Egenskaper av gjutet rostfritt stål

1. Introduktion

Gjutna rostfria stål kombinerar korrosionsbeständighet, god mekanisk hållfasthet och gjutbarhet för komplexa former.

De används där korrosion, temperatur, eller sanitära krav utesluter vanliga kolstål och där tillverkning av komplex geometri från smidesplåt skulle vara kostsamt eller omöjligt.

Prestanda beror på legeringsfamiljen (austenitisk, duplex-, ferritisk, martensitisk, nederbörd), gjutmetod, värmebehandling och kvalitetskontroll.

Korrekt specifikation och processkontroll är avgörande för att undvika spröda faser och gjutdefekter som kan förneka metallens inneboende fördelar.

2. Kärndefinition & Klassificering av gjutet rostfritt stål

Kärndefinition - vad vi menar med "gjutet rostfritt stål"

Kasta rostfritt stål hänvisar till krombärande järnlegeringar som framställs genom att smält legering hälls i en form och låter den stelna, efterbehandling och värmebehandling efter behov.

Den avgörande egenskapen som gör dem "rostfria" är ett tillräckligt krominnehåll (och ofta andra legeringselement) att bilda och upprätthålla en kontinuerlig, självläkande kromoxid (Cr₂o₃) film som dramatiskt minskar allmän korrosion.

Gjutgods används där komplex geometri, integrerade funktioner (passager, bossning, rev), eller ekonomiska fördelar med gjutning överväger fördelarna med smidestillverkning.

Sammanfattning familj för familj (tabell)

Namnkonventioner & vanliga gjutna betyg (praktisk anmärkning)

• Gjutna rostfria kvaliteter används ofta gjutningsbeteckningar snarare än utarbetade siffror (till exempel: CF8 ≈ 304, CF8M ≈ 316 motsvarigheter i många specifikationer).
  Dessa gjutkoder och legeringsnamn varierar beroende på standardsystem (Astm, I, Han är, etc.).
• "CF" / "CA" / "CD" prefix är typiska i vissa standarder för att beteckna gjutna austenitiska/ferritiska/duplexgrupperingar; tillverkare kan också använda egna namn.
  Ange alltid både kemiskt område och krav på mekanisk/värmebehandling i upphandlingsdokument för att undvika oklarheter.

3. Metallurgi och mikrostruktur

Legeringsfamiljer och deras avgörande egenskaper

• Austenitisk (TILL EXEMPEL., 304, 316, CF8/CF3-motsvarigheter i gjutning): ansiktscentrerad-kubisk (Fcc) järnmatris stabiliserad av nickel (eller kväve).
  Utmärkt seghet och duktilitet, enastående allmän korrosionsbeständighet; mottaglig för kloridgropar och spänningskorrosionssprickor (SCC) i vissa miljöer.
• Duplex (TILL EXEMPEL., 2205-typgjutna ekvivalenter): ungefär lika ferrit (kroppscentrerad kubik, Bcc) + austenitfaser.
  Högstyrka, överlägsen grop-/spaltmotstånd och bättre motstånd mot SCC än austenitiska på grund av lägre kromutarmad zonbildning; kräver kontroll av kylning för att undvika spröda faser.
• Ferritisk: mestadels BCC kromstabiliserad; bättre spänningskorrosionsprestanda i vissa miljöer, lägre seghet vid låg temperatur jämfört med austenitisk.
• Martensitisk: värmebehandlas, kan göras mycket stark och hård, måttlig korrosionsbeständighet jämfört med austenitisk och duplex; används för slitstarka gjutna delar.
• Nederbördshärdande (PH): legeringar som kan åldershärdas (Ni-baserade eller rostfria PH-kvaliteter), erbjuder hög hållfasthet med rimlig korrosionsbeständighet.

Kritiska mikrostrukturella problem

• Karbidutfällning (M₂₃c₆, M6C) och sigma (en) fas bildning sker när gjutgods hålls för länge i intervallet 600–900 °C (eller kyls långsamt genom den).
  Dessa spröda, kromrika faser utarmar matrisen på krom och minskar seghet och korrosionsbeständighet.
• Intermetallics och inneslutningar (TILL EXEMPEL., silicider, sulfider) kan fungera som sprickinitiatorer.
• Segregation (kemisk ojämnhet) är inneboende i gjutning och måste minimeras genom smält- och stelningskontroll och ibland homogeniseringsvärmebehandlingar.

4. Fysiska egenskaper hos gjutet rostfritt stål

Värden ovan är representativa tekniska intervall. Konsultera alltid leverantörsdata för specificerad kvalitet, gjutväg och värmebehandlingstillstånd.

5. Elektrisk & Magnetiska egenskaper hos gjutet rostfritt stål

• Elektrisk resistivitet: Austenitiska gjutna rostfria stål (Cf8, Cf3m) har hög resistivitet (700–750 nΩ·m vid 25°C)—3× högre än gjutet kolstål (200 nΩ · m).
  Detta gör dem lämpliga för elektriska isoleringsapplikationer (TILL EXEMPEL., transformatorhus).
• Magnetism: Austenitiska betyg (Cf8, Cf3m) are omagnetisk (relativ permeabilitet μ ≤1,005) på grund av deras FCC-struktur – kritisk för medicinsk utrustning (TILL EXEMPEL., MRI-kompatibla komponenter) eller elektroniska höljen.
  Ferritisk (CB30) och martensitisk (CA15) kvaliteter är ferromagnetiska, begränsar deras användning i magnetiskt känsliga miljöer.

6. Gjutprocesser och hur de påverkar egenskaper

Vanliga gjutvägar för rostfritt:

• Sandgjutning (grönsand, hartssand): flexibel för stora eller komplexa delar.
  Grövare mikrostruktur och högre risk för porositet om den inte kontrolleras. Lämplig för många pumpkroppar och stora ventiler.
• Investering (förlorad wax) gjutning: utmärkt ytfinish och dimensionell noggrannhet; används ofta för mindre, komplexa delar som kräver snäva toleranser.
• Centrifugalgjutning: producerar ljud, finkorniga cylindriska delar (rör, ärm) med riktad stelning som minimerar inre defekter.
• Skal och vakuumgjutning: förbättrad renhet och minskad gasinneslutning för kritiska tillämpningar.

Processpåverkan:

• Kylhastighet påverkar dendritavståndet; snabbare kylning (investering, centrifugal) → finare mikrostruktur → generellt bättre mekaniska egenskaper.
• Smält renlighet och hällövning bestämma inklusions- och bifilmnivåer som direkt påverkar trötthet och täthet.
• Riktningsstelnande och riseringsdesign minimera krymphåligheter.

7. Mekaniska egenskaper hos gjutet rostfritt stål

Styrka och duktilitet

• Austenitiska gjutningar: god duktilitet och seghet; UTS vanligtvis i mitten av hundratals MPa; duktilitet hög (töjning ofta 20–40 % i gjutet 316L när felfritt).
• Duplex gjutgods: högre avkastning och UTS på grund av ferrit + Austenit; typisk UTS ~600–900 MPa med skörd ofta >350 MPA.
• Martensitiska/PH gjutgods: kan nå mycket hög UTS och hårdhet men med reducerad duktilitet.

Trötthet

• Trötthetslivet är mycket känslig till gjutfel: porositet, inneslutningar, ytjämnhet och krympning är vanliga sprickstartare.
  För roterande eller cykliska laster, lågporositetsprocesser, skjutning, HÖFT (varm isostatisk pressning), och ytbearbetning används vanligtvis för att förbättra utmattningsprestandan.

Krypning och förhöjd temperatur

• Några rostfria kvaliteter (speciellt höglegerade och duplexa) bibehåller styrkan vid förhöjda temperaturer; Långsiktig krypprestanda måste dock anpassas till legeringen och förväntad livslängd.
  Karbid/σ-fasutfällning under termisk exponering kan kraftigt minska krypning och seghet.

8. Värmebehandling, mikrostrukturkontroll och fasstabilitet

Lösning glödgning (typisk)

• Ändamål: lösa upp oönskade fällningar och återställa en enhetlig austenitisk/ferritisk matris; återvinna korrosionsbeständigheten genom att återföra krom till fast lösning.
• Typisk regim: värm till lämplig lösningstemperatur (ofta 1 040–1 100 °C för många austeniter), håll för att homogenisera, sedan snabb släckning för att behålla de inlösta elementen. Exakt temperatur/tid beror på kvalitet och snitttjocklek.
• Varning: degel- och sektionsstorlek begränsar uppnåbara härdningshastigheter; tunga sektioner kan kräva speciella procedurer.

Åldrande och nederbörd

• Duplex och martensitisk betyg får åldras för fastighetskontroll; åldrings-/tid-temperaturfönster måste undvika sigma och andra skadliga faser.
• Överåldring eller olämplig termisk historia producerar karbider och sigma som spröda och minskar korrosionsbeständigheten.

Undviker sigmafas och kromutarmning

• Styr kylning genom det känsliga temperaturområdet, undvik långvarigt uppehåll mellan ~600–900 °C, och använd eftersvetsning eller lösningsglödgning där det behövs.
  Materialval och värmebehandlingsdesign är huvudförsvaret.

9. Korrosionsbeständighet — Kärnfördel med gjutet rostfritt stål

Korrosionsbeständighet är den främsta anledningen till att ingenjörer väljer gjutet rostfritt stål.

Till skillnad från många strukturella metaller som är beroende av skrymmande beläggningar eller offerskydd, rostfria stål får hållbar miljöbeständighet genom sin kemi och ytreaktivitet.

Hur rostfria stål motstår korrosion - passivfilmskonceptet

• Passivt skydd: Krom i legeringen reagerar med syre för att bilda en tunn, kontinuerligt kromoxidskikt (Cr₂o₃).
  Denna film är bara nanometer tjock men är mycket effektiv: det minskar jontransporten, blockerar anodisk upplösning, och – avgörande – är självläkande vid skada förutsatt att syre finns tillgängligt.
• Legeringssynergi: Nickel, molybden och kväve stabiliserar matrisen och förbättrar den passiva filmens motståndskraft mot lokalt nedbrytning (speciellt i kloridmiljöer).
  Den passiva filmens stabilitet är därför ett resultat av kemi, ytskick, och närmiljö.

Former av korrosion som har betydelse för gjutna rostfria stål

Att förstå sannolika fellägen fokuserar materialval och design:

• Allmän (enhetlig) korrosion: Sällsynt för korrekt legerat rostfritt i de flesta industriella atmosfärer - den passiva filmen håller jämn förlust mycket låg.
• Korrosion: Lokaliserad, ofta små och djupa gropar initieras när den passiva filmen bryts ner lokalt (klorider är den klassiska initiatorn). Pitting kan vara kritisk eftersom små defekter tränger in snabbt.
• Spaltkorrosion: Förekommer inuti avskärmade luckor där syre blir utarmat; syregradienten uppmuntrar lokal försurning och kloridkoncentration, undergräver passivitet inuti springan.
• Sprickbildning av spänningskorrosion (SCC): En spröd sprickmekanism som kräver en känslig legering (vanligen austenitisk rostfri i kloridmiljöer), dragspänning, och en specifik miljö (värma, kloridbärande). SCC kan uppstå plötsligt och katastrofalt.
• Mikrobiellt påverkad korrosion (MIC): Biofilmer och mikrobiell metabolism (TILL EXEMPEL., sulfatreducerande bakterier) kan producera lokaliserade kemier som angriper rostfria gjutgods, speciellt i stagnerande eller lågflödesspalter.
• Erosion-korrosion: Kombination av mekaniskt slitage och kemiskt angrepp, ofta där hög hastighet eller kollision tar bort skyddsfilmen och exponerar färsk metall.

Legeringens roll — vad ska specificeras och varför

Vissa element påverkar starkt lokal korrosionsbeständighet:

• Krom (Cr): Grunden för passivitet; minsta innehåll definierar "rostfritt" beteende.
• Molybden (Mo): Mycket effektivt för att öka motståndskraften mot gropbildning och sprickor - väsentligt för havsvatten och kloridservice.
• Kväve (N): Stärker austenit och förbättrar gropmotståndet avsevärt (effektiva små tillägg).
• Nickel (I): Stabiliserar austenit och stödjer seghet och duktilitet.
• Koppar, volfram, Nb/Ti: Används i specialiserade legeringar för nischmiljöer.

Ett användbart jämförande index är Pitting Resistance Equivalent Number (Trä):

PREN=%Cr+3,3×%Mo+16×%N

Typiskt PREN (avrundad, representant):

• 304 / Cf8 ≈ ~19 (lågt gropmotstånd)
• 316 / CF8M ≈ ~ 24 (måttlig)
• Duplex 2205 / CD3MN ≈ ~ 35 (hög)
• Super-austenitisk (TILL EXEMPEL., hög-Mo / 254SMO-motsvarigheter) ≈ ~40–45 (mycket hög)

Praktisk regel: högre PREN → större motståndskraft mot klorid-inducerad gropfrätning/spaltkorrosion. Välj PREN proportionell mot exponeringens svårighetsgrad.

Miljömässiga drivkrafter – vad gör att rostfritt material misslyckas

• Klorider (havsspray, avisningssalter, kloridhaltiga processströmmar) är det dominerande yttre hotet — de främjar pitting, spaltkorrosion och SCC.
• Temperatur: Förhöjda temperaturer påskyndar kemisk attack och SCC-känslighet; kombinationen av klorid + förhöjd temperatur är särskilt aggressiv.
• Stagnation & sprickor: Låg syrehalt och slutna utrymmen koncentrerar aggressiva joner och förstör lokal passivitet.
• Mekanisk stress: Dragspänningar (kvarvarande eller applicerad) är nödvändiga för SCC. Design och stressavlastning minskar risken.
• Mikrobiellt liv: Biofilmer modifierar lokal kemi; MIC är särskilt relevant i vått tillstånd, dåligt spolade system.

Design & specifikationsstrategier för att maximera korrosionsbeständigheten

1. Val av rätt betyg: Matcha PREN/kemi till exponering — t.ex., 316 för måttliga klorider, duplex- / high-Mo-kvaliteter för havsvatten eller kloridrika processströmmar.
2. Kontrollera termisk historia: Kräv lösningsglödgning + dämpa där så anges; ange maximala kyltider i σ-formningsfönstret för duplexkvaliteter.
3. Ytkvalitet: Ange ytfinish, elektropolering eller mekanisk polering för sanitära komponenter eller komponenter med hög gropfrätning; jämnare ytor minskar gropinitiering.
4. Detaljering för att undvika sprickor: Design för att eliminera trånga sprickor, tillhandahålla dränering och ge tillgång till inspektion. Använd packning, tätningsmedel och korrekt val av fästelement där fogar är oundvikliga.
5. Svetsövningar: Använd matchade/överlegerade tillsatsmetaller, styra värmetillförseln, och specificera PWHT eller passivering efter behov. Skydda svetsar från eftersvetssensibilisering.
6. Dielektrisk isolering: Isolera rostfria delar elektriskt från olika metaller för att förhindra galvanisk acceleration av korrosion.
7. Beläggningar & foder: När miljön överstiger även höglegeringskapacitet, använd polymer/keramiska foder eller beklädnader som första linje (eller som backup) — men lita inte på enbart beläggningar för kritisk inneslutning utan inspektionsbestämmelser.
8. Undvik dragspänning i SCC-känsliga miljöer: Minska designpåfrestningar, applicera kompressiva ytbehandlingar (skjutning), och styra driftsbelastningar.

10. Tillverkning, Sammanfogning, och reparation

Svetsning

• Gjutna rostfria stål är i allmänhet svetsbar, men uppmärksamhet behövs:

• • Matcha tillsatsmetall till baslegering eller välj ett mer korrosionsbeständigt fyllmedel för att undvika galvaniska effekter.
  • Förvärmnings- och interpasskontroll för vissa martensitiska kvaliteter för att hantera hårdhet och sprickrisk.
  • Eftersvetslösningsglödgning krävs ofta för austenitiska och duplexfyllmedel för att återställa korrosionsbeständigheten och minska kvarvarande spänningar.
  • Undvik långsam kylning som kan producera σ-fas.

Bearbetning

• Bearbetbarheten varierar: austenitiska rostfria stål arbetshärdar och kräver skarpa verktyg och lämpliga hastigheter; duplexkvaliteter skär bättre i vissa fall på grund av högre hållfasthet. Använd lämplig kylvätska och skärparametrar.

Ytbehandling

• Betning och passivering återställer kromoxid och tar bort fria järnföroreningar.
  Elektrokemisk polering eller mekanisk finish förbättrar renheten, minskar spaltplatser och ökar korrosionsbeständigheten.

11. Ekonomisk, livscykel- och hållbarhetsaspekter

• Kosta: Råmaterialkostnaden för gjutet rostfritt stål är högre än kolstål och aluminium, och gjutning kräver högre smälttemperaturer och eldfasta kostnader.
  Dock, livslängden och minskat underhåll i korrosiva miljöer kan motivera premien.
• Livscykel: lång livslängd i korrosiva miljöer, lägre utbytesfrekvens och återvinningsbarhet (rostfritt skrotvärde är högt) förbättra livscykelekonomin.
• Hållbarhet: rostfria legeringar innehåller strategiskt viktiga element (Cr, I, Mo); ansvarsfulla inköp och återvinning är avgörande.
  Energin för initial produktion är hög, men återvinning av rostfritt minskar den förkroppsligade energin avsevärt.

12. Jämförande analys: Gjutet rostfritt stål vs. Konkurrenter

13. Slutsatser

Gjutet rostfritt stål intar en unik och strategiskt viktig position bland strukturella och korrosionsbeständiga gjutmaterial.

En enskild egenskap definierar inte dess värde, men genom den synergistiska kombinationen av korrosionsbeständighet, mekanisk styrka, värmemotstånd, mångsidighet i legeringsdesign, och kompatibilitet med komplexa gjutgeometrier.

När den utvärderas över prestanda, pålitlighet, och livscykelmått, gjutet rostfritt stål visar sig genomgående vara en högpresterande lösning för krävande industriella miljöer.

Total, gjutet rostfritt stål utmärker sig som en hög integritet, mångsidig, och pålitligt materialval för industrier som kräver korrosionsbeständighet, mekanisk hållbarhet, och precisionsgjutbarhet.

 

Vanliga frågor

Är gjuten rostfri lika korrosionsbeständig som smidd rostfri?

Det kan det vara, men bara om gjutningskemin, mikrostruktur och värmebehandling uppfyller samma standarder.

Gjutningar har större möjlighet till segregation och utfällningar; lösningsglödgning och snabb härdning krävs ofta för att återställa full korrosionsbeständighet.

Hur undviker jag sigmafasen i gjutningar?

Undvik långa uppehåll mellan ~600–900 °C; designa värmebehandlingar för lösningsglödgning och härdning, och välj legeringar som är mindre benägna att sigma (TILL EXEMPEL., balanserad duplex kemi) för fientliga termiska historier.

Vilken gjuten rostfri ska jag välja för sjövattenservice?

Hög-PREN duplexlegeringar eller specifik superaustenitik (högre mo, N) är typiskt föredragna. 316/316L kan vara otillräcklig i stänkzoner eller där syresatt havsvatten strömmar med hög hastighet.

Är gjutna rostfria komponenter svetsbara på plats?

Ja, men svetsning kan lokalt förändra metallurgisk balans. Värmebehandling eller passivering efter svetsning kan behövas för att återställa korrosionsbeständigheten nära svetsar.

Vilken gjutmetod ger bäst integritet för kritiska delar?

Centrifugalgjutning (för cylindriska delar), investering/precisionsgjutning (för små komplexa delar) och vakuumgjutning eller formgjutning med kontrollerad atmosfär kombinerat med HIP ger högsta integritet och lägsta porositet.

Är gjutet rostfritt stål lämpligt för högtemperaturapplikationer?

Austenitiska betyg (Cf8, Cf3m) kan användas upp till 870°C; duplexgrader (2205) upp till 315°C.

För temperatur >870° C, använd värmebeständigt gjutet rostfritt stål (TILL EXEMPEL., HK40, med 25% Cr, 20% I) eller nicklegeringar.