Östenitik Paslanmaz Çelikler

300 serisi veya östenitik paslanmaz çelikler dünya toplam paslanmaz çelik üretiminin yaklaşık %60 ‘ını oluştururlar. Maksimum %0,15 karbon, minimum %16 krom ve östenitik yapıyı çok düşük sıcaklıklardan ergime sıcaklığına kadar kararlı kılmak amacıyla yeterli miktarda nikel ve/veya mangan içerirler.

En çok bilinen türü 18/8 (304 kalite) paslanmaz çelik olarak tanınan ve %18 krom, %8 nikel içeren çeliktir. AL-6XN ve 254SMO gibi “süperöstenitik” paslanmaz çelik olarak bilinen çelikler içerdikleri yüksek molibden (>%6) ve nitrojen ilaveleriyle ve yüksek nikelin gösterdiği yüksek stres korozyon direnci sayesinde çok etkin bir klorit çekirdeklenme ve çatlama korozyonu direnci gösterirler.

“Süperöstenitik” ‘lerin yüksek alaşım içerikleri maliyetlerinin de çok yükselmesine neden olur. Bu nedenle tamamen aynı olmamakla birlikte benzer bir performansı, daha düşük maliyetle ferritik veya duplex paslanmaz çelik gruplarından da elde edilebileceği unutulmamalıdır. En yaygın olarak bilinen östenitik kaliteler 304 ve 316 ‘dır.

Östenitik paslanmaz çelikler manyetik değildirler ve ısıl işleme tabii tutulamazlar, süneklik özellikleri yüksektir, haddelemeyle sertleştirilebilirler ve mükemmel bir korozyon dayanımına, işlenebilirlik özelliğine ve kaynaklanabilirlik özelliğine sahiptirler. Yapıları FCC ‘dir

Özellikle östenitik mikro yapının neden olduğu mükemmel bir korozyon dayanımı, mekanik ve fiziksel özellikler ve üretim kolaylığı gibi özelliklerinin bileşimleri nedeniyle popüler olan 304 ve 316 kaliteler, paslanmaz çelikler arasında en fazla tanınan kalitelerdir.

Östenitik yapı yaklaşık olarak %8–10 ‘luk bir nikel ilavesiyle oluşur. Nikel östenitik yapıyı oluşturan tek element değildir. Bu amaçla kullanılan diğer elementler, mangan, nitrojen, karbon ve bakırdır.

Nikel ‘in Maliyeti ve Paslanmaz Çeliğe İlavesi:

Genelde paslanmaz çeliğin maliyeti içeriğindeki bileşen alaşımların maliyetleriyle belirlenir. Paslanmaz çeliğin temel bileşen ve korozyona karşı yüzeyde krom oksit tabakası oluşturup korozyonu önlemede temel etken olan kromun maliyeti yüksek değildir, fakat korozyon dayanımını artıran (özellikle molibden) veya üretim kolaylığı sağlayan (özellikle nikel) gibi elementlerin ilavesi maliyeti çok artırır. Nikel ‘in maliyeti 2001 yılında 5.000 – 6.000 $/ton seviyesindeydi. Mayıs 2007 ‘nin sonunda bu rakam 50.000 $/ton seviyesine yükseldi. Aynı şekilde molibden ‘in fiyatı da 2001 yılında 8.000 $/ton seviyesindeyken şu anda 40.000 $/ton seviyesine fırlamıştır.

Bu maliyet artışları direkt olarak bu iki kalite üzerinde etkili olmuştur: 304 (18%Cr, %8 Ni) ve 316 (%18Cr, %10 Ni, %2 Mo). En fazla etkilenen kalite de tabii ki 316 kalite olmuştur. Bunun yanında 2205 (%22Cr, %5Ni, %3Mo) duplex kalite gibi yüksek oranda alaşım elementi içeren diğer paslanmaz çelikler de etkilenmiştir. Alaşım elementlerinin rolü esas olarak korozyon dayanımı için belli başlı değişimleri veya mekanik ve üretim özelliklerini etkileyecek olan mikro yapısını değiştirmektir. Korozyon dayanımını belirlemek amacıyla kullanılan genel bir yaklaşım da Çekirdeklenme (Çukurcuklaşma) Direnci Eşdeğer Katsayısıdır (PRE). PRE = %Cr + 3,3xMo + 16x%N ‘dir. PRE katsayısı kalitelerin çekirdeklenme korozyonuna karşı direncini gösterip onları bu amaçla bir sıralamaya koymak amacıyla kullanılır. Herhangi bir korozyona etki eden şartı ortaya koymak amacıyla kullanılamaz. Görüldüğü üzere krom ‘un yanında molibden ve nitrojenin de bu korozyon türüne karşı etkin bir direnç verme özelliği vardır.

Nitrojen, molibden ve nikel ‘e oranla çok daha ucuza mal edilebilmesine karşın çelik içindeki çözünürlüğü % 0,2  ile sınırlı olduğu için korozyon direncine de etkisi sınırlıdır. Çeliğin mikro yapısı ferrit oluşturucu ve östenit oluşturucu elementleri arasındaki dengeye bağlıdır. Östenit yapıyı oluşturucu elementler olarak, karbon, mangan, nitrojen ve bakır elementleri nikel ‘e alternatiftir. Bütün bu elementler nikel ‘den daha düşük maliyetlidirler. PRE formülasyonunda görüldüğü üzere, her element farklı şekillerde etki eder ve östenitik kalitelerde nikel ‘i tamamen kaldırmak mümkün değildir.

Mangan, nikel kadar etkili olmasa da östenitik yapıyı kararlı kılıcı bir elementtir ve Cr-Mn çelikleri, Cr-Ni çeliklerine göre daha yüksek bir haddeleme sertleştirmesi özelliğine sahiptir. PRE formülünde belirtilmese de nikel, manganın etkisinden çok daha fazla korozyona sebep olan şartlarda olumlu etkiye sahiptir. Ayrıca elementler arasında da oluşan bir sinerji mevcuttur. Nitrojen östenitik yapıyı kararlı kılmada çok etkinken, mangan ‘ın kendisi östenitik yapıyı kararlı kılarken çelik içinde nitrojen çözülmesini de artırıcı bir etki gösterir.

200 Serisi Paslanmaz Çeliklerin Yükselişi:

Mangan küçük ilavelerden, büyük oranda yerini almaya kadar nikel ‘e önemli bir alternatiftir. Yüksek manganlı östenitik çeliklerin geliştirilmesi yaklaşık olarak 60 yıl önce, nikel fiyatlarının aşırı arttığı dönemlerde olmuştur. Bu zamanlarda 201 ( %17 Cr, %4 Ni, %6 Mn) ve 202 (%18 Cr, %4 Ni, %8Mn) gibi Cr-Mn-Ni kaliteler, krom-nikel kaliteleri olan 301 ve 302 ‘ye alternatif olarak AISI ‘de yerini almış ve halen de üretilip kullanılmakta olan kalitelerdir. Tüketimleri Cr-Ni eşdeğerleriyle karşılaştırıldığında son dönemlerde daha düşüktür. Bu kalitelerin düşük talebinin nedenleri şu şekilde sıralanabilir:

Yüksek haddeleme sertleştirmesi oranı (bu bazı uygulamalarda avantaj olabilir)
Çok daha düşük yüzey kalite özellikleri bazı uygulamalar için uygun bulunmamaktadır.
Ek üretim maliyetleri, ergitme esnasındaki yüksek refrakter aşınması
Korozyon direnci Cr-Ni kalitelerle karşılaştırıldığında, bazı çalışma ortamlarında daha düşüktür.

Bir başka konuda, Cr-Ni ve Cr-Mn-Ni östenitik kaliteler manyetik değildir, hurdacılar ise hurda değerini, içerdiği yaklaşık nikel değerine göre belirlemektedir.

Son Gelişmeler:

Son zamanlarda Cr-Mn-Ni östenitik kalitelerinin geliştiğini görmekteyiz. En önemli gelişme Hindistan ‘da olup, mutfak eşyaları ve pişirici ekipmanlardaki kullanımı artmaktadır. Düşük nikel yüksek mangan kalitelerinin yüksek haddeleme sertleştirmesi özelliğine uygun olması bu uygulamalarda kabul edilebilir sınırlarda olup, bakır ilavesi de bu problemi azaltmak amacıyla kullanılmaktadır. Yerel ekonomik faktörlerden dolayı Hindistan bu uygulamalarda ki gelişme ve üretimlerde uygun sonuçlar almaktadır. Aynı şekilde Asya ülkeleri de bu kaliteler açısından güçlü bir piyasaya sahip olup, son zamanlarda üretimlerini artırmışlardır. Özellikle Çin piyasasında güçlü bir talep bulan bu kalitelerin üretimi ve kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Bu kalitelerin Tayvan, Brezilya, Japonya gibi ülkelerde de üretimleri yapılmakta olup, nikel içerikleri %1 ile %4 arasında ve mangan içerikleri %9 ‘a kadar değişebilmektedir. Bunların hiçbirisi henüz ASTM veya diğer uluslararası standartlarda yer almamıştır. Düşük nikelli östenitik kalitelerin üretimindeki artış çok hızlı seyretmektedir. 2003 yılındaki ISSF verilerine göre bu kalitelerin üretimi 1,5 milyon tonla toplam dünya paslanmaz çelik üretiminin %7,5 ‘ini oluşturmaktadır. Bu kalitelerin 2004 yılı Çin ‘deki üretim oranının %25’i olduğu tahmin edilmektedir. Bu rakamlar özellikle 2006 yılından itibaren fırlayan nikel fiyatları nedeniyle günümüzde çok daha fazla bir üretim oranını teşkil ettiği sanılmaktadır.

Karbon İçeriği

304 ve 316 gibi genel östenitik paslanmaz çelikler de, “L” ve “H” olarak bilinen kontrollü düşük ve yüksek karbon içeriğiyle üretilirler.  Düşük karbon veya “L” kaliteler paslanmaz çeliğin yüksek sıcaklıklardaki hassasiyet seviyesini azaltmak ve korozyon oranını azaltmak için veya önlemek için kullanılırlar.  Kaynaklama veya özel uygulamalarda karşılaşılan problemli sıcaklık aralığı 450 – 850 ºC arasıdır. “L” kaliteler genelde, 5 mm ‘nin üzerindeki yassı mamul kalın malzemeler şeklinde bulunur.

Yüksek karbon, “H” kaliteleri daha yüksek mukavemet gerektiren uygulamalarda kullanılır. “L” ve “H” kalitelerinin birbirinin yerine kullanımı sıkça karşılaşılan bir durumdur.

“L” Kaliteler Nelerdir ve Nerelerde Kullanılır?

“L” kaliteler, orta ve büyük derecedeki malzemelerin kaynağı da dâhil olmak üzere yüksek sıcaklık uygulamasının olduğu yerlerde kullanılır. Düşük karbon, korozyona müsait ortamlardaki taneler arası korozyona neden olabilecek taneler arası karbür çökelmesini (sıkça “hassasiyet” olarak bahsedilir) engelleyici veya geciktirici yollardan biridir. 450 – 850 ºC sıcaklık aralığında karbürlerin çökelmesinin bir kuluçka dönemi vardır. Çökelmenin oluşabilmesi için gerekli zaman büyük oranda karbon içeriğine bağlı olduğundan dolayı düşük karbon içeriği bu problem karşısında dayanımı artırır. Uygulamaları nedeniyle “L” kaliteler, plaka, saç, boru ve sıkça yuvarlak çubuk olarak bulunur. Yüksek sıcaklık uygulamasının veya ağır kaynak ihtiyacının olmadığı durumlarda, “L” kaliteler genelde diğerleriyle özdeştirler.

“H” Kaliteler Nelerdir ve Nerelerde Kullanılır?

“H” Kaliteler standart kalitelerin yüksek karbonlu sürümleridir ve özellikle yüksek sıcaklıklarda (genelde 500 ºC ‘nin üzerinde) artırılmış mukavemete sahiptirler. Uzun dönem uygulanan yüklerle oluşan “sürünme mukavemeti” değerleri yüksektir. “H” kaliteler esas olarak plaka ve boru olarak üretilirler. Genelde uygulandığı kaliteler 304H ve 316H ‘ın yanında, ASTM A240/A240M ‘de tanımlandığı gibi 309, 310, 321, 347 ve 348 ‘in yüksek karbonlu sürümlerinde de bulunur. Bu kaliteler, eğer 450 – 850 ºC sıcaklık aralığında tutulurlarsa “hassasiyet” olarak nitelendirilen karbür çökelmesinden çok etkilenirler. “Hassasiyet” problemi oluşursa, normal sıcaklıktaki süneklikleri ve toklukları düşer ve korozyon dayanımları önemli ölçüde kaybolur.

Fark Nedir?

  1. 304 ve 304L kalitelerin bileşenleri karbon içeriği haricinde eşdeğerdir. Teorik olarak 304L kalitede nikel içeriğine maksimum %12 ‘ye kadar izin verilirken, bu oran standart 304 kalitede maksimum %10,5’ dir. Fakat nikel fiyatlarındaki yüksek seyir nedeniyle genelde nikel bu iki kalite içinde alt limit olan minimum %8,5 oranında kullanılır. Her iki kalitede de karbon alt limiti tanımlanmamıştır. %0,02 karbon içerikli bir malzeme hem 304 kalitenin hem de 304L kalitenin gerekliliklerine uygundur.
  2. 304H kalite karbon içeriğinin %0,04 – 0,10 olarak sınırlandırılması haricinde (karbon içeriğinin minimum tanımlamasına dikkat ediniz) ve 304H kalitenin nitrojen içeriğinde standart ve “L” kalitelerde olduğu gibi %0,1 maksimum limiti olmaması haricinde standart 304 kalitenin kimyasal bileşenlerinden farkı yoktur. Bunlara ilaveten, tüm östenitik “H” kaliteler ASTM tane genişliği olarak minimum No:7 veya daha büyük tane genişliğine sahip olmaları gerekmektedir.
  3. 316, 316L ve 316H kaliteleri arasındaki ilişki de 304 kalitede olduğu gibidir. Bu kaliteler arasında sadece karbon içeriği, nitrojen içeriği ve tane büyüklüğü konusunda sınırlamalar vardır. Tablo–1 ‘de ASTM A240/A240M ‘den alınan kalitelerin karbon içeriklerini görebilirsiniz. Özellikle boru ve tüp şartnameleri gibi diğer bazı ürün şartnamelerinde 304L ve 316L için karbon üst limit sınırlaması maksimum %0,035 veya %0,040 ‘dır. Şartnamelerin diğer özellikleri aynıdır.

     

  4. Tablo – 2 ‘de ASTM A240/A240M ‘den alınmış mekanik özelliklerinin şartnamesini bulabilirsiniz.  Pratik olarak, çelik haddecileri genelde “L” kalite üretimlerinin standart kalite gerekliliklerini karşılayacak şekilde üretmeye özen gösterir. Örneğin, tüm 304L kalitelerin kopma ve akma mukavemeti değerleri 205 ve 515 MPa ‘ın üzerinde olur. Böylece standart ve “L” kalite gerekliliklerinin her ikisini de karşılayan geniş bir piyasaya hitap eden malzemeler üretirler.
  5. Standart, “L” ve “H” kaliteler için ölçü ve diğer gereklilikleri aynıdır.

    1. Basınç kabı şartnamesi ve boru basıncı şartnamesi gibi şartnameler her bir kalite için yüksek sıcaklıklarda çalışılabilir basınç aralığı sınırı getirmektedir. Bu şartnameler “L” kalitelerin 425 ºC üzerindeki yüksek sıcaklıklarda kullanımına izin vermemektedir. Ayrıca bu şartnameler 550 ºC üzerindeki sıcaklıklardaki kullanımında en az %0,040 karbon içermesi şeklinde sınırlama getirmektedir. Bu nedenle, bu şartnameler  “L” olup olmamasına bakmaksızın %0,020 karbon içeren 304 ve 316 kalitelerin bu uygulamalarda kullanımına izin vermemektedir. Standart ve “L” kaliteler şartnamelerde belirtilen kimyasal bileşen ve mekanik özelliklerine uyduğu sürece oda sıcaklığından “L” kalitelerin sınırlı sıcaklığına kadar olan aralıkta kullanılabilir.

    Basınçlı kap şartnamesi “H” kalitelere, istenilen mukavemet değerlerine uyduğu sürece standart kalitelerle birlikte kullanılmasına izin vermektedir.

    Alternatif Kalite Kullanımı:

    Şartların gerektirdiği durumlarda standart, “L” ve “H” kaliteler birbirlerinin yerine kullanılabilirler.
    Bu durum aşağıda belirtilen şartlara bağlıdır:

    • “L” kaliteler mekanik özelliklerinin uyması halinde ve yüksek sıcaklık mukavemeti gerektirmeyen uygulamalarda standart kalitelerin yerini alabilir. “L” kaliteler genelde standart kalitelerin gerekliliklerini karşılarlar. Fakat üretici sertifikası her bir özellik için titizlikle kontrol edilmeli ve uygunluğu teyit edilmelidir. Üreticilerin standart kalite siparişine karşı “L” kalite üretmesi veya vermesi çok sık karşılaşılan bir durumdur. Pratikte şartnamelerine uygun bir kullanım olduğu ve parça üreticisi ile son kullanıcı problem yaşamadığı sürece herhangi bir problem olmayacaktır.
    • Standart kaliteler, karbon içerikleri “L” kalitelerin karbon içeriği sınırlamasına uyduğu sürece “L” kalite olarak kullanılabilirler.
    • Özellikle plaka, sac, boru ve çubuklarda çift sertifikalı ürün olması gün geçtikçe artan bir uygulamadır. Bu malzemeler 304/304L veya 316/316L kalitelere tam olarak uymaktadır. Çift sertifikalı ürünlerin kullanımı “L” kaliteler için kullanılırken, “H” kaliteler için böyle bir uygulama söz konusu değildir. Eğer bir uygulama “H” kalite gerektiriyorsa, bunun sipariş aşamasında özellikle belirtilmesi gerekir. Standart kaliteler de, karbon içeriği “H” kalitelerin gerekliliklerine uyduğu sürece,  “H” kaliteler yerine kullanılabilirler. Mikro yapı tane büyüklüğü belki de fazladan yapılacak muayenelerle karşılanabilir. Malzeme ve sertifikası “standart” olarak belirtmesi gerekir, aksi takdirde bu malzeme “H” kalite olarak üretilmiştir.  Test sertifikasının detayları kalitenin gerekliliklerine uyacaktır.
    • “H” kaliteler karbon içerikleri %0,080 ‘i geçmediği ve nitrojen içerikleri maksimum %0,10 olduğu sürece standart kaliteler olarak 1kullanılabilir. Genelde bunu karşılar, fakat yine de sertifikasının kontrol edilmesi gerekir.