Аустенитные стали имеют ряд особых преимуществ и могут применяться в рабочих средах, отличающихся значительной агрессивностью. Без таких сплавов не обойтись в энергетическом машиностроении, на предприятиях нефтяной и химической промышленности.

Аустенитные стали - это стали с высоким уровнем легирования, при кристаллизации образуется однофазная система, характеризуемая кристаллической гранецентрированной решеткой. Такой тип решеток не меняется даже под воздействием очень низких температур (около 200 градусов Цельсия). В отдельных случаях имеется еще одна фаза (объем в сплаве не превышает 10 процентов). Тогда решетка получится объемноцентрированной.

Описание и характеристики

Стали разделяют на две группы относительно состава их основы и содержания легирующих элементов, таких как никель и хром:

• Композиции, в основе которых содержится железо: никель 7%, хром 15%; общее количество добавок - до 55%;
• Никелевые и железоникелевые композиции. В первой группе содержание никеля начинается от 55% и больше, а во второй - от 65 и больше процентов железа и никеля в соотношении 1:5.

Благодаря никелю можно добиться повышенной пластичности, жаропрочности и технологичности стали, а с помощью хрома - придать требуемую коррозийность и жаростойкость. А добавление других легирующих компонентов позволит получать сплавы с уникальными свойствами. Компоненты подбирают в соответствии со служебным предназначением сплавов.

Для легирования преимущественно используют:

• Ферритизаторы, стабилизирующие структуру аустенитов: ванадий, вольфрам, титан, кремний, ниобий, молибден.
• Аустенизаторы, представленные азотом, углеродом и марганцем.

Все перечисленные компоненты расположены не только в избыточных фазах, но и в твердом растворе из стали.

Сплавы, устойчивые к коррозии и перепадам температур

Широкий спектр добавок позволяет создать особые стали, которые будут применены для изготовления компонентов конструкций и будут работать в криогенных, высокотемпературных и коррозионных условиях. Поэтому составы разделяют на три типа:

• Жаропрочные и жаростойкие.
• Стойкие к коррозии.
• Устойчивы к воздействию низких температур.

Жаростойкие сплавы не разрушаются под влиянием химикатов в агрессивных средах, могут использоваться при температуре до +1150 градусов. Из них изготавливают:

• Элементы газопроводов;
• Арматуру для печей;
• Нагревательные компоненты.

Жаропрочные марки на протяжении длительного времени могут оказывать сопротивление нагрузкам в условиях повышенных температур, не теряя высоких механических характеристик. При легировании используются молибден и вольфрам (на каждое дополнение может отводиться до 7%). Для измельчения зерен в небольших количествах применяется бор.

Аустенитные нержавеющие стали (стойкие к коррозии) характеризуются незначительным содержанием углерода (не более 0,12%), никеля (8−30%), хрома (до 18%). Проводится термическая обработка (отпуск, закалка, отжиг). Она важна для изделий из нержавейки, ведь дает возможность хорошо держаться в самых разных агрессивных средах - кислотных, газовых, щелочных, жидкометаллических при температуре 20 градусов и выше.

У хладостойких аустенитных композициях содержится 8−25% никеля и 17−25% хрома. Применяют в криогенных агрегатах, но стоимость производства существенно возрастает, потому используются очень ограниченно.

Свойства термической обработки

Жаростойкие и жаропрочные марки могут подвергаться разным типам тепловой обработки, чтобы нарастить полезные свойства и модифицировать уже имеющуюся структуру зерен. Речь идет о числе и принципе распределения дисперсных фаз, величине блоков и собственно зерен и тому подобное.

Отжиг такой стали помогает уменьшить твердость сплава (иногда это важно при эксплуатации), а также устранить излишнюю хрупкость. В процессе обработки металл нагревается до 1200 градусов на протяжении 30−150 минут, потом его необходимо как можно быстрее охладить. Сплавы со значительным количеством легирующих элементов, как правило, охлаждаются в маслах или на открытом воздухе, а более простые - в обычной воде.

Нередко проводится двойная закалка. Сначала выполняют первую нормализацию составов при температуре 1200 градусов, затем следует вторая нормализация при 1100 градусах, что позволяет значительно увеличить пластические и жаропрочные показатели.

Добиться повышения жаропрочности и механической прочности можно в процессе двойной термической обработки (закалка и старение). До эксплуатации проводится искусственное старение всех жаропрочных сплавов (то есть выполняется их дисперсионное твердение).

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, 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:

1. Композиции на основе железа: содержание никеля – до 7 %, хрома – до 15 %, общее количество легирующих добавок – не более 55 %.
2. 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).

Выше определённого содержания марганца, никеля или некоторых других элементов γ-состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления. Такие высоколегированные железные сплавы называют аустенитными сталями. В отличие от других железных сплавов аустенитные стали (и ферритные) не имеют превращений при нагревании и охлаждении . Поэтому термическую обработку для упрочнения аустенитных сталей не применяют.

К хладостойким аустенитным сталям также относятся хромомарганцевые стали (аустенитные стали, в которых никель полностью или частично заменён марганцем); стабильные аустенитные хромоникельмарганцевые стали с азотом (аустенитные стали, одновременно легированные хромом, никелем и марганцем) и метастабильные аустенитные стали .

Лит.:

1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - УДК669.0(075.8)
2. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1
3. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение: Учебник для вузов. - М.: МИСИС, 1999. - 600 с. - УДК 669.017

— 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.