Согласно экспертным оценкам, в течение года потери металла от коррозионных явлений в различных отраслях составляют до 30% от производимого в России металлопроката. Особенно велики такие потери для деталей трубопроводов и внешних металлоконструкций. Антикоррозионная защита стальных деталей путём их окраски или нанесения поверхностного защитного покрытия не всегда эффективна. Именно поэтому спрос на специальные нержавеющие стали всегда устойчив.
Виды и классификация нержавеющих сталей
Характерная особенность всех видов нержавеющей стали – наличие в их химическом составе значительного процента хрома . Специальные требования к рассматриваемой категории сталей оговариваются сразу несколькими стандартами:
Кроме того, коррозиестойкую сталь выпускают также по нескольким отраслевым стандартам и ТУ.
Обрабатываемость
Поскольку практически весь производимый металлопрокат в дальнейшем подвергается пластическому деформированию, наиболее объективной считается классификация нержавеющих сталей по их структуре.
Различают нержавеющие стали:
- Мартенситного класса , отличительной особенностью которых является содержание углерода в пределах 0,15…0,45%;
- Мартенситно-ферритного класса , которые содержат углерод в количестве не более 0,15%;
- Ферритного класса , с содержанием углерода не более 0,1…0,15% и отсутствием никеля в своём составе;
- Аустенитного класса (они, в свою очередь, имеют ещё несколько подклассов), отличительной особенностью которых считается увеличенное содержание легирующих элементов. В частности, в такие стали дополнительно вводятся вольфрам и молибден, а иногда – ещё титан и алюминий.
Разнообразие структур предопределяет различные требования к обработке нержавеющих сталей и свойствам изготовленных из них деталей.
Стали ферритного класса
К такому типу относятся нержавеющие стали 08Х13, 08Х13Т1, 10Х13СЮ и им подобные . Отличительная особенность таких сталей — заметная потеря прочностных показателей уже при сравнительно невысоких температурах (до 300…400 0 С). Это облегчает деформируемость, поскольку во многих случаях штамповку можно проводить с холодном или полугорячем состоянии. При этом возможно получение поковок и штамповок с довольно сложной конфигурацией при относительно невысоких удельных усилиях и энергозатратах.
Особенно хорошо деформируются нержавеющие стали с пониженным процентным содержанием никеля, например 12Х13. При резке они образуют чистый срез и не налипают на рабочий инструмент. Однако листовую штамповку таких сталей можно прожить только в отожженном состоянии, поскольку при значительных степенях деформации они упрочняются, и могут, например, в процессе вытяжки без межоперационного отжига, разрушиться. Нержавеющие стали ферритного класса хорошо обрабатываются и в объёмных профилях – проволоке или прутке.
Для обеспечения высокого качества готовых изделий из нержавеющих сталей ферритного класса следуют правилу: с повышением процентного содержания углерода процент хрома должен пропорционально уменьшаться. При этих условиях обработка сталей рассматриваемой группы обычно проблем не вызывает.
Стали мартенситно-ферритного класса
В эту группу входят нержавеющие стали марок 12Х13, 14Х17Н2, 15Х12ВНМФ и т.д.
Они характеризуются повышенным содержанием углерода и, следовательно, снижением общей штампуемости. Такие стали способны сохранять свою прочность до температур 500 0 С
и даже более, поэтому холодная пластическая деформация проката успешна лишь для деталей простой формы. Листовые материалы из сталей рассматриваемого типа в холодном состоянии удовлетворительно поддаются вырубке и пробивке
. В то же время для совершения гибки, формовки и вытяжки исходные заготовки придётся нагревать
. Это не ухудшает их качества, но увеличивает себестоимость производства.
Особенностью технологии обработки нержавеющих сталей мартенситно-ферритного класса является необходимость в снижении трения при штамповке или механической обработке. Проблема решается введением дополнительных операций, которые заключаются в нанесении на поверхность исходных заготовок специальных покрытий, уменьшающих коэффициент трения при сложном формоизменении. Наиболее эффективно оксалатирование – покрытие поверхности солями щавелевой кислоты. Такое покрытие чаще применяют в технологиях объёмной штамповки.
Стали мартенситного класса
Типичные представители сталей указанной группы – 20Х12ВНМФ, 25Х13Н2, 40Х9С2 . Содержание хрома в них достигает 13…14% , что негативно сказывается на последующей обрабатываемости проката , как листового, так и профильного. Требуемых по технологии показателей штампуемости нержавеющие стали мартенситного класса достигают лишь при нагреве до температур не ниже 800 0 С. При этом нагрев заготовок ведут в печах с пониженным содержанием кислорода, либо вообще в среде инертных газов, поскольку антикоррозионная способность таких сталей сохраняется на должном уровне лишь до 750…850 0 С.
Поскольку предварительный отжиг таких сталей сокращает время нагрева в печах под последующую штамповку (без ухудшения качества поверхности металла), то к механической обработке обычно допускают прокат в ненагартованном состоянии. Увеличение процентного содержания никеля при этом благоприятно влияет на штампуемость , а увеличение процента кремния – снижает её .
Стали этого класса получили наиболее широкое распространение в промышленности и строительства.
В частности, удовлетворительная свариваемость позволяет использовать детали из нержавеющих мартенситных сталей при прокладке крупных трубопроводов. В то же время достаточные прочностные показатели обеспечивают готовым изделиям хорошую долговечность при значительных внешних нагрузках (особенно при наличии вибраций).
Стали аустенитного класса
К ним относят аустенитные (08Х17Н13М2Т, 20Х25Н20С2, 45Х14Н14В2М и т.п.) , аустенитно-ферритные (12Х21Н5Т, 20Х20Н14С2 и т.п.) , а также аустенитно-мартенситные (09Х15Н8Ю, 20Х13Н4Г9 и т.п.) стали.
Обработка таких сталей, из-за значительного содержания легирующих элементов, выполняется только в горячем состоянии. Помимо высокой прочности, которая сохраняется и при повышенных температурах, такие стали отличаются:
- Отсутствием процессов фазовой перекристаллизации , которая положительно влияет на пластичность;
- Низкой теплопроводностью , повышающей требования к технологии нагрева заготовок;
- Наличием гетерогенной структуры , которая имеет существенную неоднородность;
- Склонностью к росту зерна при нагреве , что отрицательно сказывается на пластичности:
- Требовательностью к точному соблюдению режимов нагрева (температурные отклонения свыше 50 0 С не допускаются).
Перед предварительной проковкой заготовки проходят контроль макроструктуры, в ходе которого устанавливаются возможные дефекты структуры (неметаллические включения, пустоты, заполненные азотом, наличие хрупких составляющих в растворе аустенита и т.д.). Поэтому нержавеющие стали аустенитного класса чаще производятся по технологии электрошлакового переплава.
Горячую обработку давлением таких сталей ведут при температурах 1050…1250 0 С (с увеличением процентного содержания углерода и легирующих компонентов температура увеличивается). Обращается внимание также на предельные значения степени деформации за одну проковку, которая не должна превышать 30…50%.
Рациональные области применения и способы проверки стойкости
Для верного выбора марки такой стали необходимо знать условия, в которых будет эксплуатироваться деталь
, изготовленная из неё. В частности, выбор предопределяется:
- Постоянным наличием коррозионно активной среды – воды при повышенной температуре от 200 0 С и выше, водносолевых растворов, водных паров и т.д.
- Электрохимической коррозией , которую вызывают блуждающие токи.
- Наличия знакопеременных нагрузок при эксплуатации изделия.
- Контактом со стерильными, пищевыми или химически чистыми веществами .
С ужесточением всех вышеперечисленных требований предпочтение отдают нержавеющим сталям с увеличенным процентным содержанием хрома, титана, молибдена никеля. При этом непосредственно на коррозионную стойкость влияет хром. Молибден, ванадий и никель обеспечивают механическую прочность изделия, а титан и алюминий снижают вес металлоконструкции.
При длительной эксплуатации все изделия, изготовленные из нержавеющих сталей, периодически подвергают неразрушающему контролю. В его ходе устанавливается наличие возможных точечных пятен поверхностной коррозии, а по изменению удельного электросопротивления – начало межзёренной и/или междукристаллитной коррозии.
9.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ
Высоколегированные аустенитные стали имеют повышенное содержание основных легирующих элементов - хрома и никеля (обычно не ниже 16 и 7 % соответственно), придающих им соответствующую структуру и необходимые свойства (табл. 9.1). Для сокращения высоколегированные стали можно обозначать в соответствии с содержанием основных легирующих элементов цифрами, например 18-8, 25-20 и др. Первая цифра обозначает содержание хрома, вторая - никеля.
Никель - дефицитный и дорогой легирующий элемент и поэтому в тех случаях, когда условия работы конструкции позволяют, используют стали с пониженным его содержанием или безникелевые хромистые стали. В сплавах на железоникелевой основе содержание никеля еще выше, чем в хромоникелевых сталях. В никелевых сплавах никель служит основой, а железо - легирующей присадкой. Эти сплавы благодаря своим свойствам находят применение в ответственных конструкциях, работающих в сложных и специфических условиях.
Высоколегированные стали и сплавы по сравнению с менее легированными обладают высокой хладостойкостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и жаростойкостью. Эти важнейшие материалы для химического, нефтяного, энергетического машиностроения и ряда других отраслей промышленности используют при изготовлении конструкций, работающих в широком диапазоне температур: от отрицательных до положительных. Несмотря на общие высокие свойства высоколегированных сталей, соответствующий подбор состава легирования определяет их основное служебное назначение. В соответствии с этим их можно разделить на три группы: коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие (окалиностойкие). Благодаря их высоким механическим свойствам при отрицательных температурах высоколегированные стали и сплавы применяют в ряде случаев и как хладостойкие.
9.1. Состав некоторых марок высоколегированных аустенитных и
аустенитно-ферритных сталей и сплавов по ГОСТ 5632-72 (в ред. 1989 г.),
применяемых для изготовления сварных конструкции, %
Коррозионно-стойкие стали при соответствующем легировании и термообработке обладают высокой коррозионной стойкостью при комнатных и повышенных до 800 °С температурах как в атмосферной и газовой среде, так и в чистых и водных растворах кислот и щелочей, жидко-металлических средах и т.д. Характерное отличие этих сталей - пониженное содержание углерода, обычно не превышающее 0,12 %, оказывающее решающее влияние на стойкость их к межкристаллитной коррозии (МКК). Благодаря этим свойствам их используют при изготовлении трубопроводов и аппаратов для химической и нефтяной промышленности.
Жаропрочные стали и сплавы обладают высокими механическими свойствами при повышенных температурах и способностью сохранять их в данных условиях в течение длительного времени. Для придания этих свойств сталям и сплавам их обычно легируют элементами-упрочни-телями молибденом и вольфрамом (до 7 % каждого). Важной легирующей присадкой, вводимой в некоторые стали и сплавы, является бор. В ряде случаев к этим металлам предъявляется требование и высокой жаростойкости.
Одна из основных областей применения этих сталей - энергетическое машиностроение (трубопроводы, детали и корпуса газовых и паровых турбин и т.д.), где рабочие температуры достигают 750 °С и выше. Жаростойкие стали и сплавы обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах до 1100 ... 1150 °С. Обычно их используют для деталей слабонагруженных (нагревательные элементы, печная арматура, газопроводные системы и т.д.). Высокая окалиностойкость этих сталей и сплавов достигается легированием их алюминием (до 2,5 %) и вольфрамом (до 7 %). Эти легирующие элементы и кремний способствуют созданию прочных и плотных оксидов на поверхности деталей, предохраняющих металл от непосредственного контакта с газовой средой.
После соответствующей термообработки высоколегированные стали и сплавы обладают высокими прочностными и пластическими свойствами (табл. 9.2). В отличие от углеродистых при закалке эти стали приобретают повышенные пластические свойства. Структуры высоколегированных сталей очень разнообразны и зависят в основном от их химического состава, т.е. содержания основных элементов: хрома (ферритизатора) и никеля (аустенитизатора). На структуру влияет также содержание и других легирующих элементов-ферритизаторов (Si, Mo, Ti, Al, Nb, W, V) и аустенитизаторов (С, Co, Ni, Cu, Nb, B).
СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ
9.2. Механические свойства некоторых марок
высоколегированных аустенитных и аустенитно-ферритных сталей и сплавов
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
Для приближенного определения характера структуры обычно пользуются диаграммой Шеффлера, предварительно подсчитав эквивалентные содержания никеля и хрома. На структуру этих сталей оказывает влияние также термообработка, пластическая деформация и другие факторы. Поэтому положение фазовых областей на диаграммах состояния определено в виде псевдобинарных разрезов тройных систем, обычно Fe-Cr-Ni с углеродом.
Рассмотрим фазовые области для одной из таких систем (штриховая линия на рис. 9.1) при содержании 0,05 % С. При очень медленном охлаждении и затвердевании (точка / на линии ликвидус) из расплава вначале начинают выпадать кристаллы хромоникелевого феррита, имеющего решетку 6-железа, а по мере охлаждения - и кристаллы хромоникелевого аустенита, имеющего решетку γ-железа. После затвердевания всего расплава (температура ниже точки 2 на линии солидус) сталь имеет аусте-нитно-ферритную структуру. При дальнейшем охлаждении в точке 3 происходит превращение δ → γ , и сталь приобретает аустенитную структуру.
Рис. 9.1. Псевдобинарная диаграмма состояния в зависимости от содержания углерода для сплава 18 % Сг, 8 % Ni, 74 % Fe
СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ
Углерод в аустенитно-ферритной и аустенитной сталях при температурах выше линии SE (выше точки 4) находится в твердом растворе в виде фаз внедрения. Медленное охлаждение стали ниже точки 4 приводит к выделению углерода из твердого раствора в виде химического соединения - карбидов хрома типа Сr 23 С 6 , располагающихся преимущественно по границам зерен. Дальнейшее охлаждение ниже точки 5 способствует выпадению по границам зерен вторичного феррита. Таким образом, сталь при медленном охлаждении при комнатной температуре имеет аустенитную структуру со вторичными карбидами и ферритом.
В зависимости от скорости охлаждения с температур, лежащих выше линии SE, углерод частично или полностью выделяется из твердого раствора в виде карбидов. Этот процесс оказывает решающее влияние на свойства сталей. При быстром охлаждении (закалке) распад твердого раствора не успевает произойти, и аустенит фиксируется в пересыщенном и неустойчивом состоянии. Количество выпавших карбидов хрома, помимо скорости охлаждения, зависит и от количества углерода в стали. При его содержании менее 0,02 ... 0,03 %, т.е. ниже предела его растворимости в аустените, весь углерод остается в твердом растворе.
Ускоренное охлаждение стали в некоторых композициях ау-стенитных сталей может привести к фиксации в их структуре первичного 5-феррита, в некоторых случаях необходимого с точки зрения предупреждения горячих трещин. Холодная деформация, в том числе и наклеп закаленной стали, в которой аустенит зафиксирован в неустойчивом состоянии, способствует превращению γ → α. Феррит, располагаясь тонкими прослойками по границам аустенитных зерен, блокирует плоскости скольжения и упрочняет сталь (рис. 9.2). Упрочнение стали тем выше, чем ниже температура деформации. Обычно тонколистовые хромонике-левые стали в состоянии поставки имеют повышенные прочностные и пониженные пластические свойства. Это объясняется их повышенной деформацией при прокатке и пониженной температурой окончания прокатки.
Если сталь, в которой не произошло выпадения карбидов и углерод зафиксирован в твердом растворе, медленно нагревать, подвижность атомов увеличивается. В соответствии с этим увеличивается и способность их к диффузии и восстановлению равновесия в твердом растворе, в котором аустенит зафиксирован в перенасыщенном и неустойчивом состоянии, что приводит к образованию и выделению карбидов из перенасыщенного твердого раствора. Этот процесс начинается при температуре 400 ... 500 °С, но вследствие малой скорости диффузии идет медленно с образованием карбидов преимущественно по границам зерен.
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
Рис. 9.2. Изменение механических свойств
хромоникелевой стали (18 % Сг; 8 % Ni; 0,17 % С)
в зависимости от степени холодной деформации (обжатия)
Вследствие того что скорость диффузии хрома значительно ниже, чем углерода, связываемый в карбид хром извлекается из ближайших к границе областей зерна, т.е. происходит местное обеднение твердого раствора хромом. При работе в коррозионной среде эти участки зерна растворяются, что приводит к нарушению связи между отдельными зернами. Этот процесс называется межкристаллитной коррозией (МКК).
При температурах 600 ... 700 °С скорость диффузии более высокая и образование карбидов идет быстрее, в большем количестве и более крупных. При температуре 800 ... 900 °С карбиды образуются еще быстрее и коагулируют. Ввиду достаточно высокой скорости диффузии хром, связываемый в карбид, извлекается из более глубоких областей зерна, и местное обеднение границ зерна хромом уменьшается. При температурах выше 900 °С (выше температур линии SE) наряду с коагуляцией карбидов начинается обратный процесс их растворения с переходом углерода в твердый раствор и образованием однородной массы аустенита. Быстрое охлаждение этой стали (закалка) опять фиксирует структуру аустенита в
СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ
перенасыщенном и неустойчивом состоянии с углеродом, находящимся в твердом растворе. Как видно из рис. 9.1, температура закалки для получения подобной структуры (линия SE) тем выше, чем больше содержание углерода в стали. Подобная термообработка называется закалкой на гомогенный твердый раствор (аустенитизация) и для сталей типа 18-8 проводится с температур 1050 ... 1100 °С.
Межкристаллитная коррозия вызывается местным обеднением хромом металла зерна возле границы, вследствие более низкой скорости диффузии хрома по сравнению с углеродом, при температурах ниже 900 °С. Однако если сталь при этих температурах выдерживать достаточно длительное время, несмотря на малую скорость диффузии хрома, его концентрация по объему зерна (периферийная и центральная) будет выравниваться и склонность стали к МКК уменьшится. Такая термообработка называется стабилизирующим отжигом. Его проводят обычно при температуре 850 ... 900 СС в течение 2 ... 3 ч.
В целом зависимость МКК от времени и температуры можно представить схемой на рис. 9.3. Левая ветвь схемы (кривая /) показывает тем-пературно-временные условия появления в швах склонности к МКК. При температурах до 650 °С скорость образования карбидов хрома возрастает при небольшой скорости диффузии хрома. В результате время выдержки металла при рассматриваемой температуре до появления МКК сокращается и при температуре 650 °С (t кр) может достигать нескольких минут.
Рис. 9.3. Зависимость появления склонности к МКК металла швов на аустенитной стали" от температуры и времени
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
Повышение температуры, увеличивая скорость диффузии хрома, уменьшает местное обеднение границ зерен хромом и склонность швов к МКК. Выдержка стали в рассматриваемом интервале температур в течение?им и более, приводя к диффузионному выравниванию содержания хрома по объему зерна, способствует приобретению металлом повторной стойкости к МКК (кривая 2). Уменьшение в стали содержания углерода, легирование ее более сильными, чем хром, карбидообразователями (титан, ниобий и др.) сдвигает вправо кривую / начала появления склонности металла к МКК. Процессы, протекающие при образовании карбидов, влияют не только на появление такой склонности, но и сильно изменяют механические свойства сталей при комнатных и высоких температурах.
Изменение в стали содержания легирующих элементов влияет на положение фазовых областей. Основными легирующими элементами в рассматриваемых сталях служат хром и никель. В зависимости от их соотношения стали иногда разделяют на стали с малым (% Ni / % Сг ≤ 1) и большим запасом аустенитности (% Ni / % Сг > 1).
Титан, ниобий, вольфрам и ванадий - карбидообразователи. Поэтому в стали могут образовываться не только карбиды хрома, но и карбиды этих элементов (TiC, NbC, VC). При определенных содержаниях весь свободный, выше предела его растворимости (0,02 %), углерод может выделиться не в виде карбидов хрома, а в виде карбидов титана или ниобия. Выпадение карбидов повышает прочностные и понижает пластические свойства сталей.
Упрочнение, связанное с выделением карбидов, зависит от степени дисперсности - оно увеличивается с уменьшением размеров карбидов. Это свойство карбидов используют для дисперсионного упрочнения жаропрочных сталей, проводимого обычно в комплексе с интерметаллид-ным упрочнением [упрочняющие частицы-интерметаллиды Ni 3 Ti, Ni 3 (Al, Ti), Fe 2 W и др.]. К интерметаллидным соединениям относят и а-фазу, которая образуется в хромоникелевых сталях при длительном нагреве или медленном охлаждении при температурах ниже 900 ... 950 °С. Она обладает ограниченной растворимостью в α- и γ-твердых растворах и, выделяясь преимущественно по границам зерен, резко снижает пластические свойства и ударную вязкость металла.
Повышенные концентрации в стали хрома (16 ... 25 %) и элементов, способствующих образованию феррита (молибдена, кремния и др.), вы-
зывают образование при температурах 700 ... 850 °С а-фазы. Выделение этой фазы происходит преимущественно с образованием промежуточной фазы феррита (γ → α → σ) или преобразованием 5-феррита (δ → σ). Однако возможно ее выделение и непосредственно из твердого раствора (γ → σ). Холодная деформация, приводя к появлению дополнительных плоскостей сдвига, увеличивает количество выделившейся σ-фазы. Выделение σ-фазы резко снижает служебные характеристики жаропрочных и жаростойких сталей.
9.2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ
Свариваемость рассматриваемых сталей и сплавов затрудняется многокомпонентностью их легирования и разнообразием условий эксплуатации сварных конструкций (коррозионная стойкость, жаростойкость или жаропрочность). Общей сложностью сварки является предупреждение образования в шве и околошовной зоне кристаллизационных горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер, наблюдаемых в виде мельчайших микронадрывов и трещин. Горячие трещины могут возникнуть и при термообработке или работе конструкции при повышенных температурах. Образование горячих трещин наиболее характерно для крупнозернистой структуры металла шва, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя.
Концентрационное и термическое переохлаждение способствует развитию дендритной или микроскопической ликвации. В аустенитных швах направленность столбчатых кристаллов выражена наиболее четко. Повышенное сечение и поэтому малая поверхность столбчатых кристаллов способствуют образованию межкристаллитных прослоек повышенной толщины, что и увеличивает вероятность образования горячих трещин. Применение методов, способствующих измельчению кристаллов и дезориентации структуры, утоныыая межкристаллитные прослойки, несколько повышает стойкость швов против горячих трещин.
Один из таких методов - получение швов, имеющих в структуре некоторое количество первичного δ-феррита. Положительное действие феррита в аустенитно-ферритных швах на предупреждение образования в них горячих трещин связано с характером процесса первичной кристал-
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
лизации металла сварочной ванны. Одновременное выпадение из жидкой фазы кристаллов аустенита и первичного δ-феррита приводит к измельчению и дезориентации структуры, т.е. уменьшению сечения столбчатых кристаллов и утонению межкристаллитных прослоек, разделенных участками первичного δ-феррита. В результате вероятность образования горячих трещин по местам расположения прослоек уменьшается.
Элементы, способствующие ферритизации металла, оказывают и обессеривающее действие на сварочную ванну, уменьшая количество легкоплавкой сульфидной эвтектики. Благоприятное действие δ-феррита может быть объяснено и большей растворимостью в нем примесей, уменьшающей их ликвацию. Получение аустенитно-ферритных швов достигается их дополнительным легированием ферритообразующими элементами, такими как хром, кремний, алюминий, молибден и др. В изделиях, работающих как коррозионно-стойкие при температурах до 400 °С, допускается содержание феррита до 20 ... 25 %. В швах на жаропрочных и жаростойких сталях, работающих при более высоких температурах, возможно образование σ-фазы с соответствующим ухудшением служебных характеристик шва. С целью предупреждения сигматизации швов количество δ-феррита в швах на жаропрочных и жаростойких сталях ограничивают 4 ... 5 %.
В сталях с большим запасом аустенитности получение швов с аустенитно-ферритной структурой затруднено необходимостью легирования их повышенным количеством ферритизаторов. Возможность предотвращения в швах на них, а также на аустенитно-ферритных сталях горячих трещин достигается ограничением содержания в швах вредных (фосфора, серы) и ликвирующих примесей, образующих легкоплавкие эвтектики, располагающиеся на завершающейся стадии кристаллизации по границам столбчатых кристаллов. Это достигается применением сварочных материалов, минимально засоренных вредными и ликвирующими элементами, например электродных проволок, изготовленных из сталей вакуумной выплавки, электрошлакового переплава и т.д. Ограничивается также проплавление основного металла.
В некоторых случаях повышение стойкости швов против горячих трещин, наоборот, достигается повышением ликвирующих примесей до концентраций, обеспечивающих получение при завершении кристаллизации сплошной пленки легкоплавкой эвтектики на поверхности кри-
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ
сталлита. Это может быть достигнуто легированием стали бором (0,3 ... 1,5 %). Повышенная литейная усадка и значительные растягивающие напряжения, действующие при затвердевании на сварочную ванну, также способствуют образованию горячих трещин. Снижение действия силового фактора (ограничение силы тока, заполнение разделки валиками небольшого сечения, рациональная конструкция соединения и др.) способствует предупреждению горячих трещин.
Помимо сложности получения на аустенитных высоколегированных сталях и сплавах швов без горячих трещин имеются и другие трудности, обусловленные спецификой их использования. К сварным соединениям на жаропрочных сталях предъявляется требование сохранения в течение длительного времени высоких механических свойств при повышенных температурах. Большие скорости охлаждения металла шва при сварке приводят к фиксации неравновесных по отношению к рабочим температурам структур. Во время эксплуатации при температурах выше 350 °С в результате диффузионных процессов в стали появляются новые структурные составляющие, приводящие обычно к снижению пластических свойств металла шва.
Термическое старение при температурах 350 ... 500 °С может привести к появлению 475°-ной хрупкости. Выдержка аустенитно-ферритных швов при температуре 500 ... 650 °С приводит к старению в основном за счет выпадения карбидов. Одновременно идет процесс образования σ-фазы. Легирование сталей титаном и ниобием приводит к дисперсионному упрочнению стали за счет образования их прочных карбидов. Являясь ферритизаторами, титан и ниобий, способствуя образованию в шве ферритной составляющей, увеличивают количество σ-фазы в металле. Выдержки при температуре 700 ... 850 °С значительно интенсифицируют образование σ-фазы с соответствующим охрупчиванием металла при более низких температурах и снижением предела ползучести при высоких температурах. При этих температурах возрастает роль и интер-металлидного упрочнения за счет образования, в частности, интерметал-лидных фаз железа с титаном и ниобием.
В чисто аустенитных швах в процессах теплового старения ведущее место занимают процессы карбидного и интерметаллидного упрочнения. Одно из эффективных средств уменьшения склонности сварных соединений жаростойких и жаропрочных сталей к охрупчиванию в результате
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
выпадения карбидов - снижение в основном металле и металле шва содержания углерода. Наклеп, способствуя увеличению в шве содержания ферритной фазы, усиливает возможность их охрупчивания.
Ввиду высокого коэффициента теплового расширения суммарная внутренняя пластическая деформация металла шва и околошовной зоны при сварке высоколегированных сталей выше, чем в низколегированных сталях. В результате при сварке многослойных швов (многократная пластическая деформация), жестких соединений и т.п. околошовная зона и нижние слои металла шва могут заметно упрочняться. Самонаклеп также увеличивает количество ферритной фазы, а значит, и вероятность охрупчивания (сигматизации) швов.
В зоне термического влияния некоторых жаропрочных аусте-нитных сталей под действием термического цикла сварки снижаются пластические и прочностные свойства, что может повести к образованию в этой зоне трещин. Подобные изменения свойств основного металла вызываются развитием диффузионных процессов, приводящих к повышенной концентрации в металле околошовной зоны элементов (углерода, кислорода и др.), которые совместно с вредными примесями могут образовывать легкоплавкие эвтектики. При длительной эксплуатации в этой зоне могут выделяться мелкодисперсные карбиды и интерметаллиды, коагуляция которых приводит также к охрупчиванию металла. При сварке этих сталей для предупреждения образования горячих трещин в шве часто получают металл шва, по составу отличающийся от основного и имеющий двухфазную структуру.
В процессе высокотемпературной эксплуатации происходит карбидное и интерметаллидное упрочнение металла шва и соответствующее снижение его пластических свойств, что приводит к локализации в околошовной зоне деформаций и образованию в ней трещин. Этому способствует и высокий уровень остаточных сварочных напряжении в сумме с рабочими напряжениями. Предотвращение подобных локальных разрушений достигается термообработкой - аустенитизацией при температуре 1050 ... 1100 °С для снятия остаточных сварочных напряжений и самонаклепа и придания сварному соединению более однородных свойств. В ряде случаев аустенитизация сопровождается последующим стабилизирующим отжигом при температуре 750 ... 800 °С для получения относительно стабильных структур за счет выпадения карбидной и интерме-таллидной фаз.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ
При сварке высокопрочных сталей в околошовной зоне возможно образование холодных трещин. Поэтому до сварки рекомендуется их аустенитизация для получения высоких пластических свойств металла, а после сварки - упрочняющая термообработка. Подбор химического состава металла шва, получение в нем благоприятных структур за счет выбора режима сварки и термообработки, снижение уровня остаточных напряжений за счет уменьшения жесткости сварных соединений или термообработки - основные пути предотвращения охрупчивания сварных соединений и образования в них холодных трещин. Предварительный или сопутствующий подогрев до температуры 350 ... 450 °С служит этой же цели.
При сварке жаростойких сталей под воздействием температуры в металле швов могут наблюдаться такие же структурные изменения, как и при сварке жаропрочных сталей. Высокая коррозионная стойкость жаростойких сталей в газовых средах при повышенных температурах определяется возможностью образования и сохранения на их поверхности прочных и плотных пленок оксидов. Это достигается легированием их хромом, кремнием, алюминием. Поэтому во многих случаях необходимая жаростойкость сварного соединения достигается максимальным приближением состава шва к составу основного металла. Во многих случаях к сварным соединениям жаростойких сталей предъявляется требование стойкости к газовой межкристаллитной коррозии.
Большинство жаростойких сталей и сплавов имеет большой запас аустенитности и поэтому при нафеве и охлаждении при сварке фазовых превращений не претерпевает, кроме карбидного и интерметаллидного дисперсионного твердения. При сварке этих сталей возможно образование холодных трещин в шве и околошовной зоне, предупреждение которых в ряде случаев может быть достигнуто предварительным подофевом сталей до температуры 250 ... 550 °С.
Высоколегированные аустенитные стали и сплавы наиболее часто используют как коррозионно-стойкие. Основное требование, которое в этом случае предъявляется к сварным соединениям, - стойкость к различным видам коррозии. Межкристаллитная коррозия может развиваться в металле шва и основном металле у линии сплавления (ножевая коррозия) или на некотором удалении от шва (рис. 9.4). Механизм развития этих видов коррозии одинаков. Однако причины возникновения названных видов межкристаллитной коррозии различны.
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
Рис. 9.4. Схемы межкристаллитной коррозии сварных соединений аустенитных сталей:
а - в основном металле; б - в металле шва; в - ножевая коррозия
Межкристаллитная коррозия в металле шва (см. рис. 9.4, б) возникает в результате выделения под действием термического цикла сварки из аустенита карбидов хрома, приводящего к местному обеднению границ зерен хромом. Основная причина этого - повышенное содержание в металле шва углерода и отсутствие или недостаточное содержание титана или ниобия. Неблагоприятный термический цикл сварки - длительное пребывание металла шва в интервале критических температур (t > t кр, рис. 9.3) приводит к появлению склонности к межкристаллитной коррозии шва. Шов может потерять стойкость против межкристаллитной коррозии в результате воздействия критических температур при эксплуатации изделия. Аустенитно-ферритные швы с дезориентированной структурой имеют и повышенную стойкость против ММК по сравнению с ау-стенитными.
Увеличение протяженности границ зерен за счет их измельчения увеличивает поверхности, на которых выделяются карбиды. Выделяющиеся карбиды более дисперсны, и местное обеднение объема зерна хромом происходит на меньшую глубину. Кроме того, процессы диффузии в феррите протекают значительно быстрее, и выравнивание концентрации хрома в обедненных участках и центральных участках зерна происходит достаточно быстро.
Межкристаллитная коррозия основного металла на некотором удалении от шва (см. рис. 9.4, а) вызывается также действием термического цикла сварки в той части основного металла, где находилась изотерма критических температур.
Предупреждение склонности стали и швов к ММК достигается: снижением содержания углерода до пределов его растворимости в аусте-ните (до 0,02 ... 0,03 %), легированием более энергичными, чем хром, карбидообразующими элементами (стабилизация титаном, ниобием, тан-
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 359
талом, ванадием и др.); аустенитизацией (закалкой) с температур 1050 ... 1100 °С, однако при повторном нагреве в интервале критических температур (500 ... 800 °С) сталь повторно приобретает склонность к межкристаллитной коррозии; стабилизирующим отжигом при температуре 850 ... 900 °С в течение 2 ... 3 ч; созданием аустенитно-ферритной структуры с содержанием феррита до 20 ... 25 % путем дополнительного легирования хромом, кремнием, молибденом, алюминием и др. Однако такое высокое содержание в структуре феррита может понизить стойкость металла к общей коррозии. Эти же меры способствуют и предупреждению ножевой коррозии.
Ножевая коррозия имеет сосредоточенный характер (см. рис. 9.4, в) и поражает основной металл. Этот вид коррозии развивается в сталях, стабилизированных титаном и ниобием, обычно в участках, которые нагревались до температур выше 1250 °С. При этом карбиды титана и ниобия растворяются в аустените. Повторное тепловое воздействие на этот металл критических температур 500 ... 800 °С (например, при многослойной сварке) приведет к сохранению титана и ниобия в твердом растворе и выделению карбидов хрома.
Общая коррозия представляет собой растворение металла в коррозионной среде и может развиваться преимущественно в металле шва, различных участках зоны термического влияния или преимущественно в основном металле. В некоторых случаях она может развиться равномерно в основном металле и сварном соединении.
Наблюдается еще один вид коррозионного разрушения - коррозионное растрескивание, возникающее под совместным действием растягивающих напряжений и агрессивной среды. Разрушение развивается как межкристаллитное, так и транскристаллитное. Снижение уровня остаточных сварочных напряжений - одна из основных мер борьбы с этим видом коррозионного разрушения.
9.3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ
Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения, например коррозионно-стойких, хладостойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут раз-
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
личными. Это определит и различную технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направленную на получение сварного соединения с необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.
Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства определяют некоторые особенности их сварки. Пониженный коэффициент теплопроводности при равных остальных условиях значительно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне (рис. 9.5). В результате одинаковые изотермы в высоколегированных сталях более развиты, чем в углеродистых. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий.
Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколегированных сталей следует применять способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии. Примерно в 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей, удельное электросопротивление обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в вылете электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. При автоматической и полуавтоматической дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.
Одна из основных трудностей при сварке рассматриваемых сталей и сплавов - предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин. Предупреждение образования этих дефектов достигается:
Рис. 9.5. Температурные поля при одинаковой погонной энергии
и толщине металла при сварке углеродистой (а)
и высоколегированной (б) сталей
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 361
1) ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и ликвирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов - кислорода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение для сварки постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке покрытыми электродами следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, следует поддерживать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необходимую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, вызываемых водородом;
2) получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаростойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3 ... 5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значительному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигмати-зации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует повышенного их легирования ферритообразующими элементами, что приведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду появления хрупких эвтектик, а иногда и σ-фазы.
Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легирование швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество феррита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть повышено до 15 ... 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов.
Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низкокремнистые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электродов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служит этой же цели. Азот - сильный аустенитизатор, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин.
Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих трещин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное про-плавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения;
3) применением технологических приемов, направленных на изменение формы сварочной ванны и направления роста кристаллов аустени-та. Действие растягивающих сил, перпендикулярное направлению роста столбчатых кристаллов, увеличивает вероятность образования горячих трещин (рис. 9.6). При механизированных способах сварки тонкими электродными проволоками поперечные колебания электрода, изменяя схему кристаллизации металла шва, позволяют уменьшить его склонность к горячим трещинам;
Хромоникелевые стали. Введение в сталь никеля сильно расширяет у-область, снижает температуру мартеиситного превращения и при 8(% Ni сталь с 18 % Cr и 0,1 % С переходит в класс аустенитных. Мартенситная точка Mb при охлаждении для этих сталей лежит несколько ниже комнатной температуры, а мартенситная точка при деформации Мд - выше.
Точное положение Mn сталей типа 18-8 определяется соотношением хрома, углерода, никеля и примесей в стадии меняется в широких пределах от 0 до (-180)-^(-190) 0C.
Мартенсит может быть получен пластической деформацией или обработкой холодом. Важно отметить, что состав 18 % Cr-8|% Ni при 0,1 % С требует минимального количества никеля (рис. 170) для обеспечения аустенитной структуры, т. е. является наиболее экономически выгодным, что и определило широкую распространенность сталей этого типа.
Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения.
В хромоникелевых аустенитных сталях промышленных плавок возможны следующие фазовые превращения: 1) образование карбидных, карбонитридных фаз и сг-фазы при нагревах в интервале 650-850 0C; 2) растворение этих фаз при нагреве до более высоких температур (1100-1200°С); 3) образование б-феррита при высокотемпературных нагревах; 4) образование а - и е-мартенситных фаз при охлаждении и пластической деформации.
Выделение карбонитридных фаз происходит преимущественно по границам зерен, что снижает пластичность сталей и их сопротивление МКК. Резко охрупчиваются стали при образовании а-фазы.
Присутствие в структуре стали 6-феррита отрицательно сказывается иа ее технологичности, особенно при горячей обработке давлением. Поэтому в сталях, подвергающихся прокатке, ковке, штамповке, при повышенных температурах количество 6-феррита строго лимитируется-
Рис. 170. Схема термической обработки ауетенитиых нержавеющих сталей1 (Е. А. Ульянин):
А - нестабилизированных; 6 - стабилизирующих Ti или Nb
Так,
в сталях типа 10Х18Н9Т при нагреве до 1200
0C может образоваться до 40-45 % 6-феррита,
а в сталях 10Х18Н10Т, 10Х18Н12Б до 15- 20 %
б-феррита. Поэтому при выплавке этих
сталей требуется обеспечить отношение
Cr/Ni Ниобий
и титан, находясь в твердом растворе
(аустените), снижают температуру
мартенситного превращения, а при
выделении их в карбо - иитридиых фазах
происходит обеднение аустенита углеродом
и азотом, и мартенситиая точка повышается. Присутствие
б-феррита понижает мартенситную точку,
так как при его образовании происходит
перераспределение легирующих элементов
и у-фаза обогащается аустеиитообразующими
элементами. Целью.
термической обработки является получение
аустенитной структуры, снятие
внутренних напряжений и устранение
склонности к МКК, которая возникает при
сварке, горячей обработке давлением
или других технологических операциях. Термическая
обработка иестабилизированных титаном
и ниобием хромоникелевых аустенитных
сталей (например, 12Х18Н9) заключается в
закалке из однофазной аустенитной
области (от IOOO0C) в воду (закалка без
полиморфного превращения) (см. рис.
170,а). Считается, что закалку следует
проводить от температур несколько выше
температуры растворения хромистых
карбидов (7р), причем чем выше содержание
углерода в стали, тем от более высоких
температур проводят закалку. Стали,
стабилизированные титаном или ниобием,
закаливают из двухфазной области
аустенита и специальных карбидов TiC
(или NbC), причем температура закалки не
зависит от содержания углерода и
составляет обычно 1000-IlOO0C, чаще всего
1050°С (см. рис. 170,6). Более высокие температуры
нецелесообразны из-за возможного роста
зерна и начала растворения специальных
карбидов. После
закалки стали приобретают оптимальное
сочетание характеристик механических
свойств и коррозионной стойкости. Недостатком
закалки является необходимость нагрева
до высоких температур, быстрого
охлаждения, что часто трудно технологически
осуществить и вызывает коробление
конструкции. Стабилизирующий отжиг для
сталей без титана и ииобия (рис. 170, а)
преследует цель повышения концентрации
хрома на границе аустенит - карбид, что
приводит сталь в состояние высокого
сопротивления МКК. Несмотря на присутствие
карбидов хрома в сталях после отжига
при 850-950 °С, они не склонны к MKK- Для
сталей, легированных титаном и ниобием,
в процессе отжига возможно превращение
карбидов хрома в специальные карбиды
TiC или NbC, что также, устраняет склонность
к MKK (см. рис. 170,6). Температура
стабилизирующего отжига обычно
составляет 850-950 0C. Отжиг допускает
бодее медленное охлаждение, обычно на
воздухе, и более эффективен для
стабилизированных сталей. Хромомарганцевоникелевые
и хромомарганцевые стали. Марганец, как
и никель, является аустенитообразующим
элементом, однако он обладает менее
сильным действием на стабилизацию
аустенита. Из рис. 171 видно, что аусте-
нитиую структуру в Cr-Mn сталях можно
получить только при содержании >15,% Mn
и <15 % Cr. При других соотношениях
легирующих элементов структура сталей
получится двухфазной (аустенит+феррит
или мартенсит или а-фа~ за). Поэтому при
замене никеля марганцем приходится
понижать содержание хрома или заменять
никель частично, или дополнительно
легировать стали таким сильным аусте
- нитообразующим элементом, как азот.
В табл. 33 приведены состав и свойства
хромомарганцевой стали с азотом 10Х14АГ15
(0,15-0,25 % N) и хромомарганцевоникелевой Стали
10Х14Г14Н4Т, нашедших применение в
промышленности (в основном в торговом
и пищевом машиностроении). Кроме
этих сталей, применяют также стали
20Х13Н4Г9, 12Х17Г9АН4 и др. Коррозионная
стойкость is Mn хромомарганцевых и хромо- Марганцевоникелевых
сталей Рис.
171. Структурная диаграм - ВО МНОГИХ
ЭГреССИВНЫХ среДЭХ За\алГеотЫп^сгТГф?0хие
достаточно высокая, однако в мушии)
средах высокой агрессивности (например,
азотная кислота, среды с галогенами,
сульфатами, сульфидами) марганец
оказывает отрицательное влияние на
сопротивление коррозии. Поэтому
коррозиониостойкие хромомарганцевые
стали следует применять только после
тщательных испытаний на коррозионную
стойкость в рабочей среде. В настоящее
время в технике накоплен большой
опыт по рациональному использованию
сталей с частичной или полной заменой
никеля марганцем в качестве
коррозионностойкого материала. При
нагреве этих сталей (550-800 0C) в них по
границам зерен выделяются карбиды
типа Сг2зСб, при этом скорость процессов
выделения определяется содержанием
углерода. При наличии в сталях азота
стабилизация титаном не устраняет
склонности к МКК, так как могут
образовываться нитриды титана.
Поэтому для предотвращения склонности
к MKK в этих сталях требуется понижать
содержание углерода «0,03 %). Хромомарганцевые
стали имеют более высокие прочностные
свойства, чем хромоникелевые, и
большую склонность к образованию
мартенсита при деформации. Следует
отметить, что хромомарганцевые
аустенитные стали сильнее упрочняются
при пластической деформации, чем
хромоникелевые, даже без учета мартенсита
деформации, т. е. при деформации выше
Mn. Это обычно связывают с вероятностью
образования и величиной энергии дефектов
упаковки: никель повышает, а марганец
понижает вероятность образования
дефектов упаковки в аустените. Термическая
обработка этих сталей заключается в
закалке от 1000-IlOO0C с целью обеспечения
аустенитной структуры, снятия
предшествующего наклепа и устранения
склонности к МКК. Выдержка
под закалку хромомарганцевых сталей
должна быть минимальной, так как
марганец имеет тенденцию к избирательному
окислению при высоких температурах, в
результате чего поверхностные слои
обедняются марганцем и могут
приобретать феррито-аустенитную
структуру, что является нежелательным
явлением. Эти стали применяют как
заменители хромоникелевых сталей в
средах средней агрессивности, их
используют в широких диапазонах
температур. 4.
Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные
стали Аустенито-ферритные
стали. Преимущество сталей этой группы
- повышенный предел текучести по
сравнению с аустенитными однофазными
сталями, отсутствие склонности к
росту зерна при сохранении двухфазной
структуры, меньшее содержание
остродефицитного никеля и хорошая
свариваемость, меньшая склонность к
МКК. Состав, режимы термической
обработки и свойства некоторых аустени
- то-ферритных сталей приведены в табл.
34. Повышенное
сопротивление MKK объясняют более
мелкозернистой структурой двухфазных
сталей, что приводит к меньшей концентрации
карбидных фаз по границам (выделением
карбидов типа Me23C6 на границе б-у-фаз).
Поскольку условия проявления MKK в
этих фазах разные, то - концентрация
хрома в приграничных участках не
опускается ниже допустимого уровня.
Так как концентрация углерода в
аустените выше, чем в феррите, карбиды
выделяются по границам, не образуя
непрерывной сетки. Аустенито-ферритные
стали находят широкое применение в
различных отраслях современной техники,
особенно - в химическом машиностроении,
судостроении, авиации. Принципиальное
отличие сталей аустенито-ферритного -
класса в том, что благодаря более высокому
содержанию в них хрома аустенит становится
более устойчивым по отношению к
мартенситному превращению, хотя полностью
- исключить возможность образования
мартенсита в этих сталях не всегда
удается. Аустенито-ферритные
стали весьма сложны по химическому
составу, могут иметь в структуре различное
соотношение аустенитной и ферритной
фаз. В них могут происходить следующие
основные фазовые превращения: Таблица
34. Состав и механические свойства
аустеиито-ферритных и аустенито-мартенситных
коррозионностойких сталей Марка
стали Режим
термической ДРУ
- гие Обработки Аустенито-ферритные
стали
Закалка
1050 0C Деформация
35 % Закалка
1050 °С Ч18Х18Г8Н2Т Закалка
1000 °С Аустенито-мартенситные
стали
Закалка
IOOO0C Обработка
холодом 70
0C1 2 ч, отпуск Закалка
975 "С, об Работка
холодом 70°С,
2 ч, старение Нормализация
950 0C1 Обработка
холодом 70
"С, 2 ч, старение 450
°С, 1 ч, деформа 1.
Изменение количества аустенита и феррита
в зависимости от температуры нагрева
(в соответствии с положени-: - ем линий
на диаграмме состояния). 2.
Распад 6-феррита с образованием а-фазы
и вторично - : го аустенита. 3.
Выделение карбидных, нитридных и
интерметаллид-j ных фаз, которое может
происходить как из аустенита, так я из
феррита. 5.
Процессы охрупчивания ферритной фазы,
связанные с явлениями упорядочения
и расслоения («хрупкость 475 °С»). I Возможность
протекания в аустенито-ферритных сталях; сложных фазовых превращений в
различных интервалах, температур
накладывает существенные ограничения
на ре-] жимы их технологии производства
и области применения. | Присутствие
б-феррита резко ухудшает пластичность
сталей при горячей обработке давлением,
особенно при прокатке и прошивке труб,
что связывают с различным сопротивлением
феррита и аустенита деформированию,
с разной скоростью рекристаллизации:
менее прочные и быстро рекристаллизующиеся
зерна феррита приводят к локализации
в них пластической деформации и
концентрации напряжений. На
рис. 172 приведена зависимость технологической
пластичности двухфазных сталей от
количественного соотношения а и у фаз.
Видно, Б
о, г, МПа
Рис.
172. Влияние соотношения а- и v-фаз на
технологическую пластичность сталей
при высоких температурах (А. А. Бабаков,
М. В. Прнданцев): 1
- хорошая; 2 - пониженная; 3 - плокая О
го 40 60 80 700о, %
WO
80
60 40 20 О/,%
Al
C1N1Ni1Cr1MO Легирование
Рис.
173. Изменение предела текучестк нержавеющих
сталей в зависимости от легирования
после различной обработки: /
- закалка; 2-закалка в обработка холодом;
3 - закалка, обработка холодом и
старение.1
-
мартеиситный класс;II
-
аустенитио-мартенситный
класс;III
-
Аустеиитный
класс Что
наиболее пластичны однофазные сплавы,
однако можно подобрать такой режим
прокатки, при котором пластичность
двухфазных сталей будет вполне достаточной
для производства. По
данным завода «Серп и молот», наиболее
высокая пластичность аустенито-ферритных
сталей наблюдается в интервале 950- 1050
°С, что объясняется наименьшей разницей
в свойствах ферритиой. и аустенитной
составляющих (И. Я. Сокол). Этим же
объясняется положительное влияние
на горячую пластичность кремния, который
сильнее упрочняет феррит. На
аустенито-ферритных сталях проявляется
эффект сверхпластичности, который
заключается в очень высокой пластичности
(до 300- 600 %) этих сталей без наклепа в
определенных интервалах температур
и скоростей деформации и объясняется
образованием особой мелкозернистой
двухфазной структуры (величина зерна
2-3 мкм), получившей в литературе
название микродуплекс. Промежуточную
термическую обработку сталей этого -
класса проводят обычно для снятия
наклепа при производстве тонкого
листа или проволоки. При этом после
смягчающей термической обработки или
горячей деформации охлаждение от
900-IOOO0C должно быть ускоренным, чтобы
предотвратить охрупчивание. Температуру
закалки этих сталей выбирают в зависимости
от состава и назначения детали; она
обычно составляет 900-IlOO0C. Стали,
предназначенные для сварных деталей,
подвергают отпуску для снятия напряжений,
причем температуры и время отпуска
выбирают с учетом предотвращения
охрупчивания стали в интервале «хрупкости
475 °С» и охрупчивания вследствие
сигматизации сталей в интервале 650-850
°С. Аустенито-мартенситные
стали. Потребности новых отраслей
современной техники в коррозионностойких
сталях повышенной прочности и
технологичности привели к разработке
сталей аустенито-мартенситного
(переходного) класса. Структура
этих сталей после закалки представляет
собой неустойчивый (метастабильный)
аустенит, который может претерпевать
мартенситное у->ам-превращение в
результате обработки холодом или
пластической деформации ниже Мд. Свойства
определяются соотношением количества
аустенита и мартенсита в структуре.
Изменения прочностных свойств в
зависимости от содержания легирующих
элементов в сталях мартенситного (I),
переходного (//) и аустенитного (III) классов
приведены на рис. 173. Температура
Ma в этих сталях должна лежать ниже
комнатной, но не настолько низко, чтобы
сталь была Стабильной при обработке
холодом. В аустенито-мартенсит - ных
сталях может образовываться некоторое
количество 6-феррита, однако его
присутствие в структуре ограничивав
ют из-за возможного охрупчивания сталей
и снижения уровня прочности. Состав
сталей этого типа приходится строго
контролировать для поддержания
сбалансированного содержания - феррито
- и аустенитообразующих элементов и
заданной температуры мартенситного
превращения. Накопленный экспериментальный
материал позволяет ориентировочно
оценить действие различных легирующих
элементов на со-; держание б-феррита и
положение точки Mh в сталях этого] типа,
что позволяет рассчитать состав стали.
Ниже показа-; но влияние легирующих
элементов на количество 6-феррита и
положение мартенситной точки сталей
переходного класса (Ф. Б. Пикеринг): Легирующий
элемент…….. Дополнительное
упрочнение этих сталей может быть
получено в результате дисперсионного
твердения мартенсита при температурах
400-500 0C. Для этого в стали вводят такие
элементы^ как алюминий, медь, титан. В
этом случае в сталях возможно выделение
интерметаллидной фазы NiAl, когерентной
с о. ц. к.-матрицей, и NiTi или Ni (Al, Ti), также
имеющих о. ц. к. структуру; при введении
меди образуются комплексы, очень
богатые медью (предположительно
твердый раствор никеля в меди). В
процессе отпуска в сталях выделяются
карбонитриды молибдена и ванадия,
что также повышает прочность. Однако в
результате старения падают характеристики
пластичности, поэтому при легировании
сталей стремятся к максимальному
выигрышу в прочности при заданных
характеристиках пластичности. Экспериментально
установлено, что оптимальное сочетание
прочности и пластичности обеспечивает
легирование молибденом и алюминием,
что объясняет наиболее широкое
распространение сталей соответствующих
композиций. 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. 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: 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: 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. 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: 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: 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: 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. 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: 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: 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. 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). В энергетическом машиностроении, на предприятиях химической и нефтяной промышленности элементы оборудования, находящиеся в прямом контакте с агрессивными средами, должны быть выполнены из специального материала, который способен выдерживать негативное воздействие. Согласно современным технологиям, используются аустенитные стали, марки их выбираются в соответствии с производственными задачами. Это высоколегированный материал, который в процессе кристаллизации формирует 1-фазную структуру. Его характеризует гранецентрированная кристаллическая решетка, которая сохраняется и при криогенных температурах – ниже -200 градусов С. Материал характеризуется повышенным содержанием никеля, марганца и некоторых других элементов, способствующих стабилизации при различных температурах. Аустенитные стали классифицируют на 2 группы относительно состава: Содержание никеля в этих железных сплавах необходимо для увеличения технологичности, стойкости и прочности к жару, увеличению параметров пластичности. Хром увеличивает стойкость к коррозии и высоким температурам. Другие легирующие добавки способны сформировать и другие уникальные свойства, которыми должна обладать аустенитная нержавеющая сталь в тех или иных технологических условиях. В отличие от других материалов этот железный сплав не имеет трансформаций при снижении и повышении температур. Поэтому температурная обработка его не применяется. Какие стали относятся к аустенитным сталям принято классифицировать на три группы: Аустенитные стали относятся к труднообрабатываемым материалам. Термическое воздействие на них затруднительно, поэтому используются другие технологии. Механическая обработка этих сплавов сложна, поскольку материал склонен к наклепу и незначительные деформации значительно уплотняют материал. Этот железный сплав образует длинную стружку, поскольку обладает высокими параметрами вязкости. Механическая обработка аустенитных сталей энергозатрана, ресурса потребляется на 50% больше в сравнении с углеродистыми сплавами. Поэтому обработка их должна выполняться на мощных и жестких станках. Возможна сварка, ультразвуковое воздействие и криогенно-деформационная технология.
1
2
3
4
Классификация аустенитных сталей по группам и маркам
Особенности обработки аустенитных сталей
