Коррозионностойкая сталь

2 КОРРОЗИЯ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Нержавеющими называются стали, обладающие вы­сокой устойчивостью против коррозии в атмосферных условиях и некоторых газовых средах, речной и мор­ской воде, растворах солей, щелочей и некоторых кисло­тах при комнатной и повышенных температурах.

Основным легирующим элементом, обеспечивающим коррозионную стойкость металла, особенно в окисли­тельных средах, является хром. Чистый хром обладает высокой химической стойкостью благодаря образова­нию на его поверхности защитной окисной пленки.

Хром при добавке его в сталь образует твердые рас­творы с железом и увеличивает ее коррозионную стой­кость, но лишь начиная с содержания 11,7 % Cr.

Эта граница также установлена при измерениях по­тенциалов твердых растворов железо-хром, где резкое

Рис. 3. Влияние титана на склонность нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии: 1 - сталь, содержащая титан; 2 - сталь без титана

Рис. 4. Влияние хрома на окалино­стойкость стали (по А. П. Гуляеву): а - окалинонестойкие стали; б - окалиностойкие стали; 1- ферритная сталь; 2 - аустенитная сталь

изменение потенциала наступает при 12...13 % Cr. Чем выше содержание хрома, тем выше коррозионная стой­кость сплава в атмосферных условиях и в ряде корро­зионных сред.

Другие легирующие элементы, вводимые в сталь, могут улучшать или ухудшать антикоррозионные свой­ства железохромистого сплава. Например, углерод, связывающий хром в частицы карбидов Сr₂₃С₇ и т. п., удаляет его из твердого раствора. Поэтому для сохра­нения требуемой стойкости против коррозии в сталь нужно ввести больше хрома. Так, при 0,15...0,20 % С нужно ввести в железо не менее 13...14 % Cr.

Хромистые стали устойчивы только по отношению к кислотам-окислителям, например к азотной кислоте, так как их устойчивость вызвана пассивирующим дей­ствием хрома. После термической обработки хромистая сталь хорошо служит в атмосферных условиях и в прес­ной воде. В морской воде ее стойкость невелика вслед­ствие развития местной коррозии.

Значительно улучшает антикоррозионные свойства нержавеющей стали никель. Железоникелевые аусте­нитные стали (без хрома) имеют повышенную корро­зионную стойкость только в разбавленных растворах серной кислоты и кипящих щелочах.

Хромоникелевые стали (в частности, типа Х18Н9) имеют весьма высокие антикоррозионные свойства во многих агрессивных средах. После закалки на аустенит эти стали однородны по структуре, что обеспечивает стойкость также против электрохимической коррозии. Однако в условиях повышенных температур, которые возникают при изготовлении детали или изделия, в этих сталях происходит распад аустенита с выделением по границам зерен богатых хромом карбидов и обеднени­ем границ зерен хромом.

С повышением температуры (от 500 до 800°С), со­держания углерода и увеличением длительности вы­держки при нагреве распад аустенита увеличивается, что резко ухудшает стойкость стали против межкристаллитной коррозии. С увеличением времени выдерж­ки опасная температурная зона смещается в область более низких температур. В связи с этим хромоникеле­вые стали типа XI8H9 обязательно используют в изде­лиях, работающих при невысоких температурах, не до­пускают их нагрева до опасного температурного интервала или делают повторную закалку на аустенит, снижают содержание углерода в стали и в присадочных материалах при сварке.

Стали этого типа также весьма чувствительны к се­ре, которая при повышенном содержании образует суль­фид никеля, который располагается по границам зерен и резко снижает стойкость к межкристаллитной коррозии. Поэтому в сталях этого класса содержится менее 0,020 % S.

Для борьбы с межкристаллитной коррозией стали типа Х18Н9 после отпуска па 550 °С применяются два способа:

а) снижение содержания углерода до менее 0,02...0,03 %, т. е. до предела растворимости углерода в твердом растворе, что обеспечивает однородную структуру во всем диапазоне температур;

б) ввод в сталь элементов-стабилизаторов (титана, ниобия и др.). образующих с углеродом более стойкие карбиды, чем хром, и снижающих содержание углерода в аустените. Эти карбиды с трудом переходят в твер­дый раствор даже при высоких температурах.

Влияние титана на склонность нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии показано на рис. 3.

Оба способа имеют свои недостатки. Так, например, для получения особо низкоуглеродистой нержавеющей стали нужны специальные технология производства и материалы, ее стоимость значительно выше стоимости рядовой стали. Эта сталь имеет также пониженные прочностные свойства. Изделия из этой стали не долж­ны науглероживаться при изготовлении и службе. При применении стабилизаторов ухудшаются пластические свойства стали, повышается ее загрязненность неметал­лическими включениями. Количество стабилизаторов должно повышаться с ростом содержания углерода в стали и обеспечить связывание всего углерода в кар­биды типа TiC или NbC (практически содержание тита­на должно быть в пять раз, а ниобия в девять раз выше, чем содержание углерода). При сварке отмечается угар титана, поэтому ниобий, как более дорогой стабилиза­тор, вводят в нержавеющую сталь для сварных конст­рукций.

Нержавеющие хромоникелевые стали полностью ус­тойчивы по отношению к азотной кислоте любой кон­центрации, к серной кислоте (холодной), недостаточно устойчивы к соляной кислоте.

Увеличению коррозионной стойкости нержавеющих сталей способствуют такие элементы, как молибден и медь.

Марганец, который вводится в нержавеющие стали взамен никеля (полностью или частично) для обеспече­ния аустенитной структуры, придает стали несколько меньшую стойкость против коррозии, чем никель. Не­ржавеющие стали, легированные азотом, имеют удов­летворительную стойкость в коррозионных средах. Осо­бые требования предъявляются к сталям, работающим длительное время при высоких температурах. Они в первую очередь должны иметь повышенную жаро­стойкость (окалиностойкость) и жаропрочность.

Высокая стойкость против газовой коррозии при высоких температурах (жаростойкость) достигается ле­гированием стали такими элементами, как хром, алю­миний и кремний.

Эти элементы имеют химическое сродство к кисло­роду выше, чем железо, поэтому они будут диффунди­ровать из внутренних слоев металла к поверхности навстречу кислороду и концентрация их в пленке окис­лов будет увеличиваться.

Наилучшие результаты по жаростойкости получены при легировании стали 12...30 % Cr, 5...7 % Al и 1...3 % Si. Влияние хрома на окалиностойкость приведе­но на рис. 4. Аналогично влияют алюминий и кремний.

Если одновременно нужно получить и высокие жа­ропрочные свойства, то сталь легируют также никелем, молибденом, вольфрамом, титаном, ниобием, ванадием, кобальтом. Помимо температуры, на процесс газовой коррозии влияет состав среды. Главную определяющую роль играет окислительный потенциал среды, содержа­ние кислорода в ней. Водяные пары ускоряют, а окись углерода замедляет процесс окисления.

На сплавы, содержащие никель, разрушающее вли­яние оказывает сернистый газ SO2. Скорость газового потока до определенного предела ускоряет коррозион­ный процесс. Весьма вредными являются периодические колебания температуры, приводящие к растрескиванию окисной пленки.

Таким образом, общей особенностью нержавеющих сталей является повышенная стойкость против различ­ных коррозионных сред. Многообразие этих сред и ус­ловий службы изделий привело к созданию широкого сортамента нержавеющих сталей. Более полные сведе­ния по теории коррозии и коррозионной стойкости не­ржавеющих сталей освещены в работах [1...7].

Глава II. КЛАССИФИКАЦИЯ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ И ИХ ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

За основу классификации нержавеющих, коррозион­ностойких и жаростойких сталей можно принять ГОСТ 5632-61. Следует выделить также наиболее крупные группы сталей: хромистые, хромоникелевые и никелевые, хромомарганцевые и хромомарганцевоникелевые.

Ниже дано краткое описание марочного сортамента сталей каждой группы и приведены их основные свой­ства.

1. ХРОМИСТЫЕ СТАЛИ

Хромистые стали являются наиболее экономичными в отношении легирования. Они весьма широко применя­ются в различных областях техники в виде листа, труб и прутков, а также литья.

В зависимости от состава и структуры они подраз­деляются на следующие подгруппы (по Ф. Ф. Химу­шину) :

а) полунержавеющие (теплоустойчивые) хромистые стали с 5...10 % Cr, закаливающиеся на мартенсит;

б) сильхромы и другие клапанные хромистые стали;

в) нержавеющие хромистые стали с 10...17 % Cr, за­каливающиеся на мартенсит;

г) сложполегированные нержавеющие стали с 12...17 % Cr, применяемые в качестве теплоустойчивых;

растворов с кристаллической решеткой центрированно­го куба (рис. 5).

д) нержавеющие и кислотоупорные хромистые стали с 16...20 % Cr полуферритного и ферритного класса, хромистые жаростойкие стали с 25...33 % Cr ферритного класса и хромоазотистые нержавеющие и жаростой­кие стали;

е) хромистые жаростойкие стали с присадками алю­миния, кремния, азота и других элементов.

Рассматривая структуру и фазовый состав хромис­тых сталей, следует отметить, что железо и хром после затвердевания образуют непрерывный ряд твердых

При содержании хрома более 13...15 % сталь имеет только α (δ)-структуру. При меньших содержаниях хро­ма в области температур 800...1400 °С имеются γ- и γ+ + α-твердые растворы. Наконец, железохромистые сплавы имеют хрупкую немагнитную составляющую - σ-фазу. Она образуется при температуре ниже 950 °С и содержании хрома и железа по 47 % (ат) и, по мне­нию большинства исследователей, представляет интер­металлическое соединение FeCr.

Рис. 5. Диаграмма состояния системы железо - хром

Рис. 6. Фазовый состав хромистых сталей, со­держащих 0,1 % С

Выделения α-фазы, которые имеют место в высоко­хромистых сталях при медленном охлаждении или на­греве быстроохлажденной стали, сопровождаются боль­шими объемными изменениями, что является причиной исключительно высокой хрупкости подобных сталей Наличие марганца, кремния и молибдена облегчает образование α-фазы и смещает область ее существова­ния в сторону более низкого содержания хрома.

Фазовый состав хромистых сталей с 0,1 % С пред­ставлен на рис. 6.

Для повышения коррозионной стойкости хромистых сталей желательно получение низкого содержания угле­рода, в этом случае устраняется образование карбидов и сохраняется однородность структуры.

Однако для повышения закаливаемости и твердости необходимо иметь в стали повышенную концентрацию углерода.

Наилучшие механические свойства хромистая не­ржавеющая сталь приобретает после закалки и от­пуска, а коррозионную стойкость - после закалки и по­следующей полировки. Эти стали являются кислото­упорными только в азотной кислоте, жаростойкими в атмосфере до 700 °С. Они удовлетворительно сварива­ются при газовой и дуговой сварке.

Среднелегированные 5...10 %-ные хромистые тепло­устойчивые стали (Х5, Х5М, Х5ВФ, Х6СЮ, Х6СМ, Х7СМ, 1Х8ВФ) обладают повышенной коррозионной стойкостью в некоторых химически активных средах и широко применяются в крекинг-аппаратуре, котлотурбостроении и аппаратуре синтеза аммиака при темпе­ратуре до 550...650 °С.

После отжига при 840...860 °С механические свойст­ва среднелегированных сталей следующие (не менее): σ_в = 392-568 Мн/м² (404-58 кГ/мм²); σ_т=1б7--304 Мн/м² (174-31 кГ/мм²); δ = 20-35 %; φ = 35-60 %; KCU= 0,98-1,17 Мн-м/м² (104-12 кГ*м/см²); НВ= 1464-207.

Хромокремнистые (сильхромы) и клапанные стали типа 4Х9С2, 4Х10С2М, 3Х13Н7С2, 4Х14Н14В2М и 4Х14Н14СВ2М применяются как жаростойкий матери­ал в клапанах авиа- и автодвигателей, в рекуператорах, теплообменниках, колосниковых решетках. Эти стали ■ имеют высокую прочность и твердость при рабочих температурах, хорошо сопротивляются действию тепло-смен и усталости. Обладают высоким сопротивлением газовой коррозии в атмосфере воздуха и в конденсате продуктов сгорания бензина.

Сильхромы с 8...10 % Cr и 2...3 % Si относятся к группе мартенситных сталей и после закалки с 1050 °С в масло и отпуска при 700...750 °С имеют пре­дел прочности 882...980 Мн/м²(90...100 кГ/мм²), относи­тельное удлинение 10...20 % и ударную вязкость 0,049...0,7 Мн-м/м²(0,5...7,2 кГ-м/см²).

При очень высокой температуре нагрева (выше 1100 °С) сильхромовые стали проявляют склонность к значительному росту зерен, что приводит к увеличе­нию хрупкости. Для устранения отпускной хрупкости, развивающейся при медленном охлаждении и нагреве в диапазоне температур 500...600°С, их быстро охлаж­дают в воде после отпуска при 700...800 °С.

Наиболее широкое применение в технике получили нержавеющие стали с 10...17 % Cr мартенситного и полумартенситного классов (0X13, 1X13, 2X13, 3X13, 4X13, Х14, 1Х12СЮ, 1ХГ7Н2, 1Х13Н3, ДИ-1 и др.) с содержа­нием 0,16...0,45 % С. Эти стали удовлетворительно со­противляются окислению до 700...800 °С и служат в ап­паратуре для переработки сернистой нефти. Из них изготовляют лопатки паровых турбин и компрессоров, клапаны гидравлических прессов (при работе до 475°С), режущий, мерительный и хирургический инст­румент, детали приборов, предметы домашнего обихода и т. п. При изготовлении деталей (винтов, гаек, шесте­рен и т. п.) на автоматах в эти стали для лучшей обра­батываемости добавляют 0,2...0,4 % S. При дополни­тельном легировании кремнием (до 2 %) и алюминием (до 1,8 %) хромистые стали с 13 % Cr (сихромали) при­меняют в клапанах автотракторных двигателей, рабо­тающих при температуре до 900 °С.

Хромистые стали (14...17 % Cr), дополнительно ле­гированные никелем (1,5...3 %), применяются в более тяжело нагруженных деталях, например в лопатках спрямляющего аппарата компрессора, в дисках ком­прессоров и т. п.

Механические свойства и термическая обработка хромистых нержавеющих сталей приведены в табл. 1. Структура и свойства этих сталей в значительной сте­пени зависят от относительного содержания в них угле­рода (никеля) и хрома. Стали с низким содержанием углерода и высоким хрома имеют ферритную структуру и не закаливаются. Чем выше содержание углерода и ниже хрома, тем больше способность стали к упрочне­нию в результате закалки, что связано с особенностями фазовой структуры стали.

Влияние температуры закалки и химического соста­ва па величину твердости хромистых сталей приведено на рис. 7 [7]. Из приведенных данных следует, что при производстве хромистых сталей необходимо уделять большое внимание обеспечению оптимальных пределов химического состава металла и постоянству термообра­ботки.

Рис. 7. Влияние хрома на изменение твердости 12...20 %-ных хромистых ста­лей после закалки их с различных температур: 1 - 12,3 % Сr, 0,09 % С; 2 - 14 % Cr, 0.016 % С; 3 - 15,5 % Cr, 0,1 % С; 4 - 16 % Cr, 0,07 % С; 5 - 17,2 % Cr; 0,13 % С; 6 - 20,4 % Cr, 0,1 % С

В связи с повышением рабочих температур пароси­ловых установок и силовых компрессоров газотурбин­ных установок созданы и получили широкое распрост­ранение сложнолегированные 12 %-ные хромистые не­ржавеющие и жаропрочные стали (1Х11МФ, 1Х12ВНМФ, 1Х12В2МФ, 2Х12ВМБФР, 1Х12В4МФ, 13Х14Н2ВФР, 1Х12Н2ВМФ, 21Х15Н3МА, 1Х16Н4Б и др.). Дополнительное легирование хромистых сталей молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием, бором позволило наряду с сохранением нержавеющих свойств, высокой прокаливаемости, способности к закалке на воздухе, невысокого коэффициента расширения обеспе­чить более высокие жаропрочные свойства (сохранение прочности при 550...600 и до 650 °С при кратковремен­ных сроках службы).

Комплексное леги­рование оказалось бо­лее эффективным, чем легирование отдельны­ми элементами. По сте­пени эффективности элементы можно рас­положить в следующий ряд: ниобий, ванадий, молибден, вольфрам, алюминий. Для сложнолегированных сталей характерно ограниче­ние содержания угле­рода до < 0,20...0,25 % и кремния до 0,5 %, а также обеспечение фазового состава с содержанием не более 20 % структурно свободного феррита. Это необхо­димо для получения стабильных и высоких свойств и од­новременного уменьшения подкалки и растрескивания.

Хромистые стали полуферритного и ферритного классов (Х17, 0Х17Т, 0Х18Т1, Х25, Х25Т, Х28 и др.),

 несмотря на свою относительную дешевизну, нашли ог­раниченное применение вследствие ряда серьезных не­достатков. Так, например, свойства полуферритных сталей в значительной степени определяются количест­венным соотношением а- и γ-фаз. При большом количе­стве феррита сталь становится крупнозернистой и хруп­кой. Эти отрицательные свойства не устраняются после­дующей термообработкой.

Горячая обработка давлением должна всегда закан­чиваться при относительно низкой температуре (около 790 °С) для получения мелкого зерна. Сварные конст­рукции должны обязательно подвергаться термообра­ботке.

Для измельчения зерна широко применяется при­садка титана или азота. При этом добавка азота, обра­зующего в высокохромистых сталях стойкие нитриды, способствует повышению ударной вязкости и сварочных характеристик стали.

Хромистые стали ферритного и полуферритпого классов применяются для теплообменников, баков для кислот, трубопроводов, адсорбционных башен, аппара­туры для растворов гипохлорита натрия, дымящейся азотной и фосфорной кислот, т. е. для изделий, которые не несут больших нагрузок, особенно ударных.

Хромистые стали с титаном (0Х18Т) применяют для баков стиральных машин. Стали с добавкой никеля (1 %) и азота (Х28АН), никеля и кремния (Х25С3Н) используют для изготовления окалиностойких деталей и печного оборудования.

Высокохромистые стали с кремнием чаще всего применяются в виде литья.

Ферритные железохромалюминиевые сплавы (Х13Ю4, 0Х23Ю5, 0Х27Ю5А, 0Х27Ю5, 1Х25Ю5 и др.) нашли широкое применение в виде проволоки и ленты для нагревательных элементов, промышленных и лабо­раторных электропечей сопротивления, бытовых прибо­ров и реостатов, так как они обладают высоким элект­росопротивлением и окалиностойкостью.

Введение алюминия в железо и железохромистые сплавы ведет к резкому ограничению области аустенита, при содержании в железе 1  % Al область аустенита исчезает.

При нагреве до высоких температур наблюдается сильная склонность к росту зерна и хрупкости. Однако, когда жаростойкие детали из этих сплавов не подверга­ются ударным нагрузкам, они, несмотря на крупнозер­нистости работают много лет, успешно заменяя значи­тельно более дорогостоящие нихромы.

Живучесть деталей из железохромалюминиевых сплавов высока в окислительной атмосфере, а также при наличии в атмосфере большого количества серы. В восстановительной атмосфере их срок службы значи­тельно ниже, особенно если имеются условия для на­углероживания нагревательных элементов. Живучесть сплава в атмосфере азота достаточно велика.

2. ХРОМОНИКЕЛЕВЫЕ И НИКЕЛЕВЫЕ СТАЛИ

Эта группа сталей имеет самое широкое применение в промышленности и занимает наибольший удельный вес в выплавке нержавеющих сталей. К хромоникеле­вый сталям в настоящее время можно отнести более полусотни марок, которые используются в виде поковок, сортового и листового проката, горячекатаных и холод­нокатаных труб, фасонных профилей и литья в авиа­ционной и атомной технике, в химической промышлен­ности и энергетике, а также в других самых различных областях техники.

Сортамент хромоникелевых сталей в последнее де­сятилетие пополнился многими новыми марками с бо­лее сложным легированием, с карбидным и интерметал­лидным упрочнением, с промежуточными структурами. Эти стали можно подразделить на следующие под­группы:

а) хромоникелевые аустенитные стали с малым со­держанием углерода, в том числе стабилизированные титаном или ниобием;

б) хромоникелевые кислотостойкие аустенитные ста­ли с присадкой молибдена и меди;

в) хромоникелевые окалиностойкие стали с высоким содержанием хрома и никеля;

г) хромоникелевые стали аустеннто-мартенситного класса (с неустойчивым аустенитом);

д) хромоникелевые стали аустенито-ферритного класса.

Ядром группы хромоникелевых сталей, безусловно, являются аустенитные стали типа 18-8, например ООХ18Н10, 0Х18Н10, Х18Н9, 0Х18Н11, 2Х18Н9, стабилизированные титаном стали 00Х18Н10Т, 0Х18Н10Т Х18Н9Т, Х18Н10Т, Х18Н12Т, Х17Н13М2Т, 0Х17Н16М3Т, Х17Н13М3Т и ниобием 0Х18Н10Б, 00Х16Н15М3Б, 0Х16Н15М3Б и др. Стали этого типа отличаются раз­личным содержанием углерода, влияющим на их кор­розионную стойкость.

Низкоуглеродистая сталь используется в качестве электродной проволоки для сварки хромоникелевой ста­ли. При содержании углерода до 0,06 % сталь можно подвергать кратковременному нагреву в зоне темпера­тур 550...650 °С без дополнительной термообработки. Хромоникелевые аустенитные стали широко использу­ются для аппаратуры в химической промышленности в виде печной арматуры, теплообменников, патрубков и коллекторов выхлопных систем.

Стали, стабилизированные титаном, используются в средах высокой агрессивности, а также для изделий работающих при температурах до 600 °С. Из них также изготовляется сварная аппаратура для авиационной и судостроительной промышленности.

Стабилизированные ниобием стали рекомендуются для использования в средах высокой агрессивности, а также как присадочный материал для сварки хромо-никелевых сталей.

Хромоникелевые стали, стабилизированные титаном и содержащие молибден, применяются в специфических средах (кипящей сернистой, фосфорной, муравьиной и уксусной кислотах, сульфитном щелоке, горячем рас­творе белильной извести и т. п.).

Углерод в аустенитных хромоникелевых сталях на­ходится в твердом растворе в виде фаз внедрения или в составе карбидов и карбонитридов различной степени дисперсности. Большинство исследователей считают, что при температурах до 500...600 °С в стали растворя­ется не более 0,020 % С; однако точно определить рас­творимость затруднительно вследствие низких значений скорости диффузии углерода и хрома.

Во время нагрева преимущественно выделяются карбиды хрома тина Сr₂₃С₇. Аустенитные хромоникеле­вые стали типа 18-8 обычно имеют в структуре опреде­ленное количество феррита. Оно определяется конкрет­ным соотношением элементов в пределах марки. С рос­том содержания кремния, титана, ниобия, молибдена, алюминия, хрома количество феррита увеличивается,

Таблица 2 Коэффициент эквивалентности основных легирующих элементов

"Сащихин Н. Н. Автореферат диссертации. Москва, 1962.

а при повышении концентрации углерода, марганца, никеля, меди, бора, азота снижается. Действие элемен­тов неравнозначно.

В табл. 2 приведены данные различных авторов по влиянию различных элементов на фазовый состав хро­моникелевых сталей.

Предложен ряд формул, учитывающих влияние гам­мы элементов на фазовый состав стали. Так, для расче­та количества никеля, необходимого для получения ста­ли с полностью аустенитной структурой Пост и Эбер Ли [12] предложили формулу (содержание элементов в процентах):

%Ni = (Cr + 1.5Mo-2O)²/12 - 0.5Mn - 35C + 15

Для сварочных операций и литого металла предло­жена следующая формула [8]:

 % Ni = 1,1 (Cr+Mo+1,5Si+1,5Nb) - 0,5Мn - 30С - 8,2.

Рис. 8. Структурная диаграмма для нержавеющих хромоннкелевых сталей в литом состоянии (диаграмма Шеффлера)

Фишманом [13] предложена эмпирическая зависи­мость балла феррита от состава стали 18-8:

Балл α-фазы = 1.0Si + 0,5Сr + l,64Ti - 10.86С - 0,29Ni - 0,08Mn - 4,64.

Такие формулы не могут иметь всеобъемлющего ха­рактера, а пригодны лишь для конкретных условий про­изводства. Кроме формул, для определения количества феррита пользуются номограммами.

Количество феррита в стали, помимо химического состава, зависит от температуры и условий затвердева­ния слитка. Подробнее эти вопросы будут рассмотрены в разделе V.

Для определения класса стали удобно пользоваться структурными диаграммами. Одна из них, по данным [8], приведена на рис. 8.

Хромоникелевые стали после закалки на аустенит обладают высокими пластическими свойствами. С рос­том содержания углерода (и азота ) повышаются меха­нические свойства хромоникелевых сталей как в зака­ленном, так и в состаренном состоянии. При этом чем выше температура закалки сталей (950...1150 °С), тем меньше их прочность и твердость и выше пластичность. При холодной деформации в зависимости от степени обжатия происходит значительный рост предела проч­ности, текучести и твердости, пластические свойства снижаются, но сохраняются на достаточно высоком уровне. При холодной деформации происходит также изменение магнитных свойств, связанных с превраще­нием аустенита, особенно у низкоуглеродистой стали.

При нагреве стали происходит выделение карбидовГ которое начинается при 400...500 °С и заметно прохо­дит при 600...700 °С. Наиболее интенсивно этот процесс идет при 800...900 °С, а при более высоких температу­рах наряду с коагуляцией карбидов происходит обрат­ный процесс перехода карбидов в твердый раствор. Эти процессы следует обязательно учитывать, так как они существенно влияют на механические и антикоррозион­ные свойства стали.

В присутствии титана и ниобия переход карбидов в твердый раствор происходит при более высоких тем­пературах.

Хромоникелевые окалиностойкие стали с повышен­ным содержанием хрома и никеля, а также с добавкой кремния и бора (Х23Н13, 0Х23Н18, Х23Н18, 1Х25Н25ТР, Х25Н20С2, Х25Н16Г7АР) применяются в виде литья, проката, поковок, листа, ленты и в виде сварочной проволоки для изготовления деталей, жаро­стойких изделий и аппаратуры, работающих при 800...1000 °С.

Содержание углерода в деформируемых сталях, как правило, не превышает 0,20 % (обычно 0,1...0,15 %), в литых сталях оно может быть доведено до 0,50 %.

Механические свойства этой группы сталей приведе­ны в табл. 3.

По структуре эти стали могут быть аустенитными (например Х23Н18), аустенито-мартенситными и аустенито-ферритными (Х23Н13). Длительный нагрев этих сталей при 600...900 °С приводит к снижению вязкости и пластичности, при этом происходит выделение α-фазы. Присадка кремния к стали типа 25-20 увеличивает ее склонность к образованию σ-фазы при длительном нагреве при умеренных температурах с соответствую­щим снижением пластичности и вязкости стали.

Рис. 9. Влияние никеля на изменение механических свойств 18 %-ных хроми­стых сталей

Аустенито-мартенситные нержавеющие стали (Х15Н9Ю, Х17Н7Ю, 3Х13Н7С2) применяются в качест­ве конструкционного металла в самолетах и на транс­порте.

Подавление эвтектоид­ного распада γ -> α, сни­жение температуры мартенситного превращения за счет ввода аустенито­образующих элементов (главным образом нике­ля) в 18 %-ную хроми­стую сталь ведут к рез­кому изменению магнит­ных (фазовых) и механи­ческих свойств стали (рис. 9) [7]. Наиболее сильное изменение свойств наблюдается при 7 % Ni.

Механические и физические свойства этих сталей оп­ределяются количеством аустенита, перешедшего в мар­тенсит, и дополнительными процессами карбидного и интерметаллидного упрочения.

Высокие прочностные свойства стали переходного класса получают за счет применения специальных ре­жимов термической обработки: обработка холодом при -50...70°C (для полноты распада аустенита), старение при 500...550 °С и наклеп в холодном состоя­нии.

Из-за резкого изменения свойств в зависимости от химического состава (это влияние связано с резким из­менением фазового состава) выплавка и передел ука­занных сталей имеют ряд существенных особенностей, которые будут рассмотрены ниже.

Аустенито-ферритные стали (0Х21Н5Т, Х21Н5Т, 0Х21Н6М2Т, 0Х20Н14С2, Х20Н14С2 и др.) имеют по­вышенные прочностные свойства после закалки с 1000...1150 °С и меньшую пластичность и вязкость по сравне­нию с аустенитными сталями.

Прочность и твердость могут быть повышены за счет старения при 500...750 °С. Свойства аустенито-феррит ных сталей зависят от соотношения фаз и процессов, протекающих в них. Соотношение фаз в свою очередь определяется температурой термообработки и измене­нием химического состава даже в пределах марки. Если прочностные свойства с ростом феррита возрастают, то жаропрочные снижаются. Аустенито-ферритные стали склонны к охрупчиванию при нагреве в интервале выде­ления σ-фазы и при длительной выдержке при 475 °С, при этом наличие феррита ускоряет процессы охрупчи­вания. Наличие обособленных фаз (α+γ) приводит к большей анизотропии свойств в прокате. Двух­фазные стали деформируются гораздо хуже одно­фазных.

После термической обработки наиболее распростра­ненная сталь 1Х21Н5Т имеет предел прочности 685...833 Мн/м² (70...85 кГ/мм²), предел текуче­сти 510...587 Мн/м² (52...60 кГ/мм²), удлинение 22...32 %.

3. ХРОМОМАРГАНЦЕВЫЕ И ХРОМОМАРГАНЦЕВОНИКЕЛЕВЫЕ СТАЛИ

Нержавеющие стали, в которых никель был пол­ностью или частично заменен другим аустенитообразующим элементом - марганцем, нашли свое примене­ние в областях, где предъявлялись к металлу повышен­ные требования по истираемости, а также там, где важ­ную роль играют вопросы прочности металла. Примене­ние марганца позволяет вводить в сталь в весьма больших количествах азот. В связи с меньшей эффек­тивностью марганца (как аустенитообразующего эле­мента), чем никеля, он должен вводиться в сталь в больших количествах (почти в два раза). В зависимос­ти от состава, структуры и свойств эти стали подразде­ляются на несколько подгрупп:

а) аустенитные стали с 12...14 % Cr и различным со­держанием марганца и никеля;

б) аустенитные стали с 17...19 % Cr, различ­ным содержанием марганца и никеля с добавкой азота;

в) аустенито-мартенситные стали с 12...18 % Cr и присадками марганца и никеля;

г) аустенито-ферритные стали с 16...18 % Cr с раз­личным содержанием марганца.

Положение фазовых областей в системе железо - хром - марганец - никель для медленно охлажденных сплавов приведено на рис. 10 [17].

При содержании в хромомарганцевой стали свыше 15 % Cr для получения аустенитной структуры наряду с марганцем нужно вводить никель. При увеличении со­держания никеля в стали аустенитная область значи­тельно расширяется, а при увеличении содержания мар­ганца более 6 % (при 15...20 % Cr) наблюдается неболь­шое сужение аустенитной области.

Одна из распространенных нержавеющих хромомарганцевоникелевых сталей 2Х13Н4Г9 обладает в исход­ном состоянии после закалки на аустенит более высоки­ми механическими свойствами, чем сталь 18-8, и исполь­зуется в виде холоднокатаной ленты для изготовления высокопрочных и легких конструкций с соединениями точечной или роликовой сварки. Изменение механичес­ких свойств этой марки стали в зависимости от темпера­туры испытания приведено на рис. 11 [7].

Аустенитная .сталь Х14Г14Н3Т имеет повышенную прочность и пластичность, не склонна к межкристаллитной коррозии и применяется в химической промы­шленности и кислородном машиностроении. Сталь Х13Г15Н3 нашла применение в бытовом машинострое­нии как заменитель стали Х18Н10Т.

В последние годы получили распространение хромомарганцевоникелевые стали с азотом типа 17-8-4-N, ко­торые применяются в качестве коррозионностойкого, а также нержавеющего и теплостойкого материала для высокопрочных конструкций.

Наличие марганца, как указывалось выше, увеличи­вает растворимость азота, а последний, внедряясь в ре­шетку аустенита, способствует его упрочнению, а также повышает его стабильность как аустенитообразующий элемент. Механические свойства этих сталей зависят от структуры и содержания марганца. При содержании азота около 0,25 % прочность повышается, а пластич­ность снижается. Повышение содержания марганца уве­личивает ударную вязкость при температурах глубокого холода.

Для изделий, подвергаемых сварке, желательно иметь низкое содержание углерода (0,03...0,05 %) и строго контролировать процесс во избежание появления в сварных соединениях склонности к межкристаллитной

Рис. 10. Положение фазовых областей в системе железо - хром - марганец - никель для медленно охлажденных сплавов

Рис. 11. Изменение механических свойств стали 2Х13Н4Г9, закаленной с 1150 °С в воде (а) и горячекатаной (б), в зависимости от температуры испытания

коррозии. Колебание химического состава в пределах марки заметно влияет на механические свойства, поэто­му важным является получение оптимальных соотноше­ний элементов.

Хромомарганцевоникелевые стали с азотом и хромо-никелевые стали типа 18-8 обладают при высоких тем­пературах примерно одинаковыми механическими свой­ствами. Для специальных целей получили применение стали этого класса с повышенным содержанием азота (0,5 и 0,8 %).

Сталь марок 0Х18Н5Г12АБ и 0Х20Н4АГ10 с 0,5 % N после закалки с 950...1050 °С в воде или на воздухе или без термообработки имеет предел прочности 685 MН/m² (70 кГ/мм²), предел текучести 490 Мн/м² (50 кГ/мм²), относительное удлинение 30 %, относительное сужение 40 %, ударную вязкость 0,98 Мн/м² (10 кГ-м/см²).

Вопросы металловедения хромомарганцевых сталей и сталей с азотом подробно изложены в работах [15-17].

Глава III. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Физические свойства нержавеющих сталей следует учитывать не только при конструировании изделий из них, но и при разработке технологии их производства. Особенно большая потребность в изучении этих свойств возникла у металлургов с появлением новых способов выплавки стали: электрошлакового, вакуумно-дугового и электроннолучевого переплава.

Конкретные значения основных физических свойств нержавеющей, кислотоупорной и жаростойкой стали наиболее распространенных марок приведены но дан­ным [7] с дополнениями в табл. 4.

Общие вопросы металловедения нержавеющих сталей весьма полно освещены в монографиях [5...7, 18...20].