Аустенитные жаропрочные стали применяют для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых турбин и других «горячих» деталей реактивных двигателей - в основном для работы при 600- 700 °С.

Все аустенитные жаропрочные стали содержат большое количество хрома и никеля, а также добавки других элементов.

Аустенитные жаропрочные стали обладают рядом общих свойств - высокой жаропрочностью и окалиностойкостью, большой пластичностью, хорошей свариваемостью, большим коэффициентом линейного расширения. Тем не менее по сравнению с перлитными и мартенситными сталями они менее технологичны: обработка давлением и резанием этих сплавов затруднена; сварной шов обладает повышенной хрупкостью; полученное вследствие перегрева крупнозернистое строение не может быть исправлено термической обработкой, так как в этих сталях отсутствует фазовая перекристаллизация. В интервале 550-600 °С эти стали часто охрупчиваются из-за выделения по границам зерна различных фаз.

Аустенитные стали могут быть разделены на две группы:

1) не упрочняемые, термической обработкой, т. е. не склонные к дисперсионному твердению (условно назовем их гомогенными, хотя на самом деле они содержат вторые фазы, но в количествах, не вызывающих сильного эффекта старения):

2) упрочняемые термической обработкой и применяемые после закалки + отпуск. Упрочнение создается благодаря выделению карбидных, карбонитридных или йнтерметаллидных фаз. Способность к старению обусловлена наличием некоторых элементов (кроме хрома и никеля) в количествах, превосходящих предел растворимости.

Хром и никель - основные легирующие компоненты этих сталей. Первый определяет окалиностойкость, а никель - устойчивость аустенита. При недостатке никеля возможно частичное образование -фазы, что ухудшает жаропрочность.

Состав наиболее важных аустенитных жаропрочных сталей приведен в табл. 67. Стали первой (гомогенной) группы применяют как жаропрочные и как нержавеющие, поэтому более подробно о них будет изложено в следующей главе, здесь же мы ограничимся данными об их окалиностойкости и жаропрочности (см. табл. 68, 69).

Продолжительная выдержка при рабочих температурах (500- 700 °С) охрупчивает сталь из-за выделения избыточных фаз по границам зерен (рис. 336) и образования так называемой -фазы (сигматизация), представляющей собой интерметаллид типа Эти превращения протекают весьма медленно.

Стали второй группы, в отличие от первой, нестабильны и склонны к упрочнению вследствие распада твердого раствора (вязкость при этом снижается).

Термическая обработка этих сталей заключается в закалке при 1050-1100°С в воде и отпуске - старении при 600-750 °С. Этот отпуск - старение вызывает повышение твердости вследствие

Таблица 67. (см. скан) Состав аустенитных жаропрочных сталей (ГОСТ 5632-72), %

Рис. 336. Микроструктура аустенитиой жаропрочной стали, а - после закалки; б - после старения при 650 °С

дисперсионного твердения: избыточные фазы при старении выделяются преимущественно по границам зерен (см. рис. 336).

Конечно, цель такой термической обработки - повышение жаропрочности; аустенитные стали второй группы обладают жаропрочностью

более высокой, чем гомогенные аустенитные стали, что объясняется тонким распределением второй фазы, однако это является преимуществом только при кратковременных сроках службы; при длительных сроках службы избыточная упрочняющая фаза скоагулирует, и тогда гомогенные сплавы могут превзойти по жаропрочности дисперсионно твердеющие.

Это видно из сопоставления данных, приведенных в табл. 68 и 69.

Таблица 68. (см. скан) Свойства некоторых аустенитных сталей (гомогенных)

Таблица 69. (см. скан) Жаропрочные свойства некоторых дисперсионно твердеющих аустенитных сталей

Кроме этих сталей более или менее широкого назначения, имеются аустенитные жаропрочные стали более узкого применения: для литых деталей высокой окалиностойкости (детали печей, например реторты), листовой обшивочный материал, подвергаемый нагреву и т. д.

Составы некоторых из этих специальных жаропрочных и окалиностойких сплавов с указанием их окалиностойкости приведены в табл. 62.

Согласно экспертным оценкам, в течение года потери металла от коррозионных явлений в различных отраслях составляют до 30% от производимого в России металлопроката. Особенно велики такие потери для деталей трубопроводов и внешних металлоконструкций. Антикоррозионная защита стальных деталей путём их окраски или нанесения поверхностного защитного покрытия не всегда эффективна. Именно поэтому спрос на специальные нержавеющие стали всегда устойчив.

Виды и классификация нержавеющих сталей

Характерная особенность всех видов нержавеющей стали – наличие в их химическом составе значительного процента хрома . Специальные требования к рассматриваемой категории сталей оговариваются сразу несколькими стандартами:

Кроме того, коррозиестойкую сталь выпускают также по нескольким отраслевым стандартам и ТУ.

Обрабатываемость

Поскольку практически весь производимый металлопрокат в дальнейшем подвергается пластическому деформированию, наиболее объективной считается классификация нержавеющих сталей по их структуре.

Различают нержавеющие стали:

• Мартенситного класса , отличительной особенностью которых является содержание углерода в пределах 0,15…0,45%;
• Мартенситно-ферритного класса , которые содержат углерод в количестве не более 0,15%;
• Ферритного класса , с содержанием углерода не более 0,1…0,15% и отсутствием никеля в своём составе;
• Аустенитного класса (они, в свою очередь, имеют ещё несколько подклассов), отличительной особенностью которых считается увеличенное содержание легирующих элементов. В частности, в такие стали дополнительно вводятся вольфрам и молибден, а иногда – ещё титан и алюминий.

Разнообразие структур предопределяет различные требования к обработке нержавеющих сталей и свойствам изготовленных из них деталей.

Стали ферритного класса

К такому типу относятся нержавеющие стали 08Х13, 08Х13Т1, 10Х13СЮ и им подобные . Отличительная особенность таких сталей — заметная потеря прочностных показателей уже при сравнительно невысоких температурах (до 300…400 0 С). Это облегчает деформируемость, поскольку во многих случаях штамповку можно проводить с холодном или полугорячем состоянии. При этом возможно получение поковок и штамповок с довольно сложной конфигурацией при относительно невысоких удельных усилиях и энергозатратах.

Особенно хорошо деформируются нержавеющие стали с пониженным процентным содержанием никеля, например 12Х13. При резке они образуют чистый срез и не налипают на рабочий инструмент. Однако листовую штамповку таких сталей можно прожить только в отожженном состоянии, поскольку при значительных степенях деформации они упрочняются, и могут, например, в процессе вытяжки без межоперационного отжига, разрушиться. Нержавеющие стали ферритного класса хорошо обрабатываются и в объёмных профилях – проволоке или прутке.

Для обеспечения высокого качества готовых изделий из нержавеющих сталей ферритного класса следуют правилу: с повышением процентного содержания углерода процент хрома должен пропорционально уменьшаться. При этих условиях обработка сталей рассматриваемой группы обычно проблем не вызывает.

Стали мартенситно-ферритного класса

В эту группу входят нержавеющие стали марок 12Х13, 14Х17Н2, 15Х12ВНМФ и т.д. Они характеризуются повышенным содержанием углерода и, следовательно, снижением общей штампуемости. Такие стали способны сохранять свою прочность до температур 500 0 С и даже более, поэтому холодная пластическая деформация проката успешна лишь для деталей простой формы. Листовые материалы из сталей рассматриваемого типа в холодном состоянии удовлетворительно поддаются вырубке и пробивке . В то же время для совершения гибки, формовки и вытяжки исходные заготовки придётся нагревать . Это не ухудшает их качества, но увеличивает себестоимость производства.

Особенностью технологии обработки нержавеющих сталей мартенситно-ферритного класса является необходимость в снижении трения при штамповке или механической обработке. Проблема решается введением дополнительных операций, которые заключаются в нанесении на поверхность исходных заготовок специальных покрытий, уменьшающих коэффициент трения при сложном формоизменении. Наиболее эффективно оксалатирование – покрытие поверхности солями щавелевой кислоты. Такое покрытие чаще применяют в технологиях объёмной штамповки.

Стали мартенситного класса

Типичные представители сталей указанной группы – 20Х12ВНМФ, 25Х13Н2, 40Х9С2 . Содержание хрома в них достигает 13…14% , что негативно сказывается на последующей обрабатываемости проката , как листового, так и профильного. Требуемых по технологии показателей штампуемости нержавеющие стали мартенситного класса достигают лишь при нагреве до температур не ниже 800 0 С. При этом нагрев заготовок ведут в печах с пониженным содержанием кислорода, либо вообще в среде инертных газов, поскольку антикоррозионная способность таких сталей сохраняется на должном уровне лишь до 750…850 0 С.

Поскольку предварительный отжиг таких сталей сокращает время нагрева в печах под последующую штамповку (без ухудшения качества поверхности металла), то к механической обработке обычно допускают прокат в ненагартованном состоянии. Увеличение процентного содержания никеля при этом благоприятно влияет на штампуемость , а увеличение процента кремния – снижает её .

Стали этого класса получили наиболее широкое распространение в промышленности и строительства.

В частности, удовлетворительная свариваемость позволяет использовать детали из нержавеющих мартенситных сталей при прокладке крупных трубопроводов. В то же время достаточные прочностные показатели обеспечивают готовым изделиям хорошую долговечность при значительных внешних нагрузках (особенно при наличии вибраций).

Стали аустенитного класса

К ним относят аустенитные (08Х17Н13М2Т, 20Х25Н20С2, 45Х14Н14В2М и т.п.) , аустенитно-ферритные (12Х21Н5Т, 20Х20Н14С2 и т.п.) , а также аустенитно-мартенситные (09Х15Н8Ю, 20Х13Н4Г9 и т.п.) стали.

Обработка таких сталей, из-за значительного содержания легирующих элементов, выполняется только в горячем состоянии. Помимо высокой прочности, которая сохраняется и при повышенных температурах, такие стали отличаются:

• Отсутствием процессов фазовой перекристаллизации , которая положительно влияет на пластичность;
• Низкой теплопроводностью , повышающей требования к технологии нагрева заготовок;
• Наличием гетерогенной структуры , которая имеет существенную неоднородность;
• Склонностью к росту зерна при нагреве , что отрицательно сказывается на пластичности:
• Требовательностью к точному соблюдению режимов нагрева (температурные отклонения свыше 50 0 С не допускаются).

Перед предварительной проковкой заготовки проходят контроль макроструктуры, в ходе которого устанавливаются возможные дефекты структуры (неметаллические включения, пустоты, заполненные азотом, наличие хрупких составляющих в растворе аустенита и т.д.). Поэтому нержавеющие стали аустенитного класса чаще производятся по технологии электрошлакового переплава.

Горячую обработку давлением таких сталей ведут при температурах 1050…1250 0 С (с увеличением процентного содержания углерода и легирующих компонентов температура увеличивается). Обращается внимание также на предельные значения степени деформации за одну проковку, которая не должна превышать 30…50%.

Рациональные области применения и способы проверки стойкости

Для верного выбора марки такой стали необходимо знать условия, в которых будет эксплуатироваться деталь , изготовленная из неё. В частности, выбор предопределяется:

1. Постоянным наличием коррозионно активной среды – воды при повышенной температуре от 200 0 С и выше, водносолевых растворов, водных паров и т.д.
2. Электрохимической коррозией , которую вызывают блуждающие токи.
3. Наличия знакопеременных нагрузок при эксплуатации изделия.
4. Контактом со стерильными, пищевыми или химически чистыми веществами .

С ужесточением всех вышеперечисленных требований предпочтение отдают нержавеющим сталям с увеличенным процентным содержанием хрома, титана, молибдена никеля. При этом непосредственно на коррозионную стойкость влияет хром. Молибден, ванадий и никель обеспечивают механическую прочность изделия, а титан и алюминий снижают вес металлоконструкции.

При длительной эксплуатации все изделия, изготовленные из нержавеющих сталей, периодически подвергают неразрушающему контролю. В его ходе устанавливается наличие возможных точечных пятен поверхностной коррозии, а по изменению удельного электросопротивления – начало межзёренной и/или междукристаллитной коррозии.

Хромоникелевые стали. Введение в сталь никеля сильно расширяет у-область, снижает температуру мартеиситного превращения и при 8(% Ni сталь с 18 % Cr и 0,1 % С пере­ходит в класс аустенитных. Мартенситная точка Mb при охлаждении для этих сталей лежит несколько ниже комнат­ной температуры, а мартенситная точка при деформации Мд - выше.

Точное положение Mn сталей типа 18-8 определяется со­отношением хрома, углерода, никеля и примесей в стадии меняется в широких пределах от 0 до (-180)-^(-190) 0C.

Мартенсит может быть получен пластической деформа­цией или обработкой холодом. Важно отметить, что состав 18 % Cr-8|% Ni при 0,1 % С требует минимального количе­ства никеля (рис. 170) для обеспечения аустенитной струк­туры, т. е. является наиболее экономически выгодным, что и определило широкую распространенность сталей этого типа.

Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (проч­ность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аусте­нитные коррозионностойкие стали нашли широкое приме­нение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения.

В хромоникелевых аустенитных сталях промышленных плавок возможны следующие фазовые превращения: 1) об­разование карбидных, карбонитридных фаз и сг-фазы при нагревах в интервале 650-850 0C; 2) растворение этих фаз при нагреве до более высоких температур (1100-1200°С); 3) образование б-феррита при высокотемпературных нагре­вах; 4) образование а - и е-мартенситных фаз при охлаж­дении и пластической деформации.

Выделение карбонитридных фаз происходит преимуще­ственно по границам зерен, что снижает пластичность ста­лей и их сопротивление МКК. Резко охрупчиваются стали при образовании а-фазы.

Присутствие в структуре стали 6-феррита отрицательно сказывает­ся иа ее технологичности, особенно при горячей обработке давлением. Поэтому в сталях, подвергающихся прокатке, ковке, штамповке, при повышенных температурах количество 6-феррита строго лимитируется-

Рис. 170. Схема термической обработки ауетенитиых нержавеющих сталей1 (Е. А. Ульянин):

А - нестабилизированных; 6 - стабилизирующих Ti или Nb

Так, в сталях типа 10Х18Н9Т при нагреве до 1200 0C может образовать­ся до 40-45 % 6-феррита, а в сталях 10Х18Н10Т, 10Х18Н12Б до 15- 20 % б-феррита. Поэтому при выплавке этих сталей требуется обеспе­чить отношение Cr/Ni

Ниобий и титан, находясь в твердом растворе (аустените), снижают температуру мартенситного превращения, а при выделении их в карбо - иитридиых фазах происходит обеднение аустенита углеродом и азотом, и мартенситиая точка повышается.

Присутствие б-феррита понижает мартенситную точку, так как при его образовании происходит перераспределение легирующих элементов и у-фаза обогащается аустеиитообразующими элементами.

Целью. термической обработки является получение аус­тенитной структуры, снятие внутренних напряжений и уст­ранение склонности к МКК, которая возникает при сварке, горячей обработке давлением или других технологических операциях.

Термическая обработка иестабилизированных титаном и ниобием хромоникелевых аустенитных сталей (например, 12Х18Н9) заключается в закалке из однофазной аустенит­ной области (от IOOO0C) в воду (закалка без полиморфно­го превращения) (см. рис. 170,а). Считается, что закалку следует проводить от температур несколько выше темпера­туры растворения хромистых карбидов (7р), причем чем выше содержание углерода в стали, тем от более высоких температур проводят закалку.

Стали, стабилизированные титаном или ниобием, зака­ливают из двухфазной области аустенита и специальных карбидов TiC (или NbC), причем температура закалки не зависит от содержания углерода и составляет обычно 1000-IlOO0C, чаще всего 1050°С (см. рис. 170,6). Более высокие температуры нецелесообразны из-за возможного роста зерна и начала растворения специальных карбидов.

После закалки стали приобретают оптимальное сочета­ние характеристик механических свойств и коррозионной стойкости.

Недостатком закалки является необходимость нагрева до высоких температур, быстрого охлаждения, что часто трудно технологически осуществить и вызывает коробле­ние конструкции. Стабилизирующий отжиг для сталей без титана и ииобия (рис. 170, а) преследует цель повышения концентрации хрома на границе аустенит - карбид, что приводит сталь в состояние высокого сопротивления МКК. Несмотря на присутствие карбидов хрома в сталях после отжига при 850-950 °С, они не склонны к MKK-

Для сталей, легированных титаном и ниобием, в процес­се отжига возможно превращение карбидов хрома в специ­альные карбиды TiC или NbC, что также, устраняет склон­ность к MKK (см. рис. 170,6). Температура стабилизиру­ющего отжига обычно составляет 850-950 0C. Отжиг до­пускает бодее медленное охлаждение, обычно на воздухе, и более эффективен для стабилизированных сталей.

Хромомарганцевоникелевые и хромомарганцевые стали. Марганец, как и никель, является аустенитообразующим элементом, однако он обладает менее сильным действием на стабилизацию аустенита. Из рис. 171 видно, что аусте- нитиую структуру в Cr-Mn сталях можно получить только при содержании >15,% Mn и <15 % Cr. При других соот­ношениях легирующих элементов структура сталей получит­ся двухфазной (аустенит+феррит или мартенсит или а-фа~ за). Поэтому при замене никеля марганцем приходится по­нижать содержание хрома или заменять никель частично, или дополнительно легировать стали таким сильным аусте - нитообразующим элементом, как азот. В табл. 33 приведе­ны состав и свойства хромомарганцевой стали с азотом 10Х14АГ15 (0,15-0,25 % N) и хромомарганцевоникелевой

Стали 10Х14Г14Н4Т, нашедших применение в промышленности (в основном в торговом и пи­щевом машиностроении). Кро­ме этих сталей, применяют так­же стали 20Х13Н4Г9, 12Х17Г9АН4 и др.

Коррозионная стойкость is Mn хромомарганцевых и хромо-

Марганцевоникелевых сталей

Рис. 171. Структурная диаграм - ВО МНОГИХ ЭГреССИВНЫХ среДЭХ

За\алГеотЫп^сгТГф?0хие достаточно высокая, однако в мушии) средах высокой агрессивности

(например, азотная кислота, среды с галогенами, сульфа­тами, сульфидами) марганец оказывает отрицательное влияние на сопротивление коррозии.

Поэтому коррозиониостойкие хромомарганцевые стали следует применять только после тщательных испытаний на коррозионную стойкость в рабочей среде. В настоящее вре­мя в технике накоплен большой опыт по рациональному использованию сталей с частичной или полной заменой ни­келя марганцем в качестве коррозионностойкого материала.

При нагреве этих сталей (550-800 0C) в них по границам зерен вы­деляются карбиды типа Сг2зСб, при этом скорость процессов выделения определяется содержанием углерода. При наличии в сталях азота ста­билизация титаном не устраняет склонности к МКК, так как могут об­разовываться нитриды титана. Поэтому для предотвращения склонности к MKK в этих сталях требуется понижать содержание углерода «0,03 %).

Хромомарганцевые стали имеют более высокие прочностные свойст­ва, чем хромоникелевые, и большую склонность к образованию мартен­сита при деформации. Следует отметить, что хромомарганцевые аусте­нитные стали сильнее упрочняются при пластической деформации, чем хромоникелевые, даже без учета мартенсита деформации, т. е. при дефор­мации выше Mn. Это обычно связывают с вероятностью образования и величиной энергии дефектов упаковки: никель повышает, а марганец понижает вероятность образования дефектов упаковки в аустените.

Термическая обработка этих сталей заключается в за­калке от 1000-IlOO0C с целью обеспечения аустенитной структуры, снятия предшествующего наклепа и устранения склонности к МКК.

Выдержка под закалку хромомарганцевых сталей дол­жна быть минимальной, так как марганец имеет тенденцию к избирательному окислению при высоких температурах, в результате чего поверхностные слои обедняются марган­цем и могут приобретать феррито-аустенитную структуру, что является нежелательным явлением. Эти стали применя­ют как заменители хромоникелевых сталей в средах сред­ней агрессивности, их используют в широких диапазонах температур.

4. Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные стали

Аустенито-ферритные стали. Преимущество сталей этой группы - повышенный предел текучести по сравнению с аустенитными однофазными сталями, отсутствие склонно­сти к росту зерна при сохранении двухфазной структуры, меньшее содержание остродефицитного никеля и хорошая свариваемость, меньшая склонность к МКК. Состав, режи­мы термической обработки и свойства некоторых аустени - то-ферритных сталей приведены в табл. 34.

Повышенное сопротивление MKK объясняют более мел­козернистой структурой двухфазных сталей, что приводит к меньшей концентрации карбидных фаз по границам (вы­делением карбидов типа Me23C6 на границе б-у-фаз). По­скольку условия проявления MKK в этих фазах разные, то - концентрация хрома в приграничных участках не опуска­ется ниже допустимого уровня. Так как концентрация уг­лерода в аустените выше, чем в феррите, карбиды выделя­ются по границам, не образуя непрерывной сетки.

Аустенито-ферритные стали находят широкое примене­ние в различных отраслях современной техники, особенно - в химическом машиностроении, судостроении, авиации.

Принципиальное отличие сталей аустенито-ферритного - класса в том, что благодаря более высокому содержанию в них хрома аустенит становится более устойчивым по от­ношению к мартенситному превращению, хотя полностью - исключить возможность образования мартенсита в этих сталях не всегда удается.

Аустенито-ферритные стали весьма сложны по химиче­скому составу, могут иметь в структуре различное соотно­шение аустенитной и ферритной фаз. В них могут происхо­дить следующие основные фазовые превращения:

Таблица 34. Состав и механические свойства аустеиито-ферритных и аустенито-мартенситных коррозионностойких сталей

Марка стали		Режим термической
			ДРУ - гие	Обработки
		Аустенито-ферритные стали
					Закалка 1050 0C
				Деформация 35 %
					Закалка 1050 °С
Ч18Х18Г8Н2Т					Закалка 1000 °С
		Аустенито-мартенситные стали
					Закалка IOOO0C
					Обработка холодом
					70 0C1 2 ч, отпуск
					Закалка 975 "С, об­
					Работка холодом
					70°С, 2 ч, старение
				Нормализация 950 0C1
					Обработка холодом
					70 "С, 2 ч, старение
					450 °С, 1 ч, деформа­

1. Изменение количества аустенита и феррита в зависи­мости от температуры нагрева (в соответствии с положени-: - ем линий на диаграмме состояния).

2. Распад 6-феррита с образованием а-фазы и вторично - : го аустенита.

3. Выделение карбидных, нитридных и интерметаллид-j ных фаз, которое может происходить как из аустенита, так я из феррита.

5. Процессы охрупчивания ферритной фазы, связанные с явлениями упорядочения и расслоения («хрупкость 475 °С»). I

Возможность протекания в аустенито-ферритных сталях; сложных фазовых превращений в различных интервалах, температур накладывает существенные ограничения на ре-] жимы их технологии производства и области применения. |

Присутствие б-феррита резко ухудшает пластичность сталей при го­рячей обработке давлением, особенно при прокатке и прошивке труб, что связывают с различным сопротивлением феррита и аустенита де­формированию, с разной скоростью рекристаллизации: менее прочные и быстро рекристаллизующиеся зерна феррита приводят к локализации в них пластической деформации и концентрации напряжений.

На рис. 172 приведена зависимость технологической пластичности двухфазных сталей от количественного соотношения а и у фаз. Видно,

Б о, г, МПа

Рис. 172. Влияние соотношения а- и v-фаз на технологическую пластичность ста­лей при высоких температурах (А. А. Бабаков, М. В. Прнданцев):

1 - хорошая; 2 - пониженная; 3 - плокая

О го 40 60 80 700о, % WO 80 60 40 20 О/,%

Al C1N1Ni1Cr1MO

Легирование

Рис. 173. Изменение предела текучестк нержавеющих сталей в зависимости от легирования после различной обработки:

/ - закалка; 2-закалка в обработка холодом; 3 - закалка, обработка холодом и старение.1 - мартеиситный класс;II - аустенитио-мартенситный класс;III - Аустеиитный класс

Что наиболее пластичны однофазные сплавы, однако можно подобрать такой режим прокатки, при котором пластичность двухфазных сталей будет вполне достаточной для производства.

По данным завода «Серп и молот», наиболее высокая пластич­ность аустенито-ферритных сталей наблюдается в интервале 950- 1050 °С, что объясняется наименьшей разницей в свойствах ферритиой. и аустенитной составляющих (И. Я. Сокол). Этим же объясняется по­ложительное влияние на горячую пластичность кремния, который силь­нее упрочняет феррит.

На аустенито-ферритных сталях проявляется эффект сверхпластич­ности, который заключается в очень высокой пластичности (до 300- 600 %) этих сталей без наклепа в определенных интервалах темпера­тур и скоростей деформации и объясняется образованием особой мелко­зернистой двухфазной структуры (величина зерна 2-3 мкм), получив­шей в литературе название микродуплекс.

Промежуточную термическую обработку сталей этого - класса проводят обычно для снятия наклепа при произ­водстве тонкого листа или проволоки. При этом после смягчающей термической обработки или горячей деформа­ции охлаждение от 900-IOOO0C должно быть ускоренным, чтобы предотвратить охрупчивание.

Температуру закалки этих сталей выбирают в зависи­мости от состава и назначения детали; она обычно состав­ляет 900-IlOO0C. Стали, предназначенные для сварных деталей, подвергают отпуску для снятия напряжений, при­чем температуры и время отпуска выбирают с учетом пре­дотвращения охрупчивания стали в интервале «хрупкости 475 °С» и охрупчивания вследствие сигматизации сталей в интервале 650-850 °С.

Аустенито-мартенситные стали. Потребности новых от­раслей современной техники в коррозионностойких сталях повышенной прочности и технологичности привели к разра­ботке сталей аустенито-мартенситного (переходного) класса.

Структура этих сталей после закалки представляет со­бой неустойчивый (метастабильный) аустенит, который мо­жет претерпевать мартенситное у->ам-превращение в ре­зультате обработки холодом или пластической деформации ниже Мд. Свойства определяются соотношением количест­ва аустенита и мартенсита в структуре. Изменения прочно­стных свойств в зависимости от содержания легирующих элементов в сталях мартенситного (I), переходного (//) и аустенитного (III) классов приведены на рис. 173.

Температура Ma в этих сталях должна лежать ниже комнатной, но не настолько низко, чтобы сталь была Ста­бильной при обработке холодом. В аустенито-мартенсит - ных сталях может образовываться некоторое количество 6-феррита, однако его присутствие в структуре ограничивав ют из-за возможного охрупчивания сталей и снижения уров­ня прочности.

Состав сталей этого типа приходится строго контроли­ровать для поддержания сбалансированного содержания - феррито - и аустенитообразующих элементов и заданной температуры мартенситного превращения. Накопленный экспериментальный материал позволяет ориентировочно оценить действие различных легирующих элементов на со-; держание б-феррита и положение точки Mh в сталях этого] типа, что позволяет рассчитать состав стали. Ниже показа-; но влияние легирующих элементов на количество 6-ферри­та и положение мартенситной точки сталей переходного класса (Ф. Б. Пикеринг):

Легирующий эле­мент……..

Дополнительное упрочнение этих сталей может быть по­лучено в результате дисперсионного твердения мартенсита при температурах 400-500 0C. Для этого в стали вводят такие элементы^ как алюминий, медь, титан. В этом случае в сталях возможно выделение интерметаллидной фазы NiAl, когерентной с о. ц. к.-матрицей, и NiTi или Ni (Al, Ti), также имеющих о. ц. к. структуру; при введении меди обра­зуются комплексы, очень богатые медью (предположитель­но твердый раствор никеля в меди).

В процессе отпуска в сталях выделяются карбонитри­ды молибдена и ванадия, что также повышает прочность. Однако в результате старения падают характеристики пла­стичности, поэтому при легировании сталей стремятся к максимальному выигрышу в прочности при заданных ха­рактеристиках пластичности.

Экспериментально установлено, что оптимальное сочета­ние прочности и пластичности обеспечивает легирование молибденом и алюминием, что объясняет наиболее широ­кое распространение сталей соответствующих композиций.

— это коррозионностойкие хромоникелевые аустенитные стали, которые в мировой практике известны как стали типа 18-10. Это наименование им дает номинальное содержание в них 18 % хрома и 10 % никеля.

Хромоникелевые аустенитные стали в ГОСТ 5632-72

В ГОСТ 5632-72 хромоникелевые аустенитные стали представлены марками 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х18Н10, 03Х18Н11.

Роль хрома в аустенитных нержавеющих сталях

Основным элементом, дающим сталям типа 18-10 высокую коррозионную стойкость, является хром. заключается в том, что он обеспечивает способность стали к пассивации. Наличие в стали хрома в количестве 18 % делает ее стойкой во многих окислительных средах, в том числе в азотной кислоте в большом диапазоне, как по концентрации, так и по температуре.

Роль никеля в аустенитных нержавеющих сталях

Легирование никелем в количестве 9-12 % переводит сталь в аустенитный класс. Это обеспечивает стали высокую технологичность, в частности, повышение пластичности и снижение склонности к росту зерна, а также уникальные служебные свойства. Стали типа 18-10 широко применяют в качестве коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и криогенных материалов.

Фазовые превращения в аустенитных нержавеющих сталях

В хромоникелевых аустенитных сталях могут происходить следующие фазовые превращения:

• выделение избыточных карбидных фаз и σ-фазы при нагреве в интервале в интервале 450-900 ºС;
• образование в аустенитной основе δ-феррита при высокотемпературном нагреве;
• образование α-фазы мартенситного типа при холодной пластической деформации или охлаждении ниже комнатной температуры.

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.

Сварка аустенитных нержавеющих сталей

Необходимую степень стойкости стали против межкристаллитной коррозии, позволяющей выполнять сварку достаточно толстых сечений, обеспечивает содержание углерода в стали типа 18-10 не более 0,03 %.

Межкристаллитная коррозия при 500-600 ºС

Стабилизация стали титаном и ниобием

При введении в хромоникелевую сталь типа 18-10 титана и ниобия, которые способствуют образования карбидов, меняются условия выделения карбидных фаз. При относительно низких температурах 450-700 ºС преимущественно выделяются карбиды типа Cr 23 C 6 , которые и дают склонность к межкристаллитной коррозии. При температурах выше 700 ºС преимущественно выделяются специальные карбиды типа TiC или NbC. При выделении только специальных карбидов склонности к межкристаллитной коррозии не возникает.

Азот в аустенитных нержавеющих сталях

Азот, как и углерод, имеет переменную растворимость в аустените. Азот может образовывать при охлаждении и изотермической выдержке самостоятельные нитридные фазы или входить в состав карбидов, замещая в них углерод. Влияние азота на склонность к межкристаллитной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей значительно слабее, чем у углерода, и начинает проявляться только при содержании его более 0,10-0,15 %. Вместе с тем, введение азота повышает прочность хромоникелевой аустенитной стали. Поэтому на практике применяют в этих сталях небольшие добавки азота.

Влияние содержания хрома

С повышением концентрации хрома растворимость углерода в хромоникелевом аустените уменьшается, что облегчает выделение в нем карбидной фазы. Это, в частности, подтверждается снижением ударной вязкости стали с повышением содержания хрома, что связывают с образованием карбидной сетки по границам зерен.

Вместе с тем, повышение концентрации хрома в аустените приводит к существенному снижению склонности стали к межкристаллитной коррозии. Это объясняют тем, что хром существенно повышает коррозионную стойкость стали. Более высокая концентрация хрома в стали дает меньшую степень обеднения им границ зерен при выделении там карбидов.

Влияние содержания никеля

Никель снижает растворимость углерода в аустените и тем самым снижает ударную вязкость стали после отпуска и повышает ее склонность к межкристаллитной коррозии.

Влияние легирующих элементов на структуру стали

По характеру влияния легирующих и примесных элементов на структуру хромоникелевых аустенитных сталей при высокотемпературных нагревах их разделяют на две группы:
1) ферритообразующие элементы: хром, титан, ниобий, кремний;
2) аустенитообразующие элементы: никель, углерод, азот.

Дельта-феррит в хромомолибденовой аустенитной стали

Присутствие дельта-феррита в структуре аустенитной хромоникелевой стали типа 18-10 оказывает отрицательное влияние на ее технологичность при горячей пластической деформации – прокатке, прошивке, ковке, штамповке.

Количество феррита в стали жестко лимитируется соотношением в ней хрома и никеля, а также технологическими средствами. Наиболее склонна к образованию дельта-феррита группа сталей типа Х18Н9Т (см. также ). При нагреве этих сталей до 1200 ºС в структуре может содержаться до 40-45 % дельта-феррита. Наиболее стабильными являются стали типа Х18Н11 и Х18Н12, которые при высокотемпературном нагреве сохраняют практически чисто аустенитную структуру.

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.

Термическая обработка хромоникелевых аустенитных сталей

Для хромоникелевых аустенитных сталей возможны два вида термической обработки:

• закалка и
• стабилизирующий отжиг.

Параметры термической обработки отличаются для нестабилизированных сталей и сталей, стабилизированных титаном или ниобием.

Закалка является эффективным средством предупреждения межкристаллитной коррозии и придания стали оптимального сочетания механических и коррозионных свойства.

Стабилизирующий отжиг закаленной стали переводит карбиды хрома:

• в неопасное для межкристаллитной коррозии состояние для нестабилизированных сталей;
• в специальные карбиды для стабилизированных сталей.

Закалка аустенитных хромоникелевых сталей

В сталях без добавок титана и ниобия под закалкой понимают нагрев выше температуры растворения карбидов хрома и достаточно быстрое охлаждение, фиксирующее гомогенный гамма-раствор. Температура нагрева под закалку с увеличением содержания углерода возрастает. Поэтому низкоуглеродистые стали закаливаются с более низких температур, чем высокоуглеродистые. В целом интервал температуры нагрева составляет от 900 до 1100 ºС.

Длительность выдержки стали при температуре закалки довольно невелика. Например, для листового материала суммарное время нагрева и выдержки при нагреве до 1000-1050 ºС обычно выбирают из расчета 1-3 минуты на 1 мм толщины.

Охлаждение с температуры закалки должно быть быстрым. Для нестабилизированных сталей с содержанием углерода более 0,03 % применяют охлаждение в воде. Стали с меньшим содержанием углерода и при небольшом сечении изделия охлаждают на воздухе.

Стабилизирующий отжиг аустенитных хромоникелевых сталей

В нестабилизированных сталях отжиг проводят в интервале температур между температурой нагрева под закалку и максимальной температуры проявления межкристаллитной коррозии. Величина этого интервала в первую очередь зависит от содержания хрома в стали и увеличивается с повышением его концентрации.

В стабилизированных сталях отжиг проводят для перевода углерода из карбидов хрома в специальные карбиды титана и ниобия. При этом освобождающийся хром идет на повышение коррозионной стойкости стали. Температура отжига обычно составляет 850-950 ºС.

Стойкость аустенитных хромоникелевых сталей к кислотам

Способность к пассивации обеспечивает хромоникелевым аустенитным сталям достаточно высокую стойкость в азотной кислоте. Стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Б и 02Х18Н11 имеют первый балл стойкости:

• в 65 %-ной азотной кислоте при температуре до 85 ºС;
• в 80 %-ной азотной кислоте при температуре до 65 ºС;
• 100 %-ной серной кислоте при температуре до 65 ºС;
• в смесях азотной и серной кислот: (25 % + 70 %) и 10 % + 60 %) при температуре до 70 ºС;
• в 40 %-ной фосфорной кислоте при 100 ºС.

Аустенитные хромоникелевые стали имеют также высокую стойкость к растворах органических кислот — уксусной, лимонной и муравьиной, а также в щелочах КОН и NaOH.

9.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Высоколегированные аустенитные стали имеют повышенное содер­жание основных легирующих элементов - хрома и никеля (обычно не ниже 16 и 7 % соответственно), придающих им соответствующую струк­туру и необходимые свойства (табл. 9.1). Для сокращения высоколегиро­ванные стали можно обозначать в соответствии с содержанием основных легирующих элементов цифрами, например 18-8, 25-20 и др. Первая цифра обозначает содержание хрома, вторая - никеля.

Никель - дефицитный и дорогой легирующий элемент и поэтому в тех случаях, когда условия работы конструкции позволяют, используют стали с пониженным его содержанием или безникелевые хромистые ста­ли. В сплавах на железоникелевой основе содержание никеля еще выше, чем в хромоникелевых сталях. В никелевых сплавах никель служит осно­вой, а железо - легирующей присадкой. Эти сплавы благодаря своим свойствам находят применение в ответственных конструкциях, работаю­щих в сложных и специфических условиях.

Высоколегированные стали и сплавы по сравнению с менее легиро­ванными обладают высокой хладостойкостью, жаропрочностью, корро­зионной стойкостью и жаростойкостью. Эти важнейшие материалы для химического, нефтяного, энергетического машиностроения и ряда других отраслей промышленности используют при изготовлении конструкций, работающих в широком диапазоне температур: от отрицательных до поло­жительных. Несмотря на общие высокие свойства высоколегированных сталей, соответствующий подбор состава легирования определяет их ос­новное служебное назначение. В соответствии с этим их можно разде­лить на три группы: коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие (окалиностойкие). Благодаря их высоким механическим свойствам при отрицательных температурах высоколегированные стали и сплавы при­меняют в ряде случаев и как хладостойкие.

9.1. Состав некоторых марок высоколегированных аустенитных и

аустенитно-ферритных сталей и сплавов по ГОСТ 5632-72 (в ред. 1989 г.),

применяемых для изготовления сварных конструкции, %

Коррозионно-стойкие стали при соответствующем легировании и термообработке обладают высокой коррозионной стойкостью при ком­натных и повышенных до 800 °С температурах как в атмосферной и газо­вой среде, так и в чистых и водных растворах кислот и щелочей, жидко-металлических средах и т.д. Характерное отличие этих сталей - пони­женное содержание углерода, обычно не превышающее 0,12 %, оказы­вающее решающее влияние на стойкость их к межкристаллитной корро­зии (МКК). Благодаря этим свойствам их используют при изготовлении трубопроводов и аппаратов для химической и нефтяной промышленности.

Жаропрочные стали и сплавы обладают высокими механическими свойствами при повышенных температурах и способностью сохранять их в данных условиях в течение длительного времени. Для придания этих свойств сталям и сплавам их обычно легируют элементами-упрочни-телями молибденом и вольфрамом (до 7 % каждого). Важной легирую­щей присадкой, вводимой в некоторые стали и сплавы, является бор. В ряде случаев к этим металлам предъявляется требование и высокой жаростойкости.

Одна из основных областей применения этих сталей - энергетиче­ское машиностроение (трубопроводы, детали и корпуса газовых и паро­вых турбин и т.д.), где рабочие температуры достигают 750 °С и выше. Жаростойкие стали и сплавы обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах до 1100 ... 1150 °С. Обычно их используют для деталей слабонагруженных (нагре­вательные элементы, печная арматура, газопроводные системы и т.д.). Высокая окалиностойкость этих сталей и сплавов достигается легирова­нием их алюминием (до 2,5 %) и вольфрамом (до 7 %). Эти легирующие элементы и кремний способствуют созданию прочных и плотных окси­дов на поверхности деталей, предохраняющих металл от непосредствен­ного контакта с газовой средой.

После соответствующей термообработки высоколегированные стали и сплавы обладают высокими прочностными и пластическими свойства­ми (табл. 9.2). В отличие от углеродистых при закалке эти стали приобре­тают повышенные пластические свойства. Структуры высоколегирован­ных сталей очень разнообразны и зависят в основном от их химического состава, т.е. содержания основных элементов: хрома (ферритизатора) и никеля (аустенитизатора). На структуру влияет также содержание и дру­гих легирующих элементов-ферритизаторов (Si, Mo, Ti, Al, Nb, W, V) и аустенитизаторов (С, Co, Ni, Cu, Nb, B).

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

9.2. Механические свойства некоторых марок

высоколегированных аустенитных и аустенитно-ферритных сталей и сплавов

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Для приближенного определения характера структуры обычно поль­зуются диаграммой Шеффлера, предварительно подсчитав эквивалент­ные содержания никеля и хрома. На структуру этих сталей оказывает влияние также термообработка, пластическая деформация и другие фак­торы. Поэтому положение фазовых областей на диаграммах состояния определено в виде псевдобинарных разрезов тройных систем, обычно Fe-Cr-Ni с углеродом.

Рассмотрим фазовые области для одной из таких систем (штриховая линия на рис. 9.1) при содержании 0,05 % С. При очень медленном охла­ждении и затвердевании (точка / на линии ликвидус) из расплава вначале начинают выпадать кристаллы хромоникелевого феррита, имеющего ре­шетку 6-железа, а по мере охлаждения - и кристаллы хромоникелевого аустенита, имеющего решетку γ-железа. После затвердевания всего рас­плава (температура ниже точки 2 на линии солидус) сталь имеет аусте-нитно-ферритную структуру. При дальнейшем охлаждении в точке 3 происходит превращение δ → γ , и сталь приобретает аустенитную струк­туру.

Рис. 9.1. Псевдобинарная диаграмма состояния в зависимости от содержания углерода для сплава 18 % Сг, 8 % Ni, 74 % Fe

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Углерод в аустенитно-ферритной и аустенитной сталях при темпе­ратурах выше линии SE (выше точки 4) находится в твердом растворе в виде фаз внедрения. Медленное охлаждение стали ниже точки 4 приво­дит к выделению углерода из твердого раствора в виде химического со­единения - карбидов хрома типа Сr 23 С 6 , располагающихся преимущест­венно по границам зерен. Дальнейшее охлаждение ниже точки 5 способ­ствует выпадению по границам зерен вторичного феррита. Таким обра­зом, сталь при медленном охлаждении при комнатной температуре имеет аустенитную структуру со вторичными карбидами и ферритом.

В зависимости от скорости охлаждения с температур, лежащих вы­ше линии SE, углерод частично или полностью выделяется из твердого раствора в виде карбидов. Этот процесс оказывает решающее влияние на свойства сталей. При быстром охлаждении (закалке) распад твердого раствора не успевает произойти, и аустенит фиксируется в пересыщен­ном и неустойчивом состоянии. Количество выпавших карбидов хрома, помимо скорости охлаждения, зависит и от количества углерода в стали. При его содержании менее 0,02 ... 0,03 %, т.е. ниже предела его раство­римости в аустените, весь углерод остается в твердом растворе.

Ускоренное охлаждение стали в некоторых композициях ау-стенитных сталей может привести к фиксации в их структуре первичного 5-феррита, в некоторых случаях необходимого с точки зрения предупре­ждения горячих трещин. Холодная деформация, в том числе и наклеп закаленной стали, в которой аустенит зафиксирован в неустойчивом со­стоянии, способствует превращению γ → α. Феррит, располагаясь тонкими прослойками по границам аустенитных зерен, блокирует плоскости скольжения и упрочняет сталь (рис. 9.2). Упрочнение стали тем выше, чем ниже температура деформации. Обычно тонколистовые хромонике-левые стали в состоянии поставки имеют повышенные прочностные и по­ниженные пластические свойства. Это объясняется их повышенной дефор­мацией при прокатке и пониженной температурой окончания прокатки.

Если сталь, в которой не произошло выпадения карбидов и углерод зафиксирован в твердом растворе, медленно нагревать, подвижность атомов увеличивается. В соответствии с этим увеличивается и способ­ность их к диффузии и восстановлению равновесия в твердом растворе, в котором аустенит зафиксирован в перенасыщенном и неустойчивом со­стоянии, что приводит к образованию и выделению карбидов из перена­сыщенного твердого раствора. Этот процесс начинается при температуре 400 ... 500 °С, но вследствие малой скорости диффузии идет медленно с образованием карбидов преимущественно по границам зерен.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Рис. 9.2. Изменение механических свойств

хромоникелевой стали (18 % Сг; 8 % Ni; 0,17 % С)

в зависимости от степени холодной деформации (обжатия)

Вследствие того что скорость диффузии хрома значительно ниже, чем углерода, связываемый в карбид хром извлекается из ближайших к границе областей зерна, т.е. происходит местное обеднение твердого рас­твора хромом. При работе в коррозионной среде эти участки зерна рас­творяются, что приводит к нарушению связи между отдельными зерна­ми. Этот процесс называется межкристаллитной коррозией (МКК).

При температурах 600 ... 700 °С скорость диффузии более высокая и образование карбидов идет быстрее, в большем количестве и более крупных. При температуре 800 ... 900 °С карбиды образуются еще быст­рее и коагулируют. Ввиду достаточно высокой скорости диффузии хром, связываемый в карбид, извлекается из более глубоких областей зерна, и местное обеднение границ зерна хромом уменьшается. При температурах выше 900 °С (выше температур линии SE) наряду с коагуляцией карби­дов начинается обратный процесс их растворения с переходом углерода в твердый раствор и образованием однородной массы аустенита. Быстрое охлаждение этой стали (закалка) опять фиксирует структуру аустенита в

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

перенасыщенном и неустойчивом состоянии с углеродом, находящимся в твердом растворе. Как видно из рис. 9.1, температура закалки для полу­чения подобной структуры (линия SE) тем выше, чем больше содержание углерода в стали. Подобная термообработка называется закалкой на го­могенный твердый раствор (аустенитизация) и для сталей типа 18-8 про­водится с температур 1050 ... 1100 °С.

Межкристаллитная коррозия вызывается местным обеднением хро­мом металла зерна возле границы, вследствие более низкой скорости диффузии хрома по сравнению с углеродом, при температурах ниже 900 °С. Однако если сталь при этих температурах выдерживать достаточно дли­тельное время, несмотря на малую скорость диффузии хрома, его кон­центрация по объему зерна (периферийная и центральная) будет вырав­ниваться и склонность стали к МКК уменьшится. Такая термообработка называется стабилизирующим отжигом. Его проводят обычно при темпе­ратуре 850 ... 900 СС в течение 2 ... 3 ч.

В целом зависимость МКК от времени и температуры можно пред­ставить схемой на рис. 9.3. Левая ветвь схемы (кривая /) показывает тем-пературно-временные условия появления в швах склонности к МКК. При температурах до 650 °С скорость образования карбидов хрома воз­растает при небольшой скорости диффузии хрома. В результате время выдержки металла при рассматриваемой температуре до появления МКК сокращается и при температуре 650 °С (t кр) может достигать нескольких минут.

Рис. 9.3. Зависимость появления склонности к МКК металла швов на аустенитной стали" от температуры и времени

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Повышение температуры, увеличивая скорость диффузии хрома, уменьшает местное обеднение границ зерен хромом и склонность швов к МКК. Выдержка стали в рассматриваемом интервале температур в тече­ние?им и более, приводя к диффузионному выравниванию содержания хрома по объему зерна, способствует приобретению металлом повторной стойкости к МКК (кривая 2). Уменьшение в стали содержания углерода, легирование ее более сильными, чем хром, карбидообразователями (ти­тан, ниобий и др.) сдвигает вправо кривую / начала появления склонно­сти металла к МКК. Процессы, протекающие при образовании карбидов, влияют не только на появление такой склонности, но и сильно изменяют механические свойства сталей при комнатных и высоких температурах.

Изменение в стали содержания легирующих элементов влияет на положение фазовых областей. Основными легирующими элементами в рассматриваемых сталях служат хром и никель. В зависимости от их соот­ношения стали иногда разделяют на стали с малым (% Ni / % Сг ≤ 1) и боль­шим запасом аустенитности (% Ni / % Сг > 1).

Титан, ниобий, вольфрам и ванадий - карбидообразователи. Поэто­му в стали могут образовываться не только карбиды хрома, но и карбиды этих элементов (TiC, NbC, VC). При определенных содержаниях весь свободный, выше предела его раство­римости (0,02 %), углерод может выделиться не в виде карбидов хрома, а в виде карбидов титана или ниобия. Выпадение карбидов повышает прочностные и понижает пластические свойства сталей.

Упрочнение, связанное с выделением карбидов, зависит от степени дисперсности - оно увеличивается с уменьшением размеров карбидов. Это свойство карбидов используют для дисперсионного упрочнения жа­ропрочных сталей, проводимого обычно в комплексе с интерметаллид-ным упрочнением [упрочняющие частицы-интерметаллиды Ni 3 Ti, Ni 3 (Al, Ti), Fe 2 W и др.]. К интерметаллидным соединениям относят и а-фазу, которая образуется в хромоникелевых сталях при длительном нагреве или медленном охлаждении при температурах ниже 900 ... 950 °С. Она обладает ограниченной растворимостью в α- и γ-твердых растворах и, выделяясь преимущественно по границам зерен, резко снижает пла­стические свойства и ударную вязкость металла.

Повышенные концентрации в стали хрома (16 ... 25 %) и элементов, способствующих образованию феррита (молибдена, кремния и др.), вы-

зывают образование при температурах 700 ... 850 °С а-фазы. Выделение этой фазы происходит преимущественно с образованием промежуточной фазы феррита (γ → α → σ) или преобразованием 5-феррита (δ → σ). Од­нако возможно ее выделение и непосредственно из твердого раствора (γ → σ). Холодная деформация, приводя к появлению дополнительных плоскостей сдвига, увеличивает количество выделившейся σ-фазы. Вы­деление σ-фазы резко снижает служебные характеристики жаропрочных и жаростойких сталей.

9.2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Свариваемость рассматриваемых сталей и сплавов затрудняется многокомпонентностью их легирования и разнообразием условий экс­плуатации сварных конструкций (коррозионная стойкость, жаростой­кость или жаропрочность). Общей сложностью сварки является преду­преждение образования в шве и околошовной зоне кристаллизационных горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер, наблюдаемых в виде мельчайших микронадрывов и трещин. Горячие трещины могут возникнуть и при термообработке или работе конструкции при повышен­ных температурах. Образование горячих трещин наиболее характерно для крупнозернистой структуры металла шва, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя.

Концентрационное и термическое переохлаждение способствует развитию дендритной или микроскопической ликвации. В аустенитных швах направленность столбчатых кристаллов выражена наиболее четко. Повышенное сечение и поэтому малая поверхность столбчатых кристал­лов способствуют образованию межкристаллитных прослоек повышен­ной толщины, что и увеличивает вероятность образования горячих тре­щин. Применение методов, способствующих измельчению кристаллов и дезориентации структуры, утоныыая межкристаллитные прослойки, не­сколько повышает стойкость швов против горячих трещин.

Один из таких методов - получение швов, имеющих в структуре не­которое количество первичного δ-феррита. Положительное действие феррита в аустенитно-ферритных швах на предупреждение образования в них горячих трещин связано с характером процесса первичной кристал-

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

лизации металла сварочной ванны. Одновременное выпадение из жидкой фазы кристаллов аустенита и первичного δ-феррита приводит к измель­чению и дезориентации структуры, т.е. уменьшению сечения столбчатых кристаллов и утонению межкристаллитных прослоек, разделенных уча­стками первичного δ-феррита. В результате вероятность образования го­рячих трещин по местам расположения прослоек уменьшается.

Элементы, способствующие ферритизации металла, оказывают и обессеривающее действие на сварочную ванну, уменьшая количество легкоплавкой сульфидной эвтектики. Благоприятное действие δ-феррита может быть объяснено и большей растворимостью в нем примесей, уменьшающей их ликвацию. Получение аустенитно-ферритных швов достигается их дополнительным легированием ферритообразующими элементами, такими как хром, кремний, алюминий, молибден и др. В из­делиях, работающих как коррозионно-стойкие при температурах до 400 °С, допускается содержание феррита до 20 ... 25 %. В швах на жаро­прочных и жаростойких сталях, работающих при более высоких темпера­турах, возможно образование σ-фазы с соответствующим ухудшением служебных характеристик шва. С целью предупреждения сигматизации швов количество δ-феррита в швах на жаропрочных и жаростойких ста­лях ограничивают 4 ... 5 %.

В сталях с большим запасом аустенитности получение швов с аустенитно-ферритной структурой затруднено необходимостью легирова­ния их повышенным количеством ферритизаторов. Возможность предот­вращения в швах на них, а также на аустенитно-ферритных сталях горя­чих трещин достигается ограничением содержания в швах вредных (фосфора, серы) и ликвирующих примесей, образующих легкоплавкие эвтектики, располагающиеся на завершающейся стадии кристаллизации по границам столбчатых кристаллов. Это достигается применением сва­рочных материалов, минимально засоренных вредными и ликвирующими элементами, например электродных проволок, изготовленных из сталей вакуумной выплавки, электрошлакового переплава и т.д. Ограничивается также проплавление основного металла.

В некоторых случаях повышение стойкости швов против горячих трещин, наоборот, достигается повышением ликвирующих примесей до концентраций, обеспечивающих получение при завершении кристалли­зации сплошной пленки легкоплавкой эвтектики на поверхности кри-

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

сталлита. Это может быть достигнуто легированием стали бором (0,3 ... 1,5 %). Повышенная литейная усадка и значительные растягивающие напряжения, действующие при затвердевании на сварочную ванну, также способствуют образованию горячих трещин. Снижение действия силово­го фактора (ограничение силы тока, заполнение разделки валиками не­большого сечения, рациональная конструкция соединения и др.) способ­ствует предупреждению горячих трещин.

Помимо сложности получения на аустенитных высоколегированных сталях и сплавах швов без горячих трещин имеются и другие трудности, обусловленные спецификой их использования. К сварным соединениям на жаропрочных сталях предъявляется требование сохранения в течение длительного времени высоких механических свойств при повышенных температурах. Большие скорости охлаждения металла шва при сварке приводят к фиксации неравновесных по отношению к рабочим темпера­турам структур. Во время эксплуатации при температурах выше 350 °С в результате диффузионных процессов в стали появляются новые струк­турные составляющие, приводящие обычно к снижению пластических свойств металла шва.

Термическое старение при температурах 350 ... 500 °С может при­вести к появлению 475°-ной хрупкости. Выдержка аустенитно-феррит­ных швов при температуре 500 ... 650 °С приводит к старению в основ­ном за счет выпадения карбидов. Одновременно идет процесс образова­ния σ-фазы. Легирование сталей титаном и ниобием приводит к диспер­сионному упрочнению стали за счет образования их прочных карбидов. Являясь ферритизаторами, титан и ниобий, способствуя образованию в шве ферритной составляющей, увеличивают количество σ-фазы в метал­ле. Выдержки при температуре 700 ... 850 °С значительно интенсифици­руют образование σ-фазы с соответствующим охрупчиванием металла при более низких температурах и снижением предела ползучести при высоких температурах. При этих температурах возрастает роль и интер-металлидного упрочнения за счет образования, в частности, интерметал-лидных фаз железа с титаном и ниобием.

В чисто аустенитных швах в процессах теплового старения ведущее место занимают процессы карбидного и интерметаллидного упрочнения. Одно из эффективных средств уменьшения склонности сварных соедине­ний жаростойких и жаропрочных сталей к охрупчиванию в результате

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

выпадения карбидов - снижение в основном металле и металле шва со­держания углерода. Наклеп, способствуя увеличению в шве содержания ферритной фазы, усиливает возможность их охрупчивания.

Ввиду высокого коэффициента теплового расширения суммарная внутренняя пластическая деформация металла шва и околошовной зоны при сварке высоколегированных сталей выше, чем в низколегированных сталях. В результате при сварке многослойных швов (многократная пла­стическая деформация), жестких соединений и т.п. околошовная зона и нижние слои металла шва могут заметно упрочняться. Самонаклеп также увеличивает количество ферритной фазы, а значит, и вероятность охруп­чивания (сигматизации) швов.

В зоне термического влияния некоторых жаропрочных аусте-нитных сталей под действием термического цикла сварки снижаются пластические и прочностные свойства, что может повести к образованию в этой зоне трещин. Подобные изменения свойств основного металла вызываются развитием диффузионных процессов, приводящих к повы­шенной концентрации в металле околошовной зоны элементов (углерода, кислорода и др.), которые совместно с вредными примесями могут обра­зовывать легкоплавкие эвтектики. При длительной эксплуатации в этой зоне могут выделяться мелкодисперсные карбиды и интерметаллиды, коагуляция которых приводит также к охрупчиванию металла. При свар­ке этих сталей для предупреждения образования горячих трещин в шве часто получают металл шва, по составу отличающийся от основного и имеющий двухфазную структуру.

В процессе высокотемпературной эксплуатации происходит карбид­ное и интерметаллидное упрочнение металла шва и соответствующее снижение его пластических свойств, что приводит к локализации в око­лошовной зоне деформаций и образованию в ней трещин. Этому способ­ствует и высокий уровень остаточных сварочных напряжении в сумме с рабочими напряжениями. Предотвращение подобных локальных разру­шений достигается термообработкой - аустенитизацией при температуре 1050 ... 1100 °С для снятия остаточных сварочных напряжений и самона­клепа и придания сварному соединению более однородных свойств. В ряде случаев аустенитизация сопровождается последующим стабили­зирующим отжигом при температуре 750 ... 800 °С для получения отно­сительно стабильных структур за счет выпадения карбидной и интерме-таллидной фаз.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

При сварке высокопрочных сталей в околошовной зоне возможно образование холодных трещин. Поэтому до сварки рекомендуется их ау­стенитизация для получения высоких пластических свойств металла, а после сварки - упрочняющая термообработка. Подбор химического со­става металла шва, получение в нем благоприятных структур за счет вы­бора режима сварки и термообработки, снижение уровня остаточных на­пряжений за счет уменьшения жесткости сварных соединений или термо­обработки - основные пути предотвращения охрупчивания сварных соеди­нений и образования в них холодных трещин. Предварительный или сопут­ствующий подогрев до температуры 350 ... 450 °С служит этой же цели.

При сварке жаростойких сталей под воздействием температуры в металле швов могут наблюдаться такие же структурные изменения, как и при сварке жаропрочных сталей. Высокая коррозионная стойкость жаро­стойких сталей в газовых средах при повышенных температурах опреде­ляется возможностью образования и сохранения на их поверхности прочных и плотных пленок оксидов. Это достигается легированием их хромом, кремнием, алюминием. Поэтому во многих случаях необходимая жаростойкость сварного соединения достигается максимальным прибли­жением состава шва к составу основного металла. Во многих случаях к сварным соединениям жаростойких сталей предъявляется требование стойкости к газовой межкристаллитной коррозии.

Большинство жаростойких сталей и сплавов имеет большой запас аустенитности и поэтому при нафеве и охлаждении при сварке фазовых превращений не претерпевает, кроме карбидного и интерметаллидного дисперсионного твердения. При сварке этих сталей возможно образова­ние холодных трещин в шве и околошовной зоне, предупреждение кото­рых в ряде случаев может быть достигнуто предварительным подофевом сталей до температуры 250 ... 550 °С.

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы наиболее часто используют как коррозионно-стойкие. Основное требование, которое в этом случае предъявляется к сварным соединениям, - стойкость к раз­личным видам коррозии. Межкристаллитная коррозия может развиваться в металле шва и основном металле у линии сплавления (ножевая корро­зия) или на некотором удалении от шва (рис. 9.4). Механизм развития этих видов коррозии одинаков. Однако причины возникновения назван­ных видов межкристаллитной коррозии различны.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Рис. 9.4. Схемы межкристаллитной коррозии сварных соединений аустенитных сталей:

а - в основном металле; б - в металле шва; в - ножевая коррозия

Межкристаллитная коррозия в металле шва (см. рис. 9.4, б) возника­ет в результате выделения под действием термического цикла сварки из аустенита карбидов хрома, приводящего к местному обеднению границ зерен хромом. Основная причина этого - повышенное содержание в ме­талле шва углерода и отсутствие или недостаточное содержание титана или ниобия. Неблагоприятный термический цикл сварки - длительное пребывание металла шва в интервале критических температур (t > t кр, рис. 9.3) приводит к появлению склонности к межкристаллитной корро­зии шва. Шов может потерять стойкость против межкристаллитной кор­розии в результате воздействия критических температур при эксплуата­ции изделия. Аустенитно-ферритные швы с дезориентированной струк­турой имеют и повышенную стойкость против ММК по сравнению с ау-стенитными.

Увеличение протяженности границ зерен за счет их измельчения увеличивает поверхности, на которых выделяются карбиды. Выделяю­щиеся карбиды более дисперсны, и местное обеднение объема зерна хро­мом происходит на меньшую глубину. Кроме того, процессы диффузии в феррите протекают значительно быстрее, и выравнивание концентрации хрома в обедненных участках и центральных участках зерна происходит достаточно быстро.

Межкристаллитная коррозия основного металла на некотором уда­лении от шва (см. рис. 9.4, а) вызывается также действием термического цикла сварки в той части основного металла, где находилась изотерма критических температур.

Предупреждение склонности стали и швов к ММК достигается: снижением содержания углерода до пределов его растворимости в аусте-ните (до 0,02 ... 0,03 %), легированием более энергичными, чем хром, карбидообразующими элементами (стабилизация титаном, ниобием, тан-

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 359

талом, ванадием и др.); аустенитизацией (закалкой) с температур 1050 ... 1100 °С, однако при повторном нагреве в интервале критических темпе­ратур (500 ... 800 °С) сталь повторно приобретает склонность к межкри­сталлитной коррозии; стабилизирующим отжигом при температуре 850 ... 900 °С в течение 2 ... 3 ч; созданием аустенитно-ферритной струк­туры с содержанием феррита до 20 ... 25 % путем дополнительного леги­рования хромом, кремнием, молибденом, алюминием и др. Однако такое высокое содержание в структуре феррита может понизить стойкость ме­талла к общей коррозии. Эти же меры способствуют и предупреждению ножевой коррозии.

Ножевая коррозия имеет сосредоточенный характер (см. рис. 9.4, в) и поражает основной металл. Этот вид коррозии развивается в сталях, стабилизированных титаном и ниобием, обычно в участках, которые на­гревались до температур выше 1250 °С. При этом карбиды титана и нио­бия растворяются в аустените. Повторное тепловое воздействие на этот металл критических температур 500 ... 800 °С (например, при много­слойной сварке) приведет к сохранению титана и ниобия в твердом рас­творе и выделению карбидов хрома.

Общая коррозия представляет собой растворение металла в корро­зионной среде и может развиваться преимущественно в металле шва, различных участках зоны термического влияния или преимущественно в основном металле. В некоторых случаях она может развиться равномер­но в основном металле и сварном соединении.

Наблюдается еще один вид коррозионного разрушения - коррози­онное растрескивание, возникающее под совместным действием растяги­вающих напряжений и агрессивной среды. Разрушение развивается как межкристаллитное, так и транскристаллитное. Снижение уровня оста­точных сварочных напряжений - одна из основных мер борьбы с этим видом коррозионного разрушения.

9.3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают ком­плексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали ино­гда можно использовать для изготовления изделий различного назначе­ния, например коррозионно-стойких, хладостойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут раз-

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

личными. Это определит и различную технологию сварки (сварочные мате­риалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направленную на получение сварного соединения с необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства определяют некоторые особенности их сварки. Пониженный коэффициент теплопроводности при равных остальных условиях значи­тельно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне (рис. 9.5). В результате одинаковые изотермы в высоколегированных сталях более развиты, чем в углеродистых. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий.

Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколегирован­ных сталей следует применять способы и режимы сварки, характери­зующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии. Примерно в 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей, удельное электросопро­тивление обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в выле­те электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. При автоматической и полуавтоматической дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.

Одна из основных трудностей при сварке рассматриваемых сталей и сплавов - предупреждение образования в швах и околошовной зоне го­рячих трещин. Предупреждение образования этих дефектов достигается:

Рис. 9.5. Температурные поля при одинаковой погонной энергии

и толщине металла при сварке углеродистой (а)

и высоколегированной (б) сталей

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 361

1) ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основ­ном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и ликвирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов - кисло­рода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные мате­риалы с минимальным содержанием названных примесей. Техника свар­ки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение для сварки постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке покрытыми электродами следует под­держивать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, следует поддер­живать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необ­ходимую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, вызываемых водородом;

2) получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаро­стойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3 ... 5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значи­тельному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигмати-зации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует по­вышенного их легирования ферритообразующими элементами, что при­ведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду по­явления хрупких эвтектик, а иногда и σ-фазы.

Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мел­кодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легиро­вание швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфра­ма, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество фер­рита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть по­вышено до 15 ... 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов.

Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низко­кремнистые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электро­дов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служит этой же цели. Азот - сильный аустенитизатор, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кри­сталлизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин.

Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих тре­щин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное про-плавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения;

3) применением технологических приемов, направленных на изме­нение формы сварочной ванны и направления роста кристаллов аустени-та. Действие растягивающих сил, перпендикулярное направлению роста столбчатых кристаллов, увеличивает вероятность образования горячих трещин (рис. 9.6). При механизированных способах сварки тонкими элек­тродными проволоками поперечные колебания электрода, изменяя схему кристаллизации металла шва, позволяют уменьшить его склонность к горя­чим трещинам;