Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали (ГОСТ 5632–72) –это стали, устойчивые против электрохимической коррозии. Составы таких сталей выбирают в зависимости от среды, для работы в которой они предназначаются.

Принцип минимально необходимого легирования может быть использован при выборе коррозионно-стойких, жаростойких, жаропрочных и иных специальных сталей и сплавов, однако в каждом конкретном случае в него вкладывается соответствующий смысл: для коррозионно-стойких сталей; сумма легирующих элементов Σ ≥ 13 % Cr + n % ( Cr + Ni + Mo ), где величина коэффициента n зависит от интенсивности коррозионного воздействия.

Коррозионно-стойкие стали подразделяют на два основных структурных класса: хромистые (имеющие после охлаждения на воздухе ферритную, мартенситно-ферритную (феррита более 10 %) или мартенситную структуру)
и хромоникелевые (легированные комплексами Сг + Ni, Сг + Ni + Мn,
Сг + Мn + Ni, имеющие аустенитную, аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную (феррита более 10 %) структуру).

Стали ферритного, мартенситного и мартенситно-ферритного классов. При введении в сталь 12¸14 % Сг её электрохимиче­ский потенциал становится положительным и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосфере, морской (пресной) воде, ряде слабых растворов кислот, солей и щелочей. Более широко применяют хромистые стали 12Х13, 20X13, 30X13 и 40X13, содержащие 0,12¸0,4 % С и 12¸14 % Сг, и низкоуглеродистые (≤0,12¸0,15 % С) стали 12Х17 и 15X28 с 17 и 28 % Сг (табл. 4.6).

Таблица 4.6

Режимы термической обработки и механические свойства
хромистых нержавеющих сталей

 

Марка стали	Температура, °С		Механические свойства
	закалки	отпуска	твёрдость HRС	σв кгс/мм2	σ0,2, кгс/мм2	δ, %	ψ, %	KCU, МДж/м2
12X13	1000	700	―	60	40	20	60	90
2X13	1050	700	―	85	65	10	50	60
3X13	1050	250	40	160	130	―	—	—
4X13	1050	200	50	―	—	—	—	―
12X17	1050	750	—	45	30	15¸25	40¸50	2¸5
08X17Т
14Х17Н2	1050	300	—	100	90	10	35	5
15Х25Т 15X28	1050	750	—	45	30	20	45	—

Структурная диаграмма системы Fе–С–Сг (равновесное состояние) и составы некоторых хромистых коррозионно-стойких сталей приведены на рис. 4.11.

 

 

Рис. 4.11. Структурная диаграмма системы Fе–Сг–С и составы коррозионно-стойких сталей (заштрихованные участки):
1– ферритные; 2 – полуферритные;
3 –ледебуритные; 4 – эаэвтектоидные; 5 – доэвтектоидные

 

   

 

Сталь 12X13 в равновесном состоянии относится к полуферритным, а после закалки в масле или на воздухе с высоких температур имеет структуру мартенсита и феррита (ферритно-мартенситная сталь). Стали 20X13 и 30Х13 в равновесном состоянии доэвтектоидные, а сталь 40X13 – эвтектоидная. Они испытывают полное γ ↔ α превращение. После охлаждения на воздухе стали 20X13, 30X13 и 40X13 имеют структуру мартенсита, т. е. относятся к мартенситному классу.

Стали обладают лучшей стойкостью против коррозии только при условии, что всё содержание хрома в стали приходится на долю твёрдого раствора. В этом случае он образует на поверхности плотную защитную оксидную пленку типа (Сг, Fе)₂С. Повышение содержания углерода, приводящее к образованию карбидов, создает двухфазную структуру, уменьшает количество хрома в твёрдом растворе и поэтому понижает коррозионную стойкость стали и увеличивает хрупкость.

Коррозионная стойкость стали повышается термической обработкой: закалкой и высоким отпуском и созданием шлифованной и полированной поверхности.

Стали 12X13 и 20X13 применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие слабоагрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот и т. д.). Их подвергают закалке в масле от 1000¸1100 °С и высокому отпуску при 700¸775 °С, после чего карбиды присутствуют в виде более крупных частиц. Свойства сталей 12X13 и 20X13 после такой термообработки: σ_в = 600¸660 МПа, σ_0,2 = 420¸450 МПа, δ = 16¸20%, ψ = 55¸60 % и
КСU = 80¸90 Дж/см². Применение более низкого отпуска, создающего мелкие карбидные частицы, усиливает коррозию.

Стали 30X13 и 40X13 после закалки от температуры 1000¸1050 °С и отпуска при температурах 180¸200 °С применяют для изготовления карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т.д. После такого отпуска они сохраняют мартенситную структуру, высокую твердость (50¸60 НRС) и достаточную устойчивость про­тив коррозии.

Более высокой коррозионной стойкостью обладают низкоуглеродистые высокохромистые стали ферритного класса: 12X17, 15Х25Т и 15X28 (рис. 4.11). Сталь  12X17 применяют обычно после рекристаллизационного отжига при 760¸780 °С. Из этой стали изготовляют оборудование для заводов пищевой и легкой промышленности и кухонную утварь. Сварку этой стали следует избегать, так как зоны, прилегающие к сварному шву, имеют крупное зерно, низкую пластичность и относительно невысокую коррозионную стойкость.

Стали 15Х25Т и 15X28 используют чаще без термической об­работки для изготовления сварных деталей, работающих в более агрессивных средах и не подвергающихся действию ударных нагрузок, при температуре эксплуатации не ниже –20 °С. Эти стали обладают крупнозернистостью в литом виде и склонны к сильному росту зерна при нагреве свыше 850 °С (например, при сварке), что сопровождается охрупчиванием стали. Измель­чить зерно и повысить пластичность термической обработки нельзя, так как стали не претерпевают γ→α превращения; сварные конструкции из стали 15X28 склонны к межкристаллитной коррозии. Углерод и азот способствуют охрупчиванию стали (повышают порог хладноломкости) и являются причиной межкристаллитной коррозии.

Этот вид коррозии связан с обеднением твёрдого раствора хро­мом в местах, прилегающих к границам зерна, в результате об­разования карбидов хрома. Для повышения сопротивления межкристаллитной коррозии и измельчения зерна сталь легируют титаном в количестве, не менее пятикратного содержания углерода (15Х25Т). Титан связывает углерод и исключает возможность об­разования карбидов хрома, а следовательно, обеднение хромом феррита. Ферритные стали,  содержащие  25¸30 % Сг,  охрупчиваются  при  длительном  нагреве  до 450¸500 °С вследствие образо­вания выделений σ-фазы.

Стали аустенитного класса. Эти стали, обычно легированные хромом и никелем (или марганцем), после охлаж­дения до нормальной температуры имеют аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую пластичность и  коррозионную стойкость в окислительных средах. Стали парамагнитны.

Широко распространённые коррозионно-стойкие стали аустенитного класса 12Х18Н9, 12Х18Н10 содержат соответственно 0,12 % С, 17¸19 % Сг, 9¸10 % Ni. После медленного охлаждения стали имеют структуру: аустенит, феррит и карбиды хрома М₂₃С₆. Для получения чисто аустенитной структуры, обладающей высокой коррозионной стойкостью, стали нагревают обычно до 1100¸1150 °С (для растворения карбидов) и закаливают в воде (на воздухе). Сталь 12Х18Н9 обычно применяют в виде холоднокатаного листа или ленты. В процессе холодной пластической деформации сталь легко наклёпывается. Временное сопротивление после холодной деформации (60¸70 % ) может быть повышено до 1200¸1300 МПа, при этом относительное удлинение снижается до 4¸5 %. Упрочнение в процессе холодной деформации связано с наклёпом и протеканием мартенситного превращения. Чем менее стабилен аустенит, тем интенсивнее при холодной деформации происходит превращение аустенита в мартенсит (мартенсит деформации).

Стали хорошо свариваются точечной сваркой и штампуются. При нагреве закалённых до 550¸750 °С сталей, например сварке, они охрупчиваются и приобретают склонность к межкристаллитной коррозии. Это связано с тем, что в пограничных зонах выделяются карбиды хрома М₂₃С₆ и происходит обеднение этих зон аустенита хромом ниже того предела (т. е. 12 %), который обеспечивает коррозионную стойкость. Для уменьшения склонности к межкристаллитной коррозии в состав сталей вводят титан (реже ниобий) в количестве (5С –0,7), где С – содержание углерода в стали, % (12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т). В этом случае образуется карбид МС (ТiС, NbС), связывающий весь углерод, а хром остаётся в растворе. Для повышения стабильности аустенита количество никеля в этих сталях увеличивают до 10¸12 %. Сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение для работы в окислительных средах (например, азотной кислоте). Высокое сопротивление межкристаллитной коррозии, хорошая пластичность и свариваемость имеют низкоуглеродистые аустенитные стали 04Х18Н10 и 03Х18Н12.

Аустенитные стали 12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 17Х18Н9 подверга­ют закалке в воде от температур 1100¸1130 °С для получения следующих свойств: σ_в =
=520¸600 МПа, σ_0,2 = 200¸230 МПа, δ ≈ 50 % и ψ ≈ 50¸60 %. Эти стали хорошо свариваются и штампу­ются; их применяют для изготовления деталей сварной аппара­туры.

Для работы в азотной кислоте и других сильно агрессивных средах при повышенных температурах используют стали с низким содержанием углерода: 08Х18Н10Т, 04Х18Н10, 03Х18Н12.

С целью удешевления сталей часть никеля заменяют марган­цем. Стали 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9Н4 применяют для изготовле­ния изделий, работающих в слабо агрессивных средах (органи­ческих кислотах, солях, щелочах). Устойчивость против корро­зии в органических кислотах, серной кислоте и морской воде повышает молибден, например, в сталях 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М3Т.

Для изготовления наиболее нагруженных конструкций приме­няют аустенитно-мартенситные стали, например, 09Х15Н8Ю. Эту сталь подвергают закалке от температуры 975 °С, обработке холо­дом (в интервале температур –50 ¸ –75 °С) и старению при темпе­ратуре 430 ¸ 500 °С. Свойства стали: σ_в ≈ 1200 МПа, σ_0,2 ≈ 950 МПа, КС ≈ 400 Дж/см².

Для сварных конструкций, стойких против действия горячей (до 80 °С) серной кислоты, применяют сталь 06Х25Н28МДТ и более прочную сталь 0Х16Н40М5Д3Т3Ю. Последняя после закал­ки от температуры 1100 ° С на воздухе и старения  при  температуре  650 °С  имеет  σ_в ≈ 1200 МПа,  σ₀,₂ ≈ 650 МПа, δ ≈ 18 % и ψ ≈ 25%.

Для облегчения определения фазового состава сталей сущест­вуют структурные диаграммы, из которых наиболее распространен­ной является диаграмма А. Шеффлера, построенная вначале для ме­талла сварных швов (рис. 4.12).

 

Рис. 4.12. Структурная диаграмма для нержавеющих, литых хромоникелевых сталей
(А. Шеффлер)

По линиям, приведенным на рисун­ке, подсчитываются эквиваленты, которые учитывают аустенитообразующее и ферритообразующее действие различных элементов. Аустенитообразующее действие сравнивается с никелем, а феррито­образующее – с хромом. Подсчет эквивалентов (Е _Ni и Е _Cr ) позволяет получить точку на диаграмме, попадающую в ту или иную фазовую область:

Е _Ni = % Ni + 30 % C+ 0,5 % Mn;

Е _Cr = % Cr + % Mo+ 1,5 % Si + 0,5 % Nb.

Например, требуется оценить фазовый состав стали 20Х13Н4Г9. Для неё

Е _Cr =13 %;

Е _Ni = % Ni + 30 % C +0,5 % Mn = 4 + 30 ·0,2 + 0,5 · 9 = 14,5.

 C помощью рис. 4.12 определим, что сталь относится к аустенитно-мартенситному классу.

⇐ Предыдущая20212223242526272829Следующая ⇒

Поделиться: