ΧΑΛΥΒΕΣ ΚΑΙ ΑΝΟΞΕΙΔΩΤΟΙ ΧΑΛΥΒΕΣ

Transcript

1 ΧΑΛΥΒΕΣ ΚΑΙ ΑΝΟΞΕΙΔΩΤΟΙ ΧΑΛΥΒΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Χάλυβες ονομάζονται τα σιδηρούχα κράματα με περιεκτικότητα έως 2% άνθρακα και αποτελούν πάνω από το 80% των βιομηχανικών κραμάτων. Αυτό οφείλεται τόσο στο χαμηλό τους κόστος όσο και στη σχετική ευκολία παραγωγής χαλύβων σε μεγάλες ποσότητες με ακριβείς προδιαγραφές. Οι ακόλουθοι τρεις παράγοντες παίζουν καθοριστικό ρόλο στην ευρεία χρήση τού χάλυβα. (α) τα μεγάλα παγκόσμια αποθέματα μεταλλεύματος ( ο φλοιός της γης περιέχει περίπου 4% σίδηρο Fe) που ανάγονται εύκολα στη μεταλλική κατάσταση σε συνδυασμό με τη δυνατότητα ανακυκλώσεως του παλαιοσιδήρου (scrap). (β) το σημείο τήξεως του σιδήρου (1539 C) επιτρέπει τη θερμική ενεργοποίηση διεργασιών σε θερμοκρασίες (Τ.>400 C) που επιτυγχάνονται σχετικά εύκολα και ελέγχονται βιομηχανικά (γ) η αλλοτροπία του σιδήρου και ο μετασχηματισμός φάσεων στους χάλυβες (π.χ. ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός) επιτρέπουν τον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας μικροδομών που οδηγεί σε ένα αντίστοιχα μεγάλο εύρος μηχανικών ιδιοτήτων. Αλλότροπα στοιχεία ονομάζονται αυτά τα οποία εμφανίζονται με περισσότερες της μίας φυσικές μορφές, αφού τα άτομά τους συνδυάζονται με ποικίλους τρόπους (π.χ. ο γραφίτης και το διαμάντι είναι αλλότροπα του άνθρακα). Τα παραπάνω καθιστούν τους χάλυβες το σημαντικότερο και πιο διαδεδομένο υλικό των μηχανολογικών κατασκευών. Κυρίαρχο ρόλο παίζει η αλλοτροπία του σιδήρου. Η διαμόρφωση της δομής και των ιδιοτήτων των χαλύβων πραγματοποιείται με τις θερμικές κατεργασίες (κυριότερη των οποίων είναι η ανόπτηση). Η μεγαλύτερη ποικιλία μικροδομών στους χάλυβες σχηματίζεται κατά το μετασχηματισμό του ωστενίτη όταν αυτός ψύχεται. Έτσι, βάσει της αλλοτροπίας του σιδήρου, έχουμε τη φάση του αfe BCC (κυβικό ενδοκεντρωμένο κρυσταλλικό πλέγμα) να κυριαρχεί μέχρι τους 910 C, τη φάση γ Fe FCC (κυβικό ολοεδρικά κεντρωμένο) μεταξύ 910 και 1400 C και τον αfe να επανεμφανίζεται μεταξύ 1400 C και σημείου τήξεως. 1. By adding nickel, the crystallgraphic structure changes frm bdycentered cubic (little r n nickel) t facecentered cubic (at least 6% nickel). Το στερεό διάλυμα του αfe με άνθρακα ονομάζεται φερρίτης, ενώ το αντίστοιχο στερεό διάλυμα του γfe με άνθρακα ονομάζεται ωστενίτης. Βασική διαφορά των δύο φάσεων αποτελεί η στερεά διαλυτότητα του άνθρακα η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη στον ωστενίτη απ ό,τι στο φερρίτη. Για παράδειγμα ο ωστενίτης μπορεί να διαλύσει 2% άνθρακα ενώ ο φερρίτης μόλις 0,02% κ.β.. 1

2 Αν και το σημαντικότερο κραματικό στοιχείο των χαλύβων είναι ο άνθρακας, τις περισσότερες φορές προστίθενται και άλλα κραματικά στοιχεία για διάφορους λόγους. Έτσι στους περισσότερους χάλυβες θα συναντήσουμε το Mn και το Si ή ακόμα το Cr, το Ni και το M. Ο ρόλος ενός κραματικού στοιχείου είναι σύνθετος. Επηρεάζει την στερεά διαλυτότητα των άλλων κραματικών στοιχείων, τη θερμοδυναμική σταθερότητα των φάσεων και εν γένει τη διαμόρφωση της μικροδομής στους χάλυβες καθώς και τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητές τους. Πιο συγκεκριμένα, τα στοιχεία διακρίνονται σε δύο κατηγορίες εξαιτίας της τάσης τους να προωθούν είτε την ωστενιτική είτε τη φερριτική μικροδομή. Παρακάτω αναφέρονται συνοπτικά οι κυριότερες επιδράσεις των κραματικών στοιχείων. Στοιχεία ενίσχυσης της φερριτικής δομής Χρώμιο (Cr) πρόκειται για ισχυρά καρβιδιογόνο στοιχείο. Τα καρβίδια του χρωμίου αυξάνουν την σκληρότητα και τις αντιτριβικές ιδιότητες του χάλυβα. Επιπλέον το χρώμιο αυξάνει την αντοχή σε οξείδωση (συμπεριλαμβανομένης και αυτής που προκαλείται από υψηλές θερμοκρασίες) και διάβρωση. Αποτελεί το βασικό κραματικό στοιχείο των ανοξείδωτων χαλύβων. Μολυβδαίνιο (Μο) πρόκειται για ισχυρά καρβιδιογόνο στοιχείο που αυξάνει ταυτόχρονα και την εμβαπτότητα των χαλύβων. Επίσης προσδίδει περαιτέρω αύξηση της αντοχής στη διάβρωση και ιδιαίτερα στη μικροδιάβρωση (pitting crrsin) και τη διάβρωση κοιλοτήτων (crevice crrsin) αναλύονται παρακάτω. Τέλος, το μολυβδαίνιο (όπως και το νιόβιο) αυξάνει τη μηχανική αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Τιτάνιο (Ti) και Νιόβιο (Nb) πρόκειται για καρβιδιογόνα στοιχεία που συντελούν στην αύξηση της σκληρότητας και της αντοχής με τον σχηματισμό καρβιδίων ενώ ταυτόχρονα περιορίζουν την αύξηση του μεγέθους των κόκκων σε υψηλές θερμοκρασίες. Και τα δύο παίζουν το ρόλο του σταθεροποιητή και συμβάλουν στη μείωση τού ρίσκου της περικρυσταλλικής διάβρωσης (intergranular crrsin) αναλύεται παρακάτω. Πυρίτιο (Si) και Αλουμίνιο (Al) είναι τα δύο συστατικά που προστίθενται για την αποξείδωση του χάλυβα. Υψηλή περιεκτικότητα πυριτίου οδηγεί σε μείωση της κατεργασιμότητας του χάλυβα. Και τα δύο αυξάνουν την αντοχή στην οξείδωση σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας. Στοιχεία ενίσχυσης της ωστενιτικής δομής Νικέλιο (Ni) προσδίδει ολκιμότητα και αυξάνει τη δυσθραυστότητα των χαλύβων, ενώ προκαλεί μείωση της θερμοκρασίας μεταβάσεως από την όλκιμη στην ψαθυρή συμπεριφορά θραύσεως. Σε περιεκτικότητα μεγαλύτερη του 7% σταθεροποιεί την ωστενιτική δομή σε θερμοκρασία δωματίου αποτελώντας ένα σημαντικό στοιχείο των ανοξείδωτων χαλύβων. Το νικέλιο συμβάλει επίσης στη γενικότερη αντοχή στη διάβρωση. 2

3 Άνθρακας (C) αποτελεί το σημαντικότερο στοιχείο στους χάλυβες συμβάλλοντας σημαντικά στην ισχυροποίησή τους. Με την αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα αυξάνονται η σκληρότητα, η αντοχή και η εμβαπτότητα, ενώ μειώνονται η ολκιμότητα, η δυσθραυστότητα και η συγκολλησιμότητα. Άζωτο (N) αυξάνει τη σκληρότητα και την αντοχή, ενώ παράλληλα μειώνει την ολκιμότητα. Πιο συγκεκριμένα, αυξάνει τις μηχανικές ιδιότητες των ωστενιτικών και των διφασικών (duple) ανοξείδωτων χαλύβων, βελτιώνοντας ταυτόχρονα την αντοχή τους στη μικροδιάβρωση και τη διάβρωση κοιλοτήτων. Μαγγάνιο (Mn) συναντάται σε όλους τους χάλυβες σε περιεκτικότητες πάνω από 0,2% και προστίθεται κυρίως για αποθείωση αφού σχηματίζει τα σουλφίδια MnS. Ο σχηματισμός αυτών των σουλφιδίων ευνοεί την κατεργασιμότητα και τη συγκολλησιμότητα του χάλυβα. Βελτιώνει τη συμπεριφορά του χάλυβα στην κατεργασία εν θερμό (έλαση και σφυρηλάτηση) και δύναται να αντικαταστήσει ως ένα σημείο (ma 15%) το νικέλιο στους ωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες. Χαλκός (Cu) αυξάνει την αντοχή στη διάβρωση από θειικό οξύ. Ουδέτερα στοιχεία Θείο (S) και Φώσφορος (P) αποτελούν ανεπιθύμητες ακαθαρσίες. Επιδρούν μειώνοντας την ολκιμότητα, τη δυσθραυστότητα, τη συγκολλησιμότητα και την αντοχή σε κρούση. Επιπλέον, μειώνουν την αντοχή στη διάβρωση και αυξάνουν την τάση ρωγμάτωσης του χάλυβα. ΑΝΟΞΕΙΔΩΤΟΙ ΧΑΛΥΒΕΣ Ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι κράμα σιδήρου, άνθρακα και χρωμίου με ελάχιστη περιεκτικότητα σε χρώμιο 10,5 % κ.β. Το χρώμιο δημιουργεί ένα μικροσκοπικό στρώμα (5 15 nm) τριοξειδίου του χρωμίου (Cr2O3), το οποίο προστατεύει το μεταλλικό υπόστρωμα από την οξείδωση και τη διάβρωση. Εκτός από χρώμιο, οι ανοξείδωτοι χάλυβες μπορεί να περιέχουν και άλλα κραματικά στοιχεία, όπως νικέλιο Ni, μολυβδαίνιο M, μαγγάνιο Mn κλπ. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές εφαρμογές που απαιτούν αντοχή στη διάβρωση, για λόγους οικονομικούς, για λόγους αισθητικούς ή για λόγους υγιεινής. Σε σύγκριση με τους κοινούς χάλυβες, οι ανοξείδωτοι χάλυβες, εκτός από την πολύ υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση, παρουσιάζουν επιπλέον και υψηλότερη μηχανική αντοχή. Ωστόσο, είναι πιο σκληροί και γι αυτό πιο δυσκατέργαστοι. Επίσης, παρουσιάζουν χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα. Οι ανοξείδωτοι χάλυβες διακρίνονται με βάση την κύρια φάση στην κρυσταλλική δομή τους. Ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες Πρόκειται για ανοξείδωτους χάλυβες με κύρια φάση τον ωστενίτη (γfe). Ο ωστενίτης είναι αλλοτροπική μορφή του σιδήρου που κρυσταλλώνεται στο ολοεδρικά κεντρωμένο κυβικό σύστημα. Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες περιέχουν πολύ λίγο άνθρακα (συνήθως <0,08% C, αλλά μερικοί περιέχουν έως 0,15% C) και τουλάχιστον 16% Cr. Ο ωστενίτης σταθεροποιείται με την προσθήκη Ni ή και Mn, και παραμένει η σταθερή φάση σε όλο το θερμοκρασιακό εύρος από το σημείο τήξης 3

4 του κράματος έως πολύ κάτω από το 0 C. Επειδή ο ωστενίτης δεν είναι μαγνητικός, οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες δεν είναι μαγνητικοί. Οι πιο κοινοί ωστενιτικοί χάλυβες είναι ο 18/8 (18% Cr, 8% Ni) και ο 18/10 (18% Cr, 10% Ni) που ανήκουν στη σειρά 300, σύμφωνα με τα αμερικανικά πρότυπα AISISAE. Οι χάλυβες AISI 316 παρουσιάζουν υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση και χαρακτηρίζονται από την παρουσία μολυβδαινίου (γύρω στο 2%). Οι τύποι 304L και 316L περιέχουν τις μικρότερες ποσότητες άνθρακα (< 0,03%) με συνέπεια την καλύτερη συμπεριφορά κατά τη συγκόλληση. Γενικά, οι ποιότητες της σειράς 300 έχουν καλή αντοχή στη διάβρωση, μεγάλη δυνατότητα διαμόρφωσης, χαμηλό όριο διαρροής, σχετικά υψηλό όριο θραύσης και καλή ικανότητα συγκόλλησης, παρέχοντας ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Εκτός από τη γνωστή σειρά 300 των ωστενιτικικών χαλύβων, υπάρχουν και οι λιγότερο ανθεκτικοί μαγγανιούχοι της σειράς 200. Αυτές οι νέες ποιότητες χρησιμοποιούν διαφορετική χημεία που διακρίνεται από μειωμένο χρώμιο (<15%) και αρκετά χαμηλότερη περιεκτικότητα νικελίου. Η μείωση του νικελίου με προσθήκη μαγγανίου, μειώνει την ποσότητα χρωμίου η οποία μπορεί να προστεθεί, επηρεάζοντας έτσι αρνητικά την αντοχή στη διάβρωση. Αναφέραμε νωρίτερα πως η προσθήκη νικελίου είναι ο κατεξοχήν τρόπος προστασίας της ωστενιτικής δομής στον ανοξείδωτο χάλυβα. Όμως η προσθήκη μαγγανίου, σε συνδυασμό με άζωτο, μπορεί να επιφέρει τα ίδια αποτελέσματα και με χαμηλότερο κόστος. Οι ποιότητες χρωμίου μαγγανίου χαρακτηρίζονται από σημαντικά μειωμένη περιεκτικότητα νικελίου και από την προσθήκη μαγγανίου και συχνά αζώτου και χαλκού (τα οποία επίσης έχουν ιδιότητες ωστενιτικής μορφοποίησης). Η προσθήκη αζώτου προκαλεί μεγαλύτερη σταθεροποίηση της ωστενιτικής φάσης, επιτρέποντας την προσθήκη περισσότερου χρωμίου. Το άζωτο ενεργεί επίσης ως σκληρυντικός παράγοντας. Οι ποιότητες της σειράς 200 συχνά αναφέρονται απλά μέσω της περιεκτικότητάς τους σε νικέλιο όπως 4% Ni και 1% Ni. Οι πιο αντιπροσωπευτικές ποιότητες είναι η 201 (1% Ni, min 15% Cr, ma 0,1% C ) και η 202 (4% Ni, min 16% Cr, ma 0,08% C ). Εκτός από το γεγονός ότι οι ανοξείδωτοι χάλυβες χρωμίου μαγγανίου είναι πιο φτηνοί, προσφέρουν ταυτόχρονα καλές δυνατότητες διαμόρφωσης και αντοχής, ανάλογα με τη χημεία τους. Χαρακτηριστικό πλεονέκτημά τους είναι οι υψηλότερες μηχανικές ιδιότητες από τις αντίστοιχες κλασικές σειρές 300 (π.χ. 304), κάτι που επιτρέπει τη μείωση του πάχους και επομένως του βάρους. Εντούτοις επισημαίνουμε την προσοχή στο γεγονός πως η σειρά 200 (και ιδιαίτερα κατηγορίες με υψηλό άζωτο) είναι πιο δύσκολες στη διαμόρφωση γεγονός που ενδέχεται να αυξήσει το κατασκευαστικό κόστος. Η προσθήκη χαλκού είναι μια λύση, αφού επιτρέπει τη μείωση της περιεκτικότητας αζώτου, με την περιεκτικότητα νικελίου και χρωμίου να παραμένει σταθερή. Η αύξηση της δημοτικότητας της σειράς 200 συσχετίστηκε με την αστάθεια των τιμών του νικελίου (κυρίως τις κατά καιρούς κατακόρυφες αυξήσεις) καθώς και με την πρόοδο της τεχνολογίας παραγωγής χάλυβα. Ταυτόχρονα, συνεχείς πιέσεις για μείωση κόστους, ιδιαίτερα από την αγορά της Ασίας, οδήγησε στην ανάπτυξη ωστενιτικών ποιοτήτων χαμηλής περιεκτικότητας σε νικέλιο και χρώμιο, οι οποίες συχνά δεν καλύπτονται από διεθνείς προδιαγραφές. Ουσιαστικά, πολλές ποιότητες χρωμίου μαγγανίου είναι χαρακτηριστικές συγκεκριμένων χαλυβουργείων και προσδιορίζονται απλώς από έναν τίτλο που τους δίνεται από τον εκάστοτε παραγωγό. Συνεπώς, συνίσταται στους κατασκευαστές που εξετάζουν τη χρήση τους να συμβουλεύονται μόνο προμηθευτές με καλή φήμη και σωστή ενημέρωση, οι οποίοι είναι κατάλληλοι για να τους προμηθεύσουν αποδεκτής ποιότητας υλικά και 4

5 αξιόπιστης προέλευσης. Επιπρόσθετα, τονίζουμε πως ο κατασκευαστής έχει τη δυνατότητα να επιλέξει εναλλακτικές λύσεις στις σειρές 400 και 300. Ολοκληρώνοντας την παρουσίαση της σειράς 200, αναφέρουμε παρακάτω κάποιες εφαρμογές όπου η εμπειρία απέδειξε τη θετική επίδοσή τους (κυρίως για τις ποιότητες με 4% Ni). Τέτοιες εφαρμογές αποτελούν τα μαχαιροπίρουνα και τα μαγειρικά σκεύη, ο οικιακός νεροχύτης, εξωτερικοί χώροι (που δεν είναι όμως παραθαλάσσιοι), ο επαγγελματικός εξοπλισμός, δομικά μέρη φορτηγών, ο κορμός λεωφορείων και κατασκευές στη βιομηχανία ζάχαρης. Τέλος, υπάρχουν και οι υπερωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες με πολύ υψηλή περιεκτικότητα σε Ni (>20%) και Μο (>6%) για υψηλή αντοχή στη διάβρωση από οξέα, χλώριο και χλωριούχα διαλύματα. Γνωστότερος τύπος αυτής της κατηγορίας είναι ο AISI 904L (1923% Cr, 2328% Ni, 45% M). Φερριτικοί και μαρτενσιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες Πρόκειται για ανοξείδωτους χάλυβες με κύρια φάση το φερρίτη (αfe) ή το μαρτενσίτη (μετασταθής φάση που προκύπτει με απότομη ψύξη του ωστενίτη). Περιέχουν 10,527% χρώμιο, αλλά ελάχιστο ή καθόλου νικέλιο (<2%). Περιέχουν ωστόσο μολυβδαίνιο ή και τιτάνιο και νιόβιο. Οι μαρτενσιτικοί χάλυβες περιέχουν 1217% χρώμιο. Όμως έχουν μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε άνθρακα και υπόκεινται σε συγκεκριμένη θερμική κατεργασία η οποία τους αυξάνει την σκληρότητα. Χρησιμοποιούνται για έλικες τουρμπίνων, μαχαιροπίρουνα, λεπίδες ξυραφιών κτλ. Οι φερριτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες απολαμβάνουν τα ίδια πλεονεκτήματα (μηχανικές ιδιότητες και αντοχή στη διάβρωση) των ωστενιτικών, υπερτερώντας μάλιστα σε κάποια από αυτά. Επιγραμματικά αναφέρονται παρακάτω τα ιδιαίτερα πλεονεκτήματα των φερριτικών. Ο μαγνητισμός τους, ο οποίος μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμος σε διάφορες εφαρμογές. Οι φερριτικοί χάλυβες έχουν χαμηλότερη θερμική διαστολή, και έτσι παραμορφώνονται λιγότερο από τους ωστενιτικούς όταν θερμαίνονται. Επίσης, ως συνέπεια του χαμηλότερου συντελεστή διαστολής έχουν υψηλότερη αντοχή στην οξείδωση που προκαλείται από υψηλή θερμοκρασία. Έχουν μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα διαχέοντας έτσι τη θερμότητα αποδοτικότερα (κατάλληλοι για ηλεκτρικά σίδερα, εναλλάκτες, σώματα κτλ). Οι σταθεροποιημένοι φερριτικοί χάλυβες παραμορφώνονται λιγότερο σε παρατεταμένη και βαθμιαία επιμήκυνση. Έχουν υψηλότερο όριο διαρροής (yield strength το σημείο όπου η παραμόρφωση παύει να είναι πλαστική). Οι φερριτικοί χάλυβες είναι λιγότερο εκτεθειμένοι στο φαινόμενο της διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση (stress crrsin cracking). Παρακάτω γίνεται πληρέστερη αναφορά. Οι φερριτικοί τύποι διακρίνονται σε πέντε κατηγορίες τρεις κοινές και δύο ιδιαίτερες. Κατηγορία 1 (409/410L) έχει τη χαμηλότερη περιεκτικότητα χρωμίου (1014%) από όλους τους τύπους ανοξείδωτου. Αυτή η κατηγορία είναι ιδανική για εφαρμογές με μικρή πιθανότητα διάβρωσης και όπου είναι αποδεκτή η παρουσία σκουριάς σε μικρή κλίμακα. Τυπικές εφαρμογές αποτελούν οι εξατμίσεις των αυτοκινήτων για το 409 ενώ τα εμπορευματοκιβώτια (cntainers) και μεγάλα οχήματα, όπως λεωφορεία, για το

6 Κατηγορία 2 (430) είναι η πιο δημοφιλής ομάδα των φερριτικών χαλύβων. Έχει υψηλότερη περιεκτικότητα χρωμίου (1418%) και αποδεκτή αντοχή στη διάβρωση που προσεγγίζει αυτήν του 304. Τυπικές εφαρμογές αποτελούν τα δοχεία των πλυντηρίων ρούχων, τα οικιακά και μαγειρικά σκεύη, καθώς και τα πλυντήρια πιάτων. Γενικά τονίζουμε το γεγονός πως το 430 μπορεί επάξια να αντικαταστήσει το 304 σε πολλές εφαρμογές όπου η χρήση του τελευταίου κρίνεται πλεονασματική και ακριβή (π.χ. εξοπλισμός χώρων μαζικής εστίασης). Κατηγορία 3 (430Ti, 441) συγκρινόμενα με την κατηγορία 2, αυτοί οι τύποι παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά στη συγκόλληση και τη διαμόρφωση. Η γενικότερη συμπεριφορά τους είναι αντάξια του ωστενιτικού 304. Η κατηγορία αυτή έχει περιεκτικότητα χρωμίου από 14 έως 18% και σταθεροποιητικά στοιχεία όπως το τιτάνιο και το νιόβιο. Οι νεροχύτες, οι εναλλάκτες, οι εξατμίσεις (μακροβιότερες αυτών από 409), ο επαγγελματικός εξοπλισμός, αποτελούν κάποιες από τις τυπικές εφαρμογές αυτής της κατηγορίας. 2. Τhe Limited Drawing Rati (LDR) is an imprtant deepdrawability parameter. It refers t the qutient f the maimum blank diameter (D) that can be deep drawn int a cylinder in ne step and the diameter (d) f that cylinder. LDR=D/d. Κατηγορία 4 (434, 436, 444) αυτοί οι τύποι χαρακτηρίζονται από την πρόσθεση μολυβδαίνιου, για υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση. Η παρουσία χρωμίου κυμαίνεται μεταξύ 14 και 20%. Τυπικές εφαρμογές αποτελούν οι δεξαμενές ζεστού νερού, οι ηλιακοί θερμοσίφωνες, τα εξωτερικά πάνελ κτλ. Η ανθεκτικότητα του 444 είναι παρόμοια με αυτήν του 316. Κατηγορία 5 (446, 445/447) χαρακτηρίζεται από υψηλά ποσοστά χρωμίου (1830%) και την ύπαρξη μολυβδαινίου, επιτυγχάνοντας ιδανική αντοχή στη διάβρωση και την οξείδωση, αποτελεσματικότερη από αυτήν που επιδεικνύει το 316. Είναι τύποι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε παράκτιες κατασκευές και γενικότερα σε περιβάλλοντα με συνθήκες ισχυρής διάβρωσης. Διφασικοί ανοξείδωτοι χάλυβες (duple) Οι διφασικοί ή ωστενοφερριτικοί χάλυβες ή ανοξείδωτοι χάλυβες διπλής φάσης (duple), περιέχουν ωστενίτη και φερρίτη σε αναλογία που κυμαίνεται από 50:50 έως 40:60. Συνήθως περιέχουν 1928% Cr, <5% M και λίγο Ni (1,57% ανάλογα με τον τύπο). Χάρη στην υψηλή περιεκτικότητα χρωμίου, αζώτου και 6

7 μολυβδαίνιου παρουσιάζουν εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, απολαμβάνοντας ταυτόχρονα το πλεονέκτημα των υψηλότερων μηχανικών ιδιοτήτων σε σχέση με τις άλλες οικογένειες. Για παράδειγμα, ο τύπος S32101 έχει μηχανικές ιδιότητες κατά 90% υψηλότερες του 304, επιτρέποντας έτσι να μειωθεί με ασφάλεια κατά μέσο όρο 30% το πάχος του υλικού που χρησιμοποιείται στις κατασκευές. Επιπλέον, λόγω της χαμηλής περιεκτικότητας σε νικέλιο προσφέρουν σταθερότερη τιμή σε σχέση με τους ωστενιτικούς χάλυβες. Εκτός του S32101 (ΕΝ ), άλλοι δημοφιλείς τύποι της οικογένειας των duple είναι οι S32304 (ΕΝ ) και ο S32205 (ΕΝ ). ΔΙΑΒΡΩΣΗ Τα μέταλλα, εξαιρουμένων των πολύτιμων όπως ο χρυσός και η πλατίνα, εμφανίζονται στη φυσική τους κατάσταση σε μεταλλεύματα (οξειδίων, σουλφιδίων και διάφορων άλλων χημικών μιγμάτων) από όπου και εξορύσσονται. Τα περισσότερα μέταλλα τείνουν να φθείρονται εκφυλίζονται κατά την επαφή τους με την ατμόσφαιρα, το νερό και άλλα φυσικά ή βιομηχανικά περιβάλλοντα και σταδιακά επιστρέφουν στην αρχική τους σύνθετη κατάσταση μετάλλευμα. Η μεταλλική διάβρωση αποτελεί μία χημική ή ηλεκτροχημική αποσύνθεση διάλυση του μετάλλου ή του κράματος, προκαλώντας απώλεια ύλης ανάλογα τον τύπο του υλικού και τη φύση του περιβάλλοντος στο οποίο εκτίθεται (χημική σύσταση, θερμοκρασία κτλ). Στην περίπτωση των χαλύβων, ο όρος διάβρωση αναφέρεται στα φαινόμενα που αναπτύσσονται στη ρευστή φάση (υδατικά ή οργανικά διαλύματα, άλατα ή λιωμένα μέταλλα), ενώ ο όρος οξείδωση (ή ξηρή διάβρωση) χρησιμοποιείται σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών. Η διάβρωση μπορεί να είναι μικρής έκτασης ή ακόμα και να αποφευχθεί πλήρως αν οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα δεν οδηγούν στη δημιουργία ενός ευδιάλυτου τύπου οξειδίου, αλλά μάλλον στην εμφάνιση ενός σταθερού προστατευτικού στρώματος οξειδίου ή ένωσης οξειδίου με άλλη ουσία. Εφόσον αυτή η ένωση συγκροτήσει στην επιφάνεια του μετάλλου ένα ικανά παχύ και συμπαγές στρώμα (χαρακτηριζόμενο ως παθητική μεμβράνη ή επίστρωση), ο κίνδυνος διάβρωσης ελαττώνεται εξαιτίας του φαινομένου της παθητικοποίησης. Οι ανοξείδωτοι χάλυβες αποτελούν μια σύγχρονη απάντηση στο πρόβλημα της διάβρωσης εκμεταλλευόμενοι την παρουσία στοιχείων (χρώμιο) που οξειδώνονται με υψηλή ευκολία και δημιουργούν σταθερά οξείδια στην επιφάνειά τους. Παραδόξως, η αντοχή των ανοξείδωτων χαλύβων οφείλεται στο χαρακτηριστικό ενός βασικού στοιχείου τους του χρωμίου να οξειδώνεται (απαραίτητη προϋπόθεση να υπάρχει σε αναλογία τουλάχιστον 11%). Η αντοχή στη διάβρωση επιτυγχάνεται με την αυτογενή δημιουργία (σε αεριζόμενο περιβάλλον) μίας πολύ ψιλής παθητικής μεμβράνης στην επιφάνεια του μετάλλου (το αντίστοιχο ισοδύναμο ενός φύλλου χαρτιού τοποθετημένο πάνω σε μια πολυκατοικία είκοσι ορόφων). Η σταθερότητα αυτής της μεμβράνης επηρεάζει την αντοχή στη διάβρωση των ανοξείδωτων χαλύβων και επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες όπως η φύση του διαβρωτικού μέσου, η χημική σύσταση του χάλυβα, η κατάσταση της επιφάνειάς του, η επαφή με άλλα υλικά κτλ. Όταν οι ανοξείδωτοι χάλυβες χρησιμοποιούνται σωστά και ο κατάλληλος τύπος έχει επιλεχθεί βάσει των συνθηκών που επικρατούν, η παθητική μεμβράνη αναδημιουργείται αενάως λειτουργώντας ως ασπίδα κατά της διάβρωσης. Λανθασμένες επιλογές και η επικράτηση διαφόρων συνθηκών δύνανται να οδηγήσουν σε αστοχία των ανοξείδωτων χαλύβων και την εμφάνιση διάβρωσης. Στην περίπτωσή τους ενδέχεται να μην παρουσιάζεται με την εμφανή σκουριά που παρατηρείται στους κοινούς χάλυβες. Τα αποτελέσματα της διάβρωσης πολλές φορές 7

8 αναπαράγονται με γοργό ρυθμό και με καταστρεπτικές συνέπειες. Διαφορετικά μέσα προκαλούν διαφορετικούς τύπους προσβολής του μετάλλου που ποικίλουν σε φύση και εμφάνιση. Παρακάτω παρουσιάζονται οι διάφορες μορφές διάβρωσης που εμφανίζονται στους ανοξείδωτους χάλυβες. Εκτεταμένη διάβρωση (unifrm crrsin) Εμφανίζεται όταν όλο ή μεγάλο μέρος του προστατευτικού στρώματος καταστρέφεται. Η διάβρωση τότε προκαλεί ομοιόμορφη απώλεια μετάλλου στη μη προστατευόμενη επιφάνεια. Τέτοιας μορφής διάβρωση στους ανοξείδωτους χάλυβες παρατηρείται κυρίως σε οξέα ή θερμά αλκαλικά διαλύματα (π.χ. κάλιο και νάτριο). Οι ανοξείδωτοι χάλυβες παρουσιάζουν γενικά ικανοποιητική αντοχή σε οξειδωτικά οξέα, όπως το νιτρικό οξύ, αλλά δεν είναι πάντα σε θέση να διατηρήσουν το παθητικό στρώμα σε μη οξειδωτικά οξέα (υδροχλωρικό και υδροφθορικό οξύ). Η παρουσία αλογονιδίων (όπως φθόριο και χλώριο) αυξάνει επίσης την επιθετικότητα τόσο των οργανικών όσο και των ανόργανων οξέων. Η αντοχή σε αυτή τη μορφή διάβρωσης βελτιώνεται με υψηλότερη περιεκτικότητα χρωμίου, νικελίου και μολυβδαινίου καθώς και με την παρουσία χαλκού. Είναι επιβεβλημένο κατά την επιλογή της κατάλληλης ποιότητας να λάβουμε υπ όψιν τις πιθανές διαφοροποιήσεις που ενδέχεται να προκύψουν στη θερμοκρασία και την περιεκτικότητα του μέσου στο οποίο εκτίθεται ο χάλυβας. 3. Unifrm crrsin n the utside f a steam tube that has been epsed t sulphuric acid. Μικροδιάβρωση (pitting crrsin) και διάβρωση κοιλοτήτων (crevice crrsin) Υπάρχουν ουσίες που προκαλούν μόνο τοπική διατάραξη του παθητικού στρώματος του ανοξείδωτου χάλυβα, οδηγώντας έτσι σε διάβρωση περιορισμένης έκτασης σε αντίθεση με την εκτεταμένη ή ολική διάβρωση που εξετάσαμε νωρίτερα. Η μικροδιάβρωση είναι μια τέτοιας μορφής διάβρωση που χαρακτηρίζεται από την προσβολή του μετάλλου σε μικρές διακριτές περιοχές της επιφάνειάς του. Η μικροδιάβρωση ή διάβρωση με βελονισμό ή τρηματική διάβρωση λαμβάνει χώρα όταν ο ανοξείδωτος χάλυβας εκτίθεται σε περιβάλλον ουδέτερων ή όξινων διαλυμάτων που περιέχουν χλωρίδια. Ιόντα από χλωριούχα διαλύματα συντελούν στην τοπική κατάρρευση του παθητικού στρώματος Cr2Ο3. Μία ρωγμή στο τελευταίο πυροδοτεί μια γαλβανική αντίδραση όπου η περιοχή του απροστάτευτου μετάλλου καθίσταται η άνοδος ενώ αυτή που την περιβάλει με το άθικτο στρώμα η κάθοδος. Αυτή η δυσμενής αναλογία στις επιφάνειες ανόδου και καθόδου πυροδοτεί ραγδαία διάβρωση στην ευπαθή επιφάνεια του μετάλλου που αποτελεί την άνοδο. Όταν το μέταλλο διαβρώνεται, διαλυμένα μεταλλικά ιόντα δημιουργούν συνθήκες χαμηλού ph και τα χλωριούχα ιόντα μεταναστεύουν στο ευάλωτο σημείο ώστε να ισορροπήσουν το θετικό φορτίο των μεταλλικών ιόντων. Ως επακόλουθο, έχουμε επιδείνωση του περιβάλλοντος της απροστάτευτης περιοχής, αδυναμία λειτουργίας της παθητικοποίησης και διασπορά της διάβρωσης με γοργό ρυθμό. 8

9 4. Pitting attack in the heat affected zne inside a butwelded stainless steel pipe. Μικροδιάβρωση παρατηρείται συχνά και σε κοιλότητες ή συγκολλήσεις επιφανειών, εξαρτημάτων κτλ. Σ αυτή την περίπτωση γίνεται λόγος για διάβρωση κοιλοτήτων, σπηλαιώδη διάβρωση ή διάβρωση διαχωριστικών επιφανειών (crevice crrsin). Οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην ατμόσφαιρα ή σε υδάτινο περιβάλλον καταναλώνουν οξυγόνο. Μέσα σε μία κοιλότητα η παρουσία οξυγόνου περιορίζεται. Μικρές ποσότητες διαλυμένων μεταλλικών ιόντων προκαλούν μείωση του ph μέσα στην κοιλότητα ενώ η παρουσία ιόντων από χλωριούχα διαλύματα προκαλεί ενεργοποίηση της επιφάνειας του μετάλλου με την απροστάτευτη περιοχή να λειτουργεί ως άνοδος. Ο μηχανισμός εξάπλωσης της διάβρωσης είναι ο ίδιος με αυτόν που περιγράψαμε στη μικροδιάβρωση. Η διάβρωση κοιλοτήτων μπορεί να είναι έντονη ακόμα και σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία. Γενικότερα, η υψηλή περιεκτικότητα χλωριδίων, το χαμηλό ph, καθώς και η υψηλή θερμοκρασία και η ύπαρξη στάσιμου διαλύματος (σε αντίθεση με αυτά που είτε έχουν ροή είτε στραγγίζονται), είναι παράγοντες που αυξάνουν την πιθανότητα εμφάνισης μικροδιάβρωσης και διάβρωσης κοιλοτήτων. Η αντοχή των ανοξείδωτων χαλύβων σε αυτή τη μορφή διάβρωσης ενισχύεται αυξάνοντας την περιεκτικότητα χρωμίου και μολυβδαινίου. Υψηλή περιεκτικότητα αζώτου λειτουργεί επίσης ευεργετικά για τους ωστενιτικούς και διφασικούς τύπους. Τονίζουμε πως καθαρές και λείες επιφάνειες παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά. Επίσης, για την αποφυγή της διάβρωσης κοιλοτήτων συνίσταται η χρήση συνδέσμων (π.χ. βίδες, φλάντζες κτλ) και κολλήσεων (π.χ. ηλεκτρόδια, TIG κτλ) υψηλότερου κράματος (π.χ. 316 αντί 304). Τέλος, εξαιτίας του ότι η διάβρωση προκαλείται ευκολότερα σε συνθήκες στάσιμου διαλύματος, συνίσταται οι κατασκευές να σχεδιάζονται με τέτοιον τρόπο που να επιτρέπει την αποστράγγιση ή απορροή των υγρών. Για την ορθότερη εξέταση και απόφαση ποιου ανοξείδωτου τύπου πρέπει να επιλέξουμε για την αποφυγή της πιο κοινής μορφής διάβρωσης που είναι η μικροδιάβρωση χρησιμοποιούμε τον επονομαζόμενο παράγοντα PRE. Ο PRE (Pitting Resistance Equivalent) αποτελεί μια μονάδα μέτρησης της σχετικής αντοχής ενός ανοξείδωτου τύπου στη μικροδιάβρωση. Όσο υψηλότερος είναι ο αριθμός PRE ενός τύπου, τόσο υψηλότερη αντοχή απολαμβάνει. Η μαθηματική συνάρτηση που μας δίνει το PRE του κάθε τύπου είναι η ακόλουθη PRE = % Cr 3.3 % M 16 % N και φανερώνει πως η αντοχή στη διάβρωση είναι απότοκος της χημικής σύνθεσης και όχι της ατομικής δομής του χάλυβα (ωστενιτικός ή φερριτικός). Αξιοσημείωτο είναι η απουσία νικελίου στη φόρμουλα του PRE, δεδομένου πως αυτό δεν συμβάλει, στις περισσότερες περιπτώσεις, στην αποφυγή της μικροδιάβρωσης. 9

10 5. Σύγκριση του PRE μεταξύ δημοφιλών φερριτικών και ωστενιτικών τύπων. Διάβρωση με μηχανική καταπόνηση (stress crrsin cracking and crrsin fatigue) Η διάβρωση με μηχανική καταπόνηση ή δυναμοδιάβρωση ή εργοδιάβρωση είναι ένα φαινόμενο που παρατηρείται όταν ο ανοξείδωτος χάλυβας βρίσκεται υπό μηχανική καταπόνηση σε διαβρωτικό περιβάλλον, και συχνότερα εντός χλωριούχων διαλυμάτων όπως στην περίπτωση της μικροδιάβρωσης. Η εμφάνιση της δυναμοδιάβρωσης σχετίζεται όμως περισσότερο με την ύπαρξη υψηλής θερμοκρασίας. Σε θερμό περιβάλλον, διαλύματα με χαμηλή περιεκτικότητα χλωριδίων και οξειδωτικών μέσων που δεν θα ήταν ικανά να προκαλέσουν μικροδιάβρωση, είναι σε θέση να οδηγήσουν σε διάβρωση μηχανικής καταπόνησης. Οι εναπομένουσες τάσεις από κατεργασίες στις οποίες υποβάλουμε το μέταλλο ( όπως διαμόρφωση, συγκόλληση κτλ) ενδέχεται να είναι τόσο υψηλές ώστε να προκαλέσουν το φαινόμενο της δυναμοδιάβρωσης. Η διαδικασία της ανόπτησης μπορεί να μειώσει αυτό το ενδεχόμενο, όπου βέβαια είναι δυνατόν να ακολουθηθεί. Το τραχύ βούρτσισμα επίσης προσδίδει στην επιφάνεια του μετάλλου τάσεις καταπόνησης που ενδέχεται να αποτελέσουν αιτία διάβρωσης και γι αυτό φρόνιμο είναι να αποφεύγεται. Επίσης, υλικό που είναι εκτεθειμένο σε κυκλικό φορτίο ενδέχεται να αποτύχει σε φορτία αρκετά χαμηλότερα από το όριο θραύσης του, ιδιαίτερα δε όταν λειτουργεί σε διαβρωτικό περιβάλλον (π.χ. κύλινδροι προσκόλλησης με κενό αέρος στη βιομηχανία χαρτιού). Σε αυτήν την περίπτωση (crrsin fatigue), ανοξείδωτοι χάλυβες με υψηλές μηχανικές ιδιότητες, όπως οι διφασικοί (duple), παρουσιάζουν ανώτερη αντοχή από τους κοινούς ωστενιτικούς τύπους. Οι συχνότερες εμφανίσεις της διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση λαμβάνουν χώρα σε θερμοκρασίες άνω των 50 C. Έχει παρατηρηθεί όμως και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος στους κοινούς ωστενιτικούς χάλυβες 304 και 316 (π.χ. σε περιβάλλον πισίνας). Η επίδραση της δυναμοδιάβρωσης στους ανοξείδωτους χάλυβες λαμβάνει τη μορφή ψιλών διακλαδωμένων ρωγμών και συχνά κάνει την εμφάνισή της αιφνίδια και με γοργό ρυθμό εξάπλωσης. Μία συνήθης αιτία πρόκλησης δυναμοδιάβρωσης είναι η συμπύκνωση χλωριδίων μετά την εξάτμιση υγρών που βρίσκονται στην επιφάνεια χάλυβα που έχει υψηλή θερμοκρασία. Το υγρό που εξατμίζεται μπορεί να είναι καθαρό νερό ή αραιά διαλύματα τα οποία εξαιτίας της χαμηλής περιεκτικότητας χλωριδίων είναι αβλαβή. Όταν όμως το νερό εξατμίζεται η συγκέντρωση χλωριδίων στο διάλυμα αυξάνει σημαντικά ώστε να οδηγήσει σε διάβρωση. 10

11 6. Stress crrsin cracking in a stainless steel tube. Οι φερριτικοί και διφασικοί ανοξείδωτοι χάλυβες παρουσιάζουν ικανοποιητική αντοχή στο φαινόμενο της διάβρωσης με μηχανική καταπόνηση, ενώ αντίθετα οι δημοφιλείς ωστενιτικοί τύποι 304 και 316 είναι ευαίσθητοι σε αυτήν τη μορφή διάβρωσης. Επομένως, όσον αφορά τους ωστενιτικούς χάλυβες, απαιτείται υψηλή περιεκτικότητα νικελίου και μολυβδαινίου για αποτελεσματική αντοχή στην περίπτωση της δυναμοδιάβρωσης και προτείνονται συγκεκριμένα οι τύποι (EN) , , , Stress crrsin cracking resistance f mill annealed austenitic and duple stainless steels in the drp evapratin test with sdium chlride slutins at 120 C (stress that caused cracking shwn as a percentage f yield strength). Περικρυσταλλική διάβρωση (intergranular crrsin) Η περικρυσταλλική διάβρωση συμβαίνει όταν ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας εκτίθεται σε θερμοκρασίες μεταξύ 550 και 850 C και σχηματίζονται καρβίδια του χρωμίου (Fe, Cr)23 C6 γύρω από τους κρυστάλλους του κράματος. Τα καρβίδια αυτά αντικαθιστούν το οξείδιο του χρωμίου και έτσι ο χάλυβας χάνει την προστασία του. Με άλλα λόγια, ενώ αυξάνει έντονα η περιεκτικότητα του χρωμίου στο καθίζημα των καρβιδίων, μειώνεται ταυτόχρονα η διάχυσή του στον ωστενίτη καθιστώντας την περιοχή που συνορεύει με τα καρβίδια ευάλωτη σε διαβρωτικό περιβάλλον, δεδομένου του ρόλου που επιτελεί το χρώμιο στην παθητικοποίηση του μετάλλου. Η περικρυσταλλική διάβρωση μπορεί να είναι το αποτέλεσμα συγκόλλησης ή θερμικής διαμόρφωσης σε ακατάλληλη θερμοκρασία. Η ανθεκτικότητα του ανοξείδωτου χάλυβα στην εν λόγω διάβρωση ενισχύεται με τη διαδικασία της ανόπτησης. Δηλαδή ο χάλυβας θερμαίνεται σε θερμοκρασίες στο εύρος C, όπου τα καρβίδια χρωμίου διαλύονται, και έπειτα ακολουθεί απότομη ψύξη στον αέρα ή σε νερό (βαφή). Αυτή η διαδικασία αφήνει τον άνθρακα σε αδιάλυτη κατάσταση στον χάλυβα. Η χαμηλή περιεκτικότητα άνθρακα 11

12 (<0,03%) είναι ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που μειώνει την έκθεση στην περικρυσταλλική διάβρωση (επιλογή 304L και 316L). 8. Intergranular crrsin attack. Χάλυβες που περιέχουν τιτάνιο ή νιόβιο (σταθεροποιημένοι) εμφανίζουν καλή αντοχή την περικρυσταλλική διάβρωση, ακόμα και όταν η περιεκτικότητα του άνθρακα είναι σχετικά υψηλή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το τιτάνιο και το νιόβιο σχηματίζουν καρβίδια ευκολότερα από το χρώμιο, δεσμεύοντας έτσι τον άνθρακα και μην επιτρέποντας τον σχηματισμό καρβιδίων του χρωμίου. Οι τύποι με χαμηλό άνθρακα και αυτοί που περιέχουν τιτάνιο ή νιόβιο θεωρούνται ισοδύναμοι όσον αφορά την αντοχή τους στην περικρυσταλλική διάβρωση. Σε περιπτώσεις όμως μακράς έκθεσης του χάλυβα σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 500 C συνίσταται η χρήση των σταθεροποιημένων τύπων. Ηλεκτροχημική διάβρωση (galvanic crrsin) Η ηλεκτροχημική ή γαλβανική διάβρωση παρατηρείται όταν δύο διαφορετικά μέταλλα έρχονται σε επαφή ενώ εμβαπτίζονται σε ένα αγώγιμο υγρό, τον ηλεκτρολύτη. Τότε, το λιγότερο ευγενές (χημικά ενεργό) υλικό, η άνοδος, υφίσταται έντονη διάβρωση ενώ το περισσότερο ευγενές (χημικά αδρανές) υλικό, η κάθοδος, παραμένει σχετικά αλώβητο. Παράγοντες που επηρεάζουν τη φύση της γαλβανικής διάβρωσης είναι η διαφορά στην «ευγένεια» (nbility) των δύο μετάλλων, η αναλογία της επιφάνειας μεταξύ τους και η αγωγιμότητα του διαλύματος ηλεκτρολύτη. Όσο πιο κοντά βρίσκονται τα δύο μέταλλα αναφορικά με την ευγένειά τους (δηλαδή όσο πιο κοντά βρίσκονται στη σειρά δραστικότητας των μετάλλων), τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα ανάπτυξης γαλβανικής προσβολής. Όταν η επιφάνεια του μετάλλου που 12

13 καθιστά την άνοδο είναι πολύ μικρή σε σχέση με αυτήν της καθόδου, προκαλείται εντονότερη διάβρωση του πρώτου και γι αυτό θα πρέπει να αποφεύγονται μεγάλες διαφοροποιήσεις στην αναλογία των μετάλλων που χρησιμοποιούνται. Η επίστρωση ή βαφή του ανώτερου μετάλλου (της καθόδου) θα πρέπει να επιλέγεται ως προστασία κατά της ηλεκτροχημικής διάβρωσης και όχι η βαφή του μετάλλου που καθιστά την άνοδο. Τέλος, φροντίζουμε να επιλέγουμε διαλύματα με σχετικά χαμηλή αγωγιμότητα. 9. Galvanic series in flwing seawater, 10 C. Οι ανοξείδωτοι χάλυβες, όσο παραμένουν σε κατάσταση παθητικοποίησης, θεωρούνται ευγενέστεροι έναντι άλλων μετάλλων και επομένως αποτελούν την κάθοδο στις περισσότερες γαλβανικές ενώσεις. Αυτό βέβαια οδηγεί σε εντονότερη διάβρωση υποδεέστερων μετάλλων όπως ο κοινός χάλυβας, το γαλβανιζέ, ο χαλκός και ο ορείχαλκος όταν συνδέονται με ανοξείδωτο χάλυβα. Αντίθετα, η γαλβανική διάβρωση δεν αποτελεί γενικά ζήτημα μεταξύ διαφορετικών τύπων ανοξείδωτου. Η ηλεκτροχημική διάβρωση αντιμετωπίζεται με τη χρήση μονωτικών φλαντζών ή πηνίων, αν και η χρήση τους μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση της διάβρωσης κοιλοτήτων σε περιβάλλον χλωριούχων διαλυμάτων. Μία άλλη μέθοδος προστασίας είναι να συνδέσουμε στο υλικό που θέλουμε να προστατεύσουμε ένα μέταλλο κατώτερο (ανόδιο), το οποίο θα αποτελέσει αυτό την άνοδο και θα υποστεί τη διάβρωση. Διάβρωση υψηλής θερμοκρασίας (high temperature crrsin) Όταν οι ανοξείδωτοι χάλυβες εκτίθενται σε θερμά αέρια πυροδοτούνται χημικές αντιδράσεις ανάμεσα στα κραματικά στοιχεία του χάλυβα και τα στοιχεία που συγκροτούν τα αέρια. Αποτέλεσμα αυτών των αντιδράσεων είναι η πρόκληση στρωμάτων με μεταβατική φάση (κατάσταση) αερίου και μετάλλου τα οποία είναι λιγότερο προστατευμένα στην επίδραση των αερίων. Η συνθήκη που πρέπει να ικανοποιηθεί για την προστασία από τη διάβρωση των υψηλών θερμοκρασιών είναι η οξειδωτική ικανότητα του αερίου (να περιέχει δηλαδή ικανό οξυγόνο για τη δημιουργία του προστατευτικού στρώματος σχηματίζοντας οξείδια με ένα ή περισσότερα από τα κραματικά στοιχεία του χάλυβα οξείδιο του χρωμίου). Η διάβρωση που προκαλείται από την έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες εμφανίζεται με ποικίλους τρόπους ανάλογα με το εύρος των θερμοκρασιών, το χρόνο έκθεσης του μετάλλου, το μίγμα αερίων που χρησιμοποιούνται κτλ (π.χ. οξείδωση, διάβρωση λόγω σουλφιδίων ή αλογόνων, ενανθράκωση, εναζώτωση, κλίβανοι αερίων). Κατά την επιλογή του τύπου χάλυβα για περιβάλλον υψηλών θερμοκρασιών οφείλουμε να γνωρίζουμε τόσο τις τρέχουσες όσο και τις αναμενόμενες συνθήκες λειτουργίας, όπως τη θερμοκρασία και σύσταση των αερίων καθώς και τη θερμοκρασία που αναπτύσσει το υλικό σε κάθε στάδιο. Σε συνεννόηση με έναν 13

14 σοβαρό προμηθευτή μπορούμε να καταλήξουμε στην επιλογή του καταλληλότερου τύπου για την εκάστοτε εφαρμογή σε περιβάλλον υψηλών θερμοκρασιών. Ατμοσφαιρική διάβρωση Η ατμοσφαιρική διάβρωση δεν καθιστά μια μοναδική μορφή διάβρωσης, αλλά χρησιμοποιείται ως όρος για να δηλώσει τη διάβρωση των επιφανειών στην ατμόσφαιρα (είτε εσωτερικά είτε υπαίθρια). Η διάβρωση των ανοξείδωτων χαλύβων προκαλείται από την παρουσία στο περιβάλλον τόσο των αλογονιδίων όσο και κυρίως των χλωριδίων. Το αποτέλεσμα αυτής της διάβρωσης γίνεται αρχικά εμφανές με τη μορφή διάσπαρτων κιτρινωπών κηλίδων (tea staining) στην επιφάνεια του μετάλλου, αν και δύναται να λάβει τοπικό και εντονότερο χαρακτήρα. Εδώ βέβαια χρειάζεται η επισήμανση πως η αλλαγή στην όψη του μετάλλου (κηλίδωση) ενδέχεται να οφείλεται όχι στην ατμοσφαιρική διάβρωση, αλλά την ύπαρξη σκόνης ή επείσακτης σκουριάς που δεν είναι σε θέση να επηρεάσει τον χάλυβα. Η μελέτη και γνώση των συνεπειών της ατμοσφαιρικής διάβρωσης απαιτείται για δύο ευρείες διακριτές χρήσεις του χάλυβα. Αυτές είναι η αρχιτεκτονική (διακοσμητική) και η δομική χρήση. Έτσι, στην πρώτη η εξωτερική εμφάνιση είναι το ζητούμενο, ενώ στη δεύτερη μπορούμε να αποδεχτούμε τυχόν επιφανειακές κηλίδες. Η θερμοκρασία, η σχετική υγρασία, οι καιρικές συνθήκες και οι αέριοι ρύποι (π.χ. SO2) είναι μεταξύ άλλων παράγοντες που επηρεάζουν την έκταση της διάβρωσης. Η ελεύθερη έκθεση του μετάλλου στην ατμόσφαιρα και τη βροχή είναι μέτρο που συμβάλει στην προστασία του, όπως και η κλίση της κατασκευής (να επιτρέπει την αποστράγγιση). Κρίσιμο ρόλο παίζει η κατάσταση της επιφάνειας του μετάλλου, όπου επιβάλλεται να επιλέγονται λεία φινιρίσματα (ΒΑ, 2Β, όχι τραχύ βούρτσισμα). Τέλος, πρέπει να λάβουμε υπ όψιν μας πως ο τακτικός καθαρισμός του μετάλλου συμβάλει αποφασιστικά στη συντήρησή του σε άψογη κατάσταση. 10. Relative pitting crrsin resistance f welded 4401 (316) after different pst weld cleaning treatments. Παρακάτω παρουσιάζονται τρεις πίνακες που αναφέρουν την καταλληλότητα διάφορων γνωστών τύπων σε διαφορετικά περιβάλλοντα. 14

15 Typical indr envirnments Typical utdr envirnments Suitable stainless steel grades Heated Deserts and artic areas (rural) 4016, 4521, 4301, 4372, 2101 Nn heated Dry envirnment with lw pllutin Castal envirnment with lw salt cncentratins, urban and industrial areas with mderate pllutin Plluted urban and industrial envirnments, castal areas with mderate salt depsits Heavily plluted industrial envirnments, marine atmsphere with high salt cncentratins in the atmsphere and a cmbinatin f marine and industrial envirnments 4016, 4521, 4301, 4372, 2101 Humid envirnment with lw pllutin Swimming pl envirnments, humid industrial areas with (vlatile) aggressive chemicals 4521, 4301, 4401, 2101, , 4438, 4439, 904L, 254 SMO, 4565, 2304, 2205, L, 254 SMO, 4565, 2205, Material selectin sheet fr sme ferritic, austenitic and duple grades in fur different envirnments: rural, urban, industrial and marine with three different crrsin categries, lw (L), medium (M) and high (H), respectively. Steel grade Type f utdr envirnment and crrsin categry Rural Urban Industrial Marine L M H L M H L M H L M H / / / / / 317 LMN / 904L / / / 2205 = ptimum chice, = may be used with precautins, = nt suitable, = verspecified

16 ΕΠΙΛΟΓΟΣ Η γενικότερη αντίληψη για τους ανοξείδωτους χάλυβες διακατέχεται από μερικές λανθασμένες παραδοχές που οφείλονται βέβαια στην άγνοια που επικρατεί. Μία λανθασμένη αντίληψη είναι πως ο ανοξείδωτος χάλυβας δεν περιέχει σίδηρο, όταν αυτό είναι το βασικό συστατικό του (περίπου 70 %). Μία άλλη λανθασμένη αντίληψη είναι αυτή που θεωρεί το ανοξείδωτο (ως συνήθως το 304) ως λύση έναντι οποιασδήποτε μορφής διάβρωσης, και επομένως όταν παρουσιάζει πρόβλημα το μέταλλο, τότε το κατηγορούμε πως δεν είναι σωστό ανοξείδωτο. Είδαμε όμως παραπάνω πως έχουμε τη δυνατότητα επιλογής από μια πληθώρα διαφορετικών τύπων ανοξείδωτου χάλυβα. Αυτό που οφείλουμε να πράξουμε είναι η μελέτη και κατανόηση των συνθηκών εφαρμογής και λειτουργίας του υλικού και η συνεννόηση με έναν αξιόπιστο προμηθευτή. Όπως βέβαια οφείλει ο τελικός χρήστης να αποφασίσει ποια είναι η αποδεκτή γι αυτόν σχέση μεταξύ κόστους υλικού και χρόνου ζωής του (υπάρχουν «αθάνατοι» τύποι που όμως κοστίζουν ακριβά). Ύψιστης σημασίας, όσον αφορά τη διατήρηση του ανοξείδωτου χάλυβα σε άρτια κατάσταση, είναι ο τακτικός καθαρισμός του όπως βέβαια και ο χημικός καθαρισμός (pickling/passivatin) με την ολοκλήρωση της κατασκευής. Τέλος, μια πολύ διαδεδομένη αλλά λανθασμένη αντίληψη που επικρατεί, είναι πως οι τύποι που μαγνητίζονται (φερριτικοί και διφασικοί) δεν είναι ανοξείδωτοι χάλυβες. Αποδείξαμε νωρίτερα πως η αντοχή στη διάβρωση είναι αποτέλεσμα χημείας (περιεκτικότητα κραματικών στοιχείων του κάθε τύπου) ενώ ο μαγνητισμός είναι αποτέλεσμα της ατομικής δομής του χάλυβα (φερρίτης ή ωστενίτης). Επίσης έγινε αναφορά παραπάνω στον αριθμό PRE που χρησιμοποιείται για να δηλώσει την αντοχή του κάθε τύπου στη μικροδιάβρωση. Μελετώντας το PRE τόσο μαγνητικών όσο και μη μαγνητικών τύπων, εύκολα διαπιστώνουμε πως υπάρχουν μαγνητικοί ανοξείδωτοι χάλυβες με υψηλότερη αντοχή από μη μαγνητικούς. Παρακάτω παρατίθεται πίνακας με το PRE των δημοφιλέστερων τύπων.. Typical chemical cmpsitin, % by wt. AISI ferritic austenitic 304L 316L 904L duple S32101 S32304 S32205 EN stainless steels stainless steels stainless steels Cr Ni M N 16, , Nb, Ti Ti ,1 17, Cu , Mn PRE = % Cr 3.3 % M 16 % N thers PRE

17 14. Καταλήγοντας, αναφέρουμε επιγραμματικά τα βασικά πλεονεκτήματα του ανοξείδωτου χάλυβα σε σχέση με τους κοινούς χάλυβες. Η αντοχή στη διάβρωση Η αρχιτεκτονική αισθητική του υπεροχή Η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες Το χαμηλό κόστος συντήρησης Η δυνατότητα πλήρους ανακύκλωσης Η ευκολία κατεργασίας Η βιολογική του ουδετερότητα 17

18 ΛΕΞΙΛΟΓΙΟ ph είναι ένας τρόπος έκφρασης της συγκέντρωσης των ιόντων υδρογόνου σε ένα υδατικό διάλυμα. Με ph συμβολίζεται ο αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της συγκέντρωσης των ιόντων υδρογόνου [Η] στο διάλυμα ph = lg[h]. Αποτελεί μέτρο οξύτητας ή αλκαλικότητας μιας χημικής ουσίας, εξ ου και αναφέρεται ως ενεργός οξύτητα. Ορίζεται με μια κλίμακα από το 0 έως το 14 όπου ph < 7 όξυνα διαλύματα (π.χ. καφές, ξύδι, χυμός λεμονιού, γαστρικό υγρό) ph > 7 αλκαλικά διαλύματα (π.χ. σίελο, αίμα, θαλασσινό νερό, χλωρίνη) ph = 7 ουδέτερα διαλύματα (καθαρό νερό) Ανόπτηση βλέπε θερμικές κατεργασίες Άτομο βλέπε χημικό στοιχείο Εμβαπτότητα είναι η ευκολία ενός χάλυβα να σχηματίζει μαρτενσίτη κατά τη βαφή βλέπε θερμικές κατεργασίες Θερμικές κατεργασίες (heat treatments) εννοούμε την ελεγχόμενη θέρμανση και ψύξη του χάλυβα για τη μεταβολή της μικροδομής του με στόχο τη διαμόρφωση των ιδιοτήτων του. Με τον όρο ανόπτηση (annealing) περιγράφουμε τις θερμικές κατεργασίες που έχουν στόχο να μαλακώσουν το υλικό ή να αυξήσουν την ολκιμότητα και τη δυσθραυστότητά του. Η ανόπτηση περιλαμβάνει θέρμανση του υλικού σε συγκεκριμένη θερμοκρασία, παραμονή στη θερμοκρασία αυτή για κάποιο χρονικό διάστημα και ψύξη στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μπορεί να διακριθεί σε Πλήρης ανόπτηση (full annealing) έχει στόχο να μαλακώσει ο χάλυβας πριν οποιαδήποτε μηχανουργική κατεργασία. Η ψύξη είναι αργή και πραγματοποιείται συνήθως μέσα στο φούρνο. Εξομάλυνση (nrmalizing) έχει στόχο την ομογενοποίηση των κραματικών στοιχείων για τον όσο το δυνατών ομοιογενή μετασχηματισμό του ωστενίτη κατά την ψύξη. Περιλαμβάνει θέρμανση στην ωστενιτική περιοχή σε θερμοκρασίες υψηλότερες από αυτές που πραγματοποιείται η πλήρης ανόπτηση. Η ψύξη πραγματοποιείται στον αέρα. Αποτατική ανόπτηση (stress relief annealing) έχει ως στόχο τη χαλάρωση των παραμενουσών τάσεων, που προκαλούνται κυρίως από τις μεταβολές του όγκου, που προκύπτουν από τους μετασχηματισμούς φάσεων στους χάλυβες. Οι θερμικές κατεργασίες χρησιμοποιούνται και για την ισχυροποίηση των χαλύβων. Κλασική θερμική κατεργασία για την σκλήρυνση του χάλυβα είναι η βαφή και επαναφορά (quenching and tempering). Μετά την ωστενιτοποίηση του χάλυβα σε υψηλή θερμοκρασία όπου πραγματοποιείται διαλυτοποίηση των καρβιδίων των κραματικών στοιχείων που περιέχει ο χάλυβας, υφίσταται βαφή σε κάποιο μέσο (αέρας, λάδι ή νερό) ανάλογα με την εμβαπτότητά του. Δηλαδή ο χάλυβας υπόκειται σε απότομη ψύξη από την ωστενιτική περιοχή για τον σχηματισμό μαρτενσίτη. Τη βαφή ακολουθεί η θερμική κατεργασία της επαναφοράς για τη βελτίωση της ολκιμότητας με μικρή σχετικά μείωση της σκληρότητας. Τέλος, σημειώνουμε την ύπαρξη των επιφανειακών κατεργασιών (surface treatments) που επηρεάζουν μόνον την επιφάνεια ενός μηχανολογικού στοιχείου (π.χ. ενανθράκωση και εναζώτωση που είναι ο εμπλουτισμός με άνθρακα και άζωτο για την αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας). 18

19 Ιόντα βλέπε χημικό στοιχείο Καρβίδιο είναι μία ένωση που αποτελείται από άνθρακα και ένα λιγότερο «ηλεκτροαρνητικό» (electrnegative) στοιχείο. Με τον όρο «ηλεκτροαρνητικό» εννοούμε τη χημική ιδιότητα της τάσης ενός ατόμου να προσελκύει ηλεκτρόνια. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή της ιδιότητας αυτής, τόσο περισσότερο ένα στοιχείο έλκει ηλεκτρόνια προς αυτό. Κράμα είναι το υλικό που συνίσταται από διαφορετικές χημικές ουσίες. Όταν είναι στερεό, χαρακτηρίζεται από τη συμμετοχή και όλων των ουσιών στο κρυσταλλικό πλέγμα. Δηλαδή, το σώμα είναι κρυσταλλικό και σε αυτόν τον κρύσταλλο τα άτομα των συστατικών του είναι διατεταγμένα στο χώρο σαν να είναι άτομα του ίδιου είδους. Το κρυσταλλικό πλέγμα αντικατοπτρίζει τη γεωμετρική δόμηση μιας χημικής ουσίας. Ονομάζεται κρύσταλλος στην περίπτωση του στερεού υλικού που παρουσιάζει κανονική γεωμετρική διάταξη των δομικών μερών του. Το κρυσταλλικό πλέγμα ανάλογα με τη γεωμετρική διάταξη που σχηματίζουν τα άτομα ή άλλου είδους σωματίδια στο εσωτερικό της ουσίας, διακρίνεται σε επτά κρυσταλλικά συστήματα : εξαγωνικό, κυβικό, μονοκλινές, ορθορομβικό, πομβοεδρικό, τετραγωνικό και τρικλινές. Μετάλλευμα είναι το υλικό που εξορύσσεται από ένα κοίτασμα. Μπορεί να είναι είτε ορυκτό είτε πέτρωμα. Ορυκτό είναι ένα φυσικό ανόργανο στοιχείο ή ένωση με συγκεκριμένη δομή (συνήθως κρυσταλλική), συγκεκριμένη χημική σύσταση και συγκεκριμένες φυσικές ιδιότητες. Ως πέτρωμα χαρακτηρίζεται ο γεωλογικός σχηματισμός που αποτελείται από ένα ή περισσότερα ορυκτά. Μέταλλο κατηγορία χημικών στοιχείων (στοιχείο, ένωση ή κράμα) που εμφανίζουν ορισμένες κοινές ιδιότητες όπως η λάμψη, η υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, καθώς και η δυνατότητα σχηματισμού ελασμάτων (ελατά) και συρμάτων (όλκιμα). Τα περισσότερα έχουν μεγάλη πυκνότητα και είναι σκληρά και ανθεκτικά (σίδηρος, χαλκός, αλουμίνιο, νάτριο, ασβέστιο, ψευδάργυρος, μαγνήσιο, τιτάνιο, ουράνιο κτλ). Εκτός του υδραργύρου, σε θερμοκρασία δωματίου 20 C είναι στερεά. Στα μέταλλα, τα άτομά τους χάνουν ηλεκτρόνια σχηματίζοντας θετικά ιόντα (κατιόντα). Αυτά τα ιόντα περιστοιχίζονται από απομονωμένα ηλεκτρόνια, που είναι υπεύθυνα για την υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Το στερεό υλικό που δημιουργείται συγκρατείται από τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιόντων και του νέφους ηλεκτρονίων που τα περιβάλουν και ονομάζονται μεταλλικοί δεσμοί. Τα μέταλλα εξάγονται από τα μεταλλεύματα μέσω μιας σειράς διαδικασιών που περιγράφονται με τον όρο μεταλλουργία. Εκτός των μετάλλων, υπάρχουν άλλες δύο μεγάλες κατηγορίες χημικών στοιχείων, τα μεταλλοειδή και τα αμέταλλα. 19

20 Μηχανικές ιδιότητες περιγράφουν την ικανότητα ενός υλικού να συμπιεστεί, να επιμηκυνθεί, να καμφθεί και να κοιλανθεί. 15. Rm=ultimate tensile strength, Rp02=yield strength and A5/A80=elngatin t fracture Μικροδομή ορίζεται ως η δομή της επιφάνειας ενός υλικού όπως αποκαλύπτεται στο μικροσκόπιο σε 25 Χ μεγέθυνση. Η μικροδομή ενός υλικού (το οποίο γενικά μπορεί να ταξινομηθεί ως μεταλλικό, πολυμερές, κεραμικό και σύνθετο) επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τις φυσικές ιδιότητές του, όπως την σκληρότητα, την ολκιμότητα, την αντοχή στη διάβρωση, τη φθορά από καταπόνηση και τη συμπεριφορά σε αυξομειώσεις της θερμοκρασίας. Αυτές οι ιδιότητες επηρεάζουν με τη σειρά τους τη χρήση του κάθε υλικού σε διαφορετικές βιομηχανικές εφαρμογές. 16. Increasing the nickel cntent changes the micrstructure f the stainless steels. Όριο διαρροής (yield strength) καλείται η κρίσιμη τιμή εφαρμοζόμενης τάσης σε ένα στερεό σώμα πέρα από την οποία μέρος της παραμόρφωσης παύει να είναι ελαστική και γίνεται πλαστική. Είναι η μέγιστη τάση που επιτρέπεται να παραλάβει μια κατασκευή διότι πέρα από αυτό υπάρχει μόνιμη παραμόρφωση. Τάση ονομάζουμε τη δύναμη που ασκείται ανά μονάδα επιφάνειας της διατομής (δηλαδή στην επιφάνεια νοητής τομής στερεού σώματος). Όριο θραύσης (tensile strength) καλείται το μέγιστο φορτίο που μπορεί να αντέξει ένας χάλυβας όταν επιμηκύνεται ή τραβιέται από τα δύο άκρα πριν το δοκίμιο του χάλυβα αρχίσει να δημιουργεί σχήμα «λαιμού». Το όριο θραύσης μετριέται σε μονάδα δύναμης ανά επιφάνεια (MPa ή Nt/m²) και είναι σημαντική ιδιότητα για τον 20