Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы

Коррозионная стойкость стали. Коррозией называют разру­шение металлов под действием окружающей среды. При этом часто металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют). В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверхности.

Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее производные), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей. К электрохимической коррозии относятся также атмосферная и почвенная коррозия.

Существует несколько видов электрохимической коррозии. Если металл однороден (например, однородный твердый раствор), то наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В неоднородном металле, что является наиболее частым случаем, коррозия носит локальный характер и охватывает только некоторые участки поверхности. Это местная или локальная коррозия в свою очередь делится на точечную, пятнистую и с язвами. Очаги пятнистой и точечной коррозии являются концентраторами напряжений. Наиболее опасна так называемая интеркристаллитная коррозия, распространяющаяся по границам зерен, вследствие более низкого их электрохимического потенциала. Коррозия без заметных внешних признаков быстро развивается по границам зерен, вглубь металла, резко снижая при этом механические свойства. Сталь, пораженная интеркристаллитной коррозией, теряет металлический звук и при изгибе дает надрывы по границам зерен в местах коррозионного разрушения металла. Кроме того, различают коррозию под напряжением, которая возникает при одновременном действии коррозионной среды и напряжений растяжения. Разновидностью этой коррозии является коррозионное растрескивание, т. е. образование в металле тонкой сетки трещин, проходящих по объему зерна при воздействии коррозионной среды и напряжений.

Сталь, устойчивую против газовой коррозии при высоких температурах (>550°С), называют окалиностойкой. Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называют коррозионностойкими, или нержавеющими. Повышение устойчивости стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах.

Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки окислов (Cr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃. Введение в сталь 5 – 8% Сr повышает окалиностойкость до 700 – 750°С; увеличение содержания хрома до 15 – 17% делает сталь окалиностойкой до 950 – 1000°С, а при введении 25% Сr сталь остается окалиностойкой до 1100°С. Легирование сталей с 25% Сr, алюминием в количестве 5% повышает окалиностойкость до 1300°С. Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. Поэтому окалиностойкость (жаростойкость) ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Составы сталей, устойчивых против электрохимической коррозии, устанавливают в зависимости от среды, для которой они предназначаются. Эти стали можно разделить на два основных класса: хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную или мартенситную структуру, и хромоникелевые, имеющие аустенитную структуру.

Хромистые нержавеющие стали. При введении в сталь 12 – 14% Сr ее электрохимический потенциал становится положительным и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосфере, морской (пресной) воде, ряде кислот, солей и щелочей. Более широко применяют нержавеющие хромистые стали 12X13, 20X13, 30X13 и 40X13*, содержащие 0,1 – 0,4% С и 12 – 14% Сr, и низкоуглеродистые (£ 0,12 – 0,15% С) стали 12X17 и 15X28 с 17 и 28% Сr.

Структурная диаграмма системы Fe – С – Сr (равновесное состояние) и положение на ней составов хромистых нержавеющих сталей разных марок приведена на рис. 4. Сталь 12X13 в равновесном состоянии относится к полуферритным, а после закалки в масле или на воздухе с высоких температур имеет структуру – мартенсит и феррит. Стали 20X13 и 30X13 в равновесном состоянии доэвтектоидные, а сталь 40X13 заэвтектоидная, испытывающие полное g«a- превращение. После охлаждения на воздухе стали 20X13, 30X13 и 40X13 имеют структуру – мартенсит, т. е. относятся к мартенситному классу.

Стали с 13% Сr обладают лучшей стойкостью против коррозии только при условии, когда все содержание хрома в стали приходится на долю твердого раствора. В этом случае он образует на поверхности плотную защитную окисную пленку типа Сr₂О₃. Увеличение содержания углерода, приводящее к образованию карбидов, создает двухфазную структуру, уменьшает количество хрома в твердом растворе и поэтому понижает коррозионную стойкость стали.

Коррозионная стойкость стали повышается термической обработкой: закалкой и высоким отпуском и созданием шлифованной и полированной поверхности.

Стали 12X13 и 20X13 применяют для клапанов гидравлических насосов, лопаток гидротурбин, арматуры крекинг-установок, предметов домашнего обихода, в пищевой промышленности и т. д. Их подвергают закалке в масле с 1000 – 1100°С и высокому отпуску при 700 – 775°С, после которого карбиды присутствуют в виде более крупных частиц. Применение более низкого отпуска, создающего мелкие карбидные частицы, усиливает коррозию. Механические свойства сталей 12X13 и 20X13 (в скобках) после указанной термической обработки находятся в следующих пределах: s_в =60 (66) кгс/мм²; s_0,2 =42 (45) кгс/мм²; d =20 (16)%; y =60 (55)% и а_н =9(8) кгс·м/см².

Рис. 4. Система Fe – C – Cr и составы нержавеющих сталей:

1 – ферритные; 2 – полуферритные; 3 – ледебурритные;

4 – заэвтектоидные; 5 – доэвтектоидные

Стали 30X13 и 40X13 используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д. Эти стали закаливают с 1000 – 1050°С в масле и отпускают при 180 – 200°С. После такого отпуска они сохраняют мартенситную структуру, высокую твердость (HRC 50 – 60) и достаточную устойчивость против коррозии. Более высокой коррозионной стойкостью обладают низкоуглеродистые высокохромистые стали ферритного класса 12X17, 15Х25Т и 15X28 (см. рис. 4). Сталь 12X17 применяется после рекристаллизационного отжига при температуре 720 – 780°С. Из этой стали изготовляют оборудование заводов, пищевой и легкой промышленности и кухонную утварь. Сварку этой стали следует избегать, так как зоны, прилегающие к сварному шву, имеют крупное зерно, низкую пластичность и относительно невысокую коррозионную стойкость.

Ферритные стали 15X25 и 15X28 используют чаще без тер­мической обработки для изготовления деталей, работающих в более агрессивных средах (кипящая азотная кислота). Эти стали обладают крупнозернистостью в литом виде и склонны к сильному росту зерна при нагреве >850°С (например, при сварке), что сопровождается охрупчиванием стали. Измельчить зерно и повысить пластичность термической обработкой нельзя, так как они не претерпевают a«g- превращений; сварные конструкции из стали 15X28 склонны к межкристаллитной коррозии.

Этот вид коррозии связан с обеднением твердого раствора хромом в местах, прилегающих к границам зерна, за счет образования карбидов хрома. Для повышения сопротивления межкристаллитной коррозии и измельчения зерна сталь легируют титаном в количестве не менее пятикратного содержания углерода (15Х25Т). Титан связывает углерод и исключает возможность образования карбидов хрома, а следовательно, обеднение хромом феррита. Ферритные стали, содержащие до 25 – 30% Сr, охрупчиваются при длительном нагреве до 450 – 500°С.

Аустенитные нержавеющие стали, обычно легированные хромом и никелем (или марганцем), после охлаждения до комнатной температуры имеют аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах. Эти стали парамагнитны.

Представителем аустенитных нержавеющих сталей являются 12Х18Н9, 17Х18Н9, содержащие 17 – 18% Сr, 8 – 10% Ni. После медленного охлаждения стали имеют структуру – аустенит (g), феррит (a) и карбиды М₂₃С₆. Для получения чисто аустенитной структуры (рис. 5), обладающей высокой коррозионной стойкостью стали нагревают выше линии SE (рис. 5) чаще до 1100 – 1150°С (для растворения карбидов) и закаливают в воде (на воздухе). Механические свойства стали 12Х18Н9 в закаленном состоянии: s_в = 52 – 60 кгс/мм², s_0,2 =20 – 23 кгс/мм², d = 50%, y= 50 – 60%.Сталь 12Х18Н9 обычно применяют в виде холоднокатаного листа или ленты. В процессе холодной пластической деформации сталь легко наклёпывается. Предел прочности после холодной деформации (60 – 70%) может быть повышен до 120 – 130 кгс/мм², при этом относительное удлинение снижается до 4 – 5%.

Стали хорошо свариваются и штампуются. При нагреве закаленной до 550 – 750°С стали, например, при сварке они охрупчиваются и приобретают склонность к межкристаллитной коррозии. Это связано с тем, что в пограничных зонах выделяются карбиды хрома М₂₃С₆ и происходит обеднение этих зон аустенита хромом, ниже того предела, т. е. 12%, который обеспечивает коррозионную стойкость. Межкристаллитная коррозия возникает лишь в тех случаях, когда карбиды М₂₃С₆ образуют сплошную или слаборазобщенную сетку по границам зерен. Разрыв сетки в результате коагуляции карбидов снижает склонность стали к межкристаллитной коррозии. Пониженное содержание хрома вокруг аустенитного зерна распространяется на толщину, не превышающую 0,8мкм. Двухфазная структура и внутренние напряжения, возникающие при образовании карбидов, затрудняющие пассивацию границ зерен, способствуют развитию коррозии.

Рис. 5. Псевдобинардная диаграмма состояния Fe – Cr – Ni – C

для разреза 18% Cr и 8% Ni

Для уменьшения склонности к интеркристаллитной коррозии в состав стали вводят титан (реже ниобий) в количестве (5 С – 0,7), где С – содержание углерода в стали (08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т). В этом случае образуется карбид МС (TiC, NbC), связывающий весь углерод, а хром остается в растворе. Для повышения стабильности аустенита количество никеля в этих сталях увеличивают до 10 – 12%. Эти стали обладают пониженной технологической пластичностью.

Высокое сопротивление межкристаллитной коррозии, хорошую пластичность и свариваемость имеют низкоуглеродистые аустенитные стали 04Х18Н10 и 03Х18Н12Т.

Стали с пониженным содержанием углерода устойчивы в азотной кислоте и используются для изготовления химической аппаратуры.

Хромоникелевые нержавеющие стали дороги. В связи с этим в некоторых случаях применяют более дешевые стали, в которых часть никеля заменена марганцем. Сталь 10Х14Г14Н3Т рекомендована как заменитель стали 12Х18Н10Т для изделий, работающих в слабоагрессивных средах (органические кислоты, соли, щелочи), например в пищевой промышленности, а также при температурах до – 196°С.

После закалки при 1050 – 1080°С в воде хромомарганцевоникелевые стали приобретают аустенитную структуру. В процессе холодной деформации они сильно упрочняются в результате наклепа и частичного превращения аустенита в мартенсит. Предел прочности стали 10Х14ГН3Т после закалки составляет 65 кгс/мм², а после холодной деформации (степень обжатия 50 – 60%) достигает 140 – 150 кгс/мм²; относительное удлинение соответственно падает с 40 до 5%.

Некоторое применение находят хромомарганцевоникелевые стали с азотом (0,15 – 0,4% N), который стабилизирует аустенит и может частично заменить никель. К числу этих сталей относятся стали 15Х17АГ14, 12Х17Г9АН14, 15Х20Г9АН4. Устойчивость против коррозии в органических кислотах, серной кислоте и морской воде повышает молибден. Для этой цели применяют стали 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М3Т. Они хорошо свариваются. Хромоникелевые нержавеющие стали 08Х18Н10, 04Х18Н10 и др. широко используют в криогенной технике для транспортировки и хранения жидких газов, оболочек топливных баков ракет, резервуаров для хранения жидкого топлива и т. д.

Высоколегированные кислотостойкие стали. Для сварных конструкций и узлов, стойких против действия горячей (до 80°С) серной кислоты, применяют низкоуглеродистую высоколегированную аустенитную сталь 06Х23Н28М3Д3Т состава: до 0,006% С; 22 – 25% Сr; 26 – 29% Ni; 0,5 – 0,9% Ti; 2,5 – 3,0% Mo; 2,5 – 3,5% Сu. Устойчивость в серной кислоте обеспечивают никель, молибден и медь. Титан уменьшает склонность стали к интеркристаллитной коррозии. После сварки изделия подвергают закалке для получения структуры однородного твердого раствора. После закалки при 1050 – 1080°С в воде сталь имеет следующие механические свойства: s_в ³ 55 кгс/мм², s_0,2 ³25 кгс/мм², d =35%, y =50% и а_н =10 кгс×м/см². Низкий предел текучести ограничивает применение этих сталей для тяжелонагруженных узлов и деталей центрифуг, сепараторов и других деталей машин. Поэтому нередко применяют дисперсионно твердеющую высоколегированную сталь Х16Н40М5Д3Т3Ю, обладающую помимо высоких механических свойств, также и хорошей устойчивостью в серной кислоте. После закалки при 1100°С на воздухе и старения при 650°С, 15 ч.сталь имеет (в среднем): s_в = 120кгс/мм², s_0,2 =65 кгс/мм², d =18% и y = 25%.

Кислотостойкие никелевые сплавы. Сплавы никеля с медью, например НМЖМц28-2,5-1,5* (монель-металл), содержит в среднем 28% Си, 2,5% F и 1,5% Мn; они обладают большой коррозионной стойкостью на воздухе, морской и пресной воде, неорганических кислотах и т. д.,

высоким пределом прочности (s_в =45 – 65 кгс/мм²) и хорошей пластичностью (d = 25 – 30%). Сплав НМЖМц28-2,5-1,5 применяют в судостроении, в нефтеобрабатывающей и фармацевтической промышленности.

Сплавы никеля с хромом (14 – 17%) и железом (6 – 10%) получили название инконель. Эти сплавы используют для изготовления различных деталей, которые должны обладать высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью в плавиковой и фосфорной кислотах, щелочах, сероводородах и других средах, а также работающих в окислительных средах при высоких температурах (до 800°С).

Сплавы никеля с молибденом (20 – 30%), называемые хастеллоем (Н60М20, Н6М27), обладают высокой устойчивостью в серной и особенно в соляной кислотах. Однако сплавы склонны к межкристаллитной коррозии после нагрева при 600 – 850°С. Легирование этих сплавов ниобием и ванадием уменьшает склонность к межкристаллитной коррозии.

Аустенитно-мартенситные нержавеющие стали. Особую группу представляют аустенитно-мартенситныенержавеющие стали, например, сталь 09Х16Н8Ю(³0,09% С; 14 – 16% Сr; 7 – 9% Ni и 0,7 – 1,3% Аl ). Эти сталинаряду с хорошей устойчивостью противатмосфернойкоррозии обладают высокими механическими свойствамиихорошо свариваются. Сталь 09Х15Н8Ю для повышения механическихсвойств подвергают закалке при 975°С, после которой структура стали – неустойчивый аустенит и небольшое количество мартенсита. В этом состоянии сталь обладает достаточно высокой пластичностью и может быть подвергнута пластической деформации и обработке резанием. После закалки сталь обрабатывают холодом в интервале от – 50 до – 75°С для перевода части (~40%) аустенита в мартенсит и подвергают отпуску (старению) при 450 – 500°С. При старении из a- твердого раствора (мартенсита) выделяются дисперсные частицы интерметаллидов типа Ni₃Al. После такой обработки сталь 09X15Н8Ю обладает следующими механическими свойствами (в среднем): s_в =120 кгс/мм²; s_0,2 =95 кгс/мм² и а_н = 4кгс·м/см².

Механические свойства указанной стали зависят от количества образовавшегося мартенсита, которое можно регулировать температурой закалки и обработкой холодом. Если количество мартенсита превышает 40%, то пластичность стали заметно падает, но прочность возрастает. Большое упрочнение стали может быть достигнуто нагартовкой предварительно закаленной на аустенит стали путем прокатки или волочения. После такой обработки большая часть аустенита превращается в мартенсит деформации.

Дальнейшее упрочнение стали достигается старением при 450 – 480°С. Сталь 09X15Н8Ю после этой упрочняющей обработки имеет следующие механические свойства: s_в =110кгс/мм², s_0,2 = 90 кгс/мм², d =14%.

Дата добавления: 2014-12-23