Właściwości odlewanej stali nierdzewnej

1. Wstęp

Odlewane stale nierdzewne łączą w sobie odporność na korozję, dobra wytrzymałość mechaniczna i lejność w przypadku skomplikowanych kształtów.

Stosowane są tam gdzie występuje korozja, temperatura, lub wymagania sanitarne wykluczają stosowanie zwykłych stali węglowych i gdzie wytwarzanie złożonej geometrii z blachy kutej byłoby kosztowne lub niemożliwe.

Wydajność zależy od rodziny stopów (austenityczny, dupleks, ferrytyczny, martenzytyczny, Harding opadów), Metoda odlewania, obróbka cieplna i kontrola jakości.

Właściwa specyfikacja i kontrola procesu są niezbędne, aby uniknąć faz kruchych i wad odlewniczych, które mogą zniweczyć nieodłączne zalety metalu.

2. Definicja rdzenia & Klasyfikacja odlewów ze stali nierdzewnej

Definicja rdzenia — co rozumiemy przez „odlew ze stali nierdzewnej”

Rzucać stal nierdzewna odnosi się do stopów żelaza zawierających chrom, wytwarzanych przez wlewanie stopionego stopu do formy i pozostawienie go do zestalenia, następnie wykańczanie i obróbka cieplna zgodnie z wymaganiami.

Cechą charakterystyczną, która czyni je „nierdzewnymi”, jest wystarczająca zawartość chromu (i często inne pierwiastki stopowe) tworzyć i utrzymywać ciągłość, samonaprawiający się tlenek chromu (Cr₂o₃) powłoka, która radykalnie zmniejsza ogólną korozję.

Odlewy stosuje się tam, gdzie istnieje złożona geometria, integralne cechy (intymny stosunek dwojga ludzi, rządzić, żeberka), lub korzyści ekonomiczne odlewania przewyższają korzyści wynikające z produkcji kutej.

Podsumowanie rodzina po rodzinie (tabela)

Konwencje nazewnictwa & wspólne stopnie odlewów (uwaga praktyczna)

• Często stosuje się odlewy ze stali nierdzewnej oznaczenia odlewów zamiast wymyślonych liczb (Na przykład: CF8 ≈ 304, CF8M ≈ 316 odpowiedniki w wielu specyfikacjach).
  Te kody odlewów i nazwy stopów różnią się w zależności od standardowego systemu (ASTM, W, ON, itp.).
• „CF” / „Kalifornia” / "PŁYTA CD" przedrostki są typowe w niektórych normach i oznaczają odlane grupy austenityczne/ferrytyczne/dupleksowe; producenci mogą również używać nazw zastrzeżonych.
  Zawsze określaj oba zakres chemiczny i wymagania mechaniczne/obróbki cieplnej w dokumentach zamówienia, aby uniknąć dwuznaczności.

3. Metalurgia i mikrostruktura

Rodziny stopów i ich cechy definiujące

• Austenityczny (np., 304, 316, Odpowiedniki CF8/CF3 w odlewie): sześcienny centrowany twarzą (FCC) osnowa żelazna stabilizowana niklem (lub azot).
  Doskonała wytrzymałość i plastyczność, wyjątkowa ogólna odporność na korozję; podatne na wżery chlorkowe i pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC) w niektórych środowiskach.
• Dupleks (np., 2205-typu rzutowane odpowiedniki): mniej więcej taki sam ferryt (sześcienny skupiony na ciele, BCC) + fazy austenitu.
  Wysoka wytrzymałość, doskonała odporność na wżery/szczeliny i lepsza odporność na SCC niż austenityki ze względu na mniejsze tworzenie się stref zubożonych w chrom; wymaga kontroli chłodzenia, aby uniknąć kruchych faz.
• Ferrytyczny: głównie BCC stabilizowany chromem; lepsza odporność na korozję naprężeniową w niektórych środowiskach, niższa ciągliwość w niskich temperaturach w porównaniu z austenitycznymi.
• martenzytyczny: poddawane obróbce cieplnej, może być bardzo mocny i twardy, umiarkowana odporność na korozję w porównaniu z austenitem i duplexem; stosowany do odpornych na zużycie części odlewanych.
• Utwardzanie wydzieleniowe (PH): stopy, które można utwardzać wydzieleniowo (Gatunki PH na bazie Ni lub stali nierdzewnej), oferując wysoką wytrzymałość przy rozsądnej odporności na korozję.

Krytyczne obawy dotyczące mikrostruktury

• Wytrącanie węglika (M₂₃c₆, M₆C) I Sigma (A) faza powstają, gdy odlewy są przetrzymywane zbyt długo w zakresie temperatur 600–900 °C (lub powoli chłodzić).
  Te kruche, fazy bogate w chrom zubożają matrycę chromu i zmniejszają wytrzymałość i odporność na korozję.
• Międzymetaliki i inkluzje (np., krzemki, siarczki) mogą działać jako inicjatory pęknięć.
• Segregacja (niejednorodność chemiczna) jest nieodłącznym elementem odlewania i należy go zminimalizować poprzez kontrolę topnienia i krzepnięcia, a czasem poprzez homogenizacyjną obróbkę cieplną.

4. Właściwości fizyczne odlewanej stali nierdzewnej

Powyższe wartości są reprezentatywnymi zakresami technicznymi. Zawsze sprawdzaj dane dostawcy dotyczące określonego gatunku, droga odlewania i stan obróbki cieplnej.

5. Elektryczny & Właściwości magnetyczne odlewanej stali nierdzewnej

• Oporność elektryczna: Austenityczne stale nierdzewne (CF8, CF3M) mają wysoką rezystancję (700–750 nΩ·m przy 25°C)—3 razy wyższa niż w przypadku staliwa węglowego (200 nω · m).
  Dzięki temu nadają się do zastosowań w izolacji elektrycznej (np., Obudowy transformatora).
• Magnetyzm: Gatunki austenityczne (CF8, CF3M) Czy niemagnetyczne (przepuszczalność względna μ ≤1,005) ze względu na strukturę FCC – krytyczną dla wyrobów medycznych (np., Komponenty kompatybilne z MRI) lub obudowy elektroniczne.
  Ferrytyczny (CB30) i martenzytyczny (CA15) gatunki są ferromagnetyczne, ograniczając ich użycie w środowiskach wrażliwych na działanie pola magnetycznego.

6. Procesy odlewnicze i ich wpływ na właściwości

Typowe metody odlewania stali nierdzewnej:

• Odlewanie piasku (Zielony piasek, piasek żywiczny): elastyczny w przypadku dużych lub złożonych części.
  Grubsza mikrostruktura i większe ryzyko porowatości, jeśli nie jest kontrolowane. Nadaje się do wielu korpusów pomp i dużych zaworów.
• Inwestycja (Lost-Wax) odlew: doskonałe wykończenie powierzchni i dokładność wymiarowa; często używany do mniejszych, złożone części wymagające wąskich tolerancji.
• Casting odśrodkowy: wytwarza dźwięk, drobnoziarniste części cylindryczne (kobza, rękawy) z kierunkowym krzepnięciem, które minimalizuje defekty wewnętrzne.
• Odlewanie skorupowe i próżniowe: poprawiona czystość i zmniejszone uwięzienie gazu w zastosowaniach krytycznych.

Wpływy procesowe:

• Szybkość chłodzenia wpływa na odstęp dendrytów; szybsze chłodzenie (inwestycja, odśrodkowy) → drobniejsza mikrostruktura → ogólnie lepsze właściwości mechaniczne.
• Praktyka czyszczenia stopu i nalewania określić poziom wtrąceń i bifilmu, które bezpośrednio wpływają na zmęczenie i szczelność.
• Kierunkowe zestalanie i konstrukcja wznosząca się zminimalizować ubytki skurczowe.

7. Właściwości mechaniczne odlewanej stali nierdzewnej

Wytrzymałość i plastyczność

• Odlewy austenityczne: dobra ciągliwość i wytrzymałość; UTS zazwyczaj w połowie setek MPa; ciągliwość wysoka (wydłużenie często 20–40% w odlewie 316L, gdy jest wolny od wad).
• Odlewy dwustronne: wyższa wydajność i UTS dzięki ferrytowi + austenit; typowy UTS ~600–900 MPa z częstą wydajnością >350 MPa.
• Odlewy martenzytyczne/PH: może osiągnąć bardzo wysoki UTS i twardość, ale przy zmniejszonej ciągliwości.

Zmęczenie

• Życie pełne zmęczenia bardzo wrażliwy do wad odlewniczych: porowatość, inkluzje, Chropowatość powierzchni i skurcz są częstymi czynnikami wywołującymi pękanie.
  Do obciążeń obrotowych lub cyklicznych, procesy niskoporowate, śrutowanie, BIODRO (Hot Isostatic Pressing), i obróbka powierzchniowa są powszechnie stosowane w celu poprawy wydajności zmęczeniowej.

Pełzanie i podwyższona temperatura

• Niektóre gatunki stali nierdzewnej (szczególnie wysokostopowe i duplex) zachowują wytrzymałość w podwyższonych temperaturach; jednakże długoterminowe pełzanie należy dopasować do stopu i oczekiwanej trwałości.
  Wytrącanie węglika/fazy σ pod wpływem temperatury może poważnie zmniejszyć pełzanie i wytrzymałość.

8. Obróbka cieplna, kontrola mikrostruktury i stabilność fazowa

Wyżarzanie rozwiązania (typowy)

• Zamiar: rozpuścić niepożądane osady i przywrócić jednolitą osnowę austenityczno-ferrytyczną; odzyskać odporność na korozję poprzez powrót chromu do stałego roztworu.
• Typowy reżim: ogrzać do odpowiedniej temperatury roztworu (często 1040–1100 ° C dla wielu austenityków), przytrzymaj, aby ujednolicić, Następnie szybkie gaszenie aby zachować rozwiązane elementy. Dokładna temperatura/czas zależy od gatunku i grubości przekroju.
• Zastrzeżenie: maksymalne osiągalne szybkości hartowania tygla i przekroju; ciężkie sekcje mogą wymagać specjalnych procedur.

Starzenie się i opady

• Dupleks I martenzytyczny gatunki mogą być postarzane w celu kontroli własności; okna starzenia/temperatury muszą unikać faz sigma i innych szkodliwych faz.
• Przedawkowanie lub niewłaściwe historie termiczne wytwarzają węgliki i sigma, które są kruche i zmniejszają odporność na korozję.

Unikanie fazy sigma i wyczerpania chromu

• Kontroluj chłodzenie w wrażliwym zakresie temperatur, unikać długotrwałego przetrzymywania w temperaturze ~600–900 °C, i w razie potrzeby zastosować wyżarzanie po spawaniu lub przesycanie.
  Głównymi mechanizmami obronnymi są dobór materiałów i projekt obróbki cieplnej.

9. Odporność na korozję — główna zaleta odlewanej stali nierdzewnej

Odporność na korozję to główny powód, dla którego inżynierowie wybierają odlewy ze stali nierdzewnej.

W przeciwieństwie do wielu metali konstrukcyjnych, które opierają się na nieporęcznych powłokach lub ofiarnej ochronie, stale nierdzewne zyskują trwałą odporność na środowisko dzięki swojemu składowi chemicznemu i reaktywności powierzchni.

Jak stale nierdzewne są odporne na korozję — koncepcja folii pasywnej

• Ochrona pasywna: Chrom w stopie reaguje z tlenem, tworząc cienką warstwę, ciągła warstwa tlenku chromu (Cr₂o₃).
  Ta folia ma grubość zaledwie nanometrów, ale jest bardzo skuteczna: zmniejsza transport jonów, blokuje rozpuszczanie anodowe, i – co najważniejsze – jest samoleczenie w przypadku uszkodzenia, pod warunkiem, że dostępny jest tlen.
• Synergia stopu: Nikiel, molibden i azot stabilizują matrycę i poprawiają odporność folii pasywnej na lokalne uszkodzenia (szczególnie w środowiskach chlorkowych).
  Stabilność folii pasywnej jest zatem wynikiem procesów chemicznych, Stan powierzchni, i środowisko lokalne.

Formy korozji mające znaczenie w przypadku odlewanych stali nierdzewnych

Zrozumienie prawdopodobnych trybów awarii skupia się na wyborze materiałów i projektowaniu:

• Ogólny (mundur) korozja: Rzadko spotykane w przypadku odpowiednio stopowej stali nierdzewnej w większości atmosfer przemysłowych — folia pasywna utrzymuje bardzo niskie równomierne straty.
• Wżery korozję: Zlokalizowane, często małe i głębokie wgłębienia powstające w wyniku miejscowego uszkodzenia warstwy pasywnej (chlorki są klasycznym inicjatorem). Wżery mogą mieć krytyczne znaczenie, ponieważ małe defekty szybko wnikają.
• Korozja szczelinowa: Występuje wewnątrz osłoniętych szczelin, gdzie wyczerpuje się tlen; gradient tlenu sprzyja miejscowemu zakwaszeniu i stężeniu chlorków, podważając bierność wewnątrz szczeliny.
• Pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC): Mechanizm kruchego pękania, który wymaga podatnego stopu (powszechnie austenityczna stal nierdzewna w środowiskach chlorkowych), stres na rozciąganie, i specyficzne środowisko (ciepły, zawierający chlorek). SCC może pojawić się nagle i katastrofalnie.
• Korozja pod wpływem mikrobiologii (MIKROF): Biofilmy i metabolizm drobnoustrojów (np., bakterie redukujące siarczany) może wytwarzać miejscowe substancje chemiczne, które atakują odlewy ze stali nierdzewnej, szczególnie w szczelinach stojących lub o niskim przepływie.
• Erozja-korozja: Połączenie zużycia mechanicznego i ataku chemicznego, często tam, gdzie duża prędkość lub uderzenie powoduje zerwanie folii ochronnej i odsłonięcie świeżego metalu.

Rola stopów — co określić i dlaczego

Niektóre pierwiastki silnie wpływają na odporność na korozję miejscową:

• Chrom (Kr): Podstawa bierności; zawartość minimalna definiuje zachowanie „nierdzewne”..
• Molibden (Pon): Bardzo skuteczny w zwiększaniu odporności na wżery i szczeliny – niezbędny do obsługi wody morskiej i chlorków.
• Azot (N): Wzmacnia austenit i znacznie poprawia odporność na wżery (wydajne drobne dodatki).
• Nikiel (W): Stabilizuje austenit i zwiększa wytrzymałość i ciągliwość.
• Miedź, wolfram, Nb/Ti: Stosowany w specjalistycznych stopach do środowisk niszowych.

Przydatnym wskaźnikiem porównawczym jest liczba równoważna odporności na wżery (Drewno):

PREN=%Cr+3,3×%Mo+16×%N

Typowy PREN (bułczasty, przedstawiciel):

• 304 / CF8 ≈ ~19 (niska odporność na wżery)
• 316 / CF8M ≈ ~ 24 (umiarkowany)
• Dupleks 2205 / CD3MN ≈ ~ 35 (wysoki)
• Super-Austenitic (np., wysoki Mo / 254Odpowiedniki SMO) ≈ ~ 40–45 (bardzo wysoki)

Praktyczna zasada: wyższy PREN → większa odporność na korozję wżerową/szczelinową wywołaną chlorkami. Wybierz PREN proporcjonalnie do nasilenia ekspozycji.

Czynniki środowiskowe — co sprawia, że ​​stal nierdzewna zawodzi

• Chlorki (spray morski, sole odladzające, strumienie procesowe zawierające chlorki) są dominującym zagrożeniem zewnętrznym — sprzyjają wżerom, korozja szczelinowa i SCC.
• Temperatura: Podwyższone temperatury przyspieszają atak chemiczny i podatność na SCC; połączenie chlorku + podwyższona temperatura jest szczególnie agresywna.
• Stagnacja & szczeliny: Niska zawartość tlenu i ograniczone przestrzenie koncentrują agresywne jony i niszczą lokalną bierność.
• Naprężenia mechaniczne: Naprężenia rozciągające (pozostałościowe lub zastosowane) są niezbędne dla SCC. Konstrukcja i odprężenie zmniejszają ryzyko.
• Życie mikrobiologiczne: Biofilmy modyfikują lokalną chemię; Wartość MIC jest szczególnie istotna na mokro, słabo przepłukane systemy.

Projekt & strategie specyfikacji mające na celu maksymalizację odporności na korozję

1. Wybór właściwej klasy: Dopasuj PREN/chemię do narażenia – np., 316 dla umiarkowanych chlorków, dupleks / gatunki o wysokiej zawartości Mo do wody morskiej lub strumieni procesowych bogatych w chlorki.
2. Kontroluj historię termiczną: Wymagają wyżarzania roztworu + ugasić, gdzie jest to wskazane; określić maksymalne czasy chłodzenia w oknie formowania σ dla gatunków duplex.
3. Jakość powierzchni: Określ wykończenie powierzchni, elektropolerowanie lub polerowanie mechaniczne elementów sanitarnych lub elementów narażonych na wysokie ryzyko wżerów; gładsze powierzchnie zmniejszają inicjację wżerów.
4. Detale, aby uniknąć pęknięć: Konstrukcja eliminująca ciasne szczeliny, zapewnić drenaż i umożliwić dostęp inspekcyjny. Użyj uszczelki, uszczelniaczy i właściwy dobór elementów złącznych tam, gdzie nie da się uniknąć połączeń.
5. Praktyka spawalnicza: Stosować dopasowane/nadstopowe metale wypełniające, kontrolować dopływ ciepła, i w razie potrzeby określ PWHT lub pasywację. Chronić spoiny przed uczuleniem po spawaniu.
6. Izolacja dielektryczna: Izoluj elektrycznie części nierdzewne od różnych metali, aby zapobiec przyspieszeniu galwanicznemu korozji.
7. Powłoki & Podszewki: Gdy środowisko przekracza możliwości nawet w przypadku materiałów wysokostopowych, jako pierwszą linię należy zastosować okładziny lub okładziny polimerowe/ceramiczne (lub jako kopia zapasowa) — ale nie należy polegać wyłącznie na powłokach w przypadku krytycznej ochrony bez przepisów dotyczących inspekcji.
8. Unikaj naprężeń rozciągających w środowiskach wrażliwych na SCC: Zmniejsz naprężenia projektowe, zastosować ściskającą obróbkę powierzchni (śrutowanie), i kontrolować obciążenia robocze.

10. Produkcja, Łączący, i naprawa

Spawalniczy

• Odlewane stale nierdzewne są na ogół spawalny, ale uwaga jest potrzebna:

• • Dopasuj metal wypełniający do stopu bazowego lub wybierz wypełniacz bardziej odporny na korozję, aby uniknąć efektów galwanicznych.
  • Rozgrzewanie wstępne i kontrola międzyściegowa w przypadku niektórych gatunków martenzytycznych w celu kontrolowania twardości i ryzyka pękania.
  • Wyżarzanie po spawaniu jest często wymagany w przypadku wypełniaczy austenitycznych i duplex w celu przywrócenia odporności na korozję i zmniejszenia naprężeń szczątkowych.
  • Unikaj powolnego chłodzenia, które może wytworzyć fazę σ.

Obróbka

• Skrawalność jest różna: austenityczne stale nierdzewne są utwardzalne i wymagają ostrych narzędzi i odpowiednich prędkości; Gatunki dupleksowe w niektórych przypadkach tną lepiej ze względu na wyższą wytrzymałość. Stosować odpowiednie chłodziwo i parametry skrawania.

Wykończenie powierzchni

• Trawienie i pasywacja przywracają tlenek chromu i usuwają wolne zanieczyszczenia żelazem.
  Polerowanie elektrochemiczne lub obróbka mechaniczna poprawia czystość, zmniejsza powstawanie szczelin i zwiększa odporność na korozję.

11. Gospodarczy, kwestie związane z cyklem życia i zrównoważonym rozwojem

• Koszt: Koszt surowca ze stali nierdzewnej jest wyższy niż w przypadku stali węglowej i aluminium, a odlewanie wymaga wyższych temperatur topnienia i kosztów materiałów ogniotrwałych.
  Jednakże, wydłużenie żywotności i zmniejszona konserwacja w środowiskach korozyjnych mogą uzasadniać wyższą cenę.
• Cykl życia: długa żywotność w środowiskach korozyjnych, mniejsza częstotliwość wymiany i możliwość recyklingu (wartość złomu stali nierdzewnej jest wysoka) poprawić ekonomikę cyklu życia.
• Zrównoważony rozwój: stopy stali nierdzewnej zawierają pierwiastki o znaczeniu strategicznym (Kr, W, Pon); odpowiedzialne pozyskiwanie surowców i recykling są niezbędne.
  Energia potrzebna do początkowej produkcji jest wysoka, ale recykling stali nierdzewnej znacznie zmniejsza energię cielesną.

12. Analiza porównawcza: Odlewana stal nierdzewna vs. Zawodnicy

13. Wnioski

Odlewana stal nierdzewna zajmuje wyjątkową i strategicznie ważną pozycję wśród konstrukcyjnych i odpornych na korozję materiałów odlewniczych.

Pojedyncza właściwość nie definiuje jej wartości, ale poprzez synergiczne połączenie odporności na korozję, wytrzymałość mechaniczna, odporność na ciepło, wszechstronność w projektowaniu stopów, i kompatybilność ze złożonymi geometriami odlewów.

Przy ocenie pod względem wydajności, niezawodność, i wskaźniki cyklu życia, Odlewana stal nierdzewna niezmiennie okazuje się rozwiązaniem o wysokiej wydajności w wymagających środowiskach przemysłowych.

Ogólnie, odlewana stal nierdzewna wyróżnia się wysoką integralnością, wszechstronny, i niezawodny wybór materiałów dla branż wymagających odporności na korozję, trwałość mechaniczna, i precyzyjność odlewania.

 

Często zadawane pytania

Odlew ze stali nierdzewnej jest tak samo odporny na korozję jak stal kuta?

To może być, ale tylko jeśli chemia odlewnicza, mikrostruktura i obróbka cieplna spełniają te same standardy.

Odlewy mają większą możliwość segregacji i wydzieleń; Aby przywrócić pełną odporność na korozję, często wymagane jest wyżarzanie rozpuszczające i szybkie hartowanie.

Jak uniknąć fazy sigma w odlewach?

Unikaj długich przetrzymań w temperaturze ~600–900 °C; projektowanie obróbek cieplnych w celu wyżarzania rozpuszczającego i hartowania, i wybierz stopy mniej podatne na sigma (np., zrównoważone chemie dupleksowe) dla wrogich historii termicznych.

Który odlew ze stali nierdzewnej wybrać do użytku w wodzie morskiej?

Stopy duplex o wysokiej zawartości PREN lub specjalne superaustenityki (Wyższy MO, N) są zazwyczaj preferowane. 316/316L może być niewystarczające w strefach rozbryzgów lub tam, gdzie natleniona woda morska przepływa z dużą prędkością.

Czy elementy odlewane ze stali nierdzewnej można spawać na miejscu??

Tak, ale spawanie może lokalnie zmienić równowagę metalurgiczną. W celu przywrócenia odporności na korozję w pobliżu spoin może być konieczna obróbka cieplna lub pasywacja po spawaniu.

Jaka metoda odlewania zapewnia najlepszą integralność krytycznych części?

Casting odśrodkowy (do części cylindrycznych), odlewanie inwestycyjne/precyzyjne (dla małych, skomplikowanych części) oraz odlewanie w formach próżniowych lub w kontrolowanej atmosferze w połączeniu z HIP zapewniają najwyższą integralność i najniższą porowatość.

Czy odlewana stal nierdzewna nadaje się do zastosowań wysokotemperaturowych?

Gatunki austenityczne (CF8, CF3M) nadają się do użytku w temperaturze do 870°C; Klasy dupleksowe (2205) do 315°C.

Dla temperatur >870°C, stosować żaroodporne odlewy ze stali nierdzewnej (np., HK40, z 25% Kr, 20% W) lub stopy niklu.