Martensiittiset laadut olivat ensimmäisten keksittyjen ruostumattomien terästen joukossa johtuen lähinnä valmistusmenetelmästä; hiiltä ei osattu tai ei saatu puhdistettua teräksestä pois. Niillä on omat, rajoitetut käyttökohteensa, sillä niiden lujuus voi olla nykyisillä laaduilla lähes 2000 MPa ja korroosionkesto on paljon parempi verrattuna tavallisiin rakenneteräksiin. Käyttö ei ole vieläkään yleistynyt johtuen varmaankin hyvin suurelta osin hitsauksen vaikeudesta sekä huonosta sitkeydestä, lastuttavuus tosin on verrattavissa tavallisiin lujiin rakenneteräksiin. Kuvassa 1 on esitetty, mihin martensiittiset laadut suurin piirtein sijoittuvat kromin ja nikkelin suhteen.
Kuva 1. Martensiittisten laatujen sijoittuminen nikkeli- ja kromipitoisuuden kaavioon.
(Muokattu: Outokumpu Stainless Oy, 2001).
Martensiittiset ruostumattomat teräkset ovat ainoa ruostumattomien terästen ryhmä, joka on karkaistavissa lämpökäsittelyllä. Lämpökäsittely osaltaan mahdollistaa erittäin suuret lujuudet. Seosaineena käytetään pääosin kromia (yleensä noin 13 %), kuten ferriittisissä ruostumattomissa teräksissä, mutta yleensä mukana on myös suhteellisen paljon hiiltä, jopa yli 1 %. Näillä perusseosaineilla saavutetaan ilmassa karkenevia laatuja eli martensiitti muodostuu austeniitista erittäin pitkilläkin jäähtymisajoilla. Martensiittiset ruostumattomat teräkset ovat siis mikrorakenteeltaan lähes aina 100 % martensiittisia; erilaisissa muodoissaan. Kromin määrää ei voida kasvattaa paljoakaan yli 18 %, koska suuremmalla määrällä teräs ei enää muutu austeniittiseksi ja karkaisumahdollisuus poistuu (kuva 2). Kuvassa sininen katkoviiva on rauta-hiili-tasapainopiirroksen austeniitin esiintymisraja. Ehyet viivat kuvaavat austeniittialueen pienentymistä kromin määrän suhteen. Hiilen liukoisuus voidaan arvioida aluiden reunaviivojen mukaan, kuvassa esimerkki liukoisuudesta 5 % kromiseostuksella, viiva A-B.
Kuva 2. Hiilen liukoisuus kromimäärään ja lämpötilaan nähden.
Sinisten viivojen rajaamat alueet ovat 100% austeniittialueita tietyillä
kromimäärillä. (Muokattu: http://www.barentsinfo.org/loader.aspx?id=553df99b-a1c9- 4b1d-8e3-3532b0d5e8ce [alkuperäinen lähde:
http://app.eng.ubu.ac.th/~edocs/f20061122Suriya91.pdf])
Joihinkin laatuihin lisätään korroosionkeston parantamiseksi muutamia prosentteja molybdeeniä, joka myös edesauttaa karkenemista ja lujittavien/kovettavien karbidien muodostumista. Erittäin vähähiilisillä laaduilla karkenevuuden varmistamiseksi lisätään joitakin prosentteja nikkeliä (kuvan 2 austeniittialue suurenee). Martensiittisten laatujen lujuus on yleensä suuri tai erittäin suuri ja ne ovat kovempia kuin muut laadut. Kovuus muodostuu lähes pelkästään hiilipitoisuuden mukaan ja se voidaan arvioida taulukoista tai laskennallisesti. Kovuudesta johtuen martensiittiset laadut ovat yleensä melko hauraita, joten niiden muovattavuus voi olla hyvinkin heikko. Kuvassa 3 on yleisimpien laatujen kovuusalueita.
Kuva 3. Tiettyjen martensiittisten ruostumattomien laatujen kovuuksia erilaisilla lämpökäsittelyillä. (Muokattu: http://www.kvastainless.com/stainless-steel.html)
Martensiittiset laadut voidaan seostuksen mukaan jakaa martensiittisiin ja martensiittis-austeniittisiin eli niin sanottuihin pehmeämartensiittisiin laatuihin. Molemmissa kategorioissa seoksilla on omat erityisominaisuudet ja käyttökohteet. Martensiittisia ruostumattomia teräksiä käytetään esimerkiksi tavallisissa keittiövälineissä ja puukoissa, mutta niistä valmistetaan myös erittäin vaativiin olosuhteisiin tarkoitettuja pumppujen ja putkistojen osia sekä esimerkiksi laivan akseleita. Ehkäpä merkittävin teollisuuden käyttökohde on kaasujen ja öljyjen siirtolinjat, joihin näitä laatuja on viime vuosien aikana kehitetty; erityisesti hitsattavuuden kannalta parempaan suuntaan. Tosin voi olla, että edellisen blogikirjoituksen duplex-laadut valtaavat alaa putkiteollisuudessa. Myös veitsi-, terä- ja puukkoteollisuus on vahvasti mukana martensiittisten laatujen kehityksessä. Näillä aloilla kehitetään laatuja, jotka ovat hyvin kovia, säilyttävät terävyyden ja ovat lisäksi korroosionkestäviä. Pehmeämartensiittisia laatuja kutsutaan joskus myös turbiiniteräksiksi, koska niitä käytetään pääasiassa suurien vesiturbiinien osissa. Kaikkien nykyisten martensiittisten laatujen hitsaus on haastavaa ja vaatii yleensä esi- ja jälkilämpökäsittelyjä. Martensiittisten laatujen kehittelypuu näkyy kuvassa 4.
Kuva 4. Martensiittisten laatujen kehittelypuu. Kuvassa esitetty tärkeimmät laadut sekä joitakin erikoisempia seoksia.
(Muokattu: http://www.kvastainless.com/stainless-steel.html)
Martensiittisia, kuten kaikkia muitakin laatuja, on kehitetty super-etuliitteen omaaviksi versioiksi. Näistä laaduista puhuttaessa kyseessä on yleensä erittäin vähähiiliset seokset, joiden korroosionkesto on hyvä tai erinomainen ja niiden hitsattavuutta on paranneltu niin, ettei esi- tai jälkilämpökäsittelyä välttämättä tarvita. Kehittelypuuhun on merkitty punaisella hieman sivuun yksi supermartensiittinen laatu, joka on nykyään raskaan teollisuuden puolella ehkä tutkituin uusista kehitelmistä. Myös terä- ja veitsiteollisuudessa puhutaan superseoksista, jolloin tarkoitetaan erityisesti ruostumattomuutta ja terävyyden säilyttämiseen tarkoitettuja ominaisuuksia (kehittelypuussa ruskealla katkoviivalla). Vihreällä katkoviivalla on merkitty laatu, joka voidaan luokitella myös erkautuskarkaistavaksi seokseksi, sillä nimenomaan erkaumat tuovat tälle laadulle hyvät korkeanlämpötilakeston ominaisuudest. Erkautuskarkaistavista laaduista kerrotaan lisää seuraavassa blogitekstissä.
Perinteisessä hitsaavassa koneenrakennusteollisuudessa ei kovin usein törmää martensiittisiin laatuihin; suurin osa ei varmaan ole ikinä kuullutkaan niistä. Martensiittisten ruostumattomien terästen saatavuus on Suomessa hyvin rajoitettu, mutta tietyiltä tukkureilta on saatavissa yleisimpiä laatuja akselimateriaalina. Harrastuskäyttöön veitsien ja puukkojen terämateriaaliksi niitä saa tilattua lattatangon pätkinä useasta eri nettikaupasta. Putki- tai levymateriaalina martensiittisia laatuja on varmasti olemassa, mutta hinta ja toimitusaika voivat tuoda Suomessa käytölle esteitä. Joka tapauksessa myös tämä luokka ruostumattomissa teräksissä kehittyy ja kehitystä kannattaa seurata.
—
Lähteet:
[1] KVA Stainless. Why Choose Stainless. 2014 (viitattu 9.7.2014), saatavissa http://www.kvastainless.com/stainless-steel.html
[2] Lukkari J., Kyröläinen A., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. 2002, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET
[3] Teräsrenki Oy, martensiittinen teräs, Ruostuomaton, karkeneva teräs. 2014, (viitattu 9.7.2014), saatavissa http://www.terasrenki.com/tuote/ruostumaton-karkeneva-martensiittinen-teras/
[4] Turnbull A., Griffiths A., Corrosion and Cracking of Weldable 13 Cr Martensitic Stainless Steels – A Review. 2002, National Physical Laboratory. Saatavissa: http://publications.npl.co.uk/npl_web/pdf/matc108.pdf
[5] Xu et al. Structural refinement of 00Cr13Ni5Mo2 supermartensitic stainless steel during single-stage intercritical tempering. 2014, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, vuosikerta 21, numero 3.
