Аустенітна структура. Високолегованих аустенітних сталей та сплавів. Зварювання аустенітних нержавіючих сталей

Термічна обробка сталі - це потужний механізм впливу її структуру і властивості. Він ґрунтується на видозмінах залежно від гри температур. У різних умовах в залізовуглецевому сплаві можуть бути ферит, перліт, цементит і аустеніт. Останній відіграє основну роль у всіх термічних перетвореннях у сталі.

Визначення

Сталь - це сплав заліза та вуглецю, в якому вміст карбону становить до 2,14% теоретично, проте технологічно застосовна містить його в кількості не більше 1,3%. Відповідно, всі структури, які утворюються у ній під впливом зовнішніх впливів, також є різновидами сплавів.

Теорія представляє їх існування у 4 варіаціях: твердий розчин проникнення, твердий розчин виключення, механічна суміш зерен або хімічна сполука.

Аустеніт - це твердий розчин проникнення атома вуглецю в гранецентричну кубічну кристалічну решітку заліза, що називається γ. Атом карбону впроваджується в порожнину γ-решітки заліза. Його розміри перевершують відповідні пори між атомами Fe, що пояснює обмеженість їх проходження крізь «стінки» основної структури. Утворюється в процесах температурних перетворень фериту та перліту при підвищенні тепла вище 727С.

Діаграма залізовуглецевих сплавів

Графік, що називається діаграмою стану залізо-цементит, побудований експериментальним шляхом, є наочною демонстрацією всіх можливих варіантів перетворень у сталях і чавунах. Конкретні температурні значення для певної кількості вуглецю в сплаві утворюють критичні точки, в яких відбуваються важливі структурні зміни в процесах нагрівання або охолодження, вони формують критичні лінії.

Лінія GSE, яка містить точки Ac 3 і Ac m відображає рівень розчинності карбону при підвищенні рівня тепла.

Особливості освіти

Аустеніт – це структура, яка формується у процесі нагрівання сталі. При досягненні критичної температури перліт та ферит утворюють цілісну речовину.

Варіанти нагрівання:

1. Рівномірне, до досягнення необхідного значення, нетривала витримка, охолодження. Залежно від характеристик сплаву аустеніт може бути як повністю сформований, так і частково.
2. Повільне підвищення температури, тривалий період підтримання досягнутого рівня теплоти з метою одержання чистого аустеніту.

Властивості отриманого розігрітого матеріалу, а також того, що буде мати місце в результаті охолодження. Дуже багато залежить від рівня досягнутого тепла. Важливо не допустити перегрів чи перепав.

Мікроструктура та властивості

Кожній із фаз, характерних для залізовуглецевих сплавів, властива власна будова решіток та зерен. Структура аустеніту - пластинчаста, що має форми, близькі і до голчастого вигляду, і до пластівцевого. При повному розчиненні вуглецю в γ-залізі зерна мають світлу форму без наявності темних цементитних включень.

Твердість складає 170-220 НВ. Теплопровідність та електропровідність на порядок нижчі, ніж у фериту. Магнітні властивості відсутні.

Варіанти охолодження та його швидкості призводять до утворення різних модифікацій холодного стану: мартенситу, бейніту, трооститу, сорбіту, перліту. Вони мають схожу голчасту структуру, проте відрізняються дисперсністю частинок, розміром зерен та цементитних частинок.

Вплив охолодження на аустеніт

Розпад аустеніту відбувається у тих самих критичних точках. Результативність його залежить від наступних факторів:

1. Швидкість охолодження. Впливає характер вуглецевих включень, формування зерен, утворення підсумкової мікроструктури та її властивостей. Залежить від середовища, яке використовується як охолоджувач.
2. Наявність ізотермічної складової на одному з етапів розпаду - при зниженні до певного температурного рівня, підтримується стабільне тепло деякий період часу, після чого триває швидке охолодження, або воно відбувається разом з нагрівальним пристроєм (піччю).

Таким чином, виділяють безперервне та ізотермічне перетворення аустеніту.

Особливості характеру перетворень. Діаграма

С-подібний графік, який відображає характер змін мікроструктури металу у часовому інтервалі, залежно від ступеня зміни температур – це діаграма перетворення аустеніту. Реальне охолодження безперервне. Можливі лише деякі фази примусового утримання тепла. Графік визначає ізотермічні умови.

Характер може бути дифузійний та бездифузійний.

При стандартних швидкостях зниження тепла зміна аустенітного зерна відбувається дифузійно. У зоні термодинамічної нестійкості атоми починають рухатися між собою. Ті, які не встигають впровадитись у ґрати заліза, формують цементитні включення. До них приєднуються сусідні частки карбону, які вивільняються зі своїх кристалів. Цементит формується на межах зерен, що розпадаються. Очищені кристали фериту утворюють відповідні пластини. Формується дисперсна структура - суміш зерен, розмір та концентрація яких залежать від стрімкості охолодження та вмісту карбону в сплаві. Утворюється також перліт та його проміжні фази: сорбіт, троостит, бейніт.

При значних швидкостях зниження температур розпад аустеніту немає дифузійного характеру. Відбуваються комплексні спотворення кристалів, у яких всі атоми одночасно зміщуються в площині, не змінюючи розташування. Відсутність дифузійності сприяє зародженню мартенситу.

Вплив загартування на особливості розпаду аустеніту. Мартенсіт

Загартування - це вид термічної обробки, суть якого полягає в швидкому нагріванні до високих температур вище за критичні точки Ac 3 і Ac m , після чого слідує швидке охолодження. Якщо зниження температури відбувається за допомогою води зі швидкістю більше 200С за секунду, то утворюється тверда голчаста фаза, що має назву мартенсит.

Він є пересиченим твердим розчином проникнення карбону в залізо з кристалічною решіткою типу α. Внаслідок потужних переміщень атомів вона спотворюється і формує тетрагональну решітку, що і є причиною зміцнення. Сформована структура має більший обсяг. В результаті кристали, обмежені площиною, стискаються, зароджуються голчасті пластини.

Мартенсит – міцний та дуже твердий (700-750 НВ). Утворюється виключно внаслідок високошвидкісного загартування.

Загартування. Дифузійні структури

Аустеніт - це формування, з якого можуть бути штучно зроблені бейніт, троостит, сорбіт і перліт. Якщо охолодження гарту відбувається на менших швидкостях, здійснюються дифузійні перетворення, їх механізм описаний вище.

Троостит - це перліт, для якого характерна висока. Формується при зменшенні тепла 100˚С за секунду. Велика кількість дрібних зерен фериту та цементиту розподіляється по всій площині. «Гартованому» властивий цементит пластинчастої форми, а троостит, отриманий в результаті наступної відпустки, має зернисту візуалізацію. Твердість – 600-650 НВ.

Бейніт - це проміжна фаза, яка є ще більш дисперсною сумішшю кристалів високовуглецевого фериту і цементиту. За механічними та технологічними властивостями поступається мартенситу, але перевищує троостит. Утворюється в температурних інтервалах, коли дифузія неможлива, а сили стиснення та переміщення кристалічної структури для перетворення на мартенситну – недостатньо.

Сорбіт - великодисперсний голкоподібний різновид перлітних фаз при охолодженні зі швидкістю 10˚С за секунду. Механічні властивості займають проміжне положення між перлітом та трооститом.

Перліт - це сукупність зерен фериту та цементиту, які можуть бути зернистою або пластинчастою формою. Формується в результаті плавного розпаду аустеніту зі швидкістю охолодження 1С за секунду.

Бейтит і троостит - більше відносяться до гартових структур, тоді як сорбіт і перліт можуть формуватися і при відпустці, відпалу та нормалізації, особливості яких визначають форму зерен та їх розмір.

Вплив відпалу на особливості розпаду аустеніту

Практично всі види відпалу та нормалізації засновані на взаємозворотному перетворенні аустеніту. Повний та неповний відпал застосовують до Деталі нагрівають у печі вище критичних точок Ac 3 та Ас 1 відповідно. Для першого типу характерна наявність тривалого періоду витримки, що забезпечує повне перетворення: ферит-аустеніт та перліт-аустеніт. Після чого слідує повільне охолодження заготовок у печі. На виході отримують дрібнодисперсну суміш фериту та перліту, без внутрішніх напруг, пластичну та міцну. Неповний відпал менш енергоємний, змінює лише будову перліту, залишаючи ферит практично без змін. Нормалізація має на увазі більш високу швидкість зниження температур, однак і більш крупнозернисту і менш пластичну структуру на виході. Для сталевих сплавів із вмістом вуглецю від 0,8 до 1,3% при охолодженні в рамках нормалізації відбувається розпад у напрямку: аустеніт-перліт та аустеніт-цементит.

Ще одним видом термічної обробки, який ґрунтується на структурних перетвореннях, є гомогенізація. Він застосовується для великих деталей. Має на увазі абсолютне досягнення аустенітного крупнозернистого стану при температурах 1000-1200С і витримку в печі в період до 15 годин. Ізотермічні процеси продовжуються повільним охолодженням, що сприяє вирівнюванню структур металу.

Ізотермічний відпал

Кожен із перерахованих способів впливу на метал для спрощення розуміння розглядається як ізотермічне перетворення аустеніту. Однак кожен із них лише на певному етапі має характерні особливості. Насправді ж зміни відбуваються при стабільному зниженні тепла, швидкість якого визначає результат.

Один із способів, найбільш близький до ідеальних умов, – ізотермічний відпал. Його суть також полягає у нагріванні та витримці до повного розпаду всіх структур в аустеніт. Охолодження реалізується у кілька етапів, що сприяє повільнішому, більш тривалому і термічно стабільному його розпаду.

1. Стрімке зниження температури до значення на 100?С нижче точки Ас 1 .
2. Примусове утримання досягнутого значення (приміщенням у піч) тривалий час до завершення процесів утворення ферритно-перлітних фаз.
3. Охолодження на спокійному повітрі.

Метод застосовний і для яких характерна наявність залишкового аустеніту в охолодженому стані.

Залишковий аустеніт та аустенітні сталі

Іноді можливий неповний розпад, коли має місце залишковий аустеніт. Це може статися у таких ситуаціях:

1. Занадто швидке охолодження, коли повного розпаду не відбувається. Є структурною складовою бейніту чи мартенситу.
2. Сталь високовуглецевий або низьколегований, для якого ускладнені процеси аустенітних дисперсних перетворень. Вимагає застосування особливих способів термообробки, як, наприклад, гомогенізація чи ізотермічний відпал.

Для високолегованих - відсутні процеси перетворень, що описуються. нікелем, марганцем, хромом сприяє формуванню аустеніту як основної міцної структури, яка вимагає додаткових впливів. Аустенітні сталі відрізняються високою міцністю, корозійною стійкістю та жаростійкістю, жароміцністю та стійкістю до складних агресивних умов роботи.

Аустеніт - це структура, без утворення якої неможливе жодне високотемпературне нагрівання сталі і яка бере участь практично у всіх способах її термічної обробки з метою покращення механічних та технологічних властивостей.

Прагнення збільшення термічного к.п.д. енергетичних установок з ядерними енергетичними реакторами, що використовують як теплоносій легку воду та рідкі метали, змусило звернути увагу і вирішувати питання про використання аустенітних нержавіючих сталей як оболонкові матеріали. Їх негативне властивість - високий переріз поглинання теплових нейтронів сприйняли як зло з яким треба миритися, т.к. корозійна стійкість цих сталей дуже висока, їхня вартість значно нижча ніж у цирконію; вони технологічніші, ніж метали цирконію, т.к. вимагають менших витрат найпростіших прийомів під час виготовлення деталей із цих сталей.

Як і у випадку з Al, історично склалося так, що основним конструкційним матеріалом була обрана добре вивчена та випробувана в інших галузях промисловості аустенітна нержавіюча сталь типу 18/8 та 18/10. Ці стали корозійно стійкі у воді до 360 ° С і в перегрітій парі до 650 ° С, володіючи при цьому досить хорошими механічними характеристиками. Однак для підвищення жароміцності потрібне додаткове легування вольфрамом або молібденом.

Сумісність сталей цього з ядерним паливом досить хороша. Сталь 18/10 добре сумісна з двоокисом урану до температури 750 ° С, а з металевим ураном - до 500 ° С.

Сталі типу 18/8 та 18/10 здатні пасивуватися і ця обставина є дуже цінною при експлуатації.

Проте, залежно від зовнішніх і внутрішніх чинників цих сталях спостерігаються кілька видів корозії - рівномірна загальна, виразкова, міжкристалітна, корозія під напругою.

Загальна корозія йде зі швидкістю 0,8 - 4 мк/год у воді високої чистоти при температурі 280 - 350 ° С, 5 - 10 мкм / рік у водяній парі до 600 ° С. Швидкість корозії аустенітних нержавіючих хромонікелевих сталей залежить від швидкості теплоносія наявності іонізуючого випромінювання, але залишається у цілком допустимих для експлуатації межах.

Порушення гомогенності структури сталей – наявність включень, тріщин, раковин може призвести до виразкової чи точкової корозії. Неоднорідні включення шляхом утворення мікрогальванічних пар також призводять до виразкової корозії внаслідок місцевої депасивації металу та розтравлення депасивованих ділянок.

Про шкідливу дію хлор - іона вже йшлося. У присутності хлор-іона зменшується потенціал пробою в пасивній ділянці.

Місцева корозія інтенсивно протікає в щілинах, зазорах та будь-яких інших місцях можливого упарювання води, коли кількість домішок у цих місцях збільшується.

В контакті з Al нержавіюча сталь інтенсифікує процес анодного розчинення Al внаслідок утворення мікрогальванічної пари (у місцях руйнування захисної плівки) або контактної різниці потенціалів. Про засоби боротьби з цим видом корозії йшлося раніше. Аустенітна сталь може корродувати за межами зерен (м.к.к.). Цей вид корозії відбувається переважно через те, що за межами зерен випадає карбід хрому. Це призводить до збіднення меж зерен Cr, що зменшує електрохімічну стійкість цих областей.

Отже, підвищена кількість вуглецю є небажаною, т.к. він основний карбідоутворювач, для запобігання випаданню карбідів застосовують легування молібденом, але кращі результати дає стабілізація титаном або ніобієм.

Ti u Nb створюють стійкі карбіди, внаслідок чого не відбувається збіднення меж зерен хромом. Тобто. Ti u Nb "забирають" C на себе і не дають йому з'єднатися з Cr.

У той самий час, азотовмісні сталі слід легувати Nb, т.к. Ti йде на утворення нітридів. Крім того в тонкостінних трубах

(Товщини менше< 0,5 мм) Ti может давать карбиды, размеры которых могут быть почти соизмеримы с толщиной стенки трубы.

Ще один спосіб боротьби з МКК – термообробка 1-3 години при

t = 800 - 870° C для максимального зв'язування вуглецю в карбіди рівномірно за обсягом зерна та вирівнювання концентрації Cr за рахунок високої дифузії.

Зварні шви теж вузьке місце, т.к. у пришовній зоні термічного впливу відбувається карбідоутворення по межах зерен і ця зона стає схильною до корозійного розтріскування.

МКК розвивається зазвичай на сталях у кислих середовищах та за наявності кисню (більше 0,1-:-0,3 мг/кг). Існують гостовані методи для перевірки схильності сталі до МКК: звані методи АМ і Б.

Метод АМ - кип'ятіння 24 години у суміші сірчаної кислоти, мідної стружки та мідного купоросу.

Потім зразки згинають на 90° за радіусом, що залежить від товщини зразка. Наявність тріщин свідчить про схильність до МКК.

Готові вироби перевіряються анодним травленням ділянки поверхні (метод Б). Якщо зі збільшенням 10 - 30 разів видно сітка протруєних кордонів зерен то вважають, що метал схильний до МКК. Але цей метод дещо суб'єктивний.

Найбільш небезпечний вид корозійного руйнування на аустенітних сплавах хромонікових - корозійне розтріскування КР.

КР з'являється за наявності механічних напруг і корозійно-агресивного середовища. На виникнення КР впливають дуже багато чинників.

У першу чергу - ступінь пластичної деформації - наклепу, бо розтягуючі напруги від наклепу, складаючись з діючими розтягуючими напругами, можуть посилити стрибком розтріскування.

Отже, необхідно забезпечити повне зняття наклепу.

На КС також впливає структура сталі. Так у 18/8 при холодній прокатці утворюється ферит (у невеликій частині). Об'єм фериту > обсягу аустеніту, з якого утворився ферит, це призводить до виникнення в металі місцевих механічних напруг, що сприяють КР. Отже, треба всіма відомими способами забезпечити структурну стійкість аустенітної нержавіючої сталі.

Особливо небезпечні сталі з двофазною структурою, у яких навіть за невеликої деформації відбувається випадання фериту.

Крім того, у деяких сталях при певних видах термообробки з'являється магнітна a - фаза по межах зерен у вигляді суцільної сітки.

Як зазначалося, величезну роль відіграє склад корозійного середовища, і насамперед наявність хлорид - іонів та кисню.

Причому, якщо суворо простежується залежність від концентрації хлоридів, то киснева концентрація менш важлива, але важливий сам факт присутності кисню. Тому реакторна вода та підживлювальна вода строго нормуються за вмістом хлорид - іона (0,1 - 0,5 мг/кг.). Найбільш небезпечними ділянками для КР ділянками є місця зі змінним зволоженням.

Якщо згадати історію вітчизняного прямоточного котлобудування, видно, що парогенератори на тиск 30 - 50 кг/см^2 "горіли" внаслідок поганої розчинності солей у парі цих тисків і випаданні їх на поверхнях нагріву, тобто. з підвищенням концентрації Cl із накопиченням його.

Цей досвід потрібно пам'ятати і використати зараз, т.к. такі помилки повторюються у сучасному проектуванні енергетичного устаткування.

Корозійне розтріскування відбувається і в парі, що містить O2 та іон хлору.

В даний час робляться успішні спроби пояснити корозійне розтріскування переміщенням та блокуванням переміщення дислокацій.

Загалом ця теорія зводиться до розрахунку часу, протягом якого дислокація, переміщуючись від місця виникнення до кордону зерна, зупиняється заблокована.

Тобто. t = L/u

де t – час, L – розмір зерна, або шлях дислокації до блокування, u – швидкість переміщення дислокацій.

Уся складність у визначенні швидкості від внутрішніх чинників. Точністю передумов і визначаються успіхи окремих спроб розрахувати час сталої роботи готового виробу.

Аустенітні нержавіючі хромонікелеві сталі схильні ще до одного, поки малозрозумілого типу руйнувань - лужної крихкості - погіршенню механічних властивостей сталей в середовищі з підвищеним вмістом лугу.

У зв'язку з великою величиною перерізу поглинання теплових нейтронів аустенітні нержавіючі стали краще застосовувати в реакторах на швидких нейтронах.

Взагалі, вплив розплавів металів на сталь дуже специфічний, і не схожий не на електрохімічну та хімічну корозію.

Основну руйнівну силу в рідкокристалічних теплоносіях набуває перенесення маси. Це полягає в розчиненні окремих компонентів, насиченні цими компонентами розплав з високою температурою і випадання осад з розплаву з нижчою температурою, тобто. при перенасиченні.

Отже, у цього процесу 2 сторони: руйнування металу в зоні високої температури та звуження прохідних перерізів у зоні низьких температур.

При збільшенні швидкості прокачування металу швидкість розчинення сталей збільшується (приблизно 0,8).

Для важких рідких металів характерна ерозійна дія.

Крім того, в евтектиці Pb - Bi відбувається вимивання вуглецю з перлітної сталі і навуглерожування аустенітної, тобто. вирівнювання концентрації вуглецю. Це призводить до зміни механічних властивостей аустенітної сталі.

Той самий розплав вимиває Ni u Cr їх сталі типу 18/8, що теж змінює її властивості.

Сталь типу 18/8 дуже стійка в евтектиці Na-K. У ній при вмісті кисню 0,002% глибина корозійного ураження становить

2 – 3 мкм/рік. Отже треба боротися із вмістом кисню, тобто. треба очищати від кисню рідкий метал.

Крім того, для експлуатації в рідкому металі необхідно брати сталі з мінімальним вмістом вуглецю, а розплав періодично очищати від нього. Крім вуглецю, Ni u Cr, переноситься і Fe; причому цей процес супроводжується МКК сталей. Швидкість МК уражень досягає 250 мкм/рік і залежить від вмісту кисню Na.

Різкий стрибок швидкості МКК спостерігається при концентрації кисню 0,05 %, т.к. окисли, що утворюються на поверхні, можуть розчинятися в розплаві.

Корозійна стійкість жароміцних сталей, застосовуваних при t = 700° може бути підвищена легуванням Al до 30 % ат.

Застосування тугоплавких матеріалів при t = 800 ° C загалом не рятує положення, якщо в розплаві є кисень.

Підвищена концентрація Li дуже корозійно агресивна до сталей і вимиває Ni; O u N "допомагають" Li у цій "чорній справі".

З погляду наявності іонізуючого випромінювання аустенітні хромонікеліві сталі піддаються радіаційному крихтенню тобто. підвищенню міцності та зниження пластичності.

Цей вид наслідків опромінення є дуже небезпечним, особливо якщо взяти до уваги термічну науку, напругу, вібрацію тощо. Сприяють руйнуванню матеріалу у вигляді корозійного впливу утворення інтерметалічних фаз.

Аустеніт - це твердий однофазний розчин вуглецю до 2% у y-Fe. Головна його особливість полягає в послідовності, в якій розташовуються атоми, тобто в будові кристалічних ґрат. Вона буває 2 типів:

1. ОЦК a-залізо (об'ємно - центрована - по одному атому розташовується в 8 вершинах куба і 1 в центрі).
2. ГЦК y-залізо (гране-центрована по одному атому знаходиться в 8 вершинах куба і по одному знаходяться на кожній з 8 граней, всього 16 атомів).

Простими словами: аустеніт — це структура чи стан металу, визначальна його технічні характеристики, які у іншому стані неможливо, т.к. змінюючи будову, метал змінює властивості. Без аустеніту неможлива така технологія як загартування, яка є найпоширенішою, дешевшою, технічно доступною, а в деяких випадках і єдиною технологією зміцнення металу.

Властивості аустенітних сталей та де їх використовують

Сам стан заліза в Y-фазі (аустеніт) унікальний, завдяки йому метал є жароміцним (+850 ºC), холодостійким (-100 ºC і нижче t), здатний забезпечувати корозійну та електрохімічну стійкість та інші найважливіші властивості, без яких були б немислимі. технологічні процеси в:

• нафтопереробної та хімічної галузей;
• медицині;
• космічному та авіабудуванні;
• електротехніки.

Жароміцність - властивість стали не змінювати своїх технічних властивостей при критичних температурах з часом. Руйнування відбувається за нездатності металу протистояти дислокаційної повзучості, т. е. зміщення атомів на молекулярному рівні. Поступово відбувається зміцнення, і процес старіння металу починає відбуватися все швидше. Це відбувається з часом за низьких або високих температур. Так от, наскільки цей процес розтягнеться у часі — це і є здатність металу до жароміцності.

Корозійна стійкість - здатність металу протистояти руйнуванню (дислокаційної повзучості) не тільки з часом і при кріогенних і високих температурах, але ще й в агресивних середовищах, тобто при взаємодії з речовинами, що активно вступають у реакцію з одним або декількома компонентними елементами. Поділяють 2 типи корозії:

1. хімічна - окислення металу в таких середовищах, як газове, водне, повітряне;
2. електрохімічна - розчинення металу в кислотних середовищах, що мають позитивно чи негативно заряджені іони. При різниці потенціалів між металом та електролітом відбувається неминуча поляризація, що призводить до часткової взаємодії двох речовин.

Холодостійкість - здатність зберігати структуру при кріогенних температурах протягом тривалого часу. Через спотворення кристалічних ґрат структура стали холодостійкою здатна приймати будову властиве звичайним малолегованим сталям, але вже при дуже низьких температурах. Але цим сталям властивий один недолік - мати повноцінні властивості вони можуть лише за мінусових температурних значень, t - ≥ 0 для них неприпустимі.

Методи отримання аустеніту

Аустеніт – це структура металу, яка у малолегованих марках виникає у діапазоні температур 550-743 ºC. Як можна зберегти цю структуру та, відповідно, властивості за межами цих t? - Відповідь: методом легування. При наповненні решітки аустеніту атомами інших елементів утворюються структурні спотворення, а процес відновлення ОЦК-решітки (природна будова при нормальних температурах) зсувається на сотні градусів.

Як ці властивості проявляються і в якому стані, залежить від додаткових, тобто легуючих елементів та термічної обробки деталі, яку вона може додатково отримувати. Причому впливають не тільки елементи, але їх співвідношення, так аустенітна сталь поділяється на:

• хромомарганцеву та хромнікельмарганцеву (07Х21Г7AН5, 10X14AГ15, 10X14Г14H4T);
• хромонікелеву (08Х18Н12Б, 03Х18Н11, 08X18H10T, 06X18Н11, 12X18H10T, 08X18H10;
• висококремнисту (02Х8Н22С6, 15Х18Н12C4Т10);
• хромонікельмолібденову (03Х21Н21М4ГБ, 08Х17Н15М3Т, 08X17Н13M2T, 03X16H15M3, 10Х17Н13М3Т).

Хімічні елементи та їх вплив на аустеніт

Помічників у аустеніту небагато, використовуватися вони можуть як спільно, так і частково, залежно від того, які властивості потрібно отримати:

• Хром - при його вмісті понад 13% на поверхні утворює оксидну плівку, товщиною 2-3 атоми, яка виключає корозію. В аустеніті хром знаходиться вільному стані, за умови мінімального вмісту вуглецю, так як той відразу утворює карбід Cr 23 C 6 , що призводить до сегрегації хрому і збіднює великі ділянки матриці, роблячи її доступною для окислення, сам карбід Cr 23 C 6 сприяє міжкристал аустеніту.
• Вуглець (максимальне значення не більше 10 %). Вуглець в аустеніті знаходиться в сполученому стані, основне його завдання - утворення карбідів, які мають граничну міцність.
• Нікель – основний елемент, який стабілізує бажану структуру. Достатньо вміст 9-12%, щоб перевести сталь в аустенітний клас. Подрібнює та стримує зростання зерна, що забезпечує високу пластичність;
• Азот замінює атоми вуглецю, присутність яких у сталях електрохімічно стійких знижено до 0,02%;
• Бор - вже в тисячних відсотках збільшує пластичність, в аустеніті, подрібнюючи його зерно;
• Кремній і марганець не вказуються як основні легуючі елементи в маркуванні, але є основними або обов'язковими легуючими елементами аустеніту, які надають міцність і стабілізують структуру.
• Титан і ніобій — при температурі вище 700 °С карбід хрому розпадається і утворюється стійкий TiC і NiC, який викликає міжкристалітну корозію, та їх використання який завжди виправдано холодостійких сталях, т.к. воно підвищує межу розпаду аустеніту.

Термічна обробка

Аустеніт піддають обробці лише за потребою. Основні операції - це високотемпературний відпал (1100-1200 °С протягом 0,5-2,5 години) при якому усувається крихкість. Далі загартування з охолодженням в олії або на повітрі.

Аустенітну сталь, леговану алюмінієм, піддають подвійному гартуванню та подвійній нормалізації:

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

Механічна остаточна обробка проводиться до гарту, але після відпалу.

Вироби з аустнітних сталей

Напівфабрикати, в яких поставляється сталь, є:

• Листи, товщиною 4-50 мм з гарантованим хімічним складом та механічними властивостями.
• Ковки. Зважаючи на складну обробку цих сталей методом зварювання, виготовлення деяких деталей є отриманням практично готових виробів вже на етапі лиття. Це ротори, диски, турбіни, труби двигунів.

Методи з'єднання аустеніту:

• Припій - дуже обмежує використання металу при t більше 250 °С;
• Зварювання - можливе у захисній атмосфері (газовій, флюсовій), при подальшій термічній обробці.
• Механічне з'єднання - болти та інші елементи кріплення, виготовлені з аналогічного матеріалу.

Аустенітні стали одні з найдорожчих технічних сталей, використання яких обмежується вузькою спеціалізацією обладнання.

Аустенітні сталі, володіючи рядом особливих властивостей, застосовуються в тих робочих середовищах, що відрізняються високою агресивністю. Такі сплави незамінні в енергетичному машинобудуванні, на підприємствах нафтової та хімічної промисловості.

1

До аустенітних відносять сплави з високим рівнем легування, які при кристалізації зазвичай утворюють однофазну систему, що характеризується кристалічною гранецентрованою решіткою. Такий тип решітки в сталях, що описуються, залишається незмінним навіть у тих випадках, коли метал охолоджується до дуже низьких температур, званих кріогенними (в районі -200 градусів Цельсія). У деяких випадках сталі аустенітного класу мають ще одну фазу (її обсяг у сплаві може досягати десяти відсотків) – фериту з високим ступенем легування. У цьому випадку грати є об'ємноцентрованими.

Поділ аустенітних сталей на дві групи проводиться за складом їх основи, а також за вмістом у сплаві легуючих компонентів – нікелю та хрому:

1. Композиції на основі заліза: вміст нікелю – до 7 %, хрому – до 15 %, загальна кількість добавок, що легують, – не більше 55 %.
2. Композиції на нікелевій (55% і більше нікелю) та залізонікелевій основі (в них міститься 65 і більше відсотків нікелю та заліза, причому відношення першого до другого становить 1 до 1,5).

У таких сплавах нікель збільшує пластичність, жароміцність і технологічність сталі, а хром відповідає за надання їй необхідної корозійної та жаростійкості. А додаючи інші легуючі компоненти, можна досягти унікальних властивостей аустенітних складів, набір яких і обумовлює службове призначення того чи іншого металу.

Найчастіше аустенітні сталі легуються такими елементами:

• Феритизатори, які стабілізують структура аустеніту. До них відносять ванадій, вольфрам, ніобій, титан, кремній та молібден.
• Аустенітизаторами, якими є азот, вуглець і марганець.

Всі зазначені компоненти розташовуються як у надлишкових фазах, так і безпосередньо у твердому сталевому розчині.

За прийнятою класифікацією, що враховує систему легування, будь-яка аустенітна сталь може бути зарахована до хромомарганцевої або хромонікелевої. Крім того, сплави ділять на хромонікельмарганцеві та хромонікельмолібденові.

2

Різноманітність добавок дозволяє створювати спеціальні аустенітні сталі, які використовуються для виготовлення деталей для конструкцій, що працюють у високотемпературних, корозійних та кріогенних умовах. Виходячи з цього, аустенітні склади та поділяють на різні групи:

• корозійностійкі;
• холодостійкі.

Жаростійкі склади не руйнуються при дії на них хімічного середовища. Їх можна використовувати при температурах до +1150 градусів. З таких сталей виготовляють різноманітні слабонавантажені вироби:

• елементи газопровідних систем;
• арматуру для пічного обладнання;
• нагрівальні деталі

Жароміцні марки сталей можуть досить довго чинити опір навантаженням у високотемпературних умовах, зберігаючи при цьому свої спочатку високі механічні характеристики. Їх обов'язково легують вольфрамом і молібденом (кожна з присадок може утримуватись у сталевій композиції у кількості до семи відсотків). А для подрібнення зерна деякі аустенітні сплави вводять у невеликих кількостях бор.

Обозначим часто встречающиеся марки жаростойких и жаропрочных сталей описываемого в статье класса: Х15Н35ВТР, 10Х12Н20Т3Р, 40Х18Н25С2, 1Х15Н25М6А, 20X23H13, 10X15H18B4T, 10Х16Н14В2БР, 10X18H12T, 08Х16Н9М2, 10Х15Н35ВТ, 20Х25Н20С2, 1Х15Н25М6А, 20X23H13, 10X15H18B4T, 10Х16Н14В2БР, 10X18H12T.

Аустенітні нержавіючі сталі (тобто корозійностійкі) характеризуються малим вмістом вуглецю (не допускається наявності понад 0,12% цього хімічного елемента). Нікелю в них може бути від 8 до 30%, а хрому від 12 до 18%. Будь-яка аустенітна нержавіюча сталь проходить термічну обробку (відпустку, загартування або відпал сталі). Термообробка необхідна для того, щоб вироби з нержавіючої сталі добре "відчували" себе в різних агресивних середовищах - в лужних, газових, рідкометалевих, кислотних при температурах від +20 градусів і більше.

Найбільш відомі такі марки аустенітних корозійностійких сталей:

• хромонікельмолібденові: 03Х21Н21М4ГБ, 08Х17Н15М3Т, 08X17Н13M2T, 03X16H15M3, 10Х17Н13М3Т;
• хромомарганцеві: 07Х21Г7AН5, 10X14AГ15, 10X14Г14H4T;
• хромонікелеві: 08Х18Н12Б, 03Х18Н11, 08X18H10T, 06X18Н11, 12X18H10T, 08X18H10;
• з великим вмістом кремнію (від 3,8 до 6,7%): 15Х18Н12С4Т10, 02Х8Н22С6.

Холодостійкі аустенітні композиції містять 8-25% нікелю та 17-25% хрому. Застосовуються вони кріогенних апаратів, мають високу вартість виробництва, тому використовуються дуже обмежено. Найчастіше зустрічаються кріогенні сталі 07Х13Н4АГ20 та 03Х20Н16АГ6, які легуються азотом. Цей елемент вводять для того, щоб сплав при температурі +20° мав більшу межу плинності.

3

Найбільш поширеними вважаються аустенітні хромонікелеві сталі, які мають добавки молібдену. Їх застосовують тоді, коли є ризик утворення щілинної чи піттингової корозії. Вони демонструють високу стійкість у відновлювальних атмосферах і діляться на два види:

• нестабілізовані титаном із вмістом вуглецю не більше 0,03 %;
• стабілізовані титаном із вуглецем від 0,08 до 0,1 %.

Такі марки хромонікелевих композицій, як Х17Н13М2 та Х17Н13М3, оптимальні для конструкцій, що функціонують у сірчанокислих середовищах, в оцтовій десятивідсотковій кислоті, у фосфорній кислоті в киплячому стані.

Хромонікелеві сталі з додаванням ніобію або титану відрізняються мінімальною небезпекою до утворення корозії міжкристалітного типу. Ніобію вводять у порівнянні з вуглецем у 9–10 разів більше, а титану – у 4–5,5 разів більше. До сплавів з такою можливістю відносять такі склади: 0Х18Н12Б, 0Х18Н10Т, Х18Н9Т та деякі інші.

Збільшити корозійну стійкість описуваних сталей можна також за допомогою введення в них кремнію. Яскравими представниками таких спеціальних композицій є такі сплави:

• 015Х14Н19С6Б;
• 03Х8Н22С6.

Вони без перебільшення ідеальні для виробництва хімічних зварних агрегатів, у яких зберігається та переробляється азотна концентрована кислота.

Хромомарганцеві сталі типу 2Х18Н4ГЛ характеризуються високими ливарними характеристиками, тому їх експлуатують на виробництвах, де застосовуються литі корозійностійкі конструкції. Інші хромомарганцеві сплави (наприклад, 10Х13Г12Н2СА та 08Х12Г14Н4ЮМ) у горючих середовищах більш стійкі до корозії, ніж хромонікелеві.

4

Жароміцні та жаростійкі сплави аустенітної групи піддаються при необхідності різним видам термічної обробки з метою збільшення своїх властивостей, а також для модифікації наявної структури зерна: число та принцип розподілу дисперсних фаз, величина блоків і самого зерна тощо.

Відпал таких сталей застосовується зменшення твердості сплавів (коли це потрібно за умов їх експлуатації) і усунення явища крихкості. При подібній термічній обробці метал нагрівають до 1200-1250 градусів протягом 30-150 хвилин, а потім максимально швидко охолоджують. Складні найчастіше охолоджують у олії чи повітрі, тоді як сплави з малою кількістю легуючих компонентів зазвичай занурюють у воду.

Для сплавів типу ХН35ВТЮ та ХН70ВМТЮ рекомендується термообробка у вигляді подвійного загартування. Спочатку виконується перша нормалізація їх складу (за температури близько 1200 градусів), завдяки якій метал підвищує показник опору повзучості за рахунок формування твердої гомогенної фази. А після цього здійснюється друга нормалізація з температурою трохи більше 1100 градусів. Результатом описаної обробки є значне збільшення пластичних та жароміцних показників аустенітних сталей.

Аустенітна сталь підвищує свою жароміцність (а заодно і механічну міцність) у тих випадках, коли проходить подвійну термообробку, що полягає в загартуванні і наступним за нею старінні. Крім того, практично всі аустенітні метали, які відносять до групи жароміцних, штучно старять перед експлуатацією (тобто виконують операцію дисперсійного твердіння).