Хромонікелеві корозостійкі сталі й сплави. Хімічний склад,структура, властивості
Для підвищення стійкості проти корозії в сильних агресивних середовищах нержавіючі сталі, окрім хрому, додатково легують нікелем. Введення в 18%-ву хромисту сталь достатньої кількості нікелю (9-12%) переводить її в аустенітний стан. При цьому така сталь є більш пластичною і більш корозостійкою. Нержавіючі сталі з 18% Сг і 9-10% N1 широко розповсюджені в машинобудуванні, іпіловій енергетиці, суднобудуванні; використовуються для виго- іпалення предметів домашнього вжитку, в архітектурі і скульптурі. Дим підвищення корозостійкості у водних розчинах кислот і концентрованих киплячих кислотах, а також у лужних розчинах, аустенітні сталі легують додатково невеликою кількістю таких елементів, як Зі, А/, Си, Мо, N6. З метою усунення схильності до мгжкристалітної корозії вводять титан (до 1%) і зменшують вміст иуглецю (С<0,1%). В таблиці 25 приводиться хімічний склад N ромонікелевих сталей. У зв'язку з присутністю в сталях великої І ількості нікелю вони відносяться до дорогих металів, тому в деяких І галях з метою здешевлення вміст нікелю зменшують до 4%, а ілмість нього вводять марганець (9-14%Мп) і азот (0,15-0,4%М). Так, і галь 10Х14Г14Н4Т рекомендується замість сталі 12Х18Н10Т. ( труктура хромонікелевих сталей залежить від співвідношення кількості феритотвірних елементів (Сг, Зі, Мо, Ті, А /, N6) і лустенітотвірних елементів (С, Мі, И, Мп, Си). Тому за структурою ці сталі розподіляються па аустенітні, аустенітне-феритні та лустенітно-мартенситні.
Розрізняють дві групи хромонікелевих аустенітних сталей: І) сталі типу 18-8 (12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Т); 2) сталі і ішу 25-20 (20Х23Н18, 20Х25Н20С2).
Останні відносяться не тільки до корозостійких, але й до жаростійких і жароміцних. їх призначають для роботи при температурах 1100-1150°С.
Сталі типу 18-8 зберігають свої властивості під час тривалого нагрівання до 700-750°С, а в разі короткочасної роботи - до більш високих температур. Вони також застосовуються як жаростійкі і жароміцні сталі. Особливості структуроутворення цих сталей полягають в тому, що в них після повільного охолодження може утворюватись складна структура: аустеніт з невеликою кількістю фериту і карбідів МС, М2зС6 (А+Ф+К) (рис. 262). Така структура не може забезпечити задовільну корозійну стійкість і високу пластичність, особливо, коли сталь поставляється у вигляді холоднокатаного листа. Для запобігання цьому негативному явищу призначають загартування - аустенізацію від 1100-1150°С із швидким охолодженням у холодній воді. Під час нагрівання фериті надлишкові фази зникають;
Марки сталей
Вміст елементів, %
с |
Ми |
Сг |
N1 |
Ті* |
1 Мо |
інші |
сталі аустенітного класу
12Х18Н9
0,12
17-19
8-10
17Х18Н9
0,13-0,21
12Х18Н9Т
0,12
1-2
1-2
17-19
8-10
17-19
8-9,5
5х%С...0,8
04Х18Н10
0,04
1-2
17-19
9-11
08ХІ8Н10
0,08
1-2
17-19
9-11
12Х18Н10Е
0,12
1-2
17-19
9-11
(0,18-0,3 >8с
08Х18Н10Т
0,08
1-2
17-19
9-11
5х%С...0,7
12Х18Н10Т
0,12
1-2
17-19
9-11
5х%С...0,8
08Х18Н12Т
0,08
1-2
17-19
10-13
5х%С...0,6
12Х18НІ2Т
0,12
1-2
17-19
10-13
5х%С...0,7
10ХІ4Г14Н4Т
0,10
13-15
13-15
2,8-4,5
5х%(С-0,02)...0,6
12Х17Г9АН4
0,12
8-10,5
16-18
3,5-4,5
(0,25-0,37)19
10Х17Н13М2Т
0,10
1-2
16-18
12-14
5х%С...0,7
2,0-3,0
10Х14АГ15
0,10
14-16
13-15
(0,15-0,25)19
10Х17Н13МЗТ 0,10
1-2
16-18 12-14 5х%С...0,7 3,0-4,0
сталі аустенітно-феритного класу
08Х22Н6Т
<0,08
<0,8
21-23
5,3-6,З
5х%С...0,65
08Х21Н6М2Т
<0,08
<0,8
20-22
5,5-6,5
0,2... 0,4
І,8-2,5
08Х18Г8Н2Т
<0,08
7-9
17-19
1.8-2,5
0,2...0,5
03Х23Н6
<0,03
1,0-2,0
22-24
5.6-6.3
03Х22Н6М2
<0.03
1.0-2,0 21-23 5.6-6,5
1.8-2.5
сталі аустеїнтно-мартенситного класу
09Х15Н8Ю
0,09
<0,8
14-16
8-10
(0,7-1,3)4 /
09ХІ7Н7Ю
0.09
<0,8
16-17,5
7-8
(0,5-0,8)4 /
08Х17Н5МЗ
0,06-0,09
<0,8
16-17,5
4.5-5,5
3.0-3.5
10Х15Н4АМЗ
-0,13
<1,0
-15
-4,5
-2,75
-0,07
07Х16Н6 0,05-0,09 <0,8 15,5-17,5 5,0-8,0
*Для зменшення схильності до МКК вводиться титан, кількість якого залежить від кількості вуглецю в сталі дано! плавки
сталь отримує однофазну і однорідну структуру аустеніту, яка після швидкого охолодження не змінюється.
Т
Рис. 262. Діаграма стану хромонікелевих сталей (18% хрому і 10% нікелю).
ака структура забезпечує максимальну корозійну стійкість виробів, працюючих в окислюючих середовищах, крім того, вона забезпечує сталям найвищу пластичність при достатній міцності (ав=500-600 МПа, 5=35-45%). Це дає можливість виготовляти аустенітні сталі у вигляді прокатних листів, а потім широко використовувати у виробництві деталей і контрукцій з застосуванням холодного штампування і зварювання. їх використовують в багатьох галузях сучасної промисловості: в літакобудуванні, суднобудуванні, космічній техніці, енергетиці, медицині, хімічній, нафтогазовій та харчовій промисловостях.Сталі аустенітно-феритного класу містять 18-22%Сг, 2-6%№ і деяку кількість Мо та Ті (08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т). Мікроструктура аустенітно-феритної сталі представлена на рис. 263. Аустенітно- феритні сталі мають відносно високі границі текучості і міцності при задовільній пластичності (таблиця 26). Вони краще, ніж аустенітні сталі, протистоять міжкристалітній корозії і корозійному розтріскуванню і добре зварюються. Співвідношення кількості фериту і аустеніту в структурі сталі залежить від швидкості охолодження з високих температур нагріву (>1200°С). При повільному охолодженні в області температур 700-800°С в сталі може утворюватись крихка о-фаза (РеСг). Нагрівання до температур 450-500°С призводить до крихкого стану цих сталей - з'являється так звана 475°С крихкість. Поставляються аустенітно-феритні сталі в загартованому стані з температур 980-1050°С.
Сталі аустенітно-мартенситного (перехідного) класу мають структуру аустеніту і мартенситу, кількість яких можна змінювати в широких границях. До цього класу відносяться сталі, в яких співвідношення легуючих елементів забезпечує початок мартенситного перетворення при 20-60°С. Марки сталей аустенітно-мартенситного
к
в) г)
Рис. 263. Мікроструктура сталі 10Х25Н5ТМФЛ (х 200) після загартування (видержка 1 год.): а-1000°С в маслі; 6-І І50°С в маслі; в-1200°С в теплій воді (50°С); г-І200°С. охолодження з піччю до 1000°С, охолодження в маслі.
ласу
приведені в таблиці 25. Механічні
властивості цих сталей залежать від їх
структурного стану, котрий змінюється
під впливом термічної обробки та
пластичної деформації (таблиця 26).
Після загартування структура може бути в основному аустенітна з невеликою кількістю мартенситу. Але цей аустеніт нестійкий, і при охолодженні до від'ємних температур (або при пластичній деформації в області температур перетворення) він легко переходить в мартенсит. Наприклад: сталь 09X15Н8Ю для підвищення механічних властивостей підлягає загартуванню від 975°С, після якого структура - нестійкий аустеніт і невелика кількість мартенситу. В такому стані сталь пластична і може оброблятися тиском і різанням. Після цього сталь обробляють холодом в інтервалі температур від -50°С до -75°С для того, щоб значна частка аустеніту (приблизно 80%) перетворилася в мартенсит. Потім проводять від- пускання-старіння при 450-500°С. Під час старіння з мартенситу виділяються дисперсні частинки інтерметалідів типу М'уУ. Механічні властивості сталі після такої обробки дуже високі (сталь володіє як високою міцністю, так і високою пластичністю і ударною в’язкістю).
Марка
сталі
Термообробка
Механічні
властивості
Температура,°С
<7(),2
о«
8
КСІІ
загартування
обробки
холодом
відпус-
кання-
старіння
МПа
%
МДж/м2
сталі
аустенітного класу
І2Х18Н9
1050-1100
520
360
ЗО
75
І0ХІ4Г14Н4Т
1000-1080
620
280
45
60
І0ХІ4АГ15
1050-1070
750
300
45
55
І0Х17Н13МЗТ
1050-1070
580
280
40
60
І2Х17Г9АН4
1050-1100
650
300
35
50
І5ХІ7АГІ4
1050-1070
800
400
зо
45
сталі
аустенітно-феритного класу
08Х22Н6Т
1000-1050
600
350
20
6
08X21Н6М2Т
950-1050
750
450
20
55
[08Х18Г8Н2Т
980-1020
600
350
20
6
08Х22Н6Т
1000-1050
600
350
18
6
сталі
аустенітно-мартенситного класу
09X15Н8Ю
975
880
245
зо
65
3,0
-70
1080
880
25
60
1,5
-70
500
1270
1080
20
50
1,0
09Х17Н7Ю
1050
750-550
900
700
10
40
08Х17Н5МЗ
950
-70
450
1250
1050
15
50
1050
1000
300
28
10Х15Н4АМЗ
1070
(ТМО)
200
1600
1250
20
60
1,5
350
1450
1150
21
65
1.7
450
1550
1250
18
60
1,4
07X16Н6
975
-70
250-400
1300
1150
23
—
1,6
1000
300
зо
Аустенітно-мартеиситні сталі добре зварюються, і їх рекомендується використовувати як високоміцні матеріали для деталей, що працюють в атмосферних умовах, оцтовокислих і солевих середовищах, а також для пружних елементів. Висока пластичність і ударна в'язкість цих сталей при від’ємних температурах дозволяє їх застосовувати для виробів кріогенної техніки, які працюють при -196°С.
Однак, хромонікелеві сталі не забезпечують достатньо високої корозійної стійкості в таких середовищах, як сірчана та соляна кислоти. В таких випадках використовують нікелеві сплави хастелой, які містять 15-30%Мо і 60-80%Иі, а також додатково леговані кобальтом, хромом та іншими елементами. Ці сплави повинні мати мінімальну кількість вуглецю, бо його присутність викликає між- кристалітну корозію. Шкідливими елементами в цих сплавах є залізо і кремній. Окрім високих антикорозійних властивостей, сплави хастелой володіють високими механічними властивостями (ов>880 МПа, а0,2>390 МПа). Поряд із сплавами хастелой використовують сплави па залізонікелевій і нікелевій основах, марки яких представлені в таблиці 27. Сплав 04ХН40МДТЮ після загартування від 1050-1100°С і старіння при 650-700°С має структуру у-твердого розчину і інтерметалідну фазу типу Міі(Ті,АІ). Сплав призначається для роботи при великому навантаженні в розчинах сірчаної кислоти.
Для виготовлення зварювальної апаратури, яка працює в солянокислих середовищах, розчинах азотної, сірчаної і фосфорної кислот, використовується нікелево-молібденовий сплав Н70МФ.
Таблиця
27. Хімічний
склад і механічні властивості
корозостійких сплавів на нікелевій та
залізонікелевій основах
Марки
сплавів
Основні
елементи,%
Механічні
властивості
Сг
Ці
Мо
інші
елементи
о«
<7(1,2
5,%
МПа
04ХН40МДТЮ
14-17
39-42
4,5-
6,0
0,04
С; 2,5-3,2 Ті; 0,77- 1,2 Я/; 2,7- 3,3 Си
1250
750
35
Н70МФ
—
решта
25-27
0.05С:
1.4-1.7У; <4,0Ре
950
480
50
ХН65МВ
14,5-16,5
решта
15
0,ОЗС;
3,0-4,5\У;< І.ОРе
1000
600
50
Найбільш поширеним є сплав ХН65МВ який працює при підвищених температурах у вологому хлорі, солянокислих і сірчанокислих середовищах, хлоридах, сумішах кислот і других агресивних середовищах.
Нікелеві сплави використовуються після загартування від І()70°С. Структура сплавів - у-тверднй розчин на основі нікелю і надлишкові карбіди типу М6С і УС (Н70МФ).
З метою економії дорогих хромонікелевих сталей і сплавів в деяких випадках для виготовлення деталей хімічної апаратури (корпусів апаратів, днищ, фланців, патрубів тощо) варто використовувати двошарові сталі. Такі сталі мають два шара, один з яких - основний - виготовляється із низьколегованої сталі (09Г2, 16ГС, 09Г2С, І2ХМ, 10ХГСНД) або вуглецевої СтЗкп, а другий - плакуючий (товщиною 1-'6 мм) - із корозостійкої сталі (08Х18Н10Т, 10ХІ7Н13М2Т, 06ХН28МДТ, 08X13) або нікелевого сплаву (ХН65МВ, Н70МФ).