Фазовий склад аустенітних корозійностійких сталей їх різновиду. Які стали відносяться до аустенітних, і які властивості вони мають. Роль нікелю в аустенітних нержавіючих сталях

Вище певного вмісту марганцю, нікелю або деяких інших елементів γ-стан існує як стабільний від кімнатної температуридо температури плавлення. Такі високолеговані металеві метали називають аустенітними сталями. На відміну від інших залізних сплавів аустенітні сталі (і феритні) не мають перетворень при нагріванні та охолодженні. Тому термічну обробку для зміцнення аустенітних сталей не застосовують.

До холодостійких аустенітних сталей також відносяться хромомарганцеві сталі(аустенітні сталі, в яких нікель повністю або частково замінений марганцем); стабільні аустенітні хромонікельмарганцеві сталі з азотом(аустенітні сталі, одночасно леговані хромом, нікелем та марганцем) та метастабільні аустенітні сталі.

Літ.:

1. Гуляєв А.П. Металознавство. - М: Металургія, 1977. - УДК669.0(075.8)
2. Іванов В.М. Словник-довідник із ливарного виробництва. - М.: Машинобудування, 1990. - 384 с.: Іл. ISBN 5-217-00241-1
3. Солнцев Ю.П., Пряхін Є.І., Войткун Ф. Матеріалознавство: Підручник для вузів. - М: МІСІС, 1999. - 600 с. - УДК 669.017

Аустенітні жароміцні сталі застосовують для виготовлення клапанів двигунів, лопаток газових турбін та інших «гарячих» деталей реактивних двигунів- В основному для роботи при 600-700 °С.

Всі аустенітні жароміцні сталі містять велику кількість хрому та нікелю, а також добавки інших елементів.

Аустенітні жароміцні сталі мають поруч загальних властивостей- високою жароміцністю та окалиностійкістю, великою пластичністю, гарною зварюваністю, великим коефіцієнтом лінійного розширення. Проте порівняно з перлітними та мартенситними сталями вони менш технологічні: обробка тиском та різанням цих сплавів утруднена; зварний шовмає підвищену крихкість; отримана внаслідок перегріву крупнозерниста будова не може бути виправлена ​​термічною обробкою, оскільки в цих сталях відсутня фазова перекристалізація. В інтервалі 550-600 °С ці сталі часто охрущуються через виділення по межах зерна різних фаз.

Аустенітні сталіможуть бути поділені на дві групи:

1) не зміцнювані, термічною обробкою, тобто не схильні до дисперсійного твердіння (умовно назвемо їх гомогенними, хоча насправді вони містять другі фази, але в кількостях, що не викликають сильного ефекту старіння):

2) зміцнювані термічною обробкою та застосовувані після загартування + відпустка. Зміцнення створюється завдяки виділенню карбідних, карбонітридних або йнтерметалідних фаз. Здатність до старіння обумовлена ​​наявністю деяких елементів (крім хрому та нікелю) у кількостях, що перевищують межу розчинності.

Хром та нікель – основні легуючі компоненти цих сталей. Перший визначає окалиностійкість, а нікель – стійкість аустеніту. При нестачі нікелю можливе часткове утворення -фази, що погіршує жароміцність.

Склад найважливіших аустенітних жароміцних сталей наведено в табл. 67. Сталі першої (гомогенної) групи застосовують як жароміцні і як нержавіючі, тому більш докладно про них буде викладено в наступному розділі, тут же ми обмежимося даними про їх окалиностійкість і жароміцність (див. табл. 68, 69).

Тривала витримка при робочих температурах (500 - 700 ° С) захищена сталь через виділення надлишкових фаз по межах зерен (рис. 336) і утворення так званої -фази (сигматизація), що представляє собою інтерметалід типу Ці перетворення протікають дуже повільно.

Стали другої групи, на відміну першої, нестабільні і схильні до зміцнення внаслідок розпаду твердого розчину (в'язкість у своїй знижується).

Термічна обробка цих сталей полягає в загартуванні при 1050-1100 ° С у воді та відпустці - старінні при 600-750 ° С. Ця відпустка - старіння викликає підвищення твердості внаслідок

Таблиця 67. (див. скан) Склад аустенітних жароміцних сталей (ГОСТ 5632-72), %

Мал. 336. Мікроструктура аустеніти жароміцної сталі, а - після загартування; б – після старіння при 650 °С

дисперсійного твердіння: надлишкові фази при старінні виділяються переважно за межами зерен (див. рис. 336).

Звичайно, мета такої термічної обробки – підвищення жароміцності; аустенітні сталі другої групи мають жароміцність

більш високою, ніж гомогенні аустенітні сталі, що пояснюється тонким розподілом другої фази, проте це є перевагою лише за короткочасних термінів служби; при тривалих термінах служби надлишкова зміцнююча фаза скоагулює, і тоді гомогенні сплави можуть перевершити по жароміцності дисперсійно твердні.

Це з порівняння даних, наведених у табл. 68 та 69.

Таблиця 68. Властивості деяких аустенітних сталей (гомогенних)

Таблиця 69. (див. скан) Жароміцні властивості деяких аустенітних сталей, що дисперсійно твердіють.

Крім цих сталей більш менш широкого призначення, є аустенітні жароміцні сталі більш вузького застосування: для литих деталей високої окалиностійкості (деталі печей, наприклад реторти), листовий обшивальний матеріал, що піддається нагріванню і т. д.

Склади деяких із цих спеціальних жароміцних та окалиностійких сплавів із зазначенням їх окалиностійкості наведені в табл. 62.

- це корозійностійкі хромонікелеві аустенітні сталі, які у світовій практиці відомі як сталі типу 18-10. Це найменування їм дає номінальний вміст у них 18% хрому та 10% нікелю.

Хромонікелеві аустенітні сталі в ГОСТ 5632-72

У ГОСТ 5632-72 хромонікелеві аустенітні сталі представлені марками 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х18Н10, 03Х18Н11.

Роль хрому в аустенітних нержавіючих сталях

Основним елементом, що дає сталям типу 18-10 високу корозійну стійкість, є хром. полягає в тому, що він забезпечує здатність до пасивації. Наявність у сталі хрому в кількості 18 % робить її стійкою в багатьох окислювальних середовищах, у тому числі азотної кислотиу великому діапазоні, як у концентрації, і по температурі.

Роль нікелю в аустенітних нержавіючих сталях

Легування нікелем у кількості 9-12% переводить сталь в аустенітний клас. Це забезпечує високу технологічність, зокрема, підвищення пластичності і зниження схильності до зростання зерна, а також унікальні службові властивості. Сталі типу 18-10 широко застосовують як корозійностійкі, жаростійкі, жароміцні та кріогенні матеріали.

Фазові перетворення в аустенітних нержавіючих сталях

У хромонікелевих аустенітних сталях можуть відбуватися такі фазові перетворення:

• виділення надлишкових карбідних фаз і -фази при нагріванні в інтервалі в інтервалі 450-900 ºС;
• освіту в аустенітній основі δ-фериту при високотемпературному нагріванні;
• утворення α-фази мартенситного типу при холодній пластичній деформації або охолодженні нижче за кімнатну температуру.

Міжкристалітна корозія в аустенітних нержавіючих сталях

Схильність стали до міжкристалітної корозіїпроявляється внаслідок виділення карбідних фаз. Тому при оцінці корозійних властивостей стали найважливішим факторомє термокинтетичні параметри освіти у ній карбідів.

Схильність до міжкристалітної корозії загартованої сталі типу 18-10 визначається насамперед концентрацією вуглецю в твердому розчині. Підвищення вмісту вуглецю розширює температурний інтервал схильності сталі до міжкристалітної корозії.

Сталь типу 18-10 при витримці в інтервалі 750-800 ºС стає схильною до міжкристалітної корозії:

• при вмісті вуглецю 0,084% - вже протягом 1 хвилини;
• при вмісті вуглецю 0,054% - протягом 10 хвилин;
• при вмісті вуглецю 0,021 5 - через 100 хвилин.

Зі зменшенням вмісту вуглецю одночасно знижується температура, що відповідає мінімальній тривалості ізотермічної витримки до початку міжкристалітної корозії.

Зварювання аустенітних нержавіючих сталей

Необхідний ступінь стійкості сталі проти міжкристалітної корозії, що дозволяє виконувати зварювання досить товстих перерізів, забезпечує вміст вуглецю сталі типу 18-10 трохи більше 0,03 %.

Міжкристалітна корозія при 500-600 ºС

Стабілізація стали титаном та ніобієм

При введенні в хромонікелеву сталь типу 18-10 титану та ніобію, які сприяють утворенню карбідів, змінюються умови виділення карбідних фаз. При відносно низьких температурах 450-700 ºС переважно виділяються карбіди типу Cr 23 C 6 які і дають схильність до міжкристалітної корозії. За температур вище 700 ºС переважно виділяються спеціальні карбіди типу TiC або NbC. При виділенні лише спеціальних карбідів схильності до міжкристалітної корозії немає.

Азот в аустенітних нержавіючих сталях

Азот, як і вуглець, має змінну розчинність в аустеніті. Азот може утворювати при охолодженні та ізотермічній витримці самостійні нітридні фази або входити до складу карбідів, заміщаючи в них вуглець. Вплив азоту на схильність до міжкристалітної корозії хромонікелевих аустенітних сталей значно слабший, ніж у вуглецю, і починає виявлятися тільки при вмісті його понад 0,10-0,15%. Водночас введення азоту підвищує міцність хромонікелевої аустенітної сталі. Тому практично застосовують у цих сталях невеликі добавки азоту.

Вплив вмісту хрому

З підвищенням концентрації хрому розчинність вуглецю в хромонікелевому аустеніті зменшується, що полегшує виділення в ньому карбідної фази. Це, зокрема, підтверджується зниженням ударної в'язкості сталі з підвищенням вмісту хрому, що пов'язують з утворенням карбідної сітки за межами зерен.

Разом з тим підвищення концентрації хрому в аустеніті призводить до істотного зниження схильності сталі до міжкристалітної корозії. Це пояснюють тим, що хром значно підвищує корозійну стійкість сталі. Більш висока концентрація хрому сталі дає меншу ступінь збіднення їм кордонів зерен при виділенні там карбідів.

Вплив вмісту нікелю

Нікель знижує розчинність вуглецю в аустеніті і тим самим знижує ударну в'язкість сталі після відпустки та підвищує її схильність до міжкристалітної корозії.

Вплив легуючих елементів на структуру сталі

За характером впливу легуючих та домішкових елементів на структуру хромонікелевих аустенітних сталей при високотемпературних нагріваннях їх поділяють на дві групи:
1) феритоутворюючі елементи: хром, титан, ніобій, кремній;
2) аустенітоутворюючі елементи: нікель, вуглець, азот.

Дельта-ферит у хромомолібденовій аустенітній сталі

Присутність дельта-фериту в структурі аустенітної хромонікелевої сталі типу 18-10 виявляє негативний впливна її технологічність при гарячій пластичній деформації – прокатці, прошивці, куванні, штампуванні.

Кількість фериту в сталі жорстко лімітується співвідношенням у ній хрому та нікелю, а також технологічними засобами. Найбільш схильна до утворення дельта-фериту група сталей типу Х18Н9Т (див. також). При нагріванні цих сталей до 1200 С в структурі може міститися до 40-45% дельта-фериту. Найбільш стабільними є сталі типу Х18Н11 та Х18Н12, які при високотемпературному нагріванні зберігають практично чисто аустенітну структуру.

Мартенсит у хромонікелевих аустенітних сталях

У межах марочного складу в сталях типу Х18Н10 хром, нікель, вуглець і азот сприяють зниженню температури мартенситного перетворення, що викликається охолодженням або пластичною деформацією.

Вплив титану та ніобію може бути двояким. Перебуваючи у твердому розчині, обидва елементи підвищують стійкість аустеніту щодо мартенситного перетворення. Якщо ж титан і ніобій пов'язані в карбонітриди, вони можуть дещо підвищувати температуру мартенситного перетворення. Це тому, що аустеніт у разі збіднюється вуглецем і азотом і стає менш стійким. Вуглець та азот є сильними стабілізаторами аустеніту.

Термічна обробка хромонікелевих аустенітних сталей

Для хромонікелевих аустенітних сталей можливі два види термічної обробки:

• загартування та
• стабілізуючий відпал.

Параметри термічної обробки відрізняються для нестабілізованих сталей та сталей, стабілізованих титаном або ніобієм.

Загартування є ефективним засобомпопередження міжкристалітної корозії та надання сталі оптимального поєднаннямеханічних та корозійних властивостей.

Стабілізуючий відпал загартованої сталі переводить карбіди хрому:

• в безпечний для міжкристалітної корозії стан для нестабілізованих сталей;
• у спеціальні карбіди для стабілізованих сталей.

Загартування аустенітних хромонікелевих сталей

У сталях без добавок титану і ніобію під загартуванням розуміють нагрівання вище температури розчинення карбідів хрому і досить швидке охолодження, що фіксує гомогенний гамма-розчин. Температура нагрівання під загартування зі збільшенням вмісту вуглецю зростає. Тому низьковуглецеві сталі гартуються з нижчих температур, ніж високовуглецеві. Загалом інтервал температури нагріву становить від 900 до 1100 ºС.

Тривалість витримки сталі при температурі гарту досить невелика. Наприклад, для листового матеріалу сумарний час нагрівання та витримки при нагріванні до 1000-1050 ºС зазвичай вибирають із розрахунку 1-3 хвилини на 1 мм товщини.

Охолодження з температури гарту має бути швидким. Для нестабілізованих сталей із вмістом вуглецю понад 0,03 % застосовують охолодження у воді. Стали з меншим вмістом вуглецю та при невеликому перерізі виробу охолоджують на повітрі.

Стабілізуючий відпал аустенітних хромонікелевих сталей

У нестабілізованих сталях відпал проводять в інтервалі температур між температурою нагрівання під загартування та максимальної температурипрояви міжкристалітної корозії Величина цього інтервалу в першу чергу залежить від вмісту хрому у сталі та збільшується з підвищенням його концентрації.

У стабілізованих сталях відпал проводять для перекладу вуглецю з хрому карбідів в спеціальні карбіди титану і ніобію. При цьому хром, що звільняється, йде на підвищення корозійної стійкості сталі. Температура відпалу зазвичай становить 850-950 ºС.

Стійкість аустенітних хромонікелевих сталей до кислот

Здатність до пасивації забезпечує хромонікелевим аустенітним сталям досить високу стійкість у азотній кислоті. Сталі 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Б та 02Х18Н11 мають перший бал стійкості:

• у 65 %-ній азотній кислоті при температурі до 85 ºС;
• у 80%-ній азотній кислоті при температурі до 65 ºС;
• 100%-ної сірчаної кислоти при температурі до 65 ºС;
• у сумішах азотної та сірчаної кислот: (25 % + 70 %) та 10 % + 60 %) при температурі до 70 ºС;
• в 40% фосфорної кислоти при 100 ºС.

Аустенітні хромонікелеві сталі мають також високу стійкість до розчинів органічних кислот — оцтової, лимонної та мурашиної, а також у лугах КОН та NaOH.

Згідно з експертними оцінками, протягом року втрати металу від корозійних явищ у різних галузях становлять до 30% від металопрокату, що виробляється в Росії. Особливо великі такі втрати для деталей трубопроводів та зовнішніх металоконструкцій. Антикорозійний захист сталевих деталей шляхом їх фарбування чи нанесення поверхневого захисного покриття не завжди ефективний. Саме тому попит на спеціальні нержавіючі сталі завжди є стійким.

Види та класифікація нержавіючих сталей

Характерна риса всіх видів нержавіючої сталі – наявність у них хімічному складізначного відсотка хрому. Спеціальні вимоги до категорії сталей, що розглядається, обумовлюються відразу кількома стандартами:

Крім того, корозії сталу випускають також за декількома галузевими стандартами і ТУ.

Оброблюваність

Оскільки практично весь металопрокат надалі піддається пластичному деформуванню, найбільш об'єктивною вважається класифікація нержавіючих сталей за їхньою структурою.

Розрізняють нержавіючі сталі:

• Мартенситного класу, Відмінною рисою яких є вміст вуглецю в межах 0,15 ... 0,45%;
• Мартенситно-феритного класу, що містять вуглець у кількості не більше 0,15%;
• Феритного класу, З вмістом вуглецю не більше 0,1 ... 0,15% і відсутністю нікелю у своєму складі;
• Аустенітного класу(Вони, у свою чергу, мають ще кілька підкласів), відмінною особливістю яких вважається збільшений вміст легуючих елементів. Зокрема, такі стали додатково вводяться вольфрам і молібден, інколи ж – ще титан і алюміній.

Різноманітність структур визначає різні вимогидо обробки нержавіючих сталей та властивостей виготовлених з них деталей.

Стали феритного класу

До такого типу належать нержавіючі сталі. 08Х13, 08Х13Т1, 10Х13СЮ та їм подібні. Відмінна риса таких сталей – помітна втрата показників міцності вже при порівняно невисоких температурах(До 300 ... 400 0 С). Це полегшує деформованість, оскільки в багатьох випадках штампування можна проводити з холодного або напівгарячого стану. При цьому можливе отримання поковок і штампувань з досить складною конфігурацієюпри відносно невисоких питомих зусиллях та енерговитратах.

Особливо добре деформуються нержавіючі сталі зі зниженим відсотковим вмістом нікелю, наприклад 12Х13. При різанні вони утворюють чистий зріз і налипають на робочий інструмент. Однак листове штампуваннятаких сталей можна прожити тільки у відпаленому стані, оскільки при значних ступенях деформації вони зміцнюються, і можуть, наприклад, у процесі витяжки без міжопераційного відпалу зруйнуватися. Нержавіючі сталі феритного класу добре обробляються і в об'ємних профілях - дроті або прутку.

Для забезпечення високої якостіготових виробів з нержавіючих сталей феритного класу дотримуються правила: з підвищенням відсоткового вмісту вуглецю відсоток хрому повинен зменшуватися пропорційно. За цих умов обробка сталей групи, що розглядається, зазвичай проблем не викликає.

Стали мартенситно-феритного класу

До цієї групи входять нержавіючі сталі марок. 12Х13, 14Х17Н2, 15Х12ВНМФ і т.д.Вони характеризуються підвищеним вмістом вуглецю і, отже, зниженням загальної штампування. Такі стали здатні зберігати свою міцність до температур 500 0 Сі навіть більше тому холодна пластична деформація прокату успішна лише для деталей простої форми. Листові матеріализі сталей аналізованого типу в холодному стані задовільно піддаються вирубці та пробивці. Водночас для здійснення згинання, формування та витяжки вихідні заготовки доведеться нагрівати. Це не погіршує їхню якість, але збільшує собівартість виробництва.

Особливістю технології обробки нержавіючих сталей мартенситно-феритного класу є необхідність зниження тертя при штампуванні або механічної обробки. Проблема вирішується запровадженням додаткових операцій, які полягають у нанесенні на поверхню вихідних заготовок спеціальних покриттів, що зменшують коефіцієнт тертя при складній формозміні. Найбільш ефективно оксалатування- Покриття поверхні солями щавлевої кислоти. Таке покриття найчастіше застосовують у технологіях об'ємного штампування.

Стали мартенситного класу

Типові представники сталей цієї групи – 20Х12ВНМФ, 25Х13Н2, 40Х9С2. Зміст хрому у яких сягає 13…14%, що негативно позначається на подальшій оброблюваності прокату, Як листового, так і профільного. Необхідні за технологією показники штампування нержавіючі сталі мартенситного класу досягають лише при нагріванні до температур не нижче 800 0 С. При цьому нагрівання заготовок ведуть у печах зі зниженим вмістом кисню, або взагалі в середовищі. інертних газівоскільки антикорозійна здатність таких сталей зберігається на належному рівні лише до 750...850 0 С.

Оскільки попередній відпал таких сталей скорочує час нагріву в печах під наступне штампування (без погіршення якості поверхні металу), то до механічної обробки зазвичай допускають прокат у ненагартованому стані. Збільшенняпроцентного змісту нікелюпри цьому сприятливо впливає на штампування, а збільшеннявідсотка кремнію – знижує її.

Стали цього класу отримали найбільш широке поширенняу промисловості та будівництва.

Зокрема, задовільна зварюваність дозволяє використовувати деталі з мартенситних нержавіючих сталей при прокладанні великих трубопроводів. У той же час достатні показники міцності забезпечують готовим виробамхорошу довговічність при значних зовнішніх навантажень(особливо за наявності вібрацій).

Стали аустенітного класу

До них відносять аустенітні (08Х17Н13М2Т, 20Х25Н20С2, 45Х14Н14В2М тощо), аустенітно-феритні (12Х21Н5Т, 20Х20Н14С2 тощо), а також аустенітно-мартенситні (09Х15Н8Ю, 20Х13Н4Г9 і т.п.)сталі.

Обробка таких сталей через значний вміст легуючих елементів виконується тільки в гарячому стані. Крім високої міцності, яка зберігається і при підвищених температурах, такі сталі відрізняються:

• Відсутністю процесів фазової перекристалізаціїяка позитивно впливає на пластичність;
• Низькою теплопровідністю, що підвищує вимоги до технології нагрівання заготовок;
• Наявністю гетерогенної структурияка має суттєву неоднорідність;
• Схильністю до зростання зерна під час нагрівання, Що негативно позначається на пластичності:
• Вибагливістю до точного дотримання режимів нагрівання (температурні відхиленняпонад 50 0 С не допускаються).

Перед попереднім проковуванням заготівлі проходять контроль макроструктури, в ході якого встановлюються можливі дефектиструктури (неметалеві включення, порожнечі, заповнені азотом, наявність крихких складових у розчині аустеніту тощо). Тому нержавіючі сталі аустенітного класу найчастіше виробляються за технологією електрошлакового переплаву.

Гарячу обробку тиском таких сталей ведуть при температурах 1050 ... 1250 0 С (зі збільшенням відсоткового вмісту вуглецю та легуючих компонентів температура збільшується). Звертається увага також на граничні значення ступеня деформації за одне проковування, яке не повинно перевищувати 30…50%.

Раціональні галузі застосування та способи перевірки стійкості

Для правильного виборумарки такої сталі необхідно знати умови, в яких експлуатуватиметься детальвиготовлена ​​з неї. Зокрема, вибір визначається:

1. Постійною наявністю корозійно-активного середовища- Води при підвищеній температурі від 200 0 С і вище, водносольових розчинів, водяної пари і т.д.
2. Електрохімічна корозія, Яку викликають блукаючи струми.
3. Наявності знакозмінних навантаженьпід час експлуатації виробу.
4. Контактом зістерильними, харчовими чи хімічно чистими речовинами.

З посиленням всіх вищеперелічених вимог перевагу віддають нержавіючим сталям зі збільшеним відсотковим вмістом хрому, титану, нікелю молібдену. При цьому безпосередньо на корозійну стійкість впливає хром. Молібден, ванадій та нікель забезпечують механічну міцністьвироби, а титан та алюміній знижують вагу металоконструкції.

При тривалій експлуатації всі вироби, виготовлені з нержавіючих сталей, періодично піддають неруйнівному контролю. У його ході встановлюється наявність можливих точкових плям поверхневої корозії, а за зміною питомого електроопору - початок міжзеренної та міжкристалітної корозії.

Існуючі аустенітні високолеговані сталі та сплави розрізняють за змістом основних легуючих елементів – хрому та нікелю та за складом основи сплаву. Високолегованими аустенітними сталями вважають сплави на основі заліза, леговані різними елементамиу кількості до 55%, у яких вміст основних легуючих елементів – хрому та нікелю зазвичай не вище 15 та 7% відповідно. До аустенітних сплавів відносять залізонікелеві сплави з вмістом заліза та нікелю більше 65% при відношенні нікелю до заліза 1:1,5 та нікелеві сплави з вмістом нікелю не менше 55%.

Аустенітні сталі та сплави класифікують

• за системою легування,
• структурного класу,
• властивостям
• та службовому призначенню.

Високолеговані сталі та сплави є найважливішими матеріалами, що широко застосовуються в хімічному, нафтовому, енергетичному машинобудуванні та інших галузях промисловості для виготовлення конструкцій, що працюють у широкому діапазонітемператур. Завдяки високим механічним властивостям при негативних температурахвисоколеговані сталі та сплави застосовують у ряді випадків і як холодостійкі. Відповідний підбір легуючих елементів визначає властивості та основне службове призначенняцих сталей та сплавів (табл. 1 – 3).

Характерною відмінністю корозійностійких сталей є знижений вміст вуглецю (не більше 0,12%). При відповідному легуванні і термічній обробці сталі мають високу корозійну стійкість при 20°С і підвищену температуру як в газовому середовищі, так і в водних розчинахкислот, лугів та в рідкометалевих середовищах.

До жароміцних відносяться сталі і сплави, що мають високі механічні властивості при підвищених температурах і здатність витримувати навантаження при нагріванні протягом тривалого часу. Для надання цих властивостей сталі та сплави легують елементами-зміцнювачами – молібденом та вольфрамом (до 7% кожного). Важливою легуючою присадкою, що вводиться в деякі сталі та сплави, є бор, що сприяє подрібненню зерна.

Жаростійкі сталі та сплави мають стійкість проти хімічного руйнування поверхні в газових середовищах при температурах до 1100 – 1150°С. Зазвичай їх використовують для слабонавантажених деталей (нагрівальні елементи, пічна арматура, газопровідні системи тощо). Висока окалиностійкість цих сталей і сплавів досягається легуванням алюмінієм (до 2,5%) і кремнієм, що сприяють створенню міцних і щільних оксидів на поверхні деталей, що оберігають метал від контакту з газовим середовищем.

За системою легування аустенітні сталі поділяються на два основні типи: хромонікелеві та хромомарганцеві. Існують також хромонікельмолібденові та хромонікельмарганцеві сталі.

Залежно від основної структури, одержуваної при охолодженні повітря, розрізняють такі класи аустенітних сталей: аустенітно-мартенситні, аустенітно-феритні, аустенітні.

Сплави на залізонікелевій (при вмісті нікелю більше 30%) та нікелевих основах за структурою є стабільноаустенітними і не мають структурних перетворень при охолодженні на повітрі. В даний час знаходять застосування також аустенітно-боридні Х15Н15М2БР1 (ЕП380), Х25Н20С2Р1 (ЕП532), ХН77СР1 (ЕП615) і високохромисті аустенітні ХН35ВЮ (ЕП568) і ХН50 або хромонікелеву евтектичні фази відповідно.

Після відповідної термічної обробки високолеговані сталі та сплави мають високі міцнісні та пластичні властивості (табл. 4). На відміну від вуглецевих ці сталі при загартуванні набувають підвищених пластичних властивостей. Структури високолегованих сталей різноманітні та залежать не тільки від їх складу, а й від режимів термічної обробки, ступеня пластичної деформації та інших факторів.

Становище фазових областей на діаграмах стану визначено переважно у вигляді псевдобінарних розрізів систем залізо – хром – нікель чи залізо–хром–марганець (рис. 1). Залізохромонікелеві сплави безпосередньо після затвердіння мають тверді розчини видів α і γ та гетерогенну область змішаних твердих розчинів α + γ . Стійкість аустеніту визначається близькістю складу до кордону. α - І γ -області. Нестійкість може проявлятися при нагріванні до помірних температур та подальшому охолодженні, коли фіксована швидким охолодженням аустенітна структура частково переходить у мартенситну. Збільшення вмісту нікелю у цих сплавах сприяє зниженню температури γ → α (М)-перетворення (рис. 2).

Мал. 1. Вертикальні розрізи діаграм стану залізо-хром-нікель (а) та залізо-хром-марганець (б)

Мал. 2. Зміни температури мартенситного перетворення залізохромонікелевих сплавів залежно від легування

Нестійкість проявляється при холодній деформації, коли сталі типу 18-8 залежно від ступеня деформації змінюють свої магнітні та механічні властивості (рис. 3). Крім того, нестійкість аустенітних сталей може викликатися виділенням карбідів з твердого розчину при зміні температури, що супроводжується зміною концентрації вуглецю та хрому. Це спричиняє порушення рівноважного стану та перетворення аустеніту на ферит і мартенсит переважно по межах зерен, де спостерігається найбільше збіднення хромом та вуглецем твердого розчину.

Мал. 3. Зміна механічних властивостей хромонікелевої сталі (18% Cr, 8% Ni, 0,17% С) залежно від ступеня холодної деформації (обтискання)

У потрійній системі залізохромомарганцевих сплавів після затвердіння утворюється безперервний рядтвердих розчинів з γ -Гратами і в процесі подальшого охолодження в залежності від складу сплаву відбуваються різні алотропічні перетворення. Марганець відноситься до елементів, що розширюють γ - область, і щодо цього аналогічний нікелю. При достатній концентрації марганцю (>15%) та хрому (<15%) сталь может иметь однофазную аустенитную структуру. Сопоставление фазовых диаграмм систем железо – хром – никель и железо – хром – марганец при высоких температурах и 20°С показывает, что аустенитная фаза в системе с никелем имеет значигельно большую площадь.

При кристалізації хромонікелевих сталей з розплаву починають спочатку випадати кристали хромонікелевого фериту, що має решітку δ-заліза (рис. 4). У міру охолодження в δ-ферит утворюються кристали хромонікелевого аустеніту, що має грати γ -заліза, і сталь набуває аустенітної структури. Вуглець в аустенітно-феритній та аустенітній сталях при температурах вище за лінію SEзнаходиться у твердому розчині та у вигляді фаз впровадження. Повільне охолодження стали нижчими за лінію SEпризводить до виділення вуглецю з твердого розчину у вигляді хімічної сполуки – карбідів хрому типу Cr 23 C 6 що знаходяться переважно по межах зерен. Подальше охолодження нижче лінії SKсприяє випаданню за межами зерен вторинного фериту. Таким чином, сталь при повільному охолодженні до 20°С має устенітну структуру з вторинними карбідами та феритом.

Мал. 4. Псевдобінарна діаграма стану залежно від вмісту вуглецю для сплаву 18% Cr, 8% Ni, 74% Fe

При швидкому охолодженні (загартуванні) розпад твердого розчину не встигає статися, аустеніт фіксується в пересиченому і нестійкому станах.

Кількість карбідів хрому, що випали, залежить не тільки від швидкості охолодження, але і від кількості вуглецю в сталі. При його вмісті менше 0,02 - 0,03%, тобто нижче за межу його розчинності в аустеніті, весь вуглець залишається в твердому розчині. У деяких композиціях аустенітних сталей прискорене охолодження може призвести до фіксації в структурі первинного -фериту, що попереджає гарячі тріщини.

Зміна сталі змісту легуючих елементів впливає положення фазових областей. Хром, титан, ніобій, молібден, вольфрам, кремній, ванадій, будучи феритизаторами, сприяють появі у структурі сталі феритної складової. Нікель, вуглець, марганець та азот зберігають аустенітну структуру. Однак основними легуючими елементами в сталях є хром і нікель. Залежно від їхнього співвідношення сталі іноді поділяють на сталі з малим (%Ni/%Cr)≤1 і більшим (%Ni/%Cr)>1 запасом аустенітності.

В аустенітних хромонікелевих сталях, легованих титаном і ніобієм, утворюються як карбіди хрому, а й карбіди титану і ніобію. При вмісті титану Ti > [(%C–0,02)*5] або ніобію Nb > (%С*10) весь вільний вуглець (вище за межу його розчинності в аустеніті) може виділитися у вигляді карбідів титану або ніобію, а аустенітна сталь стає не схильною до міжкристалітної корозії. Випадання карбідів підвищує міцність і знижує пластичні властивості сталей. Цю властивість карбідів використовують для карбідного зміцнення жароміцних сталей, що проводиться в комплексі з інтерметалідним зміцненням частинками Ni 3 Ti; Ni 3 (Al, Ti), Fe 2 W, (N, Fe) 2 Ti та ін. . Вона має обмежену розчинність у α - І γ -твердих розчинах і, виділяючись переважно по межах зерен, зміцнює сплав і одночасно різко знижує пластичні властивості та ударну в'язкість металу. Підвищені концентрації у сталі хрому (16–25%) та елементів-феритизаторів (молібдену, кремнію та ін.) сприяють утворенню σ-фази при 700 – 850°С. Виділення цієї фази відбувається переважно з утворенням проміжної фази фериту ( γ →α→ σ ) або перетворення δ-фериту (δ → σ ). Однак можливе її виділення і безпосередньо з твердого розчину ( γ → σ ).

У хромомарганцевих сталях з високим вмістом хрому та марганцю при уповільненому охолодженні також спостерігається виділення σ -Фази. Вуглець у хромомарганцевих і хромомарганцевонікелевих сталях призводить до дисперсійного твердіння сталей після відповідної термічної обробки, особливо при спільному легуванні з карбідоутворюючими елементами (ванадієм, ніобієм і вольфрамом).

Зміцнення аустенітно-борідних сталей відбувається в основному за рахунок утворення боридів заліза, хрому, ніобію, вуглецю, молібдену та вольфраму. Відповідно до цих процесів аустенітні сталі поділяють залежно від виду зміцнення на карбідні, боридні та з інтерметалідним зміцненням. Однак у більшості випадків у зв'язку із вмістом у сталях та сплавах великої кількостірізних легуючих елементів їхнє зміцнення відбувається за рахунок комплексного впливу дисперсних фаз та інтерметалідних включень.

Таблиця 1. Склад деяких корозійностійких аустенітних сталей та сплавів, %

Таблиця 2. Склад деяких жароміцних аустенітних сталей та сплавів, %

Таблиця 3. Склад деяких жаростійких аустенітних сталей та сплавів, %

Таблиця 4. Типові механічні властивості деяких марок високолегованих аустенітних та аустенітно-феритних сталей та сплавів