Сталь, легированная хромом, никелем и марганцем, сохраняющая при охлаждении с высокой темп-ры до комнатной и ниже структуру у-твердого раствора (аустенита). В отличие от ферритной нержавеющей стали, нержавеющая аустенитная сталь не магнитна, имеет умеренную твердость и прочность, низкий предел текучести и высокие пластич. св-ва (б и г) 50%). Применительно к нержавеющей аустенитной стали закалка является операцией термич. обработки, фиксирующей аустенитную структуру. При содержании в стали никеля или марганца, недостаточном для образования полностью аустенитной структуры, получаются промежуточные структуры: аустенит + феррит, аустенит + мартенсит и др. В стали системы Fe -Сг-Мп вследствие меньшей эффективности марганца в образовании аустенитной структуры области аустенит + феррит или аустенит 4-мартенсит более развиты.
Повышение содержания хрома, введение титана, ниобия, кремния, тантала, алюминия и молибдена способствуют образованию ферритной фазы. Увеличение содержания никеля, введение азота, углерода, марганца, наоборот, способствуют расширению области существования аустенита и его большей устойчивости. Легирующие элементы по эффективности их аустенитообразующего влияния располагаются в след. последовательности (с указанием условных коэфф.): углерод (30), азот (26), никель (1), марганец (0,6-0,7), медь (0,3). Ферритообразующие элементы: алюминий (12), ванадий (11), титан (7,2-5), кремний (5,2), ниобий (4,5), молибден (4,2), тантал (2,8), вольфрам (2,1), хром (1).
Длительный нагрев нержавеющей аустенитной стали при 700-900° или медленное охлаждение с высоких темп-р вызывает образование твердой и хрупкой интермета л лидной сг-фазы, что может приводить к очень сильной потере вязкости. Нагрев стали выше 900° устраняет это явление, обеспечивая переход хрупкой а-фазы в твердый раствор. Выделение а-фазы может происходить непосредственно из аустенита либо из феррита, образовавшегося после превращения у-Н.а.с., имеющая в структуре 0-фазу, более склонна к растрескиванию в результате действия теплосмен. Степень эффективности влияния легирующих элементов на понижение темп-ры мартенсит- ного превращения увеличивается в след. порядке: кремний (0,45), марганец (0,55), хром (0,68), никель (1), углерод или азот (27).
Выделение карбидов из твердого раствора (аустенита) вызывает изменение в нем концентрации легирующих элементов, что может вызвать частичное структурное превращение и изменение магнитности, особенно в сплавах, лежащих вблизи границы между областями y ~ и а-фаз. Это превращение протекает преимущественно по границам зерен, где имеется наибольшее обеднение твердого раствора углеродом и хромом, что сообщает стали склонность к межкристаллитной коррозии. При воздействии агрессивных сред такая сталь быстро разрушается, причем тем сильнее, чем больше содержание углерода.
Нержавеющая аустенитная сталь промежуточной группы (00Х18Н10, 00Х17Г9АН4, 0Х17Н5Г9БА) при кратковрем. нагревах в течение 5-30 мин. не приобретает большой склонности к межкристаллитной коррозии. Это позволяет проводить сварку без опасности возникновения межкристаллитной коррозии в сварном соединении и зоне термич. влияния, если она проводится достаточно быстро.
Прочность хромоникелевой стали можно значительно повысить наклепом при холодной прокатке, волочении, штамповке. При этом вь может достигать 120 кг!мм2 для листа и ленты, 0О,2 увеличивается до 100-120 кг!мм2у пластич. свойства при этом падают б с 50- 60% до 10-18%. Однако этого запаса пластичности достаточно для изготовления деталей. Для проволокись увеличивается до 180- 260 кг!мм2. В сравнении с нержавеющей ферритной и полуферритной сталью
Хромоникелевые стали типа 18-8 (00Х18Н10, 0Х18Н10, Х18Н9, 2Х18Н9). Стали с малым содержанием углерода (00Х18Н10 и 0Х18Н10) применяются гл. обр. в качестве электродной проволоки для сварки. Чем ниже содержание углерода в сварочной проволоке, тем выше корроз. стойкость сварного шва. Стали Х18Н9 и 2Х18Н9 имеют сильную склонность к межкристаллитной коррозии даже при кратковрем. нагреве в интервале умеренных темп-р, поэтому после сварки детали подвергают закалке на аустенитную структуру. В осн. стали Х18Н9 и 2Х18Н9 применяют в наклеп, состоянии для изготовления высокопрочных деталей самолетов и автомобилей, соединяемых точечной или роликовой электросваркой.
Хромомарганцовоникелевая сталь Х14Г14Н с содержанием хрома 12-14% склонна к межкристаллитной коррозии при сварке и после нагрева в интервале опасных темп-р. Применяется для деталей оборудования, от к-рых требуется высокая пластичность и немагнитность. По корроз. стойкости близка к 12- 14%-ным хромистым сталям. После закалки превосходит по прочности стали типа 18-8. Удовлетворительно сваривается ручной и автоматич. роликовой и точечной сварками с применением присадочной проволоки из хромоникелевой стали типа 18-8. Термич. обработка стали после сварки (кроме точечной) устанавливается в зависимости от содержания углерода методом контрольных испытаний сварных образцов на межкристаллитную коррозию по ГОСТ 6032-58.
Сталь 2Х13Г9Н4 применяется для изготовления высокопрочных конструкций, гл. обр. из холоднокатаной профилиров. ленты. Прочность и твердость этой стали возрастают при холодной деформации более интенсивно, чем у хромоникелевой стали типа 18-8. Поэтому при холодной прокатке лент не следует допускать больших степеней деформации во избежание чрезмерной потери пластичности.
Эта сталь надежно работает в условиях глубокого холода, широко применяется в пищевой пром-сти. Сохраняет высокие механич. св-ва до 450°. Имеет склонность к межкристаллитной коррозии, поэтому служит гл. обр. для изготовления деталей, соединение к-рых осуществляется с помощью точечной или роликовой сварки. По той же причине при термич. обработке холоднокатаной ленты следует применять повыш. скорости охлаждения.
X ромомарганцовоникелевые стали с содержанием хрома 17-19% и добавкой азота (Х17АГ14 и Х17Г9АН4) имеют высокую стойкость против атмосферной коррозии и в окислит, средах. Для деталей, изготовляемых с помощью дуговой, арг оно-дуговой, газовой и атомноводородной сварки, необходимо применять сталь с низким содержанием углерода (0,03-0,05%) и строго контролировать процесс во избежание появления в сварных соединениях склонности к межкристаллитной коррозии. Для деталей, изготовляемых с помощью точечной или роликовой сварки, и деталей, к-рые после сварки подвергаются термич. обработке, а также для деталей, работающих в атм. условиях, можно применять сталь данного типа с более высоким содержанием углерода.
Хромоникелевые стали типа 18-8 с присадками титана или ниобия (Х18Н9Т, Х18Н10Т,0Х18Н10Т,0Х18Н12Т,0Х18Н12Б). Добавки титана или ниобия уменьшают склонность стали к межкристаллитной коррозии. Титан и ниобий образуют стойкие карбиды типа TiC и NbC , при этом полезный для повышения коррозионной стойкости хром не входит в состав карбидов и сохраняется в твердом растворе. Титана вводится в сталь в 4-5,5 раза больше, а ниобия в 8-10 раз больше, чем углерода. Когда содержание титана или ниобия по отношению к углероду находится на нижнем пределе, сталь не всегда стойка против межкристаллитной коррозии, особенно в условиях длит, службы деталей при умеренных темп-рах (500-800°). Это вызывается влиянием всегда присутствующего в стали азота, к-рый связывает часть титана в нитриды, а также с влиянием тепловой обработки. Перегрев стали при термич. обработке (выше 1100°) или сварке считается вредным, особенно в тех случаях, когда соотношение между титаном и углеродом находится на нижнем пределе по формуле Ti ^5(%G -0,02). В этом случае закаленная с темп-ры выше 1150° сталь 1Х18Н9Т приобретает склонность к межкристаллитной кор- розии. В случае норм, режимов термич. обработки (закалка с 1050°) и при кратковрем. нагревах необходимо, чтобы отношение титана или ниобия к углероду было соответственно не менее 5 и 10. Для длит, службы деталей при 500-750° важно, чтобы эти соотношения были не менее 7-10 для титана и 12 для ниобия. Для уменьшения склонности стали к межкристаллитной коррозии целесообразно большое снижение содержания углерода до0,03- 0,05%. Коррозионная стойкость сварных соединений из стали данного типа зависит от содержания титана и углерода в осн. металле и наплавленном шве. Т.к. титан при сварке сильно выгорает, то для электродов применяются спец. обмазки, в состав к-рых титан входит в виде ферро- титана для компенсации угара титана в присадочной проволоке. Чаще всего применяют присадочную проволоку из хромо- никелевой стали типа 18-8 без титана, но с очень низким (^0,06%) содержанием углерода (стали 0Х18Н9 и 00Х18Н10) или электроды из стали типа 18-12 с ниобием (0Х18Н12Б). В сварных соединениях из стали 1Х18Н9Т, работающих в средах, содержащих азотную к-ту, возможно появление коррозии ножевого типа, обусловленное повышенным (>0,06%) содержанием в стали углерода. Поэтому детали аппаратуры для произ-ва азотной кислоты выполняются из стали 0Х18Н10Т с содержанием углерода 0,06%. Кроме того, такая сталь обладает более высокой общей коррозионной стойкостью.
В наплавленном металле шва сварного соединения стали с титаном, имеющей двухфазную структуру (у+а), возможно a -^a - превращение при длит, нагреве в интервале умеренных темп-р (650-800°), сообщающее сварному шву высокую хрупкость. Для восстановления вязкости сварного шва и повышения корроз. стойкости рекомендуется применять стабилизирующий отжит при темп-ре 850-900°. Он очень полезен также для снятия наклепа и устранения растрескивания от коррозии под напряжением в среде кипящего хлористого магния и др. средах, содержащих ионы хлора.
Хромомарганцовоникелевая сталь с присадкой ниобия 0Х17Н5Г9БА имеет повыш. сопротивление межкристаллитной коррозии и высокую корроз. стойкость в сварных соединениях, работающих в азотной к-те. Полного иммунитета против межкристал- литной коррозии при длит, воздействиях опасных темп-р сталь не имеет, показывает склонность к межкристаллитной коррозии после длит, нагрева при 500-750° (рис.7). При высоких темп-рах обладает примерно такими же механич. св-вами, что и хромо- никелевые стали типа 18-8.
Сталь Х14Г14НЗТ имеет повыш. прочность и высокую пластичность, не склонна к межкристаллитной коррозии и может применяться для изготовления сварных деталей без последующей термич. обработки. Механич. св-ва этой стали могут быть повышены прокаткой в холодном состоянии. Нагрев в интервале темп-р 500-700° не изменяет механич. св-в стали при комнатных темп-рах. Сталь изготовляется в виде прутков, листов и ленты, хорошо сваривается всеми видами сварки при применении сварочной проволоки из стали типа 18-8 без ниобия или с ним.
Хромоникельмолибденовые стали Х17Н13М2Т и X 17H 13M 3T применяются при изготовлении аппаратуры для производства искусств, удобрений, в писчебумажной пром-сти, в химич. машиностроении и нефтеперерабатывающей пром-сти. Стали показывают высокую коррозионную стойкость против сернистой, кипящей фосфорной, муравьиной и уксусной к-т, а стали с повышенным содержанием молибдена - в горячих растворах белильной извести. Стали с повышенным содержанием углерода (>0,07%) приобретают склонность к межкристаллитной коррозии при сварке и замедленном охлаждении, а также в условиях длит, нагрева в интервале умеренных: темп-р.
Хромоникельмолибденовые стали хорошо свариваются с применением в качестве сварочного материала присадочной проволоки того же состава.
Хромоникельмолибденовая сталь 0Х23Н28М2Т благодаря присадке молибдена и большому содержанию никеля обладает высокой коррозионной стойкостью в разведенных растворах серной к-ты (до 20%) при темп-ре не выше 60°, фосфорной к-ты, содержащей фтористые соединения,и др. средах высокой агрессивности. Она применяется в деталях машин для производства искусств, удобрения. После закалки на аустенит сталь имеет умеренную прочность и высокую пластичность, хорошо говой сваркой с состава. Несмотря на содержание титана, сталь приобретает склонность к межкристаллитной коррозии после кратковрем. нагрева при 650°, если отношение содержания титана к содержанию углерода меньше 7.
Технологические свойства нержавеющей аустенитной стали вполне удовлетворительны, обработка давлением производится при 1150-850°, а для сталей с медью интервал горячей обработки сужен (1100-900°). Нержавеющая аустенитная сталь при высоких темп-рах менее склонны к росту зерен, чем стали мартенситного и ферритного классов. При комнатной темп-ре Н.а.с. имеет высокий коэфф. линейного расширения, увеличивающийся с повышением темп-ры нагрева, и пониженный коэфф. теплопроводности. Однако при высоких темп-рах разница между а и q Н.а.с. и стали ферритного класса уменьшается. Поэтому нагрев Н.а.с. при пониж. темп-рах должен проводиться медленно, а при высоких (выше 800°) - быстро.
Лит.: Химушин Ф. Ф.,
Нержавеющие стали, М., 1963; его же, «Качественная сталь», 1934, № 4; 1935, №
1;
X
имушин Ф. Ф. и Курова О. И., там же, 1936,
№6;Химушин Ф. Ф.2 Ратнер С. И., Рудбах 3. Я., «Сталь», 1939, № 8, с. 40;
Медовар Б. И., Сварка хромоникелевых аустенитных сталей, 2 изд., Киев - М.,
1958; Металловедение и термическая обработка стали. Справочник, 2 изд., т. 2, М., 1962;
Schaeffler
A
.
L
., «
Metal
Progr
.»,
1949,
v
. 56, № 5, р. 680;
Post
С.
В., Е,Ь е г 1 у
W
.
S
., «
Trans
.
Amer. Soc. Metals», 1947, v. 39, p. 868; Symposium on the nature,
occurrence and effects of sigma phase, Phil., 1951 (ASTM. Special techn. publ
, № 110); Symposium on evaluation tests for stainless steels, , 1950
(ASTM. Special techn. publ., № 93); Rosenberg S. J., D a r r J. H., «Trans.
Amer. Soc. Metals», 1949, v. 41, p. 1261; К r 1 v о b о k V. N., Linkoln R.
А., там же, 1937, v. 25, № 3.
стали
делятся на аустенитные,
аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные
www..htm
Аустенитные стали
(стали аустенитного класса) : общая характеристика
К аустенитному классу относятся высоколегированные стали, образующие пpи кристаллизации преимущественно однофазную аустенитную структуру γ -Fe c гранецентрированной кристаллической (ГЦК) рeшеткой и сохраняющие еe при охлаждении дo криогенных температур. Кoличество другой фазы - высоколегированного феррита (δ -Fe с объемноцентрированной кристаллической (ОЦК) решеткой) изменяется от О до 10 %. Они содержат 18 ...25 % Сг, обеспечивающего жаро- и коррозионную стойкость, а также 8...35 % Ni, стабилизирующего аустенитную структуру и повышающего жаропрочность, пластичность и технологичность сталей в широком интервале температур. Этo пoзволяет применять аустенитные стали в качествe коррозионно-стойких, жаропрочных, жаростойких, криогенных конструкционных материалов в химических, теплоэнергетических и атомных установках, гдe oни подвергаются совместному дeйствию напряжeний, высоких температур и агрессивных сред. Химичeский состав основных коррозионно-стойких и жаропрочных сталей привeден в таблицах 1 и 2.
В аустенитных сталях наряду с хромом и никелем могут находиться в твердом растворе или избыточных фазах и другие легирующие элементы: аустенитизаторы (углерод, азот, марганец) и ферритизаторы (титан, ниобий, молибден, вольфрам, кремний, ванадий), улучшающие указанные служебные свойства и действующие на стабильность аустенитной структуры эквивалентно хрому и никелю.
Ферритизаторы способствуют формированию высоколегированного феррита (δ -Fe) с ОЦК-решеткой; аустенитизаторы стабилизируют аустенитную структуру (γ -Fe) с ГЦК-решеткой. Эквивалентное содержание хрома и никеля (в %) подсчитывают по следующим формулам:
Сr экв = %Сг + 2 (%Мо + %Nb + %AI) + 1,5 (% Si + % W) + 5 % Ti + 1 %V;
Ni экв = % Ni + 0,5 % Мn +30 (% С + % N).
Таблица 1. Жаропрочные : химический состав и применение для сварных конструкций .
| Марка стали | Массовая доля, % | Применение | |||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | W | Nb | Mo | Ti | Прочих элементов | ||
| 08Х16Н9М2 | 0,08 | 0,60 | 1,0.. 1,5 | 15,5.. 17,0 | 8,5.. 10,0 | - | 1,0.. 1,5 | - | Паропроводы | ||
| 10Х14Н16Б (ЭП 694) | 0,07- 0,12 | 1,0.. 2,0 | 13,0 .. 15,0 | 14,0 .. 17,0 | - | 0,9... 1,3 | - | - | |||
| 10X18H12T | 0,12 | 0,75 | 17,0 .. 19,0 | 11,0 .. 13,0 | - | - | 0,02 | ||||
| 10X14H14B2M (ЭП 257) | 0,15 | 0,80 | 0,70 | 13,0 .. 15,0 | 13,0 .. 16,0 | 3,0.. .4,0 | 0,45... 0,60 | ||||
| 10Х16Н14В2БР (ЭП 17) | 0.07- 0,12 | 0,60 | 1,0... 2,0 | 15,0 .. 18,0 | 13,0 .. 15,0 | 2,0... 2,75 | 0,9... 1,3 | - | Трубы, поковки | ||
| 09Х14Н18ВБР (ЭП 695Р) | 0,60 | 13,0 .. 15,0 | 18,0... 20,0 | Трубы, листовой прокат | |||||||
| 10X15H18B4T (ЭП501) | 0,50 | 0,5 .. 1,0 | 14,0 .. 16,0 | 4,0... 5,0 | - | Паропроводы | |||||
| 10Х14Н18В2БР1 (ЭП 726) | 0,60 | 1,0... 2,0 | 13,0 .. 15,0 | 2,0... 2,75 | 0,9... 1,3 | Роторы, диски, турбины | |||||
| 20X23H13 (ЭП 319) | 0,20 | 1,0 | 2,0 | 22,0... 25,0 | 12,0. . 15,0 | - | - | 0.025 В | Камеры сгорания | ||
| 08X23H18 | 0,1 | 17.0. . 20,0 | |||||||||
| 1Х15Н25М6А (ЭП395) | 0,12 | 0,5... 1,0 | 1,0... 2,0 | 15,0 .. 17,0 | 24,0 .. 27,0 | 5,5... 7,0 | 0,1 ..0,2 В | Роторы газовых турбин | |||
| 40Х18Н25С2 (ЭЯЗС) | 0,32- 0,4 | 1,5 | 2,0. . 3,0 | 17,0. . 19,0 | 23,0 .. 26,0 | - | Литые реакционные трубы | ||||
| 20Х25Н20С2 (ЭП 283) | 0,2 | 2,0... 3,0 | 1,5 | 24,0 .. 27,0 | 18,0... 21.0 | ||||||
| 10Х12Н20Т3Р (ЭП 696А) | 0,10 | 1,0 | 1,0 | 10,0 .. 12,5 | 2,3 ..2,8 | 0,5 ..0,008 В | Паропроводы | ||||
| 10Х15Н35ВТ (ЭП 612) | 0,12 | 0,6 | 1.0... 2,0 | 14,0 .. 16,0 | 34,0. . 38,0 | 2,8 ..3,5 | 1,1 .. 1,5 | - | Роторы турбин | ||
| Х15Н35ВТР (ЭП 725) | 0,10 | 1,0 | 14,0 | 35,0. . 38,0 | 4,0. .5,0 | 1,1 .. 1,5 | 0,25 ..0,005 В | ||||
Таблица 2. Коррозионнo-стойкие аустенитные стали: химический состав (по ГОСТ 5632-72) .
| Тип легирования | C | Si | Mn | Cr | Ni | Ti=zC - yД | Mo | S | P | Коррозионная стойкость |
| не более | ||||||||||
| Хромоникелевый: | ||||||||||
| 08X18H10 | ≤0,08 | ≤0,08 | ≤2,0 | 17,0- 19,0 | 9,0- 11,0 | - | - | 0,02 | 0,035 | Первый балл стойкости (И кр до 0,1 мм/год) в 65%- н 80%-ной азотной кислоте при температурах соответственно до 85 и 65 о С; 100%-ной серной кислоте при температуре до 70 о С; смеси азотной и серной кислот (25 % НNО з, 70% H 2 SO 4 ; 10 % НNO 3 + 60 % H 2 SO 4) при 60 о C. 40%-ной фосфорной кислоте при 100 о C |
| 08X18H10T | 5С-0,7 | |||||||||
| 12X18H10T | ≤0,12 | 5С-0,8 | ||||||||
| 03Х18Н11 | ≤0,03 | 10,5- 12,5 | - |
|||||||
| 06X18Н11 | ≤0,06 | 10,0- 12,0 | ||||||||
| 08Х18Н12Б | ≤0,08 | 11,0- 13,0 | Nb-10C- 1,1 | |||||||
| Хромомарганцовый и хромоникеле-марганцовый | ||||||||||
| 10X14Г14H4T | ≤0,1 | ≤0,7 | 13,0- 15,0 | 13,0- 16,0 | 2,8- 4,5 | 5(С - 0,02) - 0,6 | 0,02 | 0,035 | Первый балл стойкости в ряде кислот невысоких концентрации и температуры (5 ... 10%-ная азотная кислота до 80 o С; 58- и 65%-ная азотная кислота при 20 o С; 10%-ная уксусная кислота до 80 o С; 10%-ная фосфорная кислота до 80 o С), моющих средствах, водопроводной воде при 85 o С и в ряде других сред | |
| 10X14AГ15 | 14,5- 16,5 | 13,0- 15,0 | - | 0,15..0,25 N 2 | 0,03 | 0,045 | ||||
| 07Х21Г7AН5 | ≤0,07 | ≤0,7 | 6,0- 7,5 | 19,5 - 21,0 | 5,0- 6,0 | 0,03 | ||||
| Хромоникельмо-либденовый: | ||||||||||
| 08X17Н13M2T | ≤0,08 | ≤0,8 | ≤2,0 | 16,0- 18,0 | 12,0- 14,0 | 5С-0,7 | 2.5- 3,5 | 0,020 | 0,035 | Первый балл стойкости в 50%-ной лимонной кислоте приT кнп; 10%-ной муравьиной кислоте до 100 о С; 5-, 10- и 25%-ной серной кислоте до 75 о С; 50%-ной уксусной кислоте до 100 о С и в дрyrиx средах |
| 10Х17Н13М3Т | ≤0,10 | 3,5- 4,0 | ||||||||
| 08Х17Н15М3Т | ≤0,08 | 14,0- 16,0 | 0,3- 0,6 | 3,0- 4,0 | ||||||
| 03X16H15M3 | ≤0,03 | ≤0,6 | ≤0,8 | 15,0- 17,0 | - | 2.5- 3,5 | 0,015 | 0,020 | ||
| 03Х21Н21М4ГБ | ≤1,8- 2,5 | 20,0- 22,0 | 20,0- 22,0 | Nb-15C-0,8 | 3,4- 3,7 | 0,020 | 0,030 | |||
| Высококрем- нистый: |
||||||||||
| 02Х8Н22С6 | ≤0,02 | 5,4... 6,7 | ≤0,6 | 7,5- 10,0 | 21,0- 23,0 | - | 0,13... 0,35А1 | 0,02 | 0,025 | Первый балл стойкости в азотной кислоте концентрацией >90 % при температуре 100 о С (02Х8Н22С6) и до 50 о С (15Х18Н12С4ТЮ) |
| 15Х 18Н12C4Т10 | 0,12... 0,17 | 3,8.. .4,5 | 0,5- 1,0 | 17,0- 19,0 | 11,0- 19,0 | 0,4- 0,7 | 0,03 | 0,035 | ||
Рис. 1. Структурная диаграмма Шеффлера для определения фазового состава аустенитных швов .
Совместное действие легируюших элементов на конечную структуру оценивают по соотношению Cr экв / Ni экв, называемому хромоникелевым эквивалентом, и с помошью структурных диаграмм Шеффлера (рис. 1). На этой диаграмме структура стали определяется соотношением координат Cr экв и Ni экв. Стали, попадаюшие в области А, Ф и М, имеют стабильно аустенитную, ферритную или мартенситную конечную структуры соответственно.
Стали, попадаюшие в переходные области А + Ф, А + М, А + М + Ф, обладают смешанной структурой. Соотношение А + Ф дифференuировано количественно с помошью ряда веерообразно расположенных линий. Цифры над лими линиями указывают количество высоколегированного феррита (δ
-Fe с ОЦК-решеткой), содержашегося в стали наряду с аустенитом (γ
-Fe). Эта структурная диаграмма описывает структуры, получаемые после кристаллизаuии металла сварного шва. Для других состояний металла (прокат, поковка, литье) существуют аналогичные диаграммы, количественно отличаюшиеся от приведенной на рис. 1.
Более точно определяют oстаточoe количество δ -Fe по ферритному числу с помошью формулы:
FN = -18 +2.9(%Сг+% Мо +0.3 % Si)- 2,6(% Ni + 35 % С + 20 % N + 0,3 % Мn).
где FN - ферритное число, приблизительно равное проuентному содержанию δ -Fe.
Обладая одновременно жаропрочными и антикоррозионными свойствами, (стали аустенитного класса) получают то или иное сверхвысокое свойство принципиально различным легированием и термической обработкой. В связи с этим различают две основные группы аустенитных сталей:
- жаропрочные аустенитные стали;
- коррозионно-стойкие аустенитные стали.
Жаропрочность - сопротивление стали разрушению при высокой температуре, зависящее не только от температуры, но и от времени. Механизм разрушения металла при высокотемпературном длительном нагружении имеет диффузионную природу и состоит в развитии дислокационной ползучести. Под действием температуры, времени, напряжений дислокации у барьеров, создавшие упрочнение, приходят в движение (совместно с облаком легируюших элементов и примесей) в результате взаимодействия с созданными нагревом подвижными вакансиями. которые обеспечивают их «переползание» в другие плоскости кристаллической решетки на границы зерен. Зто при водит к разупрочнению, развитию локальной пластической деформаuии и охрупчиванию. Дислокации выходяшие на границы зерен, создают микроступеньки и вызывают из-за соответствуюшего изменения размеров контактируюших зерен меЖJеренное проскальзывание, раскрываюшее микроступеньки в поры и трешины. чему способствуют потоки вакансий. В этих условиях прочность и пластичность металла зависят от температуры и времени. т.е. от длительности нагружения. Для предотврашения ползучести жаропрочность повышают двумя основными способами:
- подвижности вакансий (легирование γ -твердого раствора молибденом, вольфрамом и другими элементами);
- созданием большого количества термостойких дисперсных включений-барьеров, препятствующих переползанию и скольжению дислокаций. Эту роль выполняют карбиды и интерметаллиды. Соответственно жаропрочные стали (см. табл. 1) разделяют на гомогенные нетермоупрочняемые и гетерогенные, упрочняемые термообработкой.
Коррозионная стойкость сталей - сопротивление металла воздействию агрессивных сред. Химические составы коррозионно-стойких сталей, приведенные в табл. 2, разработаны с учетом двух видов коррозии: химической и электрохимической.
Под химической коррозией понимают окисление металлов внеэлектропроводной среде (струе горячих газов и т.п.). Она развивается, eсли образующиеся продукты коррозии болeе чeм в 2,5 раза увeличиваются в объемe, что приводит к иx пeриодическому отслаиванию и утонению деталeй. Стали, содержащие >12 % Сr, образуют прочную пленку оксидов, прeпятствующую проникновению окислителя в металл, чтo oбеспечивает их окалино- и жаростойкость. Нaиболее жаростойки стали, содержащие нaряду c хромом кремний и алюминий.
Под электрохимической коррозией понимают растворение металла в жидких электропроводных растворах кислот и расплавах, содержащих ионы с положительным и отрицательным зарядами (Н 2 2+ , SO4 2- и др.). Наиболее опасны межкристаллитная и структурноизбирательная коррозии, развивающиеся по границам зерен. При контакте металла с электропроводным раствором термодинамически обусловлен и неизбежен переход ионов Fe+ из дефектных мест кристаллической решетки в раствор, что создает на металле отрицательный заряд и разность потенциалов между металлом и электролитом, препятствующую дальнейшему растворению (поляризация). Однако в других местах контактной поверхности в результате электропроводности металла и раствора действуют электростатические силы, при водящие к оседанию на поверхности металла положительно заряженных ионов (Н 2 2+ и др.), образующих нейтральные молекулы Н 2 . Это вызывает деполяризацию и непрерывное действие гальванической пары: металл (-) - раствор (+), т.е. коррозии. Скорость коррозии хрома в кипящей 65%-ной кислоте 5 * 10 -2 г/(м 2 * ч), а железа -10 5 г/(м 2 * ч), т.е. в 10 7 раз выше.
Поэтому при наличии в стали хрома коррозия практически не развивается. Главный фактор коррозионной стойкости стали - однородность твердого раствора хрома в железе, отсутствие его соединений с углеродом и другими элементами, приводящих к локальному обеднению стали хромом и создающих границы раздела между фазами с дефектными участками кристаллической решетки, где у атомов железа ослаблены межатомные связи. Так, образование карбида хрома Сr 23 С 6 . содержащего 94 % Сr, обедняет окружающую матрицу с 18 ...25 % Сr. Поэтому составы коррозионностойких сталей отличаются от жаропрочных минимумом углерода (до 0,02 %), являющегося для них вредной примесью, либо наличием в стехиометрическом отношении стабилизирующих элементов (титан, ниобий), образующих более прочные карбиды, чем хром, что исключает обеднение твердого раствора хромом. Для обеспечения прочности и стабильности аустенита в ряде сталей часть углерода заменена азотом. Он препятствует образованию δ -Fe, упрочняет аустенит и не образует карбидов.
Кроме того, в рассматриваемых сталях снижены пределы содержания серы и фосфора. В ряде сталей допустимо ≤10% δ -Fe, который обладает высокой концентрацией хрома и повышает коррозионную стойкость при нормальных температурах, но охрупчивает сталь при длительном нагреве до температуры >500 о С. превращаясь в σ -фазу, что снижает и коррозионную стойкость.
Согласно экспертным оценкам, в течение года потери металла от коррозионных явлений в различных отраслях составляют до 30% от производимого в России металлопроката. Особенно велики такие потери для деталей трубопроводов и внешних металлоконструкций. Антикоррозионная защита стальных деталей путём их окраски или нанесения поверхностного защитного покрытия не всегда эффективна. Именно поэтому спрос на специальные нержавеющие стали всегда устойчив.
Виды и классификация нержавеющих сталей
Характерная особенность всех видов нержавеющей стали – наличие в их химическом составе значительного процента хрома . Специальные требования к рассматриваемой категории сталей оговариваются сразу несколькими стандартами:
Кроме того, коррозиестойкую сталь выпускают также по нескольким отраслевым стандартам и ТУ.
Обрабатываемость
Поскольку практически весь производимый металлопрокат в дальнейшем подвергается пластическому деформированию, наиболее объективной считается классификация нержавеющих сталей по их структуре.
Различают нержавеющие стали:
- Мартенситного класса , отличительной особенностью которых является содержание углерода в пределах 0,15…0,45%;
- Мартенситно-ферритного класса , которые содержат углерод в количестве не более 0,15%;
- Ферритного класса , с содержанием углерода не более 0,1…0,15% и отсутствием никеля в своём составе;
- Аустенитного класса (они, в свою очередь, имеют ещё несколько подклассов), отличительной особенностью которых считается увеличенное содержание легирующих элементов. В частности, в такие стали дополнительно вводятся вольфрам и молибден, а иногда – ещё титан и алюминий.
Разнообразие структур предопределяет различные требования к обработке нержавеющих сталей и свойствам изготовленных из них деталей.
Стали ферритного класса
К такому типу относятся нержавеющие стали 08Х13, 08Х13Т1, 10Х13СЮ и им подобные . Отличительная особенность таких сталей — заметная потеря прочностных показателей уже при сравнительно невысоких температурах (до 300…400 0 С). Это облегчает деформируемость, поскольку во многих случаях штамповку можно проводить с холодном или полугорячем состоянии. При этом возможно получение поковок и штамповок с довольно сложной конфигурацией при относительно невысоких удельных усилиях и энергозатратах.
Особенно хорошо деформируются нержавеющие стали с пониженным процентным содержанием никеля, например 12Х13. При резке они образуют чистый срез и не налипают на рабочий инструмент. Однако листовую штамповку таких сталей можно прожить только в отожженном состоянии, поскольку при значительных степенях деформации они упрочняются, и могут, например, в процессе вытяжки без межоперационного отжига, разрушиться. Нержавеющие стали ферритного класса хорошо обрабатываются и в объёмных профилях – проволоке или прутке.
Для обеспечения высокого качества готовых изделий из нержавеющих сталей ферритного класса следуют правилу: с повышением процентного содержания углерода процент хрома должен пропорционально уменьшаться. При этих условиях обработка сталей рассматриваемой группы обычно проблем не вызывает.
Стали мартенситно-ферритного класса
В эту группу входят нержавеющие стали марок 12Х13, 14Х17Н2, 15Х12ВНМФ и т.д.
Они характеризуются повышенным содержанием углерода и, следовательно, снижением общей штампуемости. Такие стали способны сохранять свою прочность до температур 500 0 С
и даже более, поэтому холодная пластическая деформация проката успешна лишь для деталей простой формы. Листовые материалы из сталей рассматриваемого типа в холодном состоянии удовлетворительно поддаются вырубке и пробивке
. В то же время для совершения гибки, формовки и вытяжки исходные заготовки придётся нагревать
. Это не ухудшает их качества, но увеличивает себестоимость производства.
Особенностью технологии обработки нержавеющих сталей мартенситно-ферритного класса является необходимость в снижении трения при штамповке или механической обработке. Проблема решается введением дополнительных операций, которые заключаются в нанесении на поверхность исходных заготовок специальных покрытий, уменьшающих коэффициент трения при сложном формоизменении. Наиболее эффективно оксалатирование – покрытие поверхности солями щавелевой кислоты. Такое покрытие чаще применяют в технологиях объёмной штамповки.
Стали мартенситного класса
Типичные представители сталей указанной группы – 20Х12ВНМФ, 25Х13Н2, 40Х9С2 . Содержание хрома в них достигает 13…14% , что негативно сказывается на последующей обрабатываемости проката , как листового, так и профильного. Требуемых по технологии показателей штампуемости нержавеющие стали мартенситного класса достигают лишь при нагреве до температур не ниже 800 0 С. При этом нагрев заготовок ведут в печах с пониженным содержанием кислорода, либо вообще в среде инертных газов, поскольку антикоррозионная способность таких сталей сохраняется на должном уровне лишь до 750…850 0 С.
Поскольку предварительный отжиг таких сталей сокращает время нагрева в печах под последующую штамповку (без ухудшения качества поверхности металла), то к механической обработке обычно допускают прокат в ненагартованном состоянии. Увеличение процентного содержания никеля при этом благоприятно влияет на штампуемость , а увеличение процента кремния – снижает её .
Стали этого класса получили наиболее широкое распространение в промышленности и строительства.
В частности, удовлетворительная свариваемость позволяет использовать детали из нержавеющих мартенситных сталей при прокладке крупных трубопроводов. В то же время достаточные прочностные показатели обеспечивают готовым изделиям хорошую долговечность при значительных внешних нагрузках (особенно при наличии вибраций).
Стали аустенитного класса
К ним относят аустенитные (08Х17Н13М2Т, 20Х25Н20С2, 45Х14Н14В2М и т.п.) , аустенитно-ферритные (12Х21Н5Т, 20Х20Н14С2 и т.п.) , а также аустенитно-мартенситные (09Х15Н8Ю, 20Х13Н4Г9 и т.п.) стали.
Обработка таких сталей, из-за значительного содержания легирующих элементов, выполняется только в горячем состоянии. Помимо высокой прочности, которая сохраняется и при повышенных температурах, такие стали отличаются:
- Отсутствием процессов фазовой перекристаллизации , которая положительно влияет на пластичность;
- Низкой теплопроводностью , повышающей требования к технологии нагрева заготовок;
- Наличием гетерогенной структуры , которая имеет существенную неоднородность;
- Склонностью к росту зерна при нагреве , что отрицательно сказывается на пластичности:
- Требовательностью к точному соблюдению режимов нагрева (температурные отклонения свыше 50 0 С не допускаются).
Перед предварительной проковкой заготовки проходят контроль макроструктуры, в ходе которого устанавливаются возможные дефекты структуры (неметаллические включения, пустоты, заполненные азотом, наличие хрупких составляющих в растворе аустенита и т.д.). Поэтому нержавеющие стали аустенитного класса чаще производятся по технологии электрошлакового переплава.
Горячую обработку давлением таких сталей ведут при температурах 1050…1250 0 С (с увеличением процентного содержания углерода и легирующих компонентов температура увеличивается). Обращается внимание также на предельные значения степени деформации за одну проковку, которая не должна превышать 30…50%.
Рациональные области применения и способы проверки стойкости
Для верного выбора марки такой стали необходимо знать условия, в которых будет эксплуатироваться деталь
, изготовленная из неё. В частности, выбор предопределяется:
- Постоянным наличием коррозионно активной среды – воды при повышенной температуре от 200 0 С и выше, водносолевых растворов, водных паров и т.д.
- Электрохимической коррозией , которую вызывают блуждающие токи.
- Наличия знакопеременных нагрузок при эксплуатации изделия.
- Контактом со стерильными, пищевыми или химически чистыми веществами .
С ужесточением всех вышеперечисленных требований предпочтение отдают нержавеющим сталям с увеличенным процентным содержанием хрома, титана, молибдена никеля. При этом непосредственно на коррозионную стойкость влияет хром. Молибден, ванадий и никель обеспечивают механическую прочность изделия, а титан и алюминий снижают вес металлоконструкции.
При длительной эксплуатации все изделия, изготовленные из нержавеющих сталей, периодически подвергают неразрушающему контролю. В его ходе устанавливается наличие возможных точечных пятен поверхностной коррозии, а по изменению удельного электросопротивления – начало межзёренной и/или междукристаллитной коррозии.
— это коррозионностойкие хромоникелевые аустенитные стали, которые в мировой практике известны как стали типа 18-10. Это наименование им дает номинальное содержание в них 18 % хрома и 10 % никеля.
Хромоникелевые аустенитные стали в ГОСТ 5632-72
В ГОСТ 5632-72 хромоникелевые аустенитные стали представлены марками 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х18Н10, 03Х18Н11.
Роль хрома в аустенитных нержавеющих сталях
Основным элементом, дающим сталям типа 18-10 высокую коррозионную стойкость, является хром. заключается в том, что он обеспечивает способность стали к пассивации. Наличие в стали хрома в количестве 18 % делает ее стойкой во многих окислительных средах, в том числе в азотной кислоте в большом диапазоне, как по концентрации, так и по температуре.
Роль никеля в аустенитных нержавеющих сталях
Легирование никелем в количестве 9-12 % переводит сталь в аустенитный класс. Это обеспечивает стали высокую технологичность, в частности, повышение пластичности и снижение склонности к росту зерна, а также уникальные служебные свойства. Стали типа 18-10 широко применяют в качестве коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и криогенных материалов.
Фазовые превращения в аустенитных нержавеющих сталях
В хромоникелевых аустенитных сталях могут происходить следующие фазовые превращения:
- выделение избыточных карбидных фаз и σ-фазы при нагреве в интервале в интервале 450-900 ºС;
- образование в аустенитной основе δ-феррита при высокотемпературном нагреве;
- образование α-фазы мартенситного типа при холодной пластической деформации или охлаждении ниже комнатной температуры.
Межкристаллитная коррозия в аустенитных нержавеющих сталях
Склонность стали к межкристаллитной коррозии проявляется в результате выделения карбидных фаз. Поэтому при оценке коррозионных свойств стали важнейшим фактором является термокинтетические параметры образования в ней карбидов.
Склонность к межкристаллитной коррозии закаленной стали типа 18-10 определяется, в первую очередь, концентрацией углерода в твердом растворе. Повышение содержания углерода расширяет температурный интервал склонности стали к межкристаллитной коррозии.
Сталь типа 18-10 при выдержке в интервале 750-800 ºС становится склонной к межкристаллитной коррозии:
- при содержании углерода 0,084 % — уже в течение 1 минуты;
- при содержании углерода 0,054 % — в течение 10 минут;
- при содержании углерода 0,021 5 – через более чем 100 минут.
С уменьшением содержания углерода одновременно снижается температура, которая соответствует минимальной длительности изотермической выдержки до начала межкристаллитной коррозии.
Сварка аустенитных нержавеющих сталей
Необходимую степень стойкости стали против межкристаллитной коррозии, позволяющей выполнять сварку достаточно толстых сечений, обеспечивает содержание углерода в стали типа 18-10 не более 0,03 %.
Межкристаллитная коррозия при 500-600 ºС
Стабилизация стали титаном и ниобием
При введении в хромоникелевую сталь типа 18-10 титана и ниобия, которые способствуют образования карбидов, меняются условия выделения карбидных фаз. При относительно низких температурах 450-700 ºС преимущественно выделяются карбиды типа Cr 23 C 6 , которые и дают склонность к межкристаллитной коррозии. При температурах выше 700 ºС преимущественно выделяются специальные карбиды типа TiC или NbC. При выделении только специальных карбидов склонности к межкристаллитной коррозии не возникает.
Азот в аустенитных нержавеющих сталях
Азот, как и углерод, имеет переменную растворимость в аустените. Азот может образовывать при охлаждении и изотермической выдержке самостоятельные нитридные фазы или входить в состав карбидов, замещая в них углерод. Влияние азота на склонность к межкристаллитной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей значительно слабее, чем у углерода, и начинает проявляться только при содержании его более 0,10-0,15 %. Вместе с тем, введение азота повышает прочность хромоникелевой аустенитной стали. Поэтому на практике применяют в этих сталях небольшие добавки азота.
Влияние содержания хрома
С повышением концентрации хрома растворимость углерода в хромоникелевом аустените уменьшается, что облегчает выделение в нем карбидной фазы. Это, в частности, подтверждается снижением ударной вязкости стали с повышением содержания хрома, что связывают с образованием карбидной сетки по границам зерен.
Вместе с тем, повышение концентрации хрома в аустените приводит к существенному снижению склонности стали к межкристаллитной коррозии. Это объясняют тем, что хром существенно повышает коррозионную стойкость стали. Более высокая концентрация хрома в стали дает меньшую степень обеднения им границ зерен при выделении там карбидов.
Влияние содержания никеля
Никель снижает растворимость углерода в аустените и тем самым снижает ударную вязкость стали после отпуска и повышает ее склонность к межкристаллитной коррозии.
Влияние легирующих элементов на структуру стали
По характеру влияния легирующих и примесных элементов на структуру хромоникелевых аустенитных сталей при высокотемпературных нагревах их разделяют на две группы:
1) ферритообразующие элементы: хром, титан, ниобий, кремний;
2) аустенитообразующие элементы: никель, углерод, азот.
Дельта-феррит в хромомолибденовой аустенитной стали
Присутствие дельта-феррита в структуре аустенитной хромоникелевой стали типа 18-10 оказывает отрицательное влияние на ее технологичность при горячей пластической деформации – прокатке, прошивке, ковке, штамповке.
Количество феррита в стали жестко лимитируется соотношением в ней хрома и никеля, а также технологическими средствами. Наиболее склонна к образованию дельта-феррита группа сталей типа Х18Н9Т (см. также ). При нагреве этих сталей до 1200 ºС в структуре может содержаться до 40-45 % дельта-феррита. Наиболее стабильными являются стали типа Х18Н11 и Х18Н12, которые при высокотемпературном нагреве сохраняют практически чисто аустенитную структуру.
Мартенсит в хромоникелевых аустенитных сталях
В пределах марочного состава в сталях типа Х18Н10 хром, никель, углерод и азот способствуют понижению температуры мартенситного превращения, которое вызывается охлаждением или пластической деформацией.
Влияние титана и ниобия может быть двояким. Находясь в твердом растворе, оба элемента повышают устойчивость аустенита в отношении мартенситного превращения. Если же титан и ниобий связаны в карбонитриды, то они могут несколько повышать температуру мартенситного превращения. Это происходит потому, что аустенит в этом случае обедняется углеродом и азотом и становится менее устойчивым. Углерод и азот являются сильными стабилизаторами аустенита.
Термическая обработка хромоникелевых аустенитных сталей
Для хромоникелевых аустенитных сталей возможны два вида термической обработки:
- закалка и
- стабилизирующий отжиг.
Параметры термической обработки отличаются для нестабилизированных сталей и сталей, стабилизированных титаном или ниобием.
Закалка является эффективным средством предупреждения межкристаллитной коррозии и придания стали оптимального сочетания механических и коррозионных свойства.
Стабилизирующий отжиг закаленной стали переводит карбиды хрома:
- в неопасное для межкристаллитной коррозии состояние для нестабилизированных сталей;
- в специальные карбиды для стабилизированных сталей.
Закалка аустенитных хромоникелевых сталей
В сталях без добавок титана и ниобия под закалкой понимают нагрев выше температуры растворения карбидов хрома и достаточно быстрое охлаждение, фиксирующее гомогенный гамма-раствор. Температура нагрева под закалку с увеличением содержания углерода возрастает. Поэтому низкоуглеродистые стали закаливаются с более низких температур, чем высокоуглеродистые. В целом интервал температуры нагрева составляет от 900 до 1100 ºС.
Длительность выдержки стали при температуре закалки довольно невелика. Например, для листового материала суммарное время нагрева и выдержки при нагреве до 1000-1050 ºС обычно выбирают из расчета 1-3 минуты на 1 мм толщины.
Охлаждение с температуры закалки должно быть быстрым. Для нестабилизированных сталей с содержанием углерода более 0,03 % применяют охлаждение в воде. Стали с меньшим содержанием углерода и при небольшом сечении изделия охлаждают на воздухе.
Стабилизирующий отжиг аустенитных хромоникелевых сталей
В нестабилизированных сталях отжиг проводят в интервале температур между температурой нагрева под закалку и максимальной температуры проявления межкристаллитной коррозии. Величина этого интервала в первую очередь зависит от содержания хрома в стали и увеличивается с повышением его концентрации.
В стабилизированных сталях отжиг проводят для перевода углерода из карбидов хрома в специальные карбиды титана и ниобия. При этом освобождающийся хром идет на повышение коррозионной стойкости стали. Температура отжига обычно составляет 850-950 ºС.
Стойкость аустенитных хромоникелевых сталей к кислотам
Способность к пассивации обеспечивает хромоникелевым аустенитным сталям достаточно высокую стойкость в азотной кислоте. Стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Б и 02Х18Н11 имеют первый балл стойкости:
- в 65 %-ной азотной кислоте при температуре до 85 ºС;
- в 80 %-ной азотной кислоте при температуре до 65 ºС;
- 100 %-ной серной кислоте при температуре до 65 ºС;
- в смесях азотной и серной кислот: (25 % + 70 %) и 10 % + 60 %) при температуре до 70 ºС;
- в 40 %-ной фосфорной кислоте при 100 ºС.
Аустенитные хромоникелевые стали имеют также высокую стойкость к растворах органических кислот — уксусной, лимонной и муравьиной, а также в щелочах КОН и NaOH.
Аустенитные стали, обладая рядом особых свойств, применяются в тех рабочих средах, которые отличаются высокой агрессивностью. Такие сплавы незаменимы в энергетическом машиностроении, на предприятиях нефтяной и химической промышленности.
1
К аустенитным относят сплавы с высоким уровнем легирования, которые при кристаллизации обычно образуют однофазную систему, характеризуемую кристаллической гранецентрированной решеткой. Такой тип решетки в описываемых сталях остается неизменным даже в тех случаях, когда металл охлаждается до очень низких температур, называемых криогенными (в районе -200 градусов Цельсия). В некоторых случаях стали аустенитного класса имеют и еще одну фазу (ее объем в сплаве может достигать десяти процентов) – феррита с высокой степенью легирования. В этом случае решетка является объемноцентрированной.
Разделение аустенитных сталей на две группы производится по составу их основы, а также по содержанию в сплаве легирующих компонентов – никеля и хрома:
- Композиции на основе железа: содержание никеля – до 7 %, хрома – до 15 %, общее количество легирующих добавок – не более 55 %.
- Композиции на никелевой (55 % и более никеля) и железоникелевой основе (в них содержится 65 и больше процентов никеля и железа, причем отношение первого ко второму составляет 1 к 1,5).
В таких сплавах никель увеличивает пластичность, жаропрочность и технологичность стали, а хром отвечает за придание ей требуемой коррозионной и жаростойкости. А добавляя другие легирующие компоненты, можно добиться уникальных свойств аустенитных составов, набор коих и обуславливает служебное предназначение того или иного сплава.
Чаще всего аустенитные стали легируются следующими элементами:
- Ферритизаторами, которые стабилизируют структура аустенита. К ним относят ванадий, вольфрам, ниобий, титан, кремний и молибден.
- Аустенитизаторами, коими являются азот, углерод и марганец.
Все указанные компоненты располагаются как в избыточных фазах, так и непосредственно в твердом стальном растворе.
По принятой классификации, учитывающей систему легирования, любая аустенитная сталь может быть причислена к хромомарганцевой либо к хромоникелевой. Кроме того, сплавы делят на хромоникельмарганцевые и хромоникельмолибденовые.
2
Разнообразие добавок позволяет создавать особые аустенитные стали, которые используются для изготовления деталей для конструкций, работающих в высокотемпературных, коррозионных и криогенных условиях. Исходя из этого, аустенитные составы и подразделяют на разные группы:
- коррозионностойкие;
- хладостойкие.
Жаростойкие составы не разрушаются при воздействии на них химической среды. Их можно применять при температурах до +1150 градусов. Из таких сталей изготавливают разнообразные слабонагруженные изделия:
- элементы газопроводных систем;
- арматуру для печного оборудования;
- нагревательные детали.
Жаропрочные марки сталей могут достаточно долго сопротивляться нагрузкам в высокотемпературных условиях, сохраняя при этом свои изначально высокие механические характеристики. Их обязательно легируют вольфрамом и молибденом (каждая из присадок может содержаться в стальной композиции в количестве до семи процентов). А для измельчения зерна в некоторые аустенитные сплавы вводят в небольших количествах бор.
Обозначим часто встречающиеся марки жаростойких и жаропрочных сталей описываемого в статье класса: Х15Н35ВТР, 10Х12Н20Т3Р, 40Х18Н25С2, 1Х15Н25М6А, 20X23H13, 10X15H18B4T, 10Х16Н14В2БР, 10X18H12T, 08Х16Н9М2, 10Х15Н35ВТ, 20Х25Н20С2, 1Х15Н25М6А, 20X23H13, 10X15H18B4T, 10Х16Н14В2БР, 10X18H12T.
Аустенитные нержавеющие стали (то есть коррозионностойкие) характеризуются малым содержанием углерода (не допускается наличия свыше 0,12 процентов этого химического элемента). Никеля в них может быть от 8 до 30 %, а хрома от 12 до 18%. Любая аустенитная нержавеющая сталь проходит термическую обработку (отпуск, закалку или отжиг стали). Термообработка необходима для того, чтобы изделия из нержавейки хорошо "чувствовали" себя в разных агрессивных средах – в щелочных, газовых, жидкометаллических, кислотных при температурах от +20 градусов и больше.
Наиболее известны следующие марки аустенитных коррозионностойких сталей:
- хромоникельмолибденовые: 03Х21Н21М4ГБ, 08Х17Н15М3Т, 08X17Н13M2T, 03X16H15M3, 10Х17Н13М3Т;
- хромомарганцевые: 07Х21Г7AН5, 10X14AГ15, 10X14Г14H4T;
- хромоникелевые: 08Х18Н12Б, 03Х18Н11, 08X18H10T, 06X18Н11, 12X18H10T, 08X18H10;
- с большим содержанием кремния (от 3,8 до 6,7 %): 15Х18Н12C4Т10, 02Х8Н22С6.
Хладостойкие аустенитные композиции содержат 8–25 % никеля и 17–25 % хрома. Применяются они для криогенных аппаратов, имеют высокую стоимость производства, поэтому используются весьма ограниченно. Чаще всего встречаются криогенные стали 07Х13Н4АГ20 и 03Х20Н16АГ6, которые легируются азотом. Этот элемент вводят для того, чтобы сплав при температуре +20° имел более высокий предел текучести.
3
Наиболее распространенными считаются аустенитные хромоникелевые стали, которые имеют добавки молибдена. Их применяют тогда, когда есть риск образования щелевой либо питтинговой коррозии. Они демонстрируют высокую стойкость в восстановительных атмосферах, и делятся на два вида:
- нестабилизированные титаном с содержанием углерода не более 0,03 %;
- стабилизированные титаном с углеродом от 0,08 до 0,1 %.
Такие марки хромоникелевых композиций, как Х17Н13М2 и Х17Н13М3, оптимальны для конструкций, функционирующих в сернокислых средах, в уксусной десятипроцентной кислоте, в фосфорной кислоте в кипящем состоянии.
Хромоникелевые стали с добавлением ниобия или титана отличаются минимальной опасностью к образованию коррозии межкристаллитного типа. Ниобия вводят по сравнению с углеродом в 9–10 раз больше, а титана – в 4–5,5 раз больше. К сплавам с подобной возможностью относят следующие составы: 0Х18Н12Б, 0Х18Н10Т, Х18Н9Т и некоторые другие.
Увеличить коррозионную стойкость описываемых сталей также можно посредством введения в них кремния. Яркими представителями таких специальных композиций являются такие сплавы:
- 015Х14Н19С6Б;
- 03Х8Н22С6.
Они без преувеличения идеальны для производства химических сварных агрегатов, в которых хранится и перерабатывается азотная концентрированная кислота.
Хромомарганцевые стали типа 2Х18Н4ГЛ характеризуются высокими литейными характеристиками, поэтому их эксплуатируют на производствах, где применяются коррозионностойкие литые конструкции. Другие хромомарганцевые сплавы (например, 10Х13Г12Н2СА и 08Х12Г14Н4ЮМ) в горючих средах более стойки к коррозии, нежели хромоникелевые.
4
Жаропрочные и жаростойкие сплавы аустенитной группы подвергаются при необходимости разным видам термической обработки с целью увеличения своих свойств, а также для модификации имеющейся структуры зерна: число и принцип распределения дисперсных фаз, величина блоков и самого зерна и так далее.
Отжиг таких сталей применяется для уменьшения твердости сплавов (когда это требуется по условиям их эксплуатации) и устранения явления хрупкости. При подобной термической обработке металл нагревают до 1200–1250 градусов в течение 30–150 минут, а затем максимально быстро подвергают охлаждению. Сложные чаще всего охлаждают в масле либо на воздухе, а вот сплавы с малым количествам легирующих компонентов обычно погружают в воду.
Для сплавов типа ХН35ВТЮ и ХН70ВМТЮ рекомендуется термообработка в виде двойной закалки. Сначала выполняется первая нормализация их состава (при температуре около 1200 градусов), благодаря которой металл повышает показатель сопротивления ползучести за счет формирования твердой гомогенной фазы. А после этого осуществляется вторая нормализация с температурой не более 1100 градусов. Результатом описанной обработки является значительное увеличение пластических и жаропрочных показателей аустенитных сталей.
Аустенитная сталь повышает свою жаропрочность (а заодно и механическую прочность) в тех случаях, когда проходит двойную термообработку, заключающуюся в закалке и следующим за ней старении. Кроме того, практически все аустенитные металлы, которые относят к группе жаропрочных, искусственно старят перед эксплуатацией (то есть выполняют операцию их дисперсионного твердения).