Какие стали называются аустенитными. Аустенитные нержавеющие стали. Стабилизирующий отжиг аустенитных хромоникелевых сталей

Аустенитые стали (см. табл. 1,2) применяют для изготовления деталей газовых турбин, клапанов двигателей, баков, труб и других деталей, работающих при температурах 500-700°С. Жаропрочные стали легированы хромом, никелем и являются одновременно коррозионностойкими.

Аустенитные стали подразделяют на неупрочняемые при термической обработке (нестареющие) и упрочняемые при термической обработке (стареющие) аустенитные стали.

К нестареющим аустенитным жаропрочным сталям относят стали типа 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т.

Стареющие аустенитные стали обычно являются более сложнолегированными, например: 37Х12Н8Г8МФ5 (ЭИ481), 45Х14Н14В2М (ЭИ69) и т. п.

По способу упрочнения их подразделяют на аустенитные стали с карбидным упрочнением и аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением.

В не упрочняемых аустенитных сталях хром вводится для придания ей коррозионной стойкости (на поверхности образуется плотная окисная пленка Cr O ), никель для получения аустенитной структуры, титан – для предотвращения межкристаллитной коррозии, которая нарушает связь между зернами и делает сталь непригодной к эксплуатации. Если в сталях нет титана (или ниобия), то в ней образуются карбиды хрома, которые при нагреве закаленной стали до 500-700°С выделяются по границам зерен, и устойчивость стали против коррозии падает. При введений титана образуются карбиды титана TiC, что исключает выделение карбидов хрома и возникновение межкристаллитной коррозии. Термическая обработка сталей заключается в нагреве до температур 1050-1100°С с последующим охлаждением в воде. Структура после закалки состоит из зерен аустенита с наличием двойников и небольшого количества карбидов TiC. Используется сталь для деталей выхлопных систем, труб, а также полуфабрикатов в виде листа и сортовой стали. Температура окалинообразования 850°С. Длительная жаропрочность стали при 600°С и выдержке 100000 ч составляет 110 МПа.

Химический состав сталей аустенитного класса с карбидным упрочнением 37Х12Н8Г8МФВ, 45Х14Н14В2М приведен в табл. 1.

Хром и молибден повышают температуру рекристаллизации и, следовательно, жаропрочность стали благодаря образованию карбидов и предохраняют сталь от окисления. Никель, расширяя -область, вводится для получения аустенитной структуры. Марганец применяется в качестве аустенитообразующего, для частичной замены никеля и увеличения устойчивости аустенита.

Ниобий и титан являются очень эффективными карбидообразователями. Содержание ниобия обычно небольшое (0,1-0,2%). Титан и ниобий используют для связывания углерода, как и в хромоникелевых нержавеющих сталях, во избежание межкристаллитной коррозии, а также для получения природного мелкого зерна.

Длительная жаропрочность при температуре испытаний 600°С и выдержке в течение 100 ч составляет 400 МПа. Структура стали после закалки с 1140°С в воде состоит из крупных зерен аустенита и небольшого количества карбидов: VС, NbC. Монокарбиды выделяются чаще всего по границам зерен в виде крупных включений неправильной формы.

Аустенитная сталь с карбидным упрочнителем 45Х14Н14В2М имеет в структуре от 2-2,6% вольфрама. Вольфрам так же, как титан и ниобий, в нержавеющих сталях предотвращает интерметаллидную коррозию. Поведение остальных элементов аналогично предыдущей стали. Структура стали после отжига при 820°С состоит из мелких зерен аустенита и большого количества карбидов. Температура закалки стали составляет 1175°С. Чем выше температура закалки, тем сталь становится более жаропрочной, но менее пластичной и вязкой. Это, по-видимому, объясняется более полным растворением карбидов в аустените, большей его устойчивостью, а также крупнозернистой структурой. После закалки в воде структура стали состоит из крупных зерен аустенита и небольшого количества карбидов. В авиадвигателестроении сталь применяется для изготовления выхлопных клапанов поршневых двигателей, лопаток компрессора последних ступеней реактивных двигателей, деталей трубопроводов.

Жаропрочные стали с интерметаллидным упрочнителем (10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР) (см.табл. 1,2). Для повышения жаропрочности их легируют хромом, молибденом, вольфрамом с добавками алюминия, титана или ниобия и тантала. Титан и алюминий образуют основную упрочняющую g¢-фазу (Ni Ti или Ni TiAl). Молибден легирует твердый раствор, повышая энергию межатомной связи. Бор упрочняет границы зерен аустенита. Упрочняющая термообработка этих сталей состоит из закалки и старения (см. табл. 2). Стали используются для изготовления камер сгорания, дисков и лопаток турбин, а также сварных конструкций, работающих при температурах до 700°С.

Аустенитные стали отличаются большой пластичностью, хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными сталями труднее обрабатываются давлением и резанием.

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе (ХН35ВТ, ХН35ВТЮ и др.) дополнительно легированы хромом, титаном, вольфрамом, алюминием, бором; упрочняются закалкой и старением. Их применяют для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих при температурах до 750°С.

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

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

Описание и характеристики

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

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

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

Для легирования преимущественно используют:

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

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

Сплавы, устойчивые к коррозии и перепадам температур

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

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

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

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

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

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

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

Свойства термической обработки

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

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

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

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

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 жаропрочные стали применяют для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых турбин и других «горячих» деталей реактивных двигателей - в основном для работы при 600- 700 °С.

Все аустенитные жаропрочные стали содержат большое количество хрома и никеля, а также добавки других элементов.

Аустенитные жаропрочные стали обладают рядом общих свойств - высокой жаропрочностью и окалиностойкостью, большой пластичностью, хорошей свариваемостью, большим коэффициентом линейного расширения. Тем не менее по сравнению с перлитными и мартенситными сталями они менее технологичны: обработка давлением и резанием этих сплавов затруднена; сварной шов обладает повышенной хрупкостью; полученное вследствие перегрева крупнозернистое строение не может быть исправлено термической обработкой, так как в этих сталях отсутствует фазовая перекристаллизация. В интервале 550-600 °С эти стали часто охрупчиваются из-за выделения по границам зерна различных фаз.

Аустенитные стали могут быть разделены на две группы:

1) не упрочняемые, термической обработкой, т. е. не склонные к дисперсионному твердению (условно назовем их гомогенными, хотя на самом деле они содержат вторые фазы, но в количествах, не вызывающих сильного эффекта старения):

2) упрочняемые термической обработкой и применяемые после закалки + отпуск. Упрочнение создается благодаря выделению карбидных, карбонитридных или йнтерметаллидных фаз. Способность к старению обусловлена наличием некоторых элементов (кроме хрома и никеля) в количествах, превосходящих предел растворимости.

Хром и никель - основные легирующие компоненты этих сталей. Первый определяет окалиностойкость, а никель - устойчивость аустенита. При недостатке никеля возможно частичное образование -фазы, что ухудшает жаропрочность.

Состав наиболее важных аустенитных жаропрочных сталей приведен в табл. 67. Стали первой (гомогенной) группы применяют как жаропрочные и как нержавеющие, поэтому более подробно о них будет изложено в следующей главе, здесь же мы ограничимся данными об их окалиностойкости и жаропрочности (см. табл. 68, 69).

Продолжительная выдержка при рабочих температурах (500- 700 °С) охрупчивает сталь из-за выделения избыточных фаз по границам зерен (рис. 336) и образования так называемой -фазы (сигматизация), представляющей собой интерметаллид типа Эти превращения протекают весьма медленно.

Стали второй группы, в отличие от первой, нестабильны и склонны к упрочнению вследствие распада твердого раствора (вязкость при этом снижается).

Термическая обработка этих сталей заключается в закалке при 1050-1100°С в воде и отпуске - старении при 600-750 °С. Этот отпуск - старение вызывает повышение твердости вследствие

Таблица 67. (см. скан) Состав аустенитных жаропрочных сталей (ГОСТ 5632-72), %

Рис. 336. Микроструктура аустенитиой жаропрочной стали, а - после закалки; б - после старения при 650 °С

дисперсионного твердения: избыточные фазы при старении выделяются преимущественно по границам зерен (см. рис. 336).

Конечно, цель такой термической обработки - повышение жаропрочности; аустенитные стали второй группы обладают жаропрочностью

более высокой, чем гомогенные аустенитные стали, что объясняется тонким распределением второй фазы, однако это является преимуществом только при кратковременных сроках службы; при длительных сроках службы избыточная упрочняющая фаза скоагулирует, и тогда гомогенные сплавы могут превзойти по жаропрочности дисперсионно твердеющие.

Это видно из сопоставления данных, приведенных в табл. 68 и 69.

Таблица 68. (см. скан) Свойства некоторых аустенитных сталей (гомогенных)

Таблица 69. (см. скан) Жаропрочные свойства некоторых дисперсионно твердеющих аустенитных сталей

Кроме этих сталей более или менее широкого назначения, имеются аустенитные жаропрочные стали более узкого применения: для литых деталей высокой окалиностойкости (детали печей, например реторты), листовой обшивочный материал, подвергаемый нагреву и т. д.

Составы некоторых из этих специальных жаропрочных и окалиностойких сплавов с указанием их окалиностойкости приведены в табл. 62.

Хотя все они относятся к классу высоколегированных сталей. очень хорошая, предварительного подогрева и последующей термообработки не требуется. Как правило, они не склонны к и , но это свойство касается самих сталей и не распространяется на сварные швы.

Аустенитные стали содержат в своём составе 17% Cr и больше. У таких сталей гораздо выше удлинение, вязкость и параметры перехода в хрупкое состояние. В отожжённом состоянии у них высокий показатель текучести и, при необходимости, эти стали можно упрочнять с деформацией, не опасаясь охрупчивания.

Основные марки и химический состав аустенитных сталей для сварки

К основным маркам свариваемых аустенитных сталей, согласно российским стандартам, относятся: 12Х17, 15Х6СЮ, 10Х13СЮ, 15Х11МФ, 15Х25Т, 08Х18Н10, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х21Н5Т, 20Х25Н20С2, 08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15М3Т, 10Х17Н13М2Т, 17Х18М9, 12Х21Н5Т, 12Х17Г9АН4. Кроме вышеперечисленных марок, существуют ещё аустенитные стали и сплавы, но их затрудняется, из-за их специальных свойств.

Влияние химического состава на свариваемость аустенитных сталей

Основной тип аустенитных хромоникелевых сталей - это Х18Н10. Структура подобных сталей аустенитная, с некоторым включением дельта-феррита (около 2-7%). При содержании никеля, в количестве около 8%, аустенит частично преобразовывается в мартенсит при комнатной температуре, если сталь подвергают пластической деформации.

Жаропрочные аустенитные стали содержат в своём составе до 25% хрома, а содержание никеля может достигать 38%. Жаропрочность стали увеличивают, легируя сталь кремнием (около 1%), или алюминия.

Структуру металла сварных швов в аустенитных сталях представлена на диаграмме Шеффлера. На диаграмме видна зависимость структуры металла от эквивалентов хрома и никеля. Но, кроме элементов, указанных в диаграмме, в выражение для расчёта эквивалента никеля можно процентное содержание меди с коэффициентов 0,6 и азота с коэффициентом 10-30. А в формулу для расчёта эквивалента хрома коэффициент процентного содержания вольфрама - 0,5 и титана - 2-5.

Диаграмма Шеффлера прменяют, обычно, для условий . При использовании других видов сварки структура металла сварных швов может отличаться от той, которая показана на диаграмме.

Основной задачей для обеспечения является предотвращение образования холодных и горячих трещин. Опытным путём было установлено, что склонность металла сварного шва зависит от содержания феррита в стали. При содержании феррита в пределах 2-6% риск развития трещин существенно снижается.

Исследователь Делонг усовершенствовал диаграмму Шеффлера. Но содержание ферритной составляющей существенно изменяется при учёте процентного содержания азота с коэффициентом 30. Это необходимо учитывать для (сварка в защитных газах, сварка плавящимся электродом и неплавящимся). Поэтому, диаграмау Делонга также нельзя считать абсолютной.

Для оценки примерного содержания феррита Сефериан вывел следующее выражение: х=3*(Crэкв - 0,93Niэкв - 6,7), %

Присутствие нужного количества феррита (2-6%) позволяет решить вопрос отсутствия трещин при сварке аустенитных сталей. Но, вместе с тем, феррит понижает удлинение металла шва, снижает вязкость, повышает температуру перехода и отрицательно действует на коррозионную стойкость.

В наплавленном металле, кроме микротрещин могут образовываться и другие . И связаны они с тем, что сульфиды и окислы, имеющиеся в составе стали, не могут всплыть на поверхность жидкой сварочной ванны из-за её высокой вязкости. Поэтому, для снижения вязкости расплавленного металла рекомендуется легировать сталь кремнием в количество 0,3-0,7%.

Структурные изменения в металле при сварке аустенитных хромистых сталей

При сварке аустенитных сталей в зоне нагрева происходит рост зёрен. И происходит он более плавно, по сравнению с нелегированными конструкционными сталями. Но, если присутствует препятствие для этого в виде карбидной фазы, то рост зёрен в не происходит.

В зоне перегрева, помимо роста зёрен, растворяется карбидная фаза, в большинстве своём, это карбид Cr23 C6 . Кроме карбидов хрома образуются также карбиды других, стабилизирующих металлов - титана, ниобия и ванадия. Кроме карбидов Cr23 C6 появляются нитриды хрома Cr2 N и карбиды Cr7 C3 . Растворение части карбидов приводит к тому, что по границам зёрен формируются тонкие плёнки этих карбидов. Из-за этого сталь сильно подвержена межкристаллитной коррозии.

Этих превращений можно избежать при стабилизации стали. Но в случае применения таких видов сварки, как электрошлаковая сварки, или же сварка под флюсом (высокопроизводительная), даже стабилизация не решает проблему межкристаллитной коррозии.

Повысить прочность металла сварных швов можно с помощью добавления небольшого количества азота.

Подогрев и термообработка при сварке аустенитной стали

При сварке аустенитных сталей, предварительный подогрев, с точки зрения структурных превращений, применять не обязательно. Но, в некоторых случаях, применяют подогрев до температуры 200°С с целью уменьшить внутренние напряжения.

Величина остаточных напряжений у таких сталей достаточно большая, из-за этого возникает риск коррозионного разрушения стали. Для того, чтобы этого избежать, выполняют термообработку сварных соединений.

В случае, если необходимо только уменьшить величину внутренних напряжений, то выбирают температуру отпуска 800-850°C. Если сварные соединения контактируют со средой, которая способствует формированию межкристаллитной коррозии, то уместным будет выполнение отжига при температуре 950-1050°C. Отжиг способствует растворению карбидных плёнок.

При выполнении термообработки нужно учитывать, что стали типа Х18Н8, Х18Н8М2, Х18Н8Т, Х18Н9Б, Х25Н12, Х25Н20 имеют склонность к формированию отпускных трещин.

Газовая сварка аустенитных сталей

При аустенитных сталей рекомендуется выбирать ацетиленокислородное сварочное пламя мощностью 70-75 л/ч из расчёта на 1мм свариваемой толщины. Не рекомендуется применять окислительный , т.к. при его применении сильно выгорает хром. аустенитных сталей рекомендуется следующих марок: Св-02Х19Н9Т, Св-08Х19Н10Б. Также применяют другие марки проволоки с низким содержанием углерода, легированные титаном или ниобием. (1-6мм), диаметр проволоки выбирают равным диаметру основного металла.

Часто применяют , например, флюс марки НЖ-8. Компоненты флюса замешаны на жидком стекле и наносятся на сварные кромки изделия. Процесс сварки выполняют после полного высыхания флюса.

Сварку аустенитных сталей можно выполнять любыми , без ограничения. Состав присадочных материалов обычно выбирают аналогичным составу свариваемых сталей. Если требования к показателям коррозионной стойкости высокие, то уместным будет применение присадочного материала, не содержащего ферритной основы.

← Вернуться