Svojstva lijevanog nehrđajućeg čelika

1. Uvod

Lijevani nehrđajući čelici kombiniraju otpornost na koroziju, dobra mehanička čvrstoća i livljivost za složene oblike.

Koriste se kod korozije, temperatura, ili sanitarni zahtjevi isključuju obične ugljične čelike i gdje bi izrada složene geometrije od kovane ploče bila skupa ili nemoguća.

Izvedba ovisi o obitelji legura (austenitski, dupleks, feritski, martenzit, precipitacijsko otvrdnjavanje), metoda lijevanja, toplinska obrada i kontrola kvalitete.

Odgovarajuće specifikacije i kontrola procesa ključni su za izbjegavanje faza krhkosti i nedostataka lijevanja koji mogu poništiti intrinzične prednosti metala.

2. Definicija jezgre & Klasifikacija lijevanog nehrđajućeg čelika

Definicija jezgre — što mislimo pod "lijevanim nehrđajućim čelikom"

Bacanje nehrđajući čelik odnosi se na legure željeza koje sadrže krom koje se proizvode izlijevanjem rastaljene legure u kalup i dopuštanjem da se skrutne, zatim prema potrebi dorada i toplinska obrada.

Definirajuća značajka koja ih čini “nerđajućim” je dovoljan sadržaj kroma (a često i drugi legirajući elementi) formirati i održavati kontinuiranu, samoizlječivi krom oksid (Cr₂O3) film koji dramatično smanjuje opću koroziju.

Odljevci se koriste tamo gdje je složena geometrija, integralne značajke (odlomci, šefovanje, rebra), ili ekonomske prednosti lijevanja nadmašuju prednosti kovane izrade.

Sažetak od obitelji do obitelji (stol)

Pravila imenovanja & zajedničke cast ocjene (praktična napomena)

• Često se koriste lijevani nehrđajući oznake lijevanja nego kovani brojevi (na primjer: CF8 ≈ 304, CF8M ≈ 316 ekvivalenti u mnogim specifikacijama).
  Ovi kodovi lijevanja i nazivi legura razlikuju se prema standardnom sustavu (Astm, U, On, itd.).
• “CF” / “CA” / "CD" prefiksi su tipični u nekim standardima za označavanje lijevanih austenitnih/feritnih/dupleksnih skupina; proizvođači također mogu koristiti zaštićena imena.
  Uvijek navedite oba kemijski raspon I zahtjev mehaničke/toplinske obrade u dokumentima o nabavi kako bi se izbjegle dvosmislenosti.

3. Metalurgija i mikrostruktura

Obitelji legura i njihove značajke

• Austenitski (Npr., 304, 316, CF8/CF3 ekvivalenti u lijevanom obliku): lice-center-kub (FCC) željezna matrica stabilizirana niklom (odnosno dušik).
  Izvrsna žilavost i duktilnost, izvanredna opća otpornost na koroziju; podložan kloridnom pitingu i pucanju od korozije uslijed naprezanja (SCC) u nekim sredinama.
• Dupleks (Npr., 2205-tipski lijevani ekvivalenti): približno jednak ferit (tjelesno centriran kubik, BCC) + austenitne faze.
  Visoka snaga, vrhunska otpornost na udubljenje/pukotine i bolja otpornost na SCC nego na austenitiku zbog manjeg stvaranja zona osiromašenih kromom; zahtijeva kontrolu hlađenja kako bi se izbjegle krte faze.
• Feritni: uglavnom BCC kromom stabiliziran; bolja izvedba korozije na napon u nekim okruženjima, niža žilavost pri niskim temperaturama u usporedbi s austenitikom.
• martenzitni: toplinski obradiv, može se učiniti vrlo jakim i tvrdim, umjerena otpornost na koroziju u usporedbi s austenitom i dupleksom; koristi se za lijevane dijelove otporne na habanje.
• Precipitacijsko otvrdnjavanje (PH): legure koje se mogu očvrsnuti starenjem (Ni-bazirani ili nehrđajući PH stupnjevi), nudeći visoku čvrstoću s razumnom otpornošću na koroziju.

Kritični mikrostrukturni problemi

• Taloženje karbida (M₂₃C₆, M₆C) i sigma (a) faza Do formiranja dolazi kada se odljevci predugo drže u rasponu od 600–900 °C (ili se kroz njega polako hladio).
  Ovi krti, faze bogate kromom iscrpljuju matricu kroma i smanjuju žilavost i otpornost na koroziju.
• Intermetali i uključci (Npr., silicidi, sulfidi) mogu djelovati kao inicijatori pukotina.
• Segregacija (kemijska neujednačenost) je svojstveno lijevanju i mora se svesti na najmanju moguću mjeru kontrolom taljenja i skrućivanja, a ponekad i toplinskim obradama homogenizacije.

4. Fizička svojstva lijevanog nehrđajućeg čelika

Gore navedene vrijednosti reprezentativni su inženjerski rasponi. Uvijek konzultirajte podatke dobavljača za navedeni stupanj, put lijevanja i stanje toplinske obrade.

5. Električni & Magnetska svojstva lijevanog nehrđajućeg čelika

• Električni otpor: Austenitni lijevani nehrđajući čelici (Cf8, CF3M) imaju visoku otpornost (700–750 nΩ·m na 25°C)—3× veći od lijevanog ugljičnog čelika (200 nΩ·m).
  To ih čini prikladnima za električne izolacijske primjene (Npr., kućišta transformatora).
• Magnetizam: Austenitni stupnjevi (Cf8, CF3M) jesu ne-magnetski (relativna propusnost μ ≤1.005) zbog njihove FCC strukture—kritične za medicinske uređaje (Npr., Komponente kompatibilne s MRI) ili elektroničkih kućišta.
  Feritni (CB30) i martenzitni (CA15) stupnjevi su feromagnetski, ograničavajući njihovu upotrebu u magnetski osjetljivim okruženjima.

6. Procesi lijevanja i njihov utjecaj na svojstva

Uobičajeni pravci lijevanja za nehrđajući čelik:

• Lijevanje pijeska (zeleni pijesak, smolasti pijesak): fleksibilan za velike ili složene dijelove.
  Grublja mikrostruktura i veći rizik od poroznosti osim ako se ne kontrolira. Prikladno za mnoga tijela pumpi i velike ventile.
• Ulaganje (izgubljeni vosak) lijevanje: izvrsna završna obrada površine i točnost dimenzija; često se koristi za manje, složeni dijelovi koji zahtijevaju niske tolerancije.
• Centrifugalno lijevanje: proizvodi zvuk, sitnozrnati cilindrični dijelovi (cijevi, rukavi) s usmjerenim skrućivanjem koje minimalizira unutarnje nedostatke.
• Ljuska i vakuum lijevanje: poboljšana čistoća i smanjeno zadržavanje plina za kritične primjene.

Procesni utjecaji:

• Brzina hlađenja utječe na razmak dendrita; brže hlađenje (ulaganje, centrifugalni) → finija mikrostruktura → općenito bolja mehanička svojstva.
• Praksa čistoće taline i izlijevanja odrediti razine uključivanja i bifilma koji izravno utječu na zamor i nepropusnost.
• Dizajn usmjerenog skrućivanja i dizanja minimizirati šupljine skupljanja.

7. Mehanička svojstva lijevanog nehrđajućeg čelika

Čvrstoća i duktilnost

• Austenitni odljevci: dobra duktilnost i žilavost; UTS obično u srednjim stotinama MPa; duktilnost visoka (istezanje često 20–40% u lijevanom 316L kada nema nedostataka).
• Duplex odljevci: veći prinos i UTS zbog ferita + Austenit; tipični UTS ~600–900 MPa s prinosom često >350 MPA.
• Martenzitni/PH odljevci: može postići vrlo visoku UTS i tvrdoću, ali sa smanjenom duktilnošću.

Umor

• Umor život je vrlo osjetljiva do grešaka u lijevanju: poroznost, inkluzije, hrapavost površine i skupljanje uobičajeni su pokretači pukotina.
  Za rotirajuće ili cikličko opterećenje, procesi niske poroznosti, shot peening, Bok (Vruće izostatsko prešanje), i površinska strojna obrada obično se koriste za poboljšanje performansi zamora.

Puzanje i povišena temperatura

• Neke vrste nehrđajućeg čelika (posebno visokolegirani i duplex) zadržavaju čvrstoću na povišenim temperaturama; međutim dugotrajne performanse puzanja moraju biti usklađene s legurom i očekivanim vijekom trajanja.
  Taloženje karbida/σ-faze pod toplinskim izlaganjem može ozbiljno smanjiti puzanje i žilavost.

8. Toplotna obrada, kontrola mikrostrukture i fazna stabilnost

Otopina (tipičan)

• Svrha: otopiti nepoželjne taloge i vratiti jednoliku austenitnu/feritnu matricu; vratiti otpornost na koroziju vraćanjem kroma u čvrstu otopinu.
• Tipičan režim: zagrijte na odgovarajuću temperaturu otopine (često 1040–1100 °C za mnoge austenične), držati da se homogenizira, zatim brzo gašenje zadržati riješene elemente. Točna temperatura/vrijeme ovisi o stupnju i debljini presjeka.
• upozorenje: lončić i ograničenje veličine sekcije dostižne brzine gašenja; teški dijelovi mogu zahtijevati posebne postupke.

Starenje i taloženje

• Dupleks i martenzit ocjene mogu biti stare za kontrolu imovine; starenje/vrijeme-temperatura prozori moraju izbjegavati sigma i druge štetne faze.
• Prekoračenje ili neodgovarajuće toplinske povijesti proizvode karbide i sigmu koji postaju krti i smanjuju otpornost na koroziju.

Izbjegavanje sigma faze i osiromašenja kroma

• Kontrola hlađenja kroz ranjivi temperaturni raspon, izbjegavajte dugotrajno držanje između ~600–900 °C, i koristiti naknadno zavarivanje ili žarenje otopinom gdje je potrebno.
  Izbor materijala i dizajn toplinske obrade glavne su obrane.

9. Otpornost na koroziju — glavna prednost lijevanog nehrđajućeg čelika

Otpornost na koroziju glavni je razlog zašto inženjeri odabiru lijevani nehrđajući čelik.

Za razliku od mnogih konstrukcijskih metala koji se oslanjaju na glomazne premaze ili žrtvovanu zaštitu, nehrđajući čelici dobivaju trajnu otpornost na okoliš zbog svoje kemije i površinske reaktivnosti.

Kako se nehrđajući čelici odupiru koroziji — koncept pasivnog filma

• Pasivna zaštita: Krom u leguri reagira s kisikom stvarajući tanku, kontinuirani sloj krom-oksida (Cr₂O3).
  Ovaj je film debeo samo nanometar, ali je vrlo učinkovit: smanjuje ionski transport, blokira anodno otapanje, i — što je ključno — jest samoizlječenje kada je oštećen pod uvjetom da je dostupan kisik.
• Sinergija legure: Nikla, molibden i dušik stabiliziraju matricu i poboljšavaju otpornost pasivnog filma na lokalno propadanje (posebno u kloridnim sredinama).
  Stabilnost pasivnog filma stoga je rezultat kemije, stanje površine, i lokalno okruženje.

Oblici korozije koji su važni za lijevane nehrđajuće čelike

Razumijevanje vjerojatnih načina kvara fokusira odabir materijala i dizajn:

• General (uniforma) korozija: Rijetkost za pravilno legiran nehrđajući čelik u većini industrijskih atmosfera — pasivni film održava ravnomjerni gubitak vrlo niskim.
• Jamičasta korozija: Lokalizirano, često male i duboke jame koje nastaju kada se pasivni film lokalno razbije (kloridi su klasični inicijator). Udubljenje može biti kritično jer mali nedostaci brzo prodiru.
• Pukotina korozije: Javlja se unutar oklopljenih praznina gdje se smanjuje kisik; gradijent kisika potiče lokalno zakiseljavanje i koncentraciju klorida, potkopavajući pasivnost unutar pukotine.
• Pucanje od naponske korozije (SCC): Krti mehanizam za pucanje koji zahtijeva osjetljivu leguru (obično austenitni nehrđajući u kloridnim sredinama), vlačno naprezanje, i specifično okruženje (toplo, koji sadrži kloride). SCC se može pojaviti iznenada i katastrofalno.
• Korozija pod utjecajem mikroba (MIC): Biofilmovi i mikrobni metabolizam (Npr., bakterije koje reduciraju sulfate) može proizvesti lokalizirane kemikalije koje napadaju nehrđajuće odljevke, osobito u pukotinama sa stagnacijom ili slabim protokom.
• Erozija-korozija: Kombinacija mehaničkog trošenja i kemijskog djelovanja, često gdje velika brzina ili udar skidaju zaštitni film i otkrivaju svježi metal.

Uloga legiranja — što navesti i zašto

Određeni elementi snažno utječu na lokaliziranu otpornost na koroziju:

• Krom (CR): Temelj pasivnosti; minimalni sadržaj definira "nehrđajuće" ponašanje.
• Molibden (Mokar): Vrlo učinkovit u povećanju otpornosti na udubljenja i pukotine — neophodno za morsku vodu i kloride.
• Dušik (N): Ojačava austenit i znatno poboljšava otpornost na rupičastu pojavu (učinkoviti mali dodaci).
• Nikla (U): Stabilizira austenit i podržava žilavost i duktilnost.
• Bakar, volfram, Nb/Ti: Koristi se u specijaliziranim legurama za nišna okruženja.

Koristan usporedni indeks je ekvivalentni broj otpornosti na udarce (Drvo):

PREN=%Cr+3,3×%Mo+16×%N

Tipični PREN (zaobljena, predstavnik):

• 304 / Cf8 ≈ ~19 (niska otpornost na piting)
• 316 / Cf8m ≈ ~ 24 (umjeren)
• Dupleks 2205 / CD3MN ≈ ~ 35 (visoka)
• Super-austenit (Npr., visoki Mo / 254SMO ekvivalenti) ≈ ~40–45 (vrlo visoko)

Praktično pravilo: viši PREN → veća otpornost na rupičastu koroziju izazvanu kloridima. Odaberite PREN proporcionalno ozbiljnosti izloženosti.

Pokretači zaštite okoliša — što čini nehrđajući metal neuspješnim

• Kloridi (morski sprej, soli za odleđivanje, procesne struje koje nose kloride) su dominantna vanjska prijetnja — promiču piting, pukotinska korozija i SCC.
• Temperatura: Povišene temperature ubrzavaju kemijski napad i osjetljivost na SCC; kombinacija klorida + posebno je agresivna povišena temperatura.
• Stagnacija & pukotine: Nizak kisik i zatvoreni prostori koncentriraju agresivne ione i uništavaju lokalnu pasivnost.
• Mehanički stres: Vlačna naprezanja (rezidualni ili primijenjeni) neophodni su za SCC. Dizajn i smanjenje stresa smanjuju rizik.
• Život mikroba: Biofilmovi mijenjaju lokalnu kemiju; MIC je posebno važan u mokrom, slabo isprani sustavi.

Dizajn & specifikacijske strategije za povećanje otpornosti na koroziju

1. Odabir pravog razreda: Uskladite PREN/kemiju s izloženošću — npr., 316 za umjerene kloride, dupleks / stupnjevi s visokim sadržajem Mo za morsku vodu ili procesne tokove bogate kloridima.
2. Kontrola toplinske povijesti: Zahtijevati žarenje otopine + ugasiti gdje je naznačeno; navedite maksimalna vremena hlađenja u prozoru σ-formiranja za dupleks kvalitete.
3. Kvaliteta površine: Navedite završnu obradu površine, elektropoliranje ili mehaničko poliranje sanitarnih komponenti ili komponenti s visokim rizikom od rupa; glatkije površine smanjuju stvaranje jama.
4. Detalji za izbjegavanje pukotina: Dizajn za uklanjanje uskih pukotina, osigurati drenažu i omogućiti inspekcijski pristup. Koristite brtvljenje, brtvila i pravilan odabir pričvrsnih elemenata gdje su spojevi neizbježni.
5. Praksa zavarivanja: Koristite usklađene/previše legirane metale za punjenje, kontrolirati unos topline, i prema potrebi navedite PWHT ili pasivizaciju. Zaštitite zavare od senzibilizacije nakon zavarivanja.
6. Dielektrična izolacija: Električno izolirajte nehrđajuće dijelove od različitih metala kako biste spriječili galvansko ubrzanje korozije.
7. Premaz & obloge: Kada okolina premašuje čak i sposobnost visoke legure, koristiti polimer/keramičke obloge ili obloge kao prvu liniju (ili kao rezerva) — ali nemojte se oslanjati samo na premaze za kritično zadržavanje bez mjera inspekcije.
8. Izbjegavajte vlačna naprezanja u okruženjima osjetljivim na SCC: Smanjite naprezanja dizajna, primijeniti kompresivne površinske tretmane (shot peening), i kontroliraju radna opterećenja.

10. Izrada, Pridruživanje, i Popravak

Zavarivanje

• Lijevani nehrđajući čelici općenito su zavariv, ali potrebna je pozornost:

• • Uskladite dodatni metal s osnovnom slitinom ili odaberite punilo otpornije na koroziju kako biste izbjegli galvanske učinke.
  • Prethodno zagrijavanje i kontrola međuprolaza za neke martenzitne stupnjeve radi upravljanja tvrdoćom i rizikom od pucanja.
  • Žarenje otopinom nakon zavarivanja je često potreban za austenitna i dupleks punila za obnavljanje otpornosti na koroziju i smanjenje zaostalih naprezanja.
  • Izbjegavajte sporo hlađenje koje može proizvesti σ-fazu.

Obrada

• Obradivost varira: austenitni nehrđajući čelici otvrdnjavaju i zahtijevaju oštar alat i odgovarajuće brzine; duplex tipovi se u nekim slučajevima bolje režu zbog veće čvrstoće. Koristite odgovarajuće rashladno sredstvo i parametre rezanja.

Površinska obrada

• Dekapiranje i pasiviranje obnavljaju krom oksid i uklanjaju kontaminante slobodnog željeza.
  Elektrokemijsko poliranje ili mehanička završna obrada poboljšavaju čistoću, smanjuje mjesta pukotina i povećava otpornost na koroziju.

11. Ekonomski, razmatranja životnog ciklusa i održivosti

• Koštati: Cijena sirovina od lijevanog nehrđajućeg čelika veća je od cijene ugljičnog čelika i aluminija, a lijevanje zahtijeva više temperature taljenja i troškove vatrostalnog materijala.
  Međutim, produženje životnog vijeka i smanjeno održavanje u korozivnim okruženjima mogu opravdati premiju.
• Životni ciklus: dug radni vijek u korozivnim sredinama, manja učestalost zamjene i mogućnost recikliranja (vrijednost nehrđajućeg otpada je visoka) poboljšati ekonomiju životnog ciklusa.
• Održivost: nehrđajuće legure sadrže strateški važne elemente (CR, U, Mokar); odgovorno nabavljanje i recikliranje su ključni.
  Energija za početnu proizvodnju je visoka, ali recikliranje nehrđajućeg čelika značajno smanjuje utjelovljenu energiju.

12. Komparativna analiza: Lijevani nehrđajući čelik vs. Natjecatelji

13. Zaključak

Lijevani nehrđajući čelik zauzima jedinstveno i strateški važno mjesto među konstrukcijskim i korozijski otpornim materijalima za lijevanje.

Jedno svojstvo ne definira njegovu vrijednost, već sinergističkom kombinacijom otpornosti na koroziju, mehanička čvrstoća, otpornost na toplinu, svestranost u dizajnu legura, i kompatibilnost sa složenim geometrijama lijevanja.

Kada se procjenjuje kroz izvedbu, pouzdanost, i metrike životnog ciklusa, lijevani nehrđajući čelik dosljedno se dokazuje kao rješenje visokih performansi za zahtjevna industrijska okruženja.

Opći, lijevani nehrđajući čelik ističe se visokom cjelovitošću, svestran, i pouzdan izbor materijala za industrije koje zahtijevaju otpornost na koroziju, mehanička postojanost, i mogućnost preciznog lijevanja.

 

Česta pitanja

Lijevano je od nehrđajućeg čelika jednako otporno na koroziju kao i od kovanog nehrđajućeg čelika?

Može biti, ali samo ako je kemija lijevanja, mikrostruktura i toplinska obrada zadovoljavaju iste standarde.

Odljevci imaju više mogućnosti za segregaciju i talog; žarenje u otopini i brzo kaljenje često su potrebni za vraćanje pune otpornosti na koroziju.

Kako izbjeći sigma fazu u odljevcima?

Izbjegavajte dugo zadržavanje između ~600–900 °C; dizajn toplinske obrade za žarenje u otopini i kaljenje, i odabrati legure manje sklone sigmi (Npr., uravnotežene dupleks kemije) za neprijateljske toplinske povijesti.

Koji lijevani nehrđajući metal da odaberem za usluge morske vode?

Duplex legure s visokim PREN-om ili specifični super-austeniti (viši pon, N) obično se preferiraju. 316/316L može biti neadekvatan u zonama prskanja ili gdje morska voda bogata kisikom teče velikom brzinom.

Dijelovi od lijevanog nehrđajućeg čelika mogu se zavarivati ​​na licu mjesta?

Da, ali zavarivanje može lokalno promijeniti metaluršku ravnotežu. Toplinska obrada ili pasivizacija nakon zavarivanja može biti potrebna za obnavljanje otpornosti na koroziju u blizini zavara.

Koja metoda lijevanja daje najbolju cjelovitost kritičnih dijelova?

Centrifugalno lijevanje (za cilindrične dijelove), ulaganje/precizni lijev (za male složene dijelove) i lijevanje u vakuumu ili kalupu u kontroliranoj atmosferi u kombinaciji s HIP-om osigurava najveći integritet i najmanju poroznost.

Od lijevanog nehrđajućeg čelika pogodan je za primjenu pri visokim temperaturama?

Austenitni stupnjevi (Cf8, CF3M) mogu se koristiti do 870°C; Dupleksne ocjene (2205) do 315°C.

Za temperature >870° C, koristite lijevani nehrđajući čelik otporan na toplinu (Npr., HK40, s 25% CR, 20% U) ili legure nikla.