Эти стали и в отожженном и в нормализованном состоянии относятся к аустенитному классу. В основном это Cr - Ni стали. Введение в сталь никеля сильно расширяет - область, снижает температуру мартенситного превращения и при 8% Ni сталь с 18% Cr и 0,1% С становится аустенитной. В этих сталях может быть 8-13% Ni. Примером могут служить стали 10х18Н9Т; 10х18Н10Т; 12Х18Н9 и др.
Используется в химической, пищевой, строительной, медицинской, целлюлозной и бумажной промышленности, а также в процессах с участием кислот или хлора. Часто используется на морских нефтегазодобывающих платформах. Относительная сила тяжести, как правило, низкая, 30% из-за высокого предела текучести и прочности на растяжение. Во время обработки он производит сильные стружки, которые могут вызвать дробление и высокие силы резания.
Во время резки он производит много тепла, которое может вызвать пластические деформации и большой износ кратера. Предпочтительны небольшие углы зацепления, чтобы избежать образования надрезов и заусенцев. Очень важно, чтобы инструмент и заготовка были стабильными.
Основные преимущества аустенитных сталей следующие:
коррозионная стойкость во многих средах;
высокая пластичность;
хорошая свариваемость.
Благодаря своим свойствам аустенитные стали нашли широкое применение в качестве конструкционных в различных отраслях машиностроения.
В этих сталях могут быть следующие фазовые превращения:
Нержавеющая сталь является общим названием для большого семейства сталей с качеством из-за содержание хрома составляет 10, 5%, они устойчивы к износу под воздействием химических или электрохимических реакций с окружающей средой. На языке экспертов это свойство называется коррозионной стойкостью.
Стальной хром при взаимодействии с кислородом в воздухе образует на поверхности стали невидимый слой оксида хрома, видимый на поверхности стали, который защищает сталь от коррозионных агентов. Защитный слой, механически поврежденный или воздействующий на химические вещества, при повторном контакте с кислородом подвергается самовосстановлению. Это происходит даже в столь бедных условиях свободной кислородной среды, как обычная вода. Более высокое содержание хрома в стали обеспечивает лучшую коррозионную стойкость.
образование карбидных (Me 23 C 6 и MeC) и карбонитридных (Me(C, N)) фаз;
образования -фазы в интервале 650-850С;
растворение этих фаз при нагреве до 1100-1200С;
образование в аустенитной области -феррита при нагреве выше 1100С;
образования и– мартенсита при охлаждении до отрицательных температур или при деформации.
Выделение карбидных и карбонитридных фаз происходит преимущественно по границам зерен аустенита, что снижает пластичность и сопротивление МКК. Присутствие - фазы резко охрупчивает сталь. Выделение- феррита отрицательно сказывается на технологичности стали, особенно при горячей обработке давлением (образуются трещины), поэтому количество-феррита должно быть не более 10-15%. Это достигается соотношением Cr /Ni1,8. При проведении различных обработок температура не должна превышать 1100˚С.
Это сопротивление дополнительно усиливается добавлением молибдена. Добавление никеля направлено на получение аустенитной структуры стали, что облегчает ее холодоустойчивость и сварку. Они составляют более 50% мирового производства нержавеющей стали. Аустенитные нержавеющие стали относятся к числу наиболее часто используемых материалов в этой группе. Добавление 8% никеля в 18% хромовых сталях обеспечивает коррозионностойкие стали с постоянной аустенитной структурой.
Поскольку добавки сплава увеличиваются, в основном хром и молибден могут дополнительно повысить коррозионную стойкость. Ферритная сталь называется потому, что она содержит феррит в ноге. Основной легирующей добавкой является хром, небольшая примесь молибдена, титана, ниобия и других компонентов.
Термическая обработка
Цель термической обработки: получение аустенитной структуры, снятия внутренних напряжений и устранение склонности к МКК, которая возникает при сварке, горячей обработке давлением и других технологических операциях.
Проводят два вида термической обработки: закалка и отжиг (рисунок 5.3). Закалка проводятся с температуры выше t р – температуры растворения карбидов хрома (Fe, Cr) 23 C 6. Если в стали нетTiили Nb (рисунок 5.3 (а)) нагревают под закалку до 900-1000˚С, получают при нагреве однородный аустенит и охлаждают в воде, чтобы карбиды хрома не успели выделиться.
Ферритно-аустенитно-дуплексная сталь
Магнетизм ниже, тепловое расширение по сравнению с аустенитной стали с превосходной устойчивостью к коррозии при повышенных температурах, улучшенная теплопроводность по сравнению с аустенитной стали и стабилизации ниобия лучшего сопротивления ползучести, более легкой резки и механической обработки аустенитной стали, большей чувствительностью к глубокой вытяжке, менее восприимчивости для деформации нижнего листа, более высокой текучести по сравнению с популярной аустенитной сталью 304 или углеродистой стали, большей стойкостью к коррозии под напряжением из аустенитных сталей. Ферритно-аустенитные стали с точки зрения прочности сверх аустенитных сталей, например, их предел текучести по крайней мере в два раза выше.
Если сталь стабилизирована Тi или Nb (рисунок 5.3 б), то закалку проводят из двухфазной области (+ МеС), температура нагрева составляет 1000-1100˚С, чаще 1050˚С. Более высокие температуры нагрева нецелесообразны из-за роста зерна и растворения специальных карбидов МеС.
Выше t р растворяются карбиды (Fe,Cr) 23 С 6 и хром переходит в твердый раствор, карбиды МеС равномерно распределены внутри аустенитных зерен.
Высокая смесь хрома, никеля и молибдена обеспечивает хорошую коррозионную стойкость к высокой кислотности. Хром, молибден и азот, с другой стороны, помогают предотвратить коррозию точечной коррозии и создают различные зазоры в структуре. Дуплексные стали обеспечивают хорошую коррозионную стойкость в средах средней кислотности. Они часто используются для строительства с хлоридами, содержащими кислоты, с азотной кислотой или другими сильными органическими кислотами.
Мартенситные стали характеризуются сходными концентрациями хрома в виде ферритных сталей, но с повышенной концентрацией углерода до примерно 1%. Мартенситные стали являются магнитными. Их коррозионная стойкость низкая. Они могут быть применены в контакте с азотной кислотой, борной кислоты, уксусной кислоты, бензойной кислоты, масло, пикриновой, карбонаты, нитраты и щелочами. Их коррозионная стойкость уменьшается с повышением температуры. Атмосферная коррозионная стойкость достаточна только в очень чистом воздухе.
Закалка является эффективным средством для предотвращения МКК и придания стали оптимального сочетания механических свойств и сопротивления коррозии. Однако она не всегда удобна, особенно при термообработке крупногабаритных и сложных, особенно сварных конструкций. Высокая температура нагрева и необходимость быстрого охлаждения в этих случаях может привести к значительному короблению и поводке изделия. В этих случаях лучше применять стабилизирующий отжиг (рисунок 5.3 (б)). Если закалка предполагает полное растворение карбидов хрома, то при стабилизирующем отжиге используют принцип приведения их в неопасное для МКК состояние или трансформирование их в специальные карбиды в стабилизированных сталях. Отжиг проводится при температуре 850-950˚С. Если в стали нет Nb или Ti, то цель отжигаповышение содержания хрома на границе аустенит –карбид за счет коагуляции карбидов хрома и их частичного растворения, диффузия выравнивает состав по хрому в теле зерна и в приграничном объеме. Если сталь легированаTiилиNb(стабилизированная сталь), то в процессе отжига карбиды хрома превращаются в карбиды TiC или NbC, что устраняет склонность к МКК, т.к. основной пассивирующий элемент хром остается в твердом растворе. При отжиге охлаждение проводят на воздухе.отжиг более эффективен для стабилизированных сталей.
Прочность аустенитной нержавеющей стали
Механические свойства этих сталей могут быть улучшены с помощью процедур закалки и отпуска. Твердость после затвердевания получают мартенситными сталями, содержащими углерод, хром, молибден и ванадий. Для получения хороших технологических свойств требуется мелкозернистая структура. Низкий предел текучести и не очень высокая прочность на растяжение компенсируют хорошую пластичность и, прежде всего, воздействие. Они имеют очень хорошую холодную рабочую способность.
Применение аустенитной нержавеющей стали
- Очень агрессивная водная среда.
- Химическая и нефтехимическая промышленность.
- Судостроение, авиация, железная дорога.
- Бытовая.
- Инженерное проектирование.
С целью экономии дорогого и дефицитного никеля разработаны Cr-Ni-Mn и Cr-Mn стали. Марганец, как и никель, аустенитообразующий элемент. Однако у марганца более слабое аустенитообразующее влияние, поэтому при замене никеля марганцем для получения аустенитной структуры нужно уменьшить содержание хрома или только частично заменять никель марганцем, или легировать таким сильным аустенитообразующим элементом, как азот. Примерами таких сталей могут служить 10х14Г14Н4Т, 10х14АГ15(0,15-0,25%N). Подобные стали нашли применение в основном в торговом и пищевом машиностроении в средах средней агрессивности. Марганец относится к элементам не склонным к пассивации. Стойкость к коррозии определяется только содержанием хрома, поэтому с увеличением содержания марганца снижает коррозионная стойкость в сильных агрессивных средах (например, в азотной кислоте). Для обеспечения удовлетворительной коррозионной стойкости содержание марганца должно быть не более 14-15%, а хрома не менее 12-14%. Термическая обработка этих сталей заключается в закалке от 1000-1100°С с целью обеспечения аустенитной структуры, снятия предшествующего наклепа и устранения склонности к МКК.
Важным фактором, влияющим на коррозионную стойкость, является гладкость и чистота поверхности. Даже незначительные неровности поверхности могут стать коррозионными. Первым симптомом общей коррозии стали обычно является притупление ее поверхности. Причинами изменения внешнего вида поверхности могут быть следующие.
Применение сорта стали в более агрессивной среде от предполагаемой слишком шероховатой поверхности, которая устраняет ошибки осадка и грязи, приводящие к образованию зазоров и карманов, в которых накапливается вода и загрязняющие вещества, загрязняющие поверхность нержавеющей стали частицами железа при транспортировке и использование неправильных инструментов или абразивов при производстве или при сборке. Необходимо использовать аустенитную хромоникелевую сталь с добавлением молибдена в прибрежных районах и в загрязненных городских и промышленных атмосферах.
Аустенитные нержавеющие стали – 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.
Коррозионная стойкость стали зависит от трех факторов
Это относится, в частности, к купальным установкам, как открытым, так и внутренним, где коррозия способствует влажности окружающей среды и повышенным температурам воды, и в частности, наличию хлоридов, используемых для его дезинфекции. Наиболее важным в этом случае является содержание хрома, никеля, углерода, молибдена, меди, марганца, азота, титана, ниобия и тантала.
Основным элементом этой стали является хром. Из этого следует, что коррозионная стойкость присутствует только при содержании более 13% хрома. Хромированные стали коррозионно-стойкие в окислительных средах, таких как азотная кислота, но они не устойчивы к восстановлению среды, такой как хлористоводородная или серная кислота. При высоких температурах минимальное содержание хрома, обеспечивающее коррозионную стойкость, увеличивается до 20%.
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.
Во-вторых, в дополнение к хрому, наиболее важным легирующим компонентом коррозионно-стойкой стали является никель, что повышает устойчивость стали ко многим агрессивным средам, особенно серной кислоте, растворам нейтральных хлоридов, таких как морская вода. Никельсодержащие стали не устойчивы к серосодержащим газам при повышенных температурах из-за образования сульфида никеля. С другой стороны, уголь ухудшает коррозионную стойкость. Сталь имеет сильное снижение коррозионной стойкости, если углерод присутствует в форме карбидов.
Коррозионностойкие стали имеют разные конструкции, поэтому сталь может быть. Нержавеющая сталь нержавеющая сталь нержавеющая сталь мартенситная нержавеющая сталь. Эти стали могут иметь однофазную структуру, например ферритную или двухфазную, например ферритно-аустенитную.
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.
Самая высокая коррозионная стойкость является аустенитной после ферритных сталей и самой низкой мартенситной. Большая коррозионная стойкость имеет однофазные структуры. Предполагается, что более стойкость однофазных структур будет гораздо более благоприятными условиями для пассивного состояния и сохранения ее долговечности и непрерывности. Вероятность получения локальных ячеек в однофазной стали очень мала. Появление однофазных сталей дополнительных компонентов в структуре всегда приводит к снижению коррозионной стойкости.
Стали с гладкой поверхностью всегда более устойчивы к коррозии, чем сталь с высокой шероховатостью. В коррозионностойких сталях основным легирующим компонентом является хром. Добавление хрома имеет тенденцию образовывать карбид хрома в структуре, которая кристаллизуется в гексагональной сети. Стальная стойкость к коррозии связана с способностью стали к пассивации. Под пассивировкой имен мы подразумеваем повышение сопротивления металла коррозии окислением ее поверхности. Предполагается, что на поверхности пассивного металла имеется плотная и сильно прилипающая оксидная пленка, которая защищает металл от воздействия окружающей среды.
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.
Три группы стали из-за содержания хрома
Устойчив в основном к химической коррозии, включая окисление в воздухе, природной воде, водяном паре, холодных щелочных растворах разбавленных кислот и солей, за исключением хлоридов, сульфатов и йодидов, а также нефти и ее паров, топлива, масел, спиртов, а также пищевых продуктов.
В зависимости от содержания хрома можно разделить на
В низкоуглеродном диапазоне поле альфа-фазы распространяется во всем температурном диапазоне, и установившееся состояние такого состава будет иметь ферритную структуру. После охлаждения структура этих сталей будет содержать феррит и мартенсит, и поэтому они называются полужилыми. Эти стали имеют хорошую коррозионную стойкость в присутствии водяного пара и азотной кислоты, уксусная кислота не устойчива к соляной и серной кислоте. Эти стали устойчивы к расплавленной сере и ее парам, разбавленным щелочным растворам, разбавленным холодным органическим кислотам, мылам и коррозии под напряжением. Устойчив главным образом к электрохимической коррозии в среде неорганических и органических кислот, соединений азота и солевых растворов и агрессивных пищевых продуктов.
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.
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.
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.
