Сварка аустенитных сталей

Методы получения аустенита

Аустенит — это структура металла, которая в малолегированных марках возникает в диапазоне температур 550-743 ºC. Как можно сохранить эту структуру и, соответственно, свойства за границами этих t? — Ответ: методом легирования. При наполнении решетки аустенита атомами других элементов, образуются структурные искажения, а процесс восстановления ОЦК–решетки (естественное строение при нормальных температурах) сдвигается на сотни градусов. 

Как эти свойства проявляются и в каком состоянии, зависит от добавочных т. е. легирующих элементов и термической обработки детали, которую она может дополнительно получать. Причем влияют не только элементы, но их соотношение, так аустенитная сталь подразделяется на:

  • хромомарганцевую и хромникельмарганцевую (07Х21Г7AН5, 10X14AГ15, 10X14Г14H4T);
  • хромоникелевую (08Х18Н12Б, 03Х18Н11, 08X18H10T, 06X18Н11, 12X18H10T, 08X18H10;
  • высококремнистую (02Х8Н22С6, 15Х18Н12C4Т10);
  • хромоникельмолибденовую (03Х21Н21М4ГБ, 08Х17Н15М3Т, 08X17Н13M2T, 03X16H15M3, 10Х17Н13М3Т).

 

Химические элементы и их влияние на аустенит

Пособников у аустенита немного, использоваться они могут как совместно, так и частично, в зависимости от того какие свойства нужно получить:  

  • Хром — при его содержании более 13 % на поверхности образует оксидную пленку, толщиной 2-3 атома, которая исключает коррозию. В аустените хром находится свободном состоянии, при условии минимального содержания углерода, так как тот сразу образует карбид Cr23C6, что приводит к сегрегации хрома и обедняет большие участки матрицы, делая ее доступной для окисления, сам карбид Cr23C6  способствует межкристаллитной коррозии аустенита.
  • Углерод (максимальное его значение не более 10 %). Углерод в аустените находится в соединенном состоянии, основная его задача — образование карбидов, которые обладают предельной прочностью.
  • Никель — основной элемент, который стабилизирует желаемую структуру. Достаточно содержание 9-12 %, чтобы перевести сталь в аустенитный класс. Измельчает и сдерживает рост зерна, что обеспечивает высокую пластичность;
  • Азот заменяет атомы углерода, присутствие которых в сталях электрохимически стойких снижено до 0,02 %;
  • Бор — уже в тысячных процентах увеличивает пластичность, в аустените, измельчая его зерно;
  • Кремний и марганец не указываются как основные легирующие элементы в маркировке, но они являются основными или обязательными легирующими элементами аустенита, которые придают прочность и стабилизируют структуру.
  • Титан и ниобий — при температуре выше 700 °С карбид хрома распадается и образуется стойкий TiC и NiC, который не вызывает межкристаллитную коррозию, но их использование не всегда оправданно холодостойких сталях, т.к. оно повышает границу распада аустенита.

Термическая обработка

Аустенит подвергают обработке только по необходимости. Основные операции это высокотемпературный отжиг (1100-1200 °С в течение 0,5-2,5 часа) при котором устраняется хрупкость. Далее закалка с охлаждением в масле или на воздухе.

Аустенитную сталь, легированную алюминием, подвергают двойной закалке и двойной нормализации:

  1. при t 1200 °С;
  2. при t 1100 °C.

Механическая окончательная обработка проводится до закалки, но после отжига.

Межкристаллитная коррозия в аустенитных нержавеющих сталях

Склонность стали к межкристаллитной коррозии проявляется в результате выделения карбидных фаз. Поэтому при оценке коррозионных свойств стали важнейшим фактором является термокинтетические параметры образования в ней карбидов.

Склонность к межкристаллитной коррозии закаленной стали типа 18-10 определяется, в первую очередь, концентрацией углерода в твердом растворе. Повышение содержания углерода расширяет температурный интервал склонности стали к межкристаллитной коррозии.

Сталь типа 18-10 при выдержке в интервале 750-800 ºС становится склонной к межкристаллитной коррозии:

  • при содержании углерода 0,084 % – уже   в течение 1 минуты;
  • при содержании углерода 0,054 % – в течение 10 минут;
  • при содержании углерода 0,021 5 – через более чем 100 минут.

С уменьшением содержания углерода одновременно снижается температура, которая соответствует минимальной длительности изотермической выдержки до начала межкристаллитной коррозии.

Свойства аустенитных сталей

Сталь аустенитного класса образует 1-фазную структуру во время процесса кристаллизации. Ее кристаллическая решетка не изменяется даже при резком охлаждении до отрицательных температур (–200 °C). Основными компонентами аустенитных железных сплавов являются хром и никель. От доли их содержания зависят технологичность, пластичность, прочность и жаростойкость материала. Для легирования применяют следующие материалы:

  1. Ферритизаторы: титан, кремний, молибден, ниобий. Они стабилизируют структуру аустенитов и формируют объемноцентрированную кубическую решетку.
  2. Аустенизаторы: азот, марганец и углерод. Они присутствуют в избыточных фазах, формирующихся во время термообработки железных сплавов.

По свойствам материалов аустенитные модификации железа делятся на следующие типы:

  1. Коррозионностойкие (нержавеющие). В их состав входит хром (18%), никель (30%) и углерод (0,25%). Эти высоколегированные стали применяются в промышленном производстве с 1910 г. Их главным преимуществом является устойчивость к коррозии. Материал сохраняет это свойство даже при сильном нагревании, что обусловлено низким содержанием углерода. Коррозионностойкие железные сплавы производятся, согласно ГОСТ 5632-2014. В них могут присутствовать добавки из кремния, марганца, и молибдена.
  2. Жаростойкие. Они обладают ГЦК-решеткой и устойчивы к воздействию высоких температур. Этот материал можно нагревать до 1100 °C. Жаропрочные аустенитные стали применяются при изготовлении печных устройств, турбин роторов электростанций и иных приборов, работающих при помощи дизельного топлива. При производстве данной модификации железа используются дополнительные добавки из бора, ниобия, ванадия, молибдена и вольфрам. Эти химические элементы повышают жаропрочность материала.
  3. Хладостойкие. В составе этих высоколегированных сталей присутствуют хром (19%) и никель (25%). Главным достоинством материала является высокая вязкость и пластичность. Также эта модификация железа располагает высокой стойкостью к коррозии. Хладостойкие металлы сохраняют данные свойства даже при резком понижении температуры. Их главным недостатком является низкая прочность во время работы при комнатной температуре.

Аустенитная высоколегированная сталь является одной из самых дорогих модификаций железа, потому что в них содержится большое количество дорогостоящих материалов: хрома и никеля. Также на ее стоимость влияет количество дополнительных легирующих компонентов, позволяющих создавать железные сплавы с особыми свойствами. Дополнительные элементы легирования подбираются в зависимости от сложности работ, где применяются аустенит.

В аустенитных сталях могут осуществляться следующие разновидности превращений:

  1. Образование феррита при нагреве железного сплава до высоких температур.
  2. При нагреве до температуры 900 °C из аустенита начинают выделяться избыточные карбидные фазы. Во время этого процесса на аустенитной поверхности образуется межкристаллическая коррозия, постепенно разрушающая материал.
  3. Во время охлаждения аустенита до температуры 730 °C происходит эвтектоидный распад. В результате образуется перлит – модификация железных сплавов. Его микроструктура представлена в виде небольших пластин или округлых зерен.
  4. При резком понижении температуры металлического изделия формируется мартенсит – микроструктура, состоящая из пластин игольчатого или реечного вида.

Время, требуемое для превращения аустенитной стали в иные модификации железа, определяется содержанием углерода в твердом растворе и количеством дополнительных легирующих компонентов. Чем ниже эти показатели, тем быстрее охлаждается металлическое изделие.

Присутствие в сплавах

Ледебурит в основном расположен в чугунах (эвтектический, заэвтектический и доэвтектический) и нержавеющих сплавах.

Чугун

Примесь ледебурита появляется в пространстве чистого железоуглеродистого состава в пределах углеродного концентрата 2.15-6.68%.

Стоит запомнить, что эвтектический, заэвтектический и доэвтектический металлы, включают в себя несколько механизмов зарождения:

Доэвтектический. В то время как жидкая фаза в железе начинает своё охлаждение, первым процесс кристаллизации проходит аустенит, в результате чего составляющие фазы постепенно изменяются в направлении возрастания углеродной консистенции. Достигнув точки эвтектики в режиме 1145 °Cи 4.35% углерода, происходит этап перестройки ледебурита. Постепенно охлаждаясь до 726 °C, имеющиеся компоненты начинают реструктуризацию, так как аустенит объединяется с углеродом, после чего образуется цементит (вторичный). Далее, элемент, выделяясь на краях капсул аустенита, производит слияние с цементитом первичным. Пройдя охлаждение ниже 726 градусов, аустенит проводит образование в перлит.

Эвтектический. Охлаждаясь до 1145 °C, жидкий поток эвтектики ледебурита начинает единовременную кристаллизацию помеси дополнительных веществ. В конечном итоге аустенит образовывает распад на цементит и феррит.

Заэвтектический. Нагреваемый элемент проходит этап формирования из жидкого состояния в цементит первичный, образующий плоские стержни, а следом зарождается ледебурит. Комнатная температура способствует содержанию первичного цементита и ледебурита в белом заэвтектическом чугуне.

Сталь

Ледебурит образовывается в железе в том случае, если концентрация углеродной консистенции велика, но не превышает 0.8%, такой показатель соответствует инструментальной стали. Второстепенная задача – наличие содержания легирующих карбидообразующих веществ, в том числе хрома, вольфрама и титана.

Химический состав

При выборе химического состава коррозионностойкого сплава руководствуются так называемым правилом N8{\displaystyle {\frac {N}{8}}}: если к металлу, неустойчивому к коррозии (например, к железу) добавлять металл, образующий с ним твёрдый раствор и устойчивый против коррозии (к примеру хром), то защитное действие проявляется скачкообразно при введении 18,28,38…N8{\displaystyle {\frac {1}{8}},{\frac {2}{8}},{\frac {3}{8}}…{\frac {N}{8}}} моль второго металла (коррозионная стойкость возрастает не пропорционально количеству легирующего компонента, а скачкообразно). Основной легирующий элемент нержавеющей стали — хром Cr (12—20 %); помимо хрома, нержавеющая сталь содержит элементы, сопутствующие железу в его сплавах (С, Si, Mn, S, Р), а также элементы, вводимые в сталь для придания ей необходимых физико-механических свойств и коррозионной стойкости (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo).

Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома: при его содержании 13 % и выше сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % — коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах, в частности, в азотной кислоте крепостью до 50 %.

Причина коррозионной стойкости нержавеющей стали объясняется, главным образом, тем, что на поверхности хромсодержащей детали, контактирующей с агрессивной средой, образуется тонкая плёнка нерастворимых окислов, при этом большое значение имеет состояние поверхности материала, отсутствие внутренних напряжений и кристаллических дефектов.

В сильных кислотах (серной, соляной, фосфорной и их смесях) применяют сложнолегированные сплавы с высоким содержанием Ni и присадками Mo, Cu и Si.

Повышенная атмосферная коррозионностойкость стали достигается, как правило, целенаправленным изменением её химического состава. Считается, что наиболее эффективно повышают сопротивление строительных сталей атмосферной коррозии небольшие добавки никеля, хрома и, особенно, фосфора и меди. Так, легирование медью в пределах 0,2—0,4 % повышает на 20—30 % стойкость против коррозии открытых конструкций в промышленной атмосфере.

Мартенсит в хромоникелевых аустенитных сталях

В пределах марочного состава в сталях типа Х18Н10 хром, никель, углерод и азот способствуют понижению температуры мартенситного превращения, которое вызывается охлаждением или пластической деформацией.

Влияние титана и ниобия может быть двояким. Находясь в твердом растворе, оба элемента повышают устойчивость аустенита в отношении мартенситного превращения. Если же титан и ниобий связаны в карбонитриды, то они могут несколько повышать температуру мартенситного превращения. Это происходит потому, что аустенит в этом случае обедняется углеродом и азотом и становится менее устойчивым. Углерод и азот являются сильными стабилизаторами аустенита.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector