1. No category

Lavkulstof, titanstabiliseret og “normalt”, rustfrit stål
Myter og sandheder – og hvad er egentlig forskellen?
www.damstahl.dk
Damstahl - a member of the NEUMO Ehrenberg-Group
Lavkulstof, titanstabiliseret og “normalt”, rustfrit stål
Myter og sandheder – og hvad er egentlig forskellen?
Der eksisterer en syndflod af ammestuehistorier om forskellen mellem lavkulstofstål og almindelige
typer. Er lavkulstof mekanisk stærkere, og er standardstål mere bestandige i stærke syrer? Kan man i
Tyskland kun bruge titanstabiliseret stål? Hvad er egentlig sandt, og hvad er falsk?
For alle austenitiske, ferritiske og ferritisk-austenitiske (duplexe) ståltyper er kulstof at betragte som
en uønsket forurening. Risikoen for sensibilisering og efterfølgende interkrystallinsk korrosion stiger
voldsomt med stålets indhold af kulstof, og for at undgå dette er det vigtigt at holde kulstofindholdet
så langt nede som muligt. Af samme grund indeholder samtlige standarder en øvre grænse for kulstofindholdet – undtagen de martensitiske typer, hvor kulstof er ønskeligt aht. hærdbarheden. Ved de
martensitiske stål er oftest specificeret et interval for kulstof; for alle andre er grænsen et loft. Dette
gælder for samtlige ”almindelige, rustfri ståltyper”, inkl. alle typerne i tabellen nedenfor ("Rustfrit stål
og korrosion", kapitel 4.1 og 8.1.2).
EN
1.xxxx
Type
C%
Cr %
Ni %
Mo %
Si ≤
%
Mn ≤
%
S≤
%
P≤
%
Andet
AISI
4301
A
≤ 0,07
17,5-19,5
8,00-10,5
-
1,0
2,0
0,015
0,045
N ≤ 0,11
304
4306
A, L
≤ 0,03
18,0-20,0
10,0-12,0
-
1,0
2,0
0,015
0,045
N ≤ 0,11
(304L)
4307
A, L
≤ 0,03
17,5-19,5
8,00-10,5
-
1,0
2,0
0,015
0,045
N ≤ 0,11
304L
4541
A, Ti
≤ 0,08
17,0-19,0
9,00-12,0
-
1,0
2,0
0,015
0,045
Ti (5xC) 0,70
321
4401
S
≤ 0,07
16,5-18,5
10,0-13,0
2,00-2,50
1,0
2,0
0,015
0,045
Ti (5xC) 0,70
316
4404
S, L
≤ 0,03
16,5-18,5
10,0-13,0
2,00-2,50
1,0
2,0
0,015
0,045
Ti (5xC) 0,70
316L
4432
S, L
≤ 0,03
16,5-18,5
10,5-13,0
2,50-3,00
1,0
2,0
0,015
0,045
Ti (5xC) 0,70
316L
4435
S, L
≤ 0,03
17,0-19,0
12,5-15,0
2,50-3,00
1,0
2,0
0,015
0,045
Ti (5xC) 0,70
316L
4436
S
≤ 0,07
16,5-18,5
10,5-13,0
2,50-3,00
1,0
2,0
0,015
0,045
Ti (5xC) 0,70
316
4571
S, Ti
≤ 0,08
16,5-18,5
10,5-13,5
2,00-2,50
1,0
2,0
0,015
0,045
Ti (5xC) 0,70
(316Ti)
Legeringssammensætningen for de mest almindelige, rustfri ståltyper, både ”normale” (4301, 4401 og 4436), lavkulstof (4306,
4307, 4404, 4432 og 4435) og titan¬stabiliserede stål (4541 og 4571). De øverste fire hører til gruppen af ”almindelige rustfri”
(18/8-stål), mens de seks nederste tilhører gruppen af molybdænlegerede, ”syrefaste” stål. A = Almindeligt rustfrit (18/8-klassen),
S = Syrefast (Mo-legeret), L = Lavkulstof, og Ti = Titanstabiliseret stål. Data fra "Rustfrit stål og korrosion", kapitel 8.
www.damstahl.com
2
Lavkulstof,
titanstabiliseret
og “normalt”,
rustfrit stål
Lavkulstof, titanstabiliseret og “normalt”, rustfrit stål
Myter og sandheder – og hvad er egentlig forskellen?
Sensibilisering og interkrystallinsk korrosion ("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 6.5)
Hvorfor er kulstof så generende? Hovedlegeringselementet i rustfrit stål er krom (Cr), og jo højere kromindhold, jo bedre er korrosionsbestandigheden – især i kloridholdige og oxiderende medier. Desværre
har kulstof (C) en ubehagelig tendens til at binde krom. Dette sker især i temperaturområdet mellem
500 og 850 ºC, og da kulstoffet især ligger i stålets korngrænser, betyder dette en selektiv afkromning
af området lige ved siden af korngrænserne.
Denne selektive afkromning kaldes ”sensibilisering”, og i praksis indebærer det en forringet korrosionsbestandighed. Grundet de lokale svækkelser vil korrosionen have en tendens til at angribe netop
de afkromede zoner, og sådanne korrosionsangreb kaldes interkrystallinsk korrosion ("Rustfrit stål og
korrosion", kapitel 6.5).
A
B
Cr
C
Mekanismen for interkrystallinsk korrosion i austenitisk, rustfrit stål.
A:
Stålet før opvarmning. Det skadelige kulstof ligger i korngrænserne.
B:
Opvarmning til det kritiske temperaturområde (500-850 °C) får
kulstoffet i korngrænserne til at ”spise” kromet lige ved siden af.
Den røde kurve viser kromindholdet gennem stålet. Bemærk et
minimum lige ved siden af den sorte ”stribe”.
C:
I et surt medie vil der ske en selektiv korrosion af den afkromede
zone. Deraf navnet ”interkrystallinsk korrosion”.
Dannelsen af kromkarbider og dermed risikoen for interkrystallinsk korrosion stiger voldsomt med
stålets indhold af kulstof (C; "Rustfrit stål og korrosion", kapitel 6.5.1). Selvom kulstof som regel kun
optræder som sporelement i stålet, påvirkes stålets korrosionsbestandighed særdeles effektivt af selv
meget små mængder kulstof. Eksempelvis vil et kulstofindhold på kun 0,07 % (det maksimalt tilladelige for ”normale stål”) medføre, at opholdstiden i det kritiske temperaturinterval skal holdes under 1
minut. Lidt lavere indhold på 0,05 % kulstof tillader en opholdstid på 8-10 minutter, og lavkulstofstål
med max. 0,03 % C tillader op til 8-10 timers opvarmning, indtil kritisk sensibilisering finder sted. Selv
meget små forskelle i kulstof giver enorme forskelle i mulig opholdstid ("Rustfrit stål og korrosion",
kapitel 6.5.1).
www.damstahl.com
3
Lavkulstof, titanstabiliseret og “normalt”, rustfrit stål
Myter og sandheder – og hvad er egentlig forskellen?
Udover kulstofindholdet har opholdstiden i det kritiske temperaturinterval stor betydning, og jo længere
tid, stålet befinder sig i det kritiske interval, jo værre bliver problemerne. Ganske vist er det sjældent,
at man frivilligt opvarmer stålet til en temperatur mellem 500 og 850 ºC, men det sker ikke desto mindre som en uundgåelig bivirkning ved svejsning af rustfrit stål. Skal temperaturen i smeltebadet holdes
over smeltepunktet af stålet (1.450-1.500 ºC), må zonen ved siden af smeltebadet nødvendigvis have
en kraftigt forhøjet temperatur, og i en bestemt afstand fra smeltezonen vil stålet ligge i det ”uheldige”
temperaturinterval på 500-850 ºC
Interkrystallinsk korrosion i austenitisk, rustfrit stål, type
4301 (0,055 % C). Årsagen er for højt kulstofindhold i stålet,
noget som efter en uheldig varmebehandling (min. 10
minutter ved 500-850 °C) medførte dannelsen af kromkarbider og en tilsvarende afkromning af grænselaget. Ved
eksponering i et korrosivt medie (bejdsesyre) er disse zoner
blevet opløst = ”interkrystallinsk korrosion”.
Oveni vil sådanne termiske effekter akkumuleres, og gentagne svejsninger i samme stål gør ikke situationen bedre. Den maksimale opholdstid i det kritiske temperaturområde er den maksimale, samlede tid, hvilket blot øger incitamentet for at vælge lavkulstofstål. I praksis betyder dette, at jo tykkere
godset er, jo længere opholdstid og jo værre problemer. Sensibilisering og interkrystallinsk korrosion er
således et større problem ved tykke konstruktioner end ved tyndt gods. Jo tykkere godset er, jo vigtigere er det at holde sig til lavkulstofstål, især hvis man skal foretage gentagne svejsninger ("Rustfrit
stål og korrosion", kapitel 6.5.1).
www.damstahl.com
4
Lavkulstof,
titanstabiliseret
og “normalt”,
rustfrit stål
Lavkulstof, titanstabiliseret og “normalt”, rustfrit stål
Myter og sandheder – og hvad er egentlig forskellen?
Mikroslib af interkrystallinsk korrosion i austenitisk, rustfrit stål, type 4301
(samme emne som ovenfor). Bemærk de fortykkede korngrænser (kromkarbider) og de enkelte korn, der er faldet ud.
Sammenligning af almindelige stål og lavkulstofstål
("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 6.5.1-2)
Sammenligner man legeringssammensætningen for almindeligt 4301 (Tabel 1) og det tilsvarende
lavkulstofstål (4307), bemærkes det, at samtlige data er enslydende – lige bortset fra kulstof. For 4301
ligger kulstof på max. 0,07 %, mens det for 4307 ligger på max. 0,03 %. Da kulstof for alle typer er et
loft snarere end et interval, betyder dette, at et stål af typen 4307 altid vil opfylde kravene til en 4301.
Et kulstofindhold under 0,03 % vil jo altid være under 0,07 %, mens det modsatte naturligvis ikke er tilfældet. I praksis betyder dette, at hvis en arbejdstegning siger ”4301”, kan man altid slippe af sted med
at bruge en 4307 og stadig opfylde de kemiske krav. Ofte er stålene dog dobbeltcertificerede, så begge
numre står der ("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 8).
Den anden lavkulstofudgave, 4306, er lidt mere tricky, idet indholdet af nikkel ligger markant højere
(10,0-12,0). Om dette er en fordel eller en ulempe, må man vurdere fra sag til sag.
Ved generel korrosion er det som regel en fordel med lavt indhold af urenheder, men ved de øvrige korrosionsformer (grubetæring, spaltekorrosion og spændingskorrosion) er de nyttige legerings¬elementer
som regel Cr, Mo og Ni, mens der ikke er nogen gavnlig effekt af kulstof. Tværtimod vil uopløselige
urenheder i stålet (fx karbider) som regel svække korrosionsbestandigheden (de gavner i hvert fald
ikke!), hvorfor det altid vil være en fordel at anvende lavkulstofstål.
www.damstahl.com
5
Lavkulstof, titanstabiliseret og “normalt”, rustfrit stål
Myter og sandheder – og hvad er egentlig forskellen?
Syrefaste stål ("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 8.1)
For den syrefaste gruppe er verden lidt mere kompliceret. Dette skyldes især, at de gamle standarder
AISI 316 og 316L begge tillader et molybdænindhold fra 2,0 til 3,0 %, mens de tyskbaserede EN-numre
(≈ gamle Werkstoff-numre) splitter intervallet op i to: 2,0-2,5 % og 2,5-3,0 % ligesom de hedengangne
svenske numre ("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 8.1 og 8.4).
Kulstofforholdet mellem 4401 og 4404 er dog eksakt det samme som mellem 4301 og 4307. Bortset fra
kulstof legeringssammensætningen for de to stål nøjagtig ens, og 4404 vil derfor altid opfylde kravene
til 4401. Selvom arbejdstegningen siger ”4401”, vil man derfor altid kunne anvende en 4404, men ikke
altid omvendt.
For høj-molybdæn-varianterne (2,5-3,0 % Mo) er situationen en anelse mere kompleks. Den direkte
lavkulstof-parallel til standardstålet 4436 er 4432, og ganske som 4401-4404 ovenfor ”passer” samtlige
legeringselementer – bortset fra kulstof, hvor 4432 jo ligger på max. 0,03 %, mens 4436 tillader en
grænse på 0,07 %.
Imidlertid findes der en anden, ældre type syrefast, 4435, der udover 0,03 % kulstof udmærker sig ved
0,5 % mere Cr (17,0-19,0 %) og dertil betragteligt mere Ni (12,5-15,0 %). Da korrosionsbestandigheden
normalt stiger med stigende indhold af Cr (grubetæring, spaltekorrosion) og Ni (især generel korrosion
og spændingskorrosion), er denne oplegering ikke nogen ulempe, og 4435 er derfor at foretrække frem
for 4436 – både pga. det lavere kulstof og pga. en svag oplegering af Cr og Ni.
I virkeligheden er valget ret let, for oftest vil moderne lavkulstofstål af typen 4307 være dobbeltcertificeret som både 4301 og 4307. Tilsvarende vil et 4404 være dobbeltcertificeret som både 4401 og 4404,
og 4432 vil altid kvalificere til 4436. Derimod vil højnikkeltypen 4306 ikke automatisk kunne erstatte
4301, og 4435 passer heller ikke altid med en 4436.
Moralen af alt dette er kort og enkel: Er du i tvivl, og er materialevalget styret af korrosionsforholdene,
så vælg lavkulstof!
Titanstabiliserede stål ("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 6.5.2)
De titanstabiliserede stål, 4541 og 4571, er lidt anderledes. Som beskrevet ovenfor er kulstof skadeligt
for korrosionsbestandigheden, og teknisk set kan problemerne elimineres på to måder:
•
•
Fjernelse af kulstoffet – dvs. lavkulstofstål
Kulstoffet bindes, så det ikke skader
Traditionelt set har fx de svenske og franske stålværker altid valgt at fjerne kulstoffet, mens de tyske
værker i stedet fjerner hovedparten af kulstoffet og derpå tilsætter små mængder af titan (Ti), der binder resten af kulstoffet, før dette kan nå at binde kromet. Sidstnævnte kaldes derfor ”titanstabiliseret
stål”, og den sejlivede, tyske tradition har selv den dag i dag gjort, at mange tyske firmaer insisterer på,
at deres udstyr partout skal bygges at titanstabiliseret stål.
www.damstahl.com
6
Lavkulstof,
titanstabiliseret
og “normalt”,
rustfrit stål
Lavkulstof, titanstabiliseret og “normalt”, rustfrit stål
Myter og sandheder – og hvad er egentlig forskellen?
I praksis har man derfor en slags ”parallelle sæt” af hhv. lavkulstofstål og titanstabiliseret stål:
Lavkulstof
Titanstabiliseret
4307
4541
4306
-
4404
4571
4432
-
4435
-
I langt de fleste tilfælde er det hip som hap, om man anvender titanstabiliseret stål eller det tilsvarende lavkulstofstål, og de to typer kan oftest erstatte hinanden uden større sværdslag. 4541 kan derfor
erstattes med 4307, og 4571 kan erstattes af 4404 – og omvendt. Bemærk dog, at 4306 ikke har nogen
titanstabiliseret modpart pga. det høje nikkel, mens 4432 og 4435 ikke kan substitueres pga. det høje
Mo (2.5-3.0).
Bemærk også, at titanstabiliseret stål ikke uden videre passer ind i de tilsvarende lavkulstofstandarder.
Et 4571 passer ikke uden videre ind i en 4404-standard, og et materialeskifte fordrer derfor en ændring
af arbejdstegningen og accept fra kunden. Det burde dog ikke volde de store problemer, medmindre
der er tale om en stædig tysker, der i tre årtier har brugt en 4571, og som nægter at se det smarte i
brugen af lavkulstofstål.
Ståltype
20
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
Styrkereduktion
(%)
190
155
140
127
118
110
104
98
95
92
90
52,6
4307
175
145
130
118
108
100
94
89
85
81
80
54,3
4541
190
175
165
155
145
136
130
125
121
119
118
37,9
4301
Temperatur, °C
4401
200
175
158
145
135
127
120
115
112
110
108
46,0
4404
200
165
150
137
127
119
113
108
103
100
98
51,0
4571
200
185
175
165
155
145
140
135
131
129
127
36,5
Flydespændingen (yield stress, Rp0.2) for normale stål (4301 og 4401), lavkulstof¬stål (4307 og 4404) og de tilsvarende titanstabiliserede stål (4541 og 4571) ved forskellige temperaturer. Alle data er standardernes minimumsværdier, og enheden er N/mm2.
Sidste spalte angiver den procentuelle svækkelse i Rp0.2 ved at gå fra 20 til 550 ºC ("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 3.3.2).
www.damstahl.com
7
Lavkulstof, titanstabiliseret og “normalt”, rustfrit stål
Myter og sandheder – og hvad er egentlig forskellen?
Mekaniske fordele ved titanstabiliserede stål ("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 3.3.2)
Udover legeringsforskellene er der endvidere enkelte mekaniske og kemiske forskelle mellem lavkulstof og titanstabiliserede stål. Ti-stål er generelt mekanisk stærkere end lavkulstofstål, især ved høje
temperaturer, hvor ”krybning” kan være et problem. Dette ses bl.a. af standardernes minimumværdier
for flydespændingen (yield stress, Rp0.2; Tabel 2), og her bemærkes mindre forskelle for de forskellige
ståltyper.
For samtlige ståltyper falder flydespændingen med stigende temperatur, men faldet er kraftigst for
lavkulstofstålene 4307 og 4404 samt ”normalstålene” 4301 og 4401, mens de titanstabiliserede stål
væsentligt bedre bevarer den mekaniske styrke ved høje temperaturer.
Det skal dog siges, at tabellens data er standardernes minimum for udglødet stål, og det er mere reglen end undtagelsen at finde både varmt- og koldvalsede produkter med flydespændinger på omkring
300 N/mm2. Er styrken et kardinalpunkt, står alle data på certifikatet.
Bivirkninger ved titanstabiliserede stål ("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 4.1)
Brugen af titanstabiliseret stål er dog ikke uden ulemper. I første omgang vil forekomsten af selv små
mængder titan sammen med formier (90 % N2, 10 % H2) som baggas kunne give gullige svejsninger
pga. dannelsen af titannitrider. Disse gule farvninger betyder sjældent noget for korrosionsbestandigheden, men kan alligevel genere, fx fordi det bliver sværere at evaluere de yderst skadelige anløbningsfarver. Bruges argon som baggas i stedet for formier, har man ikke problemet.
Gulfarvet svejsning som følge af kombinationen titanstabiliseret stål
(4571) og Formiergas ("Rustfrit stål og korrosion", kapitel 4.1).
www.damstahl.com
8
Lavkulstof,
titanstabiliseret
og “normalt”,
rustfrit stål
Lavkulstof, titanstabiliseret og “normalt”, rustfrit stål
Myter og sandheder – og hvad er egentlig forskellen?
Sammenfatning
Ved lave temperaturer og vandige medier, hvor korrosion er problemet, er lavkulstofstål det sikreste
valg, dels pga. tilgængelighed, men også pga. Ti-stålenes uheldige ”bivirkninger”. Ved meget høje temperaturer, hvor bevarelse af den mekaniske styrke er hovedproblemet, kan man med fordel anvende
titanstabiliseret stål, men der ikke er nogen fornuftige grunde til at insistere på et gammeldags højkulstofstål (4301 eller 4401), uanset temperatur og styrkekrav.
Alle kapitelhenvisninger er til bogen ”Rustfrit Stål og Korrosion” (Claus Qvist Jessen, Damstahl, april
2011). Bogen bestilles via www.damstahl.dk.
www.damstahl.com
9