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
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 87-7756-147-3 Kopiering i uddrag tilladt med kildeangivelse
Materialekendskab - rustfrit stål, nikkel & titan Forord 9 1 De rustfri ståls historie 1 3 1.1 Jern-chrom-kulstof 1 3 1.2 De rustfri stål opdages 1 4 1.3 England : Matensitisk rustfri stål 1 5 1.4 USA : Ferritisk rustfri stål 1 5 1.5 Tyskland : Austenitiske rustfri stål 1 6 1.6 Fra 1918 tilidag 1 6 2 Anvendelse af rustfrit stål 17 2.1 Korrosionsforhold 20 2.1.1 Korrosionsteori 20 2.1.2 Korrosionsformer for rustfrit stål 2 2 2.2 Formgivning 2 4 2.2.1 Varm plastisk formgivning 2 5 2.2.2 Kold plastisk formgivning 2 5 2.2.3 Spåntagende bearbejdning 2 7 2.3 Overfladebehandling af rustfrit stål 2 8 2.3.1 Bejdsning 2 8 2.3.2 Passivering 2 8 2.3.3 Elektropolering 2 9 2.3.4 Slibning, børstning, polering 29 2.3.5 Glasblæsning (shot-peening) 29 2.4 Samlingsmetoder 30 2.4.1 Svejsning af rustfrit stål 30 2.4.2 Lodning af rustfrit stål 31 3 Fremstilling af rustfrit stål 32 3.1 Smeltning af rustfrit stål 32 3.2 Varmvalsning 3 3
3.2.1 Stangsstål 3 3 3.2.2 Profiler 35 3.2.3 Sømløse rør 35 3.2.4 Svejste rør 36 3.2.5 Plade og bånd 37 3.2.6 Tråd 37 3.3 Alternative fremstillingsmetoder 38 3.4 Støbning 39 3.5 Smedning 40 4 Rustfri ståls metallurgi 4 1 4.1 Legerings- og strukturopbygning 4 1 4.2 Karakteristiske egenskaber 4 9 4.2.1 Ferritisk stål 4 9 4.2.2 Martensitisk stål 50 4.2.3 Austenitisk stål 50 4.2.4 Ferritisk-austenitisk stål 50 4.3 Styrkeøgning ved deformationshærdning 50 4.4 Styrkeøgning ved kornforfining 51 4.5 Styrkeøgning ved hærdning og anløbning 5 2 4.6 Styrkeøgning ved udskillelseshærdning 5 3 4.7 Varmebehandling af rustfrit stål 5 4 4.7.1 Austenitisk stål 5 5 4.7.2 Ferritisk stål 5 7 4.7.3 Ferrit-austenitisk stål 6 0 5 Fysiske og mekaniske egenskaber 6 1 5.1 Mekaniske egenskaber 6 1 5.1.1 Slagpåvirkninger 65 5.1.2 Udmattelsespåvirkninger 66 5.1.3 Krybning 69 5.1.4 De rustfaste ståls mekaniske egenskaber 70 5 :2 Fysiske egenskaber 73 5.2.1 Varmeegenskaber 73 5.2.2 Elektriske egenskaber 74 5.3 Præsentation af data - hvor findes de 74
6 Legeringstyper 7 6 6.1 Legeringselementer 7 6 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.3 6.4 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 8 9 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 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 12 6 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 Rustfrie stals begrænsninger 12 6 Korrosionsmæssige 12 6 Mekaniske 12 8 Forarbejdningsmæssige 129
10 Leveringsformer 131 10.1 Plader 131 10.2 Bånd 13 2 10.3 Profiler og stangstål 13 2 10.4 Ror 13 2 10.4.1 Emnerør 13 3 10.4.2 Sømløse rør 13 3 10.4.3 Svejste rør 13 3 10.5 Tråd 134 10.5.1 Blanktrukken tråd 134 10.5.2 Fjedertråd 13 5 10.5.3 Valsetråd 135 11 Prisforhold 136 11.1 Legeringselementer 136 11.2 Øvrige fremstillingsomkostninger 136 11.3 Priser på rustfrit stål 137 11.3.1 Prisvariation med legeringsindhold 138 11.3.2 Prisrelation med produktform 138 11.3.3 Pris kontra egenskaber 139 12 12.1 Nikkel og nikkellegeringer 140 Hvad er nikkellegeringer? 140 12.2 Anvendelse 142 12.2.1 Korrosionsforhold 142 12.2.2 Forarbejdning og håndtering 145 12.3 Forekomst og fremstilling 145 12.4 Metallurgi 147 12.4.1 Legeringselementernes betydning 148 12.4.2 Varmebehandling 15 0 12.5 Fysiske og mekaniske egenskaber 15 1 12.5.1 Fysiske egenskaber 15 1 12.5.2 Mekaniske egenskaber 15 2 12.6 Legeringstyper 15 3 12.6.1 Standarder 15 6 12.7 Fortrin og begrænsninger 156
12.8 12.9 13 13.1 13.2 13.3 13.4 Leveringsformer 157 Prisforhold 158 Titan og titanlegeringer 159 Hvad er titan? 15 9 Titans historiske udvikling 15 9 Anvendelse af titan 15 9 Korrosionsbestandighed 16 0 13.5 Forarbejdning af titan 16 3 13.5.1 Svejsning af titan 16 3 13.6 Fremstilling af titan 16 3 13.6.1 Extraktion af titandioxid 16 4 13.6.2 Omdannelse af titantetrachlorid 16 4 13.6.3 Isolering af titan 164 13.7 Titans matallurgi 164 13.7.1 Hvorfor legere titan? 165 13.7.2 a-stabilisatorer 165 13.7.3 0-stabilisatorer 166 13.7.4 Neutrale elementer 167 13.7.5 De 3 legeringsklasser 167 13.8 Fysiske og mekaniske egenskaber 168 13.8.1 Fysiske egenskaber 168 13.8.2 Mekaniske egenskaber 168 13.9 Legeringstyper 169 13.9.1 a-legeringer 170 13.9.2 a/ß-legeringer 17 1 13.9.3 0-legeringer 17 1 13.9.4 Standarder 17 2 13.10 Fordele og begrænsninger 17 2 13.10.1 Titans fordele 17 2 13.10.2 Titans begrænsninger 17 3 13.11 Leveringsformer 17 3 13.12 Prisforhold 17 4 Stikord 176
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
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 271 - 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 199 1 På konsortiets vegne - Lorens P. Sibbese n (projektadministrator) 10
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 199 1 Per B. Ludwigsen Civilingeniør Ebbe Rislun d Akademiingeniør 11
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. 1. 1 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 1824. 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
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, 1900-191 5 I årene 1900-1915 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 1904-06 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 1908-11 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
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 1914. 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 191 2 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. 1. 3 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 1916. 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. 1. 4 Chromstål med forbedret bearbejdelighe d 15
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. 1. 6 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. 10.000 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
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
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. 2. 1 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
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
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. 2. 1 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. 2.1.1 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 2+ + 2e- Katodeproces : 1/2 0 2 + H 20 + 2e- - 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
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 + 420 mv 18/8 rustfrit stål (passivt) + 90 mv Kobber + 20 mv Tin - 260 mv 18/8 rustfrit stål (aktivt) - 290 mv Bly - 310 mv Jern - 460 mv Aluminium - 510 mv Zink - 860 mv Magnesium -1360 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
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. 2.1.2 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 50 316 AI5 1 31 6 (122) SAF 2205 \ AI51 SA F 304 \ \ 2205' / 30 (86) 0 20 40 60 80 100% Grubetæring H2504 Grubetæring (pitting) giver sig udtryk i lokaliserede korrosionsangreb, hvor dybe angreb forekommer. I disse områ- 22
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 220 5 Fig. 2. 3 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- 0.02 0.05 0.10 0.20 0.50 1.0 2.0 /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 15-20 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