Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus R 1. Materialekendska b. Rustfrit stål, nikkel & titan

Transkript

1 Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus R 1 Materialekendska b Rustfrit stål, nikkel & titan Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannels e i et samarbejde melle m Danmarks Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne, Forskningscenter Risø m.fl. 1991

2 Materialekendska b Rustfrit stål, nikkel og tita n 1. udgave, 2. oplag, 1997 Undervisningsministeriet - lov 27 1 Grafisk design : Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI/Grafi k Sats: Repro-Sats Nord, Skage n Tryk : R. RØdgaards Bogtry k Dansk Teknologisk Institu t DTI Industri's Forla g ISBN Kopiering i uddrag tilladt med kildeangivelse

3 Materialekendskab - rustfrit stål, nikkel & titan Forord 9 1 De rustfri ståls historie Jern-chrom-kulstof De rustfri stål opdages England : Matensitisk rustfri stål USA : Ferritisk rustfri stål Tyskland : Austenitiske rustfri stål Fra 1918 tilidag Anvendelse af rustfrit stål Korrosionsforhold Korrosionsteori Korrosionsformer for rustfrit stål Formgivning Varm plastisk formgivning Kold plastisk formgivning Spåntagende bearbejdning Overfladebehandling af rustfrit stål Bejdsning Passivering Elektropolering Slibning, børstning, polering Glasblæsning (shot-peening) Samlingsmetoder Svejsning af rustfrit stål Lodning af rustfrit stål 31 3 Fremstilling af rustfrit stål Smeltning af rustfrit stål Varmvalsning 3 3

4 3.2.1 Stangsstål Profiler Sømløse rør Svejste rør Plade og bånd Tråd Alternative fremstillingsmetoder Støbning Smedning 40 4 Rustfri ståls metallurgi Legerings- og strukturopbygning Karakteristiske egenskaber Ferritisk stål Martensitisk stål Austenitisk stål Ferritisk-austenitisk stål Styrkeøgning ved deformationshærdning Styrkeøgning ved kornforfining Styrkeøgning ved hærdning og anløbning Styrkeøgning ved udskillelseshærdning Varmebehandling af rustfrit stål Austenitisk stål Ferritisk stål Ferrit-austenitisk stål Fysiske og mekaniske egenskaber Mekaniske egenskaber Slagpåvirkninger Udmattelsespåvirkninger Krybning De rustfaste ståls mekaniske egenskaber 70 5 :2 Fysiske egenskaber Varmeegenskaber Elektriske egenskaber Præsentation af data - hvor findes de 74

5 6 Legeringstyper Legeringselementer Klassificeringer og benævnelser 7 8 Generelt 7 8 Klassifikation efter SAE-AISI 8 0 Klassifikation efter UNS 8 8 Klassifikation efter DIN (Werkstoffnummer) 9 0 Klassifikation efter SS (Svensk Standard) 9 3 Sammenligning af forskellige legeringsbetegnelser 9 7 Benævnelser af støbte legeringer 9 9 Prøvning 10 3 Faktorer der påvirker et prøvningsresultat 10 4 Prøvningsforskrifter 10 5 Mekaniske prøvningsmetoder 106 Ikke destruktive prøvningsmetoder 11 0 Metallografiske provningsmetoder 11 0 Kemiske analyser 11 3 Prøvning i praksis eksempler 11 3 Certifikater 11 7 Fordele og ulemper ved anvendelse 123 Generelle områder for anvendelse 123 Rustfrie ståls fordele 123 Korrosionsmæssige 124 Mekaniske 12 6 Andet Rustfrie stals begrænsninger 12 6 Korrosionsmæssige 12 6 Mekaniske 12 8 Forarbejdningsmæssige 129

6 10 Leveringsformer Plader Bånd Profiler og stangstål Ror Emnerør Sømløse rør Svejste rør Tråd Blanktrukken tråd Fjedertråd Valsetråd Prisforhold Legeringselementer Øvrige fremstillingsomkostninger Priser på rustfrit stål Prisvariation med legeringsindhold Prisrelation med produktform Pris kontra egenskaber Nikkel og nikkellegeringer 140 Hvad er nikkellegeringer? Anvendelse Korrosionsforhold Forarbejdning og håndtering Forekomst og fremstilling Metallurgi Legeringselementernes betydning Varmebehandling Fysiske og mekaniske egenskaber Fysiske egenskaber Mekaniske egenskaber Legeringstyper Standarder Fortrin og begrænsninger 156

7 Leveringsformer 157 Prisforhold 158 Titan og titanlegeringer 159 Hvad er titan? 15 9 Titans historiske udvikling 15 9 Anvendelse af titan 15 9 Korrosionsbestandighed Forarbejdning af titan Svejsning af titan Fremstilling af titan Extraktion af titandioxid Omdannelse af titantetrachlorid Isolering af titan Titans matallurgi Hvorfor legere titan? a-stabilisatorer stabilisatorer Neutrale elementer De 3 legeringsklasser Fysiske og mekaniske egenskaber Fysiske egenskaber Mekaniske egenskaber Legeringstyper a-legeringer a/ß-legeringer legeringer Standarder Fordele og begrænsninger Titans fordele Titans begrænsninger Leveringsformer Prisforhold 17 4 Stikord 176

8

9 Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget syste m af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til a t arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer ove r plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materiale - type vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning o g konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontrol m.m.m. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessyste m er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighe d for at sammensætte et kursusforløb som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybde n med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sin e kvalifikationer til flere materialetyper f.eks. inden for e t emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vores håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos de n enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslags - bog og kilde til supplerende viden, er den forsynet me d mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekste r og index, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være for - synet med en tyk sort streg langs margin som indikation af, at det pågældende afsnit specielt henvender sig til læsere med ingeniørmæssig baggrund el.lign.. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget af en arbejdesmappe inde - holdende supplerende materialer, øvelsesvejledninger, op - gaver m.v. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmark s Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologis k Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RIS Ø samt en række danske virksomheder. I denne forbindelse 9

10 skal der lyde en tak til de mange rundt omkring i virksomhederne, der har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ved deltagelse i følgegrupper m.v. (ingen nævnt - ingen glemt!). Udviklingsarbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov Lov om Efteruddannelse) og her - under har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt d e tilknyttede referee's ligeledes ydet en god indsats med hen - blik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materia - lets indhold. Taastrup, september På konsortiets vegne - Lorens P. Sibbese n (projektadministrator) 10

11 Forord til R1 Nærværende lærebog er grundlaget for undervisningsmodulet Rl : Materialekendskab - Rustfrit stål, nikkel og titan. Sammen med supplerende materiale udgør bogen det kursusmateriale, der anvendes i modulet R1. RI-modulet er en introduktion til rustfrit stål nikkel og titan. I overensstemmelse hermed gennemgår bogen den grund - læggende metallære, som danner basis for kendskab ti l rustfrit stål, nikkel og titan som konstruktionsmaterialer. Lærebogen er udarbejdet af Ebbe Rislund, Poul Erik Arnvig, Curt Christensen, Finn Yding, FORCE Institutterne, Finn T Petersen, Sandviken, Kirsten Arndal Rotvel og Asger Sturlason, Dansk Teknologisk Institut. Brøndby, oktober Per B. Ludwigsen Civilingeniør Ebbe Rislun d Akademiingeniør 11

12

13 De rustfri ståls historie 1 Da de rustfri stål blev opdaget i begyndelsen af vort århund - rede, skete det i en kaskade af næsten samtidige undersøgelser i Frankrig, England, Tyskland og USA. Nøjagtig hve m der opdagede de rustfri stål, og hvornår det skete, kan ma n derfor ikke sige. Men historien om de rustfri stål begynde r hundrede år tidligere, og kun uheld og manglende vide n gjorde at opdagelsen ikke skete allerede i 1800-tallet. Jern chrom kulstof Chrom blev første gang fremstillet sidst i 1700-tallet, på e t tidspunkt da den industrielle anvendelse af jern var ved a t tage fart. I 1821 fremstillede Berthier i Frankrig de først e jern-chromlegeringer med 17-60% chrom og meget højt kulstofindhold. Det var hårde, skøre legeringer, som ikke kun - ne bruges til noget, men Berthier bemærkede, at de var me - re bestandige over for syrer end jern. Der blev også fremstillet nogle stål med 1-3% chrom, tilsyneladende med god e mekaniske egenskaber, men rustfri var de jo ikke De første jern-chromlegeringe r Nu ved vi, at rustfrit stål skal indeholde mindst 12% chrom, og at kulstofindholdet skal være lavt. Vi kender også korrosionsmekanismerne, og ved at rustfrit stål ikke er»rustfrit«i alle omgivelser. Men så længe disse forhold var ukendte, kunne man gå fejl af opdagelsen af de rustfri stål den en e gang efter den anden. For eksempel observerede Mallet i 1838, at tillegering a f chrom øgede jerns korrosionsbestandighed - hvorefter ha n konkluderede, at chrom efterhånden ville lække ud af jerne t og efterlade det mere angribeligt end før! Her er tydeligt no k tænkt på, at chrom skulle yde katodisk beskyttelse af jernet, jvf. zinkanoder på et skibsskrog, en mekanisme som var ble - vet erkendt i Der blev senere i 1800-tallet fremstillet en del jern-chromlegeringer, men en gennemgående fejl var et for højt kulstof - indhold. I 1883 publiceredes korrosionsforsøg med sådann e legeringer, som kunne have peget den rigtige vej. Desværre blev der valgt saltvand som prøvevæske, og det er lige netop Forkerte forsøgsbetingelse r vanskeliggjorde udvikin g 13

14 en af de ting rustfrit stål ikke bryder sig om, fordi chloridio - nerne ødelægger passiviteten. Og i 1892 blev en række stål med op til 16% chrom og stadig for meget kulstof afprøvet i 50% svovlsyre, også en påvirkning som rustfrit stål ikke ka n klare. Men i de sidste år af det 19. århundrede lærte man at fremstille kulstoffrit chrom, og man opdagede endelig kulstoffet s skadelige effekt på jern-chromlegeringerne. Dermed var vejen banet. 1.2 De rustfri stål opdages, I årene kom den række af undersøgelser, som før - te til den endelige opdagelse af rustfrit stål. Det er svært at se hvor meget undersøgelserne har influeret på hinanden, og man skal huske, at Europa dengang var en heksekedel a f kriser, nationalisme og optræk til krig, forhold som må have vanskeliggjort erfaringsudveksling over grænserne. Alligevel må forskerne have kendt til hinandens arbejde, ellers kunn e sagsforløbet næppe have været så internationalt præget. I Frankrig fremstillede først Leon Guillet jernchromlegeringer, som faktisk var hærdbare rustfri stål, o g senere jern-chrom-nikkellegeringer, som lå tæt op ad de senere så udbredte»18-8«stål. Men selv om Guillet's arbejde var stort og systematisk, især på metallurgisiden, erkendte han ikke de korrosionsegenskaber som legeringerne besad. En anden franskmand, Portevin, arbejdede ligeledes med korrekt legeret rustfrit stål, uden at opdage det. Monnartz opdager de rustfrie stål Det blev Monnartz i Tyskland, der i årene gjorde det banebrydende arbejde, og om nogen må han stå som opdageren af de rustfri stål. Han patenterede en rustfri legering i 1910, og i 1911 beskrev han en lang række forhold af afgørende betydning for rustfri chromstål : chromindholdets betydning, med 12% som minimum fo r»rustfrihed «passiveringen og den dermed forbundne potentialstignin g passiveringens afhængighed af oxiderende (iltende) omgivelser, og muligheden for passiverende forbehandling i f.eks. salpetersyre korrosionsforhold i svovlsyre kulstoffets skadelige virknin g 14

15 muligheden for at uskadeliggøre kulstoffet ved hjælp af titan m.m. (stabilisering ) molybdæns gunstige indflydels e Alligevel er det ikke altid Monnartz der tilskrives æren, for det blev andre der kom til at stå for udviklingen til industrielt brug i de næste år. De tre hovedtyper af rustfrit stål udvikledes i hvert sit land, et forhold der uden tvivl var påvirket af 1. verdenskrigs udbrud i England : Martensitiske rustfri stål Harry Brearley regnes af mange for den der indledte den industrielle anvendelse af rustfrit stål. Han havde en solid bag - grund indenfor stålfremstilling og metallurgi, da han i begyndte at eksperimentere med chromlegeret stål. Formåle t var at forbedre slidbestandigheden af geværløb, og i 1913 ble v tolv prøver af geværløb fremstillet af et stål med 13% chrom o g 0,24% kulstof. De svarede ikke helt til forventningerne, me n der blev også fremstillet nogle knive af materialet. Hel t uventet viste de sig at være rustfri, et forhold som Brearle y kom ind på da han bemærkede, at de sædvanlige ætsevædske r til metallurgiske præparationer ikke virkede på materialet Hærdbare chromstå l Nu var man dengang vant til at knive rustede og til stadig - hed skulle pudses, og Brearley's ide med rustfri knive blev i første omgang afvist som»unaturlig«! Men da man i løbet a f et par år havde lært at varmebehandle stålet korrekt, og ind - set betydningen af polering, bredte anvendelsen af knive a f rustfrit stål sig hurtigt. Brearley fik ikke patenteret ståltypen i England, men udtog patent i USA i USA : Ferritiske rustfri stål Omtrent samtidig med Brearley i England arbejdede Dantsizen i USA med lignende legeringer, men med lavere kulstofindhold. Herved fik man et rustfrit stål, der ikke kunne hær - des, men som til gengæld var lettere at forarbejde. Det blev i 1914 anvendt til turbineblade. Becket gik en anden vej : Ve d at hæve chromindholdet til 25-27% neutraliserede han kulstoffets indflydelse. Gennem disse arbejder fik man i USA lidt mere tradition for at anvende ferritiske stål end andr e steder. Selv om de ferritiske stål er nemmere at forarbejd e end de martensitiske, kan de ikke måle sig med de austenitiske, specielt hvad angår svejsbarhed Chromstål med forbedret bearbejdelighe d 15

16 1. 5 Tyskland : Austenitiske rustfri stå l Rustfrit stål med chrom Kort efter Monnartz' opdagelse af de rustfri chromstål beog nikkel gyndte E. Maurer hos Krupp's stålværk at arbejde med jernchrom-nikkellegeringer. I et patent fra 1912, og i en artike l fra 1914 af Strauss, beskrives austenitiske stål, der temmelig nøje svarer til vore dages 18/8 stål. Strauss' navn er bevaret i prøvningen for interkrystallinsk korrosion,»strauss-test«, og han er ofte blevet regnet for ophavsmanden til de rustfri stål, hvilket altså ikke er helt korrekt. I Tyskland blev de austenitiske rustfri stål hurtigt udbred t inden for den kemiske industri. Der var f.eks. i 1918 fremstillet 600 rustfri pumper til salpetersyre Nye legeringer Fra 1918 til i dag Ved første verdenskrigs afslutning var således de tre hoved - typer af rustfrit stål udviklet, og anvendelsen bredte sig hurtigt. Et patent i 1919 til fremstilling af dele til indoperering blev starten på anvendelse inden for medicinen. I Tysklan d blev rustfri ølfad nr fremstillet i 192Z og i 1931 blev 205 tons rustfri plade brugt på Empire State Building, hvor de sidder endnu. Anvendelsen af rustfrit stål er steget støt, og udbudet af legeringstyper ligeså. Inden for de sidste pa r årtier har vi set hvordan rustfrit stål har bredt sig fra sin primære anvendelse, kemisk industri og levnedsmiddelindustri, til alle mulige andre anvendelser, procesudstyr, kølevand, bygningsdele, ja sågar almindelige vand- og afløbsrør. Vi har også set en tiltagende udbredelse af nyere ståltyper, som de austenitisk-ferritiske, der modstår spændingskorrosion og dog er lette at bearbejde og svejse, og de højt molybdænlegerede, der har fremragende egenskaber i saltvand. I dag tror vi vel at vi kender stort set alle anvendelige typer rustfrit stål, men der er stadig legeringselementer, varmebehandlinger og andet at udforske, og der er stadig legeringe r der nu er på eksperimentalstadiet, men som kan udvikle s kommercielt. Så vi har ikke hørt det sidste om rustfrit stå l endnu. Men en ting vil næppe ændre sig : Rustfrit stål vil al - tid kunne korrodere, hvis man bruger forkert legering, elle r bruger den rigtige legering forkert. Et nøje kendskab til lege - ringerne og deres korrekte anvendelse vil derfor altid vær e nødvendigt, hvis resultatet virkelig skal være rustfrit. 16

17 Anvendelse af rustfrit stål. 2 Rustfrit stål anvendes indenfor et utal af områder, hvor der er mulighed for at udnytte de egenskaber materialet byder på. Gennemgående er der tale om applikationer, hvor materialet s gode korrosionsbestandighed udnyttes, og hvor stålet anvendes uden beskyttelse i form af maling, smøring eller andet. Indenfor arkitektur og møbelindustri anvendes rustfrit stå l ofte af dekorative årsager til polerede eller matterede flader, til dørhåndtag og andre beslag, til møbelstativer, eller ti l egentlige bygningselementer. Her udnyttes også materialets bestandighed, hvorved f.eks. vedligeholdelse undgås. Ti l møbler og til bygningsanvendelser indendørs, anvende s stort set kun normalt rustfrit stål og rustfrit automatstål. Ti l bygningsanvendelse udendørs anvendes i visse tilfælde syrefast rustfrit stål, specielt nær havet, og hvor det er væsentligt at sikre vedvarende højglans. Arkitektur og møbelindustri Til beslag til fastholdelse af udvendig isolering, facadeelementer og lignende, anvendes også rustfrit stål i stigend e omfang. Ligeledes er anvendes rustfrit stål til armeringsjer n i svømmebade og lignende vanskelige miljøer. I fødevareindustrien anvendes rustfrit stål af hygiejniske år - sager til procesanlæg, beholdere, røranlæg og andet med direkte kontakt til levnedsmidler. Her udnyttes materialets bestandighed overfor fødevarer og rengøringsmidler, dets glat - te overflade som er nem at holde ren og dets passivitet som sikrer mod afsmitning af giftige tungmetaller eller smags - stoffer. Der findes et betydeligt standardsortiment i svejsed e og finslebne rør, fittings og slebne plader til anvendelse i mejerier, bryggerier og anden fødevareindustri. Indenfor skibsfart og offshore anvendes rustfrit stål i vid ud - strækning. Her er der ofte behov for de højere legerede specialstål pga. det aggressive miljø og store krav til sikkerhed. Rustfrit stål anvendes til utallige anvendelser : Røranlæg, ventiler, tanke, beslag og meget andet. Generelt anvende s syrefast rustfrit stål til aptering på skibe ; medens der til me - re kritiske komponenter anvendes specialudviklede rustfrie stål, såsom 254SMO og SAF2507''. Fødevareindustrie n Skibsfart og offshore 17

18 Overalt hvor der er tale om materialer til skibsfart og offshore, er der meget høje krav til materialernes kvalitetssikring. Certificering og kontrol af materialerne udføres ofte unde r overvågning af uvildig kontrollant, f. eks. fra Bureau Veritas eller lignende. Fig Fremstilling af rørvarmeveksle r til havvand. Kemikalier Til transport og opbevaring af kemikalier, og til kemiske pro - Kemiske procesanlæg cesanlæg anvendes der rustfrie stål af alle typer. Ud over de normale rustfrie stål findes en lang række specialstål, som i sin legeringssammensætning er tilpasset specielle miljøe r indenfor den kemiske procesindustri. Viden om de forskellige ståls egenethed til givne miljøer findes samlet i datablade fra leverandørerne, samt i referenceværker. At finde det stål som er optimalt i et givet miljø, kræver ofte grundige studier og korrosionstest i det aktuelle procesmedium. 18

19 Hospitalsudstyr er et andet vigtigt område for rustfrit stål. Igen er det kravet til rengøringsvenlighed og hygiejne som gør det rustfrie stål til et foretrukket materiale. Instrumenter til kirurgiske indgreb er ofte fremstillet i hærdet kromstål af hensyn til spænstighed og hårdhed. Kromstålet har begrænset korrosionsbestandighed, så ved rengøring og sterilisatio n må der tages særlige hensyn til materialet. Hospitalsudsty r Instrumenter og implante r Implanter fremstilles oftest i syrefast rustfrit stål med specie l analyse og krav om vacuumomsmeltning af hensyn til stå - lets renhed. Implantet er som regel elektropoleret for at opnå den absolut bedste korrosionsbestandighed og hygiejne. Røranlæg til medicinske gasser stiller ekstreme krav til ren - hed, og her anvendes rustfrie rør som er indvendigt elektropolerede. Ved fremstilling af energi anvendes rustfrit stål i stigend e omfang. Ved forbrænding af affald, halm og svovlholdig oli e er røggassen aggressiv, og det er ofte nødvendigt at anvend e rustfrit stål i visse dele af kedlen. Rensning af røggas er et område hvor der skal håndtere s aggressive forbrændingsrester som svovlsyre og saltsyre. Der er tillige tale om høj temperatur og fugtighed som yder - ligere skærper kravene til de materialer som anvendes, s å rustfrie specialstål er ofte anvendt i røgrensningsanlæg. Indenfor atomkraft anvendes rustfrit stål i reaktorindeslutningen, til kølevandsanlæg og til varmevekslere. Der er he r tale om specialstål med særlige krav til sammensætning, fremstillingsproces og egenskaber. Desuden er kravene ti l materialernes kontrol, prøvning og mærkning rigorøse, lige - som producentens kvalitetssikringssystem løbende granske s nøje af officielle kontrolinstanser. Rustfrit stål anvendes også hyppigt til finmekanik. Hvor en konstruktion ikke kan smøres, f.eks. fordi olien vil fasthold e støv eller smitte af, er rustfrit stål et naturligt valg. Til fjedre og andre mekanisk påvirkede detaljer, er der behov for specielle stål med særligt gode mekaniske egenskaber. Her an - vendes fjederstål som ved kolddeformation bibringes særdeles gode mekaniske egenskaber. Til detaljer formede ved dybtrækning findes der velegned e rustfrie stål, som lader sig formgive til komplicerede detaljer. Energ i Rensning af rørgas Atomkraf t Finmekani k Fjederstå l 19

20 Hærdede rustfri kromstål har særdeles gode mekaniske egenskaber og er kulstofstål overlegne med hensyn til slid - styrke og udmattelsesstyrke.kromstålet anvendes til hårdt belastede detaljer, som f. eks. bladventiler i kompressorer Korrosionsforhol d Rustfrit stål anvendes ofte i korrosive miljøer, hvor materia - lets bestandighed er en væsentlig faktor. I dette kapitel gennemgås først korrosionsteori generelt og dernæst de korrosionsformer som er aktuelle for rustfrie stål Korrosionsteor i Metaller vil ofte være tilbøjelige til at reagere med det omgivende miljø, hvilket leder til større eller mindre grad af ned - brydning. Jern ruster, kobber irrer og sølv anløber. Denn e korrosionsproces er afhængig af tilstedeværelsen af et, fo r det aktuelle metals vedkommende, aggressivt miljø. For jern og stål, kræves f.eks. tilstedeværelse af ilt og vand. Proces - sen kan skrives : jern + vand + ilt -4 rust For at korrosion kan opstå kræves altså både ilt og vand. Det betyder hvis vand (eller fugt) elimineres så vil der ikke sk e nogen tæring. Et eksempel på udnyttelse af dette er Lillebæltsbroen, der i princippet er en lang stålkasse. Udvendig t er broen malet for at beskytte den; men indvendigt er broen beskyttet mod korrosion ved at affugte luften i den lukked e kasse som broen udgør. Korrosion er en elektrokemisk proces, bestående af to del - processer. En anodeproces hvor metalatomerne oxideres ti l metalioner og samtidigt afgiver elektroner, og en katodeproces hvor elektroner forbruges. For stål i vandigt miljø er de r tale om følgende processer : Anodeproces : Fe - Fe e- Katodeproces : 1/ H e- - 20H- Anoden og katoden kan være forskellige områder på samm e metaloverflade (som ved grubetæring) eller det kan være to forskellige metaller (som ved galvanisk tæring). Forudsæt- 20

21 vingen er at anoden og katoden er elektrisk forbundne, så transport af elektroner kan ske, samt at det er en elektrolyt tilstede ( f.eks. vand). Et metals tendens til at korrodere, altså omdannes fra atomer til ioner, kan måles elektrisk, idet det er muligt at mål e ved hvilket potentiale (spænding) processen finder sted. Rangordnes de målte potentialer, får vi en såkaldt galvanis k spændingsrække, hvor de mest bestandige (ædle) metalle r har det højste potentiale. Tabel 2.1 Galvanisk spændingsrække i havvand ved 20 C Guld mv 18/8 rustfrit stål (passivt) + 90 mv Kobber + 20 mv Tin mv 18/8 rustfrit stål (aktivt) mv Bly mv Jern mv Aluminium mv Zink mv Magnesium mv Korrosionshastigheden afhænger af materialerne, det om - givende miljø, korrosionsprodukterne, temperaturen og e n række andre faktorer. llttilgangen er ofte en begrænsend e faktor på korrosionen. En række metaller, bl.a. rustfrit stål og aluminium, danner i en række miljøer en meget tæt hin - de af korrosionsprodukter som hindrer iltens adgang til me - tallet og dermed stopper videre korrosion. Denne tilstan d kaldes passivitet, og hinden for en passivhinde. For rustfri t stål består passivhinden overvejende af kromoxid. Passivitet Kromoxi d Dannelse af passivhinden er en dynamisk proces, hvor stå - let reagerer på det omgivende miljø. Det betyder at passiv - hindens sammensætning og stabilitet ikke blot er afhængi g af det miljø hvor stålet befinder sig ; men også af det miljø stålet tidligere har befundet sig i. I praksis vil rustfrit stål klare en relativ kortvarig eksponering i et aggressivt miljø, so m ved længere tids påvirkning vil lede til f.eks. pitting. Et eksempel er kogning af kartofler i en rustfri gryde. Egentlig er kogende saltvand et miljø der leder til både pitting og spændingskorrosion ; men korrosionen når ikke at udvikles, og den efterfølgende rengøring i rent vand genetablerer passiv - 21

22 hindens stabilitet. Det er også muligt at forbedre stålets bestandighed, ved f.eks. at behandle det med salpetersyre (såkaldt passivering) inden det tages i brug Korrosionsformer for rustfrit stå l Korrosion kan forme sig meget forskelligt. Her skal gives en oversigt over de korrosionsformer som oftest ses på rustfrie stål. I øvrigt er»rustfrit stål«en ikke særlig dækkende betegnelse som af og til skaber en for firkantet opfattelse af materialets egenskaber. Fladetæring Korrosionstabeller Fladetæring er den form for korrosion hvor hele den exponerede overflade tæres nogenlunde jævnt. Det forekommer f.eks. hvor rustfrit stål udsættes for svovlsyre. I miljøer hvo r korrosionshastigheden er under 0,1 mm/år anses materialet for bestandigt. Hvor korrosionshastigheden er mellem 0,1-1,0 mm/år kan der i visse tilfælde opnås en acceptabel levetid; men hvis korrosionen overstiger 1,0 mm/år kan materia - let generelt set ikke anvendes. Data i form af korrosionstabeller eller kurver findes i stålleverandørernes tekniske dokumentation eller i opslagsværker, f.eks.»korrosionstabeller«fra Jernkontoret, Stockholm. Figur 2.2 viser et korrosionsdiagram for en række rustfrie stål i svovlsyre. Fig. 2.2 Isokorrosionsdiagram for rustfrie stål i svovlsyre. C ( F) 11 0 (230) 9 0 (194) å E 1-T 70 (158) \AISI I \\---/ 304 II \ ` 5AF 2304 / 'i AI (122) SAF 2205 \ AI51 SA F 304 \ \ 2205' / 30 (86) % Grubetæring H2504 Grubetæring (pitting) giver sig udtryk i lokaliserede korrosionsangreb, hvor dybe angreb forekommer. I disse områ- 22

23 der, hvor passiviteten er nedbrudt er stålet aktivt og anodisk i forhold til den øvrige overflade hvor stålet er passivt. Pit - ting forekommer især i saltholdigt miljø, hvor kloridione r har en nedbrydende effekt på passivhinden. Højere temperatur øger risikoen for pitting, og ofte taler man om den kritiske pitting temperatur (CPT), som er den temperatur, hvor - over der er risiko for pitting. For at rangordne de forskellige rustfrie ståls bestandighed i kloridholdigt miljø, kan man opstille stålets PRE-tal (Pitting Resistance Equivalent number). Se kapitel 6. Kritiske pitting temperatur (CPT) PRE-ta l c ( F ) 100 (212 ) 80 (176 ) AISI (2 7% 31 6 Mo) \ SAF Fig CPT (Critical Pitting Temperature ) for en række rustfrie stå l i kloridholdigt miljø. Opmålt ved et potentiale på +300 mv. 60 (140 ) \ \\ SAF 2304 \ RE60 ~ m äa 4 0 (104) 2 0 (68) N - AISI 304"' Ingen grubetæring E a, ~ 0 (32) 0.01 cl /o Spaltekorrosion er et lokalt korrosionsangreb som forekommer i spalter i konstruktionen (f.eks. i flangesamlinger ) eller under tildækninger. Spaltekorrosion forekommer i de sam - me miljøer som pitting ; men eftersom korrosionsforholden e i spalter er væsentligt hårdere end på åbne flader, så optræ - der spaltekorrosion ved lavere temperaturer end pitting, ty - pisk C lavere. Spændingskorrosion (engl. : Stress Corrosion Cracking = SCC) giver sig udtryk i revnedannelser, som hurtigt kan gennemskære materialet fuldstændigt. Det til trods for at der bortkorroderer ganske beskedne mængder materiale. I rustfrit stål optræder spændingskorrosion i kloridholdig t vand. For at spændingskorrosion kan opstå, kræves kombi - Spaltekorrosio n Spændingskorrosio n 23

24 Høj temperatur + kloridioner + trækspændinger nation af trækspændinger i overfladen, temperaturer over 60 C og kloridioner i miljøet. Spændingskorrosion forekom - mer ofte på hedeflader og lignende, og ofte i kombination med pitting. Figur 2.4 er en sammenfatning af laboratorietest og praktiske erfaringer for en række rustfrie stål. Bemærk at det er de austenitiske standardstål som især er følsomme for spændingskorrosion. Duplex stål og stål med højt nikkelindhold har god bestandighed. Fig Sammenfatning af praktisk e erfaringer og laboratorietest med spændingskorrosion i kloridmiljø. C ( F) 30 0 (572 ) 250 (482) 200 (392) 15 0 (302) 10 0 (212) AISI 304I304 L Ingen spændingskorrosion (5CC ) CI % )nterkrystillinsk korrosion Kromkarbider i korngrænserne Interkrystallinsk korrosion forekommer hvor en uhensigtsmæssig varmebehandling har sensibiliseret stålet, således at udskillelser af kromkarbider i korngrænserne har forringe t bestandigheden lokalt. Et typisk eksempel er den varmepåvirkede zone ved svejsning. Se kapitel 4 og fig. 4, Formgivnin g De rustfrie stål er generelt nemme at formgive, dog må ma n være opmærksom på de enkelte ståltypers muligheder o g begrænsninger. De austenitiske stål er pga. den relativt lave flydespændig og store forlængelse særdeles velegnede ti l kold pladeformgivning. De ferritiske stål er udmærket ti l spåntagende bearbejdning og de ferrit-austenitiske er pga. 24

25 den høje flydespænding velegnede til konstruktioner me d krav om høj styrke. Varm plastisk formgivnin g Stort set alle rustfrie stål lader sig formgive varmt uden sær - lige problemer, dog er det væsentligt at en sådan proces af - sluttes med en for det aktuelle stål, passende opløsnings - glødning. Det vil for de austenitiske stål sige opvarmning til ca C efterfulgt af bratkøling. Ud over smedning og sænksmedning er det få varme processer som udnyttes af andre end stålproducenten. En pro - ces som kan få større betydning i fremtiden, er super-plastisk formgivning af ferrit-austenitiske stål Opløsningsglødnin g Smednin g Super-plastisk formgivnin g Ferrit-austenitiske stål kan i temperaturområdet C opnå forlængelser på over 500%. Det kan udnyttes til at fore - tage overordentlig komplex formgivning. I forbindelse me d det materialeteknologiske udviklingsprojekt er processen i øjeblikket genstand for et udviklingsprojekt, som sigter til a t udnytte processen industrielt. Kold plastisk formgivning De austenitiske rustfrie stål er kendetegnet af en forholdsvis lav flydespænding og en stor brudforlængelse. Det gør dem særdeles velegnet til kold plastisk formgivning, og f.eks. ved pladeformgivning kan der fremstilles ret så komplekse geometrier. Eksempler er køkkenvaske og varmevekslerplader. Ligeledes er de ferritiske og de ferrit-austenitiske rustfrie stå l udmærket at formgive; men da flydespændingen er dobbel t så stor som for de austenitiske og brudforlængelsen ca. den halve, vil der være begrænsninger sammenlignet med d e austenitiske stål. Ved formgivning af rustfrie stål er det vigtigt at iagttage ma - terialets tilbøjelighed til deformationshærdning (koldhærde). Navnlig i de austenitiske stål vil hårdheden forøges væsentligt og den austenitiske struktur vil delvis omdannes til deformationsmartensit. Tendensen til deformationshærdning varierer væsentligt med den kemiske sammensætning. Et stål med en»mager«analyse, 17% Cr og 7% Ni, deformationsheerder kraftigt, medens et stål med en»federe«analyse, 19% Cr og 10% Ni, deformationshærder mindre. Det er Austenitiske stål er velegnet ti l kold plastisk formgivnin g Deformationshærdnin g 25

26 værd at bemærke at der indenfor samme standard, f.eks. AISI 304, fås stål med endog meget stor variation i tendens til deformationshærdning. Figur 2.5 viser deformationshærdningen for to forskellige standardstål. Fig Trækstyrke som funktio n af deformationsgra d for AISI 301 (17/7) og fo r AISI 316 (18/10/2,7). Reduktionsgrad Tendensen til deformationshærdning for et normalt austenitisk rustfrit stål, kan udtrykkes ved Md30 temperaturen. Md30 temperaturen er den temperatur ved hvilken 30% deformation leder til dannelse af 50% deformationsmartensit. Md30 lader sig bestemme ud fra den kemiske sammensætning ved en empirisk formel : Md30 = (%C+%N)- 9,2%Si- 8,1%Mn-13,7%Cr-9,5% Ni-18,5%M o Deformationshærdning er uønsket ved f. eks. dybtrækning, hvor den øgede hårdhed begrænser mulighederne og give r anledning til flere mellemglødninger. Ved presning kan det derimod være en fordel at anvende et materiale som deformationshærder, og hermed i højere grad fordeler deformationen. 26

27 Deformationshærdning udnyttes til fremstilling af rustfrit fjedermateriale i form af bånd og tråd. Her kan der fremstilles materiale med brudstyrke over 2000 N/mm 2, som anven - des til fjedre og andre konstruktionsdetaljer med store kra v til statisk og dynamisk styrke. Rustfrit fjedermaterial e Spåntagende bearbejdning Spåntagende bearbejdning i austenitiske rustfrie stål, giver ofte anledning til problemer. Materialets tendens til at deformationshærde, sejheden og indeslutninger er medvirkend e til at besværliggøre bearbejdningen. Skal man vælge materiale til en komponent, hvor fremstillingen indebærer væsentlig bearbejdning, betaler det sig som regel at søge material e blandt de rustfrie automatstål, eller at vurdere mulighede n for at anvende et ferritisk rustfrit stål. Er det f.eks. af korrosionsmæssige årsager ikke muligt, så i hvert fald at vælg e stål af fabrikat hvor der i stålfremstillingen er taget hensyn ti l de spåntagende egenskaber. De væsentligste faktorer so m påvirker spåntagningsegenskaberne er følgende : Deformationshærdning skaber en betydelig hårdhed i de n bearbejdede overflade. Hermed øges slitagen på værktøjet og skærekræfterne stiger. Ved at anvende værktøjer med positiv spånvinkel og stor skarphed kan deformationshærdningen mindskes og bearbejdningen lettes. De nyeste geometrier i hårdmetalskær tager højde for disse forhold. Indeslutninger har væsentlig indflydelse på bearbejdningen. 1 rustfrie automatstål er stålet tilsat legeringselementer so m danner plastiske indeslutninger, der har en gunstig indflydelse. Ofte findes der hårde, slidende indeslutninger so m har den modsatte effekt. Der er ganske stor variation i bearbejdningsegenskaber i stål fra forskellige stålværker, selvo m der er tale om stål indenfor samme standard Rustfrie automatstå l Deformationshærdnin g øget slitag e Indeslutninge r Plastiske indeslutninge r Slidende indeslutninge r Indeslutningerne i et stål stammer fra smelteprocessen, o g er populært sagt stålværkets fingeraftryk i stålet. Hårde slidende indeslutninger er f.eks. titancarbid, aluminiumoxi d og calciumoxid. Partikler som har positiv effekt på bearbejdeligheden er de partikler som er duktile ved de temperaturer der opstår under bearbejdningen. Eksempler er mangan - sulfid som er gunstig ved alle temperaturer, bly som er gun - stig ved lave temperaturer (altså ved bearbejdning med HS S værktøj) og Calciummangansulfider som er gunstige ve d høje temperaturer (hårdmetalbearbejdning). 27

28 2.3 Æstetisk tiltalende Overfladebehandling af rustfrit stå l Overfladebehandling af rustfrit stål kan gennemføres me d henblik på at få en æstetisk tiltalende og/eller hygiejnis k overflade. Rustfrit stål har god polerbarhed, som gør de t muligt at opnå en smuk, bestandig finish. Med mekanisk e og kemiske metoder kan der opnås en række forskellige overflader, spejlglans, matteret, poleret, slebet, mønsterpoleret og så videre. Væsentlig betydning for Overfladen har imidlertid også væsentlig betydning for stå - korrosionsbestandighed lets korrosionsbestandighed. Eftersom det netop er en tyn d oxidfilm, som giver stålet sin bestandighed, er det indlysende at overfladen er af særdeles væsentlig betydning for korrosionsbestandigheden. Princippet er: Jo finere overflade, j o bedre korrosionsbestandighed Stærk bejdsesyr e Bejdsepasta Bejdsnin g Bejdsning er en kemisk overfladebehandling hvor stålet af - renses med en stærk bejdsesyre. Glødeskaller, anløbninger og lignende fjernes, ligesom afkromede overfladelag opløse s i syren. Bejdsesyren er en blanding af stærke uorganiske syrer, f.eks. salpetersyre og flussyre. Bejdsningen udføres so m regel ved at dyppe emnet i syren; men til lokal bejdsning, f.eks. af svejsesømme, kan også anvendes bejdsepasta, so m er en syreblanding tilsat geleringsmiddel. Ved bejdsning e r det vigtigt at være opmærksom på risikoen for overbejdsning. Navnlig de saltsyreholdige bejdser kan relativt hurtig t udvikle grubetæringer. Salpetersyre/flussyre bejdser har en sammensætning so m følgende : 10-25% salpetersyre 1-5 % flussyre + evt. hjælpe - stoffer og rest vand. Temperatur C bejdsetid ca. 45 min. for 18/8 stål ved 20 C Stabil passivhinde Passiverin g Passivering er en behandling i ca. 20% salpetersyre so m giver en stabil passivhinde og derved forbedrer korrosionsbestandigheden. Ved behandlingen fjernes mangansulfidindeslutninger i overfladen af stålet, som ellers vil være e t angrebspunkt for korrosion. I de fleste tilfælde vil passiveringen også fjerne eventuel jernafsmitning. Desuden bevirker den stærkt oxiderende salpetersyre at passivhinden for - 28

29 stærkes, således at den ikke nedbrydes så hurtigt f.eks. i kloridholdigt miljø. Elektropolering Elektropolering giver en overflade med stor glans og ringe ruhed. Udover de visuelle fordele, vil elektropolering ogs å give en overflade som har god korrosionsbestandighed, idet indeslutninger i overfladen fjernes under poleringen. Ved at gennemføre en elektropolering og efterfølgende en passive - ring, vil det aktuelle rustfrie stål opnå den bedst mulige korrosionsbestandighed. Elektropolering foreskrives ofte på medicinsk udstyr og udstyr til fødevarefremstilling af hygiejniske årsager Stor glans God korrosionsbestandighed Elektropolering gennemføres i en svovlsyre-fosforsyreblanding, hvor emnet som skal poleres kobles som anode. Kato - den må ofte formes efter emnet, således at en ensarte t strømtæthed kan opnås. Det er vigtigt at overfladen inde n poleringen er ensartet med beskeden overfladeruhed. Slibning, borstning, polering Mekanisk bearbejdning af overflade kan udføres med et bredt spektrum af metoder, med det formål at give overfla - den et ønsket udseende. Bortset fra de tilfælde hvor bearbejdningen gennemføres for at fjerne defekter, såsom anløbvinger omkring svejsninger, vil slibning ikke have nogen positiv effekt på egenskaberne. Slibning vil snarere åbn e defekter i overfladen, og desuden forøge spændingsni - veauet Udseende Anløbninger omkrin g svejsninge r Ved mekanisk bearbejdning er det overmåde vigtigt at sikr e der ikke sker afsmitning af jern på overfladen. Glasblæsning (shot-peening) Ved glasblæsning kan der indbygges trykspændinger i over - fladen, således at emnets mekaniske egenskaber forbedre s (bedre udmattelsesstyrke) og materialet gøres mere bestandigt mod spændingskorrosion. For at resultatet skal blive tilfredsstillende er det overmåde vigtigt at sandstørrelse, anslagsenergi og anslagsvinkel er tilpasset det aktuelle emne. Shot-peening bruges især til fjedre med store krav på dynamisk styrke. 29

30 2.4 Samlingsmetoder Svejsning er den helt dominerende samlingsmetode for rustfrie stål. Materialets gode svejsebarhed og det store anta l velegnede svejsemetoder, gør svejsningen til et naturlig t valg. I begrænset omfang anvendes også lodning Svejsemetode r Svejsning af rustfrit stå l Velegnede, og mest benyttede svejsemetoder til rustfrit stål er elektrodesvejsning, TIG-svejsning og MIG-svejsning. Disse metoder har alle god produktivitet og vil korrekt udført give en svejsesøm som har næsten ligeværdige egenskabe r med grundmaterialet. Andre velegnede, men knapt så an - vendte metoder er pulversvejsning, lasersvejsning og elektronstrålesvejsning. Modstandssvejsning kan i visse tilfæld e benyttes med rimeligt resultat; men giver ofte reduceret korrosionsbestandighed på grund af spalter og lignende. Gas - svejsning er uegnet til rustfrie stål. Svejsebarheden af de austenitiske stål er god, ligesom de ferrit-austenitiske. De ferritiske ELI-stål (Extra-Low-Interstitials) har også god svejsebarhed, medens de øvrige ferritiske har begrænset svejsebarhed. De martensitiske stål er vanskelige at svejse, og kræver som regel for- og eftervarmnin g samt omhærdning efter svejsningen. Tilsatsmaterial e Ferritindhold Tilsatsmaterialet skal være tilpasset grundmaterialet og kravene til egenskaber efter svejsningen. Der findes en lan g række tilsatsmaterialer at vælge imellem og vejledning kan findes i informationsmaterialet fra leverandørerne. Ved svejsning af austenitiske stål vælges som regel et tilsats - materiale som giver et ferritindhold på 5-10% i svejsesøm - men. Herved mindskes risikoen for varmerevner. Sammenhængen mellem kemisk sammensætning og struktur i svejsesømmen er kortlagt af Schaeffler og De Long, hvis diagrammer er gode hjælpemidler ved valg af tilsatsmateriale. Se kap. 4 fig. 4,9. Det er ligeledes nødvendigt at vurdere sammenhængen mellem materialets kulstofindhold og afkølingsforholden e ved svejsningen. Som det blev omtalt under interkrystallinsk korrosion, vil for langsom afkøling lede til karbidud - skillelser og forringet korrosionsbestandighed. 30

31 Ved svejsning af rustfrie stål er det vigtigt at være opmærksom på længdeudvidelsen som er størst for de austenitiske stål. Det kan lede til kraftige spændinger og deformation a f det svejste emne. Ved udførelsen af svejsningen er det vigtigt at holde svejse - området rent for at undgå forurening af svejsesømmen. Ligeledes er det vigtigt at beskytte rodsiden mod anløbning, som bagefter kan være et angrebspunkt for korrosion. Der findes i dag velegnede værktøjer til effektivt at beskytte ro - den med en passende rodgas (formier, argon m.fl.). Længdeudvidelse n Rodga s Lodning af rustfrit stål Lodning af rustfrit stål er vanskeligt på grund af den stabil e passivhinde på overfladen. Blødlodning kræver sålede s meget aktive flusmidler for at lykkes, flusmidler som i si g selv er korrosive og omhyggeligt må fjernes efter lodningen. Der findes en række loddemetaller som kan anvendes ti l rustfrit stål. Tin-bly lod kan anvendes ligesom sølv-kobbe r lod Anvendelsen af disse lod er begrænset til applikatione r med moderate krav til korrosionsbestandighed, f.eks køkkenudstyr. Vanskelig pa grund af den stabile passivhind e Ved vacuumlodning med nikkelbaseret loddemetal, kan de r opnås lodninger med særdeles gode egenskaber, såvel korrosionsmæssigt og styrkemæssigt. Ulempen ved denne metode er at den foregår ved temperaturer omkring 1100 C o g kræver ret omfattende udstyr. Imidlertid kan metoden åbne for elegante løsninger, f.eks hvor hærdning af et martensitisk rustfrit stål gennemføres samtidigt som lodningen. Vacuumlodnin g 31

32 3 Fremstilling af rustfrit stål Rustfrit stål fremstilles på en lang række stålværker fordelt over hele jorden. Som anden stålfremstilling sker produktio - Store produktionsenheder nen på store enheder, hvor der er enorme investeringer placeret. Her kan man virkelig tale om at et stort produktionsvolumen er en forudsætning for en lønsom produktion og en konkurrencedygtig pris. Da der er tale om så store investeringer, er der stor variation i den udrustning som der findes på de forskellige stålværker, ligesom det er de færreste, varierende produktionsudstyr om nogen, som har produktionsudstyr til alle produkter. I stedet er der samarbejde værkerne imellem, både når de t gælder selve produktionen og distributionen. I det følgende kapitel vil jeg forsøge at give et indblik i typiske produktionsforløb; men samtidigt gøre opmærksom på at der er adskillige måder at producere på, næsten et for hvert stålværk Smelteprotoko l Chargerin g Elektronovne n Rustfrit skrot, råjern og legeringselemente r Konverter Smeltning af rustfrit stå l Produktion af rustfrit stål på moderne stålværker baseres på en nøje udarbejdet smelteprotokol, som minutiøst beskrive r alle nødvendige operationer, som kræves for at fremstille det aktuelle stål med den krævede analysenøjagtighed og egen - skaber i øvrigt, herunder også det ønskede slaggebillede. Stålfremstillingen indledes med chargering, dvs. elektro - ovnen lades med råmateriale af sammensætning og kvalitet som kræves af hensyn til slutproduktet. Råmaterialerne er typisk rustfrit skrot, råjern og legeringselementer. Hertil også visse hjælpestoffer, f.eks. grafit og kalk. Efter nedsmeltning tages de første analyseprøver, og yderligere legerings - elementer tilsættes. Smelten, som typisk er på tons, overføres dernæst til en konverter, hvor den videre raffinering finder sted. Ved at gennemblæse smelten med ilt af - brændes forureningselementer som svovl og kulstof. Under det videre forløb i konverteren finjusteres analysen og de r tilføres reduktionsmidler, f.eks. silicium, for at sænke iltindholdet i smelten og udvinde krom fra slaggen. Under hel e processen kontrolleres den kemiske analyse og temperaturen løbende. Efter endt raffinering overføres smelten til e n 32

33 ske, hvor der eventuelt kan gennemføres yderligere justering af temperatur og analyse. Smelten er nu klar til støbning. Støbning af rustfrit stål sker oftest som strengstøbning, hvor smelten løber ned i en vandkølet kobberkokille. Når stålet er størknet i bunden og på siderne af kokillen, trækkes bunde n nedad og strengstøbningen er begyndt. Støbeprocessen for - løber kontinuert, idet stålet trækkes nedad i samme temp o som størkningen mod kokillens sider. Medens strengen vokser frem, føres den i en bue fra lodret til vandret og kappes her op i emner. Støbningen kan også ske i form af kokillestøbning, hvor smelten hældes i kokiller og størkner i blokke. Denne metode indebærer et mindre udbytte, idet kokillens top og bun d må kasseres på grund af forureninger og sejringer. Sk e Strengstøbnin g Kokillestøbnin g Varmvalsning Efter støbning smedes eller valses emnerne varmt til stan g eller plade, som kan være slutproduktet eller udgøre udgangsmaterialet til videre forædling Ved varmvalsningen sker der en æltning af stålet, og struk- Strukturen udjævnes fra støbe - turen udjævnes fra en støbestruktur til en mere homogen struktur til valsestruktu r valsestruktur. Varmvalsningen er altså en proces som væsentligt forbedrer egenskaberne af materialet. Stangstål Rustfrit stangstål over ca. 250 mm fremstilles ved smedning af kokillestøbte emner, medens stang mellem 25 og 250 mm fremstilles ved varmvalsning af kokillestøbte eller streng - støbte emner. Efter varmvalsningen bliver stangen kappet i længder, opløsningsglødet og rettet. Stang fremstilles ved smednin g eller varmvalsnin g Den videre forarbejdning er afhængig af med hvilken udførelse stangen sælges. Den kan bejdses og så sælges so m varmvalset, glødet og bejdset; men oftere bliver stange n skaldrejet og sælges i denne udførelse. Stang i dimensioner under ca. 50 mm kan også centerless - slibes som afsluttende operation. 33

34 Råjern Skrot Returstål l,o Legeringselementer A A J] Smeltnin g i elektroovn 10.1 Tapning i ske Streng - støbnin g Transport ti l valsevær k Opvarmning Grovvalsnin g Valsning ti l stang (Ø mm) Smedning ti l stan g (Ø > 192mm ) Fig Eksempel på stålfremstilling og valsning. 34

35 Stangstål under ca. 25 mm er som regel trukket stang, alts å varmvalset stang eller valsetråd som blanktrækkes og derfor er kolddeformeret i leveringstilstanden. Disse dimensione r fremstilles også ved trækning fra valsetråd. Små dimensioner trækkes De mindste dimensioner, under ca. 6 mm, fremstilles af blanktrukken tråd der rettes og klippes i længder. Profiler Rustfrie profiler, d.v.s. fladstang, vinkelstang, U-profiler o g lignende fremstilles ved varmvalsning efter samme procedure som rundstang. En alternativ metode er fremstilling ud fra plade som klippes, kantvalses og bukkes, eller båndstå l som koldvalses til profiler. 4-kant stang, 6-kant stang og lignende er som regel varmval - set og koldt eftertrukket på samme måde som de mindre dimensioner i rundstang. Sømløse rør Sømløse rustfrie rør fremstilles ved ekstrudering. Udgangsemnet er en varmvalset stang som skaldrejes, kappes i pas - sende længder og gennembores så den i princippet er e t meget tykvægget rør. Emnet opvarmes til ca C og pres - ses igennem en ekstrusionsdyse svarende til den ønsked e yderdiameter. Hullet i røret skabes af en dorn som er mon - teret på ekstrusionsstemplet. Der anvendes pressekræfte r på 1000 til 5000 tons. Det ekstruderede rør bliver færdig - gjort med opløsningsglødning, bejdsning, retning og kapning. Det ekstruderede rør kan bruges som det er, f.eks til emne - rør, eller det kan anvendes som udgangsmateriale til kold - valsede rør. Rustfrie rør ekstruderes Det ekstruderede rør anvendes som emnerør, eller forarbejde s videre ved koldvalsnin g Koldvalsning af rør udføres som pilgrimsvalsning, hvor e n valsestol bevæges frem og tilbage ad røret, og stykke fo r stykke valser det ned over en dorn. Herved deformations - hærdes materialet og det må efter valsningen opløsningsglødes og bejdses. Ud over at koldvalsningen gør det muligt a t reducere dimensionen på røret, opnås også væsentligt bedr e tolerancer end på det ekstruderede rør. 35

36 Fig Princip for pilgrimsvalsnin g (trinvalsning) af sømløse rør. Indgående rør Dornstang Valsesto l Koldvalset rø r Dor n Vals e Bagerste position Små dimensioner trækkes De mindste rørdimensioner fremstilles ved trækning, hvo r et koldvalset rør trækkes gennem en trækskive. Også her af - sluttes med opløsningsglødning. Til visse specielle applikationer kan man drage nytte af den styrkeøgende effekt som koldvalsning og trækning giver. E t eksempel er borerør til olieudvinding. Kompositrør Der findes også mulighed for at fremstille kompositrør ve d samekstrudering af to forskellige materialer, f.eks. kulstål og rustfrit stål. Disse rør anvendes bl.a. til kedler i cellulose - industrien Svejste rør fremstilles af bånd eller plade Mejerirør er udvendigt finslebne Svejste ror Svejste rør fremstilles af bånd eller plade som formes til e t rør og svejses langsgående (i enkelte tilfælde spiralsvejse s røret). Ved svejste rør fra bånd formes røret, svejses og kappes i længder i en kontinuert proces. Disse rør er som rege l tyndvæggede og svejses med TIG-svejsning eller lignende. Rør med kraftigere godstykkelse produceres enkeltvis af plade som formes og svejses. Afslutningsvis glødes, bejdses o g rettes rørene (der produceres også uglødede rør). Svejste rør er ofte slebne, her skelnes mellem mejerirør o g dekorationsrør. Mejerirør er svejste, glødede og bejdsede rø r med nedvalset svejsevulst som er udvendigt finslebne. Dekorationsrør er rør som er svejset med modstandssvejsnin g og udvendigt slebne. de er kun egnede til applikationer so m møbelben og lignende. 36

37 Firkantede rør er også svejste og leveres hyppigt slebne elle r børstede. Firkantede rør fås både modstandssvejste og TIG - svejste, de er normalt uglødede. Plade og bånd Varmvalset plade fremstilles ved at emner opvarmet til ca C valses ned til ønsket tykkelse ved flere gennemgange i et reverserende valseværk, eventuelt afsluttes valsningen i et eller flere enkeltgående værk. Varmvalset bånd valses som plade ; men afsluttes med valsning i en serie enkeltgåend e værk og som sidste tempo vikles båndet op i en rulle. Varmvalset plade og bån d Den varmvalsede plade fås som standard i tykkelse ca. 4 til 40 mm og formater bl.a x 3000 mm og 2000 x 4000 mm. Specielt kan der fremstilles tykkelser 2 til 250 mm, bredde r op til 3200 mm og længder efter ønske. Ud fra det varmvalsede bånd kan der fremstilles koldvalset plade, bånd og folie i tykkelser ned til 0,01 mm. Der produceres utallige dimensioner, udførelser, valsningsgrader mm. Materialet nedvalses i koldvalseværk, og bliver melle m nedvalsningerne glødet på grund af deformationshærdningen. Koldvalset plade, bånd og foli e Koldvalset plade produceres normalt i bredder mellem og 2000 mm og med tykkelse 0,5 tilli mm. Pladen har ofte en glatvalset finish; men der findes mange muligheder for slebet, poleret eller mønstervalset finish. Rustfrit bånd og folie fremstilles i koldvalseværk med bredder mellem 120 og 1000 mm. Bånd og folie leveres ofte kold - valset til specifik trækbrudstyrke. Der kan opnås brudstyr - ker på over 2000 Nlmm?. Bånd og folie produceres ofte i hen - hold til en kundespecifikation, og færdiggøres ved skærin g og eventuelt kantbehandling til ønsket bredde. Koldvalset til specifi k trækbrudstyrk e Tråd Tråd fremstilles ud fra et varmvalset råemne, typisk 100 mm firkant, som valses varmt i et trådvalseværk. I valseværke t valses tråden i kalibrerede spor i valserne, som tråden pas - serer adskillige gange, gennem stadig mindre og mindr e spor. Afslutningsvis haspes tråden op og afkøles. Efter valsningen bliver tråden opløsningsglødet og bejdset, og forelig - valsetrå d 37

38 ger nu i bundter på kg, såkaldt valsetråd, typisk 5 til 20 mm i diameter. Trukken trå d Valsetråden kan anvendes til visse applikationer uden særli - ge krav til overflade eller tolerancer, f.eks. armering i beton, murbindere eller lignende. Oftere bliver valsetråden an - vendt som udgangsmateriale til trukken tråd. Den rustfrie tråd trækkes gennem træksten til stadig mindre dimensioner. Ved trækningen deformationshærdes tråde n og det er derfor nødvendigt at gløde tråden efter en vis reduktion. Det er ligeledes nødvendigt at tilføre smøremiddel under trækningen, og ved at benytte forskellige smøremidler, trækserier mm. kan der fremstilles tråd med yderst varierende egenskaber og finish. Den normale kommercielle rustfrie tråd, er en tråd som e r trukket med begrænset reduktion til en trækbrudstyrke p å ca. 900 Nlmm2, og med et smøremiddel som giver en blank overflade. Denne tråd er velegnet til mange applikationer, s å som trådkurve, net, bure, køkkenredskaber og meget andet. Fjedertrå d Ved at trække tråden med meget stor reduktion kan der i visse ståltyper opnås trækbrudstyrke over 2200 N/mm2. Denne tråd er velegnet til detaljer med store krav på mekaniske egenskaber, f.eks. fjedre, låsestifter, aksler og lignende. De t er også muligt at specificere tråd med specielle krav på brudstyrke, som er tilpasset en speciel applikation, f.eks. til eger i cykelhjul. 3.3 Spraykompaktering Direkte fra smelte til rør Alternative fremstillingsmetode r Der foregår løbende udvikling inden for fremstilling af stål og rustfrit stål. Dette med det formål at forbedre kvaliteten, øge produktiviteten samt gøre det teknisk muligt at fremstil - le nye stålsorter. En proces som i øjeblikket udforskes på en række stålværker er spraykompaktering, også kaldet Ospray-processen. Ve d spraykompaktering forstøves det smeltede stål og sprøjte s mod et emne, hvor dråberne størkner og opbygger en plade eller et rør. Fordelen med processen er at man springer støbvingen over, og går direkte fra smelte til f.eks. rør eller en anden form som kan bruges direkte, eller forarbejdes ve d valsning eller ekstrudering. Processen giver også gode mu - 38

39 ligheder for at fremstille materialer eller kompositter som el - lers ikke er mulige at fremstille. Ospray-processen giver et meget homogent materiale, fin - kornet og med meget ringe indhold af slagger. Processe n giver gode muligheder for at fremstille kompositter, idet det er muligt at sprøjte f.eks. et lag rustfrit stål på en kulstålsplade. Desuden er der mulighed for at sprøjte partikler af f.eks. karbider, oxider eller borider samtidigt med stålet og således få kompositter frem som ellers ikke lader sig fremstille. Der er flere pilotanlægninger i Europa i dag, hvor metode n udforskes og produktionsmodnes. Disse anlæg omfatter bl.a. rør (hos Sandvik) og plade (hos Mannesman og De t Danske Stålvalseværk). Pulvermetallurgi anvendes også i bestræbelserne på at frem - stille bedre og bedre materialer. Pulveret fremstilles på konventionel vis ved forstøvning af en stålsmelte, og anvende s siden som udgangsmateriale til fremstilling af f.eks. rør. Ved processen kan der fremstilles meget slaggerene og homogene materialer. Pulvermetallurg i Det pulverbaserede stål fremstilles ved at pulveret samles i en container, som dernæst behandles ved en HIP-proce s (Hot-Isostatic-Pressing). Ved processen presses pulveret ve d højt tryk og høj temperatur til et massivt emne. De behandlede emner kan dernæst ekstruderes til stang eller rør. Støbning Rustfrit stålstøbegods kan fremstilles i alle de kendte rustfri e legeringer, med de fordele og ulemper som er forbundet med støbeprocessen. Der findes i de fleste standardsystemer fastlagt rustfrie støbelegeringer parallelt til valselegeringer - ne, ofte er der mindre forskelle i analysegrænserne. Derud - over findes en række højtemperatur legeringer som kun la - der sig fremstille ved støbning, f.eks. HK-40 med 0,45% C, 25% Cr og 20% Ni, disse legeringer har så stor styrke ve d høj temperatur at de i realiteten ikke kan varmvalses. En speciel støbeteknik er centrifugalstøbning til rør og andr e rotationssymmetriske emner. Her hældes det flydende stål i en roterende form, hvorved opnås en radial støbestruktur o g udmærket tæthed. Metoden benyttes bl.a. til fremstilling af 3. 4 Rustfrit stålstøbegods ka n fremstilles i alle de kendte rustfrie legeringe r Specielle støbelegeringe r Centrifugalstøbnin g 39

40 emnerør med større dimensioner end de som kan fremstille s ved ekstrusion Opløsningsglødning Smednin g Stort set alle rustfrie stål lader sig smede varmt uden særlige problemer, dog er det væsentligt at en sådan proces afsluttes med en for det aktuelle stål, passende opløsningsglødning. Det vil for de austenitiske stål sige opvarmning til ca C efterfulgt af bratkøling. Smedning Ud over smedning og sænksmedning er det få varme pro - cesser som udnyttes af andre end stålproducenten. En pro - Super-plastisk formgivning ces som kan få større betydning i fremtiden, er super-plastisk formgivning af ferrit-austenitiske stål. Ferrit-austenitiske stål kan i temperaturområdet C opnå forlængelser på over 500%. Det kan udnyttes til at fore - tage overordentlig komplex formgivning. I forbindelse me d det materialeteknologiske udviklingsprojekt er processen i øjeblikket genstand for et udviklingsprojekt, som sigter til at udnytte processen industrielt. 40

41 Rustfrie ståls metallurgi 4 Legerings- og strukturopbygning 4. 1 De rustfrie stållegeringers teknologiske og korrosionsmæssige egenskaber hænger sammen med stålets mikrostruktur. Rustfrie stållegeringer består af basismetallet jern med et el - ler flere tillegerede grundstoffer, hvoraf mindst det en e grundstof er chrom, og hvor alle de forekommende blandingsfaser har metalliske egenskaber. Legeringen kaldes bi - nær, hvis den består af 2 grundstoffer, f.eks. jern og chrom, og ternær, hvis den består af 3 grundstoffer, f.eks. jern - chrom - nikkel. Som regel fremstilles legeringer ved direkte sammensmeltning af komponenterne, men de kan også fremstilles ve d pulvermetallurgi, dvs. sammensintring af pulveriserede metaller. Når metallerne størkner, ordnes enkeltatomerne i krystalgitre. Hvis basismetallets og legeringselementets atomer min - der meget om hinanden i størrelse, elektropositivitet og va - lens, kan man opnå fuld opløselighed, men afvigelser på e t eller flere punkter medfører, at basismetallet kun tillader e t begrænset antal fremmedatomer i fast opløsning i gitter - strukturen. Fremmedatomerne med begrænset opløselighed kan vær e tilstede enten som indskudsatomer, der kiler sig ind melle m basismetallets atomer, eller som substitutionsatomer, hvor de overtager basisatomernes plads i gitteret. Indskudsatomer er i sagens natur meget mindre end basis - atomerne, og typisk vil det være grundstoffer som hydro - gen, bor, kulstof, kvælstof og oxygen, der kan indpasses i metalgitre. Substitutionsatomerne kan være større eller mindre end basisatomerne og vil typisk udgøres af metaller med en ande n elektropositivitet, valens eller gitterstruktur. For begge type r fremmedatomer gælder, at basismetallets krystalgitter vil 41

42 ~ ~ blive deformeret i et område omkring fremmedatomet (se figur 4.4 senere i teksten). Derved vanskeliggøres dislokationers bevægelse, og legeringen bliver stærkere end det ren e metal. Mængden af opløste fremmedatomer er afhængig af temperaturen, og hvis man afkøler hurtigt fra en temperatur me d højere opløselighed, kan man få en overmættet opløsning, idet de overskydende atomer ikke kan nå at slippe væk. Denne tilstand kan være ustabil og vil så ændres med tide n (De overskydende atomer fældes ud af den pågældende fas e eller diffunderer væk). Hvis der kræves energitilførsel (f.eks. opvarmning eller deformation) for at udløse ændringer, kal - des tilstanden for metastabil. Afhængig af opløseligheden og mængden af legeringselement(er) kan der dannes 1-fasede (homogene) legeringe r (= fuld opløselighed) eller 2- eller flerfasede (heterogene ) legeringer (= delvis eller ringe opløselighed). Fig Grænse mellem to korn. De skraverede atomer danne r korngrænsen. ~ / x~'~%-~ ~I% " T ~ ~~r~\t' ~~~ I ~i G,i ~% 4~! ~~/~~~ ~ ~ ~/ ~,,~'~,'i~, /%~ ~ i ~`i / I 1 /~.~~/~ ~ ~~~~i\ / ~i, If~,i ~ ~~ i,~ %. ~,~/~! ~. 1~ ~~/' % /~~~~/ ~I~~. ~~ ~1i ~~~~~~~.~I ~~ ~ ~ ~~~ ~ *0~/ /I ~I ~~~~~ j/.~i 0/I ~ De teknisk fremstillede legeringer er opbygget af uregelmæssigt dannede krystaller, som kaldes for korn. Inden for hvert korn er atomgitterets orientering nogenlunde ens. Begrænsningsfladerne mellem de enkelte korn kaldes korn - grænser. Her hersker der udbredt uorden, idet atomerne til - stræber en placering, der tilpasser sig de forskellige gitter- ~ i ~~ ~I ~ ~~~ ~ I / ~~ ~I ~~~I~/~ V ~ l,~ i ~_~ia~.~:.i :1r.:.G.1..~~.a~.:~m~1.. 42

43 Fig Punktfejl i et metalgitter. Vakanc e Fremmedato m (substitution) strukturer bedst muligt, ofte med det resultat at de hverken svarer til det ene eller andet korns gitterstruktur, se figu r 4.1. På grund af den herskende uorden i korngrænserne vi l der oftest her være mere plads til forureninger i form a f fremmedatomer, men også inde i selve kornene findes de r en vis uorden i atomgitteret i form af punktfejl og liniefejl, se figur 4.2 og 4.3. Punktfejlene består hovedsageligt af huller i gitteret (vakancer) og indskudte eller substituerede fremmedatomer. Fremmedatomer kan selvfølgelig være en del af den ønskede le - geringsdannelse, men kan også være uønsket (forurening). Antallet af vakancer har betydning for den hastighed, hvor - med fremmedatomer kan bevæge sig under varmebehandling, mens fremmedatomerne vil kunne påvirke styrkeegen- Fig Skematisk fremstilling af liniefejl i gitterstruktur. Til venstre ses en kant - dislokation. Til højre ses en skruedislokation. 43

44 Fig Skematisk afbildning a f forvridningen af et atomgitte r ved (a) substitutionsatom o g (b) indskudsatom. a b Kantdislokation * ~ 4 ~ ~ * ~ Fig. 4.5 a Placeringen af store fremmed - atomer under en kantdislokation. Fig. 4.5 b Indskudsatomers placerin g langs en kantdislokation. skaberne ved at påføre spændinger i atomgitteret, se figu r 4.4, eller interferere med liniefejlene, se figur 4.5a og b. Liniefejlene udgøres af de såkaldte dislokationer, der ka n opfattes som ekstra indskudte lag eller rækker af atomer. De indskudte lag forvrænger gitterstrukturen i adskillige atom - afstande. Derved opstår der spændinger, der på en gang nedsætter materialets styrke og samtidigt øger dets evne ti l at deformere uden brud. Hvis der ikke var dislokationer ti l stede, eller hvis de ikke hele tiden kunne dannes, så vill e metallerne nok have en høj styrke, men de ville kun kunn e deformeres elastisk. Basismetallet jern kan optræde i 2 forskellige krystalgitre i afhængighed af temperatur, og med smeltet jern som en fjerde konfiguration kan jerns gitteropbygning afbildes som vis t i figur 4.6 og tabel

45 De krystalliske ligevægtsfaser kan være opkaldt efter grund - metallet (ferro - ferrit) eller efter kendte personer, oftest me - tallurger (Austen -+ austenit), men generelt betegnes fasern e ved hjælp af græske bogstaver. Ferrit (a-fase) er magnetisk ved stuetemperatur, men ved sti - gende temperatur mindskes magnetismen for helt at forsvinde omkring 769 C. Krystalgitteret er kubisk rumcentreret (engelsk = Body, Centered Cubic, b.c.c.), dvs. at atomern e sidder ordnet i hjørnerne og i centrum. Ved opvarmning sti - ger atomernes energiniveau for til sidst at blive så stort, at der sker en omlejring af atomerne til det austenitiske, kubis k fladecentrerede enhedsgitter (engelsk = Face Centered Cubic. f.c.c.). Her sidder atomerne ordnet i hjørnerne samt i centrum for hver af de seks sider i kubusen. Atomerne sid - der tættere pakket i austenitstrukturen end i ferritstrukturen, og omlejringen sker derfor under en samtidig volumen - ændring, der medfører indre spændinger. Med omlejringen følger også ændringer i fysiske og mekaniske egenskaber, s å som massefylde, ledningsevne, styrke, deformationsvillighed, opløsningsevne, m.fl y ~ ~o å ö a. _ E v ' Y N _Y a, ~ C Å E E T. a Smelte Ferrit, bc c Austen it,fc c Fig Skematisk oversigt over jernet s gitteropbygning, tilstandsbetegnelser og magnetiske egenskaber i afhængighed a f temperaturen a m N t c å v Ferrit, bc c 0 Tabel 4.1 Oversigt over jerns faser i afhængighed af temperatur ) ved t > 1536 C haves smeltet jern ved 1536 C > t > 1394 C haves delta ferrit å (delta ) ved 1394 C > t > 912 C haves austenit y (gamma ) ved 912 C > t haves ferrit a (alfa) 45

46 Deltaferrit har omtrent samme struktur som ferrit, blot e r der større afstand mellem atomerne på grund af den højer e temperatur. I de fleste legeringer med jern forekommer der også kulstof. Kulstoffet kan forekomme i fast opløsning som indskuds - atom eller danne en selvstændig fase med jern, jernkarbi d (cementit). Opløseligheden af kulstof er større i austenit en d i ferrit. Hvis austenit afkøles så hurtigt, at den diffusionsbetingede dannelse af jernkarbid ikke kan nå at finde sted, så kan austenitten ved den lavere temperatur omdannes ved en diffusionslos og derfor tidsuafhængig proces til martensit, opstået ved hurtig omklapning af austenitgitteret, til e t tilnærmet ferritgitter (karakteriseret som rumcentreret tetragonalt gitter). Martensit-fasen repræsenterer en metastabi l tvangsopløsning (overmætning) af kulstof i ferriten, og ve d opvarmning kan den bringes til at sønderdeles i karbid og ferrit. Ovennævnte omlejringer i krystalstrukturen, ferrit.--. austenit og austenit martensit -> ferrit + karbid, er grundlaget for hærdning og anløbning af martensitiske rustfrie stål, som senere omtalt. I rustfrie stållegeringer forekommer samme faser, som nævnt ovenfor, for jerns vedkommende blot med den tilføjelse, at der med tillegering af andre metaller også kan forekomme andre karbider end jernkarbid. Hvilke faser der er tilstede vil foruden temperatur også være afhængig af legeringselementerne. Visse elementer foretræk - ker at placere sig i bestemte faser, hvorved de stabilisere r denne og fremmer dens dannelse på bekostning af de andre. Man skelner således mellem austenitdannere og ferritdannere. De vigtigste austenitdannere er : kulstof, C, kvælstof, N, Nikkel, Ni, Mangan, Mn. 46

47 De vigtigste ferritdannere er : Chrom, Cr, Silicium, Si, Molybdæn, Mo, Niob, Nb, Titan, Ti. I binære legeringer mellem jern og chrom kan et passend e højt chromindhold (> 13%) virke så stabiliserende på ferrit, at der ikke kan dannes austenit, se figur 4.7. o c Fig Tilstandsdiagram for jern-chro m (binær legering ) L = smelte, A = austenit, F = ferrit, S = sigmafase % Cr - Indhol d I ternære legeringer mellem jern, chrom og nikkel kan nik - kelindholdet virke så stabiliserende på austenitten, at om - dannelsen til ferrit let undertrykkes ved en passende afkølingshastighed, selv om diagrammerne i figur 4.8 viser, at ferriten er ligevægtsstrukturen ved stuetemperatur. Dett e skyldes, at såvel chrom som nikkelindhold nedsætter hastig - heden for de allotrope gitteromlejringer. Legeringerne e r metastabile, og stabiliteten afhænger bl.a. af nikkelindholdet. Ved under 7% nikkel omdannes austenitten hurtigt ti l ferrit ved koldbearbejdning, mens man ved mere end 14 % nikkel i praksis kan anse austenitten som værende stabil. 47

48 oc % Cr 12% Cr 15% Cr 18% Cr 21% Cr 24% C r m å 400 E Vægt, nikke l Fig Snit ved forskellige chromkoncentrationer i de ternære tilstandsdiagram jern-chrom-nikkel. F = ferrit, A = austenit. Den stærke stabiliseringsvirkning af netop chrom og nikkel skal ses i lyset af, at chrom i sig selv er kubisk rumcentreret, som ferrit og nikkel er kubisk fladecentreret ligesom austenit. Dette er også medvirkende til, at hæmme allotrope omdannelser af legeringen. Foruden at kul i sig selv er et legeringselement, danner det også karbider sammen med de andre legeringselementer enten i form af dobbeltkarbider, de r også indeholder jern, eller specialkarbider, der ikke indeholder jern. Tendensen til at danne karbider varierer fra metal til metal. Med faldende affinitet (tendens til kemisk reaktion) for karbiddannelser kan følgende rækkefølge opstilles : Ta, Nb, Ti, Mo, Cr, Fe, Ni. Karbiderne kan virke styrkeøgende, men i nogle tilfælde kan der dannes hårde, sprøde karbider, der godt nok fører til e n styrkeøgning, men den er ledsaget af en nedsættelse af sejhed og korrosionsbestandighed. I visse typer rustfrit stål kan man frembringe særlige høj e styrkeegenskaber ved hjælp af partikulære udskillelser a f fremmedfaser, f.eks. aluminium-nikkelrige faser eller kobberrige faser, ved varmebehandling (udskillelseshærdning). Ud fra, hvilke faser der optræder i legeringerne, kan d e rustfrie stål inddeles i 5 hovedgrupper, nemli g ferritiske, martensitiske, austenitiske, ferrit- austenitiske, udskillelseshærdende. 48

49 Diagrammet i figur 4.9 giver en oversigt over, hvilke hoved - strukturer der dannes i afhængighed af chrom- og nikkelækvivalenten for legeringssammensætningen. De anførte ækvivalenter er vægtede summationer af henholdsvis ferrit - og austenitstabliserende legeringselementer ~ mown F~`~~~mmm, v,!.n,. um.,. p \.!,, ~I~,,,.,. 'II ~EE.,I,., mu,,,m, " "em.,s.ra111/ ~ I/.:! I/ /M ~\M%'%:! /,00 i \mm nn/ ram:t a M EMINM RMI rownemmmamemm ~~ ~~~ Krom-ækvivalent = %Cr+1,5 x %Si+%M o Fig Modificeret schaefflerdiagra m (Metal Progress, nov. 1949). Karakteristiske egenskabe r 4. 2 Nedenfor gengives summarisk de karakteristiske egenskabe r for de fem hovedtyper af rustfrie stål. Ferritisk stål Magnetisk. Mekaniske egenskaber som for almindelig stål, dog er stå l med mere end 20% Cr koldskøre allerede ved stuetemperatur. Kan kun i nogen grad deformationshærdes. Kan svejses, men med risiko for kornvækst og sprødhed. Svejsning med ferritisk tilsatsmateriale kræver forvarmning. Svejsning med austenitisk tilsatsmateriale giver seje svejsninger. Bør ikke anvendes til detaljer med hyppige temperaturændringer på grund af forskel i længdeudvidelse (let - tere revnedannelse). Optimal korrosionsbestandighed efter varmebehandlin g (langsom afkøling fra 1000 C efter udglødning v C). Tendens til skørhed ved længere tids opvarmning (475 -skørhed). 49

50 Martensitisk stå l Magnetisk. Kan lufthærdes. Kan sejhærdes til stor styrke. Svejsning kræver forvarmning og udglødning - frarådes normalt. Sprødt ved opvarmning til C (anløbningsskørhed). Slidstyrken stiger med stigende kulstofindhold og hårdhed Austenitisk stå l Umagnetisk. Stor sejhed og deformerbarhed. Kan deformationshærdes, men kan ikke hærdes ved varmebehandling. Bratkøles fra 1050 C for optimal korrosionsbestandighed. God svejsebarhed. Lavt kulstofindhold eller tillegering af titan/niob mindsker risiko for udskillelse af korngrænsekarbid i varmepåvirkede zoner, derfor bør SS 2353 eller SS 2350 foretrækkes ti l svejste konstruktioner. Stor termisk udvidelseskoefficient. Lav varmeledningsevne. Ringe maskinbearbejdelighed. God korrosionsbestandighed, afhængigt af legeringsniveau Ferritisk-austenitisk stå l Magnetisk. Korrosionsbestandighed som for austenitiske stål. God maskinbearbejdelighed. Tendens til koldskørhed. Tendens til skørhed ved C (bl.a sprødhed). Tendens til skørhed ved C (sigmafaseskørhed). 4.3 Styrkeøgning ved deformationshærdnin g Som tidligere antydet, har dislokationer stor betydning fo r materialers deformationsforhold. En del dislokationer dannes allerede ved størkning af legeringen, og ved plastisk de - formation forøges antallet af dislokationer betragteligt. 50

51 Under deformationsprocessen bevæger dislokationerne sig, men ikke nødvendigvis i parallelle slipplaner. Når to dislo - kationer på krydsende slipplaner støder sammen, kan der ske en fastlåsning, der stopper efterfølgende dislokationer på de samme 2 slipplaner. Resultatet bliver en deformations - hærdning, idet der efterhånden vil dannes et sammenhængende netværk af dislokationer. Derved stiger materialet s styrke og hårdhed, men samtidigt falder brudforlængelsen. Styrkeeffekten ved deformationshærdning tabes ved højere temperatur på grund af spændingsfriglødning (termisk restitution) og rekrystallisation. Specielt austenitiske stål deformationshærder ret villigt. Deformationshærdningen medfører en meget stor jævnt fordelt forlængelse inden indsnøring, hvilket gør disse stål velegnede til dybtræknings- o g bukkeoperationer. Ferritiske rustfrie stål kan ikke deformationshærdes i særlig høj grad. Det skyldes det paradoks, at der er så mange mulige slipsystemer, at dislokationerne hurtigt låser hinanden. Ved yderligere deformation stiger den indre spænding (ener - gi), så der kan ske en løbende reorganisation af dislokationerne under selve deformationsforløbet med aftagende de - formationshærdning til følge. Fænomenet kaldes også mekanisk restitution, og mekanismen er den samme som ved termisk restitution, nemlig vandring af vakancer langs slipplanerne ud til korngrænserne. Det er en proces, der foregå r hurtigt og let selv ved lave temperaturer. Ved lidt højere temperaturer kan dislokationerne også vandre omkring, hvor - ved der også sker en mere jævn fordeling af de dislokationer, der findes koncentreret i slipplanerne efter deformationen. Styrkeøgning ved kornforfining 4. 4 Også korngrænser virker hindrende på dislokationsbeveegelser, i hvert fald ved stuetemperatur. Ophobning af dislo - kationer mod en korngrænse skaber en lokal spændingstilstand, som er proportional med det ophobede antal dislokationer. Først når spændingskoncentrationen er stor nok, vi l den udløse slip på gunstigt orienterede slipplaner i nabokor - net. Der er grænser for, hvor tæt dislokationerne kan placer e sig ved en given forskydningsspænding, fordi ens dislokationer frastøder hinanden. Antallet af dislokationer, som ve d samme belastning hober sig op ved en korngrænse, vil vær e 51

52 større i et stort korn end i et lille korn, hvorved spændings - koncentrationen ved korngrænserne bliver større i de store korn. Et stort korn kan derfor udløse slip i nabokornet ved den laveste belastning, og det finkornede materiale har alt - så, alt andet lige, større styrke end et grovkornet. Finkornethed kan frembringes ved varmebehandling, hvi s der sker allotrope omdannelser, eller ved kolddeformatio n med efterfølgende rekrystallisation. For hovedtyperne af rustfrie stål gælder : I austenitiske stål er allotrope omdannelser undertrykt, o g disse stål kan derfor ikke gøres finkornede ved varmebehandling. Austenitiske stål er omvendt heller ikke særli g tilbøjelig til kornvækst ved varmebehandling, hovedsageligt på grund af den lave selvdiffusion i y-fasen. Kornvækst optræder ofte først ved temperaturer over 1000 C. I ferritiske stål er allotrope omdannelser også undertrykt, og de responderer derfor heller ikke på termisk finkorns - behandling. Kornvækst derimod er et større problem i ferrit end i austenit. Den mindre tætte atompakning i a-fasen tillader stor egendiffusion, hvilket betyder, at kornvæks t starter allerede fra omkring 600 C. Man må derfor tillegere metaller, der kan påvirke diffusionsforholdene, f.eks. molybdæn, der hæver rekrystallisationstemperaturen noget, samt små mængder titan eller niob, der giver inerte udfældninger, der nedsætter tilbøjeligheden for kornvækst, idet de»låser«korngrænserne. 4.5 Styrkeøgning ved hærdning og anløbnin g Som tidligere nævnt, vil en hurtigt afkølet austenitstruktu r kunne omdannes til martensit, der gør stålet hårdt og sprødt. Det er imidlertid de færreste rustfrie stål, der villigt lader sig hærde ved varmebehandling ; enten fordi austenitfasen er så stabil, at der ikke kan dannes martensit, selv ikk e ved lave temperaturer, eller fordi stålet består af ferrit, de r ikke omdannes til austenit ved forhøjet temperatur. Hærdning kræver altså en allotrop omdannelse, og den ka n kun finde sted i de martensitiske rustfrie stål med chromindhold mellem 12-18% og et vist kulstofindhold. Denne gruppe stål er til gengæld fuldt hærdbare og kan desuden også gøres finkornede ved varmebehandlingen. 52

53 Hærdningen foregår ved afkøling fra temperaturer, hvor de er austenitiske, og på grund af chrom- og evt. nikkelindhol d vil afkøling i luft ofte være tilstrækkelig. I hærdet tilstand er legeringerne meget hårde og sprøde, så man anløber de m ofte for at genvinde nogen sejhed. Ved anløbningen omdannes martensiten mere eller mindre til ferrit med fint fordelt e karbidpartikler i afhængighed af anløbingstemperature n (<700 C). Man skal undgå anløbing i temperaturintervallet C, fordi der kan opstå anløbningssprødhed. Styrkeøgning ved udskillelseshærdning Når dislokationer skal passere partikulære fremmedfaser, som ligger i grundmassens korn, må de bøje sig omkring dem og efterlade en afsnøret dislokationsring. Derved besværliggøres dislokationernes bevægelse, og materialet s styrke er tilsvarende øget, se figur Dislokationens bevægelsesretnin g 4. 6 Fig Illustration af, hvorledes e n dislokation skubbes forbi frem - medpartikler under afsnørin g af dislokationsringe. Den styrkeøgende virkning af en fremmedfase kan gøres be - tydeligt mere effektiv i visse legeringssystemer ved en udskillelseshærdning. Ved denne hærdemetode udskilles partiklerne i en meget findelt form ved et særligt varmebehandlingsforløb. Forudsætningen er, at legeringen udviser falden - de opløselighed af den ene komponent ved faldende temperatur, så det optræder i overmættet tilstand. Den nødvendige termiske proces kan beskrives således : 1. Homogeniseringsglødning, hvor materialet varmes op ti l ligevægt i en-faseområdet. 2. Bratkøling til stuetemperatur, hvorved fasestrukturen bevares, men nu er overmættet med hensyn til et eller fler e af legeringselementerne. Varmebehandling 1+2 kaldes opløsningsglødning. 53

54 3. Udskillelsesbehandling, hvor udskillelserne dannes i fin - delt form. For de rustfrie legeringer sker processen ved opvarmning til en temperatur, hvor udskillelsen sker med en passende lav, kontrollerbar hastighed. På grund af e n stor underafkøling fås en stor kimdannelseshastighed og derved mange meget fine udskillelser. Figur 4.11 viser skematisk strukturændringerne ved en udskillelseshærdning. a viser ligevægtsstrukturen ved almin - delig afkøling fra udgangsstrukturen. 0-fasen er udskilt som ret store partikler fortrinsvis beliggende i korngrænserne. b, c og d viser strukturændringerne ved udskillelseshærdningen. I d er udskillelserne stærkt overdrevet, idet de kun kan ses i et elektronmikroskop. Fig Strukturændringer ved udskillelseshærdning. a a a+ Ø a c Det er specielt aluminium-nikkel og kobberrige faser, der udnyttes i udskillelseshærdende stål ; de såkaldte PH-stål (PH = precipitation hardening = udskillelseshærdende). 4.7 Varmebehandling af rustfrit stå l Med varmebehandling menes her termisk påvirkning af en legering udover hærdning og anløbning. Også svejsninge r er undtaget, men ikke nødvendigvis den varmepåvirkning, der påføres grundmaterialet i forbindelse hermed. Varmebehandlingen kan føre til en uønsket eller ønske t ændring af materialets egenskaber i form a f sensibilisering, opløsningsglødning, stabilisering og rekrystallisation. Da der er stor forskel i de forskellige legeringers respons på varmebehandling, omtales legeringsgrupper derfor enkelt - vis. 54

55 Austenitiske stå l Som tidligere nævnt, kan de austenitiske stål ikke varmebehandles til større styrke. De kan heller ikke gøres finkornede, men på den anden side er de heller ikke særligt tilbøjelige til at blive grovkornede ved opvarmning. Kornvækst a f betydning optræder først ved temperaturer over 1000 C. Fig Skematisk fremstilling af chromgradient henover korngrænse. a: Opløsningsglødet. b: Karbidudskillelser på korn - grænse efter opvarmning ti l C. _ Sensibilisere t Stabiliseringsglødet _ Min. krom for bestandighed \ Karbidudskillelse 55

56 Sensibilisering kan forekomme i temperaturområdet C. Ved langsom opvarmning eller afkøling i dette ternperaturområde kan der udskilles chromkarbider i stålets korngrænser. Forudsætningen er, at stålet indeholder tilstrækkeligt med kulstof, til at karbidudskillelsen kan finde sted i den tid, stålet er i det kritiske temperaturområ - de. Chromkarbidernes sammensætning svarer til Cr23C 6, dvs. at seks kulstofatomer binder 23 chromatomer. Chromatomerne hentes fra det chrom, der findes i fast opløsning i legeringen. Chromindholdet falder derved i naboegnen, og hvi s det lokalt underskrider det, der svarer til 12%, er korngræn - serne ikke længere rustfri, se figur Der kan så ske så - kaldt interkrystallinsk korrosion, men de fysiske egenskabe r påvirkes ikke væsentligt. Fejlen kan rettes ved en opløsningsglødning til C i t/2-1 time, hvorved de udskilte karbider genopløses. Ved e n hurtig afkøling ned til 400 C vil der ikke være tid til nye ud - skillelser. Man kan også holde emnet i det skadelige temperaturområde, dvs C i længere tid. Derved vil der ske en ud - jævning af chromindholdet ved diffusion fra de mere chromrige zoner, hvorved korngrænserne igen bliver rustfrie, se figur Fig US-diagram for autenistiske 18/8 stål med varierende kulindhold. C 1000 Karbiddannelsen er afhængig af tid, temperatur og kulindhold. Karbiddannelse = risiko fo r interkrystallisk korrosion. Jo længere tid - desto større risiko ,10% C ,05% C 0,03% C 500 I 1 Tid Min. 56

57 Nedsat kulstofindhold nedsætter risikoen for udskillelser, o g med mindre end 0,03% C dannes der normalt ikke chromkarbider i skadelige mængder. Risikoen for chromkarbiddannelse kan aflæses af diagram som vist i figur Tillegering af molybdæn vil hæmme karbidudskillesen, dvs. forskyde kurverne til højre mod længere tider. Titan og niob har større affinitet til kulstof end chrom, så ve d at tilsætte disse stoffer dannes inerte metalkarbider, der ikke»stjæler< fra korrosionsbestandigheden. I visse tilfælde kan der ved længere tids opvarmning ogs å dannes sigmafase. Den har en kompleks, tetragonal struktur, som hovedsageligt består af lige dele chrom- og jernatomer. Sigmafasen har en tilbøjelighed til at udskilles i korngrænserne og kan føre til reduktion af sejhed. Figur 4.14 viser tid-temperaturdiagrammer for sigmafasedannelse fo r henholdsvis Mo-holdige (17 Cr - 14 Ni - 4 Mo) (18 Cr - 13 N i - 3 Mo) og ikke Mo-holdigt stål (18 Cr - 10 Ni). Det ses, a t uden Mo-indhold er tiden for start af sigmafasedannelse for - skudt helt ud mellem 1 01 og h. Ved at tillegere titan og ni - ob kan også de molybdænholdige rustfrie stål stabiliseres, s å sigmafase ikke dannes. o c Cr-14Ni-4M o 18 Cr - 13 Ni - 3 Mo Fig Sigmafasedannelse i 18/10 CrN i stål samt sigmafase - og/elle r chifasedannelse i 18/13/3 CrNiM o og 17/14/4 CrNiMo stål Cr-1ON i 700 Tid ' 10' 10 10' Time r Ferritiske stål Heller ikke de ferritiske stål kan varmebehandles til større styrke, ligesom de ikke kan gøres finkornede ved varmebe - 57

58 handling. Som tidligere nævnt kan kornvækst være et stor t problem i ferritiske stål. 475 skørhed optræder i ferritiske og halvferritiske rustfrie stål med Cr-indhold mellem 13% og 80% efter længere tids (ofte over 1 år) opvarmning i tempera - turområdet C. Herved udskilles sigmafase elle r komplekse chromrige forbindelser, der forårsager styrkeøgning ledsaget af en nedsættelse af sejheden og korrosionsbestandigheden. Fænomenet forsvinder igen efter opvarmning til godt 800 C, idet de udskilte faser genopløses, se figur Fig Sigmafasedannelse i ferritis k 14Cr og 25Cr stål samt i ferritaustenitisk 25/5 CrNi og 25/5/1, 5 CrNiMo stål loo n I praksis kan man regne 13%-chromstål som immune ove r for sigmafasedannelse, hvorimod 25%-chromstål i rekrystalliseret tilstand vil have nogenlunde samme inkubationstid for sigmafasedannelse som molybdænfrit austenitisk stål. Kraftig koldbearbejdning kan yderligere nedsætte inkubationstiden med en faktor %-chromstål er skøre allerede i leveringstilstanden, så dannelsen af sigmafase bidrager næppe til at forringe egenskaberne i så henseende. Opløseligheden for interstitielt opløste legeringsstoffer er ca. 10 gange mindre i ferritiske end i austenitiske rustfrie stål. Dette betyder, at tendensen til udskillelse af carbider, f.eks. (Fe, Cr) 23 C6 og nitrider, hovedsagelig Cr 2 N 1 er væsentligt større. Ved opvarmning vil nitriderne begynde at gå i opløsning ved omkring 850 C, og ved 1050 C er alt i fast opløsning med undtagelse af eventuelle carbider og nitrider af Ti, Nb og Ta. 58

59 Ved afkøling fra opløsningsglødningen udskilles carbidern e først, navnlig omkring og i korngrænserne. Nitriderne udskilles ved lidt lavere temperatur. Begge udskillelserne vil gøre stålet følsomt for interkrystallinsk korrosion. Risikoen foreligger for disse ståltyper normalt efter en opvarmning til over C, og udskillelserne kan ske i ternperaturintervallet ned til 600 C. Under denne temperatur e r diffusionshastigheden så lav, at der ikke er risiko for nye korngrænseudskillelser. Udskillelserne har normalt ingen væsentlig negativ effekt pa stålets mekaniske egenskaber, men giver risiko for interkrystallinsk korrosion. Fejlen kan ikke rettes ved opløsningsglødning og bratkøling som ved austenitiske rustfrie stål, både fordi dette ville med - føre uacceptabel kornvækst, og fordi udskillelserne p å grund af de gode diffusionsforhold i bcc-gitteret foregår s å hurtigt, at de ofte ikke kan undgås selv ved bratkøling. Derimod kan man ved opvarmning til C i min. opnå, at Cr diffunderer til de afchromede områder, hvorve d bestandigheden mod interkrystallinsk korrosion genoprette s ligesom ved de austenitiske legeringer, figur De ferritiske ståls tilbøjelighed til interkrystallinsk korrosio n kan nedsættes væsentligt ved at stabilisere med Ti, Ni elle r Nb som ved austenitiske stål. Der dannes herved inerte car - bider og nitrider, som ikke går i opløsning selv ved høj e temperaturer. En anden måde at nedsætte risikoen for dannelse af skadeli - ge karbider og nitrider er at anvende såkaldte ELI-stål (Ekstra low Interstitials) med C- og N-indhold på mindre en d 0,003% af hver. En anden grund til at holde lavt indhold a f kul og kvælstof er disse stoffers austenitstabiliserende virkning. I opløsningsglødet tilstand, hvor indholdet af C og N er i fast opløsning, vil stål med lave Cr-indhold, f.eks %, blive delvis austenitiske ved opvarmning med dera f følgende risiko for martensitdannelse ved afkøling. Dett e kan medføre en vis hårdhedsstigning og sprødhed i forbindelse med f.eks. svejsning. Martensiten kan naturligvis om - dannes ved anløbning, men dette vil ofte være en uacceptabel løsning på grund af kornvækst. 59

60 4.7.3 Ferrit-austenitiske stå l De ferrit-austenitiske stål har generelt en tendens til for - spredning ved langtidsopvarmning til mellem 300 og 900 C. Normalt vil en balanceret kemisk sammensætning af legeringerne udøve en rimelig sikkerhed mod sprødbrud selv efter flere års opvarmning, så det største problem for denne stålgruppe er højtemperatur-sigmafasedannelser, der kan starte allerede efter få minutters opvarmning afhængig af nikkel og molybdænindholdet. Da sigmafase kan have en altødelæggende indflydelse på nedbrydning af legeringen og på sejheden selv ved forhøjet driftstemperatur, skal de r altid udvises omtanke i forbindelse med varmebehandling i sigmafaseområdet. Reference r Ovenstående kapitel er et sammendrag af oplysninger i : K. Offer Andersen: Metallurgi for ingeniører. K. Offer Andersen, 4. udgave, Akademisk Forlag. Gösta Wranglen : Metallers korrosion och ytskydd. Almquist og Wicksell, Stockholm. Per Tenge : Dannelse af sigmafase i rustfri og varmebestandige stål, UHB Forskningscenter i Hagfors, Rapport nr Nyby Uddeholm : Cut, Form and Weld. Udgivet af Udde - holm, Glostrup. 60

61 Fysiske og mekaniske egenskaber 5 Materialernes såkaldte egenskaber er de kvalitative mål en konstruktør anvender, når han/hun skal foretage en analys e af, hvilket materiale der skal anvendes i en given konstruktion, hvor man i forvejen har undersøgt, hvilke påvirkninger de(t) indgående materiale(r) udsættes for under brug. Definitio n Disse påvirkninger har forskellig karakter : Mekaniske (statiske og/eller dynamiske ) Termiske (varme/kulde ) Korrosive Slidend e Mekaniske egenskaber I første omgang vil vi koncentrere os om de mekaniske på - virkninger. Generelt vil man henvise til et materiales styrke, når det drejer sig om at modstå (eller optage) ydre kræfter, men det er nødvendigt at udvide begreberne Alle materialer og konstruktioner kan gå i stykker. Dette hænger sammen med, at materialer er opbygget af atomer, som er bundet sammen af bindinger med en endelig styrke. Er det muligt at fastholde et materiale og trække/trykke med tilstrækkelig kraft, vil det gå itu. Spørgsmålet er blot, hvornår? Nu er der forskel på konstruktioner og størrelsen af påvirkninger, og da det ofte er de samme materialer, som finder anvendelse i flere slags emner, er det nødvendigt at gøre d e sammenlignelige størrelser for materialerne uafhængige a f komponenternes endelige størrelse. Derfor taler man om, at ydre påvirkninger resulterer i spændinger i materialet, og a t materialet af denne grund påføres en tøjning. Her er spænding et udtryk for kraft pr. arealenhed, og tøjningen er de n relative dimensionsændring af emnet. I en kompliceret konstruktion vil der optræde spændinger af forkellig størrelse ligesom de geometriske variationer som følge af ydre belastninger vil være af forskellig størrelse afhængig af hvilken de l af konstruktionen man betragter. Spændinger og tøjninge r 61

62 Det er klart, at det for en konstruktør er interessant at vide, hvordan det færdige emne opfører sig under de forventede belastninger. Derfor må der ikke optræde spændinger som får emnet til at gå itu ved første anvendelse ej heller må de r optræde tøjvinger af en størrelsesorden, der gør anvendels e umulig. Hertil anvender man sammenligning med kendte materialedata. Disse vil nemlig give oplysninger om, på hvilken måd e et emne reagerer på de ydre belastninger i form af tøjvinger. Stål deformeres enten elastisk eller plastisk. I det første tilfælde genvinder materialet sin oprindelige form, når belastningerne fjernes, idet andet tilfælde vil belastningen bliv e fulgt af en blivende deformation. Den første vigtige mekaniske egenskab er således elasticite - ten. Denne afhænger af styrken af de indbyrdes bindinger mellem atomerne i materialet. Bindingerne kan sammenlignes med fjedre, hvor det således er fjerderkonstanten, de r afgør elasticiteten, dvs. hvor langt atomerne kan fjernes fra hinanden ved en given kraft. Stål indeholder som bekendt væsentligst jern, hvorfor det er bindingerne mellem jernatomerne, som bestemmer stålets elasticitet. Tillegering af andre elementer ændrer ikke nævneværdigt herpå. Elasticitetsmodulet Elasticiteten kvantificeres ved elasticitetsmodulet E. Nærme - re beskriver denne talstørrelse sammenhængen mellem pålagt kraft og resulterende deformation i det elastiske områ - de. Relationen er kendt som Hooke's Lov Q=E e hvor a er spændingen og e tøjningen i det betragtede tvær - snit. Flydespændingen Når belastningen af materialet bliver så stor, at enkelte a f atomplanerne i krystalgitteret begynder at kunne forskydes i forhold til hindanden, vil materialet deformeres plastisk. Den spænding, hvorved dette sker, kaldes flydespændingen. Denne varierer fra ståltype til ståltype, idet mikrostrukturen har stor indflydelse på atomplanernes evne eller rette - re muligheder for at flytte sig relativt til hinanden. Hvis materialet var såkaldt idealt plastisk ville belastning til flydegrænsen betyde, at man ved denne belastning ville 62

63 kunne påføre emnet nærmest uendelige deformationer. Imidlertid er dette ikke tilfældet, og det såkaldte slip melle m atomplanerne, som udgør deformationsmekanismen, hind - res efterhånden, som flere og flere slipplaner mødes. Dette er en forenklet beskrivelse af begrebet deformationshærdning, nærmere omtalt i afsnit 4.3, men effekten heraf er, at det bliver nødvendigt med øget belastning for yderligere de - formation. Flydegrænsen er ikke lige veldefineret for alle ståltyper. Ofte ses en gradvis overgang fra elastisk til plastisk deformation. Teknologisk er flydespændingen derfor også defineret so m den spænding, ved hvilken stålet kan påføres en 0.2% blivende forlængelse. Denne kaldes derfor 0.2-spændingen 0.2-spændinge n Rp.2 I visse tilfælde regnes tillige med en 1%-spænding RI0, alts å den spænding, hvorved materialet påføres 1% blivende forlængelse. Den maksimale kraft, der skal pålægges, før atombindingerne begynder at brydes, og der indtræffer plastisk instabilitet, svarer til materialets trækstyrke Rm,. Deformationshærdningen betyder også sammenlignet med det ideale tilfælde, at materialet får en maximumværdi fo r forlængelsen, den såkaldte brudforlængelse. Denne størrelse er altså et mål for materialets strækkeevne, også kalde t duktilitet. Er en høj duktilitet forbundet med høj trækstyrke, kaldes stålet sejt. De ovennævnte egenskaber fastlægges for de enkelte rustfri e ståltyper ved en såkaldt trækprøvning. Her udsættes et stangformet emne for et træk i længderetningen, og ve d hjælp af kraftmåleudstyr og forlængelsesmåler kan materialets såkaldte arbejdslinie optegnes. På figur 5.1 ses en typisk arbejdslinie eller trækkurve for et stål med de enkelte kende - tegnende værdier markeret. Trækstyrk e Brudforlængelse n Arbejdslini e Ud fra trækprøvningsresultatet kan man definere nogle begreber, som ofte anvendes om stål : et duktilt materiale udviser stor forlængelse før bru d et sprødt materiale har derimod lille brudforlængels e et sejt materiale er både duktilt og har høj trækstyrke 63

64 Rmt R0, 2 Rmt Re H Re L nedre flydegrænse i ---i forlængelse under flydning ~I I 0,2% A tøjning [% ] e Fig Arbejdslinie for (a) stål uden flydeområde og (b) stål med flydeområde, f. eks. kulstofstål. De værdier, man møder i opslagsværker for ståls mekanisk e egenskaber, er typisk gældende ved 20 C. Ved forhøjet temperatur vil man opleve et fald i stålenes styrke, både flydespænding og trækstyrke. Duktiliteten vil derimod i de fleste tilfælde øges. Visse tabelværker beskæftiger sig også me d materialernes styrke ved forhøjede temperaturer. Hårdhed En ofte omtalt egenskab hos rustfrie stål er materialets hårdhed. Specielt når et emne udsættes for slidende påvirkninger, er en stor hårdhed, i alt fald i emnets overflade, ønske - lig. Egentlig er hårdheden ikke nogen entydig egenskab hos et materiale, den er snarere et produkt af flere egenskaber - de ovenfor omtalte. Hårdheden måles ligeledes på flere for - skellige måder, som hver især måler forskellige kombinationer af egenskaber, hvorfor sammenligning af hårdhedsværdier opnået med forskellige metoder er noget, man skal væ - re varsom med. Hårdhed måles ved ridsetest reboundtes t indtrængningstes t Den første anvendes udelukkende til mineraler og skal ikke beskrives nærmere her. Den anden metode bygger på princippet om at måle en kugles tilbagespring fra emneoverfla- 64

65 den, når dens slagenergi er kendt. Jo hårdere materialet er, jo højere er tilbagespringet. Den målte hårdhed er sålede s afhængig af materialets elasticitet og plasticitet. De samme egenskaber har indflydelse på resultatet af indtrængningstestene, hvor Brinell-, Vickers- og Rockwell-metoderne er de mest kendte. Alle har de deres særpræg, o g sammenligning mellem resultater opnået ved de enkelte prøvninger skal man være varsom med. Der er dog lavet omsætningstabeller fra en skala til en anden, men disse e r meget afhængige af materialet og må derfor ikke betragte s som generelle. De ovennævnte mekaniske egenskaber er udtryk for et materiales styrke ved kortvarig, statisk belastning. Trækprøvningsforsøget er dog af natur ikke statisk, men den hastig - hed, hvormed materialet strækkes, er dog så lav, at egenskaberne som måles regnes for stålets statiske egenskaber. Faktisk har den såkaldte tøjningshastighed nogen betydning fo r trækprøvningsresultatet, idet den ovennævnte deformationshærdning vil blive mere udtalt ved højere træk-hastighed. Man vil typisk måle større trækstyrke og mindre brud - forlængelse. I det elastiske område er der ingen forskel. Ved andre belastningstyper end statiske er det nødvendig t at tage hensyn til andre mekaniske egenskaber. De deformations- og brudformer, som der her tænkes på er : Slagpåvirkninger (kortvarigt, dynamisk ) Udmattelsespåvirkning (langvarig, skiftende belastning ) Krybning (langvarig, statisk belastning ) Slagpåvirkninger Ståls evne til at modstå slagpåvirkninger er en vigtig egen - skab. Imidlertid er det en kvalitativ egenskab, dvs. der kan ikke umiddelbart sættes tal på. Dette hænger sammen med, at mange faktorer har indflydelse på, hvorvidt et rustfrit stå l har tendens til sprødbrud eller ej. Det sprøde brud er karakteristisk ved forholdsvis lavt energiforbrug som følge af udeblivelsen af plastisk deformation samt meget hurtig revnedannelse. Derfor er det den brudtype, en konstruktør bør frygte mest, idet konsekvenserne ka n være katastrofale. 65

66 Alle stål kan optræde sejt og sprødt - det afhænger blot af omstændighederne. Brudmekanismen, som blev beskreve t tidligere, det såkaldte slip, er karakteristisk for det seje brud. Forhindres slip, vil et brud foregå sprødt uden nævneværdig deformation. Faktorer med indflydelse herpå er : lav temperatur spændingstilstande n deformationshastighede n materialets krystalstruktur Rustfrie ståls krystalstruktur er afhængig af legerinssammensætningen enten ferritisk, austenitisk, martensitisk elle r ferritisklaustenitisk (duplex-stål). Kun for den ferritiske krystalform er brudtypen stærkt afhængig af temperaturen. Omslagstemperatur Materialerne har en såkaldt omslagstemperatur, ved hvilken brudtypen skifter fra sprødt til sejt. For konstruktøren er kend - skab til denne temperatur af afgørende betydning for valget af det rette materiale til et givet formål. Omslagstemperaturen er udover krystalformen afhængig af en række andre metallurgiske forhold, her skal kort nævnes kornstørrelse, indhold af legeringselementer, strukturelementer og renhed af stålet. Fig Kærvslagstyrkens afhængighed af temperaturen for nogle stå l samt nikkel Nikke l 0,01% C-stå l 0,4% C-stå l ,6% C-stå l C Temp. Slagsejhe d Ståls slagstyrke eller slagsejhed afprøves normalt ved kærv - slagprøver, hvor den nødvendige energi til at knække et kend t prøveemne registreres. Omslagstemperaturen findes ved at foretage prøvninger af samme materialer ved en række temperaturer over og under frysepunktet. I tabelværker er oft e angivet det nødvendige energiforbrug ved stuetemperatur Udmattelsespåvirkninge r Udmattelse eller metaltræthed er årsag til en meget stor de l % - af samtlige havarier i maskinkonstruktioner. Ofte 66

67 er spændingsniveauet i en sådan konstruktion under flyde - grænsen, men sker belastningen pulserende, enten so m træk-tryk, rotation eller vridning, kan der efter en vis ti d dannes revner, som efterhånden vil vokse hurtigere og hurtigere for endelig at resultere i et brud. Den mekanisme som er årsag til revnestarten og som alts å finder sted i det elastiske område, skal ikke beskrives nærmere her, men den bygger på at ingen materialer er ideal - elastiske som følge af uundgåelig tilstedeværelse af mikro - skopiske uregelmæssigheder. Dermed fås små lokale defor - mationer, som med tiden kan vokse til revner. Udmattelsesbruddet er meget karakteristisk. Som regel in - deholder brudfladen nogle årringe-lignende linier (hvilelinier), som angiver udmattelsesrevnens vækst. Ofte kan vækst - retningen bestemmes, og udfra restbruddets placering ka n brudstarten lokaliseres. Som regel er brudstarten deformationsfri, i hvert fald set med det blotte øje. Som ovenfo r nævnt har der været deformationer på mikroniveau. Rest - bruddet kan være enten sejt eller sprødt. Udmattelsesegenskaberne for stål er beskrevet ved udmattelsesgrænsen. Denne bestemmes ud fra prøvninger, hvo r sammenhørende værdier af spænding i prøveemnet og be - lastninger til brud registreres. Derved fremkommer et såkaldt Wöhler-diagram. Over kurven (forøget spænding) vil materialet havarere ved udmattelse ved et givet antal belast - ninger, under kurven vil der ikke ske brud. For lavtlegered e stål er Wöhler-kurverne forsynet med et karakteristisk knæk Udmattelsesgrænse n R N/mm z Fig Wähler-diagram. Pilene angiver, at prøveemnet ikke var brudt, så prøvningen kunne have fortsat " ' Antal belastninge r 67

68 mellem 10' og 1 09 belastninger. Kurven bliver herefter vand - ret, og dette niveau markerer udmattelsesgrænsen. Nogle materialer, bl. a. aluminium, har ingen udmattelsesgrænse, her angives udmattelsesstyrken som den spænding som vi l føre til brud efter 10' belastninger. En anden afbildningsform, som tjener til at få overblik ove r et materiales udmattelsesstyrke ved forkellige spændings - kombinationer er Smith-diagrammet. Heri kan aflæses, hvil - ken maksimal spænding et svingningsbelastet materiale kan tåle ved forskellige middelspændinger. I et koordinatsystem afsættes maksimum- og minimuspændingen som funktio n af middelspændingen, og gennem disse punkter trækkes to kurver som vist. Ved at trække en linie under 45 gennem nulpunktet fremgår det, at denne for alle spændingskombinationer repræsenterer middelspændingen, hvorfra spændingsudslaget afsættes lodret op og ned. De kombinationer, som ligger inden for grænselinierne vil således ikke føre ti l udmattelsesbrud. R Rmdl. A B C D E Fig Konstruktion af et Smith-diagram. De viste belastningsbilleder A,B,C og D er grænseværdier, hvor materialet kan tåle et ubegrænset antal belastninger. Ydre påvirkninger har indflydelse på et materiales udmattelsesstyrke. For stål gælder bl.a., at korrosion i forbindels e med dynamiske udmattelsespåvirkninger eliminerer udmattelsesgrænsen, og den tilladelige belastning dermed ved - bliver at falde, efterhånden som antallet af belastninge r øges, som tilfældet er for aluminium ved den generelle udmattelse, se figur

69 a b polere t slebe t Fig Overfladebeskaffenheden s indflydelse på udmattelsesstyrken for konstruktionsstål. Styrkereduktionen er angivet i procent i forhold til de n polerede prøvestangs styrke Trækstyrke, Rmt kp/mm2 Som ovenfor nævnt kan udmattelsesrevner starte ved belastninger under flydegrænsen. Det skal dog fremhæves, at de r her i mange tilfælde kun tages hensyn til nominelle spændinger, dvs. kraft pr. arealenhed, i konstruktioner, hvorve d overvejelser vedrørende spændingskoncentrationer udelades. Da udmattelsesrevner i langt de fleste tilfælde starter i overfladen, er overfladekvaliten både hvad angår geometri, forarbejdning og mikrostruktur afgørende. Der optræde r spændingskoncentrationer ved alle størrelser diskontinuiteter i overfladen, hvorfor en konstruktør må være opmærksom på denne risiko. Krybnin g Den sidste belastningsform, som her skal omtales for at be - skrive rustfrie ståls egenskaber, er den langvarige, statiske 69

70 belastning. Den nominelle spænding i en krybebelastet komponent er under flydegrænsen, dvs. i det elastiske område, men under indvirken af temperaturen er det muligt med tiden at opnå plastisk deformation. Det skal fastslås, at der er tale om høje temperaturer, typisk over 450 C. Mekanismen bag begrebet krybning er en kombination a f diffusion, slip og korngrænseglidning. Den forhøjede temperatur og den meget lave tøjningshastighed betyder, at effekten af deformationshærdning udlignes. Strækningen a f materialet betyder i de sidste stadier af krybning dannelse a f mikroporer i materialets korngrænser. Disse vil med tiden vokse sammen til mikrorevner, hvorefter brud forholdsvi s hurtigt vil indtræffe. Krybestyrk e Materialernes krybestyrke bestemmes ved langtidsforsøg og er som det fremgår temperaturafhængig. Typisk angive s styrken som funktion af temperaturen og tid til brud, f.eks eller timer, se tabel De rustfaste stals mekaniske egenskabe r De forskellige typer rustfrie stål adskiller sig væsentligt fra hinanden med hensyn til styrkeegenskaberne. Forskellene er bestemt af krystalstrukturen og af sammensætningen. Figur 5.6 viser forskellige typiske arbejdslinier for de rustfri e stål. Fig Arbejdslinier for de rustfast e stål-typer, prøvestang ø5 mm. Martensitiskstål ( ) Hærdetoganløbet Ferritisk-austen itisk stål (d up lex) ( ) Austenitiskstål ( ) 0 5 Tøjning Ferritiske stål De ferritiske stål har nogenlunde samme mekaniske egenskaber som ulegerede kulstofstål med tilsvarende kulstofindhold. Flydegrænsen ligger dog højere for de rustfaste stå l 70

71 Tabel 5.1 Flydespænding, heros, 1%-spændingen, al, og krybebrudstyrken a B ved henh og timer for forskellige temperaturer. Materiale : martensitisk rustfast X20CrMoV121 (1.4922) Beregningstemperatur, C as') mind. x ) abi ) Flydespænding, 1%-spænding, krybebrudsstyrk e 2 x ) kp/mm 26,7 24,0 21,5 19,0 16,9 14,8 13,0 11,4 10, 0 N/mm ab ) kp/mm , 2 N/mm kp/mm2 N/mm2 kp/mm2 N/mm 2 31,1 29,9 28, ,2 29,5 27,1 24,5 22,3 20,1 18,0 16,1 14, ,0 35,7 33,0 30,5 28,0 25,6 23,5 21,5 19, kp/mm2 31,5 29,0 26,5 24,0 21,5 19,0 17,0 15,0 13, 0 N/mm ,0 26,7 24,2 21,9 19,5 17,0 15,0 13,1 11, 3 ab ) kp/mm N/mm ) For tykkelser op til 80 mm, for større dimensioner efter aftale. 2) Middelværdi ,7 11,3 9,9 8,7 7, ,5 15,7 13,9 12,1 10, ,8 7,6 6,5 5,5 4, ,4 9,8 8,4 7,1 6, ,8 8,3 7,0 5,9 4,

72 ved høje temperaturer. Omslagstemperaturen ligger for d e ferritiske stål omkring stuetemperatur, hvilket begrænser anvendelsen af disse materialer til højere temperaturer. He r skal man dog også være opmærksom på sprødhedsfænomener specielt omkring 475 C og C. Martensitiske stå l Austenitiske stå l Duplex-stål De martensitiske ståls hårdhed og styrke afhænger af kul - stofindholdet. Derfor svarer de mekaniske egenskaber i lig - hed med de ferritiske stål til ulegerede kulstofstål med tilsvarende kulstofindhold. Slagsejheden er lav omkring stuetemperaturen. De austenitiske stål, som anvendes i størst udstrækning, er kendetegnet ved lav flydespænding, stor forlængelse, hø j slagsejhed og stort interval mellem flydespænding og træk - styrke. Slagsejheden bevares også ved lave temperaturer - dette skyldes krystalformen FCC, som bevares i materialet på grund af nikkelindholdet. De austenitiske stål har krafti g tendens til deformationshærdning, hvilket betyder at materialet kan kolddeformeres til betydelig styrke. Endelig er duplex-stålene kendetegnet ved høj flydespænding og slagsejheden ligger mellem værdierne for de ren t ferritiske og rent austenitiske. Ved større ferritandele er slagstyrken lav. I tabel 5.2 gives en oversigt over, hvilke mekaniske egenska - ber, der kendetegner de forskellige typer rustfaste stål. Trækstyrke N/mmz Tabel 5.2 Typiske minimumsværdier for mekaniske egenskabe r Flyde - spændin g N/mme Brudforlængelse % Slagsejhe d J Hårdhe d HB Udmattel - sesgræns e N/mmz Ferritiske stål Austenitiske stål Martensitiske stål Duplexstål Det må bemærkes, at de tabellerede værdier er minimumværdier for de enkelte typer, som de er specificeret i standarderne og øvrige opslagsværker. Det er således muligt at finde ståltyper med mekaniske egenskaber, som ligger over d e 72

73 anførte. Dette skyldes, at de enkelte undergrupper består af en lang række stål, alle med forskellige mekaniske egenska - ber. Fysiske egenskaber Udover de mekaniske påvirkninger, som et materiale ska l kunne modstå i en given konstruktion uden at havarere ind - enfor en acceptabel tidsramme, er det også nødvendigt at ta - ge hensyn til andre fysiske påvirkninger, som kan influere på materialets formåen. 5.2 Her tænkes på følgende : Varmeegenskaberne (specifik varme, varmeledningsevn e og termisk udvidelse) Elektrisk ledningsevn e Magnetiske egenskabe r Varmeegenskaber Den specifikke varme angiver den varmemængde som er nødvendig for at opvarme materialet 1 C. Som de to andre varmeegenskaber er den specifikke varme relateret til de en - kelte atomers svingninger omkring ligevægtstilstanden i kry - stalgitteret. Varmeledningsevnen hænger ligeledes sammen med atomerne svingninger omkring ligevægtspositionen. Dette kan forklares ved at betragte en stålstang, som opvarmes i den ene ende. Her vil atomernes udsving blive større, og diss e vil forplantes til naboatomerne og så fremdeles. Frie elektroner vil også transportere varme ligesom elektrisk lad - ning. Specifikke varm e Varmeledningsevne n Varmeledningsevnen er følsom overfor tilstedeværelsen a f urenheder i materialet, hvorfor der er en vis sammenhæng med materialekvaliteten og legeringssammensætningen. Den termiske udvidelse hænger sammen med, at samtidig med at de enkelte atomer svinger med større amplitude ve d forøget temperatur, ændres deres ligevægtsposition. Det en - kelte krystal vokser altså ved forøget temperatur. Den termi - ske udvidelse er proportional med temperaturen, hvilket de - finerer længdeudvidelseskoefficienten. Termiske udvidelse Længdeudvidelseskoefficiente n 73

74 Ledningsevne Elektrisk ledningsevne er ligesom varmeledningsevnen afhængig af de frie elektroner i materialet. Derudover er hø j renhed af metallet afgørende. Jern er elektrisk ledende, me n specifik modstand den specifikke modstand, som bruges som mål for lednings - evnen er ca. 10 gange så stor som for rent kobber. Den speci - fikke modstand er det reciprokke af ledningsevnen. For d e fleste stål er den specifikke modstand i størrelsesordenen Sl mme/m. Magnetiserbarhed Magnetiserbarhed er en egenskab, som alle metaller besid - der, men udover nikkel og kobolt er det kun jern, som råde r over en såkaldt spontan magnetisering, dvs. materialet op - træder magnetisk uden at være udsat for et magnetisk felt. Materialerne siges at være ferromagnetiske. Imidlertid optræder magnetiseringen i f. eks. en jernstang forskelligt i forskellige områder af stangen, hvorfor det samlede magnetiske felt er ganske svagt. Pålægges stangen et magnetisk felt, vil magnetiseringen i de enkelte områder ensrettes og hel e stangen magnetiseres. Magnetiseringen falder med stigende temperatur, og når den såkaldte Curie-temperatur nås, forsvinder den spontan e magnetisering. For rent jern sker dette ved 769 C. Det er her værd at bemærke, at de austenitiske rustfaste stå l ikke er magnetiserbare. Massefyld e g/cm3 Tabel 5.3 Fysiske egenskaber for rustfaste sta l Varmeled - ningssevne W/m K Varmefylde J/g K Specifik modstan d Stmm2/m Længdeudvidelseskoefficient cm/cm K Magnetiserbart Ferritiske stål j a Austenitiske stål ne j Martensitiske stål j a Duplexstål ja 5.3 Præsentation af data - hvor findes d e Afhængig af ståltypen er antallet af mekaniske egenskaber, som det er muligt at fremskaffe oplysninger om, forskelligt. De standarder som klassificerer stålene omtaler ofte kun egenskaber som de ovenfor tabellerede - undtagen udmat - 74

75 telsesstyrken - og som oftest blot ved stuetemperatur. Søge r man yderligere oplysninger, findes der udover standardern e en del tabelværker, som kan hjælpe. Disse søger hver især a t samle oplysninger fra såvel standarder som leverandørangivelser og forskningsresultater. De mere kendte er : METALS HANDBOOK (udgives af American Society o f Metals, Metals Park, Ohio). 17 bind. Indeholder både materialedata og diskussion af anvendelser samt beskrivelser a f varmebehandling, overfladebehandling etc. Et meget værdi - fuldt opslagsværk. WERKSTOFFHANDBUCH STAHL UND EISEN (udgives a f Verein Deutscher Eisenhüttenleute). Håndbog i løsbladssystem omhandlende materialedata, metallurgiske aspekter o g anvendelser. ATLAS ZUR WÄRMEBEHANDLUNG DER STÄHLE (udgi - ves af Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf). Omhandler specielt varmebehandling og effekter heraf fo r sædvanlige konstruktionsstål. STAHLSCHLÜSSEL (udgives af Verlag Stahlschlüssel). Indeholder oplysninger om sammensætning, mekaniske egen - skaber og varmebehandlingsmuligheder samt anvendelser for næsten alle typer stål. Byder endvidere på sammenligningsmuligheder mellem forkellige landes stål-normer. MATERIALS SELECTOR (årligt specialhæfte fra tidsskriftet Materials Engineering, Reinhold Publ. Corp, New York). Omfatter sammenligninger både grafisk og i tabelform over alle materialer (metalliske og ikke-metallliske) specielt ind - rettet på konstruktørens behov. Er de oplysninger man søger af speciel karakter, kan det væ - re nødvendigt at undersøge, hvorvidt der er udført forskningsarbejde om emnet. Her er tidskriftslitteraturen anvendelig, og oplysninger om relevante artikler fås nemmest fr a de tekniske biblioteker, som både råder over opdaterede registre over udgivelser indeholdende kortfattede beskrivelse r af de videnskabelige arbejder (f. eks. METALS ABSTRACTS ) samt adgang til materialedatabaser. Materialedatabase r 75

76 6 Legeringstyper 6. 1 Legeringselemente r Rustfrit stål fremstilles i et utal af forskellige legeringstype r med forskellig sammensætning, hvorfor det i praksis ka n være svært at danne sig et overblik over mulige legeringstyper til en bestemt anvendelse. Det talstærke udbud betyder også, at det ofte kan være svært at gennemskue om det leverede stål nu også er i overensstemmelse med det bestilte stål. For at få et overblik er det nødvendigt at gruppere stålene. Set ud fra en metallurgs synspunkt grupperer man stålene i forhold til deres mikrostruktur. Mikrostrukturen Mikrostrukturen afspejler stålets kemiske sammensætnin g og dets varmebehandling, hvilke er de to afgørende faktorer for stålenes egenskaber - mekaniske såvel som korrosions - mæssige. Med udgangspunkt i mikrostrukturen taler man om 5 ho - vedgrupper inden for rustfrie stål. Disse grupper er (so m nævnt i kapitel 4 ) ferritiske stå l austenitiske stå l duplex stål (også kaldet ferritisk-austenitiske stål ) martensitiske stål udskillelseshærdende stål Til at vurdere legeringselementernes indflydelse på mikrostrukturen anvendes ofte»schaeffler-diagrammet«, so m vist i figur 4.9 (diagrammet er nærmere omtalt i kapitel 4). Schaeffler diagrammet viser strukturen af et korrekt varme - behandlet rustfrit stål som funktion af henholdsvis Chrom - ækvivalenter og Nikkel-ækvivalenter. Mikrostrukturen i et rustfrit stål har stor betydning for de fysiske og mekaniske egenskaber, som omtalt i kapitel 4 og 5. Indenfor en bestemt mikrostruktur har selve koncentratio- 76

77 nen af legeringselementerne naturligvis også indflydelse p å egenskaberne. Legeringselementernes koncentrations betydning (inden for en bestemt mikrostruktur) er dog nok tydeligst i forbindels e med stålenes korrosionsmæssige egenskaber. Korrosionsegenskaberne deles typisk op i forhold til de 4 mest udbredte korrosionsformer, som e r generel korrosion (syrekorrosion ) lokalkorrosio n spændingskorrosio n interkrystallinsk korrosio n De afgørende legeringselementer, der bestemmer lokalkorrosionsbestandigheden er chrom (Cr), molybdæn (Mo) og nitrogen (N). En grov rangordning af forskellige legeringer s bestandighed mod lokalkorrosion kan opnås ved at udregn e PRE-værdien (engelsk : Pitting Resistance Equivalent) for legeringen. PRE-værdien er givet so m PRE-værdie n PRE = %Cr x %Mo + 16 x % N Jo højere PRE-værdi desto højere er legeringens modstands - dygtighed mod lokalkorrosion, som typisk opstår på grund af chlorider i det omgivende miljø. Generel korrosion (også kaldet syrekorrosion) opstår i relation til rustfrie stål udelukkende i stærkt sure opløsninger - typisk med ph mindre end 2. De væsentligste legeringselementer, der modvirker generel korrosion, er nikkel (Ni), molybdæn (Mo) og kobber (Cu). Spændingskorrosion forårsaget af chlorider ses næsten udelukkende i austenitiske legeringstyper. De væsentligste elementer, der modvirker denne korrosionsform er - forude n nikkel (Ni) - de samme legeringselementer, som øger bestandigheden mod lokalkorrosion, det vil sige chrom (Cr), molybdæn (Mo) og nitrogen (N). Interkrystallinsk korrosion er egentlig udtryk for at stålet ha r fået en uheldig varmebehandling, idet der i korngrænsern e er udskilt chromcarbider. Legeringselementer, der modvirker denne udskillelse er titan (Ti) eller niob (Nb). Generelt Generel korrosio n Spændingskorrosion Interkrystallinsk korrosio n 77

78 vil en høj lokalkorrosionsbestandighed dog også medvirk e til at mindske de korrosionsmæssige konsekvenser af udskilte chromcarbider, hvorfor elementerne chrom (Cr), molybdæn (Mo) og nitrogen (N) også kan siges at modvirke interkrystallinsk korrosion. Der findes iøvrigt et par undersøgelser, som antyder at molybdæn og nitrogen decidere t hæmmer væksten af chromcarbiderne. I figur 6.1 er legeringselementernes betydning for struktur (se også Schaefler-diagrammet, figur 4.9) og korrosionsbestandighed skitseret. Fig Legeringselementernes indflydelse på korrosionsbestandighed og mikrostruktur. Mikrostruktur Korrosion Austenit Lokal korrosions-! ~ bestandighed Ni,C Cr, N, N,Mn Mo Rustfrit stå l Fe, Cr, Ni, Mo, Cu, N, C, Ti, Nb, S, Si, Mn Ni, Mo, Cu Generel korrosions - bestandighe d Ni, Mo, Cr Spændingskorrosionsbestandighe d Ti. N b Ferri t Bestandighed mo d interkrystallins k korrosio n Klassificeringer og benævnelse r Generel t Stål klassificeres efter mange vidt forskellige principper, så - ledes kan man f.eks. klassificere rustfrie stål ud fr a den kemiske sammemsætning (legeringssammensætningen ) overfladefinishen ; f.eks. varmvalset og koldvalse t produktformen; f.eks. rør, plade, stang, tråd styrkeforhol d mikrostruktur; ferrit, austenit, duplex m.v. (se ovenfor ) 78

79 Det mest normale udgangspunkt for en klassificering er dog den kemiske sammensætning, men også produktform o g mikrostruktur anvendes. En kemisk sammensætning baserer sig på den procentvis e fordeling af legeringselementerne i en makroskopisk del af det rustfrie stål, det vil sige den nominelle sammensætning. En ikke ligelig fordeling af legeringselementerne i forskellig e faser afspejles således ikke i den kemiske sammensætning. Kemisk sammensætnin g Eksempelvis vil et austenitisk-ferritisk (duplex-stål) ikke ha - ve en ensartet fordeling af legeringselementerne i de to fa - ser, men selve legeringssammensætningen afspejler kun en vægtet middelværdi af koncentrationen af legeringselementerne i de to faser, austenit og ferrit. De mest brugte systemer til klassificering af rustfrie stål e r standardsystemern e Klassificering af rustfrie stå l SAE-AISI betegnelsen, DIN betegnelsen (Werkstoff nummer ) UNS betegnelse n SS betegnelsen Disse forkortelser uddybes nærmere nedenfor. Det bør bemærkes, at systemerne til at klassificere legerings - sammensætninger med, afhænger af hvorvidt der er tale o m smedede eller støbte emner samt i visse tilfælde også, hvilket produkt stålet skal anvendes til. Der er naturligvis et vist overlap inden for de enkelte systemer, men klassificeringerne er dog sjældent identiske, hvor - for man skal sammenligne forskellige klassifikationer med stor varsomhed. Løvrigt bør det bemærkes, at en klassificering ikke må forveksles med en egentlig specifikation. Klassificeringen tjener kun til genkendelse af en bestemt type stål, men indeholder ikke nogen krav til materialet til forskel fra en specifikation, der typisk angiver klassificering samt krav til styrkeegenskaberne samt eventuelt krav til overfladefinish. Endvidere vil en specifikation indeholde forskrifter for kontrol o g en definition af acceptable afvigelser. Kort sagt er en klassificering kun en lille del af en specifikation for et stål til en giv - en anvendelse. Klassificering må ikke forveksle s med en specifikatio n 79

80 Klassifikation efter SAE-AISI Den vel nok bedst kendte rustfrie stål klassifikation er det såkaldte AISI-nummer. AISI står for»american Iron and Steel Institute«, som i midten af dette århundrede startede på at specificere sammensætningen af»standard«stål og legeringer inden for smede - de emner (d.v.s. plader, bånd, rør og tråd m.fl.). Tilforordning af AISI-nummer Vurderingen af, hvorvidt en specifik stålsammensætnin g kunne betegnes som et»standard«stål og dermed skulle tilforordnes et AISI nummer afhang blandt andet af produktionsmængden i en given periode af det aktuelle stål og antallet af producenter. Det er derfor langt fra alle rustfrie stål som har et AISI-nummer, men kun de mest udbredte legeringssammensætninger. For en del år siden er AISI ophørt med at klassificere stålsammensætninger, hvorfor nyudviklede stålsammensætninger inden for de sidste ca. 20 år ikke har og aldrig vil få e t AISI nummer! AISI-numrene Legeringssammensætningen AISI-serierne AISI-numrene for rustfrie stål udgøres af et 3-cifret numme r samt eventuelt et eller to tillægsbogstaver, det vil sige AIS I xxxaa, hvor xxx er det obligatoriske trecifrede løbenummer og AA er de mulige tillægsbogstaver (f.eks. L, LN, H m.fl.), som bliver benyttet til specielle legeringer. Legeringssammensætningen, som defineret af AISI-nummeret, indeholder en angivelse af max. og min. koncentrationen af hovedlegeringselementerne chrom (Cr) og nikkel (Ni) samt de traditionelle legeringselementer silicium (Si), phosphor (P), svovl (S) og kulstof (C). Endvidere kan specifikationen indeholde tilsvarende oplysninger om andre væsentlige legeringselementer som f.eks. molybdæn (Mo), nitrogen (N) og kobber (Cu). I tabel 1 ses en liste over et udvalg af AISI betegnelser fo r rustfrie stål. Som det ses er 200 og 300-serierne næsten udelukkende austenitiske stål, mens 400-serien dækker ferritiske og martensitiske stål. De udskillelseshærdende rustfrie stål afviger fra den 3-cifrede betegnelse, idet de som det ka n ses indeholder bogstavkombinationen»ph«(engelsk : Precipitation Hardening). 80

81 Tabel 6.1 Legeringssammensætninger standardiseret efter AISI. (Metals Handbook, Vol. 1, 10. ed., 1990) Sammensætning, %(a ) UNS Type designation C Mn Si Cr Ni P S Andet Austenitiske typer 201 S ,15 5,5-7,5 1,00 16,0-18,0 3,5-5,5 0,06 0,03 0,25 N 202 S ,15 7,5-10,0 1,00 17,0-19,0 4,0-6,0 0,06 0,03 0,25 N 205 S ,12-0,25 14,0-15,5 1,00 16,5-18,0 1,0-1,75 0,06 0,03 0,32-0,40 N 301 S ,15 2,00 1,00 16,0-18,0 6,0-8,0 0,045 0, S ,15 2,00 1,00 17,0-19,0 8,0-10,0 0,045 0,03-302B S ,15 2,00 2,0-3,0 17,0-19,0 8,0-10,0 0,045 0, S ,15 2,00 1,00 17,0-19,0 8,0-10,0 0,20 0,15 min 0,6 Mo(b ) 303Se S ,15 2,00 1,00 17,0-19,0 8,0-10,0 0,20 0,06 0,15 min Se 304 S ,08 2,00 1,00 18,0-20,0 8,0-10,5 0,045 0,03 304H S ,04-0,10 2,00 1,00 18,0-20,0 8,0-10,5 0,045 0,03-304L S ,03 2,00 1,00 18,0-20,0 8,0-12,0 0,045 0,03-304LN S ,03 2,00 1,00 18,0-20,0 8,0-12,0 0,045 0,03 0,10-0,16 N 302Cu S ,08 2,00 1,00 17,0-19,0 8,0-10,0 0,045 0,03 3,0-4,0 C u 304N S ,08 2,00 1,00 18,0-20,0 8,0-10,5 0,045 0,03 0,10-0,16 N 305 S ,12 2,00 1,00 17,0-19,0 10,5-13,0 0,045 0, S ,08 2,00 1,00 19,0-21,0 10,0-12,0 0,045 0, S ,20 2,00 1,00 22,0-24,0 12,0-15,0 0,045 0,03 309S S ,08 2,00 1,00 22,0-24,0 12,0-15,0 0,045 0, S ,25 2,00 1,50 24,0-26,0 19,0-22,0 0,045 0,03 310S S ,08 2,00 1,50 24,0-26,0 19,0-22,0 0,045 0, S ,25 2,00 1,5-3,0 23,0-26,0 19,0-22,0 0,045 0, S ,08 2,00 1,00 16,0-18,0 10,0-14,0 0,045 0,03 2,0-3,0 Mo Tabel 6.1 fortsætte s

82 Tabel 6.1 Legeringssammensætninger standardiseret efter AISI. (Metals Handbook, Vol. 1, 10. ed., 1990) Type Sammensætning, %(a ) UN S designation C Mn Si Cr Ni P S Andet 316F S ,08 2,00 1,00 16,0-18,0 10,0-14,0 0,20 0,10 min 1,75-2,5 M o 316H S ,04-0,10 2,00 1,00 16,0-18,0 10,0-14,0 0,045 0,03 2,0-3,0 Mo 316L S ,03 2,00 1,00 16,0-18,0 10,0-14,0 0,045 0,03 2,0-3,0 M o 316LN S ,03 2,00 1,00 16,0-18,0 10,0-14,0 0,045 0,03 2,0-3,0 Mo 0,10-0,16 N 316N S ,08 2,00 1,00 16,0-18,0 10,0-14,0 0,045 0,03 2,0-3,0 Mo 0,10-0,16 N 317 S ,08 2,00 1,00 18,0-20,0 11,0-15,0 0,045 0,03 3,0-4,0 Mo 317L S ,03 2,00 1,00 18,0-20,0 11,0-15,0 0,045 0,03 3,0-4,0 Mo 321 S ,08 2,00 1,00 17,0-19,0 9,0-12,0 0,045 0,03 5 x %C min Ti 321H S ,04-0,10 2,00 1,00 17,0-19,0 9,0-12,0 0,045 0,03 5 x %C min Ti 330 N ,08 2,00 0,75-1,5 17,0-20,0 34,0-37,0 0,04 0, S ,08 2,00 1,00 17,0-19,0 9,0-13,0 0,045 0,03 10 x %C min Nb 347H S ,04-0,10 2,00 1,00 17,0-19,0 9,0-13,0 0,045 0,03 8 x %C min - 1,0 max Nb 348 S ,08 2,00 1,00 17,0-19,0 9,0-13,0 0,045 0,03 0,2 Co 10 x %C min Nb 0,10 Ta 348H S ,04-0,10 2,00 1,00 17,0-19,0 9,0-13,0 0,045 0,03 0,2 Co 8 x %C min - 1,0 max Nb; 0,10 Ta 384 S ,08 2,00 1,00 15,0-17,0 17,0-19,0 0,045 0,03 - Ferritiske typer 405 S ,08 1,00 1,00 11,5-14,5-0,04 0,03 0,10-0,30 A l 409 S ,08 1,00 1,00 10,5-11,75 0,50 0,045 0,045 6 x %C min - 0,75 max Ti 429 S ,12 1,00 1,00 14,0-16,0-0,04 0, S ,12 1,00 1,00 16,0-18,0-0,04 0,03-430F S ,12 1,25 1,00 16,0-18,0-0,06 0,15 min 0,6 Mo(b ) 430FSe S ,12 1,25 1,00 16,0-18,0-0,06 0,06 0,15 min S e 434 S ,12 1,00 1,00 16,0-18,0-0,04 0,03 0,75-1,25 Mo 436 S ,12 1,00 1,00 16,0-18,0-0,04 0,03 0,75-1,25 Mo 5 x %C min - 0,70 max; Nb

83 Sammensætning, %(a) UN S Type designation C Mn Si Cr Ni P S Ande t 439 S ,07 1,00 1,00 17,0-19,0 0,50 0,04 0,03 0,15 AI 12 x %C min - 1,10 Ti 442 S ,20 1,00 1,00 18,0-23,0 0,04 0, S ,025 1,00 1,00 17,5-19,5 1,00 0,04 0,03 1,75-2,50 Mo 0,025 N 0,2 + 4 (%C + %N) min - 0,8 max (Ti + Nb ) ,20 1,50 1,00 23,0-27,0 0,04 0,03 0,25 N Duplex (ferritisk-austenitisk) typ e 329 S32900 Martensitiske typer 0,20 1,00 0,75 23,0-28,0 2,50-5,00 0,040 0,030 1,00-2,00 M o 403 S ,15 1,00 0,50 11,5-13,0 0,04 0, S ,15 1,00 1,00 11,5-13,5-0,04 0, S ,15 1,00 1,00 11,5-13,5 1,25-2,50 0,04 0, S ,15 1,25 1,00 12,0-14,0-0,06 0,15 min 0,6 Mo(b ) 416Se S ,15 1,25 1,00 12,0-14,0-0,06 0,06 0,15 min S e 420 S ,15 min 1,00 1,00 12,0-14,0 0,04 0,03 420F S ,15 min 1,25 1,00 12,0-14,0 0,06 0,15 min 0,6 Mo(b) Tabel 6.1 fortsættes

84 Tabel 6.1 Legeringssammensætninger standardiseret efter AISI. (Metals Handbook, Vol. 1, 10. ed., 1990) Type Sammensætning, %(a ) UNS designation C Mn Si Cr Ni P S Ande t 422 S ,20-0,25 1,00 0,75 11,5-13,5 0,5-1,0 0,04 0,03 0,75-1,25 Mo 0,75-1,25 W 0,15-0,3 V 431 S ,20 1,00 1,00 15,0-17,0 1,25-2,50 0,04 0,03-440A S ,60-0,75 1,00 1,00 16,0-18,0-0,04 0,03 0,75 M o 440B S ,75-0,95 1,00 1,00 16,0-18,0-0,04 0,03 0,75 Mo 440C S ,95-1,20 1,00 1,00 16,0-18,0-0,04 0,03 0,75 Mo Udfældnings- hærdningstyper PH 13-8 Mo S ,05 0,20 0,10 12,25-13,25 Z5-8,5 0,01 0,008 2,0-2,5 Mo 0,90-1,35 Al 0,01 N 15-5 PH S ,07 1,00 1,00 14,0-15,5 3,5-5,5 0,04 0,03 2,5-4,5 Cu 0,15-0,45 Nb 17-4 PH S ,07 1,00 1,00 15,5-17,5 3,0-5,0 0,04 0,03 3,0-5,0 Cu 0,15-0,45 Nb 17-7 PH S ,09 1,00 1,00 16,0-18,0 6,5-7,75 0,04 0,04 0,75-1,5 AI (a) Enkelte værdier er maximum værdier, hvis ikke andet er anført. (b) valgfri e

85 AISI betegnelserne er forsøgt opbygget med udgangspunkt i en bestemt legeringssammensætning, der repræsentered e det mest udbredte og generelt anvendte stål, inden for hve r af hovedgrupperne austenitiske, ferritiske og martensitiske rustfrie stål. Disse tre legeringssammensætninger kunne s å modificeres for at forbedre specielle egenskaber. Resultate t var en art familietilknytning mellem de forskellige AISI sam - mensætninger i hver strukturgruppe. Denne familiesammenhæng er illustreret for de austenitisk e stål i figur 6.2. En fuldstændig gennemgang af hele familiesammenhænge n mellem austenitiske AISI legeringssammensætninger ville føre for vidt i denne sammenhæng, men som en hjælp til a t læse figur 6.2 er dele af familiesammenhængen trukket o p nedenfor. Familiestrukture n Udgangspunktet er 18/8-stålet AISI 302, som tidligere var de t mest udbredte austenitiske stål, men som i dag næppe fin - des i produktion længere. I dag ville det nok være mere naturligt at tage udgangspunkt i AISI 304. For at forøge stålets korrosionsbestandighed mod interkrystallinsk korrosion udviklede man 304 med et lavere kulstofindhold (man gik fra max. 0,12%C til max. 0,08%C, jævnfør tabel 6.1). Yderligere sænkning i kulstofindholdet var ønske - ligt i forbindelse med svejsning af emner med store godstykkelser, hvorfor 304L blev udviklet med et maximalt kulstofindhold på 0,03%. Som alternativ til at nedsætte kulstofindholdet findes 321, som er den såkaldt titanstabiliserede ud - gave af 304. For generelt at forbedre korrosionsbestandigheden af 30 4 mod lokalkorrosion og generel korrosion tilsatte man molybdæn, hvorved 316 med 2-3% molybdæn og 317 med 3-4 % molybdæn blev udviklet. Inden for disse stål har man s å igen forsøgt at forbedre bestandigheden mod interkrystallinsk korrosion ved at sænke kulstofindholdet, hvorved L - varianterne er opstået. En titanstabiliseret udgave af 316, e r derimod aldrig blevet AISI standardiseret, omend der finde s et stål som betegnes 316Ti - men ikke i henhold til AISI. For at forøge styrken har man tillegeret nitrogen (N) til ståle - ne, hvorved man når frem til N og LN-varianterne. Senere 85

86 ti l almindeli g brug 202 N og M n erstatte r delvist N i B 205 Si tilsat for at forøge skalningsresisten s Nog M n erstatte r delvist N i , Mere Mo o g Cr forbedre r korrosionsbestand ighe d Mo tilsat fo r at forbedr e korrosionsbestandighe d Cr og Ni for - bedrer varmebestandighe d Forøget Cr o g Ni. Anvendes hovedsagelig t som svejsetilsatsmateriale Lavere C for a t forbedre korrosionsresistens i svejseemne r Forøget Ni - indhold for at mindsk e tendens ti l deformations - hærdnin g S tilsat for at forbedre bearbejdelighed Lavere Cr og Ni for at øg e tendens ti l deformations - hærdnin g S30900, S30905 S S $30100

87 317 L 316 L 310, e Lavere C for a t forbedre korrosionsresistens i svejst e emner Lavere C for a t forbedre korrosionsresistens i svejste emner Mere Cr og N i for endn u bedre varmebestandig he d Tilsat Nb og Ta for a t mindske tendens til carbiddannels e Tilsat Ti for at mindske ten - dens til carbiddannels e Endnu lavere C Mere Ni fo r at mindsk e tendens ti l deformationshærdnin g Se tilsat for a t forbedre bearbejdelighed S S31000, S S S LN N 304L N S30430 Lavere C, N tilsat for a t uge styrken Forøget S i for optima l varmebestandighe d Begrænsnin g i Ta- og Coindhold i forbindelse med anvendelse i atomkraftværker o.l. N tilsat for at foruge styrken N tilsat for at foruge styrken Tilsat Cu for a t forbedre kolddeformations- egenskabe r S F 316 N 33 0 Tilsat S og P fo r at forbedre bearbejdelighed N tilsat for a t uge styrke n Forøget Ni for at øge resis - tens mod op - kulning o g termisk choc k N08330

88 undersøgelser har så påvist en ikke ubetydelig positiv indflydelse fra nitrogen på korrosionsbestandigheden. Sideløbende med AISI har SAE (engelsk: Society of Auto - motive Engineers) klassificeret sammensætninger for stål, herunder rustfrie stål. Denne organisation har benyttet samme system og nummereringsmetode som AISI, men til for - skel fra AISI har SAE fortsat sin klassificering. Den manglende klassificering af nye og mindre brugte stål fik dog SAE til i samarbejde med ASTM (engelsk : American Society for Testing and Materials) at udvikle et nyt nummersystem fo r klassificering af legeringssammensætningen i metaller - her - under rustfrie stål. Resultatet blev UNS-systemet UNS systemet er et af de største ASTM Designation E 527 Tilforordning af UNS numme r UNS nummeret Klassifikation efter UN S På baggrund af ønsket om at have et»universelt«klassifika - tions system for metallers legeringers nominelle sammensætning, udviklede ASTM og SAE i midten af 70'erne UN S systemet, hvor UNS står for»unified Numbering System«. UNS systemet idag er ikke brugt/kendt i særlig stor udstrækning, men fortjener stor opmærksomhed, idet antalle t af definerede legeringer i dette system nok er et af de største, hvis ikke det største blandt de kendte klassificeringssystemer. UNS nummersystemet er defineret i»astm Designation E 527«, der fastlægger kravene til en legeringssammensætning, for at den kan få tildelt et nummer, samt en overordnet systematik for nummereringen. Endvidere fastlægger standarden hvorledes organisationen af den tilhørende administrative myndighed skal være organiseret. UNS nummeret tildeles alle legeringer efter ansøgning, såfremt legeringen kan siges at have en kommerciel betydning. Dette meget vage krav betyder, at praktisk taget alle legeringssammensætninger, der anvendes i kommercielle sammenhænge kan få (og har) tildelt et UNS nummer. UNS nummeret består af et bogstav samt et femcifret tal. Den generelle systematik i numrene er vist i tabel 6.2. Specielt for de rustfrie stål gælder det at UNS nummeret starte r med et»s«(engelsk : Stainless Steel), men man skal dog væ - re opmærksom på et vist overlap mellem de rustfrie stål o g 88

89 Tabel 6.2 Det generelle nummersystem efter UNS i henhold til ASTM E 52 7 Ikke jernbaserede metaller og legeringer A00001-A C99999 E00001-E L00001-L99999 M00001-M99999 N00001-N99999 P00001-P R00001-R99999 Z00001-Z99999 aluminium og aluminiumlegeringer kobber og kobberlegeringe r sjældne jordarter og lignende metaller o g legeringe r lavt smeltende metaller og legeringe r forskellige ikke-jernbaserede metaller og legeringe r nikkel og nikkellegeringe r ædle metaller og legeringe r reaktive metaller m.m. zink og zinklegeringe r Stå l D00001-D F00001-F99999 G00001-G H00001-H J00001-J K00001-K99999 S00001-S T00001-T99999 stål med specificerede mekaniske egenskabe r støbt stå l AISI og SAE kulstof- og lavtlegerede stål AISI H-stål støbt stå l forskellige stål varme- og korrosionsbestandige stå l (rustfrie stål ) værktøjsstå l Specielle metaller og legeringer W00001-W99999 svejsetilsatsmaterialer m.m. For yderligere uddybning henvises der til ASTM E 527. nikkellegeringerne (med prefix»n«), idet nogle af de højere legerede rustfrie stål indeholder mere nikkel end jern. F.eks. indeholder»sanicro 28«ca. 31% nikkel, hvorfor stålet har få - et UNS nummeret»n08028«på trods af, at det i daglig tal e regnes for et rustfrit stål. Udover forbogstavets betydning i UNS nummeret er der ikke nogen egentlig systematik i selve nummeret. Man tilstræber dog, at det 5-cifrede nummer i videst muligt omfang indeholder nummeret fra andre kendte klassifikationssyste - 89

90 mer. I praksis drejer det sig om at indbygge AISI nummere t for legeringen i UNS nummeret. Eksempelvis har AISI 31 6 nummeret S31600 i UNS systemet. I tabel 6.1 er UNS num - rene for de AISI standardiserede stål angivet. For nyere legeringer er det ofte den ansøgende stålproducent som foreslår et nummer, som f.eks. kan være knyttet til legeringens sammensætning. Det noget nyere duplex stå l med ca 23% chrom og ca. 4% nikkel, der blandt andet sælges under navnene SAF 2304 eller Avesta 2304, har nummeret S32304 i UNS systemet. Det er dog langt fra alle legeringer, der har et UNS nummer, hvori man kan genkende et»populær«navn eller genkend e dele fra et andet klassificeringssystem Systematikke n Werkstoffnumme r Klassifikation efter DIN (Werkstoffnummer) DIN (tysk : Deutsche Industrie Norm) betegnelser og Werkstoffnumre for legeringssammensætninger er nogle af de mest anvendte i Europa. Endvidere har man i de nye Euro Normer (kort betegnelse : EN) for benævnelse af legerings - sammensætninger anvendt den eksisterende DIN systematik, hvorfor en diskussion af DIN benævnelser vil være identisk med en diskussion af Euro Norm benævnelser. Systematikken for fastlæggelse af benævnelser til samtlige metalliske legeringer er fastlagt i DIN EN og DIN Selve tildelingen af et Werkstoffnummer og tilhørende kortnavn (se nærmere nedenfor) foretages af VDEh (tysk : Verein Deutscher Eisenhüttenleute). Det såkaldte Werkstoffnummer (kort: W.-Nr.) som ligeso m UNS numrene definerer en legeringssammensætning e r bygget op på basis af en femcifret kode ; x. yyzz hvor x er det såkaldte hovedgruppe nummer for legeringe n og»yy«er et artsnummer (tysk: sortennummer) og zz er et løbenummer til adskillelse af de enkelte legeringer inden fo r hver hovedgruppe og artsgruppe. Hovedgruppe Hovedgruppe»1. yyzz«dækker alle stållegeringer, d.v.s. legeringer hvor hovedlegeringselementet er jern, og som ikk e 90

91 har et kulstofindhold på mere end 2,0%. Praktisk talt all e rustfrie stål hører således ind under hovedgruppe 1. Artsnumrene»yy«er inden for hovedgruppe 1 opdelt del s på basis af stålets normale anvendelsesområde og dels p å basis af legeringssammensætningen samt evt. andre mekaniske eller fysiske egenskaber. I tabel 3 er artsnumrenes systematik inden for hovedgruppe 1 vist. Artsnumren e Tabel 6.3 Inddeling af relevante artsnumre (yy) for rustfri stål i W.-Nr. : 1. yyzz i henhold til DIN EN Artsnummer Definition/krav til ståle t 40 ingen Mo, Nb og T i %Ni < 2,5 % 41 med Mo, uden Nb og Ti %Ni < 2,5 % 42 ikke defineret 43 uden Mo, Nb og Ti %Ni > 2,5% ; 44 med Mo, uden Nb og Ti %Ni > 2,5 % 45 med Cu, Nb eller Ti 46 kemisk bestandige og højtemperaturbestandig e Ni-legeringe r 47 varmebestandige legeringe r %Ni 2,5 % 49 Højtemperaturbestandig e materiale r Af tabel 6.3 ses det, at rustfrie stål (tysk : Nichtrostende Stähle) er defineret inden for artsnumrene Imidlertid kan man også finde rustfrie stål (jernlegeringer med mere en d 12% chrom) inden for artsnumrene 47-49, hvorfor disse arts - numre i praksis også hør tages i betragtning i forbindels e med rustfrie stål. Årsagen til denne forvirring i artsnumren e skyldes, at man både anvender anvendelsesområde såve l som legeringssammensætningen til at klassificere legeringerne med. 91

92 Da legeringssammensætningen er væsentlig for det rustfrie ståls mikrostruktur (jævnfør afsnit 6.1) betyder systematikken i artsnumrene for de rustfrie stål, at artsnumrene hovedsageligt dækker de ferritiske og martensitiske stål o g artsnumrene hovedsageligt dækker de austenitiske og duplex stål. Løbenumren e Løbenumrene»zz«er i relation til de rustfrie stål usystematiske omend et lavt tal antyder, at stålet kan betragtes som udgangspunkt for de øvrige stål inden for samme artsnummer. Det almindelige 18/8 stål efter tysk standard er benævnt me d W.-Nr. : De øvrige 1.43zz stål er tilsvarende stål med mindre ændringer i sammensætningen for at ændre styrke, bearbejdelighed og lignende af stålet. W.-Nr er såle - des et 1818 stål med ekstra meget svovl i, hvorved spåntagende bearbejdning af stålet lettes betragteligt (dog ikke ude n en vis forringelse af korrosionsbestandigheden til følge). Kortnavn Foruden Werkstoffnummeret definerer DIN EN ogs å et såkaldt»kortnavn«(tysk: kurznamen) til betegnelse af e n legering. Dette kortnavn angiver for de rustfrie stål et mid - delindhold for kulstof i det aktuelle stål samt hovedlegeringselementerne med angivelse af et middelindhold i stålet. Eksempelvis har W.-Nr. : følgende kortnavn : X 5 CrNi Kulstofindholdet angives med et X efterfulgt af et helt ta l svarende til 100 gange middelkulstofindholdet, d.v.s. middelkulstofindholdet i W.-Nr er 0,05% (100 x 0,05 = 5). De to hovedlegeringelementer i W.-Nr er chrom (Cr ) og nikkel (Ni), med middelkoncentrationer på henholdsvis 18,0% og 9,5% jævnfør tabel 6.4. Alle middelkoncentratione r afrundes i kortnavnet til hele tal. Kortnavnet angiver middelkoncentrationen Støbelegering Det er væsentligt at bemærke sig, at kortnavnet angiver nid - delkoncentrationen for legeringselementer i forhold til ydergrænserne i henhold til Werkstoffnummerets legeringsgrænser. Der er således ikke nødvendigvis tale om et typisk middeltal set i relation til reelt producerede stål. Såfremt der er tale om en støbelegering sættes et»g«fora n kortnavnet. En tilsvarende indikator til at skelne mellem sme - dede og støbte legeringer findes ikke i Werkstoffnummeret. 92

93 Tabel 6.4 Werkstoffnummer og kortnavn for udvalgte rustfrie stå l Kemisk sammensætning (wiw % ) Werkstoff- Kortnavn nummer C Cr Mo Ni øvrige' ) Ferritiske og Martensitiske stål X 6 Cr ,08 12,0-14,0 - - X 6 CrAI ,08 12,0-14,0 Al 0,10-0,30 X 10 Cr ,08-0,12 12,0-14,0 - - X 15 Cr ,12-0,17 12,0-14,0 - X 20 Cr ,17-0,25 12,0-14,0 - - X 30 Cr ,28-0,35 12,0-14,0 - - X 38 Cr ,35-0,42 12,5-14,5 - - X 46 Cr ,42-0,50 12,5-14,5 - - X 45 CrMoV ,42-0,50 13,8-15,0 0,45-0,60 - V 0,10-0,1 5 X 6 Cr ,08 15,5-17,5 - - X 6 CrTi ,08 16,0-18,0 - Ti 7 x%c-1,20 X 4 CrMoS ,06 16,5-18,5 0,2-0,6 - P 0,060 S 0,15-0,35 Mn _< 1, 5 X 12 CrMoS ,10-0,17 15,5-17,5 0,2-0,6 - P 0,060 S 0,15-0,35 Mn s 1, 5 X 20 CrNi ,14-0,23 15,5-17,5-1,5-2,5 - I tabel 6.4 er angivet nogle eksempler på legeringssammensætninger inden for DIN med angivelse af Werkstoffnummer og tilhørende kortnavn. En fuldstændig oversigt over eksisterende Werkstoffnumre med tilhørende kortnavn findes i»stahl Eisen Liste«, der udgives af VDEh (Verein Deutscher Eisenhüttenleute). Stahl Eisen Liste Tabel 6.4 fortsættes Klassifikation efter SS (Svensk Standard) Antallet af svensk standardiserede legeringssammensætninger er langt mere begrænset end de allerede nævnte UNS eller Werkstoffnummer benævnelser. Da man endvidere må forvente, at Sverige inden længe vil følge Euro Normerne, e r SS-betegnelsen en»uddøende race«, men da de er meget SS-betegnelsen e n brugt i Skandinavien er de medtaget i dette kapitel.»uddøende race «Til forskel fra de øvrige klassificeringssystemer er legeringssammensætning for et rustfrit stål efter svensk system en integreret del af standarden for stålet. Således har man med Svensk system en integrere t del af standarden for stålet 93

94 Tabel 6.4 Werkstoffnummer og kortnavn for udvalgte rustfrie stå l Kemisk sammensætning (w/w % ) Werkstoff - Kortnavn nummer C Cr Mo Ni øvrige' ) Austenitiske stål X 5 CrNi <_ 0,07 17,0-19,0-8,5-10,5 - X 5 CrNi <_ 0,07 17,0-19,0-11,0-13, 0 X 10 CrNiS <_ 0,12 17,0-19,0 8,0-10,0 P <_ 0,060 S 0,15-0,35 X 2 CrNi <_ 0,030 18,0-20,0-10,0-12,5 - X 2 CrNiN <_ 0,030 17,0-19,0-8,5-11,5 N 0,12-0,22 X 6 CrNiTi <_ 0,08 17,0-19,0-9,0-12,0 Ti 5 x%c-0,8 0 X 6 CrNiNb <_ 0,08 17,0-19,0-9,0-12,0 Nb 10 x %C-1,002) X 5 CrNiMo s 0,07 16,5-18,5 2,0-2,5 10,5-13, 5 X 2 CrNiMo _ 0,030 16,5-18,5 2,0-2,5 11,0-14, 0 X 2 CrNiMoN s 0,030 16,5-18,5 2,0-2,5 10,5-13,5 N 0,12-0,22 X 6 CrNiMoTi <_ 0,08 16,5-18,5 2,0-2,5 10,5-13,5 Ti 5 x %C-0,80 X 6 CrNiMoNb <_ 0,08 16,5-18,5 2,0-2,5 10,5-13,5 Nb 10 x %C-1,002) X 2 CrNiMoN <_ 0,030 16,5-18,5 2,5-3,0 11,5-14,5 N 0,14-0,2 2 S s 0,025 X 2 CrNiMo <_ 0,030 17,0-18,5 2,5-3,0 12,5-15,0 S <_ 0,025 X 5 CrNiMo <_ 0,07 16,5-18,5 2,5-3,0 11,0-14,0 S <_ 0,025 X 2 CrNiMo <_ 0,030 17,5-19,5 3,0-4,0 14,0-17,0 S <_ 0,025 X 2 CrNiMoN <_ 0,030 16,5-18,5 4,0-5,0 12,5-14,5 N 0,12-0,22 S <_ 0,025 1) Når intet andet er angivet: P s 0,045%, S 0,030%, Si <_ 1,0% samt for ferritiske og martensitiske : Mn s 1,0%, austensitiske : Mn <_ 2,0 % 2) Tantal er talt sammen med Niob. kendskab til nummeret for legeringssammensætningen samtidig en direkte indgangsvinkel til øvrige krav til legeringe n (styrkekrav, hvilke produktformer den er defineret for, ana - lyse og leverancebetingelser m.m.). Dette skal dog ikke forstås sådan, at alle disse forhold er specificeret ved anvendelse af stållegeringens navn - d.v.s SS 23xx (se nedenfor). Nummer systematik Alle svensk standardiserede rustfrie stål med undtagelse a f SS 2562, SS 2564 og SS 2584 findes inden for materialenummerserien SS 14 23xx, hvor SS står for Svensk Standard (tid- 94

95 Tabel 6.5 Oversigt over svensk standardiserede rustfri stål (dog ku n smedelegeringer, og automatstål er heller ikke angivet). (MNC Handbok nr. 4, 4. ed., 1988). Ståltype SS-(SIS) C % Cr % Ni % Mo % Øvrige legerings - stål elementer % Ferritiske og max 0,08 12,0-13,5 max 1,0 - martensitiske ,09-0,15 12,0-14,0 max 1,0 - stål" ,16-0,25 12,0-14,0 max 1, ,26-0,35 12,0-14,0 max 1, ,18-0,24 11,0-12,5 0,30-0,80 0,80-1,20 V 0,25-0,35 ; max 0,08 16,0-18,0 max 1, ,14-0,23 15,5-17,5 1,5-2, max 0,20 24,0-28,0 0,10-0, max 0,025 17,0-19,0 max 0,5 2,0-2,5 Ti min 0, (C + N), max 0,8 0 Martensit-au max 0,10 12,0-14,0 5,0-6,0 stenitiske stål" max 0,05 15,0-17,0 4,0-6,0 0,80-1, 5 Ferrit-austeni max 0,10 24,0-27,0 4,5-7,0 1,3-1, 8 tiske stål ''-' max 0,030 18,0-19,0 4,3-5,2 2,5-3,0 N 0,05-0, max 0,030 21,0-23,0 4,5-6,5 2,5-3,5 N 0,10-0,2 0 Austenitiske max 0,12 16,0-19,0 6,5-9,5 max 0,80 - ståh' max 0,07 17,0-19,0 8,0-11, max 0,05 17,0-19,0 8,0-11, max 0,08 17,0-19,0 9,0-12,0 1 ' Ti min 5 x (C + N), max 0, max 0,08 17,0-19,0 9,0-12,0 Nb + 1/2 Ta min 10 x C, max 1, max 0,10 16,5-18,0 8,0-10,0 1,3-1, max 0,05 16,5-18,5 10,5-14,0 2,5-3,0 Tabel 6.5 fortsætte s ligere SIS),»14«angiver at der er tale om en materialestandard for et metallisk materiale, og»23«angiver at der er tale om et legeret stål med et chromindhold højere end 10% o g»xx«er et usystematisk løbenummer til endelig adskillelse af de enkelte legeringssammensætninger og standarder. Bemærk, at»14«som regel udelades, hvilket konsekvent er gjort i denne tekst. I tabel 6.5 ses en oversigt over SS-numre og den dertil knyttede legeringssammensætning for smedede stål - dog eksklusiv automatstål. 95

96 Tabel 6.5 Oversigt over svensk standardiserede rustfri stål (dog ku n smedelegeringer, og automatstål er heller ikke angivet). (MNC Handbok nr. 4, 4. ed., 1988). Ståltype SS-(SIS) C % stål Austenistiske max 0,05 4) stå 1 e) max 0, max 0, max 0, max 0, max 0, max 0, ,05-0, max 0, max 0, max 0, ) max 0, max 0, max 0,02 5 Cr % Ni % Mo % Øvrige legerings - elementer % 16,5-18,5 10,5-14,0 2,0-2, 5 16,5-18,5 11,0-14,0 2,0-2, 5 16,5-18,5 10,5-14,0 2,0-2,5 Ti min5x(c + N), max 0,8 0 17,0-19,0 9,0-12, ,5-18,5 11,5-14,5 2,5-3,0-24,0-26,05 ) 19,0-22,0 - Si max 1,50 17,5-19,5 13,0-17,0 3,0-4,0-20,0-22,0 10,0-12,0 - N 0,14-0,20, Ce 0,03-0,08 17,0-19,0 8,0-11,0 - N 0,12-0,2 2 16,5-18,5 9,5-13,0 2,5-3,0 N 0,12-0,2 2 19,5-20,5 17,5-18,5 6,0-6,5 Cu 0,50-1,0, N 0,18-0,22 16,0-18,0 6,5-7,75 - Al 0,75-1,50 19,9-21,0 24,0-26,0 4,0-5,0 Cu 1,2-2, 0 26,0-28,0 30,0-34,0 3,0-4,0 Cu 0,6-1,4 1) For ferritiske og martensitiske stål : Si max 1,0%, Mn ma x 1,0%, P max 0,040%, S max 0,030%. For SS-stål 23 17: Si 0,10-0,50%, Mn 0,30-0,80%, P og S max 0,035%. For martensit-austenitiske stål : P max 0,045%. For SS-stål : Mn max 1,5%. 2) For ferrit-austenitiske og austenitiske stål : Si 1,0%, Mn max 2,0%, P max 0,0045%, S max 0,030%. For SS-stål 23 31: Si max 1,5%, Mn max 1,0%. For SS-stål 23 68: Si 1,4-2,0, Mn max 0,80% P max 0,040%. For SS-stål 23 76: P max 0,030%. For SS-stål 23 77: P max 0,030% og S max 0,020%. For SS-stål 23 78: Si max 0,80%, Mn max 1,0%, P ma x 0,030%, S max 0,010%. For SS-stål 25 84: P max 0,030%, S max 0,020%. 3) For rør max 13,0%. 4) For rør min 23,0%. 5) For tråd tillades max 0,07% C. 6) Udskilningshærdbart fjederstål. 96

97 En total gennemgang af relevante svenske standarder vedrørende rustfrie stål kan findes i MNC Handbok nr. 4, Rostfri a stål. Sammenligning af forskellig e legeringsbetegnelse r 6. 3 Da der desværre ikke findes et universelt klassificeringssy - stem for legeringssammensætningerne til rustfrie stål, e r man i praksis tvunget til»oversætte«mellem de forskellig e systemer (AISI, UNS, DIN, SS m.fl.). En sådan oversættelse ville være simpel, såfremt der blot va r tale om forskellige navne for den samme legeringssammensætning. Imidlertid er dette ikke tilfældet i praksi s I litteraturen findes der adskillige sammenligningstabeller ligesom stålleverandørerne leverer datablade med angivelse af AISI-, UNS-, DIN- og SS-betegnelsen for deres produkt. Disse oplysninger er sjældent forkerte, men giver ikke alti d et fuldt billede af variationer mellem forskellige fabrikate r (med ens normangivelse). Sammenligningstabelle r I forbindelse med leverancer ses det undertiden, at kunde n specificerer SS 2333 med hensyn til legeringssammensætningen, mens leverandøren umiddelbart kun kan tilbyde stå l specificeret efter AISI 304. I de aller fleste tilfælde er AIS I 304 et fuldt acceptabelt alternativ til SS 2333, men der er dog forskel på legeringssammensætningerne i de to specifikationer, som det fremgår af tabel 6.6. Den væsentligste forskel at bemærke sig mellem AISI 304 og SS 2333 er grænserne på kulstofindholdet. Det højere tilla - delige kulstofindhold i AISI 304 betyder, at man må antage, at risikoen for interkrystallinsk korrosion forårsaget af ud - skilte chromcarbider - typisk i forbindelse med svejsning - er større. Ved sammenligning af AISI 316 og SS 2343 (se tabel 6.6) se s igen problemet med kulstofindholdet, men også molybdæn - indholdet er værd at lægge mærke til. Da producentern e gerne sparer mest muligt i forhold til specifikationen, er det i praksis normalt at finde molybdænindholdet tæt ved de n specificerede minimumsgrænse, d.v.s. at et AISI 316 specificeret stål typisk har 2,1-2,2% molybdæn, mens SS 2343 ty - AISI 304 og SS AISI 316 og

98 Tabel 6,6 Sammenligning af udvalgte rustfrie ståls legeringssammen - sætnin g %C %Mn %Si %Cr %Ni %P %S %M o *SS 2333 min ,0 8,0 - - max 0,05 2,0 1,0 19,0 11,0 0,045 0,030 - AISI 304 min ,0 8, max 0,08 2,0 1,0 20,0 10,5 0,045 0,030 - W.Nr. : min ,0 8,5 - - max 0,07 2,0 1,0 19,0 10,5 0,045 0,03 - *SS 2343 min ,5 10, , 5 max 0,05 2,0 1,0 18,5 14,0 0,045 0,030 3, 0 AISI 31 6 min ,0 10,0-2, 0 max 0,08 2,0 1,0 18,0 14,0 0,045 0,03 3, 0 SS min ,5 10,5-2, 0 max 0,05 2,0 1,0 18,5 14,0 0,045 0,030 2, 5 W.Nr. : min ,5 10, ,0 max 0,07 2,0 1,0 18,5 13,5 0,045 0,030 2, 5 * smedet udgave pisk har et molybdænindhold på 2,6-2,7% molybdæn. Der er således ca. 25% mere molybdæn i SS 2343 end AISI 316, hvilket langt fra er uden betydning i korrosionsmæssig hen - seende (se ovenfor vedrørende PRE-værdier). Skal man finde et svensk standardiseret stål, der er mest i overenstemmelse med AISI 316 må valget falde på SS 2347, hvor molybdænindholdet er begrænset til 2,0-2,5%, hvilket i praksis betyder et typisk molybdænindhold på 2,1-2,2% hel t i overensstemmelse med det typiske AISI 316 stål. SS 2347 har dog stadig en lavere grænse for kulstofindholdet, hvor - ved risikoen for interkrystallinsk korrosion efter varmetilførsel til stålet må forventes at være mindre end for AISI 316. Bemærk ved ovenstående eksempler, at det er fuldt ud korrekt at anføre at et SS 2333 stål er i fuld overenstemmels e 98

99 med AISI 304, men AISI 304 er ikke nødvendigvis i fuld overensstemmelse med SS 2333! Generelt bør man således altid være meget varsom ved oversættelse fra et klassificeringssystem til et andet. Det er faktisk meget sjældent, at de normerede legeringssammensætninger er identiske fra system til system, når man ser bor t fra AISI contra UNS, hvor UNS decideret har»kopieret< all e AISI specifikationerne. Vær varsom ved oversættelse Benævnelse af støbte legeringer Ovenstående gennemgang af Iegeringsbenævnelser er næ - sten udelukkende knyttet til smedede legeringer. AISI specificeringer gælder således KUN smedede legeringer. Støbelegeringer systematiseres i UNS systemet på tilsvarende måde som tidligere gennemgået, men i stedet for forbog - stavet»s«foran de rustfrie stål (smedede) sættes forbogstavet»j«foran alle støbte jernlegeringer (se tabel 6.2). Det i USA mest brugte klassificeringssystem for rustfrie støbelegeringer vedligeholdes idag af»the High Alloy Product Group of the Steel Founders Association», men blev oprindeligt udviklet af ACI (engelsk : Alloy Casting Institute), hvorfor systemet kaldes ACI-systemet. Dette system baserer sig på et bogstavsystem, der dels skelner mellem anvendelsesområde, og dels er baseret på chrom- og nikkelindholde t samt angivelse af middelkulstofindhold plus evt. andre væsentlige legeringselementer AISI gælder KUN smeded e legeringe r UNS systemet ACI-systeme t En egentlig gennemgang af dette system ligger uden for intentionerne af denne tekst, men i tabel 6.7 ses et antal eksempler på amerikansk specificerede støbelegeringer me d samtidig angivelse af en eventuel sammenlignelig legerin g inden for de smedede materialer. Bemærk dog, at legeringssammensætningen for et støbt o g et smedet emne meget sjældent er identiske. Antallet af svensk standardiserede stål er forholdsvis lille. I tabel 6.8 ses en liste over svensk standardiserede støbt e rustfrie stål. Bemærk, at selv om nummerbetegnelserne for Svensk standardiserede stå l 99

100 Tabel 6.7 Sammensætning og typiske mikrostrukturer for ACI definerede støbte rustfri stål. (Metals Handbook, Vol. 1, 10. ed., 1990) ACI type Smedet legeringstyp e ASTMbetegnelse Sammensætning, Alm. forekommend e mikrostrukture C Mn Si Cr Ni Øvrige Chrom-stål CA A 743, A 217 A 487 Martensit 0,15 1,00 1,50 11,5-14,0 1,0 0,50 Mo CA -15M - A 743 Martensit 0,15 1,00 0,65 11,5-14,0 1,0 0,15-1,00 M o CA A 743 Martensit 0,40 1,00 1,50 11,5-14,0 1,0 0,5 M o CA-40F A 743 Martensit 0,2-0,4 1,00 1,50 11,5-14,0 1, 0 CB , 442 A 743 Ferrit og carbider 0,30 1,00 1,50 18,0-22,0 2, 0 CC A 743 Ferrit og carbider 0,30 1,00 1,50 26,0-30,0 4, 0 Chrom-nikkel-stål Ca-6N A 743 Martensit 0,06 0,50 1,00 10,5-12,5 6,0-8, 0 CA -6NM A 743, A 487 Martensit 0,06 1,00 1,00 11,5-14,0 3,5-4,5 0,4-1,0 Mo CA-28MWV A 743 Martensit 0,20-0,28 0,50-1,00 1,00 11,0-12,5 0,50-1,00 0,9-1,25 Mo 0,9-1,25 W; 0,2-0,3 V ; CB -7Cu-1 A 747 Martensit, mod- 0,07 0,70 1,00 15,5-17,7 3,6-4,6 2,5-3,2 Cu 0,20-0,35 Nb; ningshærdbar 0,05 N ma x CB -7Cu-2 A 747 Martensit, mod- 0,07 0,70 1,00 14,0-15,5 4,5-5,5 2,5-3,2 Cu 0,20-0,35 Nb; ningshærdba r 0,05 N ma x CD-4MCu - A 351, A 743, A 744 Austenit i ferrit, 0,04 1,00 1,00 25,0-26,5 4,75-6,0 1,75-2,25 Mo; A 890 modningshærdbar 2,75-3,25 Cu CE A 743 Ferrit i austenit 0,30 1,50 2,00 26,0-30,0 8,0-11, 0 CF-3 304L A 351, A 743, A 744 Ferrit i austenit 0,03 1,50 2,00 17,0-21,0 8,0-12, 0 CF-3M 316L A 351, A 743, A 744 Ferrit i austenit 0,03 1,50 2,00 17,0-21,0 8,0-12,0 2,0-3,0 Mo CF -3MN - A 743 Ferrit i austenit 0,03 1,50 1,50 17,0-21,0 9,0-13,0 2,0-3,0 Mo 0,10-0,20 N CF A 351, A 743, A 744 Ferrit i austenit 0,08 1,50 2,00 18,0-21,0 8,0-11, 0 CF-8C 347 A 351, A 743, A 744 Ferrit i austenit 0,08 1,50 2,00 18,0-21,0 9,0-21,0 Nb CF-8M 316 A 351, A 743, A 744 Ferrit i austenit 0,08 1,50 2,00 18,0-21,0 9,0-12,0 2,0-3,0 M o CF-10 - A 351 Ferrit i austenit 0,04-0,10 1,50 2,00 18,0-21,0 8,0-11, 0 CF-10M - A 351 Ferrit i austenit 0,04-0,10 1,50 1,50 18,0-21,0 9,0-12,0 2,0-3,0 M o CF-10MC - A 351 Ferrit i austenit 0,10 1,50 1,50 15,0-18,0 13,0-16,0 1,75-2,25 Mo

101 p Smedet ACI type legerings - type ASTM - betegnelse Sammensætning, % Alm. forekommend e mikrostrukture C Mn Si Cr Ni Øvrige CF-10SMnN A 351, A 743 Ferrit i austenit 0,10 7,00-9,00 3,50-4,50 16,0-18,0 8,0-9,0 0,08-0,18 N CF -12M 316 Ferrit i austenit eller 0,12 1,50 2,00 18,0-21,0 9,0-12,0 2,0-3,0 M o austeni t CF -16F 303 A 743 Austenit 0,16 1,50 2,00 18,0-21,0 9,0-12,0 1,50 Mo max ; 0,20-0,35 Se CF A 743 Austenit 0,20 1,50 2,00 18,0-21,0 8,0-11, 0 CG -6MMN A 351, A 743 Ferrit i austenit 0,06 4,00-6,00 1,00 20,5-23,5 11,5-13,5 1,50-3,00 Mo ; 0,10-0,30 Nb ; 0,10-30 V 0,20-40 N CG-8M 317 A 351, A 743, A 744 Ferrit i austenit 0,08 1,50 1,50 18,0-21,0 9,0-13,0 3,0-4,0 Mo CG-12 - A 743 Ferrit i austenit 0,12 1,50 2,00 20,0-23,0 10,0-13, 0 CH-8 A 351 Ferrit i austenit 0,08 1,50 1,50 22,0-26,0 12,0-15, 0 CH-10 - A 351 Ferrit i austenit 0,04-0,10 1,50 2,00 22,0-26,0 12,0-15, 0 CH A 351, A 743 Austenit 0,20 1,50 2,00 22,0-26,0 12,0-15,0 - CK-3MCuN A 351, A 743, A 744 Ferrit i austenit 0,025 1,20 1,00 19,5-20,5 17,5-19,5 6,0-7,0 V 0,18-0,24 N ; 0,50-1,00 C u CK A 743 Austenit 0,20 2,00 2,00 23,0-27,0 19,0-22,0 Nikkel-chrom-stå l CN-3M A 743 Austenit 0,03 2,00 1,00 20,0-22,0 23,0-27,0 4,5-5,5 Mo CN -7M - A 351, A 743, A 744 Austenit 0,07 1,50 1,50 19,0-22,0 27,5-30,5 2,0-3,0 Mo 3,0-4,0 Cu CN-7MS A 743, A 744 Austenit 0,07 1,50 3,50 18,0-20,0 22,0-25,0 2,5-3,0 Mo 1,5-2,0 Cu CT-15C A 351 Austenit 0,05-0,15 0,15-1,50 0,50-1,50 19,0-21,0 31,0-34,0 0,5-1,5 V

102 alle - på nær SS 2366 og SS kan anvendes både fo r smedede og støbte emner, så er specifikationen af legerings - sammensætningen for henholdsvis det støbte og smeded e emne ikke identisk. Tabel 6.8 Svensk standardiserede rustfri støbestål. (MNC Handbok nr. 4, 4. ed., 1988 ) Ståltype o SS-stål C% Si% Ferrit-austenitisk max 0,10 max 1, 5 stål max 0,05 max 1, 5 Martensit-austeni max 0,05 max 1, 0 tisk stå l Austenitisk stål max 0,07 max 1, max 0,07 max 1, max 0,07 max 1, max 0,06 max 1, 0 Cr% Ni% Mo% Cu % 23,0-27,0 4,5-7,0 1,3-1, 8 21,0-23,0 4,5-6,5 2,5-3, 5 15,0-17,0 4,0-6,0 0,80-1,5-17,0-20,0 8,0-11, ,0-20,0 10,0-13,0 2,5-3, 0 17,0-20,0 13,0-16,0 3,0-4,0-19,0-21,0 24,0-26,0 4,0-5,0 3,0-3,5 1) For samtlige støbestål : Mn 2,0%, P max 0,045%, S ma x 0,030%. For SS 2377 dog P max 0,030%. Werkstoffnumre Lige som de svensk standardiserede stål, kan man find e Werkstoffnumre, der både dækker smedede og støbte emner, men med forskelle i legeringssammensætningen fo r henholdsvis støbe og smedelegering. Hvorvidt en legerings - sammensætning er knyttet til en støbe eller smedelegering kan ikke aflæses af Werkstoffnummeret. Derimod har DI N kortnavnet et»g«som forbogstav, såfremt der er tale om en støbelegering. 102

103 Prøvning 7 I et eller andet omfang udføres der i de fleste virksomhede r prøvning af : Indkøbte materiale r Halvfabrikata (f.eks. overfladebehandlede emner ) Færdige produkter (f.eks. underleverancer ) Egne produkte r Der kan ikke siges noget generelt om behovet for kvalitets - kontrol og omfanget heraf. For den enkelte virksomhed vil det nemlig være bestemt af, hvordan man praktisk og rentabelt sikrer at produktets standard er tilfredstillende. Prøvning, som i daglig tale også benævnes kontrol, verifikation, dokumentation eller test, er relevant på flere niveauer i virksomheden. F.eks. i konstruktion og udvikling når et ny t produkts egenskaber eller ydeevne ønskes dokumenteret. Behovet for prøvning e r individuel t Mange ord for prøvnin g Prøvning er dog mest kendt i tilknytning til produktionen. F.eks. ved kontrol af underleverancer, hvor prøvning f.eks. udføres : som rutinekontrol, når underleverandøren er ny, når underleverandøren ikke har et certificeret kvalitets - styringssystem. Prøvning kendes også i produktionen som kontrol af egne produkter for at sikre at produktspecifikationerne er over - holdt. I kompendiet» Materialekendskab - generelt«gennemgås d e mest almindelige : Mekaniske prøvningsmetoder Ikke-destruktive prøvningsmetoder Metallografiske prøvningsmetode r Kemiske analysemetoder. Der henvises til dette kompendium for detaljeret beskrivels e af de enkelte metoder. I dette kapitel kapitel findes først et afsnit om faktorer der 103

104 påvirker et prøvningsresultat og et afsnit om prøvnings - forskrifter. I øvrigt er kapitlet et supplement til ovennævnte kapitel i kompendiet»materialekendskab - generelt«, hvor ovennævnte prøvninger sammenfattes i relation til rustfrit stål, og hvor der gives en række praktiske eksempler på nogl e udvalgte prøvningers anvendelse. 7.1 Faktorer der påvirker et provningsresultat Det er vigtigt, at alle, der har brug for at dokumentere egen - skaber, kvalitet, sikkerhed og anvendelighed af et produkt eller et materiale, benytter kvalificerede prøvningsfaciliteter. Kravet til prøvningsresultaternes nøjagtighed er f.eks. afhængig af det valgte kvalitetsniveau og i et vist omfang a f konkurrencepolitikken. En af forudsætningerne for sammenlignelige prøvningsresultater mellem forskellige laboratorier er sporbare kalibreringer. D.v.s at man kan spore et instruments kalibrering ti l en normal med en foreskreven nøjagtighed. 104

105 Hertil kommer en række andre faktorer, som påvirker prøvningsresultatet, som illustreret i fig 7.1. Det er måleudstyr, måleobjekt, personen, målemiljøet og målemetoden. Det er vigtigt at være opmærksom på alle disse forhold, nå r der ønskes troværdighed til prøvningsresultaterne, hvilket f.eks. kan være af afgørende betydning overfor myndighederne, i kontraktforhold, ved eksport, i tilfælde af tvistigheder etc. Mange faktorer påvirke r prøvningsresultate t Troværdighe d Dette betyder ikke, at nøjagtigheden altid skal være stor, men at nøjagtigheden skal kendes, uanset om prøvninge n udføres i virksomheden eller hos et prøvningslaboratorium. Når prøvning udføres på et eksternt prøvningslaboratorium, er det væsentlig at være opmærksom på at Industri- og Handelsstyrelsen under Industriministeriet har opbygget e n akkrediteringsordning (DAO - Dansk Akkrediterings Ordning) for prøvningslaboratorier i Danmark. Heri indgår laboratorier, hvis kvalifikationer, uvildighed og ressourcer e r godkendt inden for de områder som akkrediteringen omfat - ter. Akkretiteringen baseres på kvalitetsstyringsstandarden E N :1989»Generelle kriterier for prøvningslaboratoriers arbejde«, og vil i fremtiden være forudsætningen for, at resultater fra et prøvningslaboratorium vil blive alment og inter - nationalt anerkendt. Akkrediteringen administreres af DFM (Dansk Institut for Fundamental Metrologi), og afløser de n tidligere autorisationsordning under Statens Tekniske Prøve - nævn. Akkrediteret prøvnin g Kvalitetsstyrings standard fo r prøvning I fremtiden vil en virksomheds vurdering af et prøvningslaboratorium derfor ske på samme måde som vurdering af en hvilken som helst anden underleverandør nemlig ved vurdering af kvalitetsstyringssystemet. Prøvningsforskrifter Nationale og internationale normer, standarder og tekniske regler er dokumenter, som ofte anvendes som grundlag fo r planlægning og gennemførelse af prøvning Normer, standarder o g tekniske regle r For det første fordi dokumenterne er alment anerkendte. For det andet fordi prøvningen er entydigt beskrevet. For det 105

106 tredje er normer, standarder og tekniske regler velegnede som udgangspunkt for arbejdsbeskrivelser d.v.s en beskrivelse af, hvordan man praktisk gennemfører en prøvning, således at forløbet senere kan gentages. Alternativet til normer, standarder og tekniske regler er, a t virksomheden selv udformer prøvningsforskrifter. Det e r f.eks. nødvendigt, når der ikke er udarbejdet egnede eller tilfredsstillende dokumenter. Prøvningsresultater skal I disse tilfælde må virksomheden sikre, at prøvningen er be - kunne gemtages skrevet og dokumenteret på en sådan måde, at den kan re - produceres. I modsat fald er resultaternes værdi yderst be - grænset. Ved planlægning af kvalitetskontrol rejser der sig følgend e spørgsmål: Hvilke prøvningsforskrifter findes der? Information om normer, standarder og tekniske regle r Det er alment kendt at søge dette spørgsmål besvaret ve d hjælp af kataloger udgivet af standardiseringsorganisationerne, og som kan købes hos Dansk Standardiseringsråd. Som en anden og nyere mulighed kan nævnes søgning a f information i online-databaser eller på CD-ROM. Fordelen ved disse medier er at de indeholder opdateret in - formation, er hurtige at arbejde med, og at det er muligt a t overvåge eventuelle ændringer. I kompendiet»materialevalg«- er søgning af normer og standarder med elektroniske medier beskrevet nærmere. 7.3 De fleste metoder er destruktive Mekaniske prøvningsmetode r Ved mekanisk prøvning tilvejebringes resultater, der beskriver materialets egenskaber (reaktion) ved statiske -, dynamiske eller slagagtige belastninger. De mekaniske prøvningsmetoder er for de fleste metoder s vedkommende destruktive prøvningsmetoder, hvor der ud - tages en materialeprøve og tildannes et prøveemne i overensstemmelse med en prøvningsforskrift f.eks. en standard. Tabel 7.1 giver en summarisk oversigt over nogle udvalgt e mekaniske prøvningmetoder. 106

107 Tabel 7.1 Oversigt over udvalgte mekaniske prøvningsmetoder. Egenskab Prøvningsmetode Prøveemne Supplerende bem./anvendels e Brud- Trækprovestang trækkes til brud. Krafstyrke ten hertil måles. R,, 0,2- Trækprøvestangen belastes indtil plastis k spændingen deformation. Sammenhængen mellem R 02 spændingen og tøjningen tegnes op. Fra 0,2% forlængelse på tøjningsaksen træk - kes en linie parallelt med den elastisk e del på kurven. Den spænding, hvor lini - en skærer spændings-tøjningskurven er 0,2-spændingen. Brudfor- Trækprøvestangen trækkes til brud. De længelse to bruddele bringes sammen, og måle - A længdens (Lo) blivende forlængelse (L ) måles. Ind- Trækprøvestangen trækkes til brud. De snøring to bruddele lægges sammen, dimensio- (kontrak- nerne på det snævreste tværsnit måle s tion) (S o ) og ændringen i % af de oprindelige Z areal (So)udregnes. Størrelsen varierer. Al- Brudstyrken udregnes som forholdet mellem de n mindeligvis er prøveem- maksimale kraft som skal til at bryde prøve n net en stang med rundt i forhold til det oprindelige tværsnitsareal (Se). eller retangulært tvær- F mt snit. R^'t = S o Samme som for trækstyr- 0,2-spændingen aflæses som den spænding, der ke. Prøvningen udføres giver materialet en blivende forlængelse på 0,2%. almindeligvis samtidig Udnyttes f.eks. når en konstruktionsdels udform - hermed. ning er kritisk for dens anvendelse. Samme som trækstyrke. Indikerer hvor meget et materiale forlænges fø r Prøvningen udføres al- brud. Indgår i vurdering af et materiales duktilitet. mindeligvis samtidig L - L o hermed. A = Lo % A lp og As er hhv. målt på stænger med Lo = 10 x d og Lo = 5 x d, d = diameter. Samme som brudstyrke. Indikerer hvor meget et materiale kontraherer fø r Prøvningen udføres al- brud. Indgår i vurdering af et materiales duktilitet. mindeligvis samtidig So - S hermed. Z = So Tabel 7.1 fortsættes

108 Egenskab Prøvningsmetode Prøveemne Supplerende bem./anvendels e Elasticitets- Trækprøvestangen trækkes. Sammen- Størrelsen kan variere. Repræsenterer materialets fjederkonstant ved elamodulet hængen mellem spændingen og tøjnin- Typisk større end almin- stisk deformation. Er et mål for hvor meget, et ma- E gen tegnes op. Elasticitetsmodulet er delige trækprøvestænger. teriale forlænges under belastning. kurvens hældning i det elastiske område. Charpy Kærvede prøveemner slås over af en Firkantet stang med V/U Den energi der medgår til bruddet udregnes på baslag- pendulhammer. eller»keyhole«kærv i sis af den højde som pendulet når, efter at prøven sejheds- midten af stangen. er slået over. Resultatet er mere korrelateret til maprøvning terialets kærvfølsomhed end til skørheden. Rockwell Kugle eller diamant deformerer prøvens Ubegrænset størrelse Kan f.eks. anvendes som dokumentation for kor - hårdhed overflade. Indtrykkets dybde efter af- med tilstrækkelig tykkel- rekt varmebehandling. Kan korreleres med træk- HR lastning af den største kraft bestemmer se. (minimum tykkelsen styrken. hårdheden. afhænger af hårdheden). Brinell Kraften overføres via en stålkugle, som Ubegrænset størrelse Kan f.eks. anvendes som dokumentation for korhårdhed deformerer materialets overflade. Ind- med tykkelse som min. rekt varmebehandling. Kan korreleres med træk- HB trykket diameter lægges til grund for er 10 x indtrykkets dyb- styrken. udregning af hårdheden. de. Overflade-finishen skal være så fin, at ind - trykkets kant tydeligt ka n ses.

109 Vickers Kraften overføres via en diamantpyra - hårdhed mide, som deformerer materialets over- HV flade. Indtrykkets diagonaler måles og lægges til grund for udregning af hård - heden. Udmattelses- En belastning påføres gentagne gang e styrke indtil prøveemnet går i stykker eller et bestemt antal gange. Testen kan omfatt e træk-, tryk- eller bøjningsbelastninger. Slidstyrke Prøveblokken presses med en speciere t (Block-on- kraft mod en roterende ring. Volume n Ring Test) tabet fra blok og ring måles efter et gi - vent antal omdrejninger med en give n hastighed. Slidstyrke Pin-on-disk Pin med defineret geometri presses mod roterende skive i kammer med lukket miljø. Belastningen og rotationshastigheden defineres. Afslidning af pin måles/vejes efter defineret sliddistance. Slidspor på skive måles. Ubegrænset størrelse Som de øvrige hårdhedsmetoder. Meget små del e med en tykkelse der er og/eller veldefinerede områder kan testes. Kan korstørre end 1,5 x diagona- releres med trækstyrken lens længde. Overflade - ruheden skal være så fin, at indtrykkets kant let kan ses. Varierende størrelse og Udmattelsesstyrken er den maksimale spænding, belastningsmetode, al- som kan påføres for et specificeret antal belast - mindeligvis valgt for at ningscykler. Udmattelseslevetiden, antallet af be - simulere praktisk fore- lastningscykler før brud for en specificeret belast - kommende driftbelast- ving eller tøjning. vinger. 0,620 x 0,400 x 0,250 in. Udtrykker slidbestandigheden for en valgt mateblock/1,377 in. dia. ring. rialekombination. Driftbetingelser kan simulere s 1 in = 25,4 mm. ved anvendelse af smøremidler eller forureninger. Skive (ring) min. Ø 25mm./max. Ø 110 mm./pin geometri eks. kugle max. Ø 10 mm./cylinder max. Ø 20 Udtrykker slidbestandigheden for en valgt materialekombination. Driftsbetingelser kan simulere s ved anvendelse af smøremidler eller forureninger.

110 7. 4 Identifikation af revner o g fremstillings- eller drifts - betingede fej l Ikke-destruktive prøvningsmetode r Tabel 7.2 giver en oversigt over de almindeligste ikke-destruk - tive prøvningsmetoder til identifikation af revner og frem - stillings- eller driftsbetingede fejl. I litteraturen og i daglig tale kaldes prøvningsmetoderne NDT- prøvning eller NDE-prøvning for henholdsvis»no n Destructive Testing«og»Non Destructive Examination«. 7.5 Metallografiske prøvningsmetode r Ved metallografiske prøvningsmetoder forstås prøvninger, der giver informationer om metallets metallurgiske tilstand, f.eks. : Metallets kornstruktur (kornstørrelse, krystalorientering) Mikrostruktur (art, størrelse, form, fordeling ) Slaggeindeslutninger (art, størrelse, form, fordeling ) Eventuel overfladebelægning (lagtykkelse, karakterisering). Metallografiske prøvninger baserer sig enten på undersøgelse af et metallografisk prøveemne eller på ioniserende strå - ling (primært røntgen-stråling). De hyppigst anvendte metallografiske prøvningsmetoder e r undersøgelse af et metallografisk prøvemne i mikroskop. Et metallografisk prøveemne fremstilles ved slibning og polering af det materialetværsnit som ønskes undersøgt. Efte r den sidste polering ætses prøven for at fremkalde metallets mikrostruktur. Af speciel relevans for rustfrie stål skal der her peges på følgende prøvninger som alle er standardiserede i henhold til DS/ISO, ISO, DIN eller ASTM. Kornstørrels e Bestemmelse af den gennemsnitlige kornstørrelse f.eks. efte r ASTM E Lagtykkelsesmålin g Bestemmelse af belægningers lagtykkelse ved måling på et 110

111 Tabel 7.2 Oversigt over nogle udvalgte ikke destruktive prøvningsmetoder. Metode Princip Anvendelse Fordele Begrænsninge r Kapillar - væske Kapillarvæske trække s ind i overfladedefekte r ved hårrørsvirkningen. Synlig eller flourescent farve fremkalder fejlene. Ultralyd Fejl reflekterer lydbølger, som sendes ind i materialet. Den medgåede tid før ekkoet registreres ud - nyttes til at lokalisere fej - len. Overfladerevner, porøsiteter, laminering etc. som ligger i over - fladen Revner, laminering, bindefejl og lign. med det primære plan vinkelret på lydkilden. Billig, transportabel. Mege t følsom. Uafhængig af materialets magnetiske og elektriske egenskaber. Viser fejlens dybde i materialet. Inspektion fra en side. Ingen stråling. Øjeblikkelige resultater. Udstyr hvortil de r er knyttet en computer ka n producere billeder af fejle n (C-skan). Defekterne skal ligge i overfladen. Ikke velegnet til porøse og ru overflader. Væsken skal væde overfladen Kan kun udføres af uddannet personale. Fejl som ligger parallelt me d lydkilden kan ikke detekteres. De t er nødvendigt med referencestandarter. Radiografi Hvirvelstrøm Metallet absorberer røntgenstråling og gamma - stråling. Fejl og tynd e tværsnit absorbere r mindre, hvorfor mere stråling optages på fil - men. Fejl ses som mørke skygger. En spole introducere r strøm i metallet. Samm e spole detekterer strømme som er bestemt af materi - alets/konstruktionen s elektriske egenskaber. Støbte materialer, komponenter og svejsninger med store fejl og revner med de t primære plan parallel t med strålingen. Ledende materiale r med konstant tværsnitsareal. F.eks. ve d rørinspektion. Kan på - vise variationer i me - taltype, mikrostruktur samt andre typer fejl Permanente optagelser so m dokumenterer korrekt fremgangsmåde. Påviser fejl i al - le dybder. Meget følsom. Ingen kon - takt med den undersøgt e del. Hurtig nok til kontinuert on-line inspektion. Me - tallet behøver ikke nødvendigvis at være ferromagnetisk. Forudsætter uddannede teknikere i prøvningsmetoden og i radioaktiv stråling. De tilstødende områder ska l afskærmes mod stråling. Tykkelse n er bestemt af den radioaktive kilde s styrke. Kostbart udstyr og gennem - førelse. Revner vinkelret på strålin - gen kan være umulige at påvise. Giver respons på alle ændringer i relation til elektrisk og magnetisk e egenskaber. Fejlindikation ka n drukne i disse.

112 Tabel 7.2 Oversigt over nogle udvalgte ikke destruktive prøvningsmetoder. Akustisk Materialer udsender aku - emission stisk energi ved revne - vækst og plastisk deformation. Sensorer registrerer lydene under be - lastning. Replica Metallografisk metode. Der tages et aftryk af materialets overfladestruktur. Endoskopi Visuel inspektion af indre flader ved hjælp af optisk instrument som ka n være stift eller fleksibelt. Trykbeholdere. Fly- Prøvningen udføres under Plastisk deformation opstået ve d konstruktioner. Svejs- drift. Fejl opdages før hava- prøvning er ireversibel, prøven kan vinger. ri. Alle belastede arealer te- derfor ikke gentages. Lydkilden ka n stes uafhængigt af sensorer- ikke lokaliseres præcist. nes placering. Materialemikrostruktur Undersøgelser muliggøres Kan kun anvendes på ydre overflai overflade, revnetype- på vanskelig tilgængelige der. Fortolkning af replica kræve r bestemmelse. Doku- steder. Mikrostrukturen do- erfaring. mentation af slidspor, kumenteres. topografi, overvals - ning, bindingsfejl m.v. Bestemmelse af revne- Inspektionen foretages uden Følsomt udstyr. Tåler ikke høje terndannelse, korrosion- ressourcekrævende adskil- peraturer og kraftige mekaniske påsangreb, forureninger, leise. Kan foretages under virkninger. mekaniske beskadigel- vand. Enkel at anvende. ser, læsegenstande etc. i afstande op til 30 m. fra inspektionshullet.

113 tværsnit i mikroskop. Nøjagtighed +I- 0,8 my. Metoden anvendes især på små eller geometrisk komplicerde emner o g er f.eks. beskrevet i DS/ISO 1463 (11.83). Kemiske analysemetoder Spektralanalyse er en god og billig metode til bestemmels e af rustfrie ståls kemiske sammensætning, idet analysen giver indholdet (vægtprocent) af alle væsentlige legeringsele - menter. 7.6 Spektralanalysen udføres på en plan materialeprøve med en min. diameter på ca. ø 20 mm. Da der er tale om en overfladeanalyse, er det væsentligt at oplyse eller undersøge om materialet er overfladebehandlet f.eks. ved nitrering. Såfremt det ikke er muligt at udtage en materialeprøve, kan man alternativt overføre noget materiale ved slibning på diamantpræpareret papir og analysere slibestøvet ved EDXRF. Herved er det muligt at få oplysninger om alle legeringselementer pånær kulstof. D.v.s. at metoden ikke kan benyttes ti l materialetypebestemmelse, men f.eks. til sorterings formål og til bestemmelse af om det undersøgte materiale er af typen AISI 304 (uden molybdæn) eller AISI 316 (legeret me d molybdæn) Provning i praksis eksemple r 7. 7 Eksempel 1. Spektralanalyse - AISI 31 6 En virksomhed fremstiller varmelegemer til skyllekar i rust - frit stål kvalitet AISI 316. Som en del af indgangskontrollen udføres en spektralanalyse for at kontrollere, om det leverede materiales kemiske sammensætning er i overensstemmelse med kravet til AIS I 316. Et eksempel på et analyseresultat er vist i fig Eksempel 2. Hårdhedsmåling af rustfrie rør - AISI 304 En virksomhed benytter to forskellige leverandører ved ind - køb af rustfrie rør. 113

114 Fig Analyseudskrift, spektralanalyse. Analyseresultat: ID : A VARMELEG. Concentrations KORROSIONSCENTRALEN No. : AP :STAAL3 A 4 21-JUN : JUN :1 5 C 0.047% Si 0.389'/. Mn 1.536'/. P 0.028%. S 0.005'/. Cr -H '/. Ni -H 11.41% Mo 2.01'/. V 0.076% Cu 0.373% Ti 0.260% AI 0.005'/. Nb 0.029'/. Co 0.289'/. U % F e 69.8 % Man har ofte problemer med rør fra den ene leverandør i form af vanskeligheder ved udvidelse af rørene over en dorn. En undersøgelse blev indledt. Som et element i disse undersøgelser udførtes hårdhedsmålinger i rørenes tværsnit. Herved kunne man konstatere, at de rør som var af tilfredsstillende kvalitet havde en meget ensartet hårdhed med et gennemsnit på 200 HV5, medens de rør, som var af utilfredsstillende kvalitet, udviste store variationer på HV5. Undersøgelsen gav virksomheden en bedre mulighed for a t specificere de ønskede rustfrie rør overfor leverandøren. Eksempel 3. Produktprøvning - vantskrue r Vantskruer til lystbåde udføres normalt i rustfrit stål. Vantskruerne udsættes for statisk og dynamisk (udmattelses) be - lastning. I forbindelse med udvikling af en ny type vantskruer ønske - des det nye produkts data bestemt. Til dette formål udførte s en trækprøvning, hvor belastningen ved begyndende flydning og belastningen ved brud blev bestemt. Der udførte s også udmattelsesprøvning for vurdering af produktets leve - tid. Eksempel 4. Produktprøvning - komponente r til forbrændingsanlæ g En virksomhed lader komponenter til et forbrændingsanlæg støbe i en kromholdig legering. Fig Vantskrue på lystbåd På baggrund af de materialedata som støberiet har oplyst vi l komponentens brudstyrke i bøjning være min. 20 tons. 114

115 For kontrol af de leverede varer foretages stikprøvevist e n produktprøvning, hvor komponenterne belastes i bøjning ti l brud, og hvor kraften hertil måles. Fig Brudflade pa et emne, hvi s brudstyrke kun var 1,5 ton. Eksempel 5. Svejseprøvnin g Mange beholdere fremstilles i rustfrit stål. Hvis der er tale om beholdere, hvis driftstryk eller driftstemperatur er forskellig fra normalbetingelserne, foreskrive r myndighederne og/eller klassifikationsselskaberne krav ti l de anvendte materialer og svejsningens kvalitet. Forud for produktionen godkendes svejningen ved en såkaldt svejseprocedureprøvning. En certificeret svejser udfører en svejsning i det materiale, hvoraf beholderen ska l fremstilles og med samme svejseparametre, som ved den efterfølgende produktion. Af denne arbejdsprøve udtages de r prøveemner. F.eks. foreskriver en prøvning efter de tyske AD-Märkblätter krav til : Trækprøvning. 2 trækprøver som minimum skal holde trækstyrken fo r grundmaterialet. Bøjeprøvning. 4 bøjeprøver som skal kunne bukkes 180 grd uden at rev - ne. 2 prøver bukkes med dæksømmen i træk, og 2 prøve r bukkes med rodsømmen i træk. 115

116 Slagsejhedsprøvning. 3 kærvslagprøver (ISO-V kærv) som min. skal holde 40 J. Metallografisk undersøgelse. 1 makro- og mikroslib som viser svejsningen i tværsnit fo r dokumentation af svejsesømmene og for undersøgelse a f eventuelle mikrorevner. Prøvningen overværes af en repræsentant fra myndighedernelklassifikationsselskabet eller udføres hos et uvildigt prøvningslaboratorium. Fig Prøveemner til svejseprocedur e prøvning. 2 trækprøver, 4 bøjeprøver, 3 prøvemner ti l slagsejhedsprøvning, 1 prøveemne til makro- og mikroslib. 116

117 Certifikater 8 Et certifikat er et dokument over udført kontrol på et part i materiale. Når en køber og en sælger har indgået aftale om levering a f et parti rustfrit stål med specificerede egenskaber, skal sælgeren levere i henhold til specifikationen, og køberen ka n herefter godkende eller afvise de leverede varer. Denne kontrol kan køberen udføre ved leveringens modtagelse, men det er enklere at gennemføre kontrollen ho s materialeproducenten (stålværket) i tilfælde af, at købere n p.g.a. afvigelser fra specifikationen ønsker at reklamere. Køberen kan da vælge mellem at lade kontrollen udføre ho s producenten gennem sin egen kontrollant eller lade kontrol - instansen hos producenten udføre og rapportere resultate t til køberen. Enklere at gennemføre kontro l hos producente n Flere muligheder for kontro l Den fremgangsmåde køberen vælger, afhænger af : Hvilken dokumentation han har brug for (antal dokumenterede egenskaber ) Hvilken sikkerhed han ønsker for, at de oplyste materiale - data er korrekte Eventuelle krav fra myndighedern e F.eks. forlanger arbejdstilsynet i Danmark, at det anvendte materiale til fremstilling af dampkedler, trykbeholdere o g rørledninger er entydigt mærket og dokumenteret i form a f et officielt certifikat, som er underskrevet af en person so m er anerkendt af direktoratet for arbejdstilsynet. Ved indkøbet skal køberen oplyse, hvilken type certifikat de r ønskes. Krav til købere n Endvidere skal køberen definere : Hvilke egenskaber, der skal kontrolleres. Antallet af prøvninger. Hvilke bestemmelser, der skal gælde for prøvnings - udstyret. 117

118 Hvilke prøvningsmetoder, der skal anvendes. Regler for omprøvning. Hvornår og af hvem kontrollen skal udføres. Som udgangspunkt for ovennævnte specifikationer kan køberen med fordel anvende tilgængelige standarder for almindelige tekniske leveringsbetingelser, som giver vejledning for ovennævnte forhold. Som eksempler kan nævnes : DIN (07.85), DIN (07.85) og DIN (11.84), som omhandler tekniske leveringsbetingelser for varmtvalset og koldtvalset rustfrit stål samt rustfrit stålstøbegods. Standarder foreskriver ikke krav til alle materialeegenskaber Køberen skal være opmærksom på, at standarderne ikke nødvendigvis omfatter alle de egenskaber, som er interessante for ham, hvorfor det kan være tilrådeligt at foreskrive supplerende krav. Dette kan f.eks. være aktuelt, hvis der i virksomhedens produktion indgår automatiserede processer, idet sådanne pro - Tabel 8.1 Modsvarende certifikattyper i DS/ISO , SIS (11.85) og DIN (02.82 ) DS/ISO 404 DIN SS Værkserklæring Werkbescheinigung Værksattest Inspektions - erklæring A Inspektions - erklæring B 2. 2 Werkszeugnis 3.1 A Abnahmeprüfzeugnis A 3.1 B Abnahmeprüfzeugnis B 1 Identitetsintyg 2 Kvalitetsintyg 3 B Provningsintyg B 3.1 C 3C Abnahmeprüfzeugnis C Provningsintyg C 3.2 B Abnahmeprüfprotokoll B C 4 Inspektions- Abnahmeprüfprotokoll C Acceptansintyg attest 11 8

119 Tabel 8.2 Certifikattyper i PrEn (07.89) Standard Dokument Kontrol- Dokumentindhold Leveringsbetingelser Dokumentunderskrive r betegnelse typ e 2.1 Værks - erklæring Ikke specifik Uden angivelse af prøvningsresultate r 2.2 Prøvnings - rapport Ikke specifik Med angivelse af resultater af prøvninger, der ikke nød - vendigvis er udført på d e faktisk leverede produkter, men på produkter, der er fremstillet med samme pro - duktionsmetode I overensstemmelse med bgel eti n - serne i ordren, og hvis dette er e t krav, også' i overensstemmels e med officielle bestemmelser og de - Producen t 2.3 Specifik prøv - ningsrapport 3.1.A Inspektions- I overensstemmelse med officielle Den inspektør, der er udpeget attest 3.1.A bestemmelser og de tilsvarende i de officielle bestemmelse r Hvori nævnes resultaterne tekniske regler 3.1.B Inspektions- af prøvninger, der er udført I overensstemmelse med specifiattest 3.1.B på de faktisk leverede pro - kationerne i ordren, og hvis dett e Producentens bemyndiged e Specifik dukter eller på produkter fr a kræves, også i overensstemmelse repræsentan t den inspektionsenhed, hvoraf det overdragede er med officielle bestemmelser og de tilsvarende tekniske regler Inspektionsen del I overensstemmelse med specifi- Købers bemyndigede repræattest kationerne i ordren sentan t 3.2 Inspektions- Producentens bemyndigede erklæring 3.2 repræsentant og købers be - myndigede repræsentant

120 cesser typisk vil være følsomme overfor variationer i de ind - købte materialers egenskaber. I sådanne tilfælde bør køberen overveje at supplere standardens minimum- eller maksimumkrav til f.eks. de mekaniske egenskaber med specifikk e tolerancer for de pågældende egenskaber. F.eks. foreskrive at materialets hårdhed skal være HB. Standarder om certifikater De forskellige former for certifikater findes beskrevet i stand - arderne SIS (11.85), DIN (07.82), DS/ISO og euronorm I 1989 er der endvidere udgivet et forsla g til fælleseuropæisk standard PrEN (07.89). SIS er tilpasset ISO 404 og angiver i lighed hermed 4 certifikattyper. Euronormen og DIN-standarden angiver 5 certifikattyper. Tabel 8.1 giver en sammenlignende oversig t over certifikattyperne i tre af de nævnte standarder. Certifikattyperne i det fælles europæiske standardforslag e r kort præsenteret i tabel 8.2, som er et oversat uddrag af en tilsvarende oversigt i standardforslaget. Vi skal her begrænse os til at kommentere certifikaterne i DIN (07.82), som er den standard, der hyppigst anvendes i Danmark. Certifikater ifølge DIN I DIN (02.82) skelnes der mellem 5 certifikattyper, hvor 2.1-certifikatet er det enkleste og billigste. 2.1 certifikatet indeholder ikke nogen kontrolresultater og er i virkelig - heden kun en skriftlig ordrebekræftelse fra leverandøren. 2.2-certifikatet indeholder kontrolresultater, men ikke nødvendigvis repræsenterende data fra det leverede parti. D e værdier der angives på certifikatet er gennemsnitsværdier for materialekvaliteten og hidrører enten fra den løbende kvalitetskontrol eller fra kontrol af andre varer produceret ved samme metode. For standardmaterialer er det som hovedregel styrkeegenskaberne og den kemiske sammensætning, der kontrolleres løbende. Som hovedregel udstede s 2.2-certifikater derfor kun for disse egenskaber. 2.2-certifikater kan hurtigt laves og til lave omkostninger. 3.1.A; 3.1.B og 3.1.C-certifikater indeholder resultatet af af - talte prøvninger, som er udført på prøveemner udtaget fra det leverede parti. Forskellen på de 3 certifikater er den underskriftsberettigede. Det siger sig selv, at disse typer certifi - 120

121 .ma x Fig Eksempel på certifikat af typen DIN B for leverance af rustfrit stål AISI 304. Certifikatet indeholde r oplysninger om producenten, købsaftalen, leverancen, materialebetegnelsen, de nominelle mål, kvantiteten, kontrolresultater og udstedelsesdato. Gengivet med tilladelse fra Damstahl A/S. Co] Damstahl A/S Postbox 53 0 Danmarksvej 28 DK Skanderborg ` ' ~. e,xcmos nb eceisønn0rvlao-+ CO 3210,ems ABNAHMEPRUFZEUGNIS INSPECTION CERTIFICATE,wp,,,,,,...,w T 0. M, a, DIN 50049/9.1 B 1 4Ø0.B II 21 Ainox0dow,w.weD.50I3, no g. ) n e.wc lpuna OMn..c q 5 ^+noon. r.n,y.~~, Knom50,56.n PRUFERGEBNISSE/TEST RESULT S OK, innerhalb Toleranzen, Oberflache K 3 nach DIN Tab. 6 langsnahtgeschweisste nichtrastende Edelstahlrohr e M,wwu.,p.rvn.5utmm.n. e, " eze4 N*wwwnwmm. DIN Tab. 7 DIN /T 3 n smw...u,ww4,ro 1Ø V = 1. 0 xw.,wsw aammry aussen kalibriert, blankgeglüh t n wwwano~ X 5 Cr Ni [1.4301] 51 ~MH.uaN MH bi..vnmg.n ånwun. gut, ohne Beanstandun g OS DTK UMFANG DER LIEFERUNG/EXTENT OF DELIVER Y '000 -/ x I - 5 TEM BO 589/1 1 ZERREISSVERSUCHTTENSILE TEST x IM No. DIN loo,.. r an o bdn NOI515 Rohmaterial gem. Werksattest ohne Beanstandung Nachprüfung am Rohr wurde nicht vereinbar t iuwiwawoi Nob. 50 bb0o. a, Onto bs J a ~.uu,,.u"a sul. o, ewm,y aussen kalibriert, blankgeglüh t CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG/CHEMICAL COMPOSITION % w0,ro..n,,.un anstelle von Druckprüfung Dicntheitsnachweis gemac h S.E.P w,.o.ho-nma,.l.nyeoøa...,n,.nng 100 % Pos. Pos. 8) 10),muo^ a 0.80"5 1.50mn m ~nyh..xn,v PTK - 0 x s - DIN /T3 - MST Sch-Nr. wi, w...twg«, "^n a " cow., aw,n. a.5n, o1 m. wem April 1987 d o ow,, anwwv ax,w, S,x.ai.ioron n.nw^c n m. m.n^wwa.aww.exi on. ow w..xw.m.uunmv. ~_.

122 kater er mere tidskrævende at fremstille og derfor dyrere. 3.1.B og certifikaterne er almindelige for plade- og rør - materialer. 3.2 : certifikater er dokumenter, der underskrives af både e n repræsentant for køberen og sælgeren. Bortset herfra er ind - holdet i certifikaterne det samme som for 3.1.A C. Selve udformningen af certifikatet er ikke standardiseret, men i tillægsblade til både ISO, DIN og SS findes vejlednin g for, hvordan de hensigtsmæssigt kan stilles op. 122

123 Fordele og ulemper ved anvendelse 9 Rustfrit stål anvendes som beskrevet i kapitel 2 indenfor e n lang række sektorer, hvor denne materialegruppes egenskaber med fordel kan udnyttes. Hovedformålet kan være for - skelligt inden for de forskellige sektorer, men hovedsigtet e r at opnå en stort set vedligeholdsfri, korrosionsbestandi g konstruktion eventuelt med definerede overflade-egenskaber. Generelle områder for anvendelse De rustfrie ståls anvendelsesområder er listet nedenfor sam - men med de egenskaber, der er højest prioriteret. I alle til - fælde er det naturligvis en forudsætning, at korrosionsbestandigheden er i orden. Levnedsmiddelindustrien Medicinalindustrien Kemisk industri Bygge- og anlæg Energisektoren overfladeforhold, hygiejn e overfladeforhold, hygiejn e korrosionsbestandighed udseende, vedligeholdsfrihe d korrosions- og oxidationsbestandighe d 9. 1 Inden for transportsektoren kommer alle ovenfor nævnte forhold på tale afhængigt af, hvad der skal transporteres. Det er dog værd her at bemærke, at rustfrit stål som tankmateriale byder på forholdsvis stor fleksibilitet med hensyn til, hvad der kan transporteres i tankene. Dette forhold udnyttes blandt andet i kemikalietankskibe. Rustfrie ståls fordele De rustfrie ståls fordele er først og fremmest korrosionsbestandigheden. 1 de fleste vandige miljøer har almindeligt stå l utilfredsstillende korrosionsbestandighed og må ved anvendelse tilføjes korrosionsbeskyttelse. Det kan være overflade - behandling f. eksempel maling eller forzinkning, hvilket medfører yderligere omkostninger. Overfladebehandlinge n må ikke beskadiges og vil medføre et vist behov for vedligehold. Rustfrit stål klarer sig med en selvreparerende beskyttelsesfilm, også i en række medier hvor de gængse overfladebehandlinger for stål ikke er anvendelige Korrosionsbestandighe d 123

124 Således oplever man i stigende omfang skift til rustfrit stål i miljøer, hvor man tidligere har benyttet sig af almindeligt stål, eventuelt med korrosionsbeskyttelse. Dette gælde r f.eks. rensningsanlæg til spildevand. Rengøringsvenlige Belægningsfri overflader Tyndpladekonstruktioner I levnedsmiddel- og medicinalindustrien, hvor hygiejne- o g overfladekrav er væsentlige, er rustfrit stål standardmateria - le fordi anvendelse af organisk overfladebehandling er uacceptabel. De korrosionsbestandige rustfrie stål kan fremstil - les med glatte, herunder elektropolerede, overflader. Disse overflader er rengøringsvenlige og afgiver ikke forureninge r til produkterne, de er i kontakt med, selv når kravene til minimal metalafgivelse er snævre. Rene, glatte overflader, der er fri for korrosionsprodukter og hvor udfældede stoffer fra miljøet har svært ved at hæfte, giver også bedre varmetransmission, hvilket er en fordel ve d anvendelse i varmevekslere. De rustfrie ståls korrosionsbestandighed og deraf følgend e meget lave korrosionshastighed i mange medier gør det mu - ligt at anvende materialet i små godstykkelser og alligevel f å lange levetider. Dette kan give konstruktionsmæssige fordele foruden økonomisk kompensation for den højere materialepris. Eksempel på en sådan anvendelse er de meget udbredte pladevarmevekslere Korrosionsmæssig e Syrer I sure miljøer, hvor både stål uden overfladebehandling, aluminium, kobberlegeringer og i en vis udstrækning også titan er uanvendelige, kommer rustfrit stål med et vist legeringsniveau på tale. Således findes der rustfrie ståltyper (f.eks. W.nr ), der ved moderate temperaturer er bestandige i alle koncentrationer af svovlsyre. Eksemplet er vist på isokorrosionsdiagrammet fig.9.1.(0,1 mmlår), hvoraf det ses, at ved kombinationer af temperatur og koncentration, der lig - ger under kurven i diagrammet vil materialet være bestandigt. Ligeledes vil de fleste rustfrie ståltyper være bestandige i alle koncentrationer af salpetersyre ved temperaturer unde r 80 C. Dette gælder også en lang række svagere syrer som f. eksempel eddikesyre. 124

125 o c 120 Fig Isokorrosionsdiagra m (0,1 mm/år) for rustfrit stål. Werkstoff. n r ). Svovlsyre H % I basiske miljøer er kulstofstål normalt korrosionsbestandigt, men ved høje temperaturniveauer bliver korrosionshastig - heden for stor, og der bliver risiko for revnedannende spændingskorrosion (ludskørhed). Her er der betydeligt større margen med rustfrit stål. Rustfrie ståls lyse lød og gode korrosionsbestandighed gø r dem anvendelige til dekorative formål, hvor det er overfladens visuelle egenskaber, der udnyttes. Da korrosionsbestandigheden generelt er bedre end aluminiums, ikk e mindst hvis aluminium ikke er anodiseret, kan rustfrit stå l anvendes i miljøer med hårdere korrosionspåvirkning en d aluminium. Bestandigheden kan iøvrigt tilpasses de aktuell e forhold ved rigtigt valgt rustfri ståltype. Ved anvendelse ved høj temperatur byder de rustfrie stål p å fordele i forhold til kulstofstål. Skalningstemperaturen, so m er den temperatur over hvilken nedbrydningen af materiale t som følge af oxidation går hurtigt, er minimum 850 C for rustfrit stål mens den for kulstofstål kun er omkring 500 C. Base r Dekorative Skalningsbestandig e 125

126 Der findes således et temperaturinterval, hvor rustfrit stål p å dette punkt er almindeligt stål klart overlegent Formbarhed Stærkere end plast Korrosivt slid Mekanisk e De fuldaustenitiske rustfrie stål har god duktilitet og der - med god formbarhed, der f.eks. gør dem egnet til dybtrækning. Plast anvendes i stor udstrækning som korrosionsbestandig t materiale, og de senere år har frembragt materialer med stadigt bedre egenskaber, men ved høje styrkekrav, - ofte i kombination med høj temperatur -, er styrken ikke tilstræk - kelig. Her må man ty til metalliske materialer, og så komme r rustfrit stål ind i billedet. Ved slidpåvirkning af kulstofstål under korrosive påvirkninger opstår ofte høje nedbrydningshastigheder. Baggrunde n er, at sliddet fjerner korrosionsprodukternes noget beskyttende virkning, således at også korrosionshastigheden sti - ger. Væsentlig bedre bestandighed kan ofte opnås med rust - frie stål på grund af disses evne til omgående at gendann e den tynde beskyttelsesfilm Umagnetiske Andet Fuldaustenitiske rustfrie stål er umagnetiske. I specielle anvendelser, hvor der er behov for denne egenskab, er den til - lige kombineret med god korrosionsbestandighed Begrænset korrosionsbestandighed Rustfrie ståls begrænsninge r Korrosionsmæssige Det er vigtigt at gøre sig klart, at selvom rustfrit stål generelt betragtes som et korrosionsbestandigt materiale, har det begrænsninger, også hvad angår korrosionsbestandigheden. Når de øvrige vilkår er givet kan der som regel findes et temperaturniveau over hvilket korrosion under en eller anden form indtræder. I stærkt sure medier som f.eks. svovlsyre (fig.9.1) sker der det, at korrosionshastigheden ved tempera - turer højere end den grænse, der er vist ved 0,1 mmlår-kurven, ikke bare stiger lidt, efterhånden som temperature n øges, men hurtigt når så høje værdier, at stålet er uanvendeligt i dette medium. 126

127 Den omstændighed, at bestandigheden skyldes overtræ k med et tyndt oxidlag, gør at rustfrit stål i de mest udbredte medier har stærkt lokaliserede korrosionsformer. Dette betyder, at en relativt beskeden mængde korrosion kan føre ti l omfattende skader, som på relativt kort tid kan ødelægge e n anlægsdel. Det betyder også, at korrosionstillæg, som ma n ind imellem ser anvendt i forbindelse med almindeligt stål, sjældent er aktuelt for rustfrit stål. De stærkt lokalisered e korrosionsformer gør, at kun en forsvindende del af korrosionstillægget i praksis bliver udnyttet. En af de hyppigst forekommende faktorer i miljøet, der be - grænser de rustfrie ståls anvendelighed, er kloridindholdet. Et for højt kloridindhold fører normalt til grubetæring elle r spaltekorrosion i stålet, især hvis der samtidigt er et forholdsvis højt oxidationsniveau tilstede. Hvis et kloridholdigt miljø er kombineret med høj temperatur, er der risiko fo r spændingskorrosion, hvis revnedannende natur kan føre ti l meget omfattende ødelæggelser. Forholdene er illustreret på fig.9.2., der viser opførselen af et rustfrit stål (AISI 304) i klo - rid holdigt vand. Diagrammet er baseret på erfaringer me d korrosionsskader. Det ses af diagrammet, at jo højere klorid - koncentrationen bliver, jo lavere bliver grænsetemperature n Stærkt lokalisered e korrosionsforme r Klorid er farligt Grubetæring Spaltekorrosio n Spændingskorrosio n 15 0 too Spændingskorrosio n Fig Praktiske erfaringer me d korrosion på rustfrit stål i klorid - holdigt vand (AISI 304). Den stiplede kurve angive r spændingskorrosionsgrænse n under inddampning. 50 CI pp m 127

128 for grubetæring (pitting). Grænsetemperaturen for spændingskorrosion bliver hurtigt meget lav hvis der er mulighe d for inddampning tilstede (stiplet kurve). Da der i de fleste medier er klorid tilstede, må denne fakto r altid tages i betragtning med henblik på at vælge en rustfri ståltype, der er tilstrækkeligt bestandig under de givne for - hold. Da klorid udfra et procesmæssigt synspunkt ofte er e n sekundær eller uvæsentlig komponent, er det en faktor, de r tit overses, og som derfor fører til skader. Havvand Korrosion under atmosfæriske forhold giver normalt ikke anledning til større korrosionsskader på rustfrit stål. Da an - vendelsen under disse forhold imidlertid hyppigt er basere t på en visuel effekt, er anvendelsen ikke helt problemløs. På grund af den lave korrosivitet, er man tilbøjelig til at vælg e de lavest legerede og dermed billigste stål til dette formål, men disse kræver ofte vedligehold i form af jævnlig rengø- ring, hvis overfladen skal holdes pæn. Pæne overflader skal holdes rene Havvand har et relativt højt kloridindhold. Da der desude n er en vis biologisk aktivitet tilstede, er havvand ganske korrosivt overfor rustfrit stål. Det er således nødvendigt her a t anvende legeringer med et forholdsvis højt legeringsnivea u (molybdænindhold på 6% eller mere) hvis der skal skabe s sikkerhed mod lokalkorrosion. Hvis temperaturen samtidigt er høj, kan det være mere fordelagtigt at gå over til titan, hvis korrosionsbestandigheden skal sikres. Marin atmosfære, som er kloridholdig, kræver normalt e t højere legeret stål (min. AISI 316), hvis brunfarvning af overfladen skal undgås Mekaniske De fleste styrkekrav kan opnås med en velvalgt rustfri stålty - pe, men der er grænser for hvor stor korrosionsbestandighed, der følger med hvis styrke- eller hårdhedskravene e r høje. Derfor kan der være grænser for hvor store styrkekrav, der kan stilles, hvis der samtidigt stilles krav om stor korrosionsbestandighed. Tungt materiale Samme forhold gør sig gældende i forbindelse med hurtigt roterende dele. Her er den dimensionerende faktor styrke l massefylde-forholdet. Da de rustfrie stål har relativt hø j 128

129 massefylde (ca.8) er styrke/massefylde forholdet belastet heraf. De austenitiske stål, der har den bedste korrosionsbestandighed, er også dem, der har den mindste styrke. Her kan styrkekravene blive den faktor, der gør, at rustfrit stål alligevel ikke kan bruges. Som alternativ til de rustfrie stå l er her titan, der med ca. den halve massefylde har bedre muligheder når korrosionsbestandigheden er tilstrækkelig. Udmattelsespåvirkede konstruktioner stiller krav til materialernes udmattelsesegenskaber. De austenitiske rustfrie stål, der ofte har de bedste korrosionsegenskaber, har de dårligste udmattelsesegenskaber. Således er der eksempler på, at skift fra sort stål til austenitisk rustfrit stål med det formål at imødegå korrosionsskader blot har resulteret i udmattelsesskader i stedet for. Udmattelsesfølsomt Forarbejdningsmæssige Korrosionsbestandigheden er en integreret del af de rustfri e stål. Dette betyder i modsætning til almindeligt stål, at forarbejdnings- og håndteringsmetoder har indflydelse på det færdige produkts korrosionsbestandighed. En række forhol d under produktionen kan medvirke til at reducere korrosionsbestandigheden Korrosionsbestandiged ka n reduceres ved forarbejdnin g Således vil selv optimalt producerede svejsninger ofte være marginalt mindre korrosionsbestandige end grundmateria - let, hvilket der skal tages højde for ved valget af rustfri stål - type. Anløbne svejsninger med tilhørende varmepåvirkede zoner, har, f.eks. på type 304, til tider stærkt reduceret bestandighed. Dannelsen af disse må forhindres eller de må overfladebehandles (slibes/bejdses) for at bestandigheden kan retableres. Svejsning indebærer varmepåvirkning af materialerne i om - egnen af svejsningen. Hvis svejseparametrene ikke er optimale, eller valget af ståltype ikke er korrekt, giver dette mu - lighed for ændring af den ellers velkontrollerede struktur i den varmepåvirkede zone (se kapitlet om metallurgi). Resul - tatet kan også her blive reduceret korrosionsbestandighed. Dette problem bliver generelt større jo højere legeringsniveauet i stålet er. 129

130 Stor varmeudvidelse Lille varmeledningsevne Austenitiske rustfrie stål har en varmeudvidelseskoefficient, der er 50% større og en varmeledningsevne, der er 40 % mindre end almindeligt stål. Dette stiller andre krav ved svejsning af rustfrit stål, herunder mindst mulig varmetilførsel modsat for kulstofstål. Også ved konstruktioner, hvor de r indgår både rustfrit og almindeligt stål må der tages særlig e hensyn til dette. Deformationshærdning De mest udbredte rustfrie stål har tendens til deformations - hærdning. På trods af deres i øvrigt gode duktilitet kan denne egenskab sætte grænser for formbarheden eller stille krav til de processer, der anvendes. Spåntagende bearbejdning Spåntagende bearbejdning af rustfrit stål anses i almindelighed at være vanskeligere at foretage end for almindeligt stål. Bearbejdningshastigheden anses for mindre og værktøjssliddet større. Her kan dog vindes en del ved at anvende bearbejdningsvenlige legeringstyper, hvor der er ved justering a f legeringssammensætningen er taget hensyn til, at de skal bearbejdes spåntagende. Som nævnt i kapitel 2 er korrosionsbestandigheden ikke upåvirket af disse justeringer. Alt i alt må rustfrit stål siges at være væsentligt mere kompli - ceret, og frem for alt meget anderledes, at forarbejde end almindeligt stål. Prisen på rustfrit stål er en faktor, der kan virke begrænsende på dets anvendelse. Til legering af materialet indgår stof - ferne krom nikkel og molybdæn, og prisniveauet på disse påvirker stålprisen, som det er omtalt i kapitel 11. Især e t højt indhold af nikkel kan bringe prisen i vejret på en aktue l legering, og give anledning til at der forsøges med andre løsninger. 130

131 Leveringsformer 1 0 Ved større regelmæssige forbrug som kan planlægges, er der store muligheder for at optimere materialet med hensyn ti l stålsort, udførelse og leveringsform. Stålværkerne er som regel villige til at vejlede forbrugeren med et stort behov, og kan tilpasse produktet efter ønske. Mulighederne begrænses imidlertid væsentligt når behovet er mindre og akut ; men der findes mange lagerlagte produkter i forskellige udførelser. Alle leverandører søger at tilpasse sit program til de øn - sker og krav som kunderne stiller og vil betale for, så lager - programmerne justeres løbende. Ved stort behov tilpasse s produktet efter ønske Det kan anbefales at man skaffer sig aktuelle leveringspro- Aktuel produktinformation bø r grammer fra relevante leverandører. I dette kapitel skal jeg indhentes fra leverandøre n forsøge at give et overblik over de muligheder der normal t gives fra lokalt eller centralt lager. Plader Volumenmæssigt er plader det største produkt indenfo r rustfrit stål, og alene af den årsag findes der et vidt differen - tieret udbud. Plader leveres i koldvalset eller varmvalset ud - førelse, og herudover findes der mange muligheder fo r mønstervalsede, slebne eller polerede specialudførelser. De varmvalsede plader leveres i glødet, bejdset udførelse (C 2 efter DIN standard), og har, navnlig i de tykkere dimensioner, en ganske grov finish. De koldvalsede plader levere s også i glødet, bejdset, mat finish (2D), eller glødet, bejdset og eftervalset blank finish (2B). Hver leverandør har sine mu - ligheder for overfladefinish, og ved specielle krav til overfla - den er det tilrådeligt at diskutere disse med leverandøren, også fordi standardbetegnelserne er ganske løst definerede Koldvalset, varmvalse t eller specia l Stålsort Udførelse Tykkelse Forma t 4301/4306 Varmvalset mm 1,5 x 3 m ti l 4401/4435 glødet, bejdset 2,5 x 6 m 4439/ /4521 Koldvalset 0,4-6 mm 1 x 2 m ti l m.fl. 2B/2D 2x6 m el.efter ordre 13 1

132 10.2 Bånd Bånd er et særdeles differentieret produkt, som spænder li - ge fra koldvalsede coils til klipning af plade, til smalle folier i 0,01 mm tykkelse. Bånd leveres ofte efter kundespecifikation. Tit er der tale om standardmateriale, som fra lagerlag t bredt bånd, skæres til den ønskede bredde ; men der er ogs å hyppigt tale om bånd som valses med specifikke egenskaber. Bånd kan leveres i næsten alle stålsorter, og valset til forskellige hårdheder. Der kan leveres koldvalset bånd med brudstyrke på over 2000 N/mm2, som f.eks. anvendes til fjedre Profiler og stangstå l Profiler og stangstål lagerføres som rundstang, 4-kant o g 6-kant stang, fladstål og vinkelstål. I begrænset omfang findes også U-profiler, I-profiler, halvrund stang m.m. I rundstang findes det største udvalg i stålsorter, udførelse r og dimensioner. Her findes dimensioner mellem 2 og 450 mm og udførelser som spænder fra varmvalset til centerless - slebet og poleret. I 6-kant stang findes også et betydeligt sortiment af stålsorter. Dimensioner og udførelse er sædvanlig - vis efter DIN 176, og findes mellem 5 og 60 mm. De øvrige profiler leveres som regel kun i de mest gængs e stålsorter. Dog er der gode muligheder for at få specielle dimensioner i fladstål og vinkel produceret fra plade i relativt beskedne mængder Rør Rør og tilhørende fittings findes lagerlagt efter adskillige nationale og internationale standarder som det kan være problematisk at finde rundt i. I Danmark har vi ikke nogen egne standarder som er videre anvendt; men der»lånes«flittigt efter tyske, amerikanske og ISO standarder. Ved projektering er det vigtigt at være meget bevidst om dette, og tag e stilling til kravene til materialenorm, leveringsnorm, dimensionsnorm, afprøvningsnorm, kontrolomfang, mærkning og dokumentation. Der findes god hjælp at hente i leverandørernes kataloger. 132

133 Emnerør Emnerør er ekstruderede, glødede og bejdsede rør med relativt grove tolerancer, som anvendes til spåntagende bearbejdning. De findes lagerlagt i et betydeligt antal dimensioner og flere stålsorter. Specialdimensioner kan fremstilles i poster af kg. Stålsort Udførelse Dimensio n 4301 Glødet udvendi g 4401/4436 bejdset diamete r m m Leveringsform længder 3 ti l 6 mete r eller fixmål Sømløse rør Sømløse rør anvendes til mange formål: gevindrør, varmevekslerrør, ledningsrør, hydraulikrør, til processystemer o g til mange andre formål. Inden for hver anvendelsesområd e findes der en eller flere dimensionsstandarder, med hver si - ne krav til udførelse, stålsorter, tolerancer med mere. Sam - men med rørene findes et meget stort sortiment af tilhørende fittings. De mest anvendte normer er ISO, DIN og ANSI. En meget stort sortiment af dimensioner, stålsorter m.m. fin - des lagerlagt, og en komplet beskrivelse bliver alt for omfangsrig i denne sammenhæng. Der findes udmærket hjæl p at hente i produktprogrammerne fra leverandørerne, sålede s at man kan undgå fælderne, som f.eks. at specificere et svensk normeret stål, en amerikansk dimensionsnorm og e n tysk prøvningsnorm. Stålsort Udførelse Dimensio n 4301/4306 Ekstruderet, udvendig 4401/4435 koldv.el.truk. diamete r 4539/4563 glødet bejdset mm m.fl. evt. polere t Leveringsform længder p å 6 meter ell. efter ordre Svejste rør De svejste rør anvendes indenfor meget varierende områder. Det spænder lige fra højt kvalificerede produkter til trans - 133

134 port af fødevarer eller procesblandinger, til enkle dekorationsrør til møbler og lignende. Ligesom for de sømløse rør findes der flere dimensions - standarder og et stort sortiment af fittings. I svejste rør kan der leveres dimensioner som ikke lader sig fremstille so m sømløst rør, f.eks. rør med diameter over 250 mm og tyndvæggede rør med stor diameter. Stålsort Udførelse Dimension 4301/4306 Længdesvejset, udvendig 4401/4435 glødet, bejdset diamete r 4439/4539 rettet, evt mm 4462/4521 slebet m.fl. Leveringsform længder p å 6 meter ell. efter ordre Tråd Rustfri tråd produceres fra valsetråd, som ofte findes lager - lagt som halvfabrikat på stålværker og trækkerier. Det betyder at der ofte ikke kræves mere end kg som minimumskvantitet for specialfremstilling. Nedenstående vise s et udpluk af de mest normale lagervarer Blanktrukken trå d Blanktrukken tråd er den normale udførelse far relativt uspecificeret rustfri tråd. Tråden er blanktrukket til en trækbrudstyrke på ca. 900 N/mm2, og leveres normalt i ring e på ca. 100 kg. Stålsort Udførelse Dimension Leveringsfor m 4301 Blanktrk. 1,0-6,0 Ringe p å 4401/4436 Trækstyrke mm kg ca.900 N/mm2 13 4

135 Fjedertråd Rustfri fjedertråd fremstilles af stål med specialanalyse so m lader sig deformationshærde til høje trækbrudstyrker. Stålsort Udførelse Dimension Leveringsfor m 4310 Hårdttrukken Dia. 0,10- Spoler Nlmm 2 10,0 mm 250 k g Belagt ell. evt. flad- ringe 10 - poleret valset 150 kg Valsetråd Valsetråd er varmvalset tråd med relativt grove tolerancer. Tråden er egentlig et råmateriale til fremstilling af trukken tråd; men den kan anvendes til visse formål, f.eks. armering og til murbindere Stålsorter Udførelse Dimension Leveringsfor m 4301/4306 Glødet, bejdset 5-15 mm Ringe evt. belagt 800 k g 4435 Stativ 800 kg m.fl. 135

136 1 1 Prisforhol d Prisdannelsen for rustfrit stål er, som for alle andre råvarer, i det væsentligste afhængig af udbud og efterspørgsel. Da der i rustfrit stål indgår betydelige indhold af relativt dyre råmaterialer, bliver prisen også afhængig af prisudviklingen fo r disse varer. Indenfor de seneste år har specielt prisen på nikkel haf t meget voldsomme udsving, og som en direkte følge hera f har prisen på rustfrit stål også svinget meget. Legeringselemente r Prisen på metaller fastsættes dagligt på London Metalbør s (LME), og noteringerne kan følges i dagspressen. De legeringselementer som indgår i rustfrit stål har i øjeblikket en pris på : Krom 7,30 Kr/kg (0,51 USD/lb ) Nikkel 53,30 Kr/kg (3,50 USD/lb ) Molybdæn 52,80 Kr/kg (3,63 USD/lb ) Siliciu m Mangan 11,20 Kr/kg 6,50 Kr/kg Det vil sige at der med de priser som er gældende for øje - blikket indgår legeringselementer for ca. 6,50 Kr/kg i 18/8 rustfrit stål. På baggrund af at prisen på metaller svinger så voldsomt, har stålværkerne indført et system med legeringstillæg. Ved udsving i prisen på nikkel, krom og molybdæn udover de n fastsatte basispris, vil der beregnes et legeringstillæg. Legeringstillægget kalkuleres månedsvis efter noteringen på Lon - don Metalbørs (LME) og det aktuelle legeringsindhold. For øjeblikket er der intet legeringstillæg; men der kræve s kun små udsving i noteringen før det beregnes igen Øvrige fremstillingsomkostninge r Ved al stålfremstilling forbruges meget store mængder energi til smeltning, valsning og øvrig forarbejdning, så den ak - 136

137 tuelle energipris er af lige så væsentlig betydning som d e indgående legeringselementer. Arbejdslønnen er også af væsentlig betydning. Med de stigende priser på energi og arbejdsløn, er det forståeligt at stålværkerne til stadighed arbejder på at øge produktiviteten og mindske energiforbruget. Dette involverer ofte investeringer af betydelig størrelse, hvilket leder til a t produktionen koncentreres på færre og større enheder. Hvilket igen betyder at stålværkerne indgår alliancer og aftale r om køb og salg af halvfabrikater og lønarbejde. I de europæiske lande er der gennemført betydelig omlægning af stålindustrien, så der i dag er færre enheder me d færre ansatte, som producerer væsentligt større mængder ti l en billigere pris end tidligere. Der er dog næppe tvivl om at denne proces vil fortsætte i de kommende år, og vi vil se sammenlægninger på tværs af landegrænserne. Priser på rustfrit stål I Danmark er der et antal distributører af rustfrit stål, både agenter for forskellige værker og egentlige grossister med lo - kalt lager. Distributørerne er mere eller mindre knyttet ti l producenterne enten som et datterselskab, eller også som e n selvstændig grossist med aftaler med en eller flere producenter. Hvad der er særlig vigtigt er at der findes fri og tilstrækkeli g konkurrence på det danske marked til at prisdannelsen føl - ger verdensmarkedsprisen. I handel med rustfrit stål følger priserne almindelige handelsmekanismer, det vil sige at ved mindre partier er prise n højere på grund af relativt større omkostninger, og ved stør - re ordrer kan store konsumenter bruge sin størrelse til at for - handle prisen ned eller opnå andre særlige fordele. 137

138 Prisvariation med legeringsindhold Med udgangspunkt i almindeligt 18/8 rustfrit stål, kan de r opstilles en orienterende prisrelation til højere legerede stål En sådan prisrelation skal selvfølgelig tages med forbehold, idet den i princippet gælder for større partier. I virkeligheden er behovet ofte beskedent, og så bliver tilgængelighede n en væsentlig faktor i prisdannelsen. Prisniveauet for rustfrie stål har i de seneste år varieret me- ' get, og ved behov bør der indhentes aktuelle priser på relevant kvantitet Prisrelation med produktfor m Med udgangspunkt i varmvalset materiale kan der for mere forædlede produkter opstilles en orienterende prisrelation. Varmvalset plade 10 0 Koldvalset plade 11 0 Varmvalset stang 100 Skaldrejet stang 11 0 Trukken stang 120 Slebet stang 140 Ekstruderet rør 240 Koldvalset rør 300 Svejset rør 180 Trukken tråd

139 Pris kontra egenskaber De austenitiske rustfrie stål udgør en relativt homogen gruppe med nogenlunde ens mekaniske egenskaber, og korrosionsegenskaber som er proportionale med legeringsindholdet og dermed også prisen. Betragter vi de ferrit-austenitiske stål er det også stål med sammenlignelige mekaniske egenskaber og korrosionsegen - skaber som følger legeringsindholdet. Hvis vi sammenligne r de to stålgrupper er der derimod væsentlige forskelle, som man kan drage fordel af. De ferrit-austenitiske stål har væsentlig bedre mekaniske egenskaber end de austenitiske, idet flydespændingen er cirka den dobbelte. Det medfører at ved konstruktioner hvo r flydespændingen indgår som en dimensioneringsfaktor, e r det muligt at vælge mindre godstykkelse. Derved bliver ogs å egenvægten mindre og svejseomkostningerne reduceres. Sammenlignet med ulegerede konstruktionsstål, har de ferrit-austenitiske stål mekaniske egenskaber i klasse med høj - styrke stål. Efterhånden som kendskabet til de ferrit-austenitiske stål øges, er der ingen tvivl om, at de vil finde anvendelse indenfor konstruktioner, hvor der normalt ikke anvendes rustfrie stål. F.eks. gittermaster og andre konstruktione r hvor korrosionsbeskyttelse og vedligeholdelse er vanskeli g og omkostningskrævende. 139

140 1 2 Nikkel og nikkellegeringer Hvad er nikkellegeringer? Nikkel er et forholdsvis ædelt metal og har derfor god bestandighed i en række miljøer. Det er let at legere med en række stoffer som kobber, chrom, molybdæn og jern, hvilket giver mulighed for en række familier af legeringer med bestandighed i et meget bredt spektrum af omgivelser, hvor korrosions- eller varmebestandighed kræves. Resultatet er legeringer med nikkel som basismetal og med et eller flere hovedlegeringselementer. Således findes lege - ringer af type n nikkel/kobbe r nikkel/molybdæ n nikkel/chrom/jer n nikkel/chrom/molybdæ n Nikkel/kobbe r Legeringsfamilier Nikkel/kobberlegeringer, de såkaldte Moneltyper med 66 % nikkelindhold hører til de mest anvendte nikkellegeringer. De anvendes typisk i miljøer med højt saltindhold, herunder havvand, og ofte ved høj temperatur. Bestandigheden i basiske omgivelser er også god. Tillegering af kobber fore - kommer også i f.eks. cupronikkellegeringer. Cupronikkel betragtes normalt som kobberlegeringer og skal derfor ikke be - handles her. Nikkel/molybdæ n Den kendteste nikkel-molybdænlegering er Hastelloy B, der på grund af sit høje molybdænindhold er en udpræget syrebestandig legering. Materialet bruges således i såvel svovlsyre som saltsyre, også ved høj temperatur (kogning). Nikkel/chrom/jer n Nikkellchrom/jernlegeringer har to anvendelsesområder. Dels som korrosionsbestandige materialer med god spændingskorrosionsbestandighed og dels under højtemperatur - 140

141 forhold hvor bestandigheden mod højtemperaturoxidation og deres gode styrkeegenskaber udnyttes. Nikkel/chrom/molybdæ n Mange nikkel/chrom/molybdænlegeringer er opbygget efte r samme principper som austenitiske rustfrie stål, men p å grund af det høje legeringsniveau af chrom og molybdæn e r det nødvendigt at hæve nikkelindholdet, hvorved indholde t bliver så højt, at nikkel bliver hovedmetallet. Som følge her - af findes en stor del af anvendelsen af disse nikkellegeringer i miljøer, der er stærkt korrosive som følge af høj temperatur, høj syrestyrke og højt saltindhold. Denne gruppe finde r som de austenitiske rustfrie stål også anvendelse som højtemperaturbestandige legeringer. Tabel 12.1 viser sammensætningen af en række almindelig t anvendte nikkellegeringer. Tabel 12.1 Almindeligt anvendte nikkellegeringers sammensætning ) Materiale Ni Cr Mo Co* W Cu Fe Ti Si* Mn* C* Andet Ni Nikkel ,5 0,1 0,1 0,2 0,2 0,0 8 Nikkel ,5 0,1 0,2 0,2 0,0 1 Ni-Mo Hastelloy B 61,0 1,0* 28,0 2,5 5,5 1,0 1,0 0,05 Hastelloy B-2 66,0 1,0* 28,0 1,0 2,0 0,1 1,0 0,0 1 Ni-Cr-Fe Incoloy ,5 21, 0 Inconel ,0 15,5 0,5* 8,0 0,5 1,0 0,1 5 Inconel X ,0 15,5 7,0 2,5 0,08 A10, 7 Ni-Cr-Mo Incoloy ,0 21,5 3,0 2,3 30,0,90 0,3 0,3 Al 0, 1 Incone ,0 21,5 9,0 2,5,20 0,3 0,3 0,0 5 Hastelloy G-30 40,0 29,5 5,0 2,0 2,50 1,7 15,0 0,8 1,5 0,03 Nb +Ta 0, 7 Hastello y C ,0 15,5 16,0 2,5 3,75 5,5 0,1 1,0 0,01 V 0,35 * Hastelloy C-22 56,0 22,0 13,0 2,5 3,00 3,0 0,1 0,5 0,01 V 0,35 * Ni-Cu Mone ,5 31,5 1,3 0,3 1,0 0,1 5 Monel K ,5 29,5 1,0 0,60 0,3 1,3 0,13 Al 2, 7 * max. indhold 141

142 Man skal dog være opmærksom på, at der er en lang rækk e specialiserede nikkellegeringer på markedet under forskellige handelsnavne, ligesom nogle af de i tabel 12.1 viste legeringer også forekommer i lignende sammensætninger unde r andre handelsnavne Anvendels e Højtlegerede nikkellegeringer anvendes indenfor en lang række områder og industrier hvor der kræves sto r korrosions- eller varmebestandighed. Således kan nævnes : Flyindustri (jetmotorer ) Rumfartsindustri (raketmotorer) Kemisk Industri (reaktorer, varmevekslere,ventiler ) Kraftværker (dampturbiner, røggas, røgrensningsanlæg). Dieselmotorer (ventiler,turboladere, ) I trykbeholdere og reaktorer, hvor der kræves store godstykkelser for at bære trykket, anvendes de højtlegerede materialer ofte som indvendigt pålagte overtræk på almindeligt konstruktionsstål. Herved opnås en korrosionsbestandig overflade, og forbruget af de til tider kostbare materialer kan holdes nede. Belægningen kan være lagt på som påsvejste plader (»wall papering», tapetsering), den kan være pålagt ve d påsvejsning, eller materialet kan være valset sammen me d bærematerialet til såkaldt compoundplade Korrosionsforhol d Nikkel hører som chrom til de metaller som kan passivere og udvise forbedret korrosionsbestandighed i den passive tilstand. Nikkels evne til at passivere er ikke så god so m chroms, og passiveringen er ikke stabil under stærkt iltend e omstændigheder. På den anden side er nikkel i aktiv tilstand betydeligt mere ædelt end chrom, hvilket betyder, at nikkel i aktiv tilstand er meget mere korrosionsbestandigt en d chrom. På denne måde supplerer de to stoffer hinanden godt so m tillegeringsstoffer ved opbygning af rustfrie stål. Nikkel og nikkellegeringer kan da også opfattes som et supplement ti l rustfrit stål, idet det i mange tilfælde vil være nikkellegeringer der skal klare opgaven, når rustfrit stål ikke længere kan. 142

143 Nikkel er et af de mest bestandige metaller i stærkt basisk e opløsninger, kun overgået af sølv og zirkonium. Nikkel e r således bestandigt overfor koncentrerede opløsninger a f kalium- og natriumhydroxid, selv ved høje temperaturer. Også smelter af hydroxyder kan klares med nikkel. Kort er nikkel resistent overfor : 1. Alkalier i varm eller kold opløsning. Ved smelter er det e n fordel at have lavkulstofholdigt nikkel. 2. Fortyndede ikke-iltende organiske og uorganiske syrer. 3. Atmosfæren. I industriatmosfære dannes der ofte en mat film af basiske nikkelsulfater, hvorfor man ofte forchrome r ovenpå nikkellag. Kort er nikkel ikke resistent overfor : 1. Stærkt iltende syrer og salte, f.eks. FeCl 3 og CuCl2, HNO Havvand. 3. Svovl eller svovlforbindelser over 315 C. 4. Alkaliske hypochloriter. Nikkellmolybdænlegeringer som Hastelloy B og B-2 har sto r bestandighed under stærkt sure forhold, selv ved høj temperatur, og anvendes derfor ofte i svovlsyre og saltsyre ve d høj temperatur. Korrosionsbestandigheden overstiger lang t de austenitiske rustfrie ståls. Fig viser et isokorrosionsdiagram for Hastelloy B i svovlsyre. Nikkel/molybdæn legeringer Fig Isokorrosionsdiagram fo r Hastelloy B i svovlsyre. Det ses, at ved 70% syrestyrke og 125 C overstiger korrosionshastig - heden ikke 0,5 mm/år. 60-0, ,1 mm/å r Svovlsyrekoncentration % Da nikkel/molybdænlegeringer (Hastelloy B) intet chromindhold har (max. 1%), er de ikke bestandige under oxide - rende betingelser, og kan således ikke anvendes i salpetersy - 143

144 re. Denne følsomhed overfor oxiderende stoffer skal tages ganske alvorligt, og gælder også oxiderende metalione r (kobber (II) og jern (III), ligesom et højt iltindhold kan resul - tere i en overraskende stor korrosionshastighed. Tabel viser grænserne for indhold af jern (III) i saltsyre, hvis optimal korrosionsbestandighed skal opnås. Tabel 12.2 Praktisk grænser for indhold af jern (III) i 10% saltsyre, når optimal korrosionsbestandighed for Hastelloy B skal opnås. Temperatur C max. tilladelig jern (III)-indhold ppm ppm kogende 26 ppm Ni /Cr/Mo Nikkel/chrom/molybdænlegeringe r Som nævnt kan legeringer med chrom og molybdæn betrag - tes som en overbygning på de austenitiske rustfrie stål, hvor de ofte anvendes i sure miljøer ved høj temperatur, altså de r hvor de austenitiske rustfrie ståls korrosionsbestandighed ikke længere slår til. Legeringsniveauet stiger, som det ses a f tabel 12.1., over Incoloy 825, Inconel 625 op til Hastelloy C-276 og C-22. På grund af legeringernes meget høje nikkelindhold er de ikke videre følsomme for spændingskorrosion i kloridholdigt miljø, selv om de er fuldaustentitiske. De er således også erstatningsmaterialer for rustfrit stål på dette område, nå r forholdene er så svære, at rustfrie stål med en vis spændingskorrosionsbestandighed (duplex stål eller stål med 25% nik - kel) ikke kan forventes at kunne klare opgaven. Hastelloy C-276 er et andengenerationsmateriale videreudviklet fra Hastelloy C. Det har de samme generelle korrosionsegenskaber som Hastelloy C, men korrosionsbestandigheden i svejst tilstand er bedre. Hovedanvendelsesområdet for Hastelloy C er sure miljøer - svovlsyre, saltsyre - samt koncentrerede saltopløsninger, der indeholder oxiderende ioner (ferri, cupri). Fig viser et isokorrosionsdiagram for Hastelloỳ C i svovlsyre. Det ses, at ved høje temperaturer i mellemkoncentrationsområdet er Hastelloy C d e rustfrie stål langt overlegent. 144

145 ' ' Fig Isokorrosionsdiagram fo r Hastelloy C i svovlsyre. ~ ~ ~ ~ SO % Svovlsyrekoncentratio n ~ Forarbejdning og håndtering Nikkellegeringer kan generelt formgives og forarbejdes med de samme teknikker som anvendes til forarbejdning af austenitiske rustfrie stål. De fleste er rimeligt lette at forme så - vel varmt som koldt, men da mange har højere styrker kræves ofte større kræfter ved formgivningen. Spåntagende bearbejdning (skæring, drejning, fræsning) er lettest at foretage i ren nikkel og Monel, men er vanskeligere ved legeringer med høje indhold af chrom og molybdæn. Ved modningshærdende legeringer foretages grovbearbejdningen normalt inden hærdningen, medens finere bearbejdning kan foretages efter hærdning idet også kastning opståe t under hærdningen da kan justeres. Bearbejdnin g De fleste nikkellegeringer kan svejses med almindelige svejsemetoder som TIG, MIG og elektrodesvejsning. Som beskyttelsesgas anvendes argon, helium eller blanding af dis - se. Det kræves altid, at der anvendes tilpasset tilsatsmateriale, hvis egenskaberne skal bevares mest muligt i svejst tilstand. Rengøring af overflader omkring svejsested er lige s å vigtig som ved svejsning af austenitiske rustfrie stål. Forekomst og fremstilling Nikkel menes at udgøre ca. 3% af jordkloden og er således et af de rigeligst tilstedeværende grundstoffer, kun overgåe t af jern, ilt, silicium og magnesium. Imidlertid er nikkel i jordskorpen kun tilstede i mindre end 0,01% hvilket gør de t til nummer 24 i hyppig forekomst. Naturen har sørget for at

146 koncentrere nikkelforekomsterne til få steder, hvor mængderne er store nok til at udvinde. Der findes to typer af nikkelmalm. Sulfidholdig malm, de r ofte indeholder en række andre metaller, findes i Canada, Sovjetunionen, Australien og Sydafrika. Silikatholdig nikkelmalm, såkaldt lateritmalm, findes på Ny Caledonien, hvor det har været udvundet siden forrige århundrede. Herudover udvindes denne type malm på Cuba, i USA og i Sovjetunionen. Udvinding af nikkel fra sulfidmalm foregår i tre trin. Fra malmen, der indeholder en blanding af en række metalsulfider, separeres den nikkelholdige del ved flotation, suppleret eller erstattet af magnetisk separation. Nikkel er jo magnetisk. Den herved berigede malm, der indeholder 5-10% Ni, ristes i luft, hvorved det meste svovl fjernes sammen med en del jern, og efterlader nikkeloxid tilbage. Oxidet kan nu reduceres til rånikkel for videre raffinering. Den videre raffinering kan foregå elektrolytisk, hvor rånik - kelet opløses i en blanding af svovlsyre og saltsyre, hvorfra nikkel kan elektrolyseres ud til et produkt med mere en d 99,9% Ni. En anden raffineringsproces er carbonylprocessen, hvor nik - kel eller nikkeloxid ved 100 C bringes til at reagere med kulmonoxid under dannelse af flygtigt nikkelcarbonyl. Denn e reaktion er specifik for nikkel således at andre metaller ikk e følger med. Nikkelet genvindes herfra ved yderligere opvarmning til C, hvor carbonylet igen spaltes til metal og kulmonoxid. Det fremstillede rennikkel kan videreforarbejdes som rustfrit stål ved smeltning og legering, samt behandling i AOD-konverter til reduktion af kulstof og svovl. Efter denne raffinering udstøbes i blokke, der videreforarbejdes varmt ved valsning, smedning eller extrudering afhængigt af slutprodukterne. Udover den normale smeltningsproces fremstilles nikkellegeringer ved pulvermetallurgiske processer i det første trin. Produktet herfra er legeringer i pulverform til videreforarbejdning. Ved den ene proces, mekanisk legering, bearbejdes pulverblandinger svarende til den færdige legering i 146

147 kuglemøller med stor energitilførsel. Bearbejdningen, de r medfører intens blanding, herunder sammensvejsning o g genformaling af partiklerne, resulterer i legerede partikle r med extremt finkornede strukturer. Disse materialer anven - des til videre smedning, valsning og ekstrusion. En anden proces til pulverfremstilling er baseret på forstøv - ning af den smeltede legering i inert atmosfære. Det produ - cerede pulver presses ved varm isostatisk presning til emner, der videreforarbejdes ved smedning eller ekstrusion. Pulvermetallurgiske processer anvendes til fremstilling af legeringer med høje krav til de opnåelige egenskaber. Metallurgi 12.4 Nikkel har kubisk fladecentreret krystalstruktur, såkaldt»gamma«fase, som vi kender det fra de austenitiske rustfri e stål. Da nikkel er basismetallet i nikkellegeringerne har ogs å disse som regel gamma basisstruktur. Denne basisstruktu r er ansvarlig for, at nikkellegeringer har højtemperaturstyrke r og krybestyrker, der er gange bedre end for ferritiske materialer. Ved tillegering af titan og aluminium dannes en ordnet kubisk fladecentret struktur af typen Ni3(Al, Ti), såkaldt»gamma prime«. Denne ordnede struktur passer fint ind i basisstrukturen, og anvendes til modningshærdning, hvorve d styrke og hårdhed øges. Ved at styre mængden af aluminium og titan kan mængden af»gamma prime«varieres og varierende styrkeøgning kan opnås.»gamma prime«kan forekomme i et omfang på helt op til 60%, når det er mest ud - nyttet. Figur 12.3 viser krystalformerne af de to faser. I visse temperaturområder er der mulighed for udskillelse af metalcarbider, først og fremmest i korngrænserne. Disse er med til at øge styrken i nikkellegeringer, og som sådan ha r carbidudskillelser en gunstig virkning, der først og frem - mest udnyttes under højtemperaturforhold. På den anden side vil udskilte carbider binde en række legeringselemente r og kan på denne måde reducere korrosionsbestandighede n af korngrænserne. Resultatet kan blive interkrystalinsk korrosion. For at undgå dette må der så vidt muligt være kompenseret for det i legeringssammensætningen, hvis legeringen skal være svejsbar uden efterfølgende varmebehandling.»gamma prime«giver styrke Carbide r 147

148 Fig »Gamma«og»gamma prime «krystalformer. = Ni 0 = AI eller Ti a "gamma" b "gamma prime " Legeringselementer Chro m Molybdæn Legeringselementernes betydning Legeringselementerne i nikkellegeringer har flere forskellige funktioner. Hovedlegeringselementerne har stort set samm e virkning på korrosionsforholdene, som vi kender det fra d e austenitiske rustfrie stål, men i nikkellegeringerne finde s desuden en række komponenter som ikke er til stede i de rustfrie stål f. eks. cobolt, wolfram og tantal. Funktionen a f disse kan udover det rent korrosionsmæssige være at forbedre højtemperaturegenskaberne, herunder kontrol a f struktur og intermediære faser. Ser vi på de enkelte legeringselementer, forekommer chro m (Cr) i fast opløsning. Som sådan virker det styrkeforøgend e også ved høj temperatur. Korrosionsmæssigt forbedrer chrom bestandigheden under oxiderende forhold. Dett e gælder såvel under almindelige korrosionsforhold som under højtemperaturforhold. Chrom skal være tilstede og tilgængeligt for at materialet kan passivere spontant i atmosfæ - ren og i vandige miljøer. Endvidere forbedrer chrom bestan - digheden mod lokalkorrosion, således at bestandighede n stiger jo højere chromindholdet er. Molybdæn (Mo) findes også i fast opløsning. Korrosions - mæssigt styrker det syrebestandigheden, hvilket udnytte s fuldt ud i nikkellmolybdænlegeringer som Hastelloy B typer. Figur 12.4 viser indflydelse af molybdænindholdet i 5 % saltsyre ved 50 C. Det ses, at korrosionshastigheden falder med stigende molybdænindhold samt at et acceptabelt niveau er nået ved 148

149 g/m 2 / dag Fig Indflydelse af molybdæn p å korrosionsbestandighede n i 5% saltsyre ved 50 C. 0 Mo-indhol d vægt % 28%, som er niveauet i kommercielle legeringer. Udover sy - rebestandigheden forbedrer molybdæn lokalkorrosionbestandigheden for Ni/Cr/Mo-legeringer i chloridholdigt miljø. Endvidere forøger molybdæn såvel styrken som krybestyr - ken. Titan (Ti). Formålet med at tillegere titan er at maskere det kulstofindhold, der er i materialet. Ved varmepåvirkning i bestemte intervaller sker der udfældning af carbider, såkald t sensibilisering, med risiko for interkrystallinsk korrosion ti l følge. Ved tillegering af titan bindes kulstof som titancarbid, således at chromet ikke blokeres som chromcarbid. Titantilsætning kan i denne forbindelse anvendes til at gøre materialerne mere svejsbare uden risiko for tab af korrosionsbestandighed. Herudover anvendes titan som ovenfor nævn t til at gøre legeringer modningshærdende. Aluminium (Al) anvendes sammen med titan til dannelse af»gamma prime«, der gør legeringerne modningshærdbare. Samtidigt øges korrosionsbestandigheden i reducerend e højtemperaturmiljøer. Kobber (Cu) bruges til at styrke korrosionsforholdene i ikke oxiderende syre (f. eks. svovlsyre). Virkemåden er lidt kompleks. Når et materiale, rustfrit stål, eller Ni/Cr/Mo-legering aktiverer i syre, - og korrosionshastigheden stiger betydelig t - skyldes det, at syreopløsningshastigheden af passivfilme n bliver højere end hastigheden af den elektrokemiske proces, Tita n Aluminiu m Kobbe r 149

150 der danner passivfilmen. Denne er normalt styret af brint - udviklingen - altså katodeprocessen. Hvis stålet indeholder kobber, katalyseres katodeprocessen og dermed stiger gen - dannelseshastigheden for passivfilmen. Resultatet er, at et kobberholdigt materiale kan anvendes i mere sure miljøer end et materiale uden kobber. Herudover anvendes kobber i nikkel/kobberlegeringer (Monel-typer), der fortrinsvis an - vendes i chloridholdigt miljø, herunder havvand Opløsningsglødning Varmebehandlinge r Opløsningsglødnin g Opløsningsglødning ved høj temperatur foretages for a t frembringe en ensartet basisstruktur i materialet, for eksempel efter kraftig plastisk deformation, eller for at fordel e chrom, der diffunderer langsomt i nikkel. Fra glødetemperaturen skal temperaturen normalt sænkes hurtigt for at bevare strukturen. Formålet med opløsningsglødning kan ogs å være at opløse udskilte uønskede faser, f.eks carbider dan - net ved uhensigtsmæssig varmepåvirkning, f.eks ved svejsning. Opløsningsglødning kan foretages på nikkel og de fleste nikkellegeringer, men temperaturniveauet varierer afhængigt af legeringstype. I Tabel er anført glødetemperaturen for en række nikkellegeringer. Tabel 12.3 Temperaturer for opløsningsglødning af nikkellegeringer. Ni Ni/Cu Ni/Mo Ni/Cr Ni/Cr/Mo Ni/Cr/M o Nikkel Monel Hastell. Hastell. Hastell. Incone l B-2 G-30 C Glødetemperatur C Modningshærdning Modningshærdnin g Som ovenfor nævnt byder tillegering med Al og Ti på mulig - heden for styrkeøgning ved udskillelse af partikelfordel t»gamma prime«fase. På denne måde fremstilles en»højstyr - ke«-nikkel, Duranikkel 301, med 4% Al og 0,5% Ti. Modningshærdningen af denne legering kan foregå i 4 trin : 1. Opløsningsglødning ved C i 1-5 minutter på temperaturen. 2. Modning ved C i 16 time r 150

151 3. Afkøling til 480 C ved en afkølingshastighed på max. 8 C/time. 4. Herefter luftkøling eller bratkøling. Ved modningen stiger 0,2%-styrken med en faktor 3, hård - heden stiger typisk fra 150 til 300 HB, alt på bekostning af duktilitet, idet brudforlængelsen samtidigt falder fra 50% ti l 25%. En hel række af nikkelegeringer kan modningshærdes p å lignende måde ved hjælp af»gamma prime«-udskillelse. Fysiske og mekaniske egenskaber Fysiske egenskaber De vigtigste fysiske egenskaber for en række korrosionsbestandige nikkellegeringer er anført på tabel 12.4 i sammenligning med syrefast rustfrit stål. Det ses, at nikkellegeringerne generelt er tungere materialer med såvel mindre varmeudvidelse som mindre varmeledningsevne ved stuetemperatur. En undtagelse er nikkel/kobberlegeringerne, der ha r bedre varmeledningsevne, og de repræsenterer dermed e n mellemting mellem rent nikkel og legeringerne med høj t indhold af chrom og molybdæn. Tabel 12.4 Fysiske egenskaber for en række udvalgte nikkellegeringer. Fysiske egenskabe r Egenskab Ni Ni/Cu Ni/Mo Ni/Cr Ni/Cr/Mo Ni/Cr/Mo RIS I Nikkel Monel Hastell. Hastell. Hastell. Inconel B-2 G-30 C Smeltepunkt C Massefylde g/cm 3 8,89 Elasticitetsmodul GPa 20 4 Varmeudvidelse 10-6/ K 13, 3 Varmeledningsevne ved 20 C W/m K 70, 2 ved 400 C W/m K 52, 5 Varmefylde (20 C) j/kg K 45 6 Elektrisk modstand nslm ,83 9,22 8,22 8,89 8,44 7, ,9 10,3 10,2 11,2 7,1 16, 2 21,8 11,3 10,2 10,0 9,8 13, 0 34,0 16,0 18,7 16,5 12,6 17,

152 Mekaniske egenskaber Mekaniske Nikkellegeringer ligner strukturmæssigt de austenitisk e rustfrie stål og har også lignende mekaniske egenskaber, o g det er generelt duktile materialer med stor brudforlængelse. Der er generelt tendens til at styrken stiger med legerings - niveauet, men den er også afhængig af arten af legeringselementerne. Tabel 12.5 viser de vigtiste mekaniske egenskaber af en række korrosionsbestandige nikkellegeringer ved stue - temperatur. Tabel 12.5 Mekaniske egenskaber for nikkellegeringer ved stuetemperatur. Styrkeegenskaber Ni Ni/Cu Ni/Mo Ni/Cr Ni/Cr/Mo Ni/Cr/Mo AISI ved rumtemperatur Nikkel Monel Hastell. Hastell. Hastell. Inconel B-2 G-30 C Brudstyrke MPa ,2%- styrke MPa Brudforlængelse Hårdhed HB RB Slagstyrke (Charpy) J * 19 0 * U-kærv Det ses, at med undtagelse af rent nikkel og Monel 400 er nikkellegeringerne stærkere legeringer end rustfrit stål. Kan koldbearbejdes Nikkellegeringerne kan som de rustfrie stål styrkeøges ved koldbearbejdning. øgningen som funktion af koldbearbejdningsgraden er for Ni/Cr/Mo-legeringerne stort set som fo r de rustfrie stål omend styrkeniveauet er højere. Nikkellegeringerne bevarer styrken ved høje temperaturer, og en række af legeringerne har da også deres anvendels e som varmefaste materialer. Som eksempel ses på Figur 12.5., der viser styrker og brudforlængelse for Inconel 625 i udglødet tilstand som funktion af temperaturen, at det meste a f styrken bevares op til 650 C. Gode krybeegenskaber Et af nikkellegeringernes fortrin er deres gode krybeegen - skaber. Figur 12.6 viser krybeegenskaberne af Incoloy

153 MP a , co ' 400 ' 500 ' 600 ' 700 ' 800 ' C Temperatur Fig Mekaniske egenskaber fo r Inconel 625 ved forhøjet temperatur. MP a Brudti d 111!!~~~ üi1- ~~~~~~~!!~ C iiiii ~ 111 i :!!niüm : :!!~~i~ü~l~~iiüü M~ ;=~i~65!. ~ _ IW 1mm IIIImm IIIuou ma ::mum IIII 11111~ ~Inlll~ 11111~~~~IIII~~ ~III I EIIII111IIII 11III.I11III.I11IIII iiiiii i smiimmmiimmiiiielmiiih' :NIII I ~ _.1111~~~~ 1111~~~ 1111~~~~1111~~~ Time r Fig Krybeegenskaber (brudtider) fo r Incoloy 800. Legeringstyper Der findes et væld af forskellige legeringstyper med repræ - sentanter indenfor de forskellige familier. Det er ofte legerin - ger, der er udviklet til bestemte formål, og hvor udviklingen er foregået over flere generationer af materialer. Således ka n Hastelloy C betragtes som den oprindelige Ni/Cr1Mo-legering. Denne er så blevet videreudviklet mod bedre egenskaber, efterhånden som viden og teknologi er blevet bedre. Således er udviklingen foregået over 2. generationsmateriale t Hastelloy C-276, videre over Hastelloy C-4 til Hastelloy C-22, som det nyeste skud på stammen. Udviklingen er først og fremmest gået på at sikre korrosionsbestandigheden i forbindelse med svejsning, men også den generelle korrosionsbestandighed er blevet bedre Legeringsudviklin g Det er et generelt problem med de meget højt legerede materialer, at holde styr på mikrostrukturen i forbindelse me d 153

154 Nye faser ved varmepåvirkning varmepåvirkningen. Ved høje temperaturer dannes let nye overlegerede faser, der»stjæler«legeringskomponenterne fra nabofaserne, der herved bliver korrosionsfølsomme. Effekten er vist på fig. 12.7, der viser Hastelloy C anløbet en time ved forskellige temperaturer, og derefter korrosionsprovet kogende 10% saltsyre. Man ser hvorledes anløbning ved C gør materialet mere korrosionsfølsomt. Det ses også, hvordan tre forskellige generationer af materialet reagerer p å varmepåvirkningen (sensibiliseringen). Fig Effekt af sensibilisering i tre forskellige generationer af Hastelloy C. mm/å 5 - Hastelloy C Hastelloy C-276 Hastelloy C C Nikke l Kommercielle legeringer Sensibiliseringstemperatu r Nikkel indeholder i sin grundversion Nikkel 200 minimu m 99% Ni. Udover denne basisversion findes nikkel som lav- 154

155 kulstofversion Nikkel 201 samt somt modningshærdbar Duranikkel 301. Nikkel/kobbe r Monet 400 er grundversionen af Moneltyperne. Den har go d korrosionsbestandighed, god duktilitet og er svejsbar. Udover standardlegeringen Monel 400 findes også en let bearbejdelig variant, R 405, med kontrolleret svovltilsætning. Mone l K-500 er en legeret udgave af Monel med højere styrke end den ulegerede. Bekostningen er her en reduktion af duktilitet og svejsbarhed. Nikkel/molybdæ n Materialer som Hastelloy B og andengenerationsmaterialet B-2 er typisk korrosionsbestandige legeringer. De har et anvendelsesområde i stærkt sure, ikke oxiderende miljøer so m svovlsyre og saltsyre. For Hastelloy B gælder, at varmepåvirkningen ved svejsning nedsætter korrosionsbestandigheden i den varmepåvirkede zone, hvilket kan give anledning til såkaldt»knife line«angreb langs svejsningerne. For at undgå dette, kan materialet varmebehandles efter svejsning ved 1177 C (opløsningsglødning), idet man sørger for at temperaturen nedbringes fra glødningstemperaturen til under 480 C indenfor 3 minutter (bratkøling). B-2 er mindre følsomt for varmepåvirkningen og kan normalt svejses ude n efterfølgende varmebehandling. Nikkel/chrom/jer n Incoloy 800,Inconel 600 og Inconel X-750 har primært dere s anvendelse inden for højtemperaturområdet. En variant af Incoloy 800 er Incoloy 800HT med små mængder Al og Ti. Herved øges krybestyrken væsentligt. X-750 er en modningshærdende variant af Inconel 600 hvorved højere styr - ker opnås. Nikkel/chrom/molybdæ n Incoloy 825, Inconel 625 og Hastelloy C-276 og C-22 kan so m korrosionsbestandige legeringer betragtes som en overbygning på de rustfrie stål og er legeringer med et bredt anvendelsesområde i korrosive medier. Korrosionsbestandigheden er stigende i den anførte rækkefølge. 155

156 Standarde r UNS numre og Werkstoff numre Som for de rustfrie ståls vedkommende er de almindeligs t anvendte nikkellegeringer standardiseret og har sålede s såvel et UNS nr. (US) og et et Werkstoff nummer (DIN). For nikkellegeringerne er første ciffer i Werkstoffnummere t 2. Tabel 12.6 giver en oversigt over standardnumre for de al - mindeligste nikkellegeringer. Tabel 12.6 Standardbetegnelser for udvalgte nikkellegeringe r Materiale UNS nr. Werkst.nr. Ni Nikkel 200 NO Nikkel 201 NO Ni-Mo Hastelloy B-2 N Ni-Cr-Fe Incoloy 800 N Inconel 600 N Hastelloy G-30 N Ni-Cr-Mo Incoloy 825 N Incone1625 N Hastelloy C-276 N Hastelloy C-22 N06022 Ni-Cu Monet 400 N Monel K-500 N Fortrin og begrænsninge r På grund af den store variation af sammensætninger blandt nikkellegeringerne samt et stort udbud specialiserede lege - ringer kan det være vanskeligt af pege på fortrin og begrænsninger, der er fælles for hele spektret af nikkellegeringer. Med accept af en vis variation af grænserne kan dog en - kelte karakteristika anføres. Nikkellegeringernes fortrin over for andre materialer ligge r indenfor korrosionsbestandighed og højtemperaturbestandighed. Styrkeforholdene ved høj temperatur - såvel træk- 15 6

157 styrke som krybestyrke - er særdeles fordelagtige hos e n række nikkellegeringer og kan placere dem som eneste mulige kandidater. Til gengæld er styrkeforholdene ved stuetemperatur således, at der nemt kan findes stål, ferritiske eller duplex rustfri e stål, der har større styrke. Selv om korrosionsbestandigheden ved høj temperatur e r god, er der alligevel begrænsninger. Nikkellegeringer har p å grund af hurtig reaktion mellem nikkel og svovl ikke særli g god bestandighed overfor svovlholdige omgivelser. Det gæl - der såvel smeltet svovl ved høj temperatur som svovlholdig e reducerende gasser. Leveringsformer De mest anvendte nikkellegeringer leveres i en række halv - fabrikata såsom rør, stænger og plade. Rør, der er en stor artikel blandt andet til varmevekslerbrug, fremstilles i såve l svejst som sømløs udgave Svejste rør fremstilles i reglen ud fra bånd. Tyndvæggede rør fremstilles i dimensioner fra 6,4 til 76,2 mm4 med vægtykkelse 0,38-3,8 mm i længder op til 15 m. Tykvæggede rør i dimensioner fra 1/8" til 8" med vægtykkelse 1,24-12,7 mm i længder op til 15 m ; de største vægtykkelser dog kun op til 7,3 m længde. Sømløse rør ekstruderes varmt og koldvalses derefter for styrkeøgning. Tyndplade leveres koldvalset, glødet og bejdset i op til 4 mm tykkelse. Dimensionerne kan være 1,2 x 3 m. De tyndest e pladetykkelser kan leveres i coil (rulle). Tykkere plade, der er aktuel for eksempel til rørplader, leveres varmvalset i op til 20 mm tykkelse ; i enkelte legeringer op til 40 mm tykkelse. Dimensionerne kan her vær e f.eks. 2 x 8 m. Sværere godstykkelser såvel som støbegods kan leveres i forbindelse med specialordrer. Også ventiler og armaturer kan leveres i korrosionsbestandige legeringer som Monel,Inconel 625 eller Hastelloy C

158 12.9 Prisforhol d Som nævnt i kapitlet om rustfrit ståls prisforhold er nikkel e t dyrt materiale, med tendens til svingende priser. Med nikke l som hovedlegeringselement og med legeringselementer som molybdæn i høje koncentrationer kan det ikke overraske, a t nikkellegeringer er meget dyre materialer som kun komme r i anvendelse hvor der virkelig er brug for dem. 158

159 Titan og titanlegeringer 1 3 Hvad er titan? Titan er et ret almindeligt forekommende grundstof. Geokemisk er det således nummer 10. Titan er en letmetal på lini e med aluminium. Det er dog med en massefylde på 4,5 tun - gere end aluminium med massefylde 2,7. Den lave massefylde har tidligt gjort titan interessant i forbindelse med bland t andet flykonstruktion, idet styrke/massefyldeforholdet er gunstigt (61 mod konstruktionsståls 30 regnet på dimensioneringsstyrkerne). Titan er i grunden et meget uædelt metal, men udviser alligevel en overordentlig stor korrosionsbestandighed i en række aggressive medier på grund af en fremragende evne til a t passivere og bevare passiviteten. Titans historiske udvikling Eksistensen af titan blev opdaget i slutningen af 1700-talle t med fundet af et mineral, der senere er blevet betegnet so m ilmenit (FeTiO3 ). Næsten samtidigt opdagedes eksistensen a f rutil (TiO 2), hvor et nyt grundstof, kaldet titanium, mente s at være tilstede. Der skulle dog gå næsten 150 år, hvor titan blev betragte t som hørende til de sjældne grundstoffer. Dette skylde s problemer med fremstillingen af det rene metal, idet tita n ved forhøjet temperatur reagerer med brint, kulstof, kvæl - stof og ilt og derved bliver sprødt. Det har således skortet p å teknikker til beskyttelse af metallet ved de høje temperaturer under fremstillingen. Fra 1945 kan titan renfremstilles til industrielt brug, og side n er anvendelsen og forbruget steget støt. Anvendelse af titan På baggrund af titans gode egenskaber anvendes materialet i en række sektorer, hvor det gør god fyldest. 159

160 I den kemiske industri udnyttes titans gode korrosionsbestandighed til mange formål. Selv ulegeret titan har en korrosionsbestandighed, der ofte er de rustfrie stål overlegen, og hvor ulegeret titan ikke er tilstrækkeligt, kan anvendelsesområdet udvides med palladium- eller molybdænlegere t titan. I klor-alkali industrien, hvor der håndteres medier med høj t indhold af klorid, ofte kombineret med et oxiderende ind - hold af klor, kommer de rustfrie stål til kort. Her er ulegeret titan et sikkert materiale. Også til havvandsformål, især ved forhøjet temperatur, er titan et godt bud på et korrosionsbestandigt materiale. Såle - des finder titan udbredt anvendelse inden for skibsfart og offshoresektoren til havvandskølere og brandslukningsinstallationer. Titan har et meget højt styrke/massefyldeforhold. Dette har givet det en plads indenfor såvel fly- som rumfartsindustrien, hvor det specielt er styrken ved forhøjet temperatur, de r byder på fordele. Kombinationen højt styrke/massefyldeforhold og høj korrosionsbestandighed gør titan velegnet til implantater. Også god vævsforligelighed spiller her en rolle. Det anvendes således til en række bespændinger i forbindelse med knoglebrudsbehandling samt proteser. Titan kan anodiseres (samme proces som for aluminium). Udover at anodiseringen forbedrer korrosionsbestandigheden, kan man kontrollere den resulterende oxidfilms tykkel - se ved strømbelastningen og derved bestemme den farve, der fremkommer ved anodiseringen. Ved en filmtykkelse p å 200 Å (0,2µm) opstår således en mørk violet farve. Effekten anvendes f. eks. ved fremstilling af smykker i titan Korrosionsbestandighed Overfor havvand under 95 C er titan fuldt bestandigt - ekstreme slidpåvirkninger kan dog ødelægge det, men i det tilfælde vil andre metaller heller ikke holde. Titan har et stort anvendelsesområde som erstatningsmateriale for rustfrit stål i havvand og chloridholdige miljøer ve d 160

161 høj temperatur og højt chloridindhold. Det er især bestandigheden mod grubetæring (pitting) og spaltekorrosion der her udnyttes. Tillegering af palladium til titan øger bestandigheden mod sure påvirkninger, og dermed også bestandigheden mod spaltekorrosion. Fig viser bestandigheden af ren titan og palladiumlegeret titan som funktion a f temperatur og chloridkoncentration. Det ses, at ren titan e r bestandigt i havvand op til 130 C. Over denne temperatu r kan spaltekorrosion og pitting opstå ved ph-værdier unde r 7. Det ses også, at selv ved en temperatur på 75 C er tita n bestandigt op til meget høje chloridindhold. Anvendelses - området kan, som det ses, udvides til højere temperature r ved anvendelse af palladiumlegeret titan. c Zone 5 Zone 4 Fig Temperaturgrænser for titan s anvendelse i kloridholdig e miljøer Zone 3 m å, E a fo tzo too - s Zone 2 Zone I % Natriumklorid Ren titan Grade 7 (f.eks Grade 2) (Ti-0,2 Pd ) Zone 1 Zone 2 Zone 3 fuldt bestandigt spaltekorrosio n muligt ve d titan/titanspalter spaltekorrosion og pitting mulig ved sure ph-værdier fuldt bestandig t fuldt bestandig t spaltekorrosion muli g ved titan/titanspalte r ved sure ph-værdie r Zone 4 Zone 5 pitting og spalte- spaltekorrosion sand - korrosion sandsynligt synlig. Pitting muli g ved sure ph-værdie r pitting og spalte- pitting og spalte - korrosion sandsynlig korrosion sandsynlig 16 1

162 Titan er bestandigt i fortyndede, stærke syrer som svovlsyre og saltsyre. Den maksimalt tilladelige syrekoncentration e r afhængig af legeringstypen. Figur 13.2 viser et isokorrosionsdiagram (0,02 mm/år) for tre forskellige titanlegeringer i saltsyre. Fig Isokorrosionsd iag ra m (0,02 mmlår) for titanlegeringer i saltsyre Saltsyrekoncentratio n Vægt % Det ses, at molybdæn- og palladiumlegeret titan tåler højere koncentrationer end ulegeret titan. Galvanisk korrosion går aldrig ud over titan, og ved kombi - nation med Monel eller rustfrit stål opstår der som regel in - gen problemer. Spændingskorrosion kan opstå i rød, rygende salpetersyre, i methanol, ethanol og i ethylenglycol. Tilfælde af spændings - korrosion er også set i havvand. Kort er titan bestandigt overfor : 1. Havvand. 2. Vådt Cl Salpetersyre i alle koncentrationer op til kogepunkte t (NB : ikke rød rygende). 4. Oxiderende salte (FeC13, CuCl2) 5. Hypochlorit-opløsninger. Kort er titan ikke bestandig overfor : 1. Fluorforbindelser. 2. HCI og H 2 SO 4 (en undtagelse er fort.opl. ) 162

163 3. Koncentrerede varme alkalier. 4. Højtemperaturpåvirkninger af luft, N 2 og H 2. Forarbejdning af titan Titan kan som andre materialer forarbejdes ved en rækk e processer, men forholdene er ofte meget anderledes, når ti - tan forarbejdes. Nedenfor omtales en række forarbejdningsprocesser med de forhold, der er specielle ved titan Svejsning af titan Titan kan som rustfrit stål svejses ved hjælp af TIG-svejsning, men forholdene under svejsningen er langt med kritiske end for de rustfrie stål Svejseoverfladerne skal være rengjort, affedtet og tørre. Som nævnt tidligere reagerer titan ved forhøjet temperatu r med en lang række gasser og bliver herved sprødt. Derfor stilles der meget større krav til gasbeskyttelsen end ve d svejsning af rustfrit stål. Beskyttelsesgassen (såvel pistolga s som rodbeskyttelsesgas) kan kun være argon (eller helium), og renhedsgraden skal være meget høj (99,96%). Herudover skal titan være gasbeskyttet, så længe temperaturen er ove r 200 C. Titan kan ikke svejses til andre materialer, idet der danne s sprøde intermetalliske faser i fusionszonen. Det kan do g friktionssvejses til aluminium, kobber og tantal. Fremstilling af titan Som tidligere nævnt er titanholdige mineraler ganske udbredt. Udgangsmaterialet for titanfremstilling er oftest ilmenit, der findes på Newfoundland og New Zealand, i Norg e og i Indien Udvindingen af titan foregår i tre trin : 1. Extraktion af titandioxid fra mineralet. 2. Omdannelse af titandioxid til titantetrachlorid. 3. Isolering af titan ved reduktion med magnesium. 163

164 Extraktion af titandioxid Ekstraktion fra ilmenit foregår ved oplukning med svovlsyre, hvorved der dannes vandopløseligt titansulfat. Sulfatet kan ekstraheres og hydrolyseres til titandioxid. Hvis forekomsterne er rige på TiO2, (f. eks. rutil), kan oven - nævnte ekstraktion udelades Omdannelse til titantetrachlori d Omdannelsen fra oxid til chlorid forgår ved opvarmning a f en blanding af TiO2 og kul til 800 C under tilledning af chlor : TiO2 + 2C + 2C TiCI4 + 2CO Titantetrachloridet, der er flygtigt (kogepunkt 136 C), går fra i dampform sammen med mindre flygtige chlorider f. eks. jernchlorid. Titantetrachlorid må herefter renses ved fraktioneret destillation Isolering af tita n Isolering af titan foregår ved reduktion med et mere reaktivt metal. Dette er oftest magnesium, selv om også natrium er set anvendt. Ved den relativt høje temperatur, hvor reduktionen foregår, kræves beskyttelse mod påvirkning fra omgivelsernes gasser som ovenfor nævnt, hvilket historisk ha r været den største hindring for udvikling af titanproduktionen. Beskyttelsen foregår ved hjælp af helium eller argon. Reaktionen TiC Mg Ti + 2 MgCl2 foregår ved, at titantetrachlorid ledes ind i en ovn med smeltet magnesium. Det udreducerede titan afsættes som titansvamp. Det dannede magnesiumchlorid danner en slagge, hvorfra magnesium kan genvindes og recirkuleres i processen. Det dannede titansvamp isoleres og udstøbes i blokke, der er udgangspunktet for den videre fremstilling af halv- o g helfabrikata i titan Titans metallurg i Titan er et såkaldt allotropt materiale, det vil sige det optræ - der med to forskellige krystalstrukturer. Over 882 C er struk- 164

165 turen kubisk rumcentreret (ß-fase). Ved lav temperatur er den hexagonal tætpakket (a-fase). Figur 13.3 viser de to strukturer. Derudover ses transustemperaturen, (den temperatur, hvor strukturen skifter fra a til /3), og smeltepunktet. Ren titan vil således altid have a-struktur ved praktisk e anvendelser. C Smeltepunkt BCC Beta fas e Fig Titans to krystalstrukturer Beta transu s HC P Alpha fase a Hvorfor legere titan? Titan har en række gode egenskaber. Det er duktilt og har høj korrosionsbestandighed, men til en række formål e r styrken ikke stor nok. Den væsentligste grund til at legere ti - tan er således at øge styrken. Herudover legerer man for a t forøge korrosionsbestandigheden i en række medier (sure, reducerende). Ved tillegeringen påvirkes stabilitetsområde t for de to krystalstrukturer, hvorved det bliver muligt at frem - bringe tre forskellige legeringstyper med forskellige strukturer, a-legeringer, alß- legeringer og i3-legeringer. a-stabilisatorer Ulegeret titan har som nævnt u-struktur. Almindeligt fore - kommende urenheder som ilt, kvælstof og kulstof opløses i små mængder, der stabiliserer a-strukturen. Dette betyder, at transustemperaturen i kommercielt titan er 'C. Urenhederne, der forekommer som indskudsatomer, øge r styrken, men sænker duktiliteten. Det er primært ilt, de r udnyttes til at forøge styrken. C og N bidrager, men er 165

166 Flydespændin g kp/mm 2 mindre attraktive end ilt. Effekten af de forskellige elemente r kan udtrykkes i den såkaldte ilt equivalen t %O eq = %O + 1,2 x %N + 0,6 x % C Forlængelse, % Aluminium, der også er a-stabilisator, tillegeres også for at øge styrken, men den brugbare opløselighed er begrænset. Fig viser flydespændingen og duktiliteten som funktio n af mængden af tillegeret aluminium. Vægt %A l Fig Indflydelse af aluminium p å styrke og duktilitet stabilisatore r En lang række legeringselementer stabiliserer 3-fasen, men gør det på to forskellige måder. De såkaldte '3-isomorfe elementer er vanadin, niob og molybdæn. Isomorf vil sige, a t 3-titan har samme krystalstruktur som legeringselemente t (f.eks. Mo), og dette kan altså findes opløst i titanmatricen. De såkaldte ß-eutektoide legeringselementer,(cr, W, Fe, Co, H, Si), danner intermediære faser. Systemet er skematis k vist i fig De ß-eutektoide elementer er de mest udbredte og har samme effekt som de isomorfe. De har gavnlig virkning i små mængder. Fig Skematisk fasediagram fo r eutektoide legeringselementer. a+p 13 + y a+ y Legeringsindhol d 166

167 Neutrale elementer Neutrale elementer som zirkonium, tin og hafnium påvirke r ikke fasestabiliteten nævneværdigt, men øger styrken i båd e a- og 0-legeringer. I tofaselegeringer opløses de ligeligt i d e to faser. Tillegering af 0,15% palladium har beskeden indflydelse p å strukturforholdene, og palladium tillegeres udelukkende fo r at forbedre titanets korrosionsbestandighed. Bestandigheden forøges specielt i sure ikke oxiderende miljøer so m svovlsyre og saltsyre. Herudover forstærkes spaltekorrosionsbestandigheden i havvand. De 3 legeringsklasser Ved at afpasse mængden og arten af legeringselementer e r det således muligt at frembringe tre forskellige legeringstyper; a, 0 og a/o. a-legeringer har følgende hovedkarakteristika : overvejende a-struktur høj styrke ved høj temperatur god svejsbarhe d høj brudsejghed rimelig bearbejdelighe d kan ikke varmebehandles til høj styrk e 0- legeringer har følgende karakteristika : næsten 100% 0-fase ringe krybestyrke over 375 C god svejsbarhe d god bearbejdelighe d kan varmebehandles til høj styrke a/ß-legeringer har følgende hovedkarakteristika : strukturen består af både a og f3-fase god termisk stabilite t relativt dårlig svejsbarhe d rimelig til god bearbejdelighe d kan varmebehandles 167

168 13.8 Fysiske og mekaniske egenskabe r Fysiske egenskabe r På tabel 13.1 er vist titans fysiske egenskaber sammenlignet med andre metaller. Af attraktive egenskaber ses, at tita n har meget højere smeltepunkt end de øvrige letmetaller. Varmeledningsevnen er forholdvis lav, medens varmeudvidelseskoefficienten er lidt lavere end jerns. Tabel 13.1 jern. Fysiske konstanter for titan, aluminium, magnesium o g Egenskab Titan Aluminium Magnesium Jern Smeltepunkt Massefyld e Varmeledningsevne (20 C ) Elektrisk modstand (20 C ) Varmefylde (50 C ) Varmeudvidelseskoefficient C g/cm3 4,51 2,70 1,74 7,85 Wlm K nszm Jlkg K '/ K 8,9 24,0 25,7 11, Mekaniske egenskaber Titan og titanlegeringer har god styrke og duktilitet fra me - get lave temperaturer op til ca. 300 C. Styrkeegenskaberne af de forskellige titanlegeringer er vist på tabel Det se s heraf, at styrken i de ulegerede titankvaliteter stiger fra grade 1 til grade 4. Dette er en følge af det stigende indhold a f oxygen. Det ses også, at de palladiumlegerede typer ha r styrke som de ulegerede (jfr. grade 7 og 2, grade 11 og 1). Den molybdænlegerede grade 12 har den højeste styrke a f de legerede korrosionsbestandige typer. Endelig fremgår de t tydeligt, at de egentlige styrkelegeringer er grade 5, 6 og 10, med grade 5 som den stærkeste. Denne legering har især fundet anvendelse i flyindustrien. Tabel 13.2 Titanlegeringers styrkeegenskaber. ASTM Grade 1 MPa trækstyrke min. 0,2-spænding min

169 På grund af titans lave massefylde og gode styrke bliver styrkelmassefyldeforholdet gunstigt, hvilket er et af titans aktiver. I tabel er styrke!massefyldeforholdet angivet fo r ulegeret titan (grade 2) samt en af højstyrkelegeringern e (grade 5) i sammenligning med andre korrosionsbestandige materialer. Det ses, at selv ulegeret titan har et ca. dobbelt så stort forhold som de austenitiske rustfrie stål. For højstyrke - legeringens vedkommende er forholdet 3-5 gange så stor t som for rustfrie stål og nikkellegeringer. Dette gunstige for - hold er væsentligt, dels når der skal spares vægt og især i forbindelse med hurtigt roterende dele (kompressorer, pumpehjul og centrifuger) under korrosiv påvirkning, hvor der kræves et korrosionsbestandigt materiale. Tabel 13.3 Styrkelmassefyldeforhold for titan og andre materialer. Materiale 0,2 - spænding Styrke/massefyldeforhol d Masse - fylde Styrke / massefylde Relativ ti l Ti grade 2 Relativ ti l Ti grade 5 Ti Grade , % 32% Ti Grade , % 100% Rustfrit stål AISI , % 15% 254 SMO 300 8, % 20% SAF , % 31% Nikkellegeringer Inconel , % 26% Hast. C , % 21 % Monet , % 11 % 70/30 Cu/Ni 120 8, % 7% Titan og titanlegeringer har god udmattelsesstyrke. Ren titan har en veldefineret udmattelsesstyrke idet Wöhlerkurve n bliver vandret omkring cykler. Udmattelsesstyrke n for ren titan er ca. 55% af brudstyrken opnået med glatte prøveemner. Legeringstyper Korrosionshestandigheden, der som nævnt skyldes passivitet, kan ved krævende opgaver forbedres ved tillegering. Hvor passiverbarhed skal forbedres tilsættes f.eks. kobber, platin eller palladium

170 Foruden varianter af ren titan anvendes en række legeringe r af titan. En oversigt over amerikansk standardiserede lege - ringtyper ses i tabel Tabel 13.4 Sammensætninger af titanlegeringer efter amerikans k standard. Grade Kvælstof, max 0,03 0,03 0,05 0,05 0,05 0,05 0,03 0,05 0,03 0,0 3 Kulstof, max 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0 8 Brint, max 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,02 0,015 0,02 0,015 0,01 5 Jern max 0,2 0,3 0,3 0,5 0,4 0,5 0,3 0,35 0,2 0, 3 Ilt, max 0,18 0,25 0,35 0,4 0,2 0,2 0,25 0,18 0,18 0,2 5 Aluminium 5,5-6,75 4,0-6, 0 Vanadium 3,5-4, 5 Tin 2,0-3,0 3,75-5,25 Palladium 0,12-0,25 0,12-0,2 5 Molybdæn 10,0-13,0 0,2-0, 4 Zirkonium 4,50-7,50 Nikkel 0,6-0, 9 Øvrig t Hvert stof, max 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0, 1 total max 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 Titan rest rest rest rest rest rest rest rest rest rest Struktur a a a a a/ß a a a a Det ses, at legeringerne er betegnet som grade 1-12, sålede s at man ved at angive en grade er i stand til at identificere e n bestemt legeringstype. Nederst er legeringernes struktur an - givet. Grades 1-4 kan som type betegnes som ulegeret titan, medens de øvrige er titanlegeringer. I de følgende afsnit gives en kort beskrivelse af de enkelte legeringstyper a-legeringer a-legeringer kommer typisk på tale når hovedkravet er korrosionsbestandighed eller duktilitet, og styrkekravet er mo - derat. Grade 1-4 er ulegeret titan med stigende indhold af ilt. Med dette stiger styrken, og duktiliteten falder. Grade 1 har såle - 170

171 des størst duktilitet og kan anvendes til f.eks. dybtrækning. Legeringen anvendes ofte til lining af rørplader i varmevekslere. Grade 2 er langt den mest udbredte variant, idet den har e n god kombination af styrke, svejselighed og bearbejdelighed. Meget apparatur er bygget i denne legering. Grade 3 med højere styrke anvendes i stigende omfang ti l rørplader i varmevekslere. Grade 7 er en grade 2 legeret med 0,15% palladium. Tillegeringen giver større bestandighed mod spaltekorrosion sam t generel korrosion i sure og reducerende medier. Tilsvarend e er grade 11 en palladiumlegeret grade 1. Styrke og duktili - tetsforholdene for grade 7 og 11 er som for grade 1 og 2. Grade 12 er legeret med 0,8% Ni og 0,3% molybdæn for a t forbedre korrosionsbestandigheden. Tillegering af molybdæn forbedrer syrebestandigheden og dermed bestandig - heden overfor saltsyre. Korrosionsmæssigt dækker grade 1 2 en stor del af området for grade 7, men grade 12 er betydeligt billigere. a/ß-legeringer Grade 5, der er legeret med 6% Al og 4% vanadium, er de n mest anvendte titanlegering. Det er en højstyrkelegering, men med relativt lav duktilitet. Den anvendes fortrinsvis i fly- og rumfartsindustrien. Den er svejsbar og kan modningshærdes. En lignende, men mindre udbredt legering er Grade 9, der repræsenterer et styrkeniveau mellem Grade 2 og Grade 5. (3-legeringer En titanlegering med interesse for olielgas-industrien, de r endnu ikke har fået ASTM Grade, er Beta-C (Ti -3A1-8V- 6Cr-4Mo-4Zr). Denne kombinerer høj styrke (godt 4 gange grade 2) med fremragende korrosionsbestandighed. Den ha r specielt god korrosionsbestandighed i kulbrinter ved høj temperatur og med højt svovlbrinteindhold. Udover de nævnte og standardiserede legeringer fremstille s speciallegeringer med forskellige egenskaber. 171

172 Standarde r Standardisering af titanlegeringer efter amerikansk standar d (ASTM) er indrettet efter legeringernes produktform og ti l en vis grad anvendelsesformålet. En oversigt over ASTM - standarder er vist i tabel I hver enkelt standard er der refereret til de ovenfor nævnte grades. ASTM nr Titel, Specifikation for Tabel 13.5 ASTM-standarder for titanprodukter. B B B B B B B B F F Titanium and Titanium Strip, Sheet and Plate Titanium Sponge Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Pip e Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers an d Heat Exchanger s Titanium and Titanium Alloy Bars and Billet s Seamless and Welded Unalloyed Titanium and Titanium Alloy Welding fittings Titanium and Titanium Alloy Casting s Titanium and Titanium Alloy Forging s Unalloyed Titanium for Surgical Implant Applications Titanium 6A14V ELI Alloy for Surgical Implant Application s Fordele og begrænsninge r Titans fordele Titan er at foretrække, når der kræves et let materiale me d stor korrosionsbestandighed. Aluminium, der også er et let - metal, har generelt langt mere begrænsede egenskaber. Dette gælder såvel korrosionsbestandigheden som styrkeegen - skaberne, specielt ved forhøjet temperatur. Som nævnt ovenfor rækker korrosionsbestandigheden i havvand videre end for en lang række af de rustfrie stål. Titanoverflader holder sig selv rimeligt rene i lang tid, både for hæftning af udfældede stoffer fra miljøet og for belægnin g med marin biofilm ved vandhastigheder på 3-5 m/sek. Dette giver god effektivitet i varmevekslere af titan. Slidbestandigheden er normalt god. I vand med suspenderet stof kan titan anvendes op til hastigheder på 6m/sek. Ti - tan kan således anvendess til pumpehjul til slurrypumper. Rent havvand kan håndteres op til 30 m/sek. 172

173 Titans begrænsninger Titans korrosionsbestandighed er begrænset i stærkt sur e medier, hvis ikke disse samtidigt er oxiderende. Titan er således i svovlsyre kun bestandigt i fortyndede opløsninger. Titan er følsomt overfor selv ganske små koncentrationer a f fluorforbindelser. Baggrunden er komplexbinding, der øde - lægger passivhinden. Problemet har været aktuelt i forbindelse med anvendelse af pakninger af fluorpolymerer, hvo r lækkende rester af fluorforbindelser fra fremstillingen ha r ført til skader. Titans evne til at danne passivlag af titanoxid forudsætter, a t der er vand tilstede. I kemisk meget reaktive gasser so m f.eks. klor er titan ikke bestandig, men vil reagere villigt, hvis ikke der er blot små mængder vand til stede. Titanlegeringer er brintfølsomme. Hvis ren titan udsætte s for brintudvikling på overfladen, omdannes materialet til titanhydrid der fører til sprødhed. Hvis der samtidig er høj t flow, kan det dannede hydrid borteroderes. På grund af titans evne til at passivere dannes under frit korroderend e forhold kun brint under stærkt sure og stærkt alkaliske betingelser, hvor titan næppe er bestandigt alligevel. Risiko for brintskader opstår således fortrinsvis, hvor titan er udsat for forceret katodisk strømbelastning f.eks. som følge af vaga - bonderende strømme, katodisk beskyttelse af materialer, de r er i elektrisk kontakt med titan, eller ved galvanisk kobling, hvor titan er katode. Dette gælder også i tilfælde af, at titan - overfladen er forurenet med jern, der ved korrosion kan give brintudvikling. Dette er yderligere et argument for høj grad af renlighed ved forarbejdning af titan. Leveringsformer Titan leveres i stort set alle former, valsede, smedede o g støbte. Det gælder især de legeringer, der anvendes p å grund af deres korrosionsbestandighed Stænger (runde, firkantede og sekskantede) varmformes o g kan leveres valset, smedet, eller med bearbejdede overflader. Plade op til 3 m bredde varmvalses til tykkelse og bejdses. Specielle rethedstolerancer kan opnås f. eks. til rørplader. 173

174 Ren titanplade koldvalses og leveres som bånd (coil) eller afskårne plader. En blank overflade opnås ved bejdsning elle r vacuumglødning. Legeret titanplade (f.eks. Grade 5) er varmvalset og descaled. Tyndvæggede og svejste rør leveres i længder op til 30 m. Ved større godstykkelser er længden op til 6 m. Extruderede, sømløse rør fås fra 6 mm op til 1 m i diameter. Også boltevarer er tilgængelige i titan, både ren titan og ved højere styrkekrav i Grade 5 eller Beta C Prisforhol d Når prisen på titan skal vurderes i forhold til øvrige materialer, skal det ske på volumenbasis for at tage hensyn til massefyldeforskellen for at få et reelt billede af indflydelsen på den færdige konstruktions pris. Regnet på denne måde er prisen på titan gennem de sidst e to årtier faldet i forhold til alternative materialer og anses nu for billigere end nikkellegeringer. Skønt titan som andre materialer er følsomt for periodisk e variationer i forholdet mellem udbud og efterspørgsel o g dermed prisvariationer, er forekomsterne af titanminerale r som nævnt ovenfor tilstrækkelige til at forholdsvis stabil e priser kan forventes på titan på længere sigt. Fig Prisrelationer for titan o g titanprodukter. Materiale r Ren tita n Legeret titan (grade 5) 70/30 Cu N i Rustfrit stål 254 SM O Incoloy 82 5 Hastelloy C-27 6 Inconel 62 5 Produkte r Ren tita n Plad e Svejste rø r Sømløse rør Titanlegering (grade 5) : Plad e Sømløse rø r Prisindex

175 Et forsøg på at illustrere titans og titanprodukters pris i for - hold til andre mulige materialer er vist i figur Det er klart, at prisrelationer ikke er evigt gyldige, og at de kan forskydes med tiden, blandt andet fordi den producered e mængde kan ændre sig (større produktion - billigere pro - dukt). Bemærk, at prisforholdene også her er angivet pr. liter, altså volumenbasis. 175

176 Stikord 0.2-spænding 63 4-kant stang kant stang 35, 13 2 cxlß-legeringer 167, 17 1 a-legeringer 167, 170 a-stabilisatorer 165 ACI 9 9 AISI AISI AISI 80 Alloy Casting Institute 99 American Iron and Stee l Institute 8 0 Anløbne svejsninger 12 9 Anløbning 52 Anodeproces 20 Anvendelsesområder 123 Arbejdslinie 6 3 Arkitektur og møbel - industri 1 7 Artsnummer 9 0»ASTM Designation E 527«8 8 Atmosfæriske forhold 128 Atomkraft 1 9 Austenitisk e stål 50, 52, 55, 72 Austenit 4 5 Austenitdannere 46 3-legeringer 167, stabilisatorer 16 6 B Basiske miljøer 12 5 Begrænsninger 126 Bejdsepasta 28 Bejdsning 2 8 Benævnelser 7 8 Binære legeringer 47 Blanktrukken tråd 13 4 Blødlodning 31 Bratkøling 54,5 9 Brinell 6 5 Brudforlængelse 6 3 Børstning 2 9 Bånd 132 Centrifugalstøbning 3 9 Certifikat 11 7 Certifikattyperne 118 Chargering 3 2 Chromcarbider 56 Chromgradient 5 5 DAO - Dansk Akkrediterings Ordning 105 Deformations - hærdning 25, 50, Deformations - martensit 25 Dekorationsrør 36 Deutsche Industrie Norm 9 0 DIN 90 Dislokationer 44, 5 1 DMF - Dansk Institut fo r Fundamenta l Metrologi 10 5 Dokumentation 103 Duktilitet 63 Duktilt materiale 6 3 Duplex-stålene 7 2 Duranikkel Dybtrækning 26, 5 1 Ekstruderede rør 35 Ekstrudering 3 5 Elasticitet 6 2 Elasticitetsmodul 6 2 Elektrisk ledningsevne 73,74 Elektrodesvejsning 30 Elektrokemisk proces 20 Elektrolyt 21 Elektronstrålesvejsning 30 Elektroovn 3 2 Elektropolering 2 9 ELI-stål 5 9 Emnerør 35, 13 3 EN : EN 90 Energi 19 Euro Normer 90 Ferritiske stål 52, 57, 70 Ferrit (a-fase) 45 Ferrit-austenitisk e stål 25, 6 0 Ferritdannere 4 6 Ferritindhold 30 Ferritisk stål 49, 5 1 Ferritisk-austenitisk stål 5 0 Finmekanik 19 Firkantede rør 37 Fittings 132 Fjederstål 19 Fjedertråd 38, 135 Fladetæring 22 Fladstang 35 Fladstål 13 2 Flusmidler 31 Flydespænding 6 2 Forarbejdning af titan 16 3 Fordele 12 3 Forsprødning 6 0 Fremmedatomer 41 Fremstilling af rustfrit stål 3 2 Fremstilling af titan 16 3 Fysiske egenskaber 73, 168 Fødevareindustri 1 7»G«9 2 Galvanisk tæring 2 0»Gamma«fase 147»Gamma prime«

177 Generel korrosion 77 Glasblæsning 29 Grubetæring 20, 22 Hastelloy B 140, 143, 155 Hastelloy C Havvand 128 Historie 13 Homogeniserings - glødning 5 3 Hooke's Lov 6 2 Hospitalsudstyr 1 9 Hovedgruppe nummer 90 Hærdning 5 2 Hårdhed 64 Iconel X Ilmenit 15 9 Implanter 1 9 Inconel Incoloy Incoloy Indeslutninger 2 7 Indtrængningstest 6 4 Interkrystallinsk korrosion 24, 30, 7 7 Kantdislokation 44 Karakteristiske egen - skaber 4 9 Karbider 4 8 Katodeproces 20 Kemikalier 1 8 Kemisk sammen - sætning 79 Kemiske procesanlæg 18 Klassificeringer 78 Kloridholdigt miljø 12 7 Kloridioner 2 3 Kokillestøbning 3 3 Koldbearbejdning 4 7 Koldhærde 2 5 Koldvalsede plader 131 Koldvalset bånd 13 2 Koldvalset plade 3 7 Koldvalsning 35 Kompositrør 3 6 Kontrol 103 Konverter 32 Korn 42 Kornforfining 5 1 Korngrænseglidning 70 Kornstørrelse 11 0 Kornvækst 5 9 Korrosionsbestandighed 16 0 Korrosionsforhold 20, 14 2 Korrosionsformer 77, 12 7 Korrosionshastighed 2 1 Korrosionsproces 20 Korrosionstabeller 22 Korrosionstillæg 12 7»Kortnavn«92 Kritiske pitting temperatu r (CPT) 2 3 Kromkarbider 24 Krybeegenskaber 15 3 Krybestyrke 70 Krybning 6 9 Krystaller 4 2 Kurznamen 9 2 Lagtykkelsesmåling 11 0 Lasersvejsning 3 0 Legeringselementer 77, 13 6 Legeringstillæg 136 Legeringstyper 76, 153, 169 Leveringsformer 131, 173 Liniefejl 43, 44 Lodning 3 1 Lokalkorrosionsbestandighed 7 7 Længdeudvidelse 3 1 Løbenummer 9 0 Magnetiserbarhed 74 Magnetiske egenskaber 73 Marin atmosfære 12 8 Martensitisk stål 50, 72 Md30 temperaturen 26 Mejerirør 3 6 Mekaniske egenskaber 16 8 Metallurgi 14 7 Metaltræthed 66 MIG-svejsning 30 Modningshærdning 15 0 Modstandssvejsning 36 Molybdæn 17 1 Monel Monel K Natriumhydroxid 143 Neutrale elementer 167 Nikkel Nikkel Nikkelcarbonyl 14 6 Nikkel/chromljern 140 Nikkellchrom / molybdæn 14 1 Nikkel/kobber 14 0 Nikkellegeringer 140 Nikkellegeringers sammen - sætning 14 1 Nikkel/molybdæn 140 Normer 106 Omslagstemperatur 66, 7 2 Opløsningsglød - ning 25, 53, 56, 59, 15 0 Ospray-proces 3 8 Overfladebehandling 2 8 Palladiumlegeret titan 161 Passivering 22, 2 8 Passivhinde 21, 2 8 Passivitet 2 1 PH-stål 5 4 Pilgrimsvalsning 3 5 Pitting 2 1 Plade 33 Pladeformgivning 24, 25 Plade og bånd 37 Polering 2 9 Potentiale 2 1 Priser på rustfrit stål 13 7 Prisforhold 136, 174 Pris kontra egenskaber 139 Prisrelation me d produktform 13 8 Prisvariation med legeringsindhold 138 PRE-tal 2 3 PRE-værdi

178 Profiler 35, 132 Prøvningsforskrifter 105 Pulvermetallurgi 3 9 Pulversvejsning 30 Punktfejl 4 3 Raffinering 3 2 Reboundtest 6 4 Ridsetest 6 4 Rockwell 65 Rodgas 31 Rustfrie automatstål 27 Rustfrit fjedermateriale 2 7 Rustfrit tråd 134 Rør 132 Rørgas 19 Råmaterialer 32 Saltsyre 16 2 SAE 8 8 Sammenlignelig e prøvningsresultater 10 4 Sammenligningstabeller 97 Schaefflerdiagram 49 Sejt materiale 6 3 Sensibilisering 24, 56, 15 4 Shot-peening 29 Sigmafase 57 Sigmafasedannelse 57, 58 SIS 9 5 Skalningstemperatur 125 Skibsfart og offshore 17 Skørhed 58 Slagpåvirkning 65 Slagsejhed 6 6 Slagstyrke 66 Slibning 2 9 Slip 6 3 Slipplaner 5 1 Smedning 25, 40 Smelteprotokol 3 2 Smeltning 32 Smith-diagrammet 68 Society of Automotiv e Engineers 8 8 Sortennummer 90 Spaltekorrosion 23 Specifikke varme 73 Sporbare kalibreringer 104 Spraykompaktering 38 Sprødt materiale 63 Spændinger 6 1 Spændingskoncentrationer 6 9 Spændings - korrosion 23, 77, 162 Spændingsrække 2 1 Spåntagende bearbejdning 27 SS SS SS SS 93»Stahl Eisen Liste«9 3 Standarder 106, 172 Stang 3 3 Stangstål 33, 132 Strengstøbning 3 2 Styrkeøgning 50, 51, 52 Støbelegering 92, 99 Støbning 33, 3 9 Substitutionsatomer 41 Super-plastisk form - givning 25,40 Svejsemetoder 30 Svejsning af titan 16 3 Svejsninger 30, 12 9 Svejste rør 36, 133 Svensk Standard 93 Svovlsyre 22, 12 4 Styrke/masseforhold 169 Stålværker 3 2 Sømløse rør 35, 13 3 Tekniske regler 106 Tekniske leveringsbetingelser 118 Termisk udvidelse 73 Ternære legeringer 47 Test 10 3 TIG-svejsning 3 0 Tilsatsmateriale 30 Titan 159 Titanlegeringers styrke - egenskaber 168 Titans begrænsninger 173 Titans fordele 172 Titans metallurgi 16 5 Trukken tråd 3 8 Trukket stang 35 Trykspænding 29 Trækkurve 63 Trækning 36 Trækstyrke 6 3 Tråd 37 Tøjning 61 Udmattelsesbruddet 67 Udmattelsesegen - skaberne 6 7 Udmattelsesgrænsen 67 Udmattelsesstyrke 29, 6 8 Udskillelseshærdning 5 3»Unified Numbering System«88 UNS 88, 15 6 U-profiler 35 Vacuumlodning 31 Valsetråd 35, 37, 134, 13 5 Varmebehandling 54, 150 Varmeegenskaber 73 Varmeledningsevne 73 Varmvalsede plader 13 1 Varmvalset bånd 3 7 Varmvalset plade 37 Varmvalset stang 35 Varmvalsning 33 VDEh (Verein Deutsche r Eisenhüttenleute) 93 Verifikation 103 Vickers 6 5 Vinkelstang 3 5 Vinkelstål 13 2 Werkstoffnumre 90, 156 Wöhler-diagram