Laves-faasin erkautumisen vaikutus uusien korkeakromisten ferriittisten ruostumattomien terästen mekaanisiin ominaisuuksiin

Ympäristön huomioiminen ja päästöjen vähentäminen on teollisuudelle aiempaa tärkeämmässä roolissa. Ympäristöystävällisyyteen pyritään mm. kehittämällä hyvin kierrätettävästä materiaalista polttoainetehokkaampia pakokaasujärjestelmiä, joissa pakokaasut palavat puhtaammin korkeampien käyttölämpötilojen ansiosta. Perinteiset pakokaasujärjestelmät valmistetaan painavasta valuraudasta, ja ne kestävät huonosti korkeita lämpötiloja, ovat heikommin kierrätettävissä ja painavampia verrattuna uusiin ruostumattomiin teräksiin. Uudet ferriittiset ruostumattomat teräkset tarjoavat halvemman ja ympäristöystävällisemmän vaihtoehdon.

Väitöstutkimuksessa kehitettiin olemassa olevia ferriittisiä ruostumattomia teräksiä sekä täysin uusi teräslaatu korkean lämpötilan sovelluksiin, kuten Wärtsilän pakokaasujärjestelmiin ja Ecocatin katalysaattoreihin sekä autoteollisuuden käyttöön. Kyseinen teräslaatu kehitettiin yhteistyössä Outokumpu Oyj:n ja brasilialaisen CBMM:n kanssa. Korkeissa lämpötiloissa käytettävältä materiaalilta vaaditaan hyviä lujuus- ja korroosionkesto-ominaisuuksia, joita voidaan parantaa mm. lisäämällä materiaaliin niobia ja molybdeenia. Korkeissa jopa yli 800 °C käyttölämpötiloissa, kyseisissä teräksissä saattaa kuitenkin tapahtua metallurgisia ilmiöitä, kuten erkautumista. Eri alkuaineiden, kuten niobin erkautumisella voi olla haitallisia vaikutuksia terästen käyttöominaisuuksiin. Niobin lisäksi myös muiden alkuaineiden, kuten titaanin, piin sekä molybdeenin ja sekundääristen faasien kuten Chi- ja Laves-faasin erkautuminen vaikuttavat tuotteen korkean lämpötilan ominaisuuksiin, esimerkiksi lujuuteen, muovattavuuteen ja korroosionkesto-ominaisuuksiin.

Väitöstyössä tutkittiin eri erkautumisilmiöihin vaikuttavia syitä sekä kinetiikkaa, jotta erkautumisen kontrolloiminen olisi mahdollista. Kontrolloimalla alkuaineiden erkautumista voidaan saavuttaa merkittäviä parannuksia materiaalin käyttöominaisuuksissa ja hitsin mekaanisissa ominaisuuksissa. Tutkittavana materiaalina käytettiin Outokumpu Oyj:n tuotannossa olevia ferriittisiä ruostumattomia teräksiä, uusien sulatusten lisäksi. Tutkimukseen sisältyi laaja kokeellinen osuus. Sovellusten käyttökohteita simuloitiin mm. Gleeble-simulaattorilla sekä Thermo-calc -ohjelmistolla. Erkautumisen ja Laves-faasin tutkimiseen käytettiin mm. kenttäemissiopyyhkäisy- ja läpivalaisumikroskooppeja (FESEM, EDS, TEM), röntgendiffraktiota (XRD) sekä XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) -laitteistoja. Lisäksi materiaalin käyttöominaisuuksia mitattiin mm. vetokokeiden, mikrokovuusmittausten ja pistekorroosiopotentiaalimääritysten avulla. Väitöstyö koostuu viidestä julkaisusta ja tiivistelmästä. Julkaisut keskittyvät uuden teräslaadun kannalta oleelliseen, mutta myös tieteellisesti merkittävään Laves-faasiin ja materiaalien mallintamiseen.