Хромоникелевые коррозионностойкие стали

Никель относится к металлам, легко приобретающим пассивность, хотя его пассивирующая способность меньше хрома и молибдена. Добавление никеля к железу в количестве 1/8 моля скачкообразно улучшает коррозионную стойкость сплава в серной кислоте. При концентрации никеля 2/8 моля коррозионная стойкость повышается еще больше.

Диаграмма состояния железо—никель приведена на рис. 166.

 

Никель — аустенитообразующий элемент, сильно понижающий критические точки у γ;→ α;-превращения. Это влияние никель оказывает и при его введении в хромистые стали. Поэтому сталь, содержащая 18 % Сr и 9 % Ni, при комнатных температурах имеет структуру аустенита (рис. 167).

Нержавеющие стали с аустенитной структурой имеют более высокую коррозионную стойкость, лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, в частности, лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур, менее склонны к росту зерна при нагреве и в то же время аустенитные стали не теряют пластичности при низких температурах. Как и хромистые, хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом, повышающим потенциал железа, является хром, поэтому его содержание должно быть >13%. Никель только дополнительно повышает коррозионную стойкость сталей.

Состав и свойства хромоникелевых коррозионностойких сталей приведены в ГОСТ 5632—72. В табл. П11 приведены составы некоторых из них, а на рис. 167 — структурная диаграмма, позволяющая определять структуру стали в
зависимости от ее состава.

Хромоникелевые стали в зависимости от состава и структуры подразделяются на стали аустенитного, аустенитно - мартенситного и аустенитно-ферритного классов.

Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионные свойства нержавеющих сталей. Углерод, содержащийся в хромоникелевых сталях, может находиться в твердом растворе, а также в карбидах или карбонитридах различной степени дисперсности.

Преимущественно образуются карбиды Сr₂₃C₆, причем они возникают уже при содержании углерода немногим более 0,04 % (0,04 % С — предел растворимости углерода в аустените, легированном никелем). Если в сталях содержится азот (например, сталь Х17АГ14), то могут образовываться карбонитриды типа Me ₂₃(C, N)₆, и Me (C, N).

Стали аустенитного класса 04Х18Н10, 12Х18Н9Т, 09Х14Н16Б, 08Х10Н20Т2 и др. пластичны, хорошо свариваются, обладают повышенной жаропрочностью, коррозионностойки во многих средах, имеющих среднюю активность. Сталь 12Х18НЮТ — наиболее дешевая и поэтому ее чаще применяют.

Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с 1050—1100°С в воде. При этом получают σ_в ≈500÷600 МПа и δ; =35÷45 %. Эти стали упрочняют холодной пластической деформацией.

Дополнительное легирование хромоникелевых сталей молибденом и медью повышает их коррозионную стойкость и кислотостойкость (03Х16Н15М3, 03Х17Н14М2). Иногда в эти стали вводят в небольших количествах титан и алюминий, которые, образуя дисперсные интерметаллиды типа Ni₃(Ti,Al), упрочняют аустенит (08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15М3Т).

Сталь 06ХН28МДТ (0,06 % С; 22—25 % Сr, 26—29 % Ni, 2,5—3 % Мо; 2,5—3,5 % Сu и 0,5—0,3 % Тi) обладает высокой коррозионной стойкостью, ее используют в средах высокой агрессивности (разбавленная серная кислота и др.) Эта сталь после закалки с 1100 °С в воде имеет структуру аустенита с небольшим количеством карбонитридов. После кратковременных нагревов до 500—900 °С не обнаруживает склонности к МКК.

Никель — достаточно дорогой и дефицитный металл, поэтому создают нержавеющие стали с меньшим содержанием никеля. Для этого в состав нержавеющих сталей вводят другие аустенитообразующие элементы, например, марганец и даже азот (стали 10Х14Г14Н4Т, 15Х17АГ14, 10Х14АГ15 и др.).

Аустенитно-мартенситные стали (стали переходного класса) имеют меньшую коррозионную стойкость по сравнению с аустенитными сталями, но превосходят их по прочности (σ_в = 1200÷1300 МПа). К сталям переходного класса относятся стали 09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю, 08Х17Н5МЗ, 20Х13Н4Г9 и др.

Режим термической обработки этих сталей характеризуется большой сложностью: закалка, обработка холодом, отпуск — старение. На рис. 168 приведено влияние различных видов термической обработки на прочность нержавеющих сталей разных классов. Наибольшее упрочнение получают стали переходного класса. Такие стали используют для создания легких конструкций, обладающих высоким сопротивлением коррозионному разрушению.

Аустенитно-ферритные стали предложены как заменители хромоникелевых сталей типа Х18Н8 с целью экономии никеля. К этому классу относятся стали 12Х21Н5Т и 08Х22Н6Т. Аустенитно-ферритные стали при комнатных температурах имеют прочность и твердость выше, чем у стали типа 18—8, но пластичность и ударная вязкость у них ниже. Эти стали не обладают стабильностью свойств: их свойства зависят от соотношения ферритной
и аустенитной фаз, которое в свою очередь зависит от суммарного влияния ферритообразующих (Сr, Тi, Мо, Si) и аустенитообразующих (Ni, N₂, С) элементов. С увеличением количества феррита жаропрочность сталей уменьшается, прочность увеличивается, пластичность уменьшается, но не ниже 30 %. Хорошие технологические свойства получаются при соотношении Ф/А ≈ 1/1. К этому классу сталей относится и сталь 15Х28АН, обладающая хорошими механическими свойствами (σ_в ≈650÷700 МПа, δ;≈ 11÷23 %), в том числе и в сварном шве. Типовая термическая обработка аустенитно-ферритных сталей: закалка с 1000—1150 °С и отпуск — старение при 500÷750 °С. Аустенитно-ферритные стали не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением: трещины могут возникнуть только на аустенитных участках, но ферритные участки задерживают их развитие.

В нержавеющих сталях наблюдается особый вид коррозии, называемый межкристаллитной коррозией (иногда также называют ее интеркристаллитной). Такая коррозия протекает главным образом по границам зерен и представляет большую опасность, поскольку не имеет каких-либо внешних признаков — металл сохраняет даже металлический блеск. При этом прочность катастрофически падает, исчезает металлический звук, металл настолько легко разрушается, что может быть превращен в порошок. Межкристаллитная коррозия (МКК) развивается в том случае, если изделие из нержавеющей стали после закалки подвергали нагреву до 500—700 °С либо если в этом температурном интервале проводили замедленное охлаждение. При этом на электронных микрофотографиях отчетливо видна сетка карбидов хрома.

Наиболее принятой теорией возникновения МКК считается так называемая «теория обеднения». Известно, что граница зерен — это переходная зона между ними. Если проникновение растворенной примеси в межзеренную зону снижает избыточную энергию границ, концентрация этой примеси в зоне повышается. Установлено, что углерод снижает избыточную энергию границ, поэтому происходит межкристаллитная внутренняя адсорбция углерода по границам зерен нержавеющей стали.

Таким образом, уже при закалке атомы углерода неоднородно распределяются в твердом растворе, их концентрация по границам больше, чем в зерне. Хотя при этом не образуется карбидов хрома, однако такая повышенная концентрация углерода является как бы подготовкой для их быстрого образования. При нагреве до 500—700 °С по границам зерен образуются карбиды хрома Сr₂₃C₆ При этих температурах диффузия углерода, находящегося в твердом растворе, к границам зерен протекает быстрее, чем хрома. Поэтому на образование карбидов расходуется не только имеющийся там запас углерода, но и углерод, диффундирующий изнутри зерен. В то же время хром, необходимый для образования карбидов, поступает на первых стадиях процесса с границ или из пограничных зон аустенита. В результате содержание хрома в приграничных зонах зерен становится меньше 13 % (даже до 6,5 %) и они теряют коррозионную стойкость.

Ввиду большой опасности МКК все выплавляемые нержавеющие стали обязательно проверяют на склонность к этому виду коррозии.

Склонность к МКК нержавеющих сталей можно устранить:

1) уменьшением содержания углерода (в сталях, содержащих 0,02 % С, МКК не наблюдается);