Ruostumattomien terästen laadut - osa 6/6 -- Erkautuskarkaistavat ruostumattomat teräkset --

Ruostumattomien terästen viimeinen, hieman epävirallisempi, ryhmä on erkautuskarkaistavat laadut (PH, precipitation hardening). Epävirallisemman siitä tekee se, että ryhmän laaduilla ei ole välttämättä samanlainen mikrorakenne toistensa kanssa kuten kaikilla muilla luokilla. Tällaista luokkaa eivät myöskään kaikki edes huomioi eikä varsinkaan hieman vanhemmissa lähteissä kerrota juuri mitään tällaisista erikoislaaduista - ainakaan omana ryhmänään. Metalliteollisuudessa on ollut viime vuosina keskustelua siitä, että erkautuskarkaistavat laadut tulisivat olemaan seuraava suuri mullistus, sillä materiaalien lujittaminen seostamalla, muokkaamalla tai perinteisillä lämpökäsittelyillä alkaa vähitellen olla tiensä päässä - tai näin ainakin toistaiseksi uskotaan. Erkautuskarkaistavien ruostumattomien terästen ryhmään kuuluvat niin martensiittiset, austeniittis-martensiittiset kuin austeniittisetkin erkautuskarkaistavat laadut. Vaikka seokset jaotellaankin näihin kolmeen kategoriaan, niiden mikrorakenne käyttötilassaan voi muodostua useasta muustakin eri faasista.

Erkautuskarkaisulla saadaan lisättyä terästen sekä muiden metalliseosten lujuutta ja kovuutta huomattavasti, eikä sitkeys välttämättä romahda kovinkaan merkittävästi. Erkautuskäsittelyn jälkeen seoksia on usein vaikea työstää, joten tuotteet kannattaa ensin muotoilla liuotushehkutetussa tilassa ja sen jälkeen lämpökäsitellä lopulliseen haluttuun tilaan. Osittain tämä tekee valmistuksesta tietenkin suhteellisen kallista ja joskus myös varsin hankalaa. Korroosionkesto näillä laaduilla on usein tavallisen ruostumattoman tai haponkestävän teräksen luokkaa (tosin korroosionkesto korotetussa lämpötilassa on usein parempi) eli huomattavasti parempi kuin suuria lujuuksia saavuttavilla martensiittisilla laaduilla.

PH-laatuja on kehitelty jo monta vuosikymmentä, mutta normaalimaailmassa niitä ei juurikaan käytetä ja niiden saatavuus on hyvin rajallinen; esimerkiksi nämä kaksi asiaa tekevät materiaaleista melkoisen kalliita. Tutkimusraportit 60-luvun puolustusteollisuudelta Atlantin takaa ovat mielenkiintoista luettavaa - ns. supermateriaalit ovat olleet sotateollisuuden tiedossa jo vuosikymmeniä, ennen kuin ne siirtyvät tavallisen teollisuuden piiriin. Sama pätee tosin myös erilaisiin teknologioihin. Alkuperäiset käyttökohteet olivat avaruus- ja sotateknisiä sovelluksia, jotka vaativat suuria lujuuksia ja sitkeyksiä vielä hyvinkin korkeissa tai matalissa lämpötiloissa (kannattaa lukea myös esimerkiksi NASA:n julkaisu erkautuskarkaistavien seosten valmistuksesta vuodelta 1968).

Erkautukarkaistavien laatujen lujuus on liuotushehkutuksen jälkeen seoksesta riippuen noin 300-1000 MPa ja karkaisun jälkeen jopa 2000 MPa, murtovenymän pysyessä usein kuitenkin siedettävässä, yli 10 % luokassa. Käyttökohteina ovat nykyään erilaiset, hyvin vaativiin sovelluksiin tarkoitetut, venttiilit, hammaspyörät ja esimerkiksi turbiinin siivet. Tavanomaiset seokset ovat käyttökelpoisia vielä noin 350°C:n lämpötilassa, mutta tietyt seokset kestävät jopa 700°C:n lämpötiloja ominaisuuksien pysyessä suurin piirtein ennallaan. Kuvassa 1 on esitetty useita erkautuskarkaistavia laatuja luokiteltuna mikrorakenteidensa mukaan. Nimityksinä on käytetty kaupallisten laatujen nimiä, sillä suurta osaa ei ole edes standardoitu esimerkiksi DIN:n tai AISI:n mukaan.

Taulukko 1. Erkautuskarkaistavien laatujen kauppanimikkeitä (koottu kirjoituksen lähteistä).

Laatujen jaottelu (austeniittinen, austeniittis-martensiittinen, martensiittinen) viittaa lämpökäsittelyn yhteydessä läpikäytävään faasimuutokseen. Austeniittiset PH-laadut eivät muutu missään lämpökäsittelyn vaiheessa martensiitiksi, austeniittis-martensiittiset muuttuvat sammutuksessa osittain ja martensiittiset laadut nimensä mukaisesti kokonaan martensiittisiksi.

Varsinainen erkautuskarkaisu toteutetaan ensin hehkuttamalla teräs hyvin korkeassa lämpötilassa yksifaasialueelle (eli käytännössä austeniittialueelle: 800-1100°C), jolloin erkaumat tavallaan liukenevat materiaaliin. Tämän hehkutuksen jälkeen tapahtuu jäähdytys (sammutus) ilmalla, vedellä tai öljyllä, jolloin seos jää metastabiiliin yksifaasiseen tilaan. Riippuen hieman laadusta, tässä vaiheessa on vielä mahdollista helpohkosti muovata ja lastuta kappaleita. Lopuksi suoritetaan niin sanottu vanhennus, jossa kappale kuumennetaan jo aiemmin mainittuun noin 400-700°C lämpötilaan. Ulkoinen energia, eli tässä tapauksessa lämpö, saa materiaalissa aikaan erkaumien syntymisen. Erkaumien täytyy olla tietyn kokoisia, jotta saavutetaan maksimaalinen hyöty. Erkautukarkaisun prosessimalli on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1. Erkautuskarkaisun periaate; kuumennus yksifaasialueelle, pito, sammutus, lämmitys, pito, jäähdytys (muokattu: http://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/heat-treatment-of-welded-joints-part-4-117/)

Lopullista lujuutta, kovuutta ja sitkeyttä saadaan siis säädettyä erkautuskarkaisun lämpötilalla ja pitoajalla, joilla on suora vaikutus erkaumien kokoon. Näitä lämpötila & aika -yhdistelmiä ei tarvitse välttämättä itse keksiä, vaan yhdeksän sopivaa yhdistelmää on enemmän tai vähemmän standardeja (taulukko 1). Yleensä PH-teräkset toimitetaan liuotushehkutetussa tilassa A ja valmistuksen jälkeen suoritetaan jokin lämpökäsittely. Nimityksillä ei näyttäisi olevan kovinkaan paljon loogisuutta, mutta numero kirjaimen H perässä tarkoittaa lämpötilaa imperiaalisissa mittayksiköissä (fahrenheitit & muut ihmetystä aiheuttavat yksiköt). Lisäksi on olemassa toimitustila C sekä muita käsittelynimityksiä, kuten TH 1050, RH 950 ja esimerkiksi CH 900 (ja paljon, paljon muita).

Taulukko 2. Tavalliset erkautuskäsittelyt. Yleisin toimitustila on A eli liuotushehkutettu (koottu kirjoituksen lähteistä).

Mainittakoon, että tietyillä seoksilla lämpökäsittely saattaa olla erittäinkin monimutkainen, jotta halutut ominaisuudet saadaan aikaiseksi. Esimerkiksi laadulla AM 350® saavutetaan 1200 MPa myötölujuus murtovenymän ollessa vielä 15 %. Tässä tilassa myötölujuus on vielä 550°C:ssa melkein 600 MPa ja 1000 tunnin virumislujuus reilussa 500°C:ssa noin 700 MPa. Saavuttaakseen nämä ominaisuudet, tarvitaan kuitenkin lämpökäsittely, joka sisältää nopeahkon austenoinnin; 10min hehkutus 950°C:ssa, jonka jälkeen jäähdytys ilmassa huoneenlämpötilaan. Tästä tunnin sisällä kappale jäähdytetään -70°C:seen ja pidetään siinä kolme tuntia. Tämän jälkeen lämmitys huoneenlämpötilaan ja lopuksi kuumennus 450°C:seen ja pidetään hehkutus yllä kolme tuntia. Hehkutuksen jälkeen jäähdytys ilmassa huoneenlämpötilaan (lämpökäsittely SCT 850).

Miten erkautuskarkaisu sitten toimii? Näihin laatuihin on ruostumattomalle teräkselle tunnusomaisten aineiden (kromi, nikkeli, molybdeeni) lisäksi  seostettu erkaumia synnyttäviä metalleja; alumiinia, kuparia, harvinaisia maametalleja tai esimerkiksi titaania. Käytännössä lähes kaikki seosaineet muodostavat erkaumia, mutta onkin tärkeä tietää, millaisia erkaumia saadaan milläkin seosaineella aikaiseksi, millaisia halutaan saada ja miten ne käytännösä saadaan aikaan. Erkaumat voidaan jakaa niiden vaikutuksen perusteella koherentteihin ja epäkoherentteihin. Jos metalliseoksesta halutaan lujaa ja kovaa, täytyy erkauman olla koherentti. Koherentti erkauma on niin pieni, että se vain venyttää kantafaasinsa voimalinjoja ja aiheuttaa näin suuria sisäisiä jännityksiä. Pienellä tarkoitetaan tässä yhteydessä muutamien atomien kokoisia rykelmiä, jotka työntävät, vetävät ja kiertävät kantafaasinsa atomien muodostamaa järjestelmällistä muotoa suuntaan ja toiseen. Tällöin sisäiset jännitykset lujittavat ja kovettavat materiaalia tiettyyn pisteeseen asti. Jos erkauma kasvaa liian suureksi, se leikkautuu irti kantafaasistaan (ikään kuin katkaisee voimalinjat eli siirtää kantafaasin atomit kokonaan pois paikaltaan) ja siitä tulee niin sanotusti epäkoherentti: saavutettu hyöty lujuuden ja kovuuden suhteen on yleensä pieni. Alla kuva 2 selvittämään hieman asiaa.

Kuva 2. Vasemmalla on esitetty koherentin erkauman periaatepiirros, oikealla kantafaasistaan irtileikkautunut, epäkoherentti erkauma. Ympyrät kuvaavat hilan atomeja (muokattu http://www.bss.phy.cam.ac.uk/~amd3/teaching/ A_Donald/Crystalline_solids_2.htm).

Erkaumien kokoa säädellään pääasiassa vanhennuslämpötilalla, mutta myös hehkutusajalla on merkitystä. Jos käytetään liian korkeaa vanhennuslämpötilaa tai liian pitkää hehkutusaikaa, erkaumat tulevat suuriksi ja leikkautuvat irti kantafaasistaan, tapahtuu ylivanheneminen. Tällöin mekaaniset ominaisuudet romahtavat ja ainoa mahdollinen korjaustapa on aloittaa koko karkaisuprosessi alusta (eli hehkuttaa koko kappale austeniittialueelle). Erkauman koon vaikutus lujuuteen on esitetty periaatteellisesti kuvassa 4. Jotkin metalliseokset, esimerkiksi osa 2000-sarjan alumiineista, eivät tarvitse liuotushehkutuksen jälkeistä korotettua lämpötilaa vaan vanheneminen tapahtuu huoneenlämpötilassa. Ilmiöstä käytetään nimitystä luonnollinen vanheneminen (tai varastovanheneminen). Teräksien kohdalla tällaista ilmiötä ei käsitykseni mukaan toistaiseksi tunneta.

Kuva 3. Erkauman kasvun periaate; kun tietty koko on saavutettu, leikkautuu erkauma irti kantafaasistaan (muokattu http://www.bss.phy.cam.ac.uk/~amd3/teaching/A_Donald/Crystalline_solids_2.htm).

Miksi valita tällainen laatu esimerkiksi martensiittisen tilalle, jos pääasiallinen tarkoitus on kuitenkin lujuuden saavuttaminen? Erkautuskarkaistavat laadut toimitetaan yleensä liuotushehkutetussa tilassa, jolloin niitä voidaan tietyin rajoituksin muovata ja lastuta. Toisin kuin martensiittiset laadut, näille ei tarvitse yleensä tehdä valmistuksen jälkeen perinteistä korkean lämpötilan (800-1100°C) karkaisukäsittelyä vaan riittää pelkkä korotetun lämpötilan hehkutus noin 400-700°C:ssa. Tämä vähentää huomattavasti muodonmuutoksia, hilseilyä ja muita epätoivottavia sivuvaikutuksia. Jotkin erkautuskarkaistavat laadut säilyttävät myös tietyllä lämpökäsittelyllä uskomattomasti sitkeytensä jopa -200°C:seen asti. Lisäksi valintaa puoltaa moneen käyttökohteeseen hyvä korkeiden lämpötilojen kesto sekä erinomaiset korroosionkesto-ominaisuudet martensiittisiin laatuihin verrattuna, kuten jo mainittiinkin.


-----


Lähteet:

[1] AK Steel. Stainless precipitations hardening steels. 2014 (viitattu 1.9.2014), saatavissa http://www.aksteel.com/markets_products/stainless_precipitation.aspx
[2] American Iron and Steel Institute. Welding of stainless steel and other joining methods. 2004, Nickel development Institute.
[3] ATI metals. AM 350®. 2012, Pittsburgh. Saatavissa https://www.atimetals.com/Documents/am_350_tds_en_v2.pdf
[4] Carter C.S., Farwick D.G., Ross A. M. Uchida J.M. Stress-Corrosion Properties of High-Strength Precipitation-Hardening Stainless Steels in 3,5% Aqleous Sodium Chloride Solution. 1970, Seattle Washington: Boeing Commercial Airplane Group.
[5] Hoenie A.F. & Roach D.B. New Developments in High-Strength Stainless Steels. 1960, Columbus, Ohio: Defense Metals Information Center; Battelle Memorial Institute.
[6] Kura, J. G., Barth, V. D., & McIntire, H. O. Shaping of Precipitation-Hardening Stainless Steels by Casting and Powder-Metallurgy. 1968, Washington, D.C. NASA.

Ruostumattomien terästen laadut - osa 5/6 -- Martensiittiset ruostumattomat teräkset --

Martensiittisten ruostumattomien terästen käyttöä on rajoittanut niiden kehittämisen alkutaipaleelta asti liittämismenetelmien rajoitettu sovellettavuus - toisin sanoen laadut eivät ole olleet kunnolla hitsattavissa millään järkevällä menetelmällä. Martensiittiset laadut olivat ensimmäisten keksittyjen ruostumattomien terästen joukossa johtuen lähinnä valmistusmenetelmästä; hiiltä ei osattu tai ei saatu puhdistettua teräksestä pois. Niillä on omat, rajoitetut käyttökohteensa, sillä niiden lujuus voi olla nykyisillä laaduilla lähes 2000 MPa ja korroosionkesto on paljon parempi verrattuna tavallisiin rakenneteräksiin. Käyttö ei ole vieläkään yleistynyt johtuen varmaankin hyvin suurelta osin hitsauksen vaikeudesta sekä huonosta sitkeydestä, lastuttavuus tosin on verrattavissa tavallisiin lujiin rakenneteräksiin. Kuvassa 1 on esitetty, mihin martensiittiset laadut suurin piirtein sijoittuvat kromin ja nikkelin suhteen.

Kuva 1. Martensiittisten laatujen sijoittuminen nikkeli- ja kromipitoisuuden kaavioon.

(Muokattu: Outokumpu Stainless Oy, 2001).

Martensiittiset ruostumattomat teräkset ovat ainoa ruostumattomien terästen ryhmä, joka on karkaistavissa lämpökäsittelyllä. Lämpökäsittely osaltaan mahdollistaa erittäin suuret lujuudet. Seosaineena käytetään pääosin kromia (yleensä noin 13 %), kuten ferriittisissä ruostumattomissa teräksissä, mutta yleensä mukana on myös suhteellisen paljon hiiltä, jopa yli 1 %. Näillä perusseosaineilla saavutetaan ilmassa karkenevia laatuja eli martensiitti muodostuu austeniitista erittäin pitkilläkin jäähtymisajoilla. Martensiittiset ruostumattomat teräkset ovat siis mikrorakenteeltaan lähes aina 100 % martensiittisia; erilaisissa muodoissaan. Kromin määrää ei voida kasvattaa paljoakaan yli 18 %, koska suuremmalla määrällä teräs ei enää muutu austeniittiseksi ja karkaisumahdollisuus poistuu (kuva 2). Kuvassa sininen katkoviiva on rauta-hiili-tasapainopiirroksen austeniitin esiintymisraja. Ehyet viivat kuvaavat austeniittialueen pienentymistä kromin määrän suhteen. Hiilen liukoisuus voidaan arvioida aluiden reunaviivojen mukaan, kuvassa esimerkki liukoisuudesta 5 % kromiseostuksella, viiva A-B.

Kuva 2. Hiilen liukoisuus kromimäärään ja lämpötilaan nähden.
Sinisten viivojen rajaamat alueet ovat 100% austeniittialueita tietyillä
kromimäärillä. (Muokattu: http://www.barentsinfo.org/loader.aspx?id
=553df99b-a1c9- 4b1d-8e3-3532b0d5e8ce [alkuperäinen lähde:
http://app.eng.ubu.ac.th/~edocs/f20061122Suriya91.pdf])

Joihinkin laatuihin lisätään korroosionkeston parantamiseksi muutamia prosentteja molybdeeniä, joka myös edesauttaa karkenemista ja lujittavien/kovettavien karbidien muodostumista. Erittäin vähähiilisillä laaduilla karkenevuuden varmistamiseksi lisätään joitakin prosentteja nikkeliä (kuvan 2 austeniittialue suurenee). Martensiittisten laatujen lujuus on yleensä suuri tai erittäin suuri ja ne ovat kovempia kuin muut laadut. Kovuus muodostuu lähes pelkästään hiilipitoisuuden mukaan ja se voidaan arvioida taulukoista tai laskennallisesti. Kovuudesta johtuen martensiittiset laadut ovat yleensä melko hauraita, joten niiden muovattavuus voi olla hyvinkin heikko. Kuvassa 3 on yleisimpien laatujen kovuusalueita.

Kuva 3. Tiettyjen martensiittisten ruostumattomien laatujen ko-

vuuksia erilaisilla lämpökäsittelyillä. (Muokattu: 

http://www.kvastainless.com/stainless-steel.html)

Martensiittiset laadut voidaan seostuksen mukaan jakaa martensiittisiin ja martensiittis-austeniittisiin eli niin sanottuihin pehmeämartensiittisiin laatuihin. Molemmissa kategorioissa seoksilla on omat erityisominaisuudet ja käyttökohteet. Martensiittisia ruostumattomia teräksiä käytetään esimerkiksi tavallisissa keittiövälineissä ja puukoissa, mutta niistä valmistetaan myös erittäin vaativiin olosuhteisiin tarkoitettuja pumppujen ja putkistojen osia sekä esimerkiksi laivan akseleita. Ehkäpä merkittävin teollisuuden käyttökohde on kaasujen ja öljyjen siirtolinjat, joihin näitä laatuja on viime vuosien aikana kehitetty; erityisesti hitsattavuuden kannalta parempaan suuntaan. Tosin voi olla, että edellisen blogikirjoituksen duplex-laadut valtaavat alaa putkiteollisuudessa. Myös veitsi-, terä- ja puukkoteollisuus on vahvasti mukana martensiittisten laatujen kehityksessä. Näillä aloilla kehitetään laatuja, jotka ovat hyvin kovia, säilyttävät terävyyden ja ovat lisäksi korroosionkestäviä. Pehmeämartensiittisia laatuja kutsutaan joskus myös turbiiniteräksiksi, koska niitä käytetään pääasiassa suurien vesiturbiinien osissa. Kaikkien nykyisten martensiittisten laatujen hitsaus on haastavaa ja vaatii yleensä esi- ja jälkilämpökäsittelyjä. Martensiittisten laatujen kehittelypuu näkyy kuvassa 4.

Kuva 4. Martensiittisten laatujen kehittelypuu. Kuvassa esitetty tärkeimmät laadut sekä joitakin erikoisempia seoksia.

(Muokattu: http://www.kvastainless.com/stainless-steel.html)

Martensiittisia, kuten kaikkia muitakin laatuja, on kehitetty super-etuliitteen omaaviksi versioiksi. Näistä laaduista puhuttaessa kyseessä on yleensä erittäin vähähiiliset seokset, joiden korroosionkesto on hyvä tai erinomainen ja niiden hitsattavuutta on paranneltu niin, ettei esi- tai jälkilämpökäsittelyä välttämättä tarvita. Kehittelypuuhun on merkitty punaisella hieman sivuun yksi supermartensiittinen laatu, joka on nykyään raskaan teollisuuden puolella ehkä tutkituin uusista kehitelmistä. Myös terä- ja veitsiteollisuudessa puhutaan superseoksista, jolloin tarkoitetaan erityisesti ruostumattomuutta ja terävyyden säilyttämiseen tarkoitettuja ominaisuuksia (kehittelypuussa ruskealla katkoviivalla). Vihreällä katkoviivalla on merkitty laatu, joka voidaan luokitella myös erkautuskarkaistavaksi seokseksi, sillä nimenomaan erkaumat tuovat tälle laadulle hyvät korkeanlämpötilakeston ominaisuudest. Erkautuskarkaistavista laaduista kerrotaan lisää seuraavassa blogitekstissä.

Perinteisessä hitsaavassa koneenrakennusteollisuudessa ei kovin usein törmää martensiittisiin laatuihin; suurin osa ei varmaan ole ikinä kuullutkaan niistä. Martensiittisten ruostumattomien terästen saatavuus on Suomessa hyvin rajoitettu, mutta tietyiltä tukkureilta on saatavissa yleisimpiä laatuja akselimateriaalina. Harrastuskäyttöön veitsien ja puukkojen terämateriaaliksi niitä saa tilattua lattatangon pätkinä useasta eri nettikaupasta. Putki- tai levymateriaalina martensiittisia laatuja on varmasti olemassa, mutta hinta ja toimitusaika voivat tuoda Suomessa käytölle esteitä. Joka tapauksessa myös tämä luokka ruostumattomissa teräksissä kehittyy ja kehitystä kannattaa seurata.


-----

Lähteet:

[1] KVA Stainless. Why Choose Stainless. 2014 (viitattu 9.7.2014), saatavissa http://www.kvastainless.com/stainless-steel.html

[2] Lukkari J., Kyröläinen A., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. 2002, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET

[3] Teräsrenki Oy, martensiittinen teräs, Ruostuomaton, karkeneva teräs. 2014, (viitattu 9.7.2014), saatavissa http://www.terasrenki.com/tuote/ruostumaton-karkeneva-martensiittinen-teras/

[4] Turnbull A., Griffiths A., Corrosion and Cracking of Weldable 13 Cr Martensitic Stainless Steels – A Review. 2002, National Physical Laboratory. Saatavissa: http://publications.npl.co.uk/npl_web/pdf/matc108.pdf

[5] Xu et al. Structural refinement of 00Cr13Ni5Mo2 supermartensitic stainless steel during single-stage intercritical tempering. 2014, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, vuosikerta 21, numero 3.

Ruostumattomien terästen laadut - osa 4/6 -- Austeniittis-ferriittiset ruostumattomat teräkset --

Austeniittis-ferriittiset teräkset, eli tutummin duplex-teräkset, ovat uusin ruostumattomien terästen ryhmä. Duplex-terästen mikrorakenteessa pyritään tasapainoon, jossa on austeniittia ja ferriittiä suhteessa 50/50 tai ehkä vielä parempi olisi, jos austeniittia olisi hitusen enemmän suhteessa ferriittiin. Näin voidaan hyödyntää molempien mikrorakenteiden ominaisuudet; ferriitin tuoma korkea lujuus, austeniitin varmistama sitkeys matalissa lämpötiloissa sekä esimerkiksi ferriitin tuoma etu jännityskorroosion kestoon.

Ensimmäinen duplex-teräs kehitettiin Ruotsissa noin 80 vuotta sitten, jotta päästiin eroon silloisten runsashiilisten austeniittisten laatujen ongelmasta, raerajakorroosiosta. Ensimmäiset duplex-valut tehtiin Suomessa ja ensimmäinen patentti tähän luokkaan kuuluville laaduille myönnettiin Ranskassa. Tämä ensimmäinen patentoitu laatu tunnetaan, tai tunnettiin, nimellä Uranus 50. Sitä ei varmaankaan tänä päivänä ylen määrin käytetä. Nykyään erilaisia laatuja on jo melko runsaasti ja käyttö lisääntyy jatkuvasti.

Austeniittis-ferriittisissä laaduissa on yleensä kromia 20-27 %, nikkeliä enintään noin 8 %, molybdeenia 1-5 % ja typpeä muutama prosentin kymmenys. Nykyään valmistetaan myös niin sanottuja lean-duplexeja, joiden seostus ei ole niin runsasta kuin perinteisesti ollaan duplexeissa totuttu näkemään. Lean-duplexien ominaisuudet ovat kuitenkin hyvät ja niiden hinta on hyvin samaa luokkaa kuin perinteisten austeniittisten laatujen, jopa alhaisempi. Alla on kuva siitä, mihin duplex-teräkset sijoittuvat kromi-nikkelipitoisuuden suhteen mikrorakenteet jakavassa kuviossa.

Kuva 1. Duplex-laatujen sijoittuminen suhteessa kromin ja nikkelin määrään on kuvattu oranssilla värillä.

Duplex-teräkset ovat monessa suhteessa erittäin käyttökelpoisia ominaisuuksiensa ansiosta. Ne ovat lujia tai erittäin lujia (myötölujuus noin 400 - 600 MPa), kestävät hyvin korroosiota eivätkä ole alttiita myöskään jännityskorroosiolle. Kylmämuokattavuus on hyvä ja ne ovat vieläpä hyvin hitsattavia, koska esimerkiksi varsinaista kuumahalkeiluvaaraa ei ole (tosin pitää tietää mitä tekee) - ominaisuudet ovat siis kaiken kaikkiaan erinomaiset. Huono puoli duplex-teräksissä on metallienvälisien yhdisteiden, karbidien ja nitridien syntyminen jo melko alhaisissa lämpötiloissa. Suositeltu korkein käyttölämpötila on esimerkiksi ASME-painelaitestandardien mukaan 315°C. Tämän lämpötilan yläpuolella on riski lähinnä molybdeenipohjaisten alfa-, sigma-, chi- ja lavesfaasien syntymiselle, jotka ovat erittäin hauraita ja aiheuttavat syntyessään ongelmia todellisissa sovelluksissa. Yleensä puhutaan vain yhteisnimityksellä sigmafaasin syntyminen ja/tai erikseen ns. 475°C-hauraus.

Alla on esitetty duplex-terästen kehittelypuu (kuva 2), johon on merkitty osa duplex-teräksistä. Punaisella kirjoitetut laadut luokitellaan usein super-duplex-teräksiksi ja vihreällä merkityt ovat lean-duplex laatuja. Laatikot, joissa on pelkkä USA:n standardimerkintä, esim. S33207, ovat hyper-duplex (punaisella) tai lean-duplex (vihreä) -laatuja, joita ei ole standardoitu Euroopassa. Lisäksi on olemassa joitakin kokonaan standardoimattomia ja melko tuntemattomia laatuja, esimerkkeinä Outokummun uudet FDX 25 & FDX 27, AK Steelin Nitronic D19 ja vaikkapa joustavaksi, merenpohjaan asennettavaksi putkimateriaaliksi kehitetty AL 2003™. Sinisellä värillä esitetyt laadut ovat ensimmäisen sukupolven teräksiä, joita käytetään nykyään jo melko vähän.

Ensimmäisissä duplex-teräksissä ongelmina olivat korroosionkeston menetys sekä haurastunut vyöhyke hitsauksen yhteydessä. Vuonna 1968 kehitetty AOD-tekniikka teräksen valmistukseen mahdollisti esimerkiksi typen käytön seosaineena ja syntyi ns. toisen sukupolven duplex-laadut. Noin kymmenen vuotta AOD-tekniikan keksimisen jälkeen kehitettiin vielä nykyäänkin ylivoimaisesti käytetyin laatu, 1.4462 (2205), joka on tummennettu kuvassa 2. Tämän laadun käyttö kattaa noin 70 % valmistettavasta duplexista. Austeniittis-ferriittisten terästen käyttö on toistaiseksi melko vähäistä ruostumattomien terästen kokonaiskäytön kannalta, ehkäpä muutamia prosentteja, mutta tullee varmasti lähivuosina kasvamaan huomattavasti. Alla olevassa kuvassa on käytetty pääasiassa standardoituja merkintöjä. Usein käytetään kuitenkin merkintöjä, joissa ilmoitetaan kromin ja nikkelin määrät peräkkäin prosentteina, esim. 2205 (22 % Cr + 05 % Ni), 2507 (25 % Cr + 07 % Ni), 2001 (20 % Cr + 01 % Ni).

Kuva 2. Duplex-laatujen kehittelypuu. Keskellä ylivoimaisesti käytetyin laatu 1.4462 (2205).

Duplex-teräkset voidaan jakaa esimerkiksi karkeasti kahteen eri luokkaan; duplex-teräkset & super-duplex-teräkset. Joskus jako tehdään kolmeen ryhmään, jolloin lisäksi käsitellään erikseen lean duplex-laatuja. Jossain saattaa nähdä jaon myös neljään luokkaan, jolloin laatu 2205 (1.4462) nostetaan aivan omaksi ryhmäkseen, koska sen käyttö on toistaiseksi niin ylivoimaista verrattuna muihin laatuihin.

Tavallisilla duplex-teräksillä tarkoitetaan pääosin laatuja 1.4462 ja 1.4460. Näistä kahdesta ehdottomasti yleisempi on nykyään laatu 1.4462, kuten jo aiemmin mainittiin. Syy siihen on melko yksiselitteinen - laadulla 1.4462 on paljon parempi hitsattavuus, eikä se kärsi juurikaan hitsauksen yhteydessä syntyvästä hauraasta vyöhykkeestä. Laatua 1.4460 on perinteisesti käytetty valutarkoituksiin ja se omaa hyvän tai jopa erinomaisen lastuttavuuden, joten sitä käytetään edelleen runsaasti lastuamista vaativissa tuotteissa - tosin 1.4462 on vallannut alaa myös sillä osa-alueella. Muita ns. tavallisia duplex-teräksiä ovat kuvassa esiintyvät sinisellä merkityt laadut tai niistä kehityt, päivitetyt versiot, esimerkiksi Sandvik 3RE60. Hinnaltaan normaalit duplex-teräkset ovat perusausteniittisia laatuja hieman kalliimpia, mutta usein lujuuden tuoman edun kautta kokonaiskustannukset saadaan hyvin samalle tasolle tai jopa alhaisemmiksi. Saatavuus on laadulla 1.4462 hyvä. Levymateriaalia on varastoituna 3 mm paksuudesta ylöspäin ja lisäksi on saatavissa sekä neliö- että pyöreää putkea sekä runsaasti putkiosia. Laatua 1.4460 on saatavissa lähinnä tankoina ja ainesputkina, mutta Euroopasta sitä levytavaranakin saa tilattua.

Lean-duplex laatuja on tullut viime vuosien aikana markkinoille melko runsaasti. Niiden pääasiallinen tarkoitus on syrjäyttää perinteiset austeniittiset laadut paremmilla mekaanisilla ominaisuuksillaan, kilpailukykyisellä hinnallaan sekä myös hintavakaudellaan. Lean-duplex laaduissa nikkelin määrä on pyritty minimoimaan seostamalla tilalle esimerkiksi mangaania tai typpeä. Näiden laatujen korroosionkesto on yleensä hyvin samalla tasolla kuin laatujen AISI 304 tai AISI 316. Esimerkiksi 1.4162 (LDX 2101) on korvannut molempia edellä mainittuja laatuja jo hyvin monessa kohteessa. Saatavuus ei kuitenkaan ole vielä ihan samalla tasolla kuin perinteisten laatujen, mutta lean-duplexeja varastoidaan Suomessa jo jonkin verran. Levytavarassa aivan ohuimmilla paksuuksilla (alle 3 mm) saatavuus on vielä heikohko. Jos tilattava määrä alle 3 mm vahvuudella on minimissään noin 11 tonnia, saa lean-laatuja jo kilpailukykyiseen hintaan haponkestävään laatuun AISI 316 verrattuna. Putkea on jo hyvin saatavilla ja myös neliöputkia valmistetaan lean-laaduista.

Superduplex-laatuja käytetään verrattaen vähän, koska niiden käyttökohteet rajoittuvat paikkoihin ja sovelluksiin joissa suurella lujuudella ja vaativalla korroosionkestolla on erittäin suuri merkitys. Super-duplex-laadut ovat yleisesti ottaen melko kalliita ja niiden saatavuus on hyvin tapauskohtainen. Esimerkiksi tuotemuoto, määrä ja tarvittava toimitusaika vaikuttavat vahvasti siihen, paljonko nämä laadut tulevat maksamaan. Usein esimerkiksi yksinkertaiset putkiosat, esimerkiksi hitsinipat, joudutaan valmistamaan tangosta tai ainesputkesta, koska valmiita osia on erittäin huonosti saatavilla. On myös kehitetty ja valmistettu niin kutsuttuja hyper-duplex-laatuja (kuvassa 2 punaisella, pelkkä ASTM-standardi), joiden käyttö on toistaiseksi rajoittunut tutkimuskäyttöön tai yksittäisiin erikoistapauksiin. Seosaineita näissä laaduissa on erittäin paljon - kromia vähintään 25 %, nikkeliä 6 - 8 %, molybdeeniä 3 - 5 % ja lisäksi typpiseostus lisäämään korroosionkestoa, lisäämään lujuutta ja ehkäisemään hauraiden faasien syntymistä. Lisäksi seosaineina voi olla volframia, kuparia tai muita metalleja tuomaan tiettyjä ominaisuuksia.

Kaiken kaikkiaan duplex-teräksien kehittämiseen panostetaan tällä hetkellä paljon ja vaikuttaa siltä, että niiden käyttö lisääntyy lähivuosina tai viimeistään lähivuosikymmeninä huomattavasti. Tärkeimpinä etuina voidaan luetella erinomainen lujuus-paino-suhde yhdistettynä hyvään tai erinomaiseen korroosionkestoon, unohtamatta kylmämuovattavuutta ja hyvää hitsattavuutta.

-----

Lähteet:
[1] Cunat P-J., The Euro Inox Handbook of Stainless Steel. 2002, Brysseli: Euro Inox.
[2] Dunn J. J. & Hasek D. R., AL 2003™ (S32003) Lean Duplex Case Study: Flexible Flowlines for an Offshore Oil Field Development. 2007 (viitattu 24.3.2014). Konferenssijulkaisu, saatavissa http://www.atimetals.com/markets/oilandgas/Documents/Flexible%20Flowlines.pdf
[3] Gagnepain J-C., Duplex Stainless Steels: Success Story and Growth Perspectives. 2008, Ranska: ArcelorMittal.

[4] International Molybdenum Association, Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steels. 2009, Lontoo: IMOA

[5] International Molybdenum Association, Duplex Stainless Steel. (viitattu 24.3.2014) http://www.imoa.info/molybdenum_uses/moly_grade_stainless_steels/duplex_stainless_steel.php
[6] Lukkari J., Kyröläinen A., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. 2002, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET

[7] Outokumpu, Duplex Stainless Steel. 2013 (viitattu 24.3.2014) http://www.outokumpu.com/SiteCollectionDocuments/Outokumpu-Duplex-Stainless-Steel-Data-Sheet.pdf

Ruostumattomien terästen laadut - osa 3/6 -- Ferriittiset ruostumattomat teräkset --

Ferriittiset ruostumattomat teräkset ovat mikrorakenteeltaan nimensä mukaisesti ferriittiä. Niiden tärkein seosaine on kromi, ja lisäksi niihin seostetaan joskus myös molybdeenia. Ferriittisistä laaduista puuttuu siis kallis ja hintaepävakaa nikkeli, mutta silti ferriittisten laatujen käyttö ei ole yleistynyt niin paljon kuin olisi voinut mainospuheista muutama vuosi sitten olettaa. Esimerkiksi Outokumpu ruostumattoman teräksen valmistajana on pyrkinyt lisäämään ferriittisten laatujen käyttöä jo jonkin aikaa. Lieneeköhän motivaatiotekijänä esimerkiksi se, että Outokummulla on oma ferrokromitehdas...

Uusin markkinoille äskettäin ilmestynyt superferriittinen laatu on  EN 1.4622, jolle luvataan yhtä hyvää korroosionkestoa kuin perinteiselle laadulle EN 1.4301 ja joka on tarkoitettu juuri tämän laadun korvaajaksi moneen sovellukseen. Myös jo jonkin aikaa markkinoilla olleen laadun, EN 1.4521, on useissa kokeissa todettu yltävän jopa haponkestävän laadun EN 1.4404 tasolle. Kuitenkin hieman harmillisesti, varsinkaan Suomessa, ei uskalleta käyttää muita kuin perinteisiä austeniittisia laatuja, vaikka ferriittiset vaihtoehdot sopisivat todella moneen sovellukseen niiden korvaajaksi; näin saataisiin hyvin usein myös kustannussäästöjä. Ja koska kukaan ei niitä uskalla ottaa käyttöön, ei niiden saatavuuskaan ole kovin hyvä - vai onkohan asia toisin päin? Kansainvälisesti ferriittisiä ruostumattomia teräksiä käytettiin vuonna 2012 hieman alle 25 % kaikesta ruostumattomasta teräksestä, mikä on jo suhteellisen suuri määrä. Ferriittisten laatujen käyttö maailmanlaajuisesti on tasaisessa kasvussa.

Ruostumaton teräs saadaan siis pysymään ferriittisenä, kun siihen ei seosteta, tai seostaan hyvin vähän, kromin lisäksi nikkeliä. Kromia näissä laaduissa on vähintään 11-12 %, suurimmillaan noin 30 %. Kromihan oli korroosionkeston kannalta tärkein seosaine, joten useat laadut yltävät moneen sovellukseen riittävälle korroosionkeston tasolle. Kuvassa 1 on esitetty oranssilla pohjalla, miten ferriittiset laadut sijoittuvat kromi- ja nikkelipitoisuuden kuvioon.

Kuva 1. Ferriittisten laatujen esiintymisalue nikkelin ja kromin funktiona.

                   (Muokattu: Outokumpu Stainless Oy, 2001).

Yleinen käsitys ferriittisistä laaduista on, että ne ovat vaikeasti hitsattavia ja niiden hitsauksessa esiintyy runsaasti ongelmia. Eri terästuottajien kehitystyön tuloksena on kuitenkin syntynyt esimerkiksi titaanistabiloituja laatuja, joita voidaan nykyään suhteellisen luotettavasti hitsata. Ferriittisiä ruostumattomia teräksiä pidetään usein myös korroosionkestävyydeltään heikkoina, mutta kuten aiemmin mainitsin, tälläkin osa-alueella on saatu kehitystä aikaan.

Ferriittisten laatujen fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet ovat lähempänä hiiliteräksiä kuin austeniittisia ruostumattomia teräksiä. Tällä saavutetaan tiettyjä hyötyjä muun muassa muovattavuudessa; esimerkiksi usean ferriittisen laadun syväveto-ominaisuudet ovat paremmat kuin austeniittisilla laaduilla sekä lastuttavuus on usein verrattavissa normaaleihin rakenneteräksiin.

Ferriittisiä laatuja käytetään esimerkiksi joissakin siltarakenteissa, tavaravaunujen runkorakenteissa ja esimerkiksi julkisten tilojen verhoiluissa. Ajoneuvojen pakoputket ovat myös yleinen käyttökohde. Käytetyin laatu lienee kromilevyksikin kutsuttu EN 1.4016. Kuvasta 2 nähdään, miten yleisimpien ferriittisten laatujen seostus on kehittynyt. Pääsuuntana vaikuttaa nykyään olevan hiilen ja typen minimoiminen sekä stabilointiaineiden (typpi/niobi) lisäys, jotta saavutetaan halutut ominaisuudet - lujuus, sitkeys ja esimerkiksi hyvä hitsattavuus.

Kuva 2. Ferriittisten laatujen kehittelypuu.

(Muokattu: The Euro Inox Handbook of Stainless Steel)

Ferriittiset ruostumattomat teräkset jaetaan usein kahteen, joskus kolmeen luokkaan niiden ominaisuuksien mukaan. Laajempi luokittelu perustuu korroosionkeston kannalta tärkeän seosaineen, molybdeenin, lisäämiseen; tavallisissa ferriittisissä laaduissa sitä ei ole ja niin sanotuissa superferriittisissä laaduissa sitä on. Superferriittiset laadut yltävät joskus korroosionkestoltaan laadun 1.4404 tasolle tai jopa sen yli. Toinen jaottelutapa liittyy lähinnä hitsattavuuteen, jolloin laadut jaetaan kolmeen ryhmään: stabiloimattomat laadut, stabiloidut laadut ja niukkahiiliset ferriittis-martensiittiset laadut.

Perinteiset ferriittiset laadut, joissa ei ole stabilointiaineita, ovat tiettyihin käyttötarkoituksiin varsin toimivia. Monet työmenetelmät voidaan toteuttaa erinomaisesti - taivutus, rullamuovaus, syväveto, muut muovausmenetelmät, lastuaminen, leikkaus ja niin edelleen onnistuvat, mutta hitsaus saattaa aiheuttaa hieman ongelmia suuren rakeenkasvualttiuden sekä herkistymisvaaran vuoksi. Hitsivyöhykkeelle voi joillakin seoksilla muodostua myös kovaa ja haurasta martensiittia. Täytyy kuitenkin muistaa, ettei hitsauskaan yleensä ongelmaksi muodostu, jos hitseiltä ei  vaadita suuria iskusitkeys- tai lujuusvaatimuksia. Kun näihin seoksiin lisätään stabilointiaineita, esimerkiksi titaania, niobia tai molempia, hitsauskin voidaan toteuttaa saavuttaen parempi lopputulos.

Superferriittiset ruostumattomat teräkset sisältävät usein hyvin vähän hiiltä ja typpeä sekä stabilointiaineita, mutta niissä on myös molybdeeniseostus. Nämä laadut ovat suhteellisen hyvin hitsattavia ja niiden muu työstö - taivutus, muovaus, lastuaminen - onnistuu hyvin tai jopa erinomaisesti. Tietyt laadut sopivat jopa merivesikäyttöön, esimerkiksi merivesilämmönvaihtimiin, vaikka olosuhteet ovatkin korroosion kannalta niissä todella rajut. Tällaisten laatujen saatavuus on vain todella huono, ainakin Suomessa.


Lähteet:
[1] Alenius, Marko. Ruostumattomien terästen hitsaus ja hitsausliitosten korroosio: Teknillinen korkeakoulu, 2007.
[2] Alfred, Otto and Pauly, Thomas. The stainless steel industry's response to new challenges: Grade selection against the background of the alloying element market. Belgia : Euro Inox, 2008.
[3] Cunat, Pierre-Jean. The Euro-Inox Handbook of Stainless Steel. Brysseli : Euro-Inox, 2002.
[4] Euro Inox. What is stainless steel. Euro Inox. (online) Heinäkuu 25, 2008. (viitattu: tammikuu 29, 2014.) http://www.euro-inox.org/pdf/map/What_is_Stainless_Steel_EN.pdf.
[5] ISSF. The Ferritic Solutions. s.l. : ISSF - International Stainless Steel Forum, 2007.

[6] Lukkari J., Kyröläinen A., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. 2002, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET
[7] Kaufman, JG and McGuire, Michael F. Stainless Steels for Design Engineers. s.l. : ASM International, 2008.
[8] Myer, Kutz. Handbook of Materials Selection. s.l. : John Wiley & Sons, 2002.
[9] Taulavuori, Tero. Ferriittisten ruostumattomien terästen merkitys lisääntyy. Forssa : Teknologiateollisuus ry, 2009.
[10] Toppila, Rauno. Ferriittiset ruostumattomat teräkset. Kemi : Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu, 2010. 978-952-9785-96-4.