Коррозионностойкая сталь
Разрушение металла под действием окружающей среды называется коррозией. Чистое железо и низколегированные стали не устойчивы против коррозии в воде, атмосфере и других средах. Повысить устойчивость стали против коррозии можно легированием ее такими элементами, которые образуют на поверхности стали защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и нарушающие контакт металла с окружающей средой, а также повышением ее химического потенциала, благодаря этому получается коррозионностойкая сталь.
На рис.1 показано изменение потенциала железохромистых сталей с увеличением содержания хрома. Стали, содержащие меньше 12% хрома, имеют низкий потенциал и сильно подвержены коррозии. 
Стали, содержащие хрома свыше 12-14%, ведут себя как благородные металлы, т.е. обладают положительным потенциалом и высокой стойкостью против коррозии. Кроме того, нержавеющие стали должны иметь однофазную структуру.
Сталь 12Х13 нестабильна по свойствам, так как небольшие отклонения в составе (в пределе марки) по углероду и хрому резко изменяют структуру стали от ферритной до полуферритной и даже мартенситной.
Стали 12Х14, 12Х17,15Х25Т,15Х28 относятся к ферритному классу.
Стали 20Х13,30Х13,40Х13 относятся к мартенситному классу. Коррозионная стойкость сталей с 13% хрома повышается, если весь хром находится в твердом растворе.
Поэтому, чем больше углерода в сталях Х13, тем более высокой должна быть температура закалки, чтобы растворимость карбидов была более полной. Наличие карбидов в структуре способствует образованию микрогальванопар, а следовательно, понижает коррозионную стойкость. Повысить коррозионную стойкость нержавеющих сталей можно термической обработкой. Режимы термической обработки хромистых нержавеющих сталей и получаемые свойства приведены в таблице.
Коррозионностойкая сталь, свойства
Из сталей 12Х13 и 20Х13, обладающих высокой пластичностью, можно штамповать различные детали.
Нержавеющие хромистые стали хорошо свариваются . Однако ферритные нержавеющие стали при этом обладают одним существенным недостатком, а именно, возникающей при нагреве крупнозернистостью, которая не устраняется последующей термической обработкой из-за отсутствия фазовых превращений в этих сталях.
Крупнозернистость вызывает повышенную хрупкость. Ведение титана и азота в ферритные нержавеющие стали оказывает сдерживающее влияние на рост зерна и устраняет крупнозернистость.
Присадка никеля в сталь 12Х17 приводит к появлению у α превращений и повышает прочность стали.
С увеличением содержания никеля до 8-10% хромистые нержавеющие стали становятся аустенитными. Нержавеющие аустенитные стали с 18 % хрома и 9% никеля получили широкое промышленное применение . Типичным представителем является сталь 12Х18Н9(≤0,12%С, 17-19%Cr и 8-10Ni). В отожженном состоянии сталь имеет структуру аустенита + карбиды.
Хромоникелевые нержавеющие стали подвергают закалке с 1100-1150ᴼ С с охлаждением в воде. При таком высоком нагреве происходит растворение карбидов хрома Me23C6 а быстрое охлаждение фиксирует состояние пересыщенного твердого раствора. Медленное охлаждение недопустимо, так как при этом происходит выделение карбидов по границам зерен, что ухудшает пластичность и коррозионную стойкость стали.
После закалки сталь имеет низкую прочность, но высокую пластичность Gв=550-580 МПа, δ= 40-45%, ψ=55-60%.
Холодной деформацией (наклепом) можно повысить прочность закаленной аустенитной стали до 1200-1300МПа, но пластичность при этом снижается (δ≈5%). Закаленная сталь хорошо штампуется и сваривается.
Если закаленную аустенитную сталь нагреть до 500-700ᴼ С, то из пересыщенного аустенита по границам зерен будут выделяться карбиды хрома. Это ведет к охрупчиванию стали и уменьшению содержания хрома (<12%) в пограничных областях. Обеднение твердого раствора хрома резко снижает стойкость против коррозии.
Коррозионное разрушение по границам зерен называется межкристаллитной или интеркристаллитной коррозией.
Сталь, пораженная межкристаллической коррозией, теряет металлический звук и при изгибе легко разрушается по границам зерен.
Склонность к интеркристаллической коррозии устраняется следующими способами: уменьшением содержания углерода до 0,04% и менее; введением в сталь сильных карбидообразующих элементов титана или ниобия.
Эти элементы в процессе кристаллизации связывают углерод в тугоплавкие карбиды (TiC, NbC), которые не растворяются в аустените при нагреве для закалки, поэтому исключается возможность образования карбидов хрома и уменьшение его концентрации в аустените.
Сталь 12Х18Н9Т в меньшей степени подвержена интеркристалличекой коррозии.
Возникновение микрогальванопар при образовании карбидов титана и ниобия оказывает слабое влияние на стойкость против коррозии аустенитных сталей.
Аустенитные стали склонны к так называемому коррозионному растрескиванию или к коррозии под напряжением. Она заключается в том, что на поверхности детали, находящейся под нагрузкой или имеющей внутренне остаточные напряжения ( после наклепа) и помещенной в слабую коррозионную среду, возникают тонкие трещины, проходящие главным образом по телу зерна.
Прочность нержавеющих сталей аустенитно-мартенситного класса (типа 09Х15Н9Ю — ≤0,09%С, 14-16%Cr, 7-9%Ni,0.7-1.3%Al) сильно зависит от режимов термической обработки. Нержавеющие стали этого класса получили применение главным образом как высокопрочные.
Термическая обработка стали 09Х15Н9Ю сложная и состоит из следующих операций:
Закалка с 975 до 1 000ᴼ С аустенита, Gв=900МПа, δ = 30%, ψ=65%;
Обработка холодом при203-173К, структура 40% мартенсита и 60% аустенита;
Отпуск (старение) при 450-500ᴼ С, структура 40%, состаренного мартенсита и 60% аустенита, Gв=1300МПа, δ=20%,ψ=50%.
Значительно меньше практическое применение нашли аустенитно-ферритные нержавеющие стали, характеризующиеся нестабильностью свойств.
Используемая литература:
«Термическая обработка металлов» В.М. Зуев.
