Аустенитная сталь и особенности работы с ней. Сварка аустенитных сталей. Свариваемость аустенитных сталей

Существующие аустенитные высоколегированные стали и сплавы различают по содержанию основных легирующих элементов – хрома и никеля и по составу основы сплава. Высоколегированными аустенитными сталями считают сплавы на основе железа, легированные различными элементами в количестве до 55%, в которых содержание основных легирующих элементов – хрома и никеля обычно не выше 15 и 7% соответственно. К аустенитным сплавам относят железоникелевые сплавы с содержанием железа и никеля более 65% при отношении никеля к железу 1:1,5 и никелевые сплавы с содержанием никеля не менее 55%.

Эта сталь чрезвычайно устойчива к коррозии, не реагирует с азотной кислотой, концентрированной серной кислотой, фосфорной кислотой и другими. Для повышения стойкости к воздействию серной и уксусной кислот добавки молибдена используются в количестве от 1, 5% до 2, 5%.

Добавление около 3% меди снижает склонность этих сталей к коррозии. Например, добавление кремния в количестве от 2 до 3% улучшает устойчивость к хлористоводородной кислоте и разбавленной серной кислоте. Хром-никелевые стали широко используются в строительстве химического аппарата для деталей аппарата в пищевой промышленности. Причиной такого типа коррозии является выделение зерен карбида хрома на границах зерен, что приводит к истощению зерен хрома. Возможность межкристаллитной коррозии можно удалить.

Аустенитные стали и сплавы классифицируют

по системе легирования,
структурному классу,
свойствам
и служебному назначению.

Высоколегированные стали и сплавы являются важнейшими материалами, широко применяемыми в химическом, нефтяном, энергетическом машиностроении и других отраслях промышленности для изготовления конструкций, работающих в широком диапазоне температур. Благодаря высоким механическим свойствам при отрицательных температурах высоколегированные стали и сплавы применяют в ряде случаев и как хладостойкие. Соответствующий подбор легирующих элементов определяет свойства и основное служебное назначение этих сталей и сплавов (табл. 1 – 3).

Хром-никель-марганцевые стали

Так же, как хромоникелевые стали в основном устойчивы к электрохимической коррозии в среде неорганических и органических кислот, соединений азота и солевых растворов и агрессивных пищевых продуктов. Они также имеют аустенитную структуру, но их коррозионная стойкость немного хуже, чем хром-никелевая сталь. В таких средах, как молочные, уксусные и другие растворы фруктовых соков, они обладают хорошей устойчивостью. Они широко используются в молочной промышленности.

Дуплексная сталь - двухфазная сталь с аустенитно-ферритной структурой. Они являются отличной альтернативой классическим однофазным аустенитным и ферритным сталям. Дуплексные стали характеризуются высокой общей коррозионной стойкостью, межкристаллитной коррозией, коррозией под напряжением и точечной коррозией.

Характерным отличием коррозионно-стойких сталей является пониженное содержание углерода (не более 0,12%). При соответствующем легировании и термической обработке стали обладают высокой коррозионной стойкостью при 20°С и повышенной температуре как в газовой среде, так и в водных растворах кислот, щелочей и в жидкометаллических средах.

Кроме того, стали такого типа обладают значительно более высокой прочностью на разрыв по сравнению с классическими аустенитными сталями. Основным недостатком дуплексной стали является их тенденция выпуска хрупких фаз при повышенных температурах. Разделение этих фаз влияет на ухудшение коррозионной стойкости и снижение пластических свойств.

Прочность на растяжение в дуплексных сталях обычно вдвое превышает предел текучести, но для аустенитных сталей отношение составляет всего около 0, это сравнение относится к дуплексным сталям, поскольку для строителей основной расчетной величиной является предел текучести. При работе при повышенных температурах следует ожидать снижения предела текучести в результате ослабления эффекта азота. Это связано с тем, что атомы азота, растворенные в аустените, становятся более подвижными и, следовательно, менее способны блокировать дислокацию.

К жаропрочным относятся стали и сплавы, обладающие высокими механическими свойствами при повышенных температурах и способностью выдерживать нагрузки при нагреве в течение длительного времени. Для придания этих свойств стали и сплавы легируют элементами-упрочнителями – молибденом и вольфрамом (до 7% каждого). Важной легирующей присадкой, вводимой в некоторые стали и сплавы, является бор, способствующий измельчению зерна.

Дуплексные стали обладают хорошей пластичностью в состоянии пересыщения, а также после сварки. Удлинение рассматриваемой стали в испытании на растяжение ниже по сравнению с аустенитными сталями и составляет 25 ÷ 30%. Воздействие при комнатной температуре находится на уровне аустенитных сталей, но с понижением температуры уменьшается быстрее.

Твердость дуплексной стали выше, чем аустенитные стали, и это напрямую связано с более высокой прочностью двухфазной структуры. Более высокая твердость делает дуплексные стали хорошей стойкостью к истиранию и эрозии. Физические свойства дуплексной стали также могут отличаться низким значением коэффициента линейного расширения, намного ниже, чем аустенитные стали, и близки к таковым для углеродистых сталей, что важно, когда необходимо соединять сорта стали.

Жаростойкие стали и сплавы обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах до 1100 – 1150°С. Обычно их используют для слабонагруженных деталей (нагревательные элементы, печная арматура, газопроводные системы и т. д.). Высокая окалиностойкость этих сталей и сплавов достигается легированием алюминием (до 2,5%) и кремнием, способствующими созданию прочных и плотных окислов на поверхности деталей, предохраняющих металл от контакта с газовой средой.

Дуплексная сталь используется для десульфурации или опреснения дымовых газов. В отрасли мы используем дуплексный дуплекс на различных соединительных элементах, таких как стержни, локти или поковки. Нержавеющая сталь является общим термином для всего семейства не коррозионных, кислотостойких марок нержавеющей стали, которые в несколько раз более устойчивы к коррозии, чем другие марки стали. Высокая коррозионная стойкость достигается добавлением по меньшей мере 10, 5% хрома к стали. При таком содержании происходит внезапное изменение электрохимического потенциала с положительной стороны.

По системе легирования аустенитные стали делятся на два основных типа: хромоникелевые и хромомарганцевые. Существуют также хромоникельмолибденовые и хромоникельмарганцевые стали.

В зависимости от основной структуры, получаемой при охлаждении на воздухе, различают следующие классы аустенитных сталей: аустенитно-мартенситные, аустенитно-ферритные, аустенитные.

В результате поверхность стали создает невидимую, не коррозионную оксидную пленку для предотвращения коррозии. Более высокое содержание хрома и дополнительные легирующие элементы, такие как никель и молибден, еще больше повышают сопротивление, о котором идет речь. Конечно, эти качества и преимущества нержавеющей стали намного больше, хотя это зависит от группы, к которой относится определенный вид, из-за химического состава или производственного процесса.

Нержавеющие стали могут быть разделены по химическому составу и внутренней структуре, видимым под металлографическим микроскопом на подходящем образце. С точки зрения конструкции коррозионно-стойкие стали подразделяются на четыре группы. Ферритная сталь; Из-за относительно низкого содержания хрома их коррозионная стойкость ограничена. Следовательно, общим термином для стали является только повышенная коррозионная стойкость. Особое преимущество этих сталей, в отличие от аустенитных, заключается в том, что они обладают гораздо более высокой устойчивостью к вызванной хлоридом коррозионно-индуцированной коррозии под воздействием коррозии. Мартенситная сталь; Если аустенитные стали внезапно охлаждают в процессе производства, то есть они будут твердеть, они будут иметь мартенситную структуру. Эти стали, которые значительно выше, чем другие твердости и стойкость к истиранию, дополнительно находятся в улучшенном состоянии, получая высокие значения прочности. Аустенитная сталь; Наиболее важным свойством этой группы является ее высокая коррозионная стойкость, которая увеличивается по мере добавления большего количества сплавов, таких как хром и молибден. Разница заключается в том, что, в отличие от мартенситных сталей, они не усугубляются в процессе производства и почти в два раза выше, чем ферритные стали удлинения. Аустенитно-ферритные стали; Часто задаваемые в виде двойного двойника, они в последнее время стали более важными. Благодаря их имущественному профилю у них есть несколько применений для этих сталей, главным образом в химической, экологической и морской технике. С точки зрения химического состава, нержавеющие стали делятся на хромированные, хромоникелевые и хромоникелевые стали с дополнительными элементами сплава.

Сплавы на железоникелевой (при содержании никеля более 30%) и никелевой основах по структуре являются стабильноаустенитными и не имеют структурных превращений при охлаждении на воздухе. В настоящее время находят применение также аустенитно-боридные Х15Н15М2БР1 (ЭП380), Х25Н20С2Р1 (ЭП532), ХН77СР1 (ЭП615) и высокохромистые аустенитные ХН35ВЮ (ЭП568), ХН50 (ЭП668) стали и сплавы, основная структура которых содержит аустенит и боридную или хромоникелевую эвтектические фазы соответственно.

Изменение основного деления нержавеющих нержавеющих сталей

Отдельные группы далее подразделяются на виды, отличающиеся по содержанию углерода, типу и содержанию легирующих добавок, таких как никель или молибден. В Польше до недавнего времени разделение стали устойчиво к коррозии, устойчивостью к кислотам и кислотам. Нержавеющая сталь включает ферритные и мартенситные хромовые стали и нержавеющие стали - аустенитные хромоникелевые стали.

В соответствии с этим стандартом название «нержавеющая сталь» охватывает все виды коррозионностойких сталей, то есть как нержавеющих сталей, так и нержавеющих сталей. Обратите внимание на эти различия в наименовании, чтобы избежать недопонимания между поставщиками и пользователями коррозионно-стойких сталей.

После соответствующей термической обработки высоколегированные стали и сплавы обладают высокими прочностными и пластическими свойствами (табл. 4). В отличие от углеродистых эти стали при закалке приобретают повышенные пластические свойства. Структуры высоколегированных сталей разнообразны и зависят не только от их состава, но и от режимов термической обработки, степени пластической деформации и других факторов.

Применение нержавеющей стали в гастрономии. Мебель из нержавеющей стали не только эстетична и позволяет поддерживать высокий уровень гигиены. У них также есть и другие преимущества. Коррозионная стойкость, - высокая стойкость к истиранию, - хороший блеск, - устойчивость к высоким температурам, - устойчивость к кислотам и щелочам, встречающимся в пище.

Что такое нержавеющая сталь, обычно называемая «нержавеющая»? Сталь представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами. Нержавеющая сталь представляет собой сплав, который содержит помимо железа элемент хрома в количестве не менее 10, 5% и углерод в количестве не более 1, 2%. Хром вместе с элементами, которые его сопровождают, контактирует с кислородом, содержащимся в воздухе. пассивный слой. В случае повреждения пассивный слой имеет тенденцию к самовосстановлению. Эта тенденция определяет устойчивость к коррозии.

Положение фазовых областей на диаграммах состояния определено в основном в виде псевдобинарных разрезов систем железо – хром – никель или железо–хром–марганец (рис. 1). Железохромоникелевые сплавы непосредственно после затвердевания имеют твердые растворы видов α и γ и гетерогенную область смешанных твердых растворов α + γ . Устойчивость аустенита определяется близостью состава к границе α - и γ -области. Неустойчивость может проявляться при нагреве до умеренных температур и последующем охлаждении, когда фиксированная быстрым охлаждением аустенитная структура частично переходит в мартенситную. Увеличение содержания никеля в этих сплавах способствует понижению температуры γ → α (М) -превращения (рис. 2).

Нержавеющие стали делятся на несколько групп. Два из них: аустенитные стали и ферритные стали наиболее широко используются в гастрономии. Наиболее популярными аустенитными стали являются сталь, которая, согласно норме, выглядит следующим образом. Важнейшими компонентами аустенитных сталей, помимо железа, являются хром и никель, а также повышенная коррозионная стойкость - молибден.

Высокая цена на никель, ключевой компонент сплава аустенитных сталей, повысила важность ферритных сталей как полноценного заменителя. В этих сталях преобладает хром, а молибден, титан и ниобий используются в качестве примесей для коррозионной стойкости и свариваемости.

Рис. 1. Вертикальные разрезы диаграмм состояния железо–хром–никель (а) и железо–хром–марганец (б)

Рис. 2. Изменения температуры мартенситного превращения железохромоникелевых сплавов в зависимости от легирования

Неустойчивость проявляется при холодной деформации, когда стали типа 18-8 в зависимости от степени деформации изменяют свои магнитные и механические свойства (рис. 3). Кроме того, неустойчивость аустенитных сталей может вызываться выделением карбидов из твердого раствора при изменении температуры, сопровождающимся изменением концентрации углерода и хрома. Это вызывает нарушение равновесного состояния и превращение аустенита в феррит и мартенсит преимущественно по границам зерен, где наблюдается наибольшее обеднение хромом и углеродом твердого раствора.

Существенной особенностью ферритных сталей, в отличие от аустенитных, является их магнетизм - они постоянно привлекают магнит. Но, вопреки распространенному мнению, магнитные свойства стали не уменьшают коррозионную стойкость. Многие люди, которые занимаются только аустенитными сталями, такими как печально известная «кислота», ошибаются, полагая, что каждая нержавеющая сталь должна быть немагнитной. Коррозионная стойкость зависит от содержания хрома в стали, а не от свойств ее физической структуры - магнитной.

Каталог Мебель и техника из нержавеющей стали. Эта статья была создана в результате серии коррозионно-стойких коррозионных событий за последний год. Эти стали, обычно называемые нержавеющими, широко используются в пищевой промышленности и при нагревании. Цель этой статьи - обсудить причины коррозии и дать указания о том, как предотвратить коррозию.

Рис. 3. Изменение механических свойств хромоникелевой стали (18% Cr, 8% Ni, 0,17% С) в зависимости от степени холодной деформации (обжатия)

В тройной системе железохромомарганцовистых сплавов после затвердевания образуется непрерывный ряд твердых растворов с γ -решеткой и в процессе дальнейшего охлаждения в зависимости от состава сплава происходят различные аллотропические превращения. Марганец относится к элементам, расширяющим γ - область, и в этом отношении аналогичен никелю. При достаточной концентрации марганца (>15%) и хрома (<15%) сталь может иметь однофазную аустенитную структуру. Сопоставление фазовых диаграмм систем железо – хром – никель и железо – хром – марганец при высоких температурах и 20°С показывает, что аустенитная фаза в системе с никелем имеет значигельно большую площадь.

Аустенитная нержавеющая сталь 18-8, официально называемая коррозионно-стойкой сталью, а в пищевой промышленности - из нержавеющей стали, несмотря на название и ожидания коррозии. В молочной промышленности или пивоварне это основной материал производственных линий. С поверхности труб, молочного оборудования, теплообменников и другого технологического оборудования чистящие средства удаляют микробные отложения, молочные камни и водяные камни. Ванны кислотные или щелочные с окислительной природой. Эти поверхности не корродируют, имеют глянцевый и металлический поверхностный блеск из-за систематической обработки этой стали для пассивации.

При кристаллизации хромоникелевых сталей из расплава начинают вначале выпадать кристаллы хромоникелевого феррита, имеющего решетку δ-железа (рис. 4). По мере охлаждения в δ-феррите образуются кристаллы хромоникелевого аустенита, имеющего решетку γ -железа, и сталь приобретает аустенитную структуру. Углерод в аустенитно-ферритной и аустенитной сталях при температурах выше лини SE находится в твердом растворе и в виде фаз внедрения. Медленное охлаждение стали ниже линии SE приводит к выделению углерода из твердого раствора в виде химического соединения – карбидов хрома типа Cr 23 C 6 располагающихся преимущественно по границам зерен. Дальнейшее охлаждение ниже линии SK способствует выпадению по границам зерен вторичного феррита. Таким образом, сталь при медленном охлаждении до 20°С имеет устенитную структуру со вторичными карбидами и ферритом.

Рис. 4. Псевдобинарная диаграмма состояния в зависимости от содержания углерода для сплава 18% Cr, 8% Ni, 74% Fe

При быстром охлаждении (закалке) распад твердого раствора не успевает произойти, и аустенит фиксируется в пересыщенном и неустойчивом состояниях.

Количество выпавших карбидов хрома зависит не только от скорости охлаждения, но и от количества углерода в стали. При его содержании менее 0,02 – 0,03%, т. е. ниже предела его растворимости в аустените, весь углерод остается в твердом растворе. В некоторых композициях аустенитных сталей ускоренное охлаждение может привести к фиксации в структуре первичного δ-феррита, предупреждающего горячие трещины.

Изменение в стали содержания легирующих элементов влияет на положение фазовых областей. Хром, титан, ниобий, молибден, вольфрам, кремний, ванадий, являясь ферритизаторами, способствуют появлению в структуре стали ферритной составляющей. Никель, углерод, марганец и азот сохраняют аустенитную структуру. Однако основными легирующими элементами в рассматриваемых сталях являются хром и никель. В зависимости от их соотношения стали иногда разделяют на стали с малым (%Ni/%Cr)≤1 и большим (%Ni/%Cr)>1 запасом аустенитности.

В аустенитных хромоникелевых сталях, легированных титаном и ниобием, образуются не только карбиды хрома, но и карбиды титана и ниобия. При содержании титана Ti > [(%C–0,02)*5] или ниобия Nb > (%С*10) весь свободный углерод (выше предела его растворимости в аустените) может выделиться в виде карбидов титана или ниобия, а аустенитная сталь становится не склонной к межкристаллитной коррозии. Выпадение карбидов повышает прочностные и понижает пластические свойства сталей. Это свойство карбидов используют для карбидного упрочнения жаропрочных сталей, проводимого в комплексе с интерметаллидным упрочнением частицами Ni 3 Ti; Ni 3 (Al, Ti), Fe 2 W, (N, Fe) 2 Ti и др. К интерметаллидным соединениям относят и σ-фазу, которая образуется в хромоникелевых сталях при длительном нагреве или медленном охлаждении при температурах ниже 900 – 950°С. Она обладает ограниченной растворимостью в α - и γ -твердых растворах и, выделяясь преимущественно по границам зерен, упрочняет сплав и одновременно резко снижает пластические свойства и ударную вязкость металла. Повышенные концентрации в стали хрома (16–25%) и элементов-ферритизаторов (молибдена, кремния и др.) способствуют образованию σ-фазы при 700 – 850°С. Выделение этой фазы происходит преимущественно с образованием промежуточной фазы феррита (γ →α→ σ ) или преобразования δ-феррита (δ→ σ ). Однако возможно ее выделение и непосредственно из твердого раствора (γ → σ ).

В хромомарганцовистых сталях с высоким содержанием хрома и марганца при замедленном охлаждении также наблюдается выделение σ -фазы. Углерод в хромомарганцовистых и хромомарганцевоникелевых сталях приводит к дисперсионному твердению сталей после соответствующей термической обработки, особенно при совместном легировании с карбидообразующими элементами (ванадием, ниобием и вольфрамом).

Упрочнение аустенитно-боридных сталей происходит в основном за счет образования боридов железа, хрома, ниобия, углерода, молибдена и вольфрама. В соответствии с этими процессами аустенитные стали подразделяют в зависимости от вида упрочнения на карбидные, боридные и с интерметаллидным упрочнением. Однако в большинстве случаев в связи с содержанием в сталях и сплавах большого количества различных легирующих элементов их упрочнение происходит за счет комплексного влияния дисперсных фаз и интерметаллидных включений.

Таблица 1. Состав некоторых коррозионно-стойких аустенитных сталей и сплавов, %

Таблица 2. Состав некоторых жаропрочных аустенитных сталей и сплавов, %

Таблица 3. Состав некоторых жаростойких аустенитных сталей и сплавов, %

Таблица 4. Типовые механические свойства некоторых марок высоколегированных аустенитных и аустенитно-ферритных сталей и сплавов

Блестящие, не подверженные коррозии изделия из стали бывают с покрытием из хрома, молибдена, вольфрама и легированные, в сплаве которых содержатся необходимые для придания прочности, устойчивости к коррозии и перепадам температур добавки таких элементов, как:

кобальт;
алюминий;
титан;
медь;
марганец;
никель;
хром;
ванадий;
молибден;
кремний.

В зависимости от назначения стали в ней могут содержаться и другие вещества, улучшающие ее технические характеристики и придающие ее блеск и гладкость поверхности.

Соответствие стального изделия из нержавейки проверяется при температуре, равной 20° C. Немецким институтом стандартизации создана система, по которой аустенитные стали делятся на категории. А2 и А3 – это категории хромоникелевых сталей, А4 и А5 – категории, к которым относятся хромистая никелевая и молибденовая стали. Удельный вес этих сталей одинаков. Несмотря на это, выдерживаемая предметом из стали нагрузка повышается с повышением цифры категории. Процент деформации повышается при нагревании. Механические повреждения могут произойти лишь при сильной, направленной силе удара или с применением специального оборудования – пресса или трубогиба.

В холодном состоянии сталь очень устойчива к растяжению и прочим видам деформации. У нее высокий коэффициент сопротивляемости. При нагреве этот коэффициент снижается вдвое, независимо от категории стали, он практически равен.

Учитывая то, что температура плавления аустенитных сталей происходит при температуре 1800° C, стоит отметить, что и закалка ее происходит при нагреве до 850° C. Аустенизация происходит при нагреве свыше 1000° C. Упругость ее при сильном нагреве меняется незначительно. Показатели проверяются при температурах в 300°, 400° и 500° C.

При сборке металлических ограждений, создании составных металлических изделий применяются 2 вида сварки. Несмотря на то, что сталь имеет хорошие и отличные характеристики сваривания, необходимо с пониманием дела подойти к выбору между дуговой и газосваркой, потому что в процессе сварки металл прилегающих к сварному шву участков, изменяет свою структуру, что сказывается на внешнем виде и подверженности металла. При непрерывном нагревании окалина появится при температуре чуть выше 900° C, при периодическом нагревании во избежание ее проявления нагрев необходимо уменьшить на 100° C.

Технология сварки аустенитных сталей

Плавится нержавеющая аустенитная сталь при температуре почти в 2000° C. Но, несмотря на это, низкое содержание в ее составе углерода дает превосходные показатели свариваемости. Температуры сварочных аппаратов не так высоки, чтобы в процессе сварки образовалась окалина. Неприятных запахов при нагреве нержавеющей стали тоже не ощущается. Чтобы избежать коробления и межкристаллической коррозии, применяются методы быстрой сварки.

Неправильно выбранный процесс сварки и режим охлаждения могут привести к нежелательным последствиям. При сварке нагревается не только зона сваривания, но и прилегающие к ней участки металла. Их температура может достигать 700° C. При такой температуре хром разлагается, что при медленном охлаждении приведет к выпадению его карбидов. Аустенитность структуры стали на участках выпадения карбидов будет нарушенной, что повлечет за собой снижение всех технических характеристик и плачевно скажется на внешнем виде готовой металлоконструкции.

Окисление хрома может сопровождаться тугоплавким новообразованием. Чаще всего оксид хрома остается внутри шва. Температура его плавления на 100-200° C выше, чем у самой нержавеющей стали. Низкая теплопроводность стали при высоком коэффициенте линейного расширения создает напряженность в околошовной зоне. Малая интенсивность газосварочного оборудования, когда нагрев металла происходит постепенно ведет к тому, что площадь нагрева увеличивается. Это способствует незначительному, медленному охлаждению металла, вызывающему выпадение продуктов окисления хрома. При сваривании полой трубы продукты окисления будут проявляться внутри нее за местом сварного шва (при условии свободного доступа воздуха в полость трубы).

Применение дуговой сварки для нержавейки более целесообразно, так как при этом процессе шов получается более ровным, соединение – надежным, а сталь сохраняет свои начальные технические характеристики.

Газовая сварка оправдана при скреплении деталей малой толщины, не превышающей 2 мм. Процесс сварки схож по температурному режиму и интенсивности пламени с тем, что применяется для углеродистых сталей. Присадочным материалом для сварки является проволока с тем же составом, что и сама нержавейка. Если в ней содержатся титан или ниобий, то это снизит выпадение карбидов хрома.