Сталь аустенитного класса что это

Сделать заказ можно по телефону

Наши специалисты с радостью вам помогут

Нержавеющая сталь является универсальным компонентом, который применяется практически во всех областях промышленности. Одной из ее разновидностей является аустенитная нержавеющая сталь . Этот материал получают из высоколегированных сплавов и его основной особенностью является образование равномерного твердого раствора (аустенита) при кристаллизации материала. Монолитная кристаллическая решетка содержит различные легирующие примеси, которые несколько различаются в зависимости от сферы применения материала. Сталь обладает высокой пластичностью и для получения готовых изделий необходимой формы применяется термическая обработка материала.

Состав аустенитной стали

Для того чтобы материал получил необходимые свойства и укрепил гранецентрированную кристаллическую решетку в него добавляются легирующие примеси, которые изменяю свойства стали в целом:

• Добавление в качестве примеси хрома позволяет поднять коррозионную стойкость материала;
• Использование в качестве легирующей примеси никеля позволяет значительно усилить жаропрочность готового нержавеющего листа;
• Для усиления специальных свойств материала дополнительно с основными легирующими металлами применяются углерод, азот, титан, молибден…

Применение аустенитной стали

Основное применение аустенитная сталь нашла:

При непродолжительном нагреве до температуры плавления материал приобретает монолитную структуру. Именно поэтому нержавеющая труба из аустенитной стали соединяется при помощи сварки без образования между шовного пространства. Соответственно структура материала не повреждается и не происходит образование условий для возникновения окислительных процессов.

Материал является стойким к изменению магнитного поля. Это позволяет использовать изделия из аустенитной стали для изготовления точной радиотехнической аппаратуры.

Благодаря образованию стойкой однородной структуры аустенитный нержавеющий металл может быть использован в качестве основного защитного материала при конструировании устройств, предназначенных для работы в сложных условиях под воздействием резких перепадов температур и воздействием сильных электромагнитных полей.

Высокая степень легирования хромом позволяет использовать материал в качестве надежной защиты от коррозии.

Одной из востребованных разновидностей нержавеющей стали остается аустенитная нержавеющая. Как следует из названия, такого типа материал устойчив к возникновению коррозии. Защитный эффект достигается путем добавления в состав обычных дополнений. Здесь в качестве таких материалов выступает хром и никель. Хрома в составе 18%, а никеля 10%. На поверхности создается тонкий слой, который препятствует внешнему воздействию агрессивных сред.

Для хромоникелевых сталей данной разновидности создан ГОСТ 5632-72. В нем прописываются центральные требования к показателям продукции, на которые необходимо ориентироваться при её выборе и оценке. В ГОСТ прописано несколько разновидностей материала:

12Х18Н9Т; 08Х18Н10Т; 12Х18Н10Т; 12Х18Н9; 17Х18Н9; 08Х18Н10; 03Х18Н11.

Как уже было сказано выше, качества стали зависит от двух центральных добавок, процент которых в составе наиболее высок:

• Хром. Процент содержания хрома держится на уровне до 18%. Элемент обеспечивает повышенную устойчивость к возникновению коррозии при использовании в различных средах. Помимо этого, элемент гарантирует возможность для обеспечения пассивации. Если говорить про потенциально опасные среды, то сталь с добавлением хрома может держаться даже в окислительных. Кислота может отличаться по уровню концентрации и нагрева. Таким образом, удается обеспечивать длительное использование элементов без потери качества.
• Никель. Такого материала в составе содержится в среднем 10%. При этом, содержание элемента не может быть менее 9% и более 12%. Никель добавлен в состав не случайно. С ним повышается технологичность, а склонность к появлению существенно снижается. Более того, материал приобретает высокие служебные свойства. Подобная рецептура помогает выдерживать не только агрессивную кислотную среду, но и перепады температур – как повышенной, так и пониженной.

Состав различных типов стали может отличаться – варьируется содержание элементов, а вместе с ним и многие другие эксплуатационные параметры.

Особенности фазовых превращений в сталях аустенитного типа

Существует сразу несколько разновидностей превращений, которые могут протекать в хромоникелевого типах стали.

Среди них выделяются 3:

• образование в аустенитной основе δ-феррита при высокотемпературном нагреве;
• выделение избыточных карбидных фаз и σ-фазы при нагреве в интервале в интервале 450-900 ºС;
• образование α-фазы мартенситного типа при холодной пластической деформации или охлаждении ниже комнатной температуры.

Говоря о фазовых превращениях в стали, нельзя не коснуться такой важной темы, как появление межкристаллической коррозии. Склонность к ней особенно ярко проявляется, когда происходит выделение карбидных фаз. Это отражается на том, как будет проводиться оценка стали. Стоит отталкиваться от термокинетических параметров образования в стали карбидов.

Для каждой разновидности материала определяется время, которое требуется для начала процесса межкристаллической коррозии. Оно привязано к проценту содержания углерода в твердом растворе. Чем выше содержание углерода, тем при большей температуре будет возникать межкристаллическая коррозия. Таким образом, удается применять различные варианты стали в областях, которые подвержены высоким температурам.

Зависимость времени и процента содержания углерода представлено в таблице ниже:

Содержание углерода в твердом растворе

Время появления межкристаллической коррозии

Свыше 100 минут.

Чем меньше процент содержания углерода, тем ниже будет температура, связанная с показателями минимальной изотермической выдержки. Таким образом, при покупке стоит сразу понимать, в каких температурных условиях вы будете использовать такого типа материал. Межкристаллическая коррозия способна оказать серьезное негативное воздействие на материал и привести к его постепенному разрушению, потому выбирать стоит внимательно, ориентируясь на данные приведенной выше таблицы.

Особенности процесса сварки сталей аустенитного типа

Вопрос о том, как сваривать различные виды нержавеющих материалов всегда остро стоит перед покупателями. Проведение сварки предполагает соблюдение правил, защищающих от коррозийного растрескивания и измерения параметров материала.

То, насколько безопасной для материала будет сварка, определяет уже упомянутый параметр межкристаллической коррозии. Чем выше уровень стойкость, тем более толстые сечения можно будет сваривать между собой.

В ситуации с необходимостью проведения варки рассматривается способность стали выдерживать повышенные температуры. Межкристаллическая коррозия при 500-600 градусах достигается только в том случае, если содержание углерода не превышает показатель в 0,006%. Это нужно учитывать при работе, в том числе, при использовании в областях с высокими параметрами нагрева.

Как дополнительно стабилизировать сталь?

Вопрос о стабилизации состояния стали не менее актуален, чем о сварке. Чтобы обеспечить стабилизацию применяется титан и ниобий. Введение в состав сплава таких элементов направлено на появление карбидных фаз. На то, какого типа карбиды будут выделены в процессе использования, напрямую влияет температура. Чтобы получить специальные карбиды, потребуется вести работы при температуре более 700 ºС. Важно понимать, что появление специальных карбидов, таких, как TiC и NbC не ведет к повышению склонности к межкристаллической коррозии. Таким образом, стабилизировав состояние нержавеющей стали. Можно сделать её прочнее и защитить от целого ряда негативных потенциальных последствий использования.

Особенности воздействия азота, хрома и никеля на состояние стали и её характеристики

Помимо уже упомянутого углерода, существует и еще ряд элементов, напрямую влияющих на свойства нержавеющей стали такого типа. Один из центральных – азот. Он появляется при изометрической выдержке или охлаждении. Азот способен замещать в составе карбидов углерод. При изготовлении коррозионно-стойких разновидностей материала это свойство остается очень важным. И главная причина – не столь сильное влияние азота на склонность к межкристаллической коррозии. Чтобы такая склонность появилась, содержание азота в структуре должно быть не менее 0,15%. Введение азота в структуру способно повысить прочность материала. Это используется на производстве для увеличения продолжительности срока службы и эксплуатационных характеристик.

О влиянии хрома на состояние материала уже говорилось выше. Рассмотрим содержание материала в контексте его взаимодействия с углеродом. Здесь существует пропорция – чем больше хрома, тем меньше растворимость углерода. Повышение процента хрома актуально в том случае, когда нужно упростить процесс выдерживания карбидной фазы.

При введении хрома уменьшается такой параметр, как ударная вязкость. Это объясняется с тем, что по границам зерен начинает образовывать карбидная секта.

Применение хрома – это еще один способ снизить склонность материала к развитию межкристаллической коррозии. Чем более хромированная перед вами сталь, тем лучше она будет выдерживать коррозийное воздействие.

Помимо азота и хрома, значимым в работе с углеродом остается и никель. Он также снижает растворимость углерода и ударную вязкость материала. Как и в случае с хромом, повышение концентрации никеля улучшает показатели стали. В том числе, в вопросе противодействия потенциальном образовании межкристаллической и других типов коррозии.

Главные особенности легирующих элементов

В стали содержится большое количество, так называемых, легирующих элементов. Они оказывают влияние на саму структуру материала, особенно при нагревах до высоких температур. Все представленные легирующие элементы подразделяются на две центральные разновидности. Среди них:

Вопрос о присутствии феррита стоит рассматривать на примере дельта-феррита. Его наличие в структуре дает отрицательный эффект и снижается технологичность. При появлении дельта-феррита сложно будет создавать прочные и защищенные от негативного воздействия изделия при прокатке, штамповке и ковке – везде, где применяются высокие температуры и повышенное давление на создаваемые элементы.

То, сколько феррита будет в стали, зависит от содержания никеля и хрома. В зависимости от группы сталей отличается и склонность к образованию дельта-ферритта. Среди стабильных материалов называют Х18Н11 и Х18Н12 марки. Остальные в той или иной степени меняют свою структуру при нагреве до высоких температур и оказываются склонными к появлению ферритов.

Помимо феррита, важным остается и образование аустенита. Чем больше в материале никеля, азота, углерода и хрома, тем меньше вероятность начала мартенситного превращения в результате снижения температур и различных проявления пластической деформации. Сложнее определить влияние таких элементов как ниобий и титан, традиционно связываемых с улучшением качества стали и её стабилизацией. В твердом растворе элементы повышают устойчивость к мартенситному превращению. Важным фактором здесь оказывается связь присутствующих элементов. Если они входят в состав карбонитридов, тогда температура мартенситного превращения оказывается выше.

Основные возможности и требования к термической обработке сталей

Решение вопроса о правильной термической обработке стали связано с определением её марки и состава. Для хромоникелевых аустенитных сталей возможно два варианта обработки – закалка и стабилизирующий обжиг.

Сами параметры отличаются для сталей, которые уже прошли стабилизацию с введением титана и ниобия или же остались без стабилизации. При использовании закалки удается достичь большего уровня защиты от появления межкристаллической коррозии. Сама сталь при этом становится прочнее и лучше защищается от внешнего воздействия агрессивных сред – это стоит учитывать при выборе.

Процесс стабилизирующего отжига также направлен на улучшение состояния материала. В частности, он влияет на состояние карбидов хлора. Главная цель использования – перевести карбиды хлора в состояние, которое не будет представлять опасности появления межкристаллической коррозии. Помимо этого, процесс помогает перевести карбиды хлора в специальные карбиды для стабилизированных сталей.

Рассмотрим оба процесса более подробно:

1. Закалка. Этот процесс предполагает нагрев выше той температуры, при которой карбиды хлоров начинают растворяться. После того, как нагрев до установленных показателей был произведен, начинается быстрое охлаждение. Чем выше в стали содержание углерода, тем выше будут температуры, необходимые для его обработки. Если рассматривать минимальные и максимальные, нагрев не должен быть до температуры менее 900 градусов. В то же время при закалке редко повышается температура до более чем 1100 градусов Цельсия.

Закалка напрямую связана с таким понятием, как длительность выдержки. Этот параметр отличается в зависимости от типа материала и температуры, до которой они нагреваются. Учитываются показатели толщины.

После того, как выдержка была произведена, происходит не менее значимый процесс – охлаждение. Оно обязательно должно быть быстрым. Сам принцип охлаждения отличается для стабилизированных и нестабилизированных типов стали с разным содержанием углерода. Они пользуют варианты с охлаждением в воде и в воздухе.

2. Стабилизирующий отжиг. Еще одна важная разновидность процессов, которым подвергается сталь для улучшения эксплуатационных показателей. Процесс отличается в зависимости от того, в каком типе стали он проводится.

• Для нестабилизированных. Температурный интервал отжига варьируется между температурой стандартного нагрева при провидении закалки и той отметки, при которой у материала начинается образовываться межкристаллическая коррозия. На то, насколько велик будет такой интервал, влияет содержание в стали добавок. В частности, концентрации хрома.
• Для стабилизированных. В таких сталях отжиг ведется специально для того, чтобы перевести карбиды хрома в другое состояние. Хром освобождается и таким образом стойкость материала к коррозии существенно увеличивается. Температура проведения процедуры редко превышает 950 градусов.

Особенность коррозийной стойкости при использовании в кислотных средах

Одна из причин, по которым аустенитные стали получили большое распространение, оказывается стойкость к использованию материала в азотной кислоте. Здесь показатели меняются при различном уровне стойкости и меняются в зависимости от того, какая разновидность стали была выбрана.

Для лучшего отражения показателей, при которых материал получает первый балл стойкости. Мы составили приведенную ниже таблицу:

Тип кислотной среды с процентным содержанием

Выше определённого содержания марганца, никеля или некоторых других элементов γ-состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления. Такие высоколегированные железные сплавы называют аустенитными сталями. В отличие от других железных сплавов аустенитные стали (и ферритные) не имеют превращений при нагревании и охлаждении [1]. Поэтому термическую обработку для упрочнения аустенитных сталей не применяют.

Т.е. структура аустенита получается при высоком содержании в стали легирующего элемента, расширяющего область γ-фазы (Ni, Mn и др.), в этом случае сталь называют аустенитной или сталью аустенитного класса [2].

В аустенитных сталях хром обеспечивает жаростойкость и коррозионную стойкость, никель стабилизирует аустенитную структуру и повышает жаропрочность, пластичность и технологичность, в том числе — при высоких и низких температурах, что объясняет широкое применение аустенитных сталей, как конструкционных материалов для самых разных условий (агрессивные среды, высокие температуры и пр.).

Коррозионностойкие аустенитные стали

Коррозионностойкие (нержавеющие) аустенитные стали содержат 12-18% Cr, 8-30% Ni и 0,02-0,25% C.

Аустенитные хромоникелевые стали были разработаны относительно недавно, в 1910 году немецким инженером Штраусом. Аустенитные хромоникелевые стали имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями и в отличие от хромистых сталей сохраняют её при нагреве. Содержание углерода в коррозионностойких сталях ограничено.

Жаростойкие и жаропрочные аустенитные стали

Аустенитные стали c ГЦК решёткой имеют значительно более высокую жаропрочность по сравнению со сталями с ОЦК решёткой.

Жаростойкие стали аустенитного класса, применяемые для изготовления деталей печного оборудования, характеризуются не только высокой жаростойкостью (окалиностойкостью), но и высокой жаропрочностью. К жаростойким аустенитным сталям относятся 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, имеющие окалиностойкость до 1100°C.

Жаропрочные аустенитные стали. Из жаропрочных аустенитных сталей изготавливают роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающие при температурах 600-700&deg:C. Хромоникелевые аустенитные стали для увеличения жаропрочности дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором и другими элементами. К жаропрочным сталям аустенитного класса относятся стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М.

Хладостойкие аустенитные стали

Хромоникелевые аустенитные стали. Широкое применение в технике низких температур (криогенной техники) получили хромоникелевые аустенитные стали, содержащие 17-25% Cr и 8-25% Ni. Хромоникелевые аустенитные стали сохраняют высокую пластичность и вязкость в широком температурном диапазоне, а также сочетают коррозионную стойкость с хорошими технологическими свойствами.

К недостаткам этих аустенитных сталей относится низкая прочность при комнатной температуре, особенно по пределу текучести, а также сравнительно высокая стоимость, обусловленная высоким содержанием дорогого никеля.

Примечание: Аустенитный экономнолегированный чугун для изготовления деталей машин, работающих без изменения размеров в агрессивных средах при температурах до -60°: см. Нирезист.

К хладостойким аустенитным сталям также относятся хромомарганцевые стали (аустенитные стали, в которых никель полностью или частично заменён марганцем); стабильные аустенитные хромоникельмарганцевые стали с азотом (аустенитные стали, одновременно легированные хромом, никелем и марганцем) и метастабильные аустенитные стали.

Автор: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

1. Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1977. — УДК669.0(075.8)
2. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1
3. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение: Учебник для вузов. — М.: МИСИС, 1999. — 600 с. — УДК 669.017

Конкурс "Я и моя профессия: металловед, технолог литейного производства". Узнать, участвовать >>>