Vlastnosti lité nerezové oceli

1. Zavedení

Litá nerezová ocel kombinuje odolnost proti korozi, dobrá mechanická pevnost a slévatelnost pro složité tvary.

Používají se tam, kde koroze, teplota, nebo hygienické požadavky vylučují běžné uhlíkové oceli a tam, kde by výroba složité geometrie z tvářeného plechu byla nákladná nebo nemožná.

Výkon závisí na rodině slitiny (Austenic, Duplex, ferritic, Martensitic, precipitační vytvrzování), metoda odlévání, tepelné zpracování a kontrola kvality.

Správná specifikace a řízení procesu jsou nezbytné, aby se zabránilo fázím křehnutí a defektům odlévání, které mohou negovat vnitřní výhody kovu..

2. Základní definice & Klasifikace lité nerezové oceli

Základní definice – co rozumíme pod pojmem „litá nerezová ocel“

Obsazení nerez označuje slitiny železa obsahující chrom, které se vyrábějí litím roztavené slitiny do formy a jejím ponecháním ztuhnout, poté dokončování a tepelné zpracování podle potřeby.

Charakteristickým znakem, který je činí „nerezovými“, je dostatečný obsah chrómu (a často další legující prvky) tvořit a udržovat nepřetržitý, samoléčivý oxid chromitý (Cr₂o₃) film, který dramaticky snižuje celkovou korozi.

Odlitky se používají tam, kde složitá geometrie, integrální vlastnosti (průchody, šéfování, žebra), nebo ekonomické výhody odlévání převažují nad výhodami tvářené výroby.

Shrnutí rodiny po rodině (tabulka)

Konvence pojmenování & běžné odlitky (praktická poznámka)

• Často se používají lité nerezové třídy označení odlitků spíše než kovaná čísla (například: CF8 ≈ 304, CF8M ≈ 316 ekvivalenty v mnoha specifikacích).
  Tyto kódy odlitků a názvy slitin se liší podle standardního systému (ASTM, V, On, atd.).
• "CF" / "CA" / "CD" prefixy jsou v některých normách typické pro označení litých austenitických/feritických/duplexních seskupení; výrobci mohou také používat chráněné názvy.
  Vždy uveďte obojí chemický rozsah a požadavek mechanického/tepelného zpracování v zadávací dokumentaci, aby se předešlo nejednoznačnosti.

3. Metalurgie a mikrostruktura

Rodiny slitin a jejich definiční znaky

• Austenic (NAPŘ., 304, 316, Ekvivalenty CF8/CF3 v obsazení): face-center-cubic (FCC) železná matrice stabilizovaná niklem (nebo dusík).
  Vynikající houževnatost a tažnost, vynikající obecná odolnost proti korozi; náchylné k chloridové důlkové korozi a koroznímu praskání (SCC) v některých prostředích.
• Duplex (NAPŘ., 2205-ekvivalenty typového obsazení): zhruba stejný ferit (kubický na tělo, BCC) + austenitové fáze.
  Vysoká síla, vynikající odolnost proti důlkové/štěrbinové oblasti a lepší odolnost vůči SCC než austenitické díky nižší tvorbě zón ochuzených o chrom; vyžaduje řízení chlazení, aby se zabránilo křehkým fázím.
• Ferritic: většinou BCC chrómem stabilizované; lepší odolnost vůči namáhání a korozi v některých prostředích, nižší houževnatost při nízkých teplotách ve srovnání s austenitikou.
• Martenzitické: tepelně zpracovatelné, může být velmi silný a tvrdý, střední odolnost proti korozi ve srovnání s austenitickou a duplexní; používá se pro lité díly odolné proti opotřebení.
• Srážko-kalení (Ph): slitiny, které lze vytvrdit stárnutím (Třídy PH na bázi Ni nebo nerez), nabízí vysokou pevnost s přiměřenou odolností proti korozi.

Kritické mikrostrukturální problémy

• Srážení karbidu (M₂₃c₆, M₆C) a sigma (A) fáze k tvorbě dochází, když jsou odlitky drženy příliš dlouho v rozsahu 600–900 °C (nebo přes něj pomalu ochlazovat).
  Tyto křehké, fáze bohaté na chrom ochuzují matrici o chrom a snižují houževnatost a odolnost proti korozi.
• Intermetalické látky a inkluze (NAPŘ., silicidy, sulfidy) mohou působit jako iniciátory trhlin.
• Segregace (chemická nerovnoměrnost) je vlastní odlévání a musí být minimalizováno řízením taveniny a tuhnutí a někdy homogenizačním tepelným zpracováním.

4. Fyzikální vlastnosti lité nerezové oceli

Výše uvedené hodnoty jsou reprezentativní technické rozsahy. Vždy konzultujte údaje dodavatele pro konkrétní jakost, odlévací cesta a stav tepelného zpracování.

5. Elektrický & Magnetické vlastnosti lité nerezové oceli

• Elektrický odpor: Austenitické lité nerezové oceli (CF8, CF3M) mají vysoký odpor (700–750 nΩ·m při 25 °C)—3× vyšší než litá uhlíková ocel (200 nΩ · m).
  Díky tomu jsou vhodné pro elektrické izolační aplikace (NAPŘ., skříně transformátorů).
• Magnetismus: Austenitické známky (CF8, CF3M) jsou nemagnetické (relativní propustnost μ ≤1,005) kvůli jejich FCC struktuře – kritické pro lékařské přístroje (NAPŘ., Komponenty kompatibilní s MRI) nebo elektronické skříně.
  Ferritic (CB30) a martenzitické (CA15) třídy jsou feromagnetické, omezení jejich použití v magneticky citlivých prostředích.

6. Procesy odlévání a jak ovlivňují vlastnosti

Běžné licí cesty pro nerez:

• Lití písku (Zelený písek, pryskyřičný písek): flexibilní pro velké nebo složité díly.
  Hrubší mikrostruktura a vyšší riziko poréznosti, pokud není kontrolováno. Vhodné pro mnoho těles čerpadel a velké ventily.
• Investice (Ztracený vosk) obsazení: vynikající povrchová úprava a rozměrová přesnost; často se používá pro menší, složité díly vyžadující úzké tolerance.
• Odstředivé obsazení: vytváří zvuk, jemnozrnné válcové části (potrubí, rukávy) se směrovým tuhnutím, které minimalizuje vnitřní defekty.
• Skořápkové a vakuové lití: zlepšená čistota a snížené zachycování plynu pro kritické aplikace.

Procesní vlivy:

• Rychlost chlazení ovlivňuje rozestup dendritů; rychlejší chlazení (investice, odstředivý) → jemnější mikrostruktura → obecně lepší mechanické vlastnosti.
• Čistota taveniny a praxe nalévání určit úrovně inkluze a bifilmu, které přímo ovlivňují únavu a těsnost.
• Směrové tuhnutí a stoupací design minimalizovat smršťovací dutiny.

7. Mechanické vlastnosti lité nerezové oceli

Pevnost a tažnost

• Austenitické odlitky: dobrá tažnost a houževnatost; UTS obvykle v polovině stovek MPa; tažnost vysoká (prodloužení často 20–40 % u odlitku 316L, když je bez defektů).
• Duplexní odlitky: vyšší výnos a UTS díky feritu + austenity; typický UTS ~600–900 MPa s vydatností často >350 MPA.
• Martenzitické/PH odlitky: může dosáhnout velmi vysoké UTS a tvrdosti, ale se sníženou tažností.

Únava

• Únava život je velmi citlivý na vady odlitku: pórovitost, Inkluze, drsnost povrchu a smrštění jsou běžnými spouštěči trhlin.
  Pro rotační nebo cyklické zatížení, nízkoporézní procesy, shot peening, HIP (izostatické lisování za tepla), a povrchové obrábění se běžně používají ke zlepšení únavového výkonu.

Tečení a zvýšená teplota

• Některé druhy nerezu (zejména vysokolegované a duplexní) udržet pevnost při zvýšených teplotách; avšak dlouhodobý výkon při tečení musí být přizpůsoben slitině a očekávané životnosti.
  Precipitace karbid/σ-fáze při tepelném vystavení může výrazně snížit tečení a houževnatost.

8. Tepelné zpracování, řízení mikrostruktury a fázová stabilita

Žíhání řešení (typický)

• Účel: rozpustit nežádoucí precipitáty a obnovit jednotnou austeniticko/feritickou matrici; obnovit odolnost proti korozi vrácením chrómu do pevného roztoku.
• Typický režim: zahřejte na vhodnou teplotu roztoku (u mnoha austenitik často 1 040–1 100 °C), držte pro homogenizaci, pak rychlé zhášení zachovat vyřešené prvky. Přesná teplota/čas závisí na jakosti a tloušťce řezu.
• Upozornění: kelímek a velikost sekce limit dosažitelné rychlosti kalení; těžké úseky mohou vyžadovat speciální postupy.

Stárnutí a srážky

• Duplex a Martensitic stupně mohou být stárnuty pro kontrolu majetku; okna stárnutí/čas-teplota se musí vyhýbat sigma a dalším škodlivým fázím.
• Přestárnutí nebo nevhodný teplotní průběh produkují karbidy a sigma, které křehnou a snižují odolnost proti korozi.

Zabránění sigma fázi a vyčerpání chrómu

• Ovládání chlazení přes citlivý teplotní rozsah, vyhněte se dlouhodobému držení mezi ~600–900 °C, a tam, kde je to potřeba, použijte po svařování nebo rozpouštěcí žíhání.
  Výběr materiálu a návrh tepelného zpracování jsou hlavními obrannými opatřeními.

9. Odolnost proti korozi – hlavní výhoda lité nerezové oceli

Odolnost proti korozi je hlavním důvodem, proč si inženýři vybírají litou nerezovou ocel.

Na rozdíl od mnoha konstrukčních kovů, které spoléhají na objemné povlaky nebo obětní ochranu, nerezové oceli získávají trvalou odolnost vůči okolnímu prostředí díky své chemii a povrchové reaktivitě.

Jak nerezové oceli odolávají korozi — koncept pasivního filmu

• Pasivní ochrana: Chrom ve slitině reaguje s kyslíkem za vzniku ředidla, souvislá vrstva oxidu chromitého (Cr₂o₃).
  Tento film má tloušťku pouze nanometrů, ale je vysoce účinný: snižuje transport iontů, blokuje anodické rozpouštění, a — zásadní — je samoléčení při poškození za předpokladu, že je k dispozici kyslík.
• Synergie slitin: Nikl, molybden a dusík stabilizují matrici a zlepšují odolnost pasivního filmu vůči místnímu rozpadu (zejména v chloridovém prostředí).
  Stabilita pasivního filmu je tedy výsledkem chemie, stavu povrchu, a místní prostředí.

Formy koroze, které jsou důležité pro lité nerezové oceli

Porozumění pravděpodobným způsobům selhání se zaměřuje na výběr materiálu a návrh:

• Generál (jednotný) koroze: Vzácné u správně legované nerezové oceli ve většině průmyslových atmosfér – pasivní fólie udržuje rovnoměrné ztráty velmi nízké.
• Důlková koroze: Lokalizované, často malé a hluboké jamky vznikají, když se pasivní film lokálně rozpadne (chloridy jsou klasickým iniciátorem). Pitting může být kritický, protože malé defekty rychle pronikají.
• Štěrbinová koroze: Vyskytuje se uvnitř stíněných mezer, kde dochází k vyčerpání kyslíku; kyslíkový gradient podporuje lokální okyselení a koncentraci chloridů, podkopávání pasivity uvnitř štěrbiny.
• Korozní praskání pod napětím (SCC): Mechanismus křehkého praskání, který vyžaduje citlivou slitinu (běžně austenitické nerezové v chloridovém prostředí), tahové napětí, a specifické prostředí (teplý, obsahující chlorid). SCC se může objevit náhle a katastrofálně.
• Mikrobiálně ovlivněná koroze (MIC): Biofilmy a mikrobiální metabolismus (NAPŘ., bakterie redukující sírany) může produkovat lokalizované chemické látky, které napadají nerezové odlitky, zejména ve stojatých štěrbinách nebo štěrbinách s nízkým průtokem.
• Eroze-koroze: Kombinace mechanického opotřebení a chemického napadení, často tam, kde vysoká rychlost nebo náraz odizoluje ochranný film a odkryje čerstvý kov.

Role legování — co specifikovat a proč

Některé prvky silně ovlivňují lokalizovanou odolnost proti korozi:

• Chromium (Cr): Základ pasivity; minimální obsah definuje „nerezové“ chování.
• Molybden (Mo): Velmi účinný při zvyšování odolnosti proti důlkové korozi a trhlinám – nezbytný pro provoz s mořskou vodou a chloridy.
• Dusík (N): Zpevňuje austenit a výrazně zlepšuje odolnost proti důlkové korozi (efektivní drobné doplňky).
• Nikl (V): Stabilizuje austenit a podporuje houževnatost a tažnost.
• Měď, wolfram, Nb/Ti: Používá se ve specializovaných slitinách pro specifická prostředí.

Užitečným srovnávacím indexem je ekvivalentní číslo odolnosti proti pittingu (Dřevo):

PREN=%Cr+3,3×%Mo+16×%N

Typické PREN (zaoblený, zástupce):

• 304 / CF8 ≈ ~19 (nízká odolnost proti důlkové korozi)
• 316 / CF8M ≈ ~24 (mírný)
• Duplex 2205 / CD3MN ≈ ~ 35 (vysoký)
• Super-austenitické (NAPŘ., vysoké Mo / 254ekvivalenty SMO) ≈ ~40–45 (velmi vysoká)

Praktické pravidlo: vyšší PREN → větší odolnost proti důlkové/štěrbinové korozi způsobené chloridy. Vyberte PREN úměrné závažnosti expozice.

Ekologické faktory – co způsobuje selhání nerezové oceli

• Chloridy (mořský sprej, rozmrazovací soli, procesní proudy obsahující chloridy) jsou dominantní vnější hrozbou — podporují pitting, štěrbinová koroze a SCC.
• Teplota: Zvýšené teploty urychlují chemické napadení a náchylnost k SCC; kombinace chloridu + zvýšená teplota je zvláště agresivní.
• Stagnace & štěrbiny: Nízký obsah kyslíku a uzavřené prostory koncentrují agresivní ionty a ničí místní pasivitu.
• Mechanické namáhání: Tahová napětí (zbytkové nebo aplikované) jsou nezbytné pro SCC. Design a odlehčení stresu snižují riziko.
• Mikrobiální život: Biofilmy modifikují místní chemii; MIC je zvláště relevantní za mokra, špatně proplachované systémy.

Design & strategie specifikací pro maximalizaci odolnosti proti korozi

1. Výběr správné třídy: Přizpůsobte PREN/chemii expozici – např., 316 pro střední chloridy, Duplex / třídy s vysokým Mo pro mořskou vodu nebo technologické proudy bohaté na chloridy.
2. Kontrola tepelné historie: Vyžadovat rozpouštěcí žíhání + uhasit tam, kde je to uvedeno; specifikujte maximální doby chlazení v okně σ-formace pro duplexní třídy.
3. Kvalita povrchu: Specifikujte povrchovou úpravu, elektrolytické leštění nebo mechanické leštění sanitárních nebo vysoce rizikových součástí; hladší povrchy snižují iniciaci důlků.
4. Detailní, aby se zabránilo trhlinám: Design pro odstranění těsných štěrbin, zajistit odvodnění a umožnit revizní přístup. Použijte těsnění, tmely a správný výběr spojovacích prvků tam, kde jsou spoje nevyhnutelné.
5. Svářečská praxe: Používejte lícované/přelegované přídavné kovy, ovládat přívod tepla, a podle potřeby specifikujte PWHT nebo pasivaci. Chraňte sváry před senzibilizací po svařování.
6. Dielektrická izolace: Elektricky izolujte nerezové díly od různých kovů, abyste zabránili galvanickému urychlení koroze.
7. Povlaky & obložení: Když prostředí překračuje i možnosti vysoce legovaných slitin, jako první řadu použijte polymerové/keramické obklady nebo obklady (nebo jako záloha) — ale nespoléhejte se pouze na nátěry pro kritické uzavření bez ustanovení o kontrole.
8. Vyhněte se tahovému namáhání v prostředích citlivých na SCC: Snižte konstrukční napětí, aplikovat tlakové povrchové úpravy (shot peening), a kontrolovat provozní zatížení.

10. Výroba, Připojování, a Opravy

Svařování

• Odlévané nerezové oceli jsou obecně svařovatelné, ale pozornost je potřeba:

• • Slaďte výplňový kov se základní slitinou nebo zvolte výplň odolnější proti korozi, abyste se vyhnuli galvanickým efektům.
  • Regulace předehřevu a interpassu pro některé martenzitické třídy pro řízení tvrdosti a rizika praskání.
  • Roztokové žíhání po svařování je často vyžadován pro austenitická a duplexní plniva pro obnovení odolnosti proti korozi a snížení zbytkového napětí.
  • Vyhněte se pomalému chlazení, které může vytvářet σ-fázi.

Obrábění

• Obrobitelnost se liší: austenitické nerezové oceli se deformují a vyžadují ostré nástroje a vhodné rychlosti; duplexní třídy se v některých případech lépe řežou díky vyšší pevnosti. Používejte vhodné chladicí kapaliny a parametry řezání.

Povrchová úprava

• Moření a pasivace obnovují oxid chrómu a odstraňují volné nečistoty železa.
  Elektrochemické leštění nebo mechanická úprava zlepšuje čistotu, snižuje výskyt štěrbin a zvyšuje odolnost proti korozi.

11. Hospodářský, životní cyklus a hlediska udržitelnosti

• Náklady: cena suroviny na litou nerezovou ocel je vyšší než u uhlíkové oceli a hliníku, a odlévání vyžaduje vyšší teploty tavení a náklady na žáruvzdorné materiály.
  Však, prodloužení životnosti a snížená údržba v korozivním prostředí mohou ospravedlnit prémii.
• Životní cyklus: dlouhá životnost v korozivním prostředí, nižší frekvence výměny a recyklovatelnost (hodnota nerezového odpadu je vysoká) zlepšit ekonomiku životního cyklu.
• Udržitelnost: nerezové slitiny obsahují strategicky důležité prvky (Cr, V, Mo); odpovědné získávání a recyklace jsou zásadní.
  Energie pro počáteční výrobu je vysoká, ale recyklace nerezu výrazně snižuje spotřebu energie.

12. Srovnávací analýza: Litá nerezová ocel vs. Soutěžící

13. Závěry

Litá nerezová ocel zaujímá jedinečné a strategicky významné postavení mezi konstrukčními a korozivzdornými odlévacími materiály.

Jedna vlastnost nedefinuje její hodnotu, ale synergickou kombinací odolnosti proti korozi, Mechanická síla, tepelná odolnost, všestrannost v designu slitiny, a kompatibilita se složitými geometriemi odlitků.

Při hodnocení napříč výkonem, spolehlivost, a metriky životního cyklu, litá nerezová ocel se trvale ukazuje jako vysoce výkonné řešení pro náročná průmyslová prostředí.

Celkově, litá nerezová ocel vyniká vysokou integritou, univerzální, a spolehlivý výběr materiálů pro průmyslová odvětví vyžadující odolnost proti korozi, mechanická odolnost, a přesností slévatelnosti.

 

Časté časté

Je odlévaný z nerezové oceli stejně odolný vůči korozi jako kovaná nerezová ocel?

Může to být, ale pouze v případě, že odlévací chemie, mikrostruktura a tepelné zpracování splňují stejné normy.

Odlitky mají více příležitostí pro segregaci a sraženiny; K obnovení plné odolnosti proti korozi je často nutné rozpouštěcí žíhání a rychlé kalení.

Jak se vyhnu sigma fázi v castingech?

Vyhněte se dlouhému držení mezi ~600–900 °C; navrhnout tepelné zpracování pro rozpouštěcí žíhání a kalení, a vyberte slitiny méně náchylné k sigma (NAPŘ., vyvážené duplexní chemie) pro nepřátelské tepelné historie.

Který litý nerez si mám vybrat pro provoz s mořskou vodou?

Duplexní slitiny s vysokým obsahem PREN nebo specifická superaustenitika (vyšší mo, N) jsou typicky preferovány. 316/316L může být neadekvátní v zónách rozstřiku nebo tam, kde okysličená mořská voda proudí vysokou rychlostí.

Jsou lité nerezové komponenty svařitelné na místě?

Ano, ale svařování může lokálně změnit metalurgickou rovnováhu. K obnovení odolnosti proti korozi v blízkosti svarů může být zapotřebí tepelné zpracování po svařování nebo pasivace.

Jaká metoda odlévání poskytuje nejlepší integritu kritických součástí?

Odstředivé obsazení (pro válcové díly), investice/přesné lití (pro malé složité díly) a vakuové lití nebo lití do forem s řízenou atmosférou v kombinaci s HIP poskytuje nejvyšší integritu a nejnižší pórovitost.

Je litá nerezová ocel vhodná pro vysokoteplotní aplikace?

Austenitické známky (CF8, CF3M) jsou použitelné do 870°C; duplexní třídy (2205) až 315°C.

Pro teploty >870° C., používejte žáruvzdorné lité nerezové oceli (NAPŘ., HK40, s 25% Cr, 20% V) nebo slitiny niklu.