Аустенітні нержавіючі стали структура і властивості
Хромонікелеві аустенітні стали в ГОСТ 5632-72
У ГОСТ 5632-72 хромонікелеєві аустенітні стали представлені марками 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х18Н10, 03Х18Н11.
Роль хрому в аустенітних нержавіючих сталях
Основним елементом, що дає сталей типу 18-10 високу корозійну стійкість, є хром. Роль хрому полягає в тому, що він забезпечує здатність стали до пасивації. Наявність в стали хрому в кількості 18% робить її стійкою в багатьох окисних середовищах, в тому числі в азотній кислоті в великому діапазоні, як по концентрації, так і по температурі.
Роль нікелю в аустенітних нержавіючих сталях
Легування нікелем в кількості 9-12% переводить сталь в аустенітний клас. Це забезпечує стали високу технологічність, зокрема, підвищення пластичності і зниження схильності до зростання зерна, а також унікальні службові властивості. Стали типу 18-10 широко застосовують в якості корозійностійких, жаростійких, жароміцних та кріогенних матеріалів.
Фазові перетворення в аустенітних нержавіючих сталях
У хромонікелевих аустенітних сталях можуть відбуватися такі фазові перетворення:
Межкристаллитная корозія в аустенітних нержавіючих сталях
Схильність стали до міжкристалітної корозії проявляється в результаті виділення карбідних фаз. Тому при оцінці корозійних властивостей стали найважливішим фактором є термокінтетіческіе параметри освіти в ній карбідів.
Схильність до міжкристалітної корозії загартованої сталі типу 18-10 визначається, в першу чергу, концентрацією вуглецю в твердому розчині. Підвищення вмісту вуглецю розширює температурний інтервал схильності стали до міжкристалітної корозії.
Сталь типу 18-10 при витримці в інтервалі 750-800 ° С стає схильною до міжкристалітної корозії:
- при вмісті вуглецю 0,084% - вже протягом 1 хвилини;
- при вмісті вуглецю 0,054% - протягом 10 хвилин;
- при вмісті вуглецю 0,021 5 - через більш ніж 100 хвилин.
Зі зменшенням вмісту вуглецю одночасно знижується температура, яка відповідає мінімальній тривалості ізотермічної витримки до початку міжкристалітної корозії.
Сварка аустенітних нержавіючих сталей
Межкристаллитная корозія при 500-600 ° С
Зниження вмісту вуглецю навіть до 0,006% не забезпечує повною стійкості сталей типу 18-10 до міжкристалітної корозії при 500-600 ° С. Це становить небезпеку при тривалій службі металоконструкцій в цьому інтервалі температур.
Стабілізація стали титаном і ніобієм
При введенні в хромонікелевої сталі типу 18-10 титану і ніобію, які сприяють утворення карбідів, змінюються умови виділення карбідних фаз. При відносно низьких температурах 450-700 ºС переважно виділяються карбіди типу Cr23 C6. які і дають схильність до міжкристалітної корозії. При температурах вище 700 ºС переважно виділяються спеціальні карбіди типу TiC або NbC. При виділенні тільки спеціальних карбідів схильності до міжкристалітної корозії не виникає.
Азот в аустенітних нержавіючих сталях
Азот, як і вуглець, має змінну розчинність в аустените. Азот може утворювати при охолодженні і ізотермічної витримки самостійні нітрідние фази або входити до складу карбідів, заміщаючи в них вуглець. Вплив азоту на схильність до міжкристалітної корозії хромонікелевих аустенітних сталей значно слабкіше, ніж у вуглецю, і починає проявлятися тільки при вмісті його більше 0,10-0,15%. Разом з тим, введення азоту підвищує міцність хромонікелевої аустенітної сталі. Тому на практиці застосовують в цих сталях невеликі добавки азоту.
Вплив вмісту хрому
З підвищенням концентрації хрому розчинність вуглецю в хромонікелевим аустените зменшується, що полегшує виділення в ньому карбідної фази. Це, зокрема, підтверджується зниженням ударної в'язкості сталі з підвищенням вмісту хрому, що пов'язують з утворенням карбіду сітки по межах зерен.
Разом з тим, підвищення концентрації хрому в аустените призводить до істотного зниження схильності стали до міжкристалітної корозії. Це пояснюють тим, що хром істотно підвищує корозійну стійкість сталі. Більш висока концентрація хрому в сталі дає меншу ступінь збіднення їм кордонів зерен при виділенні там карбідів.
Вплив вмісту нікелю
Нікель знижує розчинність вуглецю в аустеніт і тим самим знижує ударну в'язкість стали після відпустки і підвищує її схильність до міжкристалітної корозії.
Вплив легуючих елементів на структуру сталі
За характером впливу легуючих і домішкових елементів на структуру хромонікелевих аустенітних сталей при високотемпературних нагревах їх поділяють на дві групи:
1) феррітообразующіе елементи: хром, титан, ніобій, кремній;
2) аустенітообразующіе елементи: нікель, вуглець, азот.
Дельта-ферит в хромомолібденової аустенітної сталі
Присутність дельта-фериту в структурі аустенитной хромонікелевої сталі типу 18-10 чинить негативний вплив на її технологічність при гарячій пластичній деформації - прокатці, прошивці, кування, штампування.
Кількість фериту в сталі жорстко лімітується співвідношенням в ній хрому і нікелю, а також технологічними засобами. Найбільш схильна до утворення дельта-фериту група сталей типу Х18Н9Т (див. Також Нержавіючі сталі). При нагріванні цих сталей до 1200 ºС в структурі може міститися до 40-45% дельта-фериту. Найбільш стабільними є стали типу Х18Н11 і Х18Н12, які при високотемпературному нагріванні зберігають практично чисто аустенітні структуру.
Термічна обробка хромонікелевих аустенітних сталей
Для хромонікелевих аустенітних сталей можливі два види термічної обробки:
- гарт і
- стабілізуючий відпал.
Параметри термічної обробки відрізняються для нестабілізованих сталей і сталей, стабілізованих титаном або ніобієм.
Загартування є ефективним засобом попередження міжкристалітної корозії і додання стали оптимального поєднання механічних та корозійних властивості.
Стабілізуючий відпал загартованої сталі переводить карбіди хрому:
- в безпечне для міжкристалітної корозії стан для нестабілізованих сталей;
- в спеціальні карбіди для стабілізованих сталей.
Загартування аустенітних хромонікелевих сталей
У сталях без добавок титану і ніобію під загартуванням розуміють нагрів вище температури розчинення карбідів хрому і досить швидке охолодження, що фіксує гомогенний гамма-розчин. Температура нагріву під загартування зі збільшенням вмісту вуглецю зростає. Тому низьковуглецевих сталі гартуються з нижчих температур, ніж високовуглецеві. В цілому інтервал температури нагріву становить від 900 до 1100 ºС.
Тривалість витримки стали при температурі гарту досить невелика. Наприклад, для листового матеріалу сумарний час нагрівання і витримки при нагріванні до 1000-1050 ° С зазвичай вибирають з розрахунку 1-3 хвилини на 1 мм товщини.
Стабілізуючий відпал аустенітних хромонікелевих сталей
У нестабілізованих сталях отжиг проводять в інтервалі температур між температурою нагріву під загартування і максимальної температури прояви міжкристалітної корозії. Величина цього інтервалу в першу чергу залежить від вмісту хрому в сталі і збільшується з підвищенням його концентрації.
У стабілізованих сталях отжиг проводять для перекладу вуглецю з карбідів хрому в спеціальні карбіди титану і ніобію. При цьому звільняється хром йде на підвищення корозійної стійкості сталі. Температура відпалу зазвичай становить 850-950 ºС.
Стійкість аустенітних хромонікелевих сталей до кислот
Здатність до пасивації забезпечує хромонікелевим аустенітної сталі досить високу стійкість в азотній кислоті. Стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Б і 02Х18Н11 мають перший бал стійкості:
- в 65% -ної азотної кислоти при температурі до 85 ° С;
- в 80% -ної азотної кислоти при температурі до 65 ° С;
- 100% -ної сірчаної кислоти при температурі до 65 ° С;
- в сумішах азотної та сірчаної кислот: (25% + 70%) і 10% + 60%) при температурі до 70 ° С;
- в 40% -ної фосфорної кислоти при 100 ºС.
Аустенітні хромонікелеві сталі мають також високу стійкість до розчинах органічних кислот - оцтової, лимонної і мурашиної, а також в лугах КОН і NaOH.