производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 1. Коррозионностойкие стали и сплавы / Глава 1.5. Сr-Мn и Cr-Mn-Ni стали аустенитного класса

Мn, как отмечалось ранее, является аустенитообразующим элементом, который снижает температуру фазового превращения А3 и расширяет γ- область при образовании твердого раствора. Его вводят в железохромистые сплавы с целью получения двойной феррито-аустенитной структуры, а в случае наличия в сплаве 12-14 % Сr и не менее 0,1 % С - аустенита.

При содержании в стали от 10 до 15 % Сr увеличение количества Мn в пределах 6 – 28 % приводит к снижению температуры фазового превращения у а. Для получения преимущественно аустенитной структуры стали такого состава необходимое содержание Мn составляет 16 % и более. Если же Сr > 15 %, а содержание Мn составляет 22 - 28 %, при определенных температурах в стали образуется аустенит с Cr-фазой. Последняя выделяется из α - фазы и, тем самым, обедняет ее Сr, вызывая α ↔ γ превращение. Таким образом, Мn как аустенитообразующий элемент оказывает положительное влияние на структуру сталей рассматриваемой группы только при содержании Сr до 15 %. Если Сr больше, то в зависимости от количества Мn формируются следующие двух- и трехфазные структуры: α + γ при 1000 °С; α + γ и α + γ + а при 20 °С; α + γ, α + γ + α или γ + α при 700 °С.

Если для повышения коррозионной стойкости в стали вводят более 15 % Сr, то получить гомогенную структуру аустенита только путем дополнительного легирования Мn практически невозможно. Необходимы также добавки Ni, Ni и N или только N.

Хромомарганцевоникелевые стали с содержанием Сr > 18 %, Мn в пределах от 2 до 8 % и 2 % Ni имеют двухфазную аустенито-ферритную структуру, а при наличии в них более 23 % Сr -ферритную.

Введение С в хромомарганцевые и хромомарганцевоникелевые стали благоприятно сказывается на их прочностных свойствах и формировании аустенитной структуры. Легирование этих сталей карбидообразующими элементами (V, W, Nb) повышает жаропрочность металла.

Существенное влияние на механические свойства и соотношение α- и γ-фаз в хромомарганцевоникелевых сталях оказывает температура закалки. Так, например, с ее повышением у всех сталей типа Х15Н4Г14, имеющих 10-16 % Мn, уменьшается предел текучести. Магнитная проницаемость у сталей с 14 и 16 % Мn не изменяется. Если Мn меньше, то по мере увеличения температуры закатки возрастает и магнитная проницаемость, то есть в стали образуется некоторое количество α-фазы.

Типичным представителем хромомарганцевоникелевых сталей аустенитного класса является сталь 2Х13Н4Г9, в которой содержится вдвое меньше Ni, чем в таких сталях, как 1X18Н9 и 2X18Н9. Кроме того, она отличается относительно высоким содержанием С, вследствие чего приобретает достаточную коррозионную стойкость только после проведения закалки в воде с температур 1000. .. 1100 °С. В закаленном или наклепанном состояниях сталь 2Х13Н4Г9 имеет высокую сопротивляемость атмосферной коррозии. Ее обыкновенно производят в виде холоднокатаной ленты, а применяют, например, в самолетостроении для изготовления высокопрочных конструкций, которые соединяются посредством точечной или роликовой электросварки и работают в условиях влажной атмосферы. Из-за опасности возникновения МКК в сварных соединениях другие методы сварки для стали 2Х13Н4Г9 неприменимы.

Сталь 2Х13Н4Г9 после закалки имеет структуру аустенита, который при холодной пластической деформации частично переходит в мартенсит. Эта сталь отличается высокой прочностью и достаточно большим запасом пластичности.

Существует широкий ассортимент нержавеющих хромомарганцевых аустенитных сталей с 13 - 15 % Сr и пониженным по сравнению со сталью 2Х13Н4Г9 содержанием С, что обеспечивает им более высокую коррозионную стойкость. К числу таких сталей, в частности, относятся Х14Г14Н, Х14Г14НЗ, Х14Г14НЗТ и Х14Г14Н4Т. Они используются в жестких условиях эксплуатации оборудования (высокие механические нагрузки, агрессивные коррозионные среды и т.п ), а зачастую и в специальных условиях, например, в кислородном машиностроении для изготовления аппаратов, испытывающих воздействие низких температур (до минус 196 °С). Эти стали содержат от 1 (сталь Х14Г14Н) до 4 % (сталь Х14П4Н4Т) Ni, а стали Х14П4НЗТ и Х14П4Н4Т - еще и "П. Повышенное количество Ni в стали Х14Г14Н4Т снижает содержание в ней α - фазы при высоких температурах и улучшает технологические свойства при проведении пластической деформации в ходе таких операций, как производство труб методом прошивки и тонкого листа на непрерывных станах горячей прокатки.

На рисунках, показанных ниже, показано изменение механических свойств сталей Х14Г14Н и Х14Г14НЗТ при различных температурах испытаний (от минус 196 до 1200 °С). При снижении температуры прочность статей значительно возрастает, достигая максимума при минус 196 °С, а пластичность и ударная вязкость сохраняются на достаточно высоком уровне.

Рисунок 8 - Влияние температуры испытаний на механические свойства стали Х14Г14Н (0,10 % С; 0,42 % Si; 14,55 % Мn; 14,08 % Сr; 1,13 % Ni)

Однако в области низких температур применяют только хромомарганцевоникелевые стали, стабилизированные Ti, так как их ударная вязкость менее чувствительна к снижению температуры.

По мере повышения в хромомарганцевоникелевых сталях содержания Мn и Ni снижается их предел прочности, что свидетельствует о более высокой стабильности аустенита при холодной пластической деформации. Эта закономерность выполняется как для сталей с Ti, так и без него. Наибольшая стабильность аустенита у сталей данного класса при холодной пластической деформации наблюдается, когда в них содержится около 14% Мn и 4% Ni.

Что касается склонности сталей Х14Г14НЗ и Х14Г14НЗТ к мартенситному превращению, то с увеличением в них содержания Мn в пределах от 9 до 13 % значительно снижается уровень точки Мн и стабилизируется аустенит. Так, например, в случае стали Х14П4НЗТ повышение в ней количества Мп на 1 % в пределах с 9 до 13 % снижает точку Мн примерно на 20 °С, а при его содержании более 13 % влияние Мn на точку Мн становится еще эффективнее.

Рисунок 9 - Влияние температуры испытаний на механические свойства стали Х14Г4НЗТ (0,04% С; 0,37% Si; 4,35 % Мn; 14,65% Сr; 3,15% Ni; 0,35% Ti)

Хромомарганцевоникелевые стали Х14Г14Н, Х14АГ14, Х14Г14НЗ и подобные им применяют, как правило, в качестве заменителей холоднокатаных сталей марок Х18Н9 и 2X18Н9 при изготовлении прочных и легких конструкций, соединяемых точечной и роликовой электросваркой. Эти стали хорошо сопротивляются атмосферной коррозии, а сварные соединения, выполненные из них другими методами, подвержены МКК.

Другие стали этого же класса, например, Х14Г14НЗТ и Х14Г14Н4Т, используются для замены стали Х18Н10Т при производстве оборудования, работающего в слабо агрессивных средах (органические кислоты невысоких концентраций, соли, щелочи и т.п.), которые характерны для пищевой промышленности, кислородного машиностроения (температура эксплуатации до минус 196 °С) и др. Такие стали имеют хорошую свариваемость и удовлетворительную сопротивляемость МКК.

Поскольку Ni является дорогим и дефицитным металлом, а хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного класса имеют довольно низкие значения предела текучести (около 220 МПа), были разработаны стали с пониженным содержанием Ni, не уступающие стали Х18Н10Т по коррозионной стойкости и обладающие более высокой прочностью при сохранении достаточного запаса пластичности и ударной вязкости. Их особенность заключается в частичной замене Ni сочетанием Мn с N. Это позволяет с успехом заменять классические стали типа Х18Н9 и X18H10T коррозионностойкими аустенитными сталями с N.

Следует иметь в виду, что N, как и С, образует твердые растворы внедрения.

Максимальное количество N, которое можно ввести в сталь, зависит от содержания в ней Сr и Мn. Если это не учитывать в ходе легирования и вводить N в больших количествах, он не усваивается матрицей и начинает выделяться при затвердевании металла. Результатом является образование дефектов металла типа пористости, свищей, рослости слитков и др. Мn значительно повышает растворимость N в высокохромистых сталях.

Хромомарганцевые аустенитные стал и с N после закалки с 1050 °С в воде имеют аустенитную структуру и низкую магнитную проницаемость (< 1,02). Уровень точки Мн при изменении в них содержания Мn и N сильно колеблется. Например, при наличии в стали 7,5 % Мn и 0,18 % N точка Мн лежит около минус 40 °С, а при 17 % Мn и 0,18 % N она снижается до минус 196 °С.

Важная роль Mn в этих сталях заключается в стабилизации аустенита при холодной пластической деформации. Его присутствие в стали замедляет процесс фазового превращения γ → α2. Мартенситное превращение идет тем интенсивнее, чем ниже содержание Мn и чем выше деформация стали при холодной прокатке. Увеличение количества N также благоприятно сказывается на устойчивости аустенита при холодной пластической деформации хромомарганцевых сталей.

Ударная вязкость хромомарганцевых аустенитных сталей с N при 20 °С достаточно высока и мало связана с содержанием Мn. В то же время при температуре минус 196 °С значения ударной вязкости этих сталей существенно зависят от количества Мn, что обусловлено температурой начала мартенситного превращения. Только при наличии в стали около 18% Мn ударная вязкость при минус 196 °С остается на достаточно высоком уровне.

Для того чтобы получить плотный слиток азотсодержащей аустенитной стали при наличии в ней 18% Сr, 12 - 14 % Мn и 2% Ni, необходимо ввести при выплавке не более 0,2% N. При повышении содержания Ni в стали с фиксированным количеством Мn появляется возможность вводить в нее больше N.

Аустенитные и аустенито-ферритные стали с N имеют после закалки более высокую прочность, чем аустенитные стали Х18Н9 и Х18Н9Т. Они также обладают высокими пределом текучести, относительным удлинением, поперечным сужением и ударной вязкостью. Для сталей этих классов характерно снижение пластических свойств и ударной вязкости в результате отпуска при температурах 600.. .900 °С.

Повышение содержания N в сталях с различным количеством Ni и Мn не ухудшает их коррозионную стойкость в 65% -ной HNO3 при кипении.

Ni влияет на коррозионную стойкость лишь при его наличии в хромомарганцевых сталях в количестве 2-4%. При дальнейшем повышении содержания Ni скорость коррозии стали в HNO3 практически не изменяется. Если сталь обладает аустенитной структурой, то на коррозионную стойкость не оказывает существенного влияния и Мn.

Снижение коррозионной стойкостисталей при формировании двухфазной структуры γ + α можно компенсировать увеличением содержания Сr до 17-18% и более.

Широкое практическое применение имеют хромомарганцевоникелевые аустенитные стали с N и 17-19 % Сr, которые по коррозионной стойкости близки к сталям Х18Н9 и Х18Н10Т, однако значительно превосходят их по прочностным свойствам.

Необходимо иметь в виду, что способы повышения стойкости хромомарганцевых и хромомарганцевоникелевых аустенитных сталей с N к МКК несколько иные, чем хромоникелевых сталей типа Х18Н10. Поскольку Ti химически более активен к N, чем к С, его введение в сталь в качестве стабилизирующего С элемента неприемлемо, так как азот оказывается связанным с Ti в нитрид TiN и утрачивает свою функцию как аустенитообразующий элемент.

Введение Nb в аустенитные азотсодержащие нержавеющие стали позволяет снизить их склонность к МКК, но при этом около 30 % Nb расходуется на образование нитридов. Мо повышает стойкость сталей к МКК, но и одновременно расширяет критический интервал температур, вызывающих проявление этого вида коррозии. Нестабилизированные стали, содержащие не более 0,03 % С и ограниченное количество N, обладают высокой сопротивляемостью МКК.

Важнейшим требованием к сталям аустенитного класса является высокая стабильность твердого раствора. Они имеют значительную стойкость к МКК и к охрупчиванию, если содержание в них С снижено до пределов его растворимости в матрице при температуре 600...800 °С.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.