книги из ГПНТБ / Богачев И.Н. Структура и свойства железомарганцевых сплавов

стали, чем более метастабнлеи аустенит, т. е. чем больше образуется этих фаз.

При нагреве до 450°С механические свойства холод­ нокатаной стали не изменяются. Нагрев при 450—650° С вызывает сильное снижение прочности за счет возврата и частичного перехода мартенсита в аустенит (рис. 113). При 700° С отмечено небольшое упрочнение вследствие выделения карбидов по границам зерен и по плоскостям скольжения. При нагреве выше 900° С наклеп полностью

Рис. 113. Изменение ме­ ханических свойств хо­ лоднокатаной Сг—Ni стали 18-8 с 0,13% С в зависимости от темпе­ ратуры отпуска. Дли­ тельность нагрева 40 мин

[139]

снимается вследствие рекристаллизации и растворения карбидов хрома, пластичность стали повышается.

Наилучшую коррозионную стойкость нержавеющие стали типа 18-8 имеют после закалки при наличии аусте­ нитной структуры. При замедленном охлаждении или нагреве в интервале 450—800° С пересыщенный y-твер­ дый раствор распадается с выделением из него богатых хромом карбидов типа Сг2зСе. Образование карбидов в стали с 0,04—0,15% С происходит преимущественно по границам зерен и сопровождается местным обеднением твердого раствора хромом. Это является причиной склонности сталей к межкристаллитной коррозии.

Образование большого количества карбидов хрома при отпуске сопровождается понижением устойчивости

аустенита, в результате чего при охлаждении в стали появляется ферритная составляющая.

Необходимость разработки наиболее экономичных сталей или обладающих более высокой конструктивной прочностью нержавеющих сталей требует более разнооб­ разного легирования. Так, никелевые и Сг—Ni стали об­ ладают низким пределом текучести и не могут быть использованы в тех случаях, когда, помимо сопротивле­ ния коррозии, необходимы высокие прочностные свой­ ства, т. е. при сочетании механического воздействия и агрессивной среды. В этих случаях наиболее целесооб­ разно использовать нестабильные аустенитные или мар- тенситно-стареющие стали.

Вопросы экономии приобретают особое значение в связи с развитием химической промышленности. Часто никельсодержащие нержавеющие стали расходуются без достаточных к тому оснований и могли бы быть замене­ ны безникелевыми сталями или сталями с пониженным содержанием никеля. В качестве подобных сталей, удов­ летворяющих технологическим требованиям при более высокой прочности, могут быть использованы Сг—Мп и Сг—Мп—Ni стали с добавками азота и других леги­ рующих элементов.

Марганец несколько ухудшает коррозионную стой­ кость хромистых и Сг—Ni сталей в окислительной и вос­ становительной средах, когда его вводят в количестве 8—16%; при введении в сталь около 2—6% Мп его влия­ ние незначительно.

Испытание низкоуглеродистых закаленных Сг—Мп сталей в 55%-ной кипящей азотной кислоте показало [140], что коррозионные свойства этих сталей определя­ ются в основном хромом (рис. 114,о). Если в сталях с малым (8—10%) содержанием хрома увеличение кон­ центрации марганца резко ухудшает коррозионные свойства, то при увеличении содержания хрома до 17% коррозионная стойкость Сг—Мп сталей приближается к стойкости Сг—Ni стали Х18Н9Т и мало зависит от со­ держания марганца (рис. 114,6).

Марганец в нержавеющих сталях применяется для получения устойчивой аустенитной структуры, однако эффективность его стабилизирующего влияния меньше, чем у никеля. Механические свойства стали Х15Г15 пос­ ле закалки в воде с 1100—1200° С близки к свойствам

аустенитной Cr—Ni стали. Аустенитные стали на Сг—Мп основе упрочняются при наклепе значительно сильнее, чем хромоникелевые.

Марганец в хромистых сталях, в отличие от никеля, не расширяет области существования y-фазы при повы­ шенных температурах. Положение линии AB (рис. 115)

Рис. 114. Влияние хрома (а) и марганца (б) па коррозионную стойкость Сг—Мп сталей в 55%-иой кипящей азотной кислоте

[140]

соответствует практически постоянному содержанию хрома (13—15%) и не зависит от содержания марганца. В то же время никель повышает концентрацию хрома, при которой еще возможно существование чистой у-фазы (пунктирная линия AB').

Максимальное количество хрома, при котором можно получить аустенитную структуру за счет введения

в сталь только одного марганца, составляет 12—15%. В целях повышения коррозионной стойкости стали в по­ давляющем большинстве агрессивных сред необходимо более высокое содержание хрома в стали, поэтому, кро­ ме марганца, необходимо вводить еще и другие аусте­ нитообразующие элементы. В данном случае углерод в качестве такого элемента не может быть использован, так как он одновременно увеличивает склонность к меж­

(78,6 кГ/мм2), 0= 51,5%, ан=2,9 Мдж/м2 (29 кГ-м/см2).

Аналогичные механические свойства имеют стали, со­ держащие 0,1% С, 0,30% Si; 18—18,5% Сг, 5—8% Мп, 4—5% Ni. Коррозионная стойкость этих сталей несколь­ ко ниже, чем стали типа 18-8, особенно в восстановитель­ ных средах и некоторых органических кислотах.

Эффективным аустенитообразующим элементом яв­ ляется также азот. За последние годы этот элемент на­ шел достаточно большое применение в качестве легиру­ ющего элемента в нержавеющих сталях как в СССР, так и за границей. Добавка азота в количестве, равном при­ близительно одной сотой содержания хрома, позволяет повысить содержание хрома, при котором сохраняется аустенитная структура, до 17%. При наличии небольшо­ го количества никеля ( ^— 1,5%) в сталях, содержащих азот, можно получить аустенитную сталь даже при 18— 19% Сг.

Добавка азота значительно упрочняет аустенит, при этом пластичность сохраняется высокая (табл. 23).

Сг—Мп—Ni—N стали-заменители имеют следующие ме­

6= 354-45%, т. е. отличаются от аустенитной стали ти­ па 18-8 более высокими значениями предела текучести и предела прочности при близких значениях пластично­ сти. Применение коррозионностойких аустенитных ста­ лей с более высоким пределом текучести не только дает экономию никеля, но и уменьшает конструкционную мас­ су деталей.

На рис. 116 представлены механические свойства ста­ лей Х18Н9Т и Х17Н5Г9АБ в зависимости от степени об­ жатия. Упрочнение Сг—Мп—Ni—N аустенита при де­ формации значительно выше, чем Сг—Ni аустенита. По данным П. П. Чекмаревой, предварительная пластиче­ ская деформация до 20% повышает прочностные свой­ ства стали Х14Г14НЗТ без существенного снижения ха­ рактеристик пластичности при низких температурах

[1411-

Присутствие до 0,25% N не оказывает заметного вли­ яния на уровень коррозионной стойкости Сг—Мп и Сг—Мп—Ni сталей [142]. Исследование сталей, содер­ жащих 0,1% С, 16—19% Сг, 9—12% Мп, 0,25% N и 0— 1,5% Ni, показало, что коррозионная стойкость их ниже, чем стали 18-8, а в отдельных случаях ниже коррозион­ ной стойкости стали с 18% Сг без никеля. Присутствие

значительного количества марганца снижает коррозион­ ную стойкость, по при недостатке никеля эти стали мо­ гут представлять определенный интерес, благодаря их хорошей деформируемости и свариваемости. Введение 4—5% Ni в Сг—Мп—N сталь существенно повышает ее коррозионную стойкость (рис. 117). Сг—Мп—Ni сталь типа 18-10-4 с 0,25% N лишь немного уступает по кор­

розионной стойкости ста­ ли 18-8. Увеличение со­ держания марганца до 14% в этой стали лишь незначительно снижает ее стойкость.

Таким образом, Сг—Мп—Ni—N аустенитные стали оптимального состава по коррозионной стойкости в за­ каленном состоянии близки к стали Х18Н8, а по прочно­ сти превосходят ее.

При соответствующем легировании Сг—Мп сталей в некоторых средах могут быть получены более высокие антикоррозионные свойства, чем у Сг—Ni сталей (табл. 24) [140]. Так, в 4%-ном растворе серной кисло­ ты (испытания при комнатной температуре в течение 17 ч) наилучшие результаты показала сталь Х18Г15, ле­ гированная 0,81% Си; 0,89% Ni и 1,5% Mo. Комплексное легирование медью и никелем еще более замедляет ско-

рость коррозии стали Х18Г15. В насыщенном растворе поваренной соли наилучшее сопротивление коррозии по­ казали стали, легированные молибденом, и все ком­ плексно легированные стали.

Испытание на коррозию в атмосферных условиях по­ казало, что стали всех плавок имеют низкую скорость коррозии и в основном по стойкости превосходят сталь Х18Н9Т.

Добавки 0,81% Си и 0,31% N несколько снижают скорость коррозии стали Х18Г15 в 56%-ной кипящей азотной кислоте (рис. 118). Увеличение содержания хрома до 21% и комплексное легирование медью (0,9%) и азотом (0,32%)) позволяют получить, коррозионные свойства лучше, чем у Сг—Ni стали.

Характерной для Сг—Мп—N нержавеющих сталей аустенитного класса, как и для Сг—Ni сталей, является склонность к распаду при нагреве в критическом интер-

вале температур (600—800°С), в результате чего они становятся неустойчивыми к межкристаллитной корро­ зии. Выдержка при 600—800° С приводит к выделению нитридных или карбоиитридных фаз, содержащих хром, что снижает также и пластические свойства стали. Со­ держание углерода, обеспечивающее достаточную стой­ кость против межкристаллитной коррозии, для Сг— Мп—Ni—N стали составляет 0,06%, а для Сг—Ni ста­ ли — 0,03%, что объясняется меньшим пределом раство­ римости углерода в Сг—Ni сталях.

Рис. 118. Влияние азота и меди на скорость коррозии стали Х18Г15 в кипящей 56%-ной азотной кислоте:

1— сталь Х18Г15; 2 — то же с добавкой 0,81% Си; 3 — то же с добавкой 0,31% N; 4 — сталь Х18Н9Т; 5 — сталь ХІ9Г15 с до­ бавкой 0,9% Си и 0,3% N [140]

Наиболее распространенный способ уменьшения или устранения склонности стали к межкристаллитной кор­ розии заключается в дополнительном легировании ее ти­ таном или ниобием. Основная цель введения этих эле­ ментов— связать содержащийся в стали углерод в стой­ кие карбиды. В отличие от карбидов хрома, эти карбиды не растворяются при температуре закалки, что предот­ вращает их выделение по границам зерен при последую­ щем нагреве. Поэтому отношение количества вводимых титана или ниобия к содержанию углерода обычно соот­ ветствует стехиометрическому соотношению, необходи­ мому для карбидообразования: для титана оно равно 5, а для ниобия — 8.

Cr—Mn стали с азотом и без него одинаково склонны к межкристаллитной коррозии, причем поражение кор­ розией тем сильнее, чем больше углерода в стали. При его содержании свыше 0,06% разрушение протекает очень быстро, т. е. стали не пригодны для сварной аппа­ ратуры, работающей в сильно агрессивных средах и при высоких температурах. Введение титана в Сг—Мп—Ni сталь 18-9-3 с 0,07% С устраняет склонность к межкри­

нецелесообразно из-за образования нитридов (при этом азот теряет свое влияние как аустенитообразующий эле­ мент, а титан как карбидообразующий). Ниобий, хотя и образует преимущественно карбиды, тем не' менее ча­ стично расходуется на соединение с азотом, что снижает его эффективность как аустенитообразующего элемента. Следовательно, ниобий хотя и действует более эффек­ тивно, но полностью склонности к межкристаллитной коррозии не устраняет. Введение титана и ниобия в сталь 17-8-4 с азотом увеличивает минимальное время межкристаллитной коррозии. В работе [143] установле­ на перспективность легирования стали Х17Н4Г8А молиб­ деном (2—3%), который повышает температуру опасно­ го развития коррозии, что позволяет использовать эту сталь для работы при более высоких температурах (до 550—600° С).

Наиболее эффективный метод увеличения сопротив­ ляемости стали межкристаллитной коррозии — производ­ ство азотсодержащих сталей с очень низкой концентра­ цией углерода (-<0,03) [144]. Преимущество таких ста­ лей по сравнению со сталями, стабилизированными титаном или ниобием, заключается в более высокой со­ противляемости межкристаллитной и ножевой коррозии. Низкое содержание углерода обеспечивает сваривае­ мость. Сталь, благодаря отсутствию включений, приоб­ ретает более плотную макроструктуру и более высокие пластические свойства, хорошую полируемость и свари­ ваемость. В настоящее время внедряется сталь 000Х20Г7АН6 с < 0,03% С и высокой стабильностью

твердого раствора, предотвращающего склонность к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию.

Из табл. 23 следует, что Сг—Мп—Ni—N стали с нио­ бием и без него по своим механическим свойствам до­ статочно близки друг к другу. Добавки ниобия повышают сопротивление стали межкристаллитной коррозии, по­ этому все стали, содержащие ниобий, рекомендуются для изготовления сварных конструкций [138]. Наилуч­ шую коррозионную стойкость сварные соединения полу­ чают после закалки с 1000—1080° С в воде.

В зависимости от состава, структуры и свойств не­ ржавеющие стали, содержащие марганец, подразделя­ ются на четыре группы:

1)аустенитные стали с 12—14% Сг и различными содержаниями марганца и никеля;

2)аустенитные стали с 17—19% Сг, различным со­ держанием марганца и никеля и добавкой азота;

3)аустенито-мартенситные стали с 12—18% Сг, при­ садками марганца и никеля (обладают высокой проч­ ностью: сгв> 1200 Мн/м2 (120 кГ/мм2) и достаточно вы­ сокой пластичностью: 6 7>15%);

4)аустенито-ферритные стали с 16—18% Сг, различ­ ным содержанием марганца и добавкой никеля или без нее. Коррозионная стойкость сталей этого типа в окисли­ тельных средах преимущественно определяется содержа­ нием хрома.

атмосферной коррозии. Испытания в атмосфере, насы­ щенной водяными парами, при комнатной температуре показали, что после годового пребывания стали не ржа­ веют. По уровню коррозионной стойкости Сг—Мп сталь 14-14 достаточно близка к хромистой стали (при том же количестве хрома), поэтому их нельзя рассматривать как заменители Сг—Ni стали 18-8. Сг—Мп сталь 14-14 рекомендуется для слабоагрессивных сред (в кислород­ ном машиностроении, в электротехнической, в пищевой, мясомолочной промышленности). По механическим и технологическим свойствам эта сталь почти не отличает­ ся от стали 1Х18Н9Т. При минусовых температурах сталь Х14Г14Н сохраняет высокую пластичность и ударную вязкость. После закалки на аустенит сталь 2Х13Н4Г9 об­ ладает более высокими механическими свойствами, чем