SVET

Hur rostfritt är rostfritt stål?

19 april, 2017

Rostfritt stål är en över hundra år gammal innovation. Det är både de mekaniska egenskaperna och de goda korrosionsegenskaperna som gör att användningen av rostfritt stål är så stor i industrin. Núria Fuertes, forskare vid Swerea Kimab, har i år publicerat en licentiatavhandling där hon avslöjar viktiga detaljer om det skyddande ytskiktet.

Rostfria stål har utmärkt korrosionsbeständighet tack vare ett passivt skikt på ytan, en kromoxid som bildas när kromhalten i bulkmetallen är högre än 10,5 viktprocent. Om en skada uppstår ombildas skiktet och skyddar stålet från fortsatt upplösning. Men passiviteten hos ett rostfritt stål kan påverkas av materialparametrar och yttre faktorer; som sammansättningen av underliggande faser, yttre belastningar eller termiska behandlingar.

Genom att öka kunskapen om hur ytskiktet påverkas av material och yttre faktorer får industrin ett bättre beslutsunderlag och kan maximera både ekonomi, funktion och miljöhänsyn när de väljer stålkvalitet och behandlingar.

Hundratals varianter

Kunskapen är efterfrågad inom industrin eftersom de rostfria stålen blir allt mer specialiserade och anpassade. Det finns hundratals varianter av rostfritt stål som har anpassats till olika användningsområden.

Det är halten krom som skapar den skyddande oxiden, men hur förändras den om till exempel halten nickel eller koppar förändras? Drivkraften för att ersätta nickel med koppar kan vara både ekonomisk och miljömässig, men det har inte funnits tillräckligt bra metoder för att förutsäga hur stålets ytegenskaper och korrosionsegenskaper påverkas, säger Núria Fuertes.

Resultaten av Núria Fuertes försök visar att när mikrostrukturen i stålet förändras påverkar det även skyddsfilmen, men påverkan ser inte ut likadan över hela ytan som man tidigare trott.

– Vid ökad tillsats av koppar till exempel påverkas både sammansättningen och tjockleken på ytans oxid. Det bildas en fas som är rik på koppar och skyddsfilmen blir tunnare. Men effekten på ytan blir ojämn eftersom kromatomerna i varje fas reagerar med olika hastighet, säger Núria Fuertes.

Yttre faktorers påverkan

Núria Fuertes arbete ökar förståelsen för hur olika parametrar påverkar det skyddande oxidskiktet, inte bara av stålets mikrostruktur utan även på grund av externa parametrar som deformation och svetsning.

– När man mekaniskt deformerar materialet blir ytskiktet tunnare, och korrosionsegenskaperna förändras. Mekanisk deformation påverkar passiviteten och korrosionsegenskaperna hos stålet. Plastisk deformation irreversibelt minskade den elektrokemiska potentialen, medan elastisk deformation inte hade någon permanent effekt, säger Núria Fuertes.

– Och vid ökad temperatur, vid svetsning till exempel, reagerar atomerna med atmosfären och bildar olika oxider på ytan. Termiska oxider påverkar passiviteten och minskar korrosionsbeständigheten i svetsarna i rostfritt stål. De avlägsnas mekaniskt eller kemiskt redan nu men när vi vet mer om vad som händer i det skyddande kromskiktet efter olika behandlingar så kan vi välja den bästa metoden och minska behovet av kemikalieanvändning ”för säkerhets skull”, säger Núria Fuertes.

Miljökrav är en drivkraft

De starka syror som används för att avlägsna oönskad oxid efter svetsning omgärdas av allt strängare miljökrav och det finns ett stort intresse från industrin att med större säkerhet kunna välja optimal metod.

– Om vi bättre förstår effekterna kan det rostfria stålet behandlas på det mest optimala sättet för både funktion, säkerhet och miljö. Då kan användningen av starka syror begränsas till de applikationer där det är helt nödvändigt. Nu vet vi hur vi ska undersöka olika metoders effekter, säger Núria Fuertes.

Metoder för mätning av ytans mikrostruktur

Núria Fuertes har använt avancerade lokala elektrokemiska tekniker och gjort fysiska tester för att mäta lokala korrosionsegenskaper.

– Vi har utvecklat metoderna för att möjliggöra undersökningar på avancerad mikrostrukturnivå. Nästa steg skulle kunna vara att modellera hur den skyddande filmen bildas för att kunna förutse hur förändringar av inre och yttre parametrar kommer att påverka korrosionsegenskaperna.

Núria Fuertes berättar om sin forskning på seminarier och konferenser, och utvecklar nu tankarna om en fortsättning tillsammans med industrin.

Text: Gunnel E. Vidén, Plan Sju