מדריך לנירוסטה אוסטינית בעלת ביצועים גבוהים -- סקירה מתכתית

1. סוגי נירוסטה

נירוסטה היא סגסוגת על בסיס ברזל עם תכולת כרום של לא פחות מ-10.5 אחוזים. הוא נמצא בשימוש נרחב בגלל עמידות טובה בפני קורוזיה וביצועי טמפרטורות גבוהות. כאשר תכולת הכרום מגיעה ל-10.5 אחוז, תיווצר שכבה של תחמוצת עשירה בכרום על פני הפלדה, הנקראת שכבת פסיבציה או סרט פסיבציה. סרט זה מגן על פלדת אל חלד מפני חלודה כמו פלדה רגילה. ישנם סוגים רבים של פלדת אל-חלד, אך כל הנירוסטה צריכה לעמוד בדרישת תכולת הכרום המינימלית.

נירוסטה מחולקת לחמש קטגוריות: נירוסטה אוסטניטית, נירוסטה פריטית, נירוסטה דופלקסית (עם מבנה מעורב של פריט ואוסטניט), נירוסטה מרטנסיטית ופלדת אל חלד מתקשות משקעים. הסיווג של קטגוריות אלו קשור למבנה הגבישי (סידור אטומי) ולטיפול בחום של נירוסטה. קבוצה של גבישים בעלי אותו מבנה גבישי במתכת נקראת פאזה. ישנם שלושה שלבים עיקריים בנירוסטה: אוסטניט, פריט ומרטנזיט. ניתן לקבוע את סוג וכמות המבנה המטאלוגרפי של נירוסטה על ידי תהליך בדיקה מטלוגרפי סטנדרטי ומיקרוסקופ מטלוגרפי אופטי.

המאפיין של נירוסטה אוסטניטית הוא שהמבנה המטאלוגרפי הוא אוסטניטי בעיקרו. מבנה הגביש של פאזה אוסטניט הוא מבנה מעוקב (fcc) במרכז הפנים, כלומר יש אטום בכל פינה ומרכז של כל פנים של הקובייה. לעומת זאת, המבנה הגבישי של פאזת הפריט הוא מבנה מעוקב (bcc) במרכז הגוף, עם אטום אחד בכל פינה ומרכז הקובייה. המבנה הגבישי של שלב מרטנזיט הוא מבנה טטראגונלי במרכז הגוף.

המבנה הגבישי של שלב האוסטניט הוא סריג מעוקב (fcc) מרוכז בפנים, שלב פריט הוא סריג מעוקב במרכז הגוף (bcc), ושלב מרטנזיט הוא סריג טטראגונלי (bct) במרכז הגוף.

 

1.1 נירוסטה אוסטניטית:

לנירוסטה אוסטינית אין מגנטיות, חוזק תפוקה בינוני, קצב התקשות עבודה גבוה, חוזק מתיחה גבוה, פלסטיות טובה וקשיחות מעולה בטמפרטורה נמוכה. שלא כמו פלדות אל-חלד אחרות, הקשיחות של פלדות אל-חלד אוסטניטיות יורדת לאט עם הירידה בטמפרטורה. לנירוסטה אוסטינית אין טמפרטורת מעבר מוגדרת-שבירה (DBTT), ולכן היא חומר אידיאלי עבור יישומים בטמפרטורה נמוכה.

תרשים של טמפרטורת מעבר רקיע-שביר (DBTT) של פלדת אל-חלד austenitic, ferritic ו-duplex (austenitic-ferritic). ה-DBTT בפועל תלוי בעובי הקטע, ההרכב הכימי וגודל הגרגר. ה-DBTT של נירוסטה פריטית הוא בדרך כלל 20 עד - 30 מעלות צלזיוס (70 עד - 22 מעלות F).

 

לנירוסטה אוסטינית יש יכולת ריתוך טובה וניתן ליצור אותה בצורות מורכבות שונות. סדרה זו של פלדות אל חלד אינה ניתנת להקשחה או חיזוק על ידי טיפול בחום, אך ניתן לחזק אותה על ידי יצירה קרה או התקשות עבודה (ראה ASTM A666). לנירוסטה אוסטניטית, במיוחד לנירוסטה אוסטניטית רגילה, יש חיסרון פוטנציאלי, כלומר, בהשוואה לנירוסטה פריטית ולנירוסטה דופלקסית, היא נוטה לסדיקת קורוזיה של כלוריד.

סדרת 300 או נירוסטה אוסטניטית סטנדרטית מכילה בדרך כלל 8 אחוז ~ 11 אחוז ניקל ו 16 אחוז ~ 20 אחוז כרום. המבנה המטאלוגרפי של נירוסטה אוסטניטית סטנדרטית מורכב בעיקר מגרגרים אוסטניטיים ומכיל כמות קטנה (בדרך כלל 1-5 אחוזים) של פאזת δ פריט (איור 3). בגלל הנוכחות של פאזת פריט, לפלדות הנירוסטה האוסטניטיות הללו יש מעט מגנטיות.

המבנה המטאלוגרפי הטיפוסי של פלדת אל-חלד מזויפת 304L מורכב מגרגרים אוסטניטיים ורצועת פריט בודדת © TMR Stainless.

 

בהשוואה לנירוסטה מסדרת 300, לנירוסטה אוסטניטית מסדרה 200 יש תכולת Ni נמוכה יותר, אך תכולת Mn ו-N גבוהה יותר. מקדם התקשות החוזק והמתח של נירוסטה מסדרת 200 גבוהים מזה של נירוסטה מסדרה 300. בגלל תכולת הניקל הנמוכה, פלדת אל-חלד מסדרת 200 משמשת לעתים כתחליף זול לנירוסטה מסדרת 300.

מבנה המיקרו של פלדת אל-חלד אוסטניטית בעלת ביצועים גבוהים הוא כולו שלב אוסטני ללא פרומגנטיות (איור 4). בהשוואה לנירוסטה אוסטניטית רגילה, נירוסטה אוסטניטית בעלת ביצועים גבוהים מכילה יותר יסודות ניקל, כרום ומוליבדן, ובדרך כלל מכילה חנקן. פלדות אל-חלד אלו בעלות עמידות בפני קורוזיה חזקה בסביבות קורוזיביות כגון חומצה חזקה, אלקליות חזקות וכלוריד גבוה, כולל מים מליחים, מי ים ומי מלח. בהשוואה לנירוסטה אוסטניטית רגילה, לנירוסטה אוסטניטית בעלת ביצועים גבוהים יש דרגת חוזק גבוהה יותר ועמידות טובה יותר בפני פיצוח קורוזיה.

מבנה מטאלוגרפי של 6 אחוז מפלדת אל-חלד אוסטניטית בעלת ביצועים גבוהים, הכול מורכב מגרגרים אוסטניטיים © TMR Stainless.

 

1.2 נירוסטה פריטית:

מבנה המיקרו של נירוסטה פריטית הוא שלב פריט. לפלדת אל חלד פריטית יש תכולת ניקל נמוכה או ללא והיא פרומגנטית. לא ניתן להקשיח אותו על ידי טיפול בחום. התכונות הפרומגנטיות של פלדת אל חלד מסוג זה דומות לאלו של פלדת פחמן. פלדת אל חלד פריטית בעלת חוזק טוב ועמידות בפני פיצוח קורוזיה מתח כלוריד היא הרבה יותר טובה מפלדת אל-חלד סטנדרטית מסדרת 300. עם זאת, יכולת הצורה והריתוך שלהם גרועים. הקשיחות שלהם אינה טובה כמו נירוסטה אוסטניטית, והיא תפחת עם הגדלת עובי החתך. עם ירידת הטמפרטורה, פלדת אל-חלד פריטית תראה מעבר ברור שברירי-רקיע. מוגבל על ידי גורמים אלה, השימוש בנירוסטה פריטית מוגבל בדרך כלל למוצרים בעלי עובי דופן דק יותר, כגון צלחות דקות, רצועות וצינורות דקים.

 

1.3 פלדת אל חלד דופלקס:

נירוסטה דופלקס מורכבת מפאזה פריט ופאזה אוסטניט, כל אחת מהן מהווה כמחצית. לנירוסטה דופלקס יש מאפיינים רבים של נירוסטה אוסטניטית ופריטית. למרות שטיפול בחום אינו יכול להקשיח פלדות כאלה, חוזק התפוקה שלהן הוא בדרך כלל כפול מזה של נירוסטה אוסטניטית רגילה, והמשיכה המגנטית שלהן פרופורציונלית לשבריר הנפח של פאזת הפריט. התכונה הדופלקסית של המבנה המטאלוגרפי של נירוסטה דופלקס הופכת את עמידותה בפני פיצוח קורוזיה למתח טוב יותר מזו של נירוסטה אוסטניטית רגילה.

 

1.4 פלדת אל חלד מרטנסיטית:

המיקרו-מבנה של נירוסטה מרטנסיטית הוא בעיקר מרטנזיט, שעשוי להכיל כמות קטנה של שלבים משניים כגון פריט, אוסטניט וקרביד. נירוסטה מרטנסיטית היא פרומגנטית ודומה לפלדת פחמן. הקשיות הסופית תלויה בטיפול החום הספציפי. לפלדת אל-חלד מרטנסיטית חוזק גבוה, עמידות בפני שחיקה טובה, קשיחות ירודה וטמפרטורת מעבר גבוהה רקיעה-שבירה. הם קשים לריתוך ובדרך כלל דורשים טיפול בחום לאחר הריתוך. לכן, פלדת אל חלד מרטנסיטית מוגבלת בדרך כלל ליישומים שאינם ריתוך. תכולת הכרום של נירוסטה מרטנסיטית אינה גבוהה מדי. חלק מיסודות הכרום משקעים בצורה של קרבידים, וכתוצאה מכך עמידות נמוכה בפני קורוזיה, בדרך כלל נמוכה מהנירוסטה האוסטניטית הסטנדרטית 304/304L. בשל הקשיחות ועמידותה לקורוזיה, פלדת אל חלד מרטנסיטית משמשת בדרך כלל ליישומים הדורשים חוזק וקשיות גבוהים, כגון כלים, מחברים ופירים.

 

1.5 פלדת אל חלד מוקשה משקעים:

ניתן לחזק פלדת אל-חלד של התקשות משקעים (PH) גם על ידי טיפול בחום. התכונה הבסיסית של סוג זה של נירוסטה היא שהחיזוק החלקי שלה מושג על ידי מנגנון משקעים. משקעים בין-מתכתיים עדינים מיוצרים על ידי טיפול בחום התקשות יישון כדי לשפר את החוזק. בשל תכולת כרום גבוהה, לנירוסטה מתקשות משקעים יש עמידות בפני קורוזיה טובה יותר מפלדת אל-חלד מרטנסיטית, והיא מתאימה ליישומים בעלי חוזק גבוה הדורשים עמידות טובה בפני קורוזיה. פלדת אל חלד מתקשות משקעים משמשת בעיקר לקפיצים, מחברים, חלקי מטוסים, פירים, גלגלי שיניים, מפוח וחלקי מנועי סילון.

 

2. הרכב השלב:

יסודות הסגסוגת משפיעים על קשר שיווי המשקל של השלבים ויש להם השפעה חזקה על היציבות של שלבי אוסטניט, פריט ומרטנזיט. ניתן לחלק אלמנטים המתווספים לפלדת אל-חלד לאלמנטים היוצרים שלב פריט או אלמנטים ליצירת שלב אוסטניט. שיווי המשקל הפאזי תלוי בהרכב הכימי, טמפרטורת החישול וקצב הקירור של הפלדה. עמידות בפני קורוזיה, חוזק, קשיחות, יכולת ריתוך וכושר צורה מושפעים כולם מאיזון פאזה.

אלמנטים יוצרי פריט תורמים להיווצרות שלב הפריט, בעוד שאלמנטים יוצרי אוסטניט מקדמים את היווצרות שלב האוסטניט. טבלה 3 מפרטת אלמנטים שכיחים ליצירת שלב פריט ואוסטניט. דרגת הנירוסטה ויישומה קובעים את איזון השלבים הנדרש. ברוב הפלדות הנירוסטה האוסטניטיות הסטנדרטיות יש כמות קטנה של פאזת פריט תחת חישול תמיסה. חישול פתרון יכול לשפר את יכולת הריתוך והקשיחות בטמפרטורה גבוהה. עם זאת, אם תכולת שלב הפריט גבוהה מדי, תכונות אחרות כגון עמידות בפני קורוזיה וקשיחות יופחתו. פלדת אל חלד אוסטניטית בעלת ביצועים גבוהים מתוכננת בהתאם לכל השלבים האוסטניטיים בתנאי חישול תמיסה.

 

כדי לשלוט בהרכב הפאזה של הפלדה ובכך בתכונות הפלדה, יש צורך לשמור על יסודות הסגסוגת בשיווי משקל. דיאגרמת מבנה Schaeffler (איור 5) משקפת את הקשר בין ההרכב הכימי של נירוסטה לבין מבנה הפאזה הצפוי במצב ההתמצקות, כפי שמתגלה על ידי מבנה הריתוך. בדרך זו, המשתמשים יכולים לחזות את שיווי המשקל הפאזי על סמך ההרכב הכימי הנתון. חשב את "מקביל הניקל" ו"שווה ערך לכרום" מההרכב הכימי וצייר אותם באיור. הנוסחה של הפרמטרים הנפוצים של תרשים הארגון של Schaeffler היא כדלקמן:

שווה ערך לניקל {{0}} אחוז Ni ועוד 30 אחוז C פלוס 0.5 אחוז Mn ועוד 30 אחוז N

שווה ערך לכרום {{0}} אחוז Cr פלוס אחוז Mo פלוס 1.5 אחוז Si פלוס 0.5 אחוז Nb

הנירוסטה האוסטניטית בעלת הביצועים הגבוהים הטיפוסית מכילה כ-20 אחוז Cr, 6 אחוזים Mo, 20 אחוזים Ni ו-0.2 אחוזים N, אשר ממוקמת באזור הפאזה האוסטניטית החד-פאזי באיור, ליד ה"פריטית קו עם ניקל שווה ערך של כ-24 וכרום שווה ערך של כ-26. לעומת זאת, ההרכב הכימי של נירוסטה סטנדרטית (כגון 304) מתאים לאזור הדופלקס של אוסטניט פלוס פריט (A פלוס F) עם כמות קטנה של פריט שלב. פלדת אל-חלד פריטית נמצאת באזור שלב הפריט באיור, ונירוסטה דופלקסית נמצאת באזור הדופלקס של אוסטניט פלוס פריט (A פלוס F).