Аустенитные хромоникелевые стали
Аустенитные хромоникелевые стали впервые были разработаны в 1910 г. немецким инженером Штраусом на заводах фирмы «Крупп». Хромоникелевые коррозионностойкие стали после охлаждения на воздухе имеют аустенитную, аустенитно-мартенситную и аустенитно-ферритную (феррита более 10 %) структуру. Широко применяемые стали типа 12X18H9, 04X18H10, 03X18H12, 17X18H9 обычно содержат 18 % Сr и 9…12 % Ni. Они имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями и в отличие от них сохраняют ее при нагреве. Содержание 18 % хрома обеспечивает способность сталей к пассивации. Благодаря этому они имеют высокую коррозионную стойкость в различных окислительных средах. Термообработка этих сталей заключается в закалке от температуры около 1100 °С в воде без отпуска. Высокая температура при закалке необходима для растворения карбидов и получения структуры однородного аустенита. После закалки стали имеют следующие основные свойства: чисто аустенитную структуру, низкую твердость, высокую пластичность; они немагнитны, хорошо деформируются и свариваются. Высокая технологичность сталей позволяет широко их использовать в качестве конструкционного материала.
При медленном охлаждении хромоникелевые стали приобретают многофазную структуру, в которой кроме аустенита присутствует небольшое количество феррита и карбидов. Такая структура отрицательно сказывается на коррозионной стойкости и пластичности. Закалка стали из однофазной аустенитной области от температуры 1050…1100 °С в воде фиксирует ту структуру, которая была при нагреве, при этом избыточные фазы не успевают выделиться.
Коррозионностойкая сталь аустенитного класса марки I2X18H9Т (0,12 % С; 17…19 % Cr; 8…10 % Ni и до 1 % Тi) работает в средах повышенной агрессивности (муравьиная, уксусная, щавелевая и другие кислоты). Для предотвращения выпадения из твердого раствора стали карбидов хрома, сохранения в ней однофазной структуры и высокоантикоррозийных свойств эта сталь закаливается в воде от 1050...1100 °C. После закалки сталь имеет структуру аустенита с линиями сдвига (рис. 11). Эту сталь применяют для трубопроводов, обшивок, различных емкостей и др.
Рис. 11. Микроструктура стали марки 12Х18Н9
после закалки от 1100 °С, ×500
Состояние однофазного аустенита с сохранением всего хрома в твердом растворе обеспечивает сталям максимальную коррозионную стойкость. Пластичность на уровне 5…40 % позволяет подвергать их холодной пластической деформации с наклепом и повышением прочности при сохранении коррозионной стойкости почти на прежнем уровне.
Состав и свойства наиболее часто применяемых марок этих сталей приведены в табл. 12.
Учитывая невысокую прочность и высокую пластичность таких сталей, их подвергают холодной деформации с наклепом, после чего прочность повышается.
Содержание углерода в коррозионностойких аустенитных сталях ограничено. Желательно, чтобы оно было ниже предела растворимости углерода в легированном никелем аустените при 20 °С, составляющего 0,02-0,04 %. Присутствие в стали более высоких концентраций углерода может приводить к образованию карбидов хрома типа Сr23С6, вследствие чего твердый раствор обедняется хромом, и создается двухфазная структура. При этом снижается коррозионная стойкость стали, что приводит к возникновению межкристаллитной коррозии (МКК). На рис. 12 приведены микроструктуры стали 08Х18Н10 после испытаний на межкристаллитную коррозию в разных средах.
а) б)
Рис. 12. Микроструктура стали 08Х18Н10 после закалки с 1050 °С в воде и отпуска при 700 °С:
а) – межкристаллитная коррозия при испытании в растворе 25 %-ной HNO3 + 40 г/л Сr6+, продолжительность 200 ч;
б) – то же в растворе кипящей 65 %-ной HNO3 + Сr6+, × 500
Для предотвращения образования карбидов хрома, особенно при технологических нагревах, связанных с проведением операций сварки или пайки и опасностью возникновения межкристаллитной коррозии, в сталь дополнительно вводят титан, ниобий или тантал. Эти элементы связывают углерод в карбиды типа TiC, NbC, ТаС, оставляя хром в твердом растворе.
Стали, не склонные к межкристаллитной коррозии, называются стабилизированными. Эффект стабилизации может быть достигнут, помимо введения сильных карбидообразующих элементов, уменьшением содержания углерода ниже 0,04 %.
Пассивации хромоникелевых аустенитных сталей способствует введение 0,5…1,5 % Мо. Добавка таких количеств молибдена в сталь 12Х18Н10Т делает ее стойкой к точечной коррозии в морской воде.
Таблица 12
Состав и свойства закаленных коррозионностойких сталей
аустенитного класса
| Сталь | Содержание, % | Механические свойства | ||||||
| C | Cr | Ni | Mn | Ti | Прочие | σв, МПа | δ, % | |
| 04Х18Н10 | <0,04 | 17-19 | 9-11 | - | - | - | ||
| 08Х18Н10 | <0,08 | 17-19 | 9-11 | - | - | - | ||
| 12Х18Н10Т | <0,12 | 17-19 | 9-11 | - | 0,7 | - | ||
| 17Х18Н9 | 0,13-0,21 | 17-19 | 8-10 | - | - | - | ||
| 10Х17Н13М2Т | <0,1 | 16-18 | 12-14 | - | 0,3-0,6 | 1,8-2,5 Мо | ||
| 10Х14Г14Н4Т | <0,1 | 11-13 | 2,8-4,5 | 13-15 | 0,6 | - | ||
| 12Х17Г9АН4 | <0,12 | 16-18 | 3,5-4,5 | 8-10,5 | - | 0,15-0,25 N |
В холодильной и криогенной технике они используются для изготовления сосудов для хранения жидких газов, корпусов, адсорберов ацетилена, деталей центробежных машин.
Хромоникелевые коррозионностойкие стали содержат дефицитный и дорогостоящий никель и поэтому имеют высокую стоимость. В ряде случаев применяют более дешевые стали, в которых часть или весь никель заменены марганцем. До температур –196 °С вместо стали 10Х18Н10Т может быть использована сталь 10Х14Г14Н4Т.
Также в целях экономии никеля промышленность выпускает двухслойные стали, в которых в основном слое использованы низколегированные или углеродистые стали, а в плакирующем слое – хромоникелевые коррозионностойкие стали и цветные металлы.
С помощью атомов внедрения (углерода и азота), располагающихся в междоузлиях решетки, можно существенно увеличить прочностные свойства аустенитных сталей. Учитывая отрицательное влияние углерода на коррозионную стойкость, увеличение его содержания нецелесообразно. В отожженном и закаленном состояниях концентрация азота в хромоникелевых аустенитных сталях может быть доведена до 0,4 %, а при выплавке стали под давлением – до 1,0 %. При этом предел текучести при комнатной температуре может возрасти до 500 МПа, а временное сопротивление – до 1000 МПа. Азот повышает стабильность аустенита, поэтому для увеличения коррозионной стойкости можно использовать более высокие концентрации хрома и молибдена, не увеличивая склонность стали к выделению интерметаллидных фаз. Примером может служить сталь 03Х20Н16АГ6, используемая в криогенной технике.
Несмотря на высокую коррозионную стойкость нержавеющих сталей для обеспечения долговечности оборудования, изготовленного из них, необходимо выполнять следующие требования:
- не допускать контакта разнородных металлов (а в случае конструктивной необходимости такого контакта разъединять металлы изолирующими прокладками);
- аппараты не должны иметь острых углов, щелей, труднодоступных углублений, способствующих оседанию твердых частиц и застаиванию сред; по этой же причине следует избегать нахлесточных сварных соединений;
- избегать контакта аппаратов, трубопроводов, запорной арматуры из нержавеющих сталей с асбестом, войлоком, бетоном, деревом, а также другими пористыми материалами, имеющими свойство впитывать среды.
Порядок выполнения работы
1. Изучить микроструктуры коррозионностойких сталей различных структурных классов.
2. Зарисовать их схемы, указав увеличение микроскопа.
3. Для каждой марки стали указать структурные составляющие, химический состав, режимы термообработки, механические свойства и применение. Варианты индивидуального задания представлены в табл. 13.
содержание отчета
В отчет необходимо включить ответы на контрольные вопросы, схемы микроструктур коррозионностойких сталей, их состав, режимы термообработки, применение изучаемых сталей.
Таблица 13.
Варианты индивидуального задания
| № п/п | Марка стали |
| 08Х13 | |
| 20Х13 | |
| 30Х13 | |
| 40Х13 | |
| 10Х14АГ15 | |
| 12Х17 | |
| 95Х18 | |
| 12Х13 | |
| 04Х18Н10 | |
| 08Х18Н10 | |
| 12Х18Н10Т | |
| 17Х18Н9 | |
| 10Х17Н13М27 | |
| 10Х14Г14Н4Т | |
| 25Х13Н2 | |
| 08Х17Н13М2Т | |
| 14Х17Н2 | |
| 08Х18Г8Н2Т | |
| 08Х22Н6Г |
Контрольные вопросы
1. В чем причина повышения устойчивость стали против коррозии при легировании ее некоторыми легирующими элементами?
2. Какое минимальное содержание хрома (%) резко повышает коррозионную устойчивость сталей?
3. Назовите легирующие элементы, повышающие коррозионную устойчивость сталей?
4. Какую структуру после охлаждения на воздухе могут иметь коррозионностойкие стали?
5. Каков режим термической обработки ферритных хромистых коррозионностойких сталей?
6. Где применяются ферритные хромистые коррозионностойкие стали?
7. Каков режим термической обработки мартенситных хромистых коррозионностойких сталей?
8. Где применяются мартенситные хромистые коррозионностойкие стали?
9. Каков режим термической обработки мартенситно-ферритных хромистых коррозионностойких сталей?
10. Где применяются мартенситно-ферритные хромистые коррозионностойкие стали?
11. Какую структуру после охлаждения на воздухе могут иметь хромоникелевые коррозионностойкие стали?
12. Каков режим термической обработки хромоникелевых аустенитных коррозионностойких сталей?
13. Почему в хромоникелевых аустенитных коррозионностойких сталях ограничено количество углерода?
14. Какому виду коррозии подвержены коррозионностойкие стали?
15. Какие коррозионностойкие стали называют стабилизированными?
16. Как достигается эффект стабилизации коррозионностойких сталей?
17. Какой легирующий элемент вместо никеля добавляют в коррозионные стали для снижения их стоимости?
18. Где применяют хромоникелевые коррозионностойкие стали?
19. Какие технологические требования необходимо выполнять при эксплуатации оборудования из коррозионностойких сталей?