За 90 лет существования нержавеющие стали превратились в основной конструкционный материал ддя многих отраслей промышленности Ряд технологий в химическом производстве, в целлюлозно-бумажной промышшенности, атомной энергетике, в авиационном моторостроении и в других отраслях промышленности без использования нержавеющей стали просто неосуществим. В настоящее время коррозионностойкой стали в мире производится 17 млн.т, в России - около 85 000 т.

Широкое использование нержавеющих сталей предъявляет к ним множество особых требований. Одни должны быть особо твердыми, другие - очень пластичными, третьи - немагнитными. Поэтому потребовалась стандартизация и классификация нержавеющих сталей. В России основным техническим классификатором стал ГОСТ 5632, в зарубежных странах появились свои стандарты: AISI и ASTM в США, DIN в ФРГ, BS в Великобритании, AFNOR во Франции, SIS в Швеции, SUS в Японии и т. д. По ГОСТ 5632 коррозионностойкие стали и сплавы классифицируются по восьми классам.

Стали мартенситного класса содержат обычно 13...18% хрома и 0,2...1,1 % углерода. При охлаждении от высоких температур стали претерпевают фазовое ау-а-превращение, т. е. стали этого типа могут принимать закалку, и в их структуре формируется мартенситная (плюс карбиды) структура с очень высокой твердостью HRC > 40...55, но с весьма низкими значениями пластичности и ударной вязкости. Служебные свойства этих сталей получают закалкой с последующим отпуском. Если мартенситную сталь необходимо разупрочнить для придания ей формы конкретной детали, она подвергается отжигу или высокому отпуску. После придания стальной заготовке формы готовой детали, последняя вновь закаливается и отпускается для получения комплекса служебных свойств.

Механические свойства сталей мартенситного класса после закалки с 1010... 1050 °С: 0 = 650...2000 Н/мм, = 440...2000 Н/мм, 65 = 2... 16%, V/ = 10...55 % [15]. Таким образом, нержавеющие стали мартенситного класса после закалки и отпуска характеризуются высокой твердостью, низкими значениями пластичности и свариваемости; их нельзя подвергать гибочным операциям в холодном состоянии.

Стали мартенситного класса (Fe-13Cr) используются для изделий, работающих в слабоагрессивных средах, клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода и др. Из них изготавливают режущий, мерительный и хирургический инструмент, пружины, карбюраторные иглы, пластины клапанных компрессоров. Из стали системы Fe-l8Cr

изготавливают шарикоподшипники высокой твердости для нефтяного оборудования, материал для ножей, износостойкие детали машин и т. п.

С целью улучшения комплекса пластических и вязких свойств в сталях этого типа снижают содержание углерода до 0,08...0,12% и добавляют небольшое количество (до 2 %) никеля с одновременным повышением содержания хрома до 17%. При таком соотношении компонентов в стали формируется смешанная мартенсито-ферритная структура. Стали на такой основе 08X13-12X13, 14Х17Н2 и другие относят к сталям мартенсито-ферритного класса. По сравнению со сталями мартенситного класса они обладают меньшей твердостью, более пластичны и удовлетворительно свариваются.

В общем случае для сталей системы Fe-13Cr характерна пониженная стойкость к коррозионному растрескиванию и точечной коррозии в средах, содержащих ионы хлора. Все стали мартенситного и мартенсито-ферритного класса ферромагнитны и сохраняют магнитность после термической обработки.

Хромистые стали ферритного класса. Существенное повышение коррозионной стойкости в хромистых сталях достигается при повышении содержания хрома до 17 % и более. Стали на основе Fe-17...28Cr объединены в ферритный класс. Почти все стали ферритного класса являются однофазными при нагреве и охлаждении, т. е. не имеют фазовых превращений, и по этой причине не могут быть упрочнены термической обработкой. Присадка в ферритные стали титана - сильного фер-ритообразующего элемента, обычно в количестве не менее 5 % Ti, способствует стабилизации в структуре а-фазы (феррита), снижает склонность к росту зерна при нагреве стали под горячую деформацию, улучшает условия свариваемости за счет того, что титан тормозит рост зерна в околошовной зоне. Стали ферритного класса - это вторая по объемам производства и использованию группа сталей после аустенитных хромоникелевых. Объемы производства сталей этого класса оцениваются в 25...30 % от общего мирового производства коррозионностойких сталей.

Наиболее распространенными марками ферритных сталей являются: 08Х17Т, 08Х18Т1, 08Х18Т, 15Х25Т, 15X28. Последние две марки используются и как жаростойкие стали для работы при температурах ДО 1050... 1100 °С. Все стали ферритного класса не содержат в своем составе дорогостоящего никеля, что является их несомненным преимуществом. В то же время главный недостаток ферритных сталей - повышенная хрупкость при комнатных (+20 °С) и отрицательных температу-

pax - существенно сдерживает их более широкое применение. По этой причине стали данного класса не рекомендуется использовать в конструкциях, где имеются ударные виды нагружения, хотя современными технологическими приемами в сталях с 17... 18 % хрома достигается комплекс механических свойств, позволяющий во многих случаях проводить полноценную замену дорогостоящих, но сохраняющих вязкость при отрицательных температурах хромоникелевых сталей.

Из сталей ферритного класса (Fe-18Cr) изготавливают предметы домашнего обихода и кухонной утвари, оборудование заводов пищевой и легкой промышленности, системы выхлопных газов автомобилей и др. Стали (Ре-25...28Сг) используются для сварных конструкций, работающих при температурах не ниже -20 °С без ударных нагрузок; для деталей печной арматуры с рабочей температурой до 1000 °С: чехлы термопар, трубы пиролизных установок, теплообменников; как коррозионно-стойкий материал при температурах эксплуатации до 300...350°С для сред окислительного характера; для оборудования по производству каустической соды и др.

Суперферриты. Примерно в середине прошлого века в металлургии интенсивно внедрялась внепечная обработка металла, в частности, вакуумная, которая позволяла эффективно очищать металл от углерода, кислорода и азота. Эти элементы во многом ответственны за загрязнение стали неметаллическими включениями и за склонность высокохромистых сталей к хладноломкости. По мере внедрения и развития в металлургии вакуумных технологий появилась возможность для разработки ферритных сталей с суммарным содержанием углерода и азота < 0,02 %. В этих условиях в сталях не возникает склонность к межкристаллитной коррозии (рис. 5.4). Такие стали получили название суперферритов. В России был разработан и освоен промышленностью ряд марок таких статей с содержанием 18 и 25 % хрома, 0,1 % углерода, 0,15...0,35 % Ti. Некоторые марки стали выпускаются с добавками 1,5...2,8% молибдена и 0,1...0,5% ниобия. Эти стали имеют порог хладноломкости не выше -50 °С, следовательно, могут применяться для работы при отрицательных температурах.

Коррозионные свойства суперферритов, особенно стойкость к коррозионному растрескиванию, значительно выше свойств, которые показывают в тех же условиях хромоникелевые аустенитные стали типа 18-10 и железоникелевые сплавы типа 06ХН28МДТ (рис. 5.5).

Стали аустенитного класса. Выше бьшо отмечено, что все хромистые нержавеющие стали ферромагнитны и склонны к хрупкости при от-

0,005 0,010 0,015 0,020 (C + N),

Рис. 5.4. Влияние углерода и азота на устойчивость против межкристаллитной коррозии (МКК) стали с 19% Сг и 2% Мо (1250 °С, 1 ч)

12Х18Н10Т 10Х17Н13М2Т 06ХН28МДТ 01Х25М2Т-ВИ

СУПЕРФЕРРИТ

Рис. 5.5. Сравнительные данные по устойчивости различных типов нержавеющих сталей к коррозионному растрескиванию

рицательных температурах. По этой причине в ряде конструкций стали этого типа не могут быть использованы. В этих случаях используют стали аустенитного класса, которые свободны от недостатков хромистых сталей.

Хромоникелевые стали представляют наиболее распространенный класс коррозионностойких сталей, производство которых в мире составляет около 70...75 % от общего производства нержавеющих сталей. Из этого количества львиная доля приходится на стали, за которыми в мировой практике закрепилось общее наименование стали типа 18-10, содержащие 18% хрома и 10 % никеля. Кроме указанных элементов, стали могут содержать молибден, титан, ниобий и другие элементы, придающие сталям специфические и специальные свойства. Все стали аустенитного класса практически немагнитны при комнатной температуре, имеют однофазную структуру, поэтому не могут быть упрочнены закалкой. Для этих ста-

лей операция закалки (нагрев до 1000... 1050 °С с последующим охлаждением на воздухе или в воде) является разупрочняющим видом термообработки.

Хромоникелевые стали аустенитного класса типа 18-10 при определенных температурно-временных условиях могут претерпевать фазовые превращения, в которых происходит:

- выделение избыточных карбидных фаз и а-фазы при вьщержках в интервале температур 450...900 °С;

- образование в аустенитной основе 5-феррита при длительном пребывании стали в области температур 1200 °С и выше;

- превращение аустенита в а-фазу мартенситного типа при достаточно глубоком (порядка минус 150...200°С) охлаждении или при совместном воздействии низких температур и пластической деформации.

С первым из перечисленных фазовых превращений связывают появление в сталях типа 18-10 склонности к межкристаллитной коррозии (МКК) - наиболее опасного вида коррозионного разрушения. Температурный интервал 500...800°С - тот интервал, пребывания стали в котором следует избегать. Температурно-временные условия появления склонности стали к МКК в первую очередь определяются содержанием углерода, находящимся в твердом растворе. Например, сталь Х18Н12 при содержании 0,084 % С приобретает склонность к МКК уже при вьщержке в интервале 750...800°С в течение 1 мин, при содержании 0,054% С минимальное время для возникновения склонности к МКК составляет 10 мин, а при 0,021 % С - более 100 мин. При этом, чем меньше в

т, мин

Рис. 5.6. Влияние содержания углерода (цифры у кривых) на стойкость стали Х18Н12 против межкристаллитной коррозии

стали содержание углерода, тем при более низкой температуре сталь будет приобретать склонность к ММК (рис. 5.6). Понятно, что эти рассуждения актуальны прежде всего для случаев, когда сталь подвергается сварочным операциям. Считается, что склонность к МКК в стали не возникает при содержании углерода < 0,03 %. Тем не менее снижение углерода до содержаний 0,012 и даже до 0,006 % не гарантирует полной стойкости стали к МКК. Существует интервал температур 500...550°С, пребывание в котором в течение 10*... 10 мин вызывает в стали, содержащей всего 0,006 % углерода, склонность к МКК, и поэтому представляет опасность в работе. Чтобы избавиться от возникновения в хромо-никелевой стали склонности к МКК, в нее вводят сильный карбидооб-разующий элемент, обычно это титан, реже ниобий. Образуя при высоких температурах карбиды TiC или NbC, сталь приобретает стойкость к МКК, в том числе после провоцирующих нагревов. При введении в сталь указанных элементов карбид Сг2зС, ответственный за возникновение в стали склонности к МКК, не образуется. В соответствии с этим стали, в составе которых отсутствуют карбидообразующие элементы, например стали 08Х18Н10, 03...05Х18Н10, 17Х18Н9, называются нестабилизированными; стали, содержащие в своем составе карбидообразующие элементы, называют стабилизированными: 08...12Х18Н10Т, 10X17HI3M2T и др.

При втором фазовом превращении - образовании при высоких температурах в аустенитной основе 5-феррита - стараются управлять как составом стали, так и технологическими приемами. При наличии в стали 8-феррита в количествах 5... 10% улучшается свариваемость стали; при содержаниях 5-феррита более 15...20% ухудшается обрабатываемость стали давлением при горячей деформации: ковке, прокатке и т. д. Управляют количеством образующегося в стали 5-феррита с помощью регулирования соотношением ферритообразующих (хрома, титана, молибдена, кремния и др.) и аустенитообразующих (углерода, азота, никеля, марганца, меди и др.) элементов. Для этого используют известную диаграмму Шеффлера (рис. 5.7).

Количество 5-феррита в сталях в промышленных условиях контролируют чаще всего на литых пробах с помощью ферритометров различной конструкции и оценивают в баллах. Зависимость баллов и процентов 5-феррита в стали с достаточной для практики точностью определяется следующими соотношениями:

Ьалл 6-фазы..... 0,5 1 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

6-фазы.........До 2 2-3 4-5 6-7 8-10 11-15 16-20 21-30 31-40 > 40