Effekterna av lågtemperatur på rostfritt stål.

Rostfria stål och nickelbaserade legeringar väljs ofta för många tillämpningar i korrosiva miljöer. Även om korrosionsbeständigheten gör dem till ett populärt val kan dåliga tribologiska egenskaper hindra en bredare användning av dessa material. Kolsterising® är en beprövad metod för ythärdning av dessa material genom diffusion av kol. Syftet med denna artikel är att belysa de förbättringar som vanligtvis observeras i mekaniska egenskaper, inklusive motståndskraft motgallring, slitstyrka ochkavitationserosion. På grund av processens natur förbättras dessa egenskaper generellt sett utan den vanliga minskningen av korrosionsbeständigheten. Förbättringarna av egenskaperna kommer att demonstreras med hjälp av både nya och befintliga data från Europa och Nordamerika.

Om vätskor, gaser eller partiklar kommer i kontakt med ytan på korrosionsbeständiga material finns det risk för förtida slitage. Dessutom är det avgörande att tryckbärande komponenter i ventiler behåller sin strukturella integritet, eftersom sådant förtida slitage och fastkörning kan leda till försämrad funktion eller haveri. Många olika beläggningar och värmebehandlingsmetoder har historiskt sett använts för att motverka dessa problem. En nyare teknik är en ythärdningsprocess vid låg temperatur som skyddar ventilkomponenterna i tuffa miljöer.

Austenitiska rostfria stål

För- och nackdelarna med austenitiska rostfria stål är välkända, och de positiva egenskaperna – såsom hög korrosionsbeständighet, hög seghet och icke-magnetiska egenskaper – har utnyttjats i många år. De inneboende svagheterna, såsom låg hållfasthet, låg slitstyrka och känslighet för grop-, spännings- och spaltkorrosion, har dock gjort att de inte kan användas i vissa tillämpningar.

Processinformation

Kolsterising® har aldrig patenterats, varför de faktiska parametrarna förblir Bodycote företagshemlighet. De grundläggande detaljerna är dock följande:

• Ythårdheten ökade vanligtvis till 800–1200 HV0,05 (motsvarande 65–72 HRc)
• Low temperature process (< 500ºC or < 932ºF)
• Koldioxid diffunderade in i ytan i stora mängder (vanligtvis 8–10 viktprocent)
• Diffusionsskikt på 10 till 40 μm (0,0004 till 0,00157 tum) bildat i austenitiskt rostfritt stål
• Kan hantera både små detaljer i stora partier och större detaljer som behandlas individuellt
• Inga storleksförändringar på grund av låga temperaturer

För att processen ska bli så framgångsrik som möjligt är det nödvändigt att eliminera, eller åtminstone minimera, förekomsten av δ-ferrit och deformationsmartensit, se figur 4.

Program för mekaniska provningar

Nytt program

Ett testprogram utformades i samarbete med Bodycoteanläggning i Skokie, Illinois. Provmaterialet anskaffades från ett lokalt stålverk och valdes ut utifrån tillgänglighet snarare än för att uppnå optimala materialegenskaper. De legeringar som användes i programmet var AISI 304, AISI 316 och duplexlegeringen SAF 2205. Materialet delades upp i två partier, ett som referens (obehandlat) och ett för Kolsterising® Kolsterising® -proverna vakuumlösningsvärmebehandlades före behandlingen.

Mekaniska egenskaper och hårdhet

Olika tester har genomförts på dessa prov. Resultaten nedan avser de mest relevanta mekaniska egenskaperna. Utmattningshållfastheten ökar vanligtvis med 10 till 100 %, se figur 5.

Ythårdheten är av avgörande betydelse för att öka motståndskraften mot slitage och fastkörning. Det finns tre ”vanliga” Kolsterising® : 33 mikron, 22 mikron och duplex. Siffrorna ”33” och ”22” avser det nominella härdningsdjupet i mikron. För duplexlegeringar krävs en särskild behandling, eftersom det finns risk för sprödhet vid höga behandlingstemperaturer.

Ythårdheten bör mätas med mikro-Vickers eller Knoop, med en maximal belastning på 50 gf. Se hårdhetsprofilmätningen i figur 6 för olika behandlingar på ett standardiserat, lösningsglödgat prov av 316L.

Motståndskraft mot skav

Bristande motståndskraft mot gallring har varit en allvarlig brist hos austenitiska rostfria stål och har ofta rapporterats. Ett Faville-test användes för att utvärdera varje provs motståndskraft mot gallring. I detta test roteras en axel med 330 varv per minut samtidigt som den hålls fast i ett par käftar med en stängningskraft på 707 N. Följande fotografier visar axeln och käftarna efter testning under tre förhållanden: obehandlad (figur 7), konventionell
nitrering (figur 8) och Kolsterising® figur 9).

Slitstyrka

Slitageprov med kula mot skiva. En aluminiumoxidkula med en diameter på 5 mm pressades mot den cylindriska ytan på en roterande skiva med en kraft på 20 N. Under trycket roterades skivan med en hastighet på cirka 50 mm/s. Rotationen pågick i drygt 2,5 timmar, vilket resulterade i ett sammanhängande slitspår på 500 m över skivan. Detta utfördes på obehandlat 316L-material och 316L med Kolsterising® . När testet var klart mättes proverna taktil med hjälp av en profilometer. Ytprofilerna för de två proverna visas i figur 10. Ett högt slitagevolym indikeras för det obehandlade provet, medan det Kolsteriserade provet endast visar en viss inbäddning vid ytan.

Sammanfattning och slutsatser

I korrosiva miljöer är austenitiska och duplexrostfria stål ofta det förstahandsvalet för konstruktörer och användare. På grund av materialets svaga tribologiska egenskaper och framför allt låga slitstyrka utgör de dock en särskild utmaning.

För att förbättra de mekaniska egenskaperna samtidigt som grundmaterialets formbarhet bibehålls kan man applicera beläggningar eller hårdbeläggningar. Denna metod för att förbättra slitstyrkan kan innebära vissa risker på grund av eventuell avflagning, korrosionsproblem under beläggningen eller omfattande efterbearbetning som ökar de totala kostnaderna.

Den optimala lösningen för en hård men ändå formbar yta, utan behov av modifieringar, är Kolsterising® . Tack vare den höga formbarheten i kombination med mycket höga tryckspänningar kan slitage och fastkörning minskas avsevärt för många tillämpningar och rostfria stålmaterial. Detta är avgörande vid hantering av tryckbärande komponenter såsom ventilkroppar och ventilsäten, liksom andra ventilkomponenter såsom fästelement.

En granskning av data från nya och befintliga mekaniska provningar visar tydligt att vissa viktiga mekaniska egenskaper hos austenitiska rostfria stål och nickelbaserade legeringar kan förbättras genom användning av Kolsterising® .

• Ythårdheten ökar avsevärt, till värden mellan 800 och 1 200 HV0,05 (motsvarande 65 till 72 HRc)
• Korrosionsbeständigheten bibehålls, om inte förbättras (ingen karbidbildning)
• Motståndskraften mot skavning har förbättrats avsevärt
• Slitstyrkan förbättras
• Effekterna av kavitationserosion minskas
• Tröttningsegenskaperna har förbättrats avsevärt

Det är också värt att nämna att komponenterna, tack vare den låga behandlingstemperaturen, inte uppvisar några förändringar i dimensioner eller färg, och att härdningen blir jämn även på skarpa kanter, i hål, blindhål och spalter som är så små som några få mikrometer.

Denna artikel publicerades först i Valve World Americas – september 2021