Ruostumaton teräs
Wikipedia
Ruostumattomaksi teräkseksi kutsutaan rautaseosta, joka sisältää kromia enemmän kuin 10 prosenttia.
Ruostumattomien terästen hyvä korroosionkestävyys perustuu sen sisältämään kromiin. Ruostumattomassa teräksessä kromi reagoi hapen kanssa ja muodostaa suojaavan kalvon teräksen pinnalle. Suojakalvon muodostumista metallipinnalle kutsutaan passivoitumiseksi. Passiivikalvo on äärimmäisen ohut ja valoa läpäisevä, siksi pinta on metallisen kirkas. Passiivikalvoon käytössä syntyvät naarmut ja muut rikkoutumat korjautuvat itsekseen hapettavassa ympäristössä. Arkikielessä ruostumatonta terästä kutsutaan usein nimellä rosteri (väännös ruotsin sanasta "rostfri", ruostumaton).
Korroosionkestävyyden varmistamiseksi myös hitsattavissa teräksissä pyritään estämään kromikarbidien erkautuminen raerajoilla ajamalla AOD-konvertterissa terässulan hiilipitoisuus happipuhalluksen avulla mahdollisimman matalaksi, yleensä enimmillään 0,030 % pitoisuuteen.
Eräänä ruostumattoman teräksen keksijänä tunnetaan englantilainen Harry Brearly, joka kokeillessaan erilaisia seoksia havaitsi vuonna 1912 kromirautaseosten olevan ruostumattomia. Teräksentuottaja Friedrich Krupp sai vuonna 1912 patentin "korkean korroosionkestävyyden omaaville" austeniittisille CrNi-teräksille.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Ruostumattomat teräslajit
| rautaseosten faaseja |
|---|
|
Austeniitti (γ-rauta; pkk-hila) |
| Terästyyppejä |
|
Hiiliteräs (max 2.1% hiiltä) |
| Muut rautapohjaiset seokset |
|
Valurauta (>2.1% hiiltä) |
Ruostumattomat teräkset voidaan luokitella pääseosaineiden tai mikrorakenteen mukaan.
[muokkaa] Koostumuksen mukainen luokittelu
- CrNi-teräkset eli tavalliset austeniittiset ruostumattomat teräkset
- austeniittiset CrMnNi-teräkset eli ns. austeniittiset ruostumattomat mangaaniteräkset
- austeniittiset CrNiMo-teräkset eli "haponkestävät"
- austeniittiset CrNiTi- ja CrNiMoTi-teräkset eli titaanistabiloidut teräkset
- Cr- tai CrTi-teräkset ferriittisiä tai martensiittisia (voidaan stabiloida seostamalla titaania)
[muokkaa] Mikrorakenteen mukainen luokittelu
- austeniittiset
- ferriittiset
- duplex- eli ferriittisausteniittiset teräkset
- martensiittiset teräkset
[muokkaa] Seosaineiden vaikutus mikrorakenteeseen
Austeniittisissa teräksissä on toisena pääseosaineena aina nikkeliä ja/tai mangaania kromin lisäksi. Tyypillinen koostumus on 18% Cr ja 8% Ni. Austeniittista rakennetta stabiloivia seosaineita ovat C, Mn, Ni, Cu ja N.
Välisija-atomeina austeniittiin liukenevat hiili ja etenkin typpi lujittavat voimakkaasti terästä.
Titaania käytetään hiilen sitomiseen niin, ettei se erkaudu esimerkiksi hitsin hitaasti jäähtyessä raerajoille kromikarbideina, mikä altistaisi teräksen raerajakorroosiolle. Typpi lisää teräksen myötölujuutta. Molybdeeni parantaa pistesyöpymiskestävyyttä kloridipitoisissa liuoksissa. Tavallisissa haponkestävissä kauppateräksissä on molybdeenia 2% tai 2,5%. Hyvin korroosionkestävissä erikoisteräksissä molybdeenia voi olla 3-6%.
Ferriittisten terästen mikrorakennetta stabiloivat seosaineet Cr, Si ja Mo
Näissä teräksissä on kromia 12-25% ja hiiltä alle 0,1%. Rakenne on ferriittinen ja magneettista, mutta teräs ei karkene lämpökäsittelyllä. Ferriittisen rakenteen varmistamiseksi pyritään austeniittia suosivien alkuaineiden pitoisuudet saamaan mahdollisimman pieniksi.
[muokkaa] Standardit
Tunnettuja ruostumattomien terästen standardeja:
- EN 10088-1 Ruostumattomat teräkset. Osa 1: Ruostumattomien terästen luettelo
- EN 10088-2 Ruostumattomat teräkset. Osa 2: Yleiseen käyttöön tarkoitetut korroosionkestävät levyt ja nauhat. Tekniset toimitusehdot
- EN 10088-3 Ruostumattomat teräkset. Osa 3: Yleiseen käyttöön tarkoitetut korroosionkestävät tangot, valssilangat, langat, profiilit, kirkkaat tuotteet ja puolivalmisteet. Tekniset toimitusehdot
- EN 10028-7 Painelaiteteräkset. Levytuotteet. Osa 7: Ruostumattomat teräkset
- EN 10217-7 Hitsatut painelaiteteräsputket. Tekniset toimitusehdot. Osa 7: Ruostumattomat teräsputket
- ASTM A240 Ruostumattomat teräkset, nauhat ja levyt paineastioihin (lajit, koostumus ja mekaaniset ominaisuudet)
- ASTM A480 Ruostumattomat teräkset, tekniset toimitusehdot (koestusvaatimukset, toimitustilat, mittatoleranssit, ainestodistukset)
[muokkaa] Teräslajien standardimerkinnät
Tavallisimmat CrNi-teräslajit ovat 1.4307 (EN) / 304L (ASTM), 1.4301 / 304, CrNiTi-teräs 1.4541 / 321, "haponkestävät" eli CrNiMo-teräkset 1.4404, 1.4432, 1.4436 / 316L ja CrNiMoTi-teräs 1.4571 / 316Ti
[muokkaa] Standardilajien vastaavuuksia
| EN-stand.
teräsnr. |
EN-stand.
teräsnimike |
ASTM-stand.
Type |
|---|---|---|
| 1.4016 | X6Cr17 | 430 |
| 1.4512 | X6CrTi12 | 409 |
| 1.4372 | X5CrNiMn17-5-6.5 | 201 |
| 1.4310 | X10CrNi18-8 | 301 |
| 1.4318 | X2CrNiN18-7 | 301LN |
| 1.4307 | X2CrNi18-9 | 304L |
| 1.4306 | X2CrNi19-11 | 304L |
| 1.4311 | X2CrNiN18-10 | 304LN |
| 1.4301 | X5CrNi18-10 | 304 |
| 1.4948 | X6CrNi18-11 | 304H |
| 1.4303 | X5CrNi18 12 | 305 |
| 1.4541 | X6CrNiTi18-10 | 321 |
| 1.4878 | X12CrNiTi18-9 | 321H |
| 1.4404 | X2CrNiMo17-12-2 | 316L |
| 1.4401 | X5CrNiMo17-12-2 | 316 |
| 1.4406 | X2CrNiMoN17-12-2 | 316LN |
| 1.4432 | X2CrNiMo17-12-3 | 316L |
| 1.4435 | X2CrNiMo18-14-3 | 316L |
| 1.4436 | X3CrNiMo17-13-3 | 316 |
| 1.4571 | X6CrNiMoTi17-12-2 | 316Ti |
| 1.4429 | X2CrNiMoN17-13-3 | 316LN |
| 1.4438 | X2CrNiMo18-15-4 | 317L |
| 1.4539 | X1NiCrMoCu25-20-5 | 904 |
Nykyisin on yleistä, että matalahiilistä teräslajia myydään normaalihiilisen lajin ainestodistuksella, koska matalahiilinen laji täyttää myös normaalihiilisen lujuusvaatimukset: Esimerkiksi samalta matalahiiliseltä sulatukselta voidaan toimittaa teräslajeja 316L ja 316. Tästä on logistista etua sekä teräksen valmistajalle että ostajalle, koska siten voidaan vähentää varastossa olevien teräslajien lukumäärää.
[muokkaa] Ruostumattomien toimitustiloja
| Toimitustila | EN-stand.
merkintä |
ASTM-stand.
merkintä |
|---|---|---|
| Kuumavalssattu, hehkutettu ja peitattu | 1D | 1 |
| Kylmävalssattu, hehkutettu ja peitattu | 2D | 2D |
| Kylmävalssattu, hehkutettu, peitattu ja viimeistelyvalssattu | 2B | 2B |
| Kylmävalssattu, hehkutettu, peitattu ja muokkauslujitettu | 2H | TR |
| Kylmävalssattu, hehkutettu, peitattu ja hiottu | 2K | 4 |
| Kylmävalssattu, hehkutettu, peitattu ja harjattu | 2J | 6 |
| Kylmävalssattu, kiiltohehkutettu | 2R | BA |
[muokkaa] Käyttö
Teräksiä käytetään useimmin pehmeäksi hehkutettuina. Kylmämuokkaamalla lujitettuja austeniittisia teräksiä käytetään myös kuljetusvälineisiin niiden hyvän lujuus-paino -suhteen vuoksi.
Ruostumatonta teräksistä yleisimpiä ovat austeniittiset laadut, joita käytetään muun muassa aterimiin, kattiloihin, kulhoihin, keittiökalusteisiin, olutastioihin sekä elintarvike-, paperiteollisuuden ja kemianteollisuuden laitteisiin, joissa on suuri korroosion riski. Sitä käytetään muun muassa säiliöiden, putkien ja paperikoneiden valmistukseen. Auton katalysaattorit ja pakoputket voidaan valmistaa osaksi ruostumattomasta teräksestä. Rakennusmateriaalina ruostumattoman teräksen käyttö on kasvamassa sen lujuuden ja syöpymiskestävyyden ansiosta julkisivuissa.
Useissa käyttökohteissa myös pinnanlaatu ja ulkonäkö on tärkeä: kiiltohehkutettuna, mekaanisesti tai elektrolyyttisesti kiillotettuna pinta on hyvin heijastava, peilimäinen ja sellaisena helposti puhdistettava, elintarvike- ja lääketeollisuuskäyttöön soveltuva.
[muokkaa] Valmistus
Raaka-aineista pääosa on kierrätettyä teräsromua, sekä ruostumatonta että seostamatonta hiiliterästä. Raaka-aineina käytetään lisäksi muita metallisia ns. primäärisiä raaka-aineita, kuten ferrokromia (FeCr), ferronikkeliä (FeNi), elektrolyyttinikkeliä (Ni), ferromangaania (FeMn), elektrolyyttimangaania (Mn), ferropiitä (FeSi), ferrotitaania (FeTi) jne.
Nykyisin tavallisin teräksenvalmistusreitti on valokaariuuni + AOD-konvertteri. Valokaariuunissa tapahtuu teräsromun ja seosaineiden sulattaminen. Seuraavaksi AOD-konvertterissa (Argon-Oxygen-Decarburisation) happipuhalluksella sulasta poltetaan ensin hiili mahdollisimman tarkkaan. Tällöin hapettuu myös osa kromista, piistä ja mangaanista ja siirtyy oksidina teräksen pinnalle syntyvään kuonaan. Siksi sula täytyy pelkistää, eli vapauttaa kuonautuneet seosaineet hapesta, jolloin seosaineet siirtyvät takaisin puhtaana metallina terässulaan. Pelkistäminen tehdään lisäämällä teräkseen piitä.
Lopuksi sulalle tehdään rikinpoisto. AOD:lla tapahtuu myös koostumuksen täsmäys asiakkaan vaatimiin arvoihin. Ennen valua otetusta näytteestä tarkistetaan koostumus.
Jatkuvavalulla tehdyt aihiot kuumavalssataan nauhoiksi, jotka lämpökäsitellään ja peitataan jatkuvatoimisilla linjoilla. Peitattu kuumanauha yleensä vielä kylmävalssataan ohuemmaksi ja lopuksi hehkutetaan ja peitataan. Happopeittaus poistaa teräksen pintaan lämpökäsittelyssä syntyneen oksidihilseen.
Peitatun nauhan pinta on mattamainen. Nauhan pintaa voidaan vielä lievästi viimeistelyvalssata, harjata tai hioa erilaisen pinnan ulkonäön aikaan saamiseksi.
[muokkaa] Ekologisuus ja taloudellisuus
Ruostumaton teräs on käytössä pitkäikäinen ja siksi myös ekologinen materiaali. Ruostumattoman teräksen voi käytöstä poistettuna teräsromuna käyttää kokonaan raaka-aineena uudelleen. Mitä enemmän ruostumattoman teräksen romusta saadaan kiertoon, sitä vähemmän tarvitaan kalliita primäärisiä seosmetalleja kuten nikkeliä ja molybdeeniä. Nikkelin ja molybdeenin hinnat vaihtelevat voimakkaasti syklisesti, mikä heijastuu voimakkaasti ruostumattoman teräksen markkinahinnan ja kulutuksen vaihteluun. Eräissä vaatimattomissa käyttökohteissa voidaan perinteinen 18-8-teräs korvata sitä halvemmalla AISI 201-tyyppisellä teräksellä, jossa huomattava osa nikkelistä on korvattu seostamalla mangaania ja typpeä. Mangaanin laajamittaista käyttöä nikkelin korvaajana haittaa sen alhainen saanti romusta. Mangaani palaa suurimmaksi osaksi sulatuksen aikana oksidiksi ja siirtyy terässulasta kuonaan.
Sulatukseen kuluu runsaasti sähköenergiaa, koska sula on kuumennettava noin 1700 asteeseen ja sulan happipuhalluksessa hiilen palaessa kehittyy vain vähän ylimääräistä lämpöä.
Vaikka ruostumattoman teräksen hinta tuntuu usein korkealta, jää teräksen elinkaaren aikainen kokonaiskustannus (ns. elinkaarikustannus) pitkän käyttöiän ansiosta yleensä pienemmäksi verrattuna moneen muuhun materiaaliin (esim. maalattu hiiliteräs tai alumiini).
[muokkaa] Teräslajien ominaisuudet
Austeniittiset ruostumattomat ovat hyvin muovattavia, sitkeitä matalissa lämpötiloissa, hyvin hitsattavia ja lujuutensa säilyttäviä korkeissa lämpötiloissa.
Austeniittisilla teräksillä ei ole iskusitkeyden transitiolämpötilaa, vaan ne säilyttävät korkean iskusitkeyden vielä −196 °C:n lämpötilassa.
Painelaite- ja rakenneputkia valmistetaan teräsnauhoista hitsaamalla. Yleisimmin putket valmistetaan TIG- ja LASER-hitsausmenetelmillä ilman lisäainetta.
Austeniittiset teräkset eivät ole lämpökäsiteltynä magneettisia, siksi ne voi erottaa ferriittisistä teräksistä magneetilla kokeilemalla. Metastabiili austeniitti säilyy huoneenlämpötilaan asti siihen liuenneiden seosaineiden ansiosta.
Kylmämuokkauksessa metastabiilista austeniittista syntyy α´-martensiittia, joka lujittaa voimakkaasti ja on magneettinen faasi. Martensiittia muodostuu myös venytysmuovauksessa kuten pesualtaan valmistuksessa. Muokkausmartensiitti parantaa venytysmuovattavuutta estämällä ennenaikaista murtumista paikallisen kuroutuman kohdalla. Epästabiilin koostumuksen vaikutus ilmenee vetokokeessa sekä murtolujuuden että tasavenymän kasvuna. Muokkauksessa syntyy sitä enemmän martensiittia, mitä niukemmin teräs on seostettu, mitä matalampi muokkauslämpötila ja mitä korkeampi muokkausaste on. Vastaavasti runsasseosteista laatua olevaan riittävän korkeaan lämpötilaan esilämmitettyyn kappaleeseen ei synny muokkausmartensiittia, jolloin lujittuminen ja muokkausenergian tarve on vähäisempi kuin huoneenlämpötilassa tehdyssä muokkauksessa.
Syvävedossa martensiitin muodostumisesta on haittaa jo siksi, että se lisää voimantarvetta. Niinpä tyypillisessä syvävetoprosessissa, kattilan vedossa valitaan mahdollisimman stabiili koostumus. Venytysmuovaukseen puolestaan sopii tavallista epästabiilimpi koostumus.
Muovaukseen tarkoitettujen austeniittisten terästen stabiilisuuden mittana käytetään koostumuksesta laskettavaa Md30-lämpötilaa.
Ferriittiset teräkset ovat austeniittisia lajeja halvempia, koska niissä ei ole kallista nikkeliä seosaineena. Ferriittisten terästen kylmäsitkeys ei ole niin hyvä kuin austeniittisten.
Duplextyyppiset teräkset sisältävät likimain yhtä paljon austeniittista ja ferriittistä mikrorakennetta, joka on saatu seostamalla teräkseen enemmän ferriittiä suosivia ja vähemmän austeniittia suosivia aineita kuin austeniittisilla teräslajeilla. Näissä teräksissä yhdistyvät parhaimmillaan sekä austeniittisten että ferriittisten hyvät ominaisuudet hitsattavuuden, muovattavuuden ja korroosionkestävyyden puolesta.
Martensiittiset teräkset ovat erittäin lujia, mutta usein myös kylmähauraita ja huonosti muovattavia. Ne soveltuvat hyvin työkalumateriaaleiksi, kun vaaditaan lujuutta ja kulumiskestävyyttä. Tyypillisiä käyttökohteita ovat leikkurinterät ja veitset.
[muokkaa] Korroosio
Myös ruostumattomia teräksiä vaivaa korroosio eri muodoissaan, vaikka ne eivät ruostukaan kuten hiiliteräkset. Kloridipitoiset liuokset aiheuttavat pistesyöpymiä ja austeniittisilla teräksillä hitsatuissa rakenteissa jännityskorroosiota. Ferriittiset teräkset ovat immuuneja jännityskorroosiolle.
Molybdeeni parantaa pistekorroosiokestävyyttä. Parhaimman korroosionkestävyyden omaavissa lajeissa on jopa 6% molybdeenia, mutta siten ne ovat myös hyvin kalliita.
[muokkaa] Raerajakorroosio
Lämpökäsittelyn tai hitsauksen jälkeen tapahtuvassa hitaassa jäähtymisessä korkeahiilisissä (yli 0,05% C) teräslajeissa voi raerajoille erkautua kromikarbideja synnyttäen ympärilleen kromiköyhän vyöhykkeen. Ilmiötä kutsutaan teräksen herkistymiseksi. Herkistyneet kromista köyhtyneet raerajat syöpyvät selektiivisesti happoliuoksissa. Teräkseen seostetaan titaania tai niobia hiilen sitomiseksi ja siten herkistymiseen johtavien raerajakarbidien synnyn ehkäisemiseksi. Parannettuun raerajakorroosionkestävyyteen päästään myös alemmalla hiilipitoisuudella (max 0,030%).
[muokkaa] Raerajakorroosiokoe
Korroosionkestävyyden varmistamiseksi on standardoituja testimenetelmiä. Näistä tunnetuin on raerajakorroosion testausta varten kehitetty Straussin koe (kuparisulfaatti-rikkihappoliuos) standardien ASTM A162 Practice E ja SFS EN ISO 3651-2 menetelmän A mukaan suoritettuna. Raerajakorroosiokoe tehdään matalahiilisille ja stabiloiduille lajeille herkistyslämpökäsiteltynä, muutoin lopputuotteen valmistustilassa. Testikappaleet taivutetaan ( 90 - 180°) CuSO4·H2SO4-liuoksessa 16 - 24 h keittämisen jälkeen. Testikappaleen taivutuskohdan vetopuolella ei saa olla murtumia hyväksytyn testin jälkeen.
[muokkaa] Aiheesta muualla
- Lindroos, Sulonen, Veistinen: Uudistettu Miekk-ojan Metallioppi ISBN 951-666-216-1
- Outokummun kotisivu
- Ruostumattomien terästen tuote-esite Steel Grades, Properties and Global Standards (englanniksi)
- Teräsrakenneyhdistys: RST-käsikirja
- Kyröläinen, Lukkari: Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus, MET, ISBN 951-817-794-5
- Fortes, Ferreira: Materiais dois mil, Part 1.2 Novel stainless steels (ed. A.Kyröläinen in English), ISBN 972-8469-23-2
- Euro Inox (monikielinen, myös suomeksi)
