Egenskaber af støbt rustfrit stål

1. Indledning

Støbt rustfrit stål kombinerer korrosionsbestandighed, god mekanisk styrke og støbeevne til komplekse former.

De bruges hvor korrosion, temperatur, eller sanitære krav udelukker almindelige kulstofstål, og hvor fremstilling af kompleks geometri fra smedeplade vil være dyrt eller umuligt.

Ydeevne afhænger af legeringsfamilien (austenitisk, Duplex, ferritisk, Martensitisk, nedbør-hærdning), Casting -metode, varmebehandling og kvalitetskontrol.

Korrekt specifikation og proceskontrol er afgørende for at undgå sprøde faser og støbefejl, der kan ophæve metallets iboende fordele.

2. Kernedefinition & Klassificering af støbt rustfrit stål

Kernedefinition - hvad vi mener med "støbt rustfrit stål"

Rollebesætning Rustfrit stål refererer til krombærende jernlegeringer, der fremstilles ved at hælde smeltet legering i en form og lade det størkne, derefter efterbehandling og varmebehandling efter behov.

Den definerende egenskab, der gør dem "rustfri", er et tilstrækkeligt kromindhold (og ofte andre legeringselementer) at danne og vedligeholde en kontinuerlig, selvhelbredende chromoxid (Cr₂o₃) film, der dramatisk reducerer generel korrosion.

Støbninger anvendes, hvor kompleks geometri, integrerede funktioner (passager, chef, ribben), eller økonomiske fordele ved støbning opvejer fordelene ved smedefremstilling.

Familie-for-familie oversigt (tabel)

Navnekonventioner & almindelige støbte karakterer (praktisk note)

• Støbte rustfri kvaliteter bruges ofte støbebetegnelser snarere end udarbejdede tal (for eksempel: CF8 ≈ 304, CF8M ≈ 316 ækvivalenter i mange specifikationer).
  Disse støbekoder og legeringsnavne varierer efter standardsystem (Astm, I, HAN, osv.).
• "CF" / "CA" / "CD" præfikser er typiske i nogle standarder for at angive støbte austenitiske/ferritiske/dupleksgrupperinger; producenter kan også bruge proprietære navne.
  Angiv altid både kemisk rækkevidde og krav til mekanisk/varmebehandling i udbudsdokumenter for at undgå uklarhed.

3. Metallurgi og mikrostruktur

Legeringsfamilier og deres kendetegn

• Austenitisk (F.eks., 304, 316, CF8/CF3 ækvivalenter i støbt): ansigtscentreret-kubisk (FCC) jernmatrix stabiliseret af nikkel (eller nitrogen).
  Fremragende sejhed og duktilitet, fremragende generel korrosionsbestandighed; modtagelige for kloridgruber og spændingskorrosionsrevner (SCC) i nogle miljøer.
• Duplex (F.eks., 2205-typestøbte ækvivalenter): nogenlunde ens ferrit (kropscentreret kubisk, BCC) + austenitfaser.
  Høj styrke, overlegen pitting/spaltemodstand og bedre modstand mod SCC end austenitiske grunde på grund af lavere chrom-udtømt zonedannelse; kræver kontrol af køling for at undgå skøre faser.
• Ferritisk: for det meste BCC krom-stabiliseret; bedre spændingskorrosionsydelse i nogle miljøer, lavere sejhed ved lav temperatur sammenlignet med austenitisk.
• Martensitisk: varmebehandles, kan gøres meget stærk og hård, moderat korrosionsbestandighed sammenlignet med austenitisk og duplex; bruges til slidstærke støbte dele.
• Nedbørshærdning (Ph): legeringer, der kan aldershærdes (Ni-baserede eller rustfrie PH-kvaliteter), tilbyder høj styrke med rimelig korrosionsbestandighed.

Kritiske mikrostrukturelle bekymringer

• Karbidudfældning (M23C6, M₆C) og sigma (-en) fase dannelse opstår, når støbegods holdes for længe i intervallet 600–900 °C (eller afkøles langsomt igennem det).
  Disse skøre, kromrige faser udtømmer matrixen for krom og reducerer sejhed og korrosionsbestandighed.
• Intermetalliske materialer og indeslutninger (F.eks., silicider, sulfider) kan fungere som crack-initiatorer.
• Adskillelse (kemisk uensartethed) er iboende for støbning og skal minimeres ved smelte- og størkningskontrol og nogle gange homogeniseringsvarmebehandlinger.

4. Fysiske egenskaber af støbt rustfrit stål

Værdier ovenfor er repræsentative ingeniørområder. Konsulter altid leverandørdata for specificeret kvalitet, støbevej og varmebehandlingstilstand.

5. Elektrisk & Magnetiske egenskaber af støbt rustfrit stål

• Elektrisk resistivitet: Austenitisk støbt rustfrit stål (CF8, CF3M) har høj resistivitet (700–750 nΩ·m ved 25°C)—3× højere end støbt kulstofstål (200 nΩ·m).
  Dette gør dem velegnede til elektrisk isolering (F.eks., transformerhuse).
• Magnetisme: Austenitiske kvaliteter (CF8, CF3M) er ikke-magnetisk (relativ permeabilitet μ ≤1,005) på grund af deres FCC-struktur – kritisk for medicinsk udstyr (F.eks., MRI-kompatible komponenter) eller elektroniske kabinetter.
  Ferritisk (CB30) og martensitisk (CA15) kvaliteter er ferromagnetiske, begrænser deres anvendelse i magnetisk-følsomme miljøer.

6. Støbeprocesser og hvordan de påvirker egenskaber

Fælles støbeveje til rustfri:

• Sandstøbning (grønt sand, harpiks sand): fleksibel til store eller komplekse dele.
  Grovere mikrostruktur og højere risiko for porøsitet, medmindre det kontrolleres. Velegnet til mange pumpehuse og store ventiler.
• Investering (mistet wax) casting: fremragende overfladefinish og dimensionsnøjagtighed; ofte brugt til mindre, komplekse dele, der kræver snævre tolerancer.
• Centrifugalstøbning: producerer lyd, finkornede cylindriske dele (rør, ærmer) med retningsbestemt størkning, der minimerer interne defekter.
• Skal og vakuumstøbning: forbedret renlighed og reduceret gasindfangning til kritiske applikationer.

Procespåvirkninger:

• Afkølingshastighed påvirker dendritafstanden; hurtigere afkøling (investering, centrifugal) → finere mikrostruktur → generelt bedre mekaniske egenskaber.
• Smelt renlighed og hældetræning bestemme inklusion og bifilm niveauer, der direkte påvirker træthed og lækage tæthed.
• Retningsbestemt størkning og riseringsdesign minimere krympningshulrum.

7. Mekaniske egenskaber af støbt rustfrit stål

Styrke og duktilitet

• Austenitiske afstøbninger: god duktilitet og sejhed; UTS typisk i midten af ​​hundredvis af MPa; duktilitet høj (forlængelse ofte 20–40 % i støbt 316L, når det er fri for defekter).
• Duplex støbegods: højere udbytte og UTS på grund af ferrit + austenitter; typisk UTS ~600–900 MPa med udbytte ofte >350 MPA.
• Martensitiske/PH støbegods: kan nå meget høj UTS og hårdhed, men med reduceret duktilitet.

Træthed

• Træthedslivet er meget følsom til støbefejl: porøsitet, indeslutninger, overfladeruhed og krympning er almindelige revnestartere.
  Til roterende eller cykliske belastninger, lavporøsitetsprocesser, skudblæsning, HOFTE (varm isostatisk presning), og overfladebearbejdning bruges almindeligvis til at forbedre træthedsydelsen.

Krybning og forhøjet temperatur

• Nogle rustfri kvaliteter (især højlegeret og duplex) bevare styrken ved høje temperaturer; dog skal den langsigtede krybeydelse tilpasses legeringen og forventet levetid.
  Karbid/σ-faseudfældning under termisk eksponering kan i alvorlig grad reducere krybning og sejhed.

8. Varmebehandling, mikrostrukturkontrol og fasestabilitet

Løsning af annealing (typisk)

• Formål: opløse uønskede bundfald og genoprette en ensartet austenitisk/ferritisk matrix; genvinde korrosionsbestandigheden ved at returnere chrom til fast opløsning.
• Typisk regime: opvarm til den passende opløsningstemperatur (ofte 1.040–1.100 °C for mange austenitter), hold for at homogenisere, så hurtig slukning at beholde de indløste elementer. Præcis temperatur/tid afhænger af kvalitet og snittykkelse.
• Advarsel: digel og sektionsstørrelse begrænser opnåelige bratkølingshastigheder; tunge sektioner kan kræve særlige procedurer.

Aldring og nedbør

• Duplex og Martensitisk karakterer kan ældes til ejendomskontrol; aldrings-/tid-temperatur vinduer skal undgå sigma og andre skadelige faser.
• Overældning eller uhensigtsmæssige termiske historier producerer karbider og sigma, der skør og reducerer korrosionsbestandighed.

Undgå sigmafase og chromudtømning

• Styr køling gennem det sårbare temperaturområde, undgå langvarig hold mellem ~600-900 °C, og brug eftersvejsning eller opløsningsudglødning, hvor det er nødvendigt.
  Materialevalg og varmebehandlingsdesign er de vigtigste forsvar.

9. Korrosionsbestandighed — Kernefordel ved støbt rustfrit stål

Korrosionsbestandighed er den primære årsag til, at ingeniører vælger støbt rustfrit stål.

I modsætning til mange strukturelle metaller, der er afhængige af omfangsrige belægninger eller offerbeskyttelse, Rustfrit stål opnår holdbar miljøresistens fra deres kemi og overfladereaktivitet.

Hvordan rustfrit stål modstår korrosion - det passive filmkoncept

• Passiv beskyttelse: Chrom i legeringen reagerer med ilt for at danne en tynd, kontinuerligt chromoxidlag (Cr₂o₃).
  Denne film er kun nanometer tyk, men er yderst effektiv: det reducerer iontransport, blokerer anodisk opløsning, og - afgørende - er selvhelbredende ved beskadigelse forudsat at der er ilt til rådighed.
• Legering synergi: Nikkel, molybdæn og nitrogen stabiliserer matrixen og forbedrer den passive films modstand mod lokalt nedbrydning (især i kloridmiljøer).
  Den passive films stabilitet er derfor et resultat af kemi, overflade tilstand, og lokalmiljø.

Korrosionsformer, der betyder noget for støbt rustfrit stål

Forståelse af sandsynlige fejltilstande fokuserer materialevalg og design:

• Generel (uniform) Korrosion: Sjældent for korrekt legeret rustfrit i de fleste industrielle atmosfærer - den passive film holder ensartet tab meget lavt.
• Pitting korrosion: Lokaliseret, ofte små og dybe gruber påbegyndt, når den passive film nedbrydes lokalt (klorider er den klassiske initiator). Pitting kan være kritisk, fordi små defekter trænger hurtigt ind.
• Spaltekorrosion: Forekommer inde i afskærmede huller, hvor ilt bliver opbrugt; iltgradienten fremmer lokal forsuring og kloridkoncentration, underminere passivitet inde i sprækken.
• Spændingskorrosionsrevner (SCC): En skør revnemekanisme, der kræver en følsom legering (almindeligvis austenitisk rustfrit i kloridmiljøer), trækspænding, og et specifikt miljø (varm, kloridholdige). SCC kan opstå pludseligt og katastrofalt.
• Mikrobielt påvirket korrosion (MIC): Biofilm og mikrobiel metabolisme (F.eks., sulfat-reducerende bakterier) kan producere lokaliseret kemi, der angriber rustfri støbegods, især i stillestående eller lavtflydende sprækker.
• Erosion-korrosion: Kombination af mekanisk slid og kemisk angreb, ofte hvor høj hastighed eller stød fjerner den beskyttende film og blotlægger frisk metal.

Legeringens rolle - hvad skal specificeres og hvorfor

Visse elementer påvirker i høj grad lokal korrosionsbestandighed:

• Krom (Cr): Grundlaget for passivitet; minimum indhold definerer "rustfri" adfærd.
• Molybdæn (Mo): Meget effektiv til at øge modstanden mod gruber og sprækker - afgørende for havvands- og kloridservice.
• Nitrogen (N): Styrker austenit og forbedrer i høj grad pitting-modstanden (effektive små tilføjelser).
• Nikkel (I): Stabiliserer austenit og understøtter sejhed og duktilitet.
• Kobber, wolfram, Nb/Ti: Anvendes i specialiserede legeringer til nichemiljøer.

Et nyttigt sammenlignende indeks er Pitting Resistance Equivalent Number (Træ):

PREN=%Cr+3,3×%Mo+16×%N

Typisk PREN (afrundet, repræsentant):

• 304 / CF8 ≈ ~19 (lav pitting modstand)
• 316 / CF8M ≈ ~24 (moderat)
• Duplex 2205 / CD3MN ≈ ~ 35 (høj)
• Super-austenitisk (F.eks., høj-Mo / 254SMO-ækvivalenter) ≈ ~40-45 (meget høj)

Praktisk regel: højere PREN → større modstand mod klorid-induceret grubetæring/sprækkekorrosion. Vælg PREN proportionalt med eksponeringens sværhedsgrad.

Miljømæssige drivkræfter - hvad får rustfrit til at svigte

• Chlorider (havsprøjt, afisningssalte, kloridholdige processtrømme) er den dominerende ydre trussel - de fremmer pitting, spaltekorrosion og SCC.
• Temperatur: Forhøjede temperaturer fremskynder kemisk angreb og SCC-følsomhed; kombinationen af ​​klorid + forhøjede temperaturer er særligt aggressive.
• Stagnation & sprækker: Lavt iltindhold og lukkede rum koncentrerer aggressive ioner og ødelægger lokal passivitet.
• Mekanisk stress: Trækspændinger (resterende eller påført) er nødvendige for SCC. Design og afspænding reducerer risikoen.
• Mikrobielt liv: Biofilm modificerer lokal kemi; MIC er især relevant i våd tilstand, dårligt skyllede systemer.

Design & specifikationsstrategier for at maksimere korrosionsbestandigheden

1. Valg af den rigtige karakter: Match PREN/kemi til eksponering — f.eks., 316 for moderate chlorider, Duplex / høj-Mo-kvaliteter til havvand eller kloridrige processtrømme.
2. Styr termisk historie: Kræv opløsningsudglødning + quench hvor angivet; angiv maksimale afkølingstider i σ-dannelsesvinduet for duplekskvaliteter.
3. Overfladekvalitet: Angiv overfladefinish, elektropolering eller mekanisk polering til sanitære komponenter eller komponenter med høj grubetæring; glattere overflader reducerer initiering af pit.
4. Detaljering for at undgå sprækker: Design til at eliminere stramme sprækker, sørge for dræning og tillade inspektionsadgang. Brug pakning, tætningsmidler og korrekt valg af fastgørelseselementer, hvor samlinger er uundgåelige.
5. Svejse praksis: Brug matchede/overlegerede fyldmetaller, styre varmetilførslen, og specificer PWHT eller passivering efter behov. Beskyt svejsninger mod sensibilisering efter svejsning.
6. Dielektrisk isolering: Isoler rustfrie dele elektrisk fra uens metaller for at forhindre galvanisk acceleration af korrosion.
7. Overtræk & foringer: Når miljøet overstiger selv højlegeringskapacitet, brug polymer/keramiske foringer eller beklædninger som første linje (eller som backup) — men stol ikke på belægninger alene til kritisk indeslutning uden inspektionsbestemmelser.
8. Undgå trækspænding i SCC-følsomme miljøer: Reducer designbelastninger, påfør kompressive overfladebehandlinger (skudblæsning), og styre driftsbelastninger.

10. Fremstilling, Deltag i, og Reparation

Svejsning

• Støbt rustfrit stål er generelt Svejsbar, men opmærksomhed er nødvendig:

• • Match fyldmetal til basislegering, eller vælg et mere korrosionsbestandigt fyldstof for at undgå galvaniske effekter.
  • Forvarmning og interpass kontrol for nogle martensitiske kvaliteter for at håndtere hårdhed og revnerisiko.
  • Post-svejseopløsningsudglødning er ofte påkrævet til austenitiske og duplekse fyldstoffer for at genoprette korrosionsbestandighed og reducere resterende spændinger.
  • Undgå langsom afkøling, der kan producere σ-fase.

Bearbejdning

• Bearbejdeligheden varierer: austenitisk rustfrit stål hærder og kræver skarpt værktøj og passende hastigheder; duplex kvaliteter skærer bedre i nogle tilfælde på grund af højere styrke. Brug passende kølevæske og skæreparametre.

Overfladebehandling

• Bejdsning og passivering genopretter chromoxid og fjerner frie jernforureninger.
  Elektrokemisk polering eller mekanisk efterbehandling forbedrer renheden, reducerer sprækkesteder og øger korrosionsbestandigheden.

11. Økonomisk, livscyklus og bæredygtighedsovervejelser

• Koste: støbt rustfrit stål råvareomkostninger er højere end kulstofstål og aluminium, og støbning kræver højere smeltetemperaturer og ildfaste omkostninger.
  Imidlertid, levetidsforlængelsen og reduceret vedligeholdelse i korrosive miljøer kan retfærdiggøre præmien.
• Livscyklus: lang levetid i korrosive miljøer, lavere udskiftningsfrekvens og genanvendelighed (rustfri skrotværdi er høj) forbedre livscyklusøkonomien.
• Bæredygtighed: rustfri legeringer indeholder strategisk vigtige elementer (Cr, I, Mo); ansvarlig indkøb og genbrug er afgørende.
  Energi til indledende produktion er høj, men genanvendelse af rustfrit reducerer indbygget energi betydeligt.

12. Sammenlignende analyse: Støbt rustfrit stål vs. Konkurrenter

13. Konklusioner

Støbt rustfrit stål indtager en unik og strategisk vigtig position blandt strukturelle og korrosionsbestandige støbematerialer.

En enkelt egenskab definerer ikke dens værdi, men ved den synergistiske kombination af korrosionsbestandighed, Mekanisk styrke, Varmebestandighed, alsidighed i legeringsdesign, og kompatibilitet med komplekse støbegeometrier.

Når det evalueres på tværs af præstationer, pålidelighed, og livscyklusmålinger, støbt rustfrit stål viser sig konsekvent at være en højtydende løsning til krævende industrielle miljøer.

Samlet, støbt rustfrit stål skiller sig ud som en høj integritet, alsidig, og pålideligt materialevalg til industrier, der kræver korrosionsbestandighed, mekanisk holdbarhed, og præcisionsstøbning.

 

FAQS

Er støbt rustfri lige så korrosionsbestandig som smede rustfri?

Det kan være, men kun hvis støbekemien, mikrostruktur og varmebehandling opfylder de samme standarder.

Støbninger har flere muligheder for adskillelse og bundfald; opløsningsudglødning og hurtig bratkøling er ofte påkrævet for at genoprette fuld korrosionsbestandighed.

Hvordan undgår jeg sigma fase i støbninger?

Undgå lange hold mellem ~600-900 °C; design varmebehandlinger til opløsningsudglødning og bratkøling, og vælg legeringer, der er mindre tilbøjelige til sigma (F.eks., afbalanceret duplex kemi) for fjendtlige termiske historier.

Hvilken støbt rustfri skal jeg vælge til havvandsservice?

High-PREN duplex legeringer eller specifik super-austenitik (højere Mo, N) er typisk foretrukne. 316/316L kan være utilstrækkelig i stænkzoner, eller hvor iltet havvand strømmer med høj hastighed.

Er støbte rustfrie komponenter svejsbare på stedet?

Ja, men svejsning kan lokalt ændre metallurgisk balance. Varmebehandling eller passivering efter svejsning kan være nødvendig for at genoprette korrosionsbestandighed nær svejsninger.

Hvilken støbemetode giver den bedste integritet for kritiske dele?

Centrifugalstøbning (til cylindriske dele), investering/præcisionsstøbning (til små komplekse dele) og vakuum eller kontrolleret atmosfære formstøbning kombineret med HIP giver den højeste integritet og laveste porøsitet.

Er støbt rustfrit stål velegnet til højtemperaturapplikationer?

Austenitiske kvaliteter (CF8, CF3M) kan bruges op til 870°C; Duplex -kvaliteter (2205) op til 315°C.

Til temperaturer >870° C., brug varmebestandigt støbt rustfrit stål (F.eks., HK40, med 25% Cr, 20% I) eller nikkellegeringer.