Lyhyesti korroosiosta

Ruostumaton teräs nimenä kertoo näiden terästen käyttötarkoituksesta ja ominaisuuksista tärkeimmän eli sen, etteivät ne ole niin alttiita korroosiolle kuin perinteinen rakenneteräs. Ruostumaton teräs ei itsessään ole jalometalli, kuten esimerkiksi kulta tai platina, vaan perusmateriaalia suojaa sen pintaan muodostuva kromioksidikalvo, niin kutsuttu passiivikalvo.

Stabiilin passiivikalvon muodostumiseen tarvitaan noin 10,5 % kromiseostus. Tämä kalvo on hyvin ohut, näkymätön, ja mahdollistaa ruostumattomalle teräkselle ominaisen hopeanharmaan värin. Jos kalvo rikkoutuu joko kemiallisesti tai mekaanisesti, se pyrkii korjautumaan itsestään. Kalvon korjautumiseen tarvitaan kuitenkin riittävä määrä happea.

Korroosio on käsitteenä hyvin yleinen ja se tuo useimmille mieleen tavallisen rakenneteräksen ruostumisen. Toisaalta korroosio on hyvin monimutkainen ja usein ei-toivottu ilmiö, joka jaetaan useampaan erilaiseen esiintymistyyppiin, esimerkiksi:

• yleinen korroosio
• pistekorroosio
• rako- eli piilokorroosio
• galvaaninen korroosio
• eroosiokorroosio
• hiertymiskorroosio
• raerajakorroosio
• valikoiva korroosio
• jännityskorroosio
• korroosioväsyminen
• mikrobiologinen korroosio
• korkean lämpötilan korroosio

Yllä mainituista muodoista käytännön kannalta määrääviä ovat yleinen korroosio, piste- ja rakokorroosio sekä galvaaninen korroosio. Muut korroosiomuodot voivat olla tietyllä teollisuuden alalla tai tietyssä sovelluksessa hyvinkin yleisiä, mutta kokonaisuutta ajatellen voidaan sanoa, että niiden osuus on melko pieni.

Tärkeimmät korroosiomuodot

Yleinen korroosio tarkoittaa metallien syöpymistä tasaisesti koko pinta-alaltaan. Yksinkertaisin ja samalla ehdottomasti yleisin korroosioesimerkki tästä muodosta on jo aiemmin mainittu tavallisen rakenneteräksen ruostuminen. Jos korroosionopeus on alle 0,1mm/vuodessa (esim teräs ~800g/m²/vuosi), voidaan laadun sanoa olevan korroosionkestävä kyseiseen sovellukseen. Yleistä korroosiota on melko helppo seurata massan hävikin tai seinämäpaksuuden pienenemisen mukaan.

Piste- ja rakokorroosio tarkoittavat materiaalin paikallista syöpymistä. Pistekorroosio aiheuttaa teollisuudelle vuosittain erittäin suuret korjauskustannukset ja siksi siitä on tullut melkeinpä määräävin korroosionkeston arviointikriteeri (edellä tästä lisää). Pistekorroosion kannalta kriittisiä asioita ovat seosaineiden määrät sekä materiaalin pinnan epäjatkuvuuskohdat. Näitä ovat esimerkiksi epäpuhtaudet, hitsit, hitsien sytytysjäljet, naarmut tai muut mekaaniset jäljet ja esimerkiksi urat. Usein pistesyöpymä pysähtyy tiettyyn syvyyteen, joten se ei yleensä mene paksuseinämäisten rakenteiden läpi. Ehkäpä yleisin pistesyöpymää aiheuttava aines on kloridianioni (esimerkiksi merivedessä suola) ja yleensä pistesyöpymää esiintyy happamissa liuoksissa. Ruostumattomissa teräksissä tehokkaimmat pistesyöpymäkestävyyttä parantavat seosaineet ovat kromi, molybdeeni, typpi sekä joissakin tapauksessa volframi. Rakokorroosiota esiintyy nimensä mukaisesti ahtaissa raoissa. Joitakin raon suuruuksia voidaan antaa (0,025-0,1mm), mutta esimerkiksi korroosionopeus on aina tapauskohtaista. Rakokorroosion yleisimpiä esiintymispaikkoja ovat niitti-, pultti-, ja hitsiliitokset sekä erilaiset tiivistepinnat. Myös epäpuhtaudet, esimerkiksi hiekka, paperimassa tai irronnut maalipinta, aiheuttavat rakokorroosiolle otolliset olosuhteet.

Galvaaninen korroosio syntyy, jos kaksi eri potentiaalin omaavaa metallia ovat samassa elektrolyytissä ja olosuhteet ovat muuten suotuisat - kosteus ja lämpö edesauttavat galvaanista korroosiota huomattavasti. Jos galvaaninen korroosio on käyttökohteessa vaaratekijänä, on kolme erityisen tärkeää asiaa huomioitava:

1. metallien elektrodipotentiaalien ero
2. metallien pinta-alojen suhde
3. elektrolyytin luonne ja sen johtavuus.

Mitä suurempi elektrodipotentiaalien ero on, sitä herkemmin galvaaninen korroosio alkaa, mutta ero ei kuitenkaan välttämättä korreloi syöpymisnopeuteen. Elektrodipotentiaalien eroista löytyy lukuisia taulukoita, jotka on tehty testaamalla erilaisia pareja merivedessä. Pinta-alojen suhteella on myös suuri merkitys; esimerkiksi jalompi niitti epäjalommassa perusmateriaalissa ei korrosioidu kovinkaan helposti, mutta toisin päin tilanne on erittäin herkkä galvaaniselle korroosiolle. Kolmantena tärkeänä tekijänä on elektrolyytti; sen luonne ja johtavuus. Galvaaninen korroosio lähtee liikkelle helposti esimerkiksi merivedessä, jonka johtavuus on hyvä. Kuivassa huoneilmassa galvaanisen korroosion mahdollisuus on kuitenkin pieni. Hyötyäkin tästä ilmiöstä on - ehkä tunnetuinpana on laivojen teräsosien suojaus sinkki- tai magnesiumanodilla. Toinen hyvin tavallinen hyötykäyttökohde ovat paristot; niissä galvaanisen korroosion avulla saadaan tuotettua sähkövirtaa.

Muita korroosion ilmentymiä

Raerajakorroosio ilmenee nimensä mukaisesti metalliseosten rakeiden välisillä raerajoilla tai niiden välittömässä läheisyydessä. Korroosioon johtaa tilanne, jossa epäpuhtaudet tai jokin seosaine suotautuu tai rikastuu raerajoille. Tällöin rakeen reuna-alue voi köyhtyä kyseisestä seosaineesta. Suotaumia tai rikastuneita kohtia voi syntyä, kun materiaali altistuu korkeille lämpötiloille. Raerajakorroosio on ollut aikoinaan ruostumattomilla teräksillä ongelma. Nykyään, kun hiilipitoisuus saadaan pidettyä hyvin alhaisena ja/tai käytössä on erilaisia stabiloituja seoksia, raerajakorroosiosta on päästy lähes kokonaan eroon.

Eroosiokorroosiossa liuoksen virtausnopeus sekä epäkohtien virtauksiin aiheuttamat turbulenttiset pyörteet voivat irrottaa metallin pinnalta korroosiolta suojaavia kerroksia (maali, pinnoite, oksidi). Kun korroosiolta suojaava kerros irtoaa, altistuu perusmetallin pinta korroosiolle. Liuoksessa olevat kiinteät partikkelit lisäävät tietysti eroosiokorroosion riskiä. Jos liuoksen nopeus on riittävä ja se sisältää kiinteitä partikkeleita, kuluttaa se metalliseosta mekaanisesti, eikä korroosionkestolla ole merkitystä. Eräs eroosiokorroosion muoto on kavitaatiokorroosio, jossa nesteen sisään syntyvä kaasukupla luhistuu nopeasti aiheuttaen metallin pintaan kovan paineiskun. Kavitaatiokorroosiolle alttiita rakenteita ovat esimerkiksi erilaiset hydraulipumput ja laivojen potkurit.

Jännityskorroosio ilmenee kappaleen pinnalla murtumina. Niitä aiheuttavat yhdessä korroosio ja kappaleen pinnassa vallitseva vetojännitystila, joka voi olla joko ulkoisen tai sisäisen kuormituksen aiheuttama. Jännityskorroosio on hyvin yleinen ilmiö, mutta sen mekanismia ei vieläkään ole pystytty täysin selvittämään. Tämä johtuu lähinnä siitä, että jännityskorroosiomekanismi riippuu niin ympäristöstä (esim. lämpötila, väliaine, hapen määrä) kuin materiaalistakin (esim. laatu, kovuus, muokkausaste, jännitystila).

Korroosioväsymistä voi verrata tyypiltään hieman jännityskorroosioon. Kuormitusmuotona on kuitenkin värähtelyistä, paineenvaihtelusta tai esimerkiksi pyörimisestä johtuva vaihteleva jännitystila. Mekanismin etenemiseen vaikuttavat voimakkaasti materiaalilaatu, korroosioympäristö sekä jännitystila. Yleisesti ottaen voidaan sanoa, että korrosioivassa ympäristössä erinäisistä syistä johtuen materiaalin väsymislujuus on huomattavasti pienempi kuin ns. normaalitapauksessa.

Valikoiva korroosio eli valikoiva liukeneminen tarkoittaa tietyn tai tiettyjen seosaineiden syöpymistä (metalli)seoksesta. Tunnetuin valikoivan korroosion ilmentymä lienee messingissä tapahtuva sinkinkato. Muita tunnettuja tämän tyyppisiä korroosiotapauksia on ilmennyt alumiinin syöpymisenä alumiinipronssista, piin liukenemisena piipronssista ja koboltin häviämisenä koboltti-volframi-kromi -seoksista.

Hiertymiskorroosio ilmenee esimerkiksi erilaisissa akselisovitteissa, joissa kaksi toisiaan vastaan puristettua  pintaa liikkuvat äärimmäisen vähän toisiinsa nähden. Liike aiheuttaa pintojen profiilihuippujen hitsautumista yhteen ja huippujen murtumista. Pinnan oksidikerros voi tällöin vaurioitua ja uudelleen hapettua. Yleensä hiertymiskorroosio esiintyy sovelluksissa, joissa kappaleiden ei ole tarkoitus liikkua toistensa suhteen, mutta syystä tai toisesta näin tapahtuu (yleisin syy lienee kiristyksen löystyminen).

Lisääkin korroosiomuotoja löytyy; esimerkiksi mikrobiologinen korroosio, jota aiheuttavat pieneliöt (meri)vedessä, sekä kuumissa olosuhteissa esiintyvä korkean lämpötilan korroosio ja hitsin viereen tietyissä olosuhteissa syntyvä veitsenviiltokorroosio.

Korroosionkeston ennustaminen

Korroosionkeston arviointiin on kehitetty erilaisia laskentakaavoja, jotka yleensä perustuvat tiettyihin seosainepitoisuuksiin. Laskennalliset arvot asettavat eri laadut suuntaa antavaan järjestykseen, mutta kovinkaan tarkkaa ja yksiselitteistä korroosiokeston mallia niiden avulla ei saa rakennettua. Korroosionkesto riippuu niin monesta muustakin asiasta kuin pelkästään seosainepitoisuuksista - esimerkiksi lämpötila, virtausnopeudet ja hapen määrä vaikuttavat asiaan. Lisäksi on olemassa erilaisia standardoituja korroosiokokeita, joiden tuloksia voi vertailla.

Korroosionkeston, ja nimenomaan pistekorroosion keston, arvioinnin laskentamenetelmäistä ylivoimaisesti tunnetuin on:

• PRE (tai PREN tai PRENW) = pitting resistance equivalent number
• yleisin laskentakaava %Cr + 3,3x %Mo + 16x %N
• joskus typen merkitystä korostetaan (runsasseosteisilla laaduilla) kaavalla %Cr + 3,3x %Mo + 30x %N
• harvoin käytetään myös volframin huomioon ottavaa kaavaa %Cr + 3,3x (%Mo+0,5x%W) + 16x %N
• typen vaikutuksesta korroosionkestoon on erilaisia näkemyksiä, sillä typen merkittävä määrä ja vaikutus ruostumattomien terästen ominaisuuksiin on vielä hieman hämärä
• Joitakin suuria linjauksia PREN-arvojen pohjalta näkee kirjallisuudessa, esim:
• "haponkestävän" teräksen PREN vahintään 26
• meriveteen sopivien laatujen PREN on vähintään 32
• superseoksien PREN-arvot ovat vähintään 40

Lukemille ei juurikaan ole tieteellisiä todisteita, eikä pelkän PREN-arvon perusteella kannata materiaalia valita, sillä kuten huomataan, tämä on puhtaasti laskennallinen arvo, eikä ota millään tavalla huomioon korroosio-olosuhteita. Täytyy myös huomata, että valmistajien ilmoittamat PRE-arvot ovat usein laskettu seosainetoleranssien ylärajan arvojen avulla, vaikka todellisuudessa seosainepitoisuudet hipovat toleranssien alarajaa. Tämä antaa esimerkiksi laadun 1.4404 PRE-arvojen vaihteluväliksi ~23...29 (%Cr + 3,3x %Mo + 16x %N).

Standardoiduin käytännön korroosiokoemenetelmin määritetään esimerkiksi seuraavia arvoja:

• CPT = Critical Pitting corrosion Temperature (ASTM G48 menetelmä E & G150)
• pistekorroosio
• CCT = Critical Crevice corrosion Temperature (ASTM G48 menetelmä F)
• rakokorroosio

• G48 menetelmä E:ssä testikappale altistetaan tietylle liuokselle 24 tunniksi eri lämpötiloissa 5°C:een välein. Tuloksena on alhaisin lämpötila, joka aiheuttaa materiaaliin min. 0,025mm syvän pistekorroosion.
• G150 menetelmä perustuu elektrokemikaaliseen mittaukseen. Alussa kappale pidetään tietyssä liuoksessa (lämpötila alussa 0°C) ja siihen johdetaan tietty potentiaalivirta. Liuoksen lämpötilaa nostetaan 1°C minuutissa. CPT-lämpötila määräytyy, kun kappaleesta mitataan virtatiheydeksi yli 100 mikroampeeria/cm².
• G48 menetelmä F:ssä koekappaleeseen luodaan keinotekoisesti rakoja. Koejärjestely on muutoin samanlainen kuin menetelmä E:ssä; liuos, aika ja korroosioraja.

Mitä suurempia arvot ovat, sitä parempi yleisesti ottaen korroosiokestävyys on. Täytyy muistaa, että arvoja ei voi verrata ristiin toistensa kanssa.

Lisäksi saatavilla on isokorroosiokäyriä sekä korroosiotaulukoita, joilla voidaan arvioida erilaisten metalliseoslaatujen kestävyyttä tietyissä liuoksissa eri lämpötiloissa. Tällaisia isokorroosiokäyriä on saatavilla runsaasti esimerkiksi Outokummun korroosiokäsikirjoissa. Eri teräsvalmistajilla on saatavilla nykyään hyvin myös sähköisiä palveluja. Alla olevassa kuvassa on esitetty eri metalliseosten kestävyys natriumhydroksidi- sekä rikkihappoliuoksissa (kuvat 1 ja 2).

Kuva 1. Eri metalliseosten isokorroosiokäyrät natriumhydroksidiliuoksissa.
(Muokattu: Outokumpu Corrosion Handbook, 10th edition, 2009)

Kuva 2. Eri metalliseosten isokorroosiokäyrät rikkihapossa.
(Muokattu: Outokumpu Corrosion Handbook, 10th edition, 2009)

Miten korroosionkesto säilytetään tuotteiden valmistuksen yhteydessä

On tärkeää tietää, miten ruostumattoman teräksen korroosionkesto säilytetään valmistuksen monien vaiheiden läpi, sillä korroosionkesto on kuitenkin ruostumattomien terästen tärkein ominaisuus. Korroosionkestoa huomattavasti heikentäviä tuotantovaiheita ovat erilaiset lämpökäsittelyt sekä esimerkiksi hitsaus eri muodoissa. Muissakin menetelmissä korroosiolle voidaan tehdä suotuisat olosuhteet - esimerkiksi särmäyksessä työkaluista jää herkästi vieraspartikkeleita varsinkin kohtiin, joissa tuote hiertyy alatyökalun uran reunoja vasten. Myös mekaaniset ja termiset leikkausmenetelmät voivat lämmöllään tai hiertymisellä tehdä tuotteisiin kohtia, jotka ovat alttiita korroosiolle.

Melko usein näkee tuotteita, jotka on valmistettu rakenneterästä pääasiassa käsittelevissä pajoissa. Vierasruostetta ilmenee kohdissa, joihin on lentänyt hionta/katkaisutyöstä aiheutuneita kipinöitä ja ne ovat palaneet kiinni ja ruostuvat ikävästi pintaan. Tällaiset kohdat ovat ikäviä niin visuaalisesti kuin korroosiomielessäkin - jokainen kiinnipalanut kipinä on potentiaalinen pistekorroosion alkukohta loppukäyttökohteessa.

Kun tuotteita valmistetaan ruostumattomasta teräksestä, tulisi työmenetelmät, lisäaineet ja työvälineet olla sen mukaiset. Tässä muutamia esimerkkejä:

1. hiontatyössä tulisi käyttää ruostumattomalle teräkselle tarkoitettuja välineitä erityisesti, jos tuotteita ei peitata hionnan jälkeen (esimerkiksi hiomalaikkojen sidosrunko jättää jälkeensä ruosteelle potentiaalisia pisteitä)
2. särmäystyössä ihanteellisia työvälineitä olisivat muovista valmistetut alatyökalut, mutta käytännön syistä niitä ei kovinkaan usein ole mahdollista käyttää. Jos tuotteita ei taivutustyön jälkeen peitata, tulee työkalujen välissä käyttää särmäykseen tarkoitettua muovikalvoa
3. hitsaustyössä oikean lisäaineen valinta (korostuu varsinkin korkeasti seostetuilla laaduilla), ettei seosaineiden suotautuessa pitoisuudet laske liian alhaiseksi tai toisaalta ettei lisäaine aiheuta suotuisia olosuhteita jopa galvaaniselle korroosiolle
4. hitsauksen ja/tai lämpökäsittelyn jälkeinen pintakäsittely tulisi tehdä todella huolellisesti (peittaus, hionta, elektrolyyttinen kiillotus, pinnoitus)
5. nostoissa käytetään ketjujen sijaan mieluummin liinoja
6. osavalmisteiden (levyjen) päällä ei kävellä
7. rakenneterästuotteita ei valmisteta samassa tilassa ruostumattomien tuotteiden kanssa
8. peittaukseen tulee kiinnittää erityistä huomiota (menetelmä, liuokset, huuhtelu, pesu, passivoituminen...) ja se tulee suorittaa kunnollisesti

Siinäpä muutamia käytännön vinkkejä!

LÄHTEET:
[1] Brongers, Michiel P.H. and Mierzwa, Aaron J. Corrosion cost in pulp and paper
industry. 2002.
[2] Kunnossapitoyhdistys ry. Korroosiokäsikirja. Kolmas painos. Helsinki : KP-Media
Oy, 2006.
[3] Kaufman, JG and McGuire, Michael F. Stainless Steels for Design Engineers. s.l. :
ASM International, 2008.
[4] Outokumpu Stainless AB. Corrosion Handbook for Stainless Steels. Tenth Edition. Avesta : Outokumpu Oyj, 2009.[5] Outokumpu Stainless Oy. Ruostumattomat teräkset. 3. painos. Tampere : Teknologiateollisuus Oy, 2004. Eripainos julkaisusta Muokatut teräkset, raaka-ainekäsikirja 2001. 951-817-839-9.

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.