2. Хромоникелевые нержавеющие стали

Введение достаточного количества никеля в хромистую сталь делает ее аустенитной, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также более коррозионностойкой и не хладноломкой.

Нержавеющие стали с получили наиболее широкое распространение в машиностроении, в изделиях широкого потребления, а также в архитектуре и скульптуре.

Представление об условии образования фаз в нержавеющих хромоникелевых сплавах дает система

Рис. 346. Железный угол системы Сплошные линии — изотермический разрез при

На рис. 346 приведен горизонтальный разрез при системы (сплошные линии). Однофазные и -области разделены двухфазной а. При содержании хрома более появляется -фаза (химическое соединение Положение двухфазной области а зависит от температуры. С понижением температуры ниже область а уходит вправо и ее крайнее положение при показано пунктирными линиями, закончившимися в точках с и а при повышении температуры область уходит влево и ее крайнее положение при 1100 °С показывает пунктирные линии, заканчивающиеся в точках

Отсюда следует, что сплавы, лежащие ниже линии имеют полную а-перекристаллизацию со структурой феррита при комнатной температуре. Между линиями и заключены полуферритные (или полуаустенитные) сплавы с частичным у а-превращением. Сплавы, лежащие левее линии ферритные (с ними мы познакомились в предыдущем параграфе), а правее аустенитные, которые будем рассматривать.

Сплав 18-9 изображен на той системе точкой. Нетрудно видеть, что для получения при аустенитной структуры обязательно должно быть с уменьшением содержания никеля сплав становится двухфазным во всем интервале температур, в том числе и при комнатной температуре. Увеличение хрома (сверх при приведет к тем же последствиям. При содержании хрома менее в структуре появляется а-фаза, при температурах ниже образование а-фазы протекает по мартенситному механизму 1.

В нержавеющих хромоникелевых сталях наряду с основной аустенитной -фазой может встречаться а-фаза в следующих модификациях: -фаза, образующаяся в результате выделения из жидкости или из аустенита при высоких (выше температурах; а-фаза, образующаяся из аустенита при низких (ниже Температурах по мартенситному механизму и наконец -фаза так называемый мартенсит деформации, при пластической деформации аустенита ниже некоторой температуры точки

Структурное состояние сплавов в зависимости от колебания состава может быть устойчивым и неустойчивым. Пластическое деформирование при низкой температуре может вызвать в некоторых случаях образование так называемого гексагонального -мартенсита (промежуточное состояние), который затем может перейти в обычный а-мартенсит.

Аустенитные стали с структурно неустойчивы, охлаждение его в области отрицательных температур или пластическая деформация при комнатной температуре вызовут образование мартенсита. В сплаве с образование мартенсита можно вызвать лишь деформацией при температурах ниже сплавы же с и более обладают стабильным аустенитом; ни охлаждение, ни деформация при низких температурах не вызовут образования а-фазы. Типичная структура нержавеющей стали (аустенита) приведена на рис. 347, а.

Промышленные хромоникелевые стали, естественно, не являются чистыми сплавами, а содержат примеси. Эти примеси, растворяясь в основных фазах (у и а) влияют на условия равновесия и на кинетику а-превращения. Если же примеси образуют новые фазы, например карбиды, нитриды, интерметаллиды и др., то они могут существенно изменить свойства стали, хотя их влияние на -превращение в этом случае менее значительно.

Элементы, растворенные в и -фазах, можно разделить на две категории: способствующие -превращению (ферритообразую щие) и препятствующие этому превращению (аустенитообразующие).

К аустенитообразующим элементам, т. е. действующим аналогично никелю, относятся углерод, азот и марганец, к ферритообразующим, влияющим подобно увеличению хрома, — молибден, вольфрам, титан, ниобий, тантал, кремний. Решить к какой группе по структуре отнести промышленные сложные по составу хромоникелевые стали, содержащие углерод, азот, марганец, кремний, титан и другие элементы, довольно трудно; тройная система (см. рис. 346) уже не дает на это ответа.

Рис. 347. Типичная микроструктура нержавеющей стали: а — аустенитного класса (аустенит), Х200; б — переходного класса

Для этих целей можно воспользоваться схематической диаграммой, показывающей структурное состояние сплава при комнатной температуре в зависимости от содержания ферритообразующих и -стенитообразующих элементов (рис. 348). Влияние каждого элемента приведено к влиянию хрома и никеля соответствующим коэффициентом. Так, углерод как аустенитообразующий элемент влияет в 30 раз сильнее никеля, а ниобий — в два раза слабее хрома.

В соответствии с этой диаграммой (рис. 348) сплав, содержащий является аустенитным (эквивалент никеля эквивалент хрома . В стали с и таким же содержанием остальных элементов эквивалент хрома повысится до и сталь будет содержать примерно феррита. При снижении эквивалента никеля до а эквивалента хрома до сплав будет состоять из аустенита и двух ферритных фаз: а; первая образовалась при высокой температуре, вторая при низкой,

В соответствии со сказанным об образовании структур в хромоникелевых сталях последние могут быть разделены на три класса:

Аустенитные стали — с устойчивым аустенитом.

Аустенито-мартенситные стали (или стали так называемого переходного класса). В этих сталях при охлаждении на воздухе обычно образуется некоторое количество мартенсита (рис.

К этому же классу относятся и те стали, аустенит которых при охлаждении до комнатной температуры хотя и не дает признаков у а-превращения, но все же неустойчив, так как при обработке холодом или под действием пластической деформации он превращается в мартенсит.

Аустенито-ферритные стали, имеющие структуру а . Аустенит в этих сталях может быть устойчивым и неустойчивым.

Области существования сталей всех этих трех классов представлены на рис. 348.

Рис. 348. Структурная диаграмма нержавеющих сталей

Составы промышленных хромоникелевых нержавеющих сталей приведены в табл. 76.

В таблицу включены не только хромоникелевые стали, в том числе и с допол нительным легированием, но и такие, в которых марганец и азот частично и даже полностью заменяют никель (в последнем случае они, разумеется, не являются хромоникелевыми сталями).

В хромоникелевых нержавеющих сталях из-за наличия углерода могут образовываться специальные карбиды, преимущественно типа мазсв.

Количество карбидов зависит от содержания углерода. При комнатной температуре и выше вплоть до примерно растворимость углерода (карбидов) всего лишь (рис. 349), но выше растворимость резко увеличивается и при температуре растворимость достигает , а при 1150°С — порядка 0,15 % С (это при содержании никель уменьшает растворимость углерода в аустените при высокой температуре). Естественно, что при такой разнице в растворимости карбидов в аустените нагрев до высокой температуры и быстрое охлаждение (закалка) позволит получать пересыщенный твердый раствор, а повторный нагрев (при 500—700 °С) вызовет выделение карбидов.

Выделение карбидов происходит по границам зерен, что при определенных условиях приводит и к охрупчиванию стали и к

(кликните для просмотра скана)

появлению особого вида коррозионного разрушения по границам зерен — очень опасного, называемого межкристаллитной (интеркристаллит-ной) коррозией

Лист из нержавеющей стали, пораженный интеркристаллитной коррозией, при постукивании не издает металлического звука, при небольшом усилии легко разрушается и может быть превращен в порошок.

Явление интер кристалл итной коррозии связано с понижением коррозионной стойкости границ зерен, вследствие того что в образовании карбидной фазы на границах зерен участвует практически весь углерод, успевающий продиффундировать сюда из глубины зерна), а хром, входящий в состав специального карбида поставляется только из приграничных слоев зерен, так как из-за малой скорости диффузии он не успевает поступать из глубины зерен. В результате этого содержание хрома в твердом растворе на границах зерен оказывается менее т. е. ниже того предела, который обеспечивает коррозионную стойкость. Именно поэтому коррозионное разрушение распространяется вглубь только по границам зерен, обедненных хромом 1 (рис. 350).

Металлографическое исследование показало, что межкристаллитная коррозия наступает тогда, когда выделившиеся по границам зерен карбиды образуют сплошную сетку. Выделившиеся, но не образовавшие еще сплошной сетки карбиды или коагулированные крупные карбиды по границам зерен не вызывают межкристллитной коррозии.

Рис. 349. Растворимость углерода (карбидов) в аустените

Рис. 350. Микроструктура нержавеющей стали, пораженной интеркристаллитной коррозией:

Процесс интеркристаллитной коррозии возникает лишь в результате нагрева закаленной аустенитной стали в определенной области температур Такой нагрев вызывает выделение карбидов по границам зерен.

Ясно, что нагрев до вызывает выделение карбидов лишь у пересыщенного аустенита, т. е. у закаленных аустенитных

сталей (при содержании в них углерода более 0,005 %). Склонность к интеркристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей можно устранить не только уменьшением содержания углерода (менее 0,005 %), но и введением так называемых элементов — стабилизаторов: титана или ниобия, являющихся сильными карбидообразователями. При введении в сталь титана или ниобия образуются соответственно карбиды типа . Эти карбиды (фазы внедрения) мало растворимы в аустените. Титан и ниобий, соединяясь с углеродом, препятствуют тем самым образованию хромистых карбидов и проявлению интеркристаллитной коррозии.

Рис. 351. Продолжительность провоцирующего нагрева, вызывающего интеркристаллитную коррозию стали а — без стабилизаторов; б — сталь с а — сталь с (светлые точки — нет МКК; черные точки — есть МКК)

Разумеется, что титан и ниобий следует вводить в достаточных количествах (чтобы они могли связать весь углерод).

Впрочем, более надежно устраняет процессы, приводящие к развитию интеркристаллитной коррозии снижением углерода, тогдсч как так называемые элементы-стабилизаторы (т. е. титан или ниобий) лишь уменьшают ее.

Высокая стойкость против межкристаллитной коррозии достигается в сталях склонных к ММК применением стабилизирующего отжига (температура стабилизирующего отжига обычно около при котором карбиды полностью выделяются из раствора и присутствуют в скоагулированном виде, а хром равномерно распределяется по объему зерна. К сожалению, эта термическая операция дает эффект не для всех сталей и ее необходимо проводить после сварки, что часто затруднено большими размерами сваренных изделий.

Характеристику устойчивости стали к интеркристаллитной коррозии можно выразить своего рода С-образными диаграммами (рис. 351). На них показано, при какой продолжительности так называемый провоцирующий отжиг в опасном интервале температур вызывает появление этой склонности.

Из диаграмм, приведенных на рис. 351 видно, что в стали 18—9 без титана и ниобия выдержка в течение 10 мин при приводит металл в состояние склонности к интеркристаллитной коррозии. Сталь 18—10 с титанрм и ниобием более устойчива (рис. 351,б, в).

При оценке результатов испытаний на МКК принимается, что сталь практически не склонна к интеркристаллитной коррозии, если после закалки и отпуска в течение часа при она не

обнаруживается. Такую сталь можно применять в закаленном виде в сварных изделиях, причем после сварки термическая обработка не требуется.

Если сталь оказалась устойчивой к интеркристаллитной коррозии в закаленном состоянии и неустойчивой после провоцирующего отпуска (650 °С, 1 ч), то из нее можно изготавливать либо несварные изделия, либо, если сварка неизбежна, следует применять термическую обработку (повторную закалку) сварных изделий, иначе сварной шов не будет коррозионностойким.

Рис. 352. Склонность к межкристаллитной коррозии аустенитной хромоинкелевой стали с различным содержанием углерода (светлые точки — не склонна к МКК; черные точки — склонна к МКК; наполовину светлые — мало склонна к МКК)

Титан и ниобий замедляют процессы, вызывающие МКК, но так как углерод образует карбиды, а их выделение вызывает МКК, то сделать сталь совершенно не чувствительной к МКК — это снизить содержание углерода до величины, когда он полностью в твердом растворе; это значит не более 0,005 % (см. рис. 349). Это сложная металлургическая задача, но разрешимая. Впрочем для стали 18—10 снижение содержания углерода до 0,015-0,020 % делает сталь практически не чувствительной к МКК (рис. 352).

Чисто аустенитные стали склонны также еще к одному виду коррозионного разрушения, к так называемому коррозионному растрескиванию или к коррозии под напряжением. Это явление заключается в том, что на поверхности образца (изделия), находящегося под нагрузкой или имеющего внутренние остаточные напряжения (например, после наклепа) и погруженного в относительно слабую коррозионную среду, образуются тонкие трещины, проходящие главным образом по телу зерна.

Такому разрушению подвержены (но несколько слабее) и ферритные нержавеющие стали. Двухфазные стали (аустенитоферритные) обладают наименьшей склонностью к коррозионному растрескиванию.

Можно предположить, что трещина, возникающая в аустените, останавливается, дойдя до второй фазы (феррита). Образование мартенсита под действием напряжений усиливает коррозионное растрескивание. Этим объясняется меньшая стойкость против коррозионного растрескивания сталей с неустойчивым аустенитом. Нечувствительны стали к коррозионному растрескиванию с

Аустенитные нержавеющие стали применяют очень широко не только из-за высоких антикоррозионных свойств, но и благодаря высоким технологическим и механическим свойствам. Эти стали

хорошо прокатываются в горячем и холодном состояниях, в холодном состоянии выдерживают глубокую вытяжку и профилирование, допускают применение электросварки, без охрупчивания околошовных зон.

Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса сравнительно проста и заключается в закалке в воде с 1050-1100 °С. Нагрев до этих температур вызывает растворение карбидов хрома а быстрое охлаждение фиксирует состояние пересыщенного твердого раствора. Медленное охлаждение недопустимо, так как при этом, как и при отпуске, возможно выделение карбидов, приводящее к ухудшению пластичности и коррозионной стойкости. Кроме того, при закалке происходят рекристаллизационные процессы, устраняющие последствия пластической деформации, которой часто подвергаются нержавеющие аустенитные стали. В результате закалки твердость этих сталей не повышается, а снижается, поэтому для аустенитных нержавеющих сталей закалка является смягчающей термической операцией.

Механические свойства аустенитных нержавеющих сталей в закаленном (смягченном) состоянии характеризуются низким значением предела текучести, невысокой прочностью и очень высокой пластичностью.

Механические свойства некоторых аустенитных нержавеющих сталей приведены в табл. 77.

Таблица 77. (см. скан) Механические свойства аустенитных сталей в закаленном состоянии

Сталь естественно, обладает наиболее высокой пластичностью и наименьшей прочностью, так как почти не содержит углерода и легирующих элементов выше указанное количество которых необходимо для создания коррозионной устойчивости (хром) и аустенитной структуры (никель).

В результате легирования этой стали повышается прочность (углерод и азот влияют сильнее, чем остальные элементы — металлы). Наиболее прочные аустенитные стали, содержащие азот и углерод, обладают пределом текучести, равным 245—392 МПа, и пределом прочности Однако эти стали склонны к меж кристаллитной коррозии и охрупчиванию при высокой температуре.

Радикальный способ упрочнения аустенитных сталей — холодный наклеп; при деформации порядка 80-90 % предел текучести достигает а предел прочности при сохранении достаточно высокой пластичности.

Очевидно, что этот способ упрочнения применим лишь для таких видов изделий, как тонкий лист или лента, проволока и т. п.

Если термическая обработка в сталях аустенитного класса существенно не изменяет механические свойства и достаточно проста, то в стали переходного, аустенитно-мартенситного класса прочность сильно зависит от режимов термической обработки, так как при этом существенно изменяется структурное состояние. Режимы термической обработки сталей переходного класса отличаются большой сложностью,

Нержавеющие стали этого класса получили применение главным образом как высокопрочные. Наиболее упрочненное состояние получается при структуре аустенит мартенсит отпуска.

Подобное структурное состояние получается в результате следующей термической обработки: закалка на аустенит обработка холодом отпуск (старение). Обработка холодом приводит к превращению приблизительно аустенита в мартенсит (точка Мн должна быть около отпуск при 450—500 °С повышает прочность за счет дисперсионного твердения, происходящего главным образом в а-фазе.

Проследим за изменением механических свойств стали с изменением структурного состояния по этапам термической обработки.

После закалки с 1000 °С структура состоит из 100 % аустенита. Механические свойства при этом следующие:

В результате обработки холодом при (после закалки с структура состоит из мартенсита, аустенита. Механические свойства при этом следующие: Отпуск при (после закалки и обработки холодом) создает структуру, состоящую из мартенсита (мартенсит состаренный, однако выделяющаяся фаза не обнаруживается) и аустенита. Механические свойства при этом следующие:

В этой стали можно вызвать мартенситное превращение, кроме обработки холодом, пластической деформацией или закалкой с 0 °С. В последнем случае мартенситная точка повышается от 0° до (по сравнению с закалкой от и при охлаждении до комнатной температуры образуется около мартенсита. Последующий отпуск — старение здесь также необходимо. Механические свойства при такой обработке заметно ниже, чем при использовании обработки холодом.

Таблица 78. (см. скан) Механические свойства нержавеющих сталей аустеннто-мартенсктного класса

Режимы термической обработки и свойства сталей аустенито-мартенситного класса приведены в табл. 78.

Сравнение данных, приведенных в табл. 77 и 78 показывает, что аустенито-мартенситные дисперсионно твердеющие стали обладают существенно более высокими свойствами, чем чисто аустенитные стали, и применение их предпочтительней, разумеется, если нет дополнительных требований в отношении магнитных свойств.

Меньшее применение по сравнению с только что рассмотренными двумя классами стали — аустенитным и аустенитно-мартенситным — имеют стали аустенито-ферритного класса (их еще иногда называют двухфазными). Причина заключается в том, что эти стали отличаются нестабильностью свойств — небольшие колебания в составе (внутри марочного содержания элементов) приводят к существенному изменению количественного соотношения и -фаз и, следовательно, к различию в свойствах

Кроме того, эти стали обладают склонностью к охрупчиванию (при 400-600 °С). По прочности они превосходят чисто аустенитную сталь, но для многих назначений это не является преимуществом.

Из изложенного выше можно заключить, что в нержавеющих сталях может быть три основных вида коррозионного разрушения:

а) общая коррозия, заключающаяся в равномерном по всей поверхности распространении коррозии в глубь металла;

б) межкристаллитная коррозия;

в) коррозионное растрескивание

Скорость общей коррозии измеряется в линейных единицах и делится на пять баллов:

Если скорость коррозии (балл I), то уменьшение толщины нержавеющего листа будет меньше 1 мм за 10 лет. Такой металл можно считать устойчивым в данной среде, так как практически оборудование может работать в течение нескольких лет без смены деталей. При стойкости, равной И баллу, металл можно считать ограниченно стойким, и срок эксплуатации ограничивается обычно одним годом. Металл, характеризуемый стойкостью III—V баллов, следует, как правило, считать неустойчивым, непригодным для эксплуатации в данной среде.

Скорость этих трех видов коррозионных разрушений зависит от состава стали и структурного состояния.

Главным фактором, определяющим стойкость против общей коррозии, является содержание хрома. Большинство нержавеющих аустенитных сталей содержит около и обладает приблизительно одинаковой стойкостью; им уступают стали с но их превосходят двухфазные стали, содержащие

Межкристаллитная коррозия зависит от содержания углерода, а также от наличия элементов — стабилизаторов. Весьма стойки к межкристаллитной коррозии стали с пониженным содержанием углерода и стали с титаном или ниобием. В этих случаях межкристаллитная коррозия может быть вызвана отпуском при с выдержкой более часа. В сталях, не содержащих этих элементов или содержащих более , после отпуска продолжительностью менее часа примерно при 600 °С появляется склонность к межкристаллитной коррозии.

Как отмечалось, процесс межкристаллитной коррозии заключается в выделении карбидной сетки по границам зерен, поэтому даже если металл не работает в среде высокой агрессивности, то все равно выделение карбидов по границам зерен отрицательно влияет на пластичность металла.

Коррозионное растрескивание ускоряется при недостаточной стабильности аустенита в отношении а-превращения. Поэтому увеличение устойчивости аустенита относительно мартенситного превращения достигается увеличением содержания аустенитообразующих элементов, что приводит к повышению сопротивления коррозионному растрескиванию.

На основе перечисленных соображений выбирают нержавеющую сталь для изделия.

Наиболее распространенные марки стали были приведены в табл. 76.

Стойкость сталей (в отношении равномерного коррозионного разрушения) 1—12 и 15—19 примерно одинакова, пониженной стойкостью обладают стали 13, 14, 21 и 22, а повышенной 20 и 23—25. Высокую стойкость к межкристаллитной коррозии имеют стали 4, 8, 10—12, 14. Остальные стали не обладают высокой стойкостью к межкристаллитной коррозии.

Высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию обладают стали липа 18—12, остальные стали, особенно типа 18—9, в этом отношении уступают им.

Молибден и медь вводят в нержавеющие стали для повышения сопротивления коррозии в кислотах, поэтому стали типа будут рассмотрены в параграфе о кислотостойких сталях.

Селен или теллур вводят в нержавеющие стали для улучшения обрабатываемости резанием. Сталь — автоматная нержавеющая сталь.