Abstract

Austenitic stainless steel is steel alloyed with nickel and chromium. The alloying amounts of chromium and nickel, and possibly other elements, defines what type of an austenitic stainless steel it is. These types are categorised according to steel standards, such as EN and AISI. The standard defines the limits for the alloyed elements in the steel. Microalloying is used to alter the alloying amounts within the limits.

The unit processing path for manufacturing steel products mostly follows the same path: after the molten steel is cast into slabs, the slabs are reheated in a furnace prior to hot rolling. Introducing a metal phase to high temperatures and an oxidising atmosphere results in oxidation and the formation of an oxide scale layer. This scale layer has a distinct formation rate and an amount and morphology based on the hold time, the conditions in the furnace and the composition of the steel. Dependent on the factors, the scale layer can be protective, easy to remove, grow at a steady rate, grow evenly, be of a simple consistency or their opposite.

By introducing microalloying amounts of 35 and 55 ppm B and 400 ppm Ti in comparison to a baseline AISI 304 austenitic stainless steel, the formed oxide scale layer amount, rate and morphology in the walking beam slab reheat furnace conditions are investigated in this thesis. The atmospheres involved are O₂ containing and H₂O containing atmospheres, with holding times varying between 3600 and 10800 seconds and temperatures ranging from 800 to 1300 °C. Comparison is also made to B and Mo microalloyed AISI 301.

In some temperatures in the O₂ containing atmosphere, boron microalloying has a decreasing effect on the scale formation amount and in other cases an increasing effect. This is attributed to Si oxide formation at the metal-oxide interface. In the H₂O containing atmosphere, the same decreasing effect of B microalloying is observed at higher temperatures and linked to both the Si oxide formation and Ni oxide behaviour in oxide pockets. Ti microalloying is shown to overall decrease slightly the oxide scale formation in almost all studied cases. Microalloying amounts of 35 and 55 ppm B also produced a more even metal-oxide interface during the tests.

Tiivistelmä

Austeniittinen ruostumaton teräs on terästä, joka on seostettu nikkelillä ja kromilla. Nikkelin, kromin ja muiden alkuaineiden seosmäärät määrittelevät minkä tyyppinen teräs on kyseessä. Eri terästyypit on kategorioitu standardien, kuten AISI ja EN mukaan. Standardi määrittelee eri seosaineiden pitoisuusrajat kullekin terästyypille. Alkuaineiden pitoisuuksien muuttamista rajojen sisällä kutsutaan mikroseostamiseksi.

Terästuotantoon liittyvä yksikköprosessiketju on kutakuinkin sama kaikille teräksille: sulasta teräksestä valetut aihiot kuumennetaan ennen kuumavalssausta. Kun metallifaasi asetetaan korkeaan lämpötilaan ja hapettavaan atmosfääriin, tapahtuu hapettumista ja metallin pintaan syntyy oksidi-, eli hilsekerros. Tällä hilsekerroksella on olosuhteista riippuva ominainen muodostumisnopeus ja -määrä, sekä morfologia. Nämä kaikki ovat riippuvaisia pitoajasta uunissa, uunin olosuhteista ja teräksen koostumuksesta. Muodostunut hilsekerros voi olla suojaava, helposti irrotettava, kasvaa tasaista nopeutta, kasvaa tasaisesti, olla yksinkertainen rakenteeltaan, tai olla edellä mainittujen vastakohtia.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan 35 ppm ja 55 ppm B, sekä 400 ppm Ti mikroseostamisen vaikutuksia lähtökohtaiseen AISI 304 ruostumattomaan teräkseen. Tutkimus kohdistuu aihioiden kuumennusuunia vastaavissa olosuhteissa muodostuvan hilsekerroksen määrään, nopeuteen ja morfologiaan. Atmosfääreinä ovat O₂ ja H₂O sisältävät atmosfäärit, pitoajat vaihtelevat 3600 ja 10800 sekunnin välillä ja lämpötila välillä 800 °C ja 1300 °C. Muodostunutta hilsekerrosta verrataan B ja Mo seostettuun AISI 301 hilsekerrokseen.

Tietyissä lämpötiloissa O₂ sisältävässä atmosfäärissä boorin mikroseostamisella on hilseenmuodostusta vähentävä ja toisissa sitä lisäävä vaikutus. Tämä on sidoksissa Si oksidin muodostumiseen metalli–oksidi rajapinnalla. H₂O sisältävässä atmosfäärissä sama boorin aiheuttama hilseenmuodostumista vähentävä vaikutus on havaittavissa korkeammissa lämpötiloissa kuin happea sisältävässä atmosfäärissä ja se on sidoksissa sekä Si oksidin muodostumiseen, että Ni oksidin käyttäytymiseen oksiditaskuissa. Ti mikroseostamisella havaitaan olevan lievä hilseenmuodostumismäärää alentava vaikutus kauttaaltaan lähes kaikissa olosuhteissa. Mikroseostettaessa 35 ja 55 ppm B havaitaan metalli–oksidi rajapinnan tasaisuutta edistävä vaikutus.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Laukka, A., Heikkinen, E.-P., Puukko, E., & Fabritius, T. (2017). The Effect of Boron and Titanium Microalloying on the Scale Formation of AISI 304 Austenitic Stainless Steel in Simulated Walking Beam Furnace Conditions. Steel Research International, 88(6), 1600365. https://doi.org/10.1002/srin.201600365

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Laukka, A., Heikkinen, E.-P., & Fabritius, T. (2018). In-Depth Oxide Scale Growth Analysis of B and Ti Microalloyed AISI 304 in Oxygen-Containing Furnace Atmospheres and CH4Burn-Simulating Furnace Atmospheres. Steel Research International, 90(1), 1800447. https://doi.org/10.1002/srin.201800447

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Laukka, A., Heikkinen, E.-P., & Fabritius, T. (2019). The events of AISI 304 scale layer growth as influenced by boron and titanium microalloying. Manuscript in preparation.

4. Laukka, A., Heikkinen, E.-P., & Fabritius, T. (2018). Microalloying of molybdenum and boron: the effect on slab scale formation of AISI 301 (EN1.4310) in slab reheat furnace conditions. Proceedings 7th International Congress on Science and Technology of Steelmaking - The challenge of industry 4.0 - ICS 2018, Venice 13-15 June 2018, organized by AIM.