VVS-branchens efteruddannelse Rustfaste ståltyper

Transkript

1 VVS-branchens efteruddannelse Rustfaste ståltyper

2 Rustfaste ståltyper Rustfast stål Rustfrit, ( rustfast ) stål under denne benævnelse går en hel stribe af højtlegerede stål med en betydeligt større korrosionsbestandighed end de fleste andre ståltyper, disse stål anvendes fortrinsvis i den kemiske-, petrokemiske-, levnedsmiddelindustrien, og den medicinskeindustri Du vil på kurset få gennemgået de sidste nye og for faget relevante kvaliteter indenfor rustfaste stål samt behandlingen både ved manuelbearbejdning, maskinelbearbejdning, bukning og svejsning af disse tabeller over stålene vil ikke findes i kompendiet da der ofte kommer nye legeringer og derfor vil oversigten over relevante stål løbende blive udskiftet. Introduktion En optimal anvendelse af de økonomiske ressourcer ved konstruktion, fremstilling og anvendelse af rustfrit stål kræver nøje kendskab til materialernes egenskaber, såvel under fremstillingsprocesserne som ved anvendelse af det færdige produkt. Rustfrit stål kan grupperes i flere familier, og hver af disse har nogle selvstændige karakteristika, som kræver øget bevågenhed sammenlignet med anvendelse af konventionelt kulstofstål. En yderligere detaljering af de forskellige egenskabsvariationer er medvirkende til at gøre overskueligheden vanskelig, men det ændrer ikke på det faktum, at det er nødvendigt at have indsigt i de påvirkninger, man forårsager på det rustfrie materiale allerede ved de indledende fremstillingsprocesser. Rustfrie ståltyper Rustfrit stål vælges typisk fordi, der er et større eller mindre behov for, at stålet har en vis korrosionsbestandighed. Såfremt man kan forudsige det miljø, produktet forventes anvendt i, vil der ofte være en god mulighed for, at få succes med sit produkt. Generelt kan de rustfrie stål grupperes i fire hovedgrupper: Austenitisk rustfast stål, der generel er korrosionsbestandigt i større eller mindre udstrækning, afhængigt af hvad man udsætter det for. Ferritisk rustfast stål også kaldet 'bestikstål' anvendes, hvor kravet til korrosionsbestandigheden er minimal eller det miljø, som det tænkes anvendt i, er mindre aggressivt Martensistisk rustfast stål anvendes, hvor der er behov for at hærde stålet til en større mekanisk styrke og/eller højere slidstyrke Duplex-stål kombinerer egenskaberne hos ferritisk og austenitisk stål 1

3 Materialegrupper og deres karakteristika Rustfast stål er højtlegerede og indeholder altid krom. Derudover forekommer som regel andre legeringselementer såsom nikkel, molybdæn m.v. Disse elementer tilsættes for at påvirke og regulere stålets egenskaber. Det kan være mekaniske egenskaber, korrosionsbestandighed, svejsbarhed m.m. Rustfrit stål er for de fleste kvaliteters vedkommende meget velegnet til koldformning, som f.eks. dybtrækning, strækpresning, bukning, opkravning m.v. De mekaniske egenskaber for et rustfrit stål er i høj grad afhængige af stållegeringens krystalstruktur og kan bl.a. karakteriseres ved: Ferritisk stål Er et kromstål, der typisk indeholder % krom og har lavt kulstofindhold. Det har egenskaber, som minder om almindelige, ulegerede kulstofstål. De ferritiske stål er imidlertid noget hårdere og sprødere. Ved højere kromindhold har de ferritiske stål en meget god bestandighed mod varme og korrosion. For at opnå en finkornet struktur skal disse stål valses ved en temperatur under 800 C og afkøles. En opvarmning til over 1000 C bevirker grovkornethed, skørhed og udskillelse af karbider. Ferritisk stål er billigere end austeritisk og mere bestandig end dette over for klorholdige opløsninger. Ved koldformning opfører de ferritiske stål sig i højere grad ligesom de bløde kulstofstål, dog har de en væsentlig højere styrke. Udsættes materialet for trækspændinger, har det imidlertid dårligere formbarhedsegenskaber end austenitisk stål. Austenitisk stål De austenitiske stål er de kommercielt vigtigste. De væsentligste legeringselementer er krom (12-25 %) og nikkel (8-25 %). Jo højere kromindhold, stålet har, desto højere må nikkelindholdet være, for at stålet kan forblive austenitisk. Ud over at have betydning for stålets struktur, giver nikkel også en væsentlig forøgelse af korrosionsbestandigheden. Dette medfører, at stålet kan anvendes i forbindelse med mange kemikalier, hvor de ferritiske kromstål ikke har tilstrækkelig bestandighed. Tilbøjeligheden til kornvækst er meget mindre ved disse stål end ved de ferritiske stål. Stålene har en lav flydegrænse, medens trækstyrke og brudforlængelsen er høj. Desuden er disse stål umagnetiske og kan ikke hærdes. Styrken kan kun øges gennem en kolddeformationshærdning. De austenitiske stål er kendetegnet ved, at de deformationshærder meget kraftigt. 2

4 Austenitiske stål med molybdæn ( syrefast rustfast stål ) Ved at tilsætte en varierende mængde molybdæn til de austenitiske krom-nikkel stål får man en gruppe stål med forøget korrosionsbestandighed, særlig mod visse organiske syrer og blandede opløsninger af svovlsyre. Disse stål bliver også mere bestandige over for grubetæring i kloridholdige opløsninger. For at stålet kan vedblive med at være austenitisk, må nikkelindholdet forøges ved forøget molybdænindhold. Ofte benævnes ståltyper, der er tillegeret molybdæn, som 'syrefast stål'. Denne betegnelse stammer fra celluloseindustrien, hvor disse typer er modstandsdygtige mod de forekommende syrer. Molybdæn har omtrent samme effekt på korrosionsbestandigheden som krom, undtagen i salpetersyre, hvor molybdæn ikke bevirker nogen forøgelse af korrosionsbestandigheden. Begrebet 'syrefast' er ligesom 'rustfri' ikke en dækkende betegnelse. Austenitisk-ferritiske stål (duplex-stål) Disse stål har højt indhold af krom normalt ca. 25 % krom, samt et lavere indhold af nikkel end de austenitiske normalt 4-6 % nikkel. Derfor har de en blandingsstruktur af austenit og ferrit. Derved kombineres på mange måder de gode egenskaber hos de to ståltyper. Kornvækst ved højere temperaturer indtræder ikke som hos rent ferritisk stål. Dette betyder bl.a., at en svejsning i duplex-stål bliver væsentligt sejere end i rustfaste ferritiske stål. Formgivningsmæssigt fungerer disse stål generelt tilsvarende eller lidt ringere end ferritisk stål. Duplex-stålene er desuden ikke udsat for interkrystallinsk korrosion. Ved at legere med molybdæn forøger man korrosionsbestandigheden endnu mere, og den bliver i visse tilfælde bedre end de austenitiske molybdænstål. Bestandigheden mod spændingskorrosion er for disse stål enestående god, hvilket betyder, at stålene ofte anvendes i klorholdige miljøer. Mange virksomheder har dog været tilbageholdende med brug af duplex stål der til trods for at disse stål ofte vil være prismæssigt en fordel og til trods for de fine egenskaber på grund af problemer med svejsning, disse problemer der primært bestod i at skabe balance mellem ferrit og austenitindholdet er løst.stålleverandørens foreskrifter skal dog nøje følges. Martensitiske stål Martensitiske stål er martensithærdelige og lufthædende hvilket betyder at stålene ikke kan svejses uden forvarmning og efterfølgende anløbning. Stålene hører derfor til under maskinstål. Special stål Ved særlige formgivnings opgaver eller spåntagende bearbejdning af rustfast stål vil det ofte være en fordel rent økonomisk at anvende et stål der legereringsmæssigt er afpasset til den specifikke opgave. 3

5 De vigtigste legeringselementer og deres betydning krom Cr % CR forhøjer brudgrænset med ca 80 N/mm 2 pr % Cr Cr forøger hårdheden Stål med mere end 12% Cr gør stålet korrosionsfast idet Cr ved iltning danner et tæt oxydlag Cr kan gøre at stålene bliver ferritiske ved alle temperaturer Nikkel Ni 0 25 % Ni forøger brudgrænsen med ca. N/ mm 2 pr. % Ni giver stålet større sejhed og gør det stærkere og sænker den kritiske afkølingshastighed Ved legering med mere end 25% Ni dannes austenitiske stål som er umagnetiske og selvfølgelig korrosionsbestandigt Legeres desuden med Cr opnår man den ønskede austenitiske tilstand ved et indhold af 8% Ni og 18 % Cr ( det kendte 18/ 8 stål ) Molybdæn MO 1 4,5 % Mo forøger stålets styrke og sejhed og varmfasthed Mo er en stærk karbiddanner og anvendes varmarbejdsstål idet det øger anløbsbestandigheden. Mo i stålet giver en forøget modstandsevne overfor forskellige syrer såsom svovlsyre, fosforsyre, og forskellige varme organiske syrer Mo beskytter også mod grubetæring ( pitting ) især ved klorholdige opløsninger. Niob Nb Nb er et stærkt karbiddannende legeringselement og forhindrer i austinitiske Cr Ni uønsket udskillelse af andre grundstoffers karbider Titanium Ti 0,5 % Bruges i enkelte rustfrie stål hvor det kan binde kulstoffet til titankarbid, ligeledes binder Ti det i stål uønskede nitrogen til titanitrid 4

6 Materialetekniske begreber Korn Område med sammenhængende atomgitter, kornstrukturen i metaller fremkommer ved at størkning Begynder samtidig mange steder i smelten. De enkelte korn himdres i at voksesammen i korngrænserne da deres orienteret i forskellige retninger Kornvækst Ved høj temperatur vil atomer fra de små korn diffundere til de store korn, dette medføre en grovkornet struktur og reduktion af sejheden. Karbid Kemisk forbindelse mellem kulstof ( C ) og andet metal atom f.eks. jernkarbid Fe 3 C og kromkarbid Cr 23 C 6. Crom og nikkelekvivalens materialestrukturen bestemmes udfra en Crom og nikkelekvivalens (beregningsmetode/ formel ) Schaeffler Diagram Diagram som viser hvilke strukturer man får ved blanding af de forskellige typer rustfri stål anvendes ofte til valg af materialestruktur, men nok hovedsaligt til valg tilsatsmateriale. 5

7 Almindeligt anvendte standarder for rustfri stål i Danmark. Der findes desværre et hav af nationale standarder og klassificeringssystemer indenfor det rustfri område og det kan derfor sagtens forekomme at købere af rustfrit stål først skal til at have oversat et standardsystem til et andet og da de forskellige standardsystemer er bygget op i lande med forskellige fremstillingsmetoder og traditioner efter er det ofte en dyr og besværlig affære. I Danmark anvendes dog hovedsaligt disse fem standardsystemer. AISI amerikansk standard system, og nok det i det daglige det mest referere af alle standard systemer, ( vi kender alle betegnelsen 18 / 8 stål ). AISI systemet er dog langt fra logisk opbygget, og der er ikke megen systematik i navngivningen af de forskellige legeringer. DIN /EN tysk system er det mest omfattende system idet alle legeringer tildeles et werkstofnummer ( W. Nr. ) efter meget systematiske principper,der er således i modsætning til de engelske og amerikanske systemer stor systematik i Din systemet UNS et system der er resultatet af et samarbejde mellem engelske SAE og amerikanske ASTM, systemet er dog ikke imponerende systematisk, da systemet bygger meget på AISI SS svensk standard system, tidligere SIS er det mindst omfattende af de almindeligt anvendte standarder, men et enkelt og nemt system. SS er dog stille og roligt ved at glide ud til fordel for DIN /EN men anvendes dog stadig en del i de skandinaviske lande. 6

8 Overfladebehandling af rustfaste stål Rustfrit stål kan have mange forskellige overfladeegenskaber, der blandt andet afhænger af overfladebehandlingen. Afhængig af den ønskede overflades holdbarhed,beskaffenhed, og udseende kan man ved hjælp af forskellige processer fremstille en ønsket overflade Baggrunden er de mange muligheder for overfladebehandling af rustfrit stål til fødevareindustriens udstyr og procesanlæg. Disse processer giver overfladen hver deres egenskaber og finish. Det har stor betydning for såvel hurtig og effektiv rengøring af udstyret som overfladernes korrosionsbestandighed. Samtidig er overfladebehandling af stål forholdsvis dyrt. Derfor kan der alt i alt være mange penge at spare ved at vælge den optimale overfladebehandling. I dag mangler den nødvendige viden for dette valg. Hygiejnisk design tager derfor hovedsaligt udgangspunkt i udformningen af udstyret, men der er ingen tvivl om, at mikroskopiske overfladeegenskaber også har stor betydning for biofilm og reder af uønskede mikroorganismer i udstyret. Fortynder blev i mange år anvendt til en fuldstændig afrensning, men kræver særlige miljø og sikkerhedsmæssige foranstaltninger og man kan i stedet anvende sprit Sprit til fjernelse af urenheder og for at skabe en ideel overflade for passiviceringsprocessen Svampe Svampe som f.eks 3M er udmærkede til afrensning og i kombination med sprit giver det næsten den samme overflade som ved original leveringstilstand, der skal dog passes godt på med slibe og poleremidler der kan danne ridser da disse vanskeligt lader sig væk polere. Polering På bløde stofskiver ved hjælp af voks giver en meget blank overflade,er overfladen afvasket i sprit giver det en meget holdbar overflade, der skal dog løftes en forsigtig pegefinger ved alt overfladearbejde som slibning og polering af rustfaste materialer da friktionsvarmen ikke må overstige ca C idet materialet ellers kan miste sine forventede egenskaber og f.eks. Blive magnetiske. Bejdsning Foretages ved hjælp af enten væske eller pasta hensigten med bejdsning er at fjerne uønskede urenheder, evt. korroderende skader efter svejsning. Rør kan skylles indvendig i bade med væske. 7

9 Glasblæsning ( Peeling ) Er en afrensning ved hjælp af små glaskugler ( i stedet for sandblæsning ) da disse ikke tilfører uønskede eller utilsigtede skadevirkninger OPSKRIFTEN PÅ SLIDSTÆRKT, RUSTFRIT STÅL Dansk forskning står bag ny måde at overfladebehandle rustfast stål på, en behandling der gør rustfast tål 100 gange stærkere. Det betyder muligheder for helt nye anvendelser af rustfrit stål. Årsagen til, at rustfrit stål ikke ruster, er et ganske tyndt lag (2-3 nanometer) cromoxid, som dannes på overfladen under produktionen. Overfladen isolerer selve stålet fra vanddamp i luften og forhindrer dermed reaktioner mellem vandmolekyler og ioner i metallet, også kaldet korrosion. Desværre betyder den tynde overflade af kromoxid også, at man ikke umiddelbart kan få forskellige stoffer, som kan gøre stålet stærkere, ind i stålet. Hemmeligheden bag den nye overfladebehandling af rustfrit stål udviklet på Danmarks Tekniske Universitet er, at man kortvarigt skræller kromoxidlaget af ved at sætte spænding hen over overfladen. Det sker i et bad, der blandt andet indeholder ioner af nikkel. Derpå vender man strømmen, hvilket fører til udfældning af nikkel, som derpå fungerer som katalysatormateriale på overfladen. I tredje trin leder man en gas, bestående af ammoniak eller kultilte, til overfladen ved forøget temperatur. Ammoniakken og kulilten spalter på katalysatoroverfladen, hvorefter kvælstof (fra ammoniakken) og kulstof (fra kulilten) optages i stålet og gør det stærkere. Til sidst fjernes overskydende nikkel fra overfladen, hvorefter laget af kromoxid dannes igen. Det sker af sig selv ved reaktion mellem krom i overfladen og ilt fra luften. På den måde får stålet sine rustfri egenskaber tilbage. Mulige brancher med interesse i mere slidstærke typer af rustfrit stål kunne være fødevare- og medicinalindustrien. Desuden kunne man tænke på at overfladebehandle typer af specialstål, Men i modsætning til for eksempel elektronikbranchen, hvor tre år gamle produkter allerede betragtes som forældede, er den rustfastestålbranche utroligt konservativ. Løsninger, der blev patenteret for 80 år siden, lever fortsat i bedste velgående. Og produkter, der blev lanceret for 20 år siden, bliver stadig omtalt som nye i branchen. 8

10 Tilsatsmaterialer eller valg af disse et af de steder hvor der ofte ses et forkert materialevalg er ved valg af tilsatsmaterialer til svejsning af rustfaste stål og oftest p.g.a. misforstået kvalitet fordi man ikke vil have så mange forskellige svejsetråde på lager og derfor blot vælger at have en syrefast tråd og bruge denne til alt arbejde, dette er dog langt fra altid det bedste valg da nogle rengøringsmiljøer ikke kan lide molybdæn og derfor korroderer hurtigere end hvis man havde valgt en almindelig rustfast tråd ( AISI 304 ) det kan dog også skyldes manglende viden om det miljø hvor materialerne skal anvendes eller manglende viden om materialernes egenskaber, generelt ønskes jo en korrosionsbestandighed svarende til grundmaterialet. Der er flere faktorer der påvirker valget af tilsatsmateriale. I austenitiske stål til generelle anvendelser sammensættes tilsatsmaterialet efter at få en hel- eller delvis ferritisk størkning, som en følge heraf er der ca 3 10 % deltaferrit i det afkølede svejsemetal herved minimeres risikoen for revnedannelser under svejsningen. I martensitiske stål skal tilsætningsmaterialet være være mindre hærdbart og mere duktilt for at mindske risikoen for revner i svejsesømmen. Ved rustfaste duplex stål sammensættes tilsatsmaterialet sådan at en gunstig balance mellem ferrit og austenit opnås og udskillelse af sekundære faser skal minimeres ( kræver yderligere austenitstabilisering med Ni og N Tilsatsmaterialer kan vælges ved hjælp af et scaeffler diagram eller i f.eks Force institutet 9

11 Korrosion Grubetæring ( Pitting ) Bliver oxidhinden på et højtlegeret stål ødelagt bliver den normalt gendannet omgående, ødelægges oxidhinden derimod på en sådan måde at den ikke gendannes f.eks. ved overskæring med vinkelsliber, værktøj, gafler på truck, eller stålbørster der har været anvendt til sort stål, har vi et lille hul hvor der kan lægge sig støv, skidt, fugt m.m sker dette kan oxidhinden ikke gendannes. Er en grubetæring først begyndt stopper den ikke af sig selv igen, medmindre der foretages en slibning, eller bejdsning. Efter slibe og eller bejdse behandling kan oxydhinden gendannes ved hjælp af saltpetersyre Spaltekorrosion ( mekaniske spændinger ) Så vidt det overhovedet er muligt skal overlabsømme undgås på rustfaste emner Spændingskorrosion Spændingskorrosion er den mest lokale,og giver selv ved korrosion af en lille del af materialet sig udslag i revnedannelser, gennemtæringer og brud. Interkrystallinsk korrosion Stålet indeholder kulstofatomer ved opvarmning går disse ud i korngrænserne og blander sig med Cromcarbider, hvorfor der opstår et underskud af Crom i korngrænserne, hvilket igen betyder at stålet ikke længere er rustfast. Interkrystallinsk korrosion kan dog hindres ved at legere med Titan eller Niob,man kan også anvende et stål med 0,06% C eller mindre så får man aldrig eller kun meget sjældent problemer med interkrystallinsk korrosion ved svejsning. 10

12 Handling af rustfri stål ( fysiske faktorer ) Som tidligere omtalt er grunden til rustfast ståls korrosionsbestandighed det tætte oxidlag på overfladen. Den mest almindelige grund til brud i oxidlaget (passivlaget) af rustfri stål er afsmitningen fra almindeligt sort stål, det forekommer oftest på grund af manglende omhyggelighed ved transport af materialet eller på grund af ukendskab til behandlingen af rustfri stål for det meste er stålet dog godt emballeret fra stålværk til grossist, og fra grossist til fabrikant, Der hvor skaderne sker er desværre hos fabrikanten her ses der tit manglende omhyggelighed og forkert opbevaring af stålet. men også den enkelte kan ved manglende materialekendskab og manglende omhu være årsag til afsmitningen, man er måske ikke påpasselige med brug af vinkelsliber, eller man tænker ikke over at meget af det værktøj såsom løftevognen, rullebordet eller lignende hvormed man kører pladerne fra lager til produktion ofte er fremstillet af sort stål og derfor bør være dækket af for direkte berøring,det kan også være noget så banalt som stålbørsten er den af den rusfaste slags? eller ridsespidsen man bruger i det daglige den er jo typisk fremstillet af sort stål her bør man anvende tusch penne til opmærke for har man først ridset i pladen med en sort ridsespids er skaden sket 11

13 Opgaver Hvor meget Cr og Ni er der henholdsvis det mest almindelige rustfaste austenitiske stål og et almindeligt ferritisk rustfast stål Et ferritisk rustfast stål er blevet grovkornet i HAZ hvordan kan det gøres mere finkornet.? 12