Нержавеющая сталь фактически представляет виды материала, эффективно стойкого относительно коррозии за счёт легирования различными легирующими элементами. Между тем, коррозионно-стойкие структуры способны «корродировать» под воздействием различных веществ. Соответственно, термин «нержавеющие» следует рассматривать для всей группы таких материалов, легированных хромом с целью получения коррозионно-стойких свойств.
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Типы нержавеющих сталей + применяемые легирующие элементы
Для легирования используются разные химические элементы, в частности:
- хром (Cr),
- углерод (C),
- титан (Ti),
- ниобий (Ni),
- азот (N),
- молибден (Mo),
- тантал (Ta).
Нержавеющие стали фактически представляют сплавы железа, хрома, никеля, марганца, молибдена, титана, ниобия, углерода и других сплавов. Нержавеющие стали условно разделяют на три основные группы:
- Легированные хромом.
- Легированные хромом и никелем.
- Мартенситные.
Эти группы характеризуются содержанием углерода от 0,1% до 1,0%. Содержание хрома отмечается диапазоном 13% — 18%. Так называемые мартенситностареющие структуры подвергаются закалке на воздухе. Такой материал невозможно сваривать без предварительного нагрева и последующего отпуска.
Структура, однако, является сфероидизируемой. В этом состоянии допустима обработка резанием. По сути, являясь машинными, этот тип нержавеющих сталей обладает значительной прочностью в термически обработанном состоянии. Также отмечается повышенная стойкость к коррозии. Применяются, как правило, для деталей машин, подверженных коррозии, например:
- зубчатые шестерни,
- валы и ножи,
- клапаны и оси.
Что такое сфероидизация нержавеющих сталей?
Структуры с большим содержанием цементита (легированные стали с большим содержанием карбидов) трудно сваривать только холодной деформацией и резкой. Это обусловлено высокой твёрдостью и пластинчатым образованием карбидов.
При ковке или сварке, когда материал нагревается до температуры выше 800-900°C, структура превращается в образование с пластинчатым перлитом и карбидами по границам зёрен. Очевидным становится значительный износ режущего инструмента.
Нержавеющая сталь сфероидизируется при температуре ниже температуры 723°C. Сфероидизация – это, по сути, превращение пластин карбида в шарообразные образования. Такая термообработка, обычно, характерна для производственных процессов сталелитейных заводов.
При обработке сфероидизированного материала твёрдые шарики вдавливаются в более мягкий ферритный основной материал. Твёрдость снижается, пластичность увеличивается.
Нержавеющая сталь ферритная легированная хромом
Этот тип характеризуется ферритным при всех температурах, если процентное содержание углерода и процентное содержание хрома уравновешены. Содержание хрома может варьироваться на уровне 12% — 30%. Если процентное содержание хрома составляет 27%, допускается содержание углерода до 0,25%. Если содержание хрома составляет 13%, процентное содержание углерода не должно превышать 0,05%.
Ферритные материалы труднее сваривать, чем аустенитные, поскольку существует риск образования трещин в зоне термического влияния по причинам образования зерна. Образование крупных зёрен невозможно предотвратить термической обработкой, поскольку налицо ферритная структура при высоких температурах.
Небольшие количества ванадия и молибдена способны противодействовать образованию крупных зёрен. Эти структуры невозможно упрочнить мартенситно, но вполне возможно повысить прочность холодной деформацией. Материал подходит для деформации, и применяется в бытовой технике.
Однако существует риск появления межкристаллитной коррозии в результате выделения карбида хрома. Осаждение карбида происходит при температуре 900°C — 1000°C. Дефект невозможно исправить посредством термообработки, потому что термообработка на твёрдый раствор вызовет большой рост зёрен.
Несмотря на быстрое охлаждение, отмечается новое выделение карбида по причине оптимальных условий для диффузии в кубическом центрированном пространстве решётки. Однако если термообработка происходит при температурах 700°C — 800°C, концентрация остаточного количества хрома в кристаллах α сбалансирована. Стабилизация сталей титаном и ниобием может снизить склонность ферритных сталей к межкристаллитной коррозии.
Другой способ избежать межкристаллитной коррозии — применение стали ELI, представляющей материал с очень низким содержанием углерода 0,003% и азота. Но при этом содержание хрома должно быть очень высоким, поскольку и углерод, и азот имеют аустенитный эффект.
Длительный нагрев до 550°C — 800°C ферритно-хромистых сталей с содержанием хрома более 20% вызывает эффект охрупчивания по причине образования так называемой сигма-фазы. Пластичность значительно снижается, а предел прочности на разрыв увеличивается. Эта фаза снимается путём нагревания до температуры более 800°C, после чего применяется быстрое охлаждение для предотвращения повторного явления этой фазы.
Ферритно-аустенитные нержавеющие стали
Этот тип нержавейки отличается легированием на уровне 18% — 26% хрома, 5% — 6% никеля, 0,03% — 0,15% углерода. Нержавейка такого типа легче сваривается по сравнению с чисто ферритным материалом, а коррозионная стойкость примерно равна нержавейке типа 18/8.
Этот тип материала демонстрирует значительно лучшую ударную вязкость, чем ферритные структуры, но при этом может оставаться хрупким. Некоторые отдельные типы в процессе сварки характеризуются образованием мартенсита. Этот тип материала отмечается хорошими литейными свойствами, поэтому часто используется для литья нержавеющих стальных изделий, к примеру, клапанов и аналогичных.
Аустенитные нержавеющие стали
Одна из первых производных нержавеющей стали прошла следующий анализ:
- углерод 0,12%,
- хром 18%,
- никель 8%.
Продукт получил характеристику нержавеющая сталь 18/8. Именно из этой основе несколько позже были разработаны другие типы нержавеек. За счёт добавления до 5% молибдена вместе с повышенным содержанием никеля было достигнуто улучшение антикоррозионных свойств.
Этот вид нержавеющей стали считается однофазным, то есть материал является аустенитным при всех температурах, за исключением некоторых случаев образования дельтаферрита при высоких температурах.
Процент углерода в составе аустенитных нержавеющих сталей низкий, поскольку хром является очень сильным производителем карбида. Образование карбида хрома является нежелательным элементом многих нержавеющих сталей. Крайне сложно и дорого снижать содержание углерода до такого необходимого уровня.
Поэтому нержавеющую сталь часто легируют титаном и ниобием, которые являются сильными генераторами карбида. Таким методом удаётся избежать образования карбидов хрома. Аустенитную нержавейку условно разделяют на четыре группы в соответствии с легирующим составом, в частности, в отношении процентного содержания углерода:
- содержание до 0,10%,
- содержание до 0,06%,
- содержание до 0,03%,
- содержание до 0,06%.
Углерод соединяется с титаном или ниобием, что предотвращает образование карбида хрома. Легирование молибденом улучшает коррозионные свойства против хлоридов и разбавленных кислот. Чтобы сохранить аустенитную структуру, при увеличении содержания молибдена необходимо повысить содержание никеля.
Свариваемость аустенитных нержавеющих сталей
Аустенитные нержавеющие стали легко свариваются без образования мартенсита в зоне термического влияния. Однако следует учитывать: аустенитные нержавеющие стали имеют низкую теплопроводность.
Этот параметр отмечается на уровне не выше 40% по сравнению с обычной стальной структурой. Коэффициент теплового расширения составляет приблизительно на 50% больше, чем для обычной структуры.
Эти условия характеризуют материал как склонный к напряжениям и деформациям. Если процентное содержание углерода достаточно велико, может происходить осаждение карбидов хрома, когда температура повышается и достигает диапазона 450°C — 800°C.
Осаждение происходит на границах зёрен аустенита, то есть области гамма-кристаллов рядом с карбидами хрома становятся «расщеплёнными». Таким образом, утрачивается коррозионная стойкость. Содержание углерода должно быть достаточно большим для образования карбидов хрома.
Так обстоит дело с упомянутыми выше группами 1 и 2, и поэтому эти типы нержавеек необходимо подвергать термообработке после процесса сварки, чтобы восстановить содержание хрома в аустенитных зёрнах.
Термообработку логично проводить при температурах 1000°C — 1100°C, когда карбиды хрома растворяются, и содержание хрома равномерно перераспределяется в гамма-кристаллах. Охлаждение до температуры ниже 400°C следует выполнять очень быстро, чтобы избежать повторного образования карбидов.
Даже при такой высокой температуре термообработки аустенитная нержавеющая сталь не очень склонна к росту зерна. При работе с большой конструкцией, когда такого рода термообработка невозможна, необходимо выбирать нержавеющую сталь ELC группы 3. Этот материал имеет очень низкое содержание углерода и, следовательно, не образует карбидов.
Стабилизированная нержавеющая сталь + свариваемость
Стабилизированные нержавеющие стали также допустимо сваривать без последующей термической обработки. Нержавеющая сталь может быть легирована:
- титаном,
- никелем,
- хромом,
- танталом.
Эти элементы потребляют углерод и делают невозможным образование карбида хрома. Из-за трудностей вышеупомянутой термической обработки, свариваемые нержавеющие стали не требуют термической обработки после сварки (группа 4, где содержание углерода менее 0,1%). Эти нержавеющие стали также подходят для применения при более высоких температурах.
При легировании стабилизаторами: титаном или ниобием, образуются стабильные карбиды, предотвращающие образование нежелательных карбидов хрома. Количество стабилизаторов зависит от содержания. Содержание титана должно быть в 10 раз больше содержания углерода, тогда как содержание тантала, которое обычно заменяет часть содержания ниобия, должно быть в 20 раз больше содержания углерода.
Титан не используется в наполнителе, так как легко окисляется и образует оксид титана. Наполнитель обычно стабилизируется ниобием. Титан имеет важные экономические преимущества, тем не менее, считается менее активным, чем ниобий. Недостатком титана является долгий процесс полировки, если требуется получить полностью гладкую поверхность.
Обычное производство пластин и профилей приводит к соединению углерода в карбид титана, так что нержавеющие стали обычно устойчивы к межкристаллитной коррозии. Стабилизированные нержавеющие стали выгодны для конструкций, работающих под высоким давлением и в условиях высоких температур.
Предел ползучести и предел прочности при высоких температурах для таких материалов лучше, чем у нестабилизированных нержавеющих сталей. Стабилизированные нержавеющие стали также более устойчивы к межкристаллитной коррозии при температурах выше 400°C. Когда стабилизированные нержавеющие стали отжигаются в течение нескольких часов и медленно охлаждаются, образования карбидов хрома не отмечается.
При помощи информации: StainlessSteelWorld