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.

На рис.1  показано изменение потенциала  железохромистых сталей  с увеличением содержания хрома. Стали, содержащие меньше 12% хрома, имеют низкий  потенциал  и сильно подвержены коррозии. изменение потенциала железохромистых сталей

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.

режимы термической обработки и механическик свойства нержавеющих сталей

   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.