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.
