Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы

Коррозия — это процесс разрушения металла под воздействием внеш­ней среды. По механизму протекания различают химическую корро-

з и ю, возникающую под воздействием газов или неэлектролитов (нефть), и электрохимическую, развивающуюся в случае контакта металла с электролитами (кислоты, щелочи, соли, влажная атмосфера, почва, морская вода). Электрохимическая коррозия имеет свои разновидности. Так, одно­родный (например, однофазный со структурой твердого раствора) сплав мо­жет подвергаться равномерной коррозии по всей поверхности (причем с одинаковой скоростью). Неоднородный (многофазный) металл корродирует обычно локально, на отдельных участках поверхности (местная коррозия: точечная, пятнистая с язвами). В неоднородном (и даже в однородном) ме­талле коррозионный процесс часто реализуется за счет возникновения на поверхности сплава микрогальванических элементов в связи с наличием там участков, обладающих различным электрохимическим потенциалом (фазы, границы зерен и другие дефекты структуры, тело зерна), с последующим растворением анодных участков в электролите. Электрохимическая неодно­родность может быть вызвана как наличием в сплаве нескольких фаз, так и анизотропией электрохимического потенциала на границе и в объеме зерна. В данном случае по границам зерен реализуется интеркристаллитная (меж-кристаллитная) коррозия. При одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающей нагрузки (коррозия под напряжением) наблюдается усиление коррозии, причем разновидностью этого типа коррозии является коррозионное растрескивание, проявляющееся в образовании тонкой сетки трещин в металле.

Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называются коррозионностойкими (нержавеющими). Устойчивость стали против корро­зии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности плотные, прочно связанные с основой защитные пленки, препятствующие непосредственному контакту стали с агрессивной средой, а также повы­шающие ее электрохимический потенциал в данной среде. Так, введение более 12—14% Сг резко изменяет электрохимический потенциал стали с от­рицательного на положительный и делает ее коррозионностойкой в атмо­сфере и во многих других промышленных средах (рис. 7.9).

		—'	t
			1 •
			/ I
_	.----	------	/	в---

	0,2
s	-0,2
S	-0,4
о	-0,6

Нержавеющие стали раз­деляют на две основные груп­пы: хромистые и хромонике-левые.

Хромистые коррозион-ностойкне стали (см. табл. 7.1) 0 4 8 12 16 20 24Сг,% применяют трех типов: с 13,

17 и 27% Сг; при этом в сталях Рис. 7.9. Зависимость электрохимического по- _{с 13}о_{/о Сг} содержание углерода

тенциала железохромистых сплавов от содер- _ж,„,„^,_____ „.,-...,..,.,,,„„..,,..._Jl

^ ^г может изменяться в зависимо-

жания в них хрома _ „

ста от требований в пределах

от 0,08 до 0,40%. Структура и свойства хромистых сталей зависят от количе­ства хрома и углерода. В соответствии со структурой, получаемой при нор­мализации, хромистые стали подразделяют на следующие классы: феррит-ный (стали 08X13, 12X17, 15Х25Т, 15X28), мартенситно-ферритный (12X13) и мартенситный (20X13, 30X13,40X13).

Хромистые стали, содержащие 12—14% Сг, в зависимости от содержа­ния углерода могут испытывать у-»а-превращение (стали мартенситного класса) или не испытывать его (стали ферритного класса); в стали мартен-ситно-ферритного класса (12X13) у-»а-превращение будет неполным. Нали­чие и полнота у-»а-превращения определяют способность стали к упрочне­нию при термообработке: сталь с 0,1% С и 13% Сг не упрочняется при закал­ке из-за отсутствия у-»а-превращения; чем больше в стали углерода, тем полнее протекает мартенситное превращение, тем выше содержание углеро­да в мартенсите и его твердость. Однако повышение концентрации углерода в стали приводит к образованию карбидов, уменьшая при этом количество хрома в твердом растворе (а именно содержание хрома в твердом растворе и определяет коррозионную стойкость стали); при этом в стали возникает двухфазная структура. Стали с 13% хрома подвержены коррозионному рас­трескиванию и точечной коррозии в содержащих ионы хлора средах.

Стали с низким содержанием углерода (08X13, 12X13) пластичны, хо­рошо свариваются и штампуются (см. табл. 7.3). Их подвергают закалке в масле (1000—1050°С) с высоким отпуском при 600—800 °С и применяют для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки (клапаны гид­равлических прессов) или работающих в слабоагрессивных средах (лопатки гидравлических и паровых турбин и компрессора). Эти стали можно исполь­зовать при температурах до 450 °С (длительная работа) и до 550 °С (кратко­временно). Стали 30X13 и 40X13 обладают высокой твердостью и повышен­ной прочностью. Эти стали закаливают с 1000—1050 °С в масле и отпускают при 200—300 °С (см. табл. 7.3). После такой обработки они сохраняют мар-тенситную структуру, характеризуются высокой твердостью (HRC 50—52) и достаточной коррозионной стойкостью. Стали 30X13 и 40X13 используют для изготовления карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д. Высокохромистые стали ферритного класса (12X17, 15Х25Т и 15X28) обладают более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со сталя­ми, содержащими 13% Сг. Эти стали термической обработкой не упрочня­ются (см. табл. 7.3). Они склонны к сильному росту зерна при нагреве свыше 850 °С. Для измельчения зерна и повышения сопротивления межкристаллит-ной коррозии (подробнее МКК рассматривается далее) сталь легируют тита­ном (15Х25Т). Высокохромистые стали ферритного класса используются часто как окалиностойкие.

Хромоникелевые нержавеющие стали в зависимости от структуры подразделяют на аустенитные, аустенито-мартенситные и аустенито-фер-

?2г ж. «S-10 г о

								Л/	/
			Лустенит			4^/	/'
						\А	%>>	,-«'
	^А+М ^Ч						У*
					/^Л^у	^^	80^
\	Мартенсит		"^М+чЬ*		^%0f^
к			М+Ф			Феррит
\

п W го «гв л 3S 40

Рис. 7.10. Структурная диаграмма хромоникелевых нержавеющих сталей

ритные. Структура хромоникелевых сталей зависит от содержания угле­рода, хрома, никеля и других элементов (см. табл. 7.1).

Определить, к какому классу по структуре относится та или иная слож-нолегированная хромоникелевая сталь, можно с помощью схематической диаграммы Шеффлера (рис. 7.10), в которой использованы в качестве крите­риев эквиваленты хрома (Э_Сг = %Сг + %Мо + l,5x%Si + 0,5x%Nb) и никеля (Э>* = %Ni +30х%С + 0,5х%Мп).

Стали аустенитного класса с 18% Сг и 9—10% Ni (12Х18Н9,17Х18Н9 и др.) в результате закалки приобретают аустенитную структуру и характери­зуются высокой пластичностью (8 = 40—50%, у = 50—60%), умеренной прочностью (о, = 500—600 МПа, см. табл. 7.3), хорошей коррозионной стойкостью в окислительных средах. Эти стали технологичны (хорошо сва­риваются, штампуются, подвергаются холодной прокатке и т. д.).

Стали 12Х18Н9, 17Х18Н9 после медленного охлаждения из аустенит-ной области имеют структуру, состоящую из аустенита, феррита и карбидов М₂зС₆ (Сг₂₃С₆). С целью растворения карбидов (выделение которых снижает коррозионную стойкость), а также предотвращения их выделения в про­цессе медленного охлаждения аустенитные стали нагревают до 1050— 1120 °С и закаливают в воде, масле или на воздухе. В процессе холодной пластической деформации (достигающей 60—70%) стали наклёпываются (ст, = 1200—1300 МПа, 5 = 4—5%). Упрочнение в процессе холодной пластической деформации связано с наклепом и частичным мартенсит-ным превращением.

Нагрев закаленных сталей в интервале 400—800 °С приводит к выделе­нию в пограничных зонах зерен карбидов хрома М₂зС₆ и обеднению в связи с

этим указанных зон хромом ниже 12%-ного предела; это вызывает снижение электрохимического потенциала пограничных участков аустенитного зерна и их растворение в коррозионной среде. Коррозионное разрушение имеет межкристаллитный характер, приводит к охрупчиванию стали и называется межкристаллитной (интеркристаллитной) коррозией (МКК). Для уменьше­ния склонности сталей к МКК в их состав вводят сильные карбидообразую-щие элементы — Ti или Nb — в количестве, равном пятикратному содержа­нию углерода (стали 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б). В этом случае образуются карбиды типа МС (TiC, NbC), а хром остается в твердом растворе. Стабиль­ность аустенита в этих сталях обеспечивают повышением содержания нике­ля до 10—12%. Аустенитные стали не склонны к хрупкому разрушению при низких температурах, поэтому хромоникелевые коррозионностойкие стали (особенно с малым содержанием углерода — 08Х18Н10) широко использу­ют в криогенной технике для хранения сжиженных газов, изготовления обо­лочек топливных баков и ракет и т.д.

Стали аустенито-мартенситного класса (09X15Н8Ю, 09X17Н7Ю) получили применение в основном как высокопрочные. Они хорошо свари­ваются, устойчивы против атмосферной коррозии. С целью обеспечения дос­таточной прочности и одновременно повышенной коррозионной стойкости сталь 09X15Н8Ю подвергается следующей термической обработке: закалке на аустенит (925—975 °С) с последующей обработкой холодом (-70 °С) и старением (350—380 °С).

После закалки сталь обладает высокой пластичностью (5 = 30%, а_в = 900 МПа) и может пластически деформироваться и обрабатываться резанием. Обра­ботка холодом вызывает превращение ~80% аустенита в мартенсит. Последую­щее старение приводит к дополнительному упрочнению стали (с?„ = 1200—1300 МПа, 5 = 10%) за счет выделения в мартенсите дисперсных фаз типа №зА1.

Значительное упрочнение стали достигается нагартовкой предварительно закаленной стали и последующим старением при 450—480 °С (а_в = 1100 МПа, 6 = 14%). По коррозионной стойкости полуаустенитные стали заметно уступают аустенитным, но в интервале 400—500 °С имеют преимущества по прочности.

Эти стали применяют для изготовления обшивки, сопловых конструк­ций и силовых элементов узлов летательных аппаратов.

Стали аустенито-ферритного класса (08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т, 10Х25Н5М2 и др.) содержат 18—30% Сг (чаще 20—25%), 5—8% Ni, до 3% Мо, 0,03—0,10% С, а также добавки Ti, Nb, Си, Si и N (иногда никель час­тично заменяют марганцем, например, в стали 08Х18Г8Н2Т). Эти стали по­сле закалки в воде с 1000—1100 °С имеют структуру, состоящую из равно­мерно распределенных между собой зерен аустенита и феррита с содержани­ем последнего порядка 40—60%. В то же время в зависимости от химическо­го состава стали соотношение указанных фаз в ней может существенно из­меняться (рис. 7.10). Механические свойства закаленных аустенито-ферритных

сталей находятся в следующих пределах: о, = 510—700 МПа, а₀^ = 300—500 МПа, 5 = 18—25% и\|/ = 45—55%. Пластическая деформация стали (08Х22Н6Т)

со степенью 35% приводит к значительному ее упрочнению ст_в = 1350 МПа, о₀,2 = 1200 МПа, 5 = 8%. Наклеп стали при производстве тонкого листа или проволоки снимают промежуточной термической обработкой. При этом для предотвращения охрупчивания охлаждение стали (после горячей пластиче­ской деформации или смягчающей термической обработки) ведут ускоренно. Температуру и продолжительность отпуска сталей для снятия напряжений выбирают с учетом предотвращения их охрупчивания в интервалах темпера­тур 450—500 °С (так называемая «хрупкость 475 °С», обусловленная упоря­дочением и расслоением феррита в приграничных объемах) и 650—850 °С (снижение пластичности и ударной вязкости стали за счет выделения из фер­рита и аустенита соответственно а-фазы (FeCr) и карбидов М₂₃С₆). При этом необходимо учитывать, что лишь длительные нагревы аустенито-ферритных сталей выше 400 °С вызывают их охрупчивание, а кратковременные техно­логические — не опасны. Поэтому предельная рабочая температура при дли­тельной эксплуатации сварного оборудования из аустенито-ферритных ста­лей составляет 300—350 °С.

Аустенито-ферритные стали имеют по сравнению с аустенитными ряд преимуществ: более оптимальный комплекс механических свойств (в част­ности, более высокий предел текучести); меньшую предрасположенность к МКК и коррозионному растрескиванию; содержат меньше дефицитного ни­келя. Стали аустенито-ферритного класса не склонны к росту зерна при со­хранении двухфазной структуры; они стойки как в окислительных, так и окислительно-восстановительных средах; обладают хорошей свариваемо­стью; могут деформироваться в режиме сверхпластичности. Повышенное содержание в аустенито-ферритных стали хрома способствует возрастанию устойчивости аустенита по отношению к мартенситному превращению.

Аустенито-ферритные стали применяют в химическом и пищевом ма­шиностроении, судостроении, авиации, медицине.