Аустенитные нержавеющие стали: структура и свойства

Аустенитные нержавеющие стали – это коррозионностойкие хромоникелевые аустенитные стали, которые в мировой практике известны как стали типа 18-10. Это наименование им дает номинальное содержание в них 18 % хрома и 10 % никеля.

Хромоникелевые аустенитные стали в ГОСТ 5632-72

В ГОСТ 5632-72 хромоникелевые аустенитные стали представлены марками 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х18Н10, 03Х18Н11.

Роль хрома в аустенитных нержавеющих сталях

Основным элементом, дающим сталям типа 18-10 высокую коррозионную стойкость, является хром. Роль хрома заключается в том, что он обеспечивает способность стали к пассивации. Наличие в стали хрома в количестве 18 % делает ее стойкой во многих окислительных средах, в том числе в азотной кислоте в большом диапазоне, как по концентрации, так и по температуре.

Роль никеля в аустенитных нержавеющих сталях

Легирование никелем в количестве 9-12 % переводит сталь в аустенитный класс. Это обеспечивает стали высокую технологичность, в частности, повышение пластичности и снижение склонности к росту зерна, а также уникальные служебные свойства. Стали типа 18-10 широко применяют в качестве коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и криогенных материалов.

Фазовые превращения в аустенитных нержавеющих сталях

В хромоникелевых аустенитных сталях могут происходить следующие фазовые превращения:

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

Межкристаллитная коррозия в аустенитных нержавеющих сталях

Склонность стали к межкристаллитной коррозии проявляется в результате выделения карбидных фаз. Поэтому при оценке коррозионных свойств стали важнейшим фактором является термокинтетические параметры образования в ней карбидов.

Склонность к межкристаллитной коррозии закаленной стали типа 18-10 определяется, в первую очередь, концентрацией углерода в твердом растворе. Повышение содержания углерода расширяет температурный интервал склонности стали к межкристаллитной коррозии.

Сталь типа 18-10 при выдержке в интервале 750-800 ºС становится склонной к межкристаллитной коррозии:

  • при содержании углерода 0,084 % — уже   в течение 1 минуты;
  • при содержании углерода 0,054 % — в течение 10 минут;
  • при содержании углерода 0,021 5 – через более чем 100 минут.

С уменьшением содержания углерода одновременно снижается температура, которая соответствует минимальной длительности изотермической выдержки до начала межкристаллитной коррозии.

Сварка аустенитных нержавеющих сталей

Необходимую степень стойкости стали против межкристаллитной коррозии, позволяющей выполнять сварку достаточно толстых сечений, обеспечивает содержание углерода в стали типа 18-10 не более 0,03 %.

Межкристаллитная коррозия при 500-600 ºС

Снижение содержания углерода даже до 0,006 % не обеспечивает полной стойкости сталей типа 18-10 к межкристаллитной коррозии при 500-600 ºС.  Это представляет опасность при длительной службе металлоконструкций в этом интервале температур.

Стабилизация стали титаном и ниобием

При введении в хромоникелевую сталь типа 18-10 титана и ниобия, которые способствуют образования карбидов, меняются условия выделения карбидных фаз. При относительно низких температурах 450-700 ºС преимущественно выделяются карбиды типа Cr23C6, которые и дают склонность к межкристаллитной коррозии. При температурах выше 700 ºС преимущественно выделяются специальные карбиды типа TiC или NbC. При выделении только специальных карбидов склонности к межкристаллитной коррозии не возникает.

Азот в аустенитных нержавеющих сталях

Азот, как и углерод, имеет переменную растворимость в аустените. Азот может образовывать при охлаждении и изотермической выдержке самостоятельные нитридные фазы или входить в состав карбидов, замещая в них углерод. Влияние азота на склонность к межкристаллитной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей значительно слабее, чем у углерода, и начинает проявляться только при содержании его более 0,10-0,15 %. Вместе с тем, введение азота повышает прочность хромоникелевой аустенитной стали. Поэтому на практике применяют в этих сталях небольшие добавки азота.

Влияние содержания хрома

С повышением концентрации хрома растворимость углерода в хромоникелевом аустените уменьшается, что облегчает выделение в нем карбидной фазы. Это, в частности, подтверждается снижением ударной вязкости стали с повышением содержания хрома, что связывают с образованием карбидной сетки по границам зерен.

Вместе с тем, повышение концентрации хрома в аустените приводит к существенному снижению склонности стали к межкристаллитной коррозии. Это объясняют тем, что хром существенно повышает коррозионную стойкость стали. Более высокая концентрация хрома в стали дает меньшую степень обеднения им границ зерен при выделении там карбидов.

 Влияние содержания никеля

Никель снижает растворимость углерода в аустените и тем самым снижает ударную вязкость стали после отпуска и повышает ее склонность к межкристаллитной коррозии.

Влияние легирующих элементов на структуру стали

По характеру влияния легирующих и примесных элементов на структуру хромоникелевых аустенитных сталей при высокотемпературных нагревах их разделяют на две группы:
1) ферритообразующие элементы: хром, титан, ниобий, кремний;
2) аустенитообразующие элементы: никель, углерод, азот.

Дельта-феррит в хромомолибденовой аустенитной стали

Присутствие дельта-феррита в структуре аустенитной хромоникелевой стали типа 18-10 оказывает отрицательное влияние на ее технологичность при горячей пластической деформации – прокатке, прошивке, ковке, штамповке.

Количество феррита в стали жестко лимитируется соотношением в ней хрома и никеля, а также технологическими средствами. Наиболее склонна к образованию дельта-феррита группа сталей типа Х18Н9Т (см. также Нержавеющие стали). При нагреве этих сталей до 1200 ºС в структуре может содержаться до 40-45 % дельта-феррита. Наиболее стабильными являются стали типа Х18Н11 и Х18Н12, которые при высокотемпературном нагреве сохраняют практически чисто аустенитную структуру.

Мартенсит в хромоникелевых аустенитных  сталях

В пределах марочного состава в сталях типа Х18Н10 хром, никель, углерод и азот способствуют понижению температуры мартенситного превращения, которое вызывается охлаждением или пластической деформацией.

Влияние титана и ниобия может быть двояким. Находясь в твердом растворе, оба элемента повышают устойчивость аустенита в отношении мартенситного превращения. Если же титан и ниобий связаны в карбонитриды, то они могут несколько повышать температуру мартенситного превращения. Это происходит потому, что аустенит в этом случае обедняется углеродом и азотом и становится менее устойчивым. Углерод и азот являются сильными стабилизаторами аустенита.

Термическая обработка хромоникелевых аустенитных  сталей

Для хромоникелевых аустенитных сталей возможны два вида термической обработки:

  • закалка и
  • стабилизирующий отжиг.

Параметры термической обработки отличаются для нестабилизированных сталей и сталей, стабилизированных титаном или ниобием.

Закалка является эффективным средством предупреждения межкристаллитной коррозии и придания стали оптимального сочетания механических и коррозионных свойства.

Стабилизирующий отжиг закаленной стали переводит карбиды хрома:

  • в неопасное для межкристаллитной коррозии состояние для нестабилизированных сталей;
  • в специальные карбиды для стабилизированных сталей.

Закалка аустенитных хромоникелевых сталей

В сталях без добавок титана и ниобия под закалкой понимают нагрев выше температуры растворения карбидов хрома и достаточно быстрое охлаждение, фиксирующее гомогенный гамма-раствор. Температура нагрева под закалку с увеличением содержания углерода возрастает. Поэтому низкоуглеродистые стали закаливаются с более низких температур, чем высокоуглеродистые. В целом интервал температуры нагрева составляет от 900 до 1100 ºС.

Длительность выдержки стали при температуре закалки довольно невелика. Например, для листового материала суммарное время нагрева и выдержки при нагреве до 1000-1050 ºС обычно выбирают из расчета 1-3 минуты на 1 мм толщины.

Охлаждение с температуры закалки должно быть быстрым. Для нестабилизированных сталей с содержанием углерода более 0,03 % применяют охлаждение в воде. Стали с меньшим содержанием углерода и при небольшом сечении изделия охлаждают на воздухе.

Стабилизирующий отжиг аустенитных хромоникелевых сталей

В нестабилизированных сталях отжиг проводят в интервале температур между температурой нагрева под закалку и максимальной температуры проявления межкристаллитной коррозии. Величина этого интервала в первую очередь зависит от содержания хрома в стали и увеличивается с повышением его концентрации.

В стабилизированных сталях отжиг проводят для перевода углерода из карбидов хрома в специальные карбиды титана и ниобия. При этом освобождающийся хром идет на повышение коррозионной стойкости стали. Температура отжига обычно составляет 850-950 ºС.

Стойкость аустенитных хромоникелевых сталей к кислотам

Способность к пассивации обеспечивает хромоникелевым аустенитным сталям достаточно высокую стойкость в азотной кислоте. Стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Б и 02Х18Н11 имеют первый балл стойкости:

  • в 65 %-ной  азотной кислоте при температуре до 85 ºС;
  • в 80 %-ной азотной кислоте при температуре до 65 ºС;
  • 100 %-ной серной кислоте при температуре до 65 ºС;
  • в смесях азотной и серной кислот: (25 % + 70 %) и 10 % + 60 %) при температуре до 70 ºС;
  • в 40 %-ной фосфорной кислоте при 100 ºС.

Аустенитные хромоникелевые стали имеют также высокую стойкость к растворах органических кислот — уксусной, лимонной и муравьиной, а также в щелочах КОН и NaOH.

Источник: Ульянин Е.А. Коррозионностойкие стали сплавы, 1991.