3.2.1. Коррозионностойкие стали

Большинство коррозионностойких сталей содержит одновременно и хром, и никель в количествах 13–27 % и 9–12 % соответственно, т.е. такие стали являются высоколегированными в зависимости от соотношения аустенито- и ферритообразующих элементов, могут принадлежать к различным структурным классам: ферритному, мартенситному, аустенитному или смешанным классам (мартенситно-ферритному, аустенитно-ферритному, аустенитно-мартен­ситному) (ГОСТ 5632–72).

Хром как основной элемент, обеспечивающий защиту стали от воздействия внешней среды, присутствует практически во всех коррозионно-стойких и жаростойких сталях. Хромистые стали, при содержании хрома более 12 %, имеют ферритную структуру.

Основным аустенитообразующим элементом в жаростойких сталях является никель, вдвое слабее на образование аустенита влияет марганец. Существенно расширяют аустенитную область углерод и азот. Так, если в ферритный сплав с 28 % Crввести 0,6% С, то сплав приобретает полностью аустенитную структуру.

Комплексное влияние легирующих элементов на матричную структуру сложнолегированных хромоникелевых сталей может быть оценено по специальным структурным диаграммам, наиболее распространенной из которых является диаграмма Шеффлера (рис. 3.7). Диаграмма построена в координатах «эквивалент хрома Э_Cr – эквивалент никеля Э_Ni». Эквиваленты представляют собой сумму величин: произведение массовой доли элемента в стали (обозначенное символом элемента) на соответствующий коэффициент, учитывающий влияние элемента на положение ферритной или аустенитной области:

Э_Cr = Cr + 2Si + 1,5Mo + 5V + 5,5Al + 1,75Nb + 1,5Ti + 0,75W

Э_Ni = Ni + 0,5Mn + 30C + 30N + 0,3Cu

Матричная структура сталей, как известно, определяется той структурой, которую приобретают стали после нагрева на 900°С и охлаждения на воздухе. В сложнолегированных хромоникелевых сталях она зависит от соотношения величин Э _Crи Э_Ni(рис. 3.8):

1) при Э_Cr >16 % иЭ_Ni <8 % (высокохромистый вариант) стали имеют ферритную структуру;

2) при увеличении Э_Niструктура становится смешанной, феррито-аустенитной;

3) при Э_Ni>12 % стали находятся в аустенитной области: эта область при высоких значениях хромового эквивалента ограничена аустенито-ферритной областью, а при низких его значениях – аустенито-мартенситной областью;

4) при содержании Э _Ni<19 иЭ_Cr<13 существует большая область составов сталей, которые при охлаждении на воздухе имеют мартенситную структуру.

Каждый структурный класс коррозионно-стойких сталей характеризуется определенными не только коррозионными, но и механическими и технологическими свойствами.

Стали мартенситного (20Х13, 30Х13, 40Х13, 95Х18) и мартенситно-ферритного классов (12Х13) представляют собой наиболее экономно-легированную группу коррозионно-стойких сталей и обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (растворах солей и кислот).

Стали данных классов являются наиболее прочными среди коррозионно-стойких сталей различных структурных классов (рис. 3.8). Это обусловлено их способностью к термическому упрочнению при закалке на мартенсит и отпуске. В зависимости от температуры отпуска получают различное сочетание прочности и коррозионной стойкости. После закалки и низкого отпуска (200–400ºС) стали имеют высокую коррозионную стойкость, так как весь хром находится в твердом растворе. При этом стали имеют высокую прочность (σ_в до 1600 МПа), но пониженную пластичность (δ = 3 %). В таком состоянии стали используют для изготовления инструмента.

Отпуск при 400–600°С приводит к выделению карбида хрома. При этом обеднение хромом твердого раствора и высокие внутренние напряжения вследствие образования высокодисперсных частиц способствуют ухудшению коррозионной стойкости. Подобный отпуск для сталей не применяют.

При более высокой температуре, когда карбиды хрома выделяются в виде более крупных равномерно распределенных частиц, стали обладают достаточно высокой коррозионной стойкостью. Такая термообработка обеспечивает благоприятное сочетание свойств – коррозионной стойкости, прочности, пластичности: σ_в до 960 МПа при δ = 14–20 %.

Мартенситно-ферритные стали являются менее прочными, чем мартенситные, из-за присутствия ферритной составляющей (не упрочняемой при термообработке).

Стали 30Х13, 40Х13 не применяются для сварных конструкций, их используют как материалы с повышенной твердостью для деталей, работающих на износ, а также для пружин, работающих в агрессивных средах. Для подшипников качения применяют высокоуглеродистую сталь 95Х18 (табл. 2.24).

Стали ферритного класса (08Х13, 08Х17Т, 12Х17, 15Х25Т, 15Х28 и др. – ГОСТ5632–72) как высокохромистые являются наиболее коррозионно-стойкими по сравнению со сталями других классов (см. рис. 3.8). Они обладают высоким сопротивлением коррозии в кипящих растворах кислот, горячих растворах щелочей; они стойки к питтинговой коррозии, к коррозии под напряжением. Легирование титаном не только повышает стойкость к межкристаллитной коррозии (МКК), но и снижает склонность к росту зерна при высокотемпературных нагревах.

Стали имеют наименьшую прочность среди коррозионно-стойких сталей (σ_в = 400–500 МПа, δ = 12–20 %, после отжига), так как из-за отсутствия фазовых превращений не упрочняются термической обработкой. К ним применяют только различные виды универсальных отжигов. К недостаткам сталей также относятся пониженная ударная вязкость и повышенный порог хладноломкости.

Стали удовлетворительно деформируются в горячем состоянии и неудовлетворительно – в холодном, ограниченно свариваются. Низкоуглеродистые стали свариваются аргоно-дуговой и контактной сваркой.

Стали аустенитного класса представляют собой наиболее широко распространенную группу коррозионно-стойких сталей.

По химическому составу аустенитные стали подразделят на хромоникелевые (12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 08Х12Н12Б), хромомарганцевоникелевые (10Х14Г14Н4Т), хромомарганцевые стали (12Х13АГ14Д) (ГОСТ 5632–72).

Стали аустенитного класса являются стойкими в большинстве агрессивных сред: в промышленной атмосфере, в средах окислительного характера (например, с азотной кислотой), в некоторых органических кислотах средней концентрации. Исключение составляют солянокислые и сернокислые, растворы с ионами Сl^- и SO₄^2-, которые разрушают защитную пленку, в особенности при нагреве.

Высокая коррозионная стойкость сталей достигается в состоянии с однофазной аустенитной структуры, получаемой после закалки. Максимальная растворимость в легированном никелем аустените при 20⁰С не превышает 0,04 %. При более высоких концентрациях углерода в стали технологические нагревы, связанные с проведением сварки или пайки, приводят к выделению карбидов хрома по границам зерен и развитию межкристаллитной коррозии. Для уменьшения склонности к МКК стали легируют титаном или ниобием, более сильными по сравнению с хромом карбидообразующими элементами, которые связывают выделяющийся углерод в карбиды типа МеС. Стали, легированные титаном или ниобием, называют стабилизированными, и именно их используют в сварных конструкциях.

Хромоникелевые стали обладают невысокой прочностью (σ_в = 500–550 МПа), которая может быть повышена почти втрое холодной деформацией со степенью обжатия 20 %. Стали, в которых никель полностью или частично заменен марганцем, более прочны (σ_в = 600–800 МПа). Аустенитные стали более пластичны (δ = 40–60 %), вязки, а также хладостойки по сравнению со сталями на основе ОЦК - железа.

Аустенитные стали имеют хорошие технологические свойства: высокую технологическую пластичность, хорошую свариваемость.

Недостатками аустенитных сталей являются: склонность к местным видам коррозии, щелевой, питтинговой, а также к коррозионному растрескиванию; низкий предел текучести; низкая теплопроводность; плохая обрабатываемость резанием.

Применяются стали аустенитного класса в химической промышленности для изготовления емкостного и теплообменного оборудования, в том числе и сварного; для деталей и сварных конструкций в криогенной технике, эксплуатируемых до – 269ºС.

Аустенито-ферритные стали разработаны как материал, который является более прочным (в 1,5–2 раза) и более коррозионно-стойким, чем стали аустенитного класса в таких средах, как щелочные и растворы серной кислоты. Стали содержат больше хрома и меньше никеля, чем стали аустенитного класса, что обеспечивает им двухфазную матричную структуру, в которой количество каждой фазы составляет 40–60 %. Основными марками являются 08Х22Н6Т (ЭП53) и 08Х21Н6М2Т (ЭП54) (ГОСТ 5632–72, ГОСТ 9941–81).

Аустенито-ферритные стали, так же, как и аустенитные, не упрочняются при термической обработке. Повышение прочности достигается за счет применения холодной пластической деформации.

Стали применяются для изготовления сварной химической аппаратуры (емкостей, испарителей, теплообменников, трубопроводов, арматуры), работающих в интервале от –70 до + 300°С. В судостроении и авиастроении их используют взамен стали 08Х18Н10Т.

Аустенито-мартенситные стали (марок 09Х15Н9Ю, 07Х16Н6Ю, 08Х17Н5М3) относятся к так называемым сталям переходного класса. Вследствие более низкого содержания углерода и никеля аустенит этих сталей, получаемый при закалке, не является стабильным. При последующей холодной деформации он превращается в мартенсит. В связи с этим стали отличаются хорошей технологической пластичностью и высокой прочностью, являющейся результатом фазового превращения А → М. Так, на ленте из стали 09Х15Н9Ю временное сопротивление разрыву достигает 1600 МПа. Последующее старение при температурах 400 – 500 ºС приводит к дополнительному упрочнению. Протеканию процесса старения в сталях переходного класса способствует легирование алюминием, медью, титаном, молибденом, вольфрамом, медью.