Особине ливеног нерђајућег челика

1. Увођење

Ливени нерђајући челици комбинују отпорност на корозију, добра механичка чврстоћа и способност ливења за сложене облике.

Користе се тамо где је корозија, температура, или санитарни захтеви искључују обичне угљеничне челике и где би израда сложене геометрије од коване плоче била скупа или немогућа.

Перформансе зависе од породице легура (аустенитски, дуплекс, феритне, мартензитна, падавина-отврдњавање), метода ливења, термичка обрада и контрола квалитета.

Одговарајућа спецификација и контрола процеса су од суштинског значаја да би се избегле фазе крхкости и дефекти ливења који могу да негирају суштинске предности метала.

2. Цоре Дефинитион & Класификација ливеног нерђајућег челика

Основна дефиниција - шта подразумевамо под "ливеним нерђајућим челиком"

Лишити нехрђајући челик односи се на легуре гвожђа које садрже хром и које се производе сипањем растопљене легуре у калуп и омогућавањем да се очврсне, затим дорада и термичка обрада по потреби.

Карактеристична карактеристика која их чини „нерђајућим“ је довољан садржај хрома (а често и други легирајући елементи) да формирају и одржавају континуирано, самолечиви хром оксид (Црдо₃) филм који драматично смањује општу корозију.

Одливци се користе тамо где је сложена геометрија, интегралне карактеристике (одломака, шефовање, ребра), или економске предности ливења надмашују предности коване израде.

Сажетак од породице до породице (сто)

Конвенције именовања & уобичајене оцене ливења (практична напомена)

• Често се користе ливени нерђајући производи ознаке ливења а не коване бројеве (на пример: ЦФ8 ≈ 304, ЦФ8М ≈ 316 еквиваленти у многим спецификацијама).
  Ови кодови ливења и називи легура разликују се у зависности од стандардног система (Астм, У, Он, итд.).
• “ЦФ” / “ЦА” / “ЦД” префикси су типични у неким стандардима за означавање ливених аустенитних/феритних/дуплексних група; произвођачи могу користити и власничка имена.
  Увек наведите оба хемијски опсег и тхе тхе захтев механичке/термичке обраде у документацији о набавци како би се избегле нејасноће.

3. Металургија и микроструктура

Породице легура и њихове карактеристике

• Аустенитски (Нпр., 304, 316, Еквивалената ЦФ8/ЦФ3 у ливењу): лице-центрирано-кубни (ФЦЦ) гвоздена матрица стабилизована никлом (или азота).
  Одлична жилавост и дуктилност, изузетна општа отпорност на корозију; подложан хлоридном питтингу и пуцању од корозије под напоном (СЦЦ) у неким срединама.
• Дуплекс (Нпр., 2205-тип ливених еквивалената): приближно једнак ферит (тело центриран кубик, БЦЦ) + аустенитне фазе.
  Велика снага, супериорна отпорност на удубљење/пукотине и боља отпорност на СЦЦ од аустенитичности због нижег формирања зона осиромашених хромом; захтева контролу хлађења како би се избегле крхке фазе.
• Ферински: углавном стабилизован БЦЦ хромом; боље перформансе корозије под стресом у неким срединама, нижа жилавост на ниским температурама у поређењу са аустенитом.
• Мартензитски: термички обрађен, може бити веома јака и тврда, умерена отпорност на корозију у поређењу са аустенитном и дуплексном; користи се за ливене делове отпорне на хабање.
• Падавине-отврдњавање (ПХ): легуре које се могу очврснути старењем (ПХ класе на бази Ни или нерђајућег челика), нуди високу чврстоћу са разумном отпорношћу на корозију.

Критичне микроструктурне забринутости

• Преципитација карбида (М₂₃Ц₆, М₆Ц) и сигма (а) фаза формирање настаје када се одливци држе предуго у опсегу од 600–900 °Ц (или се кроз њега полако хлади).
  Ове крхке, фазе богате хромом исцрпљују матрицу хрома и смањују жилавост и отпорност на корозију.
• Интерметали и инклузије (Нпр., силициди, сулфиди) могу деловати као покретачи пукотина.
• Сегрегација (хемијска неуједначеност) је својствен ливењу и мора се минимизирати контролом топљења и очвршћавања и понекад хомогенизацијом топлотним третманима.

4. Физичка својства ливеног нерђајућег челика

Горе наведене вредности су репрезентативни инжењерски опсези. Увек консултујте податке добављача за одређену класу, пут ливења и стање термичке обраде.

5. Електрични & Магнетна својства ливеног нерђајућег челика

• Електрична отпорност: Аустенит ливени нерђајући челици (ЦФ8, ЦФ3М) имају високу отпорност (700–750 нΩ·м на 25°Ц)—3× већи од ливеног угљеничног челика (200 нω · м).
  То их чини погодним за апликације електричне изолације (Нпр., кућишта трансформатора).
• Магнетизам: Аустенитне класе (ЦФ8, ЦФ3М) су немагнетна (релативна пермеабилност μ ≤1.005) због њихове ФЦЦ структуре—критичне за медицинске уређаје (Нпр., Компоненте компатибилне са МРИ) или електронским кућиштима.
  Ферински (ЦБ30) и мартензитна (ЦА15) класе су феромагнетне, ограничавајући њихову употребу у окружењима осетљивим на магнет.

6. Процеси ливења и како они утичу на својства

Уобичајени путеви ливења за нерђајући материјал:

• Ливење песка (зелени песак, смолни песак): флексибилан за велике или сложене делове.
  Груба микроструктура и већи ризик од порозности осим ако се не контролише. Погодно за многа тела пумпи и велике вентиле.
• Инвестиција (изгубљени восак) ливење: одлична завршна обрада површине и тачност димензија; често се користи за мање, сложени делови који захтевају уске толеранције.
• Центрифугално ливење: производи звук, ситнозрни цилиндрични делови (цеви, рукавима) са усмереним очвршћавањем које минимизира унутрашње дефекте.
• Схелл и вакуум ливење: побољшана чистоћа и смањено задржавање гаса за критичне примене.

Процесни утицаји:

• Стопа хлађења утиче на размак дендрита; брже хлађење (инвестиција, центрифугални) → финија микроструктура → генерално боља механичка својства.
• Чистоћа топљења и пракса изливања одредити нивое инклузије и бифилма који директно утичу на замор и непропусност.
• Дизајн усмереног очвршћавања и подизања минимизирајте шупљине скупљања.

7. Механичка својства ливеног нерђајућег челика

Чврстоћа и дуктилност

• Аустенитни одливци: добра дуктилност и жилавост; УТС обично у средњим стотинама МПа; дуктилност висока (издужење често 20–40% код ливеног 316Л када нема недостатака).
• Дуплек ливење: већи принос и УТС због ферита + Аустенит; типични УТС ~600–900 МПа са издашношћу често >350 МПА.
• Мартензитни/ПХ одливци: може достићи веома висок УТС и тврдоћу, али са смањеном дуктилношћу.

Умор

• Живот умора је веома осетљива до недостатака ливења: порозност, инклузије, храпавост површине и скупљање су уобичајени покретачи пукотина.
  За ротирајућа или циклична оптерећења, процеси ниске порозности, сачмарење, Кук (топло изостатско пресовање), и површинска обрада се обично користе за побољшање перформанси замора.

Пузање и повишена температура

• Неке врсте нерђајућег челика (посебно високолегирани и дуплекс) задржавају снагу на повишеним температурама; међутим, дугорочне перформансе пузања морају бити усклађене са легуром и очекиваним веком трајања.
  Таложење карбида/σ-фазе под термичким излагањем може значајно смањити пузање и жилавост.

8. Топлотни третман, контрола микроструктуре и стабилност фазе

Решење жарења (типично)

• Сврха: раствара непожељне талоге и обнавља уједначену аустенитну/феритну матрицу; повратити отпорност на корозију враћањем хрома у чврсти раствор.
• Типичан режим: загрејати до одговарајуће температуре раствора (често 1.040–1.100 °Ц за многе аустенитике), држати да се хомогенизује, затим брзо гашење да задржи решене елементе. Тачна температура/време зависи од нагиба и дебљине пресека.
• Упозорење: лончић и величина пресека ограничавају достижне стопе гашења; тешки делови могу захтевати посебне процедуре.

Старење и падавине

• Дуплекс и мартензитна разреди могу бити стари за контролу имовине; Прозори старења/време-температура морају избегавати сигму и друге штетне фазе.
• Оверагинг или неодговарајућа термичка историја производи карбиде и сигму који крте и смањују отпорност на корозију.

Избегавање сигма фазе и исцрпљивања хрома

• Контролишите хлађење кроз осетљив температурни опсег, избегавајте дуже задржавање између ~600–900 °Ц, и користите жарење након заваривања или раствором где је потребно.
  Избор материјала и дизајн топлотне обраде су главна одбрана.

9. Отпорност на корозију — главна предност ливеног нерђајућег челика

Отпорност на корозију је главни разлог зашто инжењери бирају ливени нерђајући челик.

За разлику од многих конструкцијских метала који се ослањају на гломазне премазе или жртвену заштиту, нерђајући челици добијају трајну отпорност на животну средину захваљујући својој хемији и површинској реактивности.

Како се нерђајући челици одупиру корозији - концепт пасивног филма

• Пасивна заштита: Хром у легури реагује са кисеоником да би се формирао танак, континуирани слој хром-оксида (Црдо₃).
  Овај филм је дебео само нанометаре, али је веома ефикасан: смањује транспорт јона, блокира анодно растварање, и – што је најважније – јесте самоизлечење када је оштећен под условом да је кисеоник доступан.
• Синергија легуре: Никл, молибден и азот стабилизују матрицу и побољшавају отпорност пасивног филма на локални распад (посебно у хлоридним срединама).
  Стабилност пасивног филма је стога резултат хемије, стање површине, и локално окружење.

Облици корозије који су важни за ливене нерђајуће челике

Разумевање могућих начина квара фокусира се на избор материјала и дизајн:

• Општи (униформа) корозија: Реткост за правилно легирани нерђајући нерђајући материјал у већини индустријских атмосфера — пасивни филм одржава равномерне губитке веома ниским.
• Питтинг Цорросион: Локализовано, често мале и дубоке јаме настају када се пасивни филм локално поквари (хлориди су класични иницијатор). Питтинг може бити критичан јер мали дефекти брзо продиру.
• Корозија пукотина: Појављује се унутар заштићених празнина где кисеоник постаје исцрпљен; градијент кисеоника подстиче локално закисељавање и концентрацију хлорида, подривање пасивности унутар пукотине.
• Напонска корозија пуцање (СЦЦ): Механизам за крто пуцање који захтева осетљиву легуру (обично аустенит нерђајући у хлоридним срединама), затезач, и специфично окружење (топло, који носи хлорид). СЦЦ се може појавити изненада и катастрофално.
• Корозија под утицајем микроба (МИЦ): Биофилми и микробни метаболизам (Нпр., бактерије које редукују сулфате) може произвести локализоване хемије које нападају нерђајуће одливе, посебно у стајаћим пукотинама или пукотинама са малим протоком.
• Ерозија-корозија: Комбинација механичког хабања и хемијског напада, често када велика брзина или удар скида заштитни филм и излаже свеж метал.

Улога легирања — шта навести и зашто

Одређени елементи снажно утичу на локализовану отпорност на корозију:

• Хром (ЦР): Основа пасивности; минимални садржај дефинише „нерђајуће“ понашање.
• Молибден (Мо): Веома ефикасан у повећању отпорности на удубљење и пукотине - неопходно за употребу морске воде и хлорида.
• Азот (Н): Јача аустенит и значајно побољшава отпорност на точење (ефикасни мали додаци).
• Никл (У): Стабилизује аустенит и подржава жилавост и дуктилност.
• Бакар, тунгстен, Нб/Ти: Користи се у специјализованим легурама за нишна окружења.

Користан упоредни индекс је Еквивалентни број отпорности на питтинг (Дрва):

ПРЕН=%Цр+3,3×%Мо+16×%Н

Типични ПРЕН (заокружено, представник):

• 304 / ЦФ8 ≈ ~19 (ниска отпорност на питинг)
• 316 / ЦФ8М ≈ ~24 (умерено)
• Дуплекс 2205 / ЦД3МН ≈ ~ 35 (висока)
• Супер-аустенит (Нпр., хигх-Мо / 254СМО еквиваленти) ≈ ~40–45 (веома високо)

Практично правило: већи ПРЕН → већа отпорност на корозију удубљења/пукотина изазвану хлоридом. Изаберите ПРЕН пропорционално озбиљности изложености.

Покретачи животне средине — оно што чини нерђајућим неуспешним

• Хлориди (морски спреј, соли за одмрзавање, процесни токови који садрже хлорид) представљају доминантну спољну претњу — промовишу удубљење, пукотина корозије и СЦЦ.
• Температура: Повишене температуре убрзавају хемијски напад и осетљивост на СЦЦ; комбинација хлорида + повишена температура је посебно агресивна.
• Стагнација & пукотине: Низак кисеоник и скучени простори концентришу агресивне јоне и уништавају локалну пасивност.
• Механички стрес: Затезна напрезања (заостали или примењени) неопходни су за СЦЦ. Дизајн и ослобађање од стреса смањују ризик.
• Живот микроба: Биофилмови мењају локалну хемију; МИЦ је посебно релевантан на влажном, слабо испрани системи.

Дизајн & стратегије спецификације за максималну отпорност на корозију

1. Избор праве оцене: Ускладите ПРЕН/хемију са изложеношћу — нпр., 316 за умерене хлориде, дуплекс / Високо Мо класе за морску воду или процесне токове богате хлоридима.
2. Контролишите термичку историју: Захтевати жарење раствора + гасити где је назначено; одредите максимално време хлађења у прозору за формирање σ за дуплекс класе.
3. Квалитет површине: Наведите завршну обраду површине, електрополирање или механичко полирање за санитарне компоненте или компоненте са високим ризиком од удубљења; глатке површине смањују иницијацију јаме.
4. Детаљи како бисте избегли пукотине: Дизајн за уклањање уских пукотина, обезбедити дренажу и омогућити приступ инспекцији. Користите заптивање, заптивне масе и правилан избор причвршћивача тамо где су спојеви неизбежни.
5. Вежбање заваривања: Користите одговарајуће/прелегиране метале за пуњење, контролисати унос топлоте, и наведите ПВХТ или пасивизацију по потреби. Заштитите шавове од преосетљивости након заваривања.
6. Диелектрична изолација: Електрично изолујте нерђајуће делове од различитих метала да бисте спречили галванско убрзање корозије.
7. Превлаке & облоге: Када окружење превазилази чак и способност високе легуре, користите полимерне/керамичке облоге или облоге као прву линију (или као резервна копија) — али немојте се ослањати само на премазе за критично задржавање без одредби за инспекцију.
8. Избегавајте напрезање затезања у окружењима осетљивим на СЦЦ: Смањите напрезања у дизајну, применити компресивне површинске третмане (сачмарење), и контролишу радна оптерећења.

10. Измишљотина, Придружити се, анд Репаир

Заваривање

• Ливени нерђајући челици су генерално заварив, али је потребна пажња:

• • Ускладите додатни метал са основном легуром или изаберите пунило отпорније на корозију да бисте избегли галванске ефекте.
  • Контрола претходног загревања и међупролаза за неке мартензитне класе ради управљања тврдоћом и ризиком од пуцања.
  • Жарење раствором након заваривања је често потребно за аустенитна и дуплекс пунила да би се повратила отпорност на корозију и смањила заостала напрезања.
  • Избегавајте споро хлађење које може да произведе σ-фазу.

Обрада

• Обрадивост варира: аустенитни нерђајући челици се стврдњавају и захтевају оштар алат и одговарајуће брзине; дуплекс класе боље секу у неким случајевима због веће чврстоће. Користите одговарајућу расхладну течност и параметре сечења.

Дорада површине

• Кисељење и пасивизација обнављају хром оксид и уклањају слободне загађиваче гвожђа.
  Електрохемијско полирање или механичка завршна обрада побољшавају чистоћу, смањује места пукотина и повећава отпорност на корозију.

11. Економски, разматрања животног циклуса и одрживости

• Трошак: Цена сировине од ливеног нерђајућег челика је већа од угљеничног челика и алуминијума, а ливење захтева веће температуре топљења и ватросталне трошкове.
  Међутим, продужење века трајања и смањено одржавање у корозивним срединама могу оправдати премију.
• Животни циклус: дуг радни век у корозивним срединама, нижа учесталост замене и могућност рециклаже (вредност отпада од нерђајућег челика је висока) побољшати економију животног циклуса.
• Одрживост: нерђајуће легуре садрже стратешки важне елементе (ЦР, У, Мо); одговорни извори и рециклажа су од суштинског значаја.
  Енергија за почетну производњу је висока, али рециклирање нерђајућег челика значајно смањује уграђену енергију.

12. Компаративна анализа: Ливени нерђајући челик вс. Такмичари

13. Закључци

Ливени нерђајући челик заузима јединствену и стратешки важну позицију међу структуралним и отпорним на корозију ливеним материјалима.

Једно својство не дефинише његову вредност, већ синергистичком комбинацијом отпорности на корозију, механичка чврстоћа, отпорност на топлоту, разноврсност у дизајну легуре, и компатибилност са сложеним геометријама ливења.

Када се процењују по целом учинку, поузданост, и метрике животног циклуса, ливени нерђајући челик се доследно показује као решење високих перформанси за захтевна индустријска окружења.

Свеукупно, ливени нерђајући челик се истиче као високо-интегритет, свестран, и поуздан избор материјала за индустрије које захтевају отпорност на корозију, механичка издржљивост, и прецизно ливење.

 

Често постављана питања

Изливен је од нерђајућег челика, отпоран на корозију као и ковани нерђајући материјал?

Може бити, али само ако хемија ливења, микроструктура и термичка обрада испуњавају исте стандарде.

Одливци имају више могућности за сегрегацију и таложење; жарење раствора и брзо гашење су често потребни да би се повратила пуна отпорност на корозију.

Како да избегнем сигма фазу у одливцима?

Избегавајте дуго задржавање између ~600–900 °Ц; дизајн топлотних третмана за жарење и гашење раствора, и изаберите легуре мање склоне сигми (Нпр., уравнотежене дуплекс хемије) за непријатељске термалне историје.

Који ливени нерђајући материјал да одаберем за услугу морске воде?

Дуплекс легуре са високим ПРЕН-ом или специфични супер-аустенити (виши Мо, Н) су типично пожељни. 316/316Л може бити неадекватан у зонама прскања или тамо где оксигенована морска вода тече великом брзином.

Да ли су ливене нерђајуће компоненте заварљиве на лицу места?

Да, али заваривање може локално да промени металуршку равнотежу. Топлотна обрада или пасивизација након заваривања може бити потребна да би се повратила отпорност на корозију у близини заварених спојева.

Који метод ливења даје најбољи интегритет за критичне делове?

Центрифугално ливење (за цилиндричне делове), инвестиционо/прецизно ливење (за мале сложене делове) и ливење калупа у вакууму или контролисаној атмосфери у комбинацији са ХИП обезбеђују највећи интегритет и најмању порозност.

Да ли је ливени нерђајући челик погодан за апликације на високим температурама?

Аустенитне класе (ЦФ8, ЦФ3М) могу се користити до 870°Ц; дуплекс оцене (2205) до 315°Ц.

За температуре >870° Ц, користите ливени нерђајући челик отпоран на топлоту (Нпр., ХК40, са 25% ЦР, 20% У) или легуре никла.