Opvarmning til det kritiske temperaturområde ( C) får kulstoffet i korngrænserne til at spise kromet lige ved siden af. Den røde kurve viser kromindholdet gennem stålet. Bemærk et minimum lige ved siden af den sorte stribe. C: I et surt medie vil der ske en selektiv korrosion af den afkromede zone. Deraf navnet interkrystallinsk korrosion. Dannelsen af kromkarbider og dermed risikoen for interkrystallinsk korrosion stiger voldsomt med stålets indhold af kulstof (C; RS&K, kapitel 6.5.1). Selvom kulstof som regel kun optræder som sporelement i stålet, påvirkes stålets korrosionsbestandighed særdeles effektivt af selv meget små Lavkulstof / titanstabiliseret stål 2

4 mængder kulstof. Eksempelvis vil et kulstofindhold på kun 0,07 % (det maksimalt tilladelige for normale stål ) medføre, at opholdstiden i det kritiske temperaturinterval skal holdes under 1 minut. Lidt lavere indhold på 0,05 % kulstof tillader en opholdstid på 8-10 minutter, og lavkulstofstål med max. 0,03 % C tillader op til 8-10 timers opvarmning, indtil kritisk sensibilisering finder sted. Selv meget små forskelle i kulstof giver enorme forskelle i mulig opholdstid (RS&K, kapitel 6.5.1). Udover kulstofindholdet har opholdstiden i det kritiske temperaturinterval stor betydning, og jo længere tid, stålet befinder sig i det kritiske interval, jo værre bliver problemerne. Ganske vist er det sjældent, at man frivilligt opvarmer stålet til en temperatur mellem 500 og 850 ºC, men det sker ikke desto mindre som en uundgåelig bivirkning ved svejsning af rustfrit stål. Skal temperaturen i smeltebadet holdes over smeltepunktet af stålet ( ºC), må zonen ved siden af smeltebadet nødvendigvis have en kraftigt forhøjet temperatur, og i en bestemt afstand fra smeltezonen vil stålet ligge i det uheldige temperaturinterval på ºC. Interkrystallinsk korrosion i austenitisk, rustfrit stål, type 4301 (0,055 % C). Årsagen er for højt kulstofindhold i stålet, noget som efter en uheldig varmebehandling (min. 10 minutter ved C) medførte dannelsen af kromkarbider og en tilsvarende afkromning af grænselaget. Ved eksponering i et korrosivt medie (bejdsesyre) er disse zoner blevet opløst = interkrystallinsk korrosion. Oveni vil sådanne termiske effekter akkumuleres, og gentagne svejsninger i samme stål gør ikke situationen bedre. Den maksimale opholdstid i det kritiske temperaturområde er den maksimale, samlede tid, hvilket blot øger incitamentet for at vælge lavkulstofstål. I praksis betyder dette, at jo tykkere godset er, jo længere opholdstid og jo værre problemer. Sensibilisering og interkrystallinsk korrosion er således et større problem ved tykke konstruktioner end ved tyndt gods. Jo tykkere godset er, jo vigtigere er det at holde sig til lavkulstofstål, især hvis man skal foretage gentagne svejsninger (RS&K, kapitel 6.5.1). Lavkulstof / titanstabiliseret stål 3

5 Mikroslib af interkrystallinsk korrosion i austenitisk, rustfrit stål, type 4301 (samme emne som ovenfor). Bemærk de fortykkede korngrænser (kromkarbider) og de enkelte korn, der er faldet ud. Sammenligning af almindelige stål og lavkulstofstål (RS&K, kapitel ) Sammenligner man legeringssammensætningen for almindeligt 4301 (Tabel 1) og det tilsvarende lavkulstofstål (4307), bemærkes det, at samtlige data er enslydende lige bortset fra kulstof. For 4301 ligger kulstof på max. 0,07 %, mens det for 4307 ligger på max. 0,03 %. Da kulstof for alle typer er et loft snarere end et interval, betyder dette, at et stål af typen 4307 altid vil opfylde kravene til en Et kulstofindhold under 0,03 % vil jo altid være under 0,07 %, mens det modsatte naturligvis ikke er tilfældet. I praksis betyder dette, at hvis en arbejdstegning siger 4301, kan man altid slippe af sted med at bruge en 4307 og stadig opfylde de kemiske krav. Ofte er stålene dog dobbeltcertificerede, så begge numre står der (RS&K, kapitel 8). Den anden lavkulstofudgave, 4306, er lidt mere tricky, idet indholdet af nikkel ligger markant højere (10,0-12,0). Om dette er en fordel eller en ulempe, må man vurdere fra sag til sag. Ved generel korrosion er det som regel en fordel med lavt indhold af urenheder, men ved de øvrige korrosionsformer (grubetæring, spaltekorrosion og spændingskorrosion) er de nyttige legeringselementer som regel Cr, Mo og Ni, mens der ikke er nogen gavnlig effekt af kulstof. Tværtimod vil uopløselige urenheder i stålet (fx karbider) som regel svække korrosionsbestandigheden (de gavner i hvert fald ikke!), hvorfor det altid vil være en fordel at anvende lavkulstofstål. Lavkulstof / titanstabiliseret stål 4

6 Syrefaste stål (RS&K, kapitel 8.1) For den syrefaste gruppe er verden lidt mere kompliceret. Dette skyldes især, at de gamle standarder AISI 316 og 316L begge tillader et molybdænindhold fra 2,0 til 3,0 %, mens de tyskbaserede ENnumre ( gamle Werkstoff-numre) splitter intervallet op i to: 2,0-2,5 % og 2,5-3,0 % ligesom de hedengangne svenske numre (RS&K, kapitel 8.1 og 8.4). Kulstofforholdet mellem 4401 og 4404 er dog eksakt det samme som mellem 4301 og Bortset fra kulstof legeringssammensætningen for de to stål nøjagtig ens, og 4404 vil derfor altid opfylde kravene til Selvom arbejdstegningen siger 4401, vil man derfor altid kunne anvende en 4404, men ikke altid omvendt. For høj-molybdæn-varianterne (2,5-3,0 % Mo) er situationen en anelse mere kompleks. Den direkte lavkulstof-parallel til standardstålet 4436 er 4432, og ganske som ovenfor passer samtlige legeringselementer bortset fra kulstof, hvor 4432 jo ligger på max. 0,03 %, mens 4436 tillader en grænse på 0,07 %. Imidlertid findes der en anden, ældre type syrefast, 4435, der udover 0,03 % kulstof udmærker sig ved 0,5 % mere Cr (17,0-19,0 %) og dertil betragteligt mere Ni (12,5-15,0 %). Da korrosionsbestandigheden normalt stiger med stigende indhold af Cr (grubetæring, spaltekorrosion) og Ni (især generel korrosion og spændingskorrosion), er denne oplegering ikke nogen ulempe, og 4435 er derfor at foretrække frem for 4436 både pga. det lavere kulstof og pga. en svag oplegering af Cr og Ni. I virkeligheden er valget ret let, for oftest vil moderne lavkulstofstål af typen 4307 være dobbeltcertificeret som både 4301 og Tilsvarende vil et 4404 være dobbeltcertificeret som både 4401 og 4404, og 4432 vil altid kvalificere til Derimod vil højnikkeltypen 4306 ikke automatisk kunne erstatte 4301, og 4435 passer heller ikke altid med en Moralen af alt dette er kort og enkel: Er du i tvivl, og er materialevalget styret af korrosionsforholdene, så vælg lavkulstof! Titanstabiliserede stål (RS&K, kapitel 6.5.2) De titanstabiliserede stål, 4541 og 4571, er lidt anderledes. Som beskrevet ovenfor er kulstof skadeligt for korrosionsbestandigheden, og teknisk set kan problemerne elimineres på to måder: Fjernelse af kulstoffet dvs. lavkulstofstål Kulstoffet bindes, så det ikke skader Traditionelt set har fx de svenske og franske stålværker altid valgt at fjerne kulstoffet, mens de tyske værker i stedet fjerner hovedparten af kulstoffet og derpå tilsætter små mængder af titan (Ti), der binder resten af kulstoffet, før dette kan nå at binde kromet. Sidstnævnte kaldes derfor titanstabiliseret stål, og den sejlivede, tyske tradition har selv den dag i dag gjort, at mange tyske firmaer insisterer på, at deres udstyr partout skal bygges at titanstabiliseret stål. Lavkulstof / titanstabiliseret stål 5

7 I praksis har man derfor en slags parallelle sæt af hhv. lavkulstofstål og titanstabiliseret stål: Lavkulstof Titanstabiliseret I langt de fleste tilfælde er det hip som hap, om man anvender titanstabiliseret stål eller det tilsvarende lavkulstofstål, og de to typer kan oftest erstatte hinanden uden større sværdslag kan derfor erstattes med 4307, og 4571 kan erstattes af 4404 og omvendt. Bemærk dog, at 4306 ikke har nogen titanstabiliseret modpart pga. det høje nikkel, mens 4432 og 4435 ikke kan substitueres pga. det høje Mo ( ). Bemærk også, at titanstabiliseret stål ikke uden videre passer ind i de tilsvarende lavkulstofstandarder. Et 4571 passer ikke uden videre ind i en 4404-standard, og et materialeskifte fordrer derfor en ændring af arbejdstegningen og accept fra kunden. Det burde dog ikke volde de store problemer, medmindre der er tale om en stædig tysker, der i tre årtier har brugt en 4571, og som nægter at se det smarte i brugen af lavkulstofstål. Temperatur, C Ståltype Styrkereduktion (%) , , , , , ,5 Tabel 2: Flydespændingen (yield stress, Rp 0.2 ) for normale stål (4301 og 4401), lavkulstofstål (4307 og 4404) og de tilsvarende titanstabiliserede stål (4541 og 4571) ved forskellige temperaturer. Alle data er standardernes minimumsværdier, og enheden er N/mm 2. Sidste spalte angiver den procentuelle svækkelse i Rp 0.2 ved at gå fra 20 til 550 ºC (RS&K, kapitel 3.3.2). Mekaniske fordele ved titanstabiliserede stål (RS&K, kapitel 3.3.2) Udover legeringsforskellene er der endvidere enkelte mekaniske og kemiske forskelle mellem lavkulstof og titanstabiliserede stål. Ti-stål er generelt mekanisk stærkere end lavkulstofstål, især ved Lavkulstof / titanstabiliseret stål 6

8 høje temperaturer, hvor krybning kan være et problem. Dette ses bl.a. af standardernes minimumværdier for flydespændingen (yield stress, Rp 0.2 ; Tabel 2), og her bemærkes mindre forskelle for de forskellige ståltyper. For samtlige ståltyper falder flydespændingen med stigende temperatur, men faldet er kraftigst for lavkulstofstålene 4307 og 4404 samt normalstålene 4301 og 4401, mens de titanstabiliserede stål væsentligt bedre bevarer den mekaniske styrke ved høje temperaturer. Det skal dog siges, at tabellens data er standardernes minimum for udglødet stål, og det er mere reglen end undtagelsen at finde både varmt- og koldvalsede produkter med flydespændinger på omkring 300 N/mm 2. Er styrken et kardinalpunkt, står alle data på certifikatet. Bivirkninger ved titanstabiliserede stål (RS&K, kapitel 4.1) Brugen af titanstabiliseret stål er dog ikke uden ulemper. I første omgang vil forekomsten af selv små mængder titan sammen med formier (90 % N 2, 10 % H 2 ) som baggas kunne give gullige svejsninger pga. dannelsen af titannitrider. Disse gule farvninger betyder sjældent noget for korrosionsbestandigheden, men kan alligevel genere, fx fordi det bliver sværere at evaluere de yderst skadelige anløbningsfarver. Bruges argon som baggas i stedet for formier, har man ikke problemet. Gulfarvet svejsning som følge af kombinationen titanstabiliseret stål (4571) og Formiergas (RS&K, kapitel 4.1). Et andet minus ved Ti-stålene er, at de er nærmest umulige at polere. De dannede titankarbider er ekstremt hårde, og ved slibning vil de lave millioner af mikroridser, der sætter en vis grænse for, hvor fint man kan polere overfladen. Netop titankarbiderne er også grunden til, at Ti-stål (sammenlignet med standardtyperne) medfører et markant højere værktøjsslid ved spåntagende bearbejdning. Oveni er Ti-stål meget svære (dvs. umulige) at elektropolere, så er en fin overfladefinish et ultimativt krav, slipper man ikke udenom at anvende lavkulstofstål ()RS&K, kapitel 11 og 12). Lavkulstof / titanstabiliseret stål 7

9 Sammenfatning Ved lave temperaturer og vandige medier, hvor korrosion er problemet, er lavkulstofstål det sikreste valg, dels pga. tilgængelighed, men også pga. Ti-stålenes uheldige bivirkninger. Ved meget høje temperaturer, hvor bevarelse af den mekaniske styrke er hovedproblemet, kan man med fordel anvende titanstabiliseret stål, men der ikke er nogen fornuftige grunde til at insistere på et gammeldags højkulstofstål (4301 eller 4401), uanset temperatur og styrkekrav. Alle kapitelhenvisninger er til bogen Rustfrit Stål og Korrosion (Claus Qvist Jessen, Damstahl, april 2011). Bogen bestilles lettest via. Lavkulstof / titanstabiliseret stål 8