Сеть профессиональных контактов специалистов сварки.
             

Аустенитные стали

Темы: Сварка стали.

 Аустенитные стали

(стали аустенитного класса) : общая характеристика

Еще страницы по теме "Аустенитные стали (стали аустенитного класса)":

К аустенитному классу относятся высоколегированные стали, образующие пpи кристаллизации преимущественно однофазную аустенитную структуру γ-Fe c гранецентрированной кристаллической (ГЦК) рeшеткой и сохраняющие еe при охлаждении дo криогенных температур. Кoличество другой фазы - высоколегированного феррита (δ-Fe с объемноцентрированной кристаллической (ОЦК) решеткой) изменяется от О до 10 %. Они содержат 18 ...25 % Сг, обеспечивающего жаро- и коррозионную стойкость, а также 8...35 % Ni, стабилизирующего аустенитную структуру и повышающего жаропрочность, пластичность и технологичность сталей в широком интервале температур. Этo пoзволяет применять аустенитные стали в качествe коррозионно-стойких, жаропрочных, жаростойких, криогенных конструкционных материалов в химических, теплоэнергетических и атомных установках, гдe oни подвергаются совместному дeйствию напряжeний, высоких температур и агрессивных сред. Химичeский состав основных коррозионно-стойких и жаропрочных сталей привeден в таблицах 1 и 2.

В аустенитных сталях наряду с хромом и никелем могут находиться в твердом растворе или избыточных фазах и другие легирующие элементы: аустенитизаторы (углерод, азот, марганец) и ферритизаторы (титан, ниобий, молибден, вольфрам, кремний, ванадий), улучшающие указанные служебные свойства и действующие на стабильность аустенитной структуры эквивалентно хрому и никелю.

Ферритизаторы способствуют формированию высоколегированного феррита (δ-Fe) с ОЦК-решеткой; аустенитизаторы стабилизируют аустенитную структуру (γ-Fe) с ГЦК-решеткой. Эквивалентное содержание хрома и никеля (в %) подсчитывают по следующим формулам:

Сrэкв = %Сг + 2•(%Мо + %Nb + %AI) + 1,5•(% Si + % W) + 5•% Ti + 1•%V;

Niэкв = % Ni + 0,5•% Мn +30•(% С + % N).

Таблица 1. Жаропрочные аустенитные стали : химический состав и применение для сварных конструкций.

Марка стали Массовая доля, % Применение
C Si Mn Cr Ni W Nb Mo Ti Прочих элементов
08Х16Н9М2 0,08 0,60 1,0.. 1,5 15,5.. 17,0 8,5.. 10,0 -   1,0.. 1,5 -   Паропроводы
10Х14Н16Б (ЭП 694) 0,07- 0,12 1,0.. 2,0 13,0 .. 15,0 14,0 .. 17,0 - 0,9... 1,3 - -  
10X18H12T 0,12 0,75 17,0 .. 19,0 11,0 .. 13,0 -   - 0,02  
10X14H14B2M (ЭП 257) 0,15 0,80 0,70 13,0 .. 15,0 13,0 .. 16,0 3,0.. .4,0   0,45... 0,60    
10Х16Н14В2БР (ЭП 17) 0.07- 0,12 0,60 1,0... 2,0 15,0 .. 18,0 13,0 .. 15,0 2,0... 2,75 0,9... 1,3 -     Трубы, поковки
09Х14Н18ВБР (ЭП 695Р) 0,60 13,0 .. 15,0 18,0... 20,0     Трубы, листовой прокат
10X15H18B4T (ЭП501) 0,50 0,5 .. 1,0 14,0 .. 16,0 4,0... 5,0 -     Паропроводы
10Х14Н18В2БР1 (ЭП 726) 0,60 1,0... 2,0 13,0 .. 15,0 2,0... 2,75 0,9... 1,3     Роторы, диски, турбины
20X23H13 (ЭП 319) 0,20 1,0 2,0 22,0... 25,0 12,0. . 15,0 - -   0.025 В Камеры сгорания
08X23H18 0,1 17.0. . 20,0    
1Х15Н25М6А (ЭП395) 0,12 0,5... 1,0 1,0... 2,0 15,0 .. 17,0 24,0 .. 27,0 5,5... 7,0   0,1 ..0,2 В Роторы газовых турбин
40Х18Н25С2 (ЭЯЗС) 0,32- 0,4 1,5 2,0. . 3,0 17,0. . 19,0 23,0 .. 26,0 -     Литые реакционные трубы
20Х25Н20С2 (ЭП 283) 0,2 2,0... 3,0 1,5 24,0 .. 27,0 18,0... 21.0    
10Х12Н20Т3Р (ЭП 696А) 0,10 1,0 1,0 10,0 .. 12,5 2,3 ..2,8 0,5 ..0,008 В Паропроводы
10Х15Н35ВТ (ЭП 612) 0,12 0,6 1.0... 2,0 14,0 .. 16,0 34,0. . 38,0 2,8 ..3,5 1,1 .. 1,5 - Роторы турбин
Х15Н35ВТР (ЭП 725) 0,10 1,0 14,0 35,0. . 38,0 4,0. .5,0 1,1 .. 1,5 0,25 ..0,005 В
 

Таблица 2. Коррозионнo-стойкие аустенитные стали : химический состав (по ГОСТ 5632-72).

Тип легирования C Si Mn Cr Ni Ti=zC - yД Mo S P Коррозионная стойкость
не более
Хромоникелевый:                    
08X18H10 ≤0,08 ≤0,08 ≤2,0 17,0- 19,0 9,0- 11,0 - - 0,02 0,035 Первый балл стойкости (Икр до 0,1 мм/год) в 65%- н 80%-ной азотной кислоте при температурах соответственно до 85 и 65 оС; 100%-ной серной кислоте при температуре до 70оС; смеси азотной и серной кислот (25 % НNОз , 70% H2SO4; 10 % НNO3 + 60 % H2SO4) при 60оC. 40%-ной фосфорной кислоте при 100оC
08X18H10T 5С-0,7
12X18H10T ≤0,12 5С-0,8
03Х18Н11 ≤0,03 10,5- 12,5
-
06X18Н11 ≤0,06 10,0- 12,0
08Х18Н12Б ≤0,08 11,0- 13,0 Nb-10C- 1,1
Хромомарганцовый и хромоникеле-марганцовый                  
10X14Г14H4T ≤0,1 ≤0,7 13,0- 15,0 13,0- 16,0 2,8- 4,5 5(С - 0,02) - 0,6 0,02 0,035 Первый балл стойкости в ряде кислот невысоких концентрации и температуры (5 ... 10%-ная азотная кислота до 80oС; 58- и 65%-ная азотная кислота при 20oС; 10%-ная уксусная кислота до 80oС; 10%-ная фосфорная кислота до 80oС), моющих средствах, водопроводной воде при 85oС и в ряде других сред
10X14AГ15 14,5- 16,5 13,0- 15,0 - 0,15..0,25 N2 0,03 0,045
07Х21Г7AН5 ≤0,07 ≤0,7 6,0- 7,5 19,5 - 21,0 5,0- 6,0 0,03
Хромоникельмо-либденовый:                    
08X17Н13M2T ≤0,08 ≤0,8 ≤2,0 16,0- 18,0 12,0- 14,0 5С-0,7 2.5- 3,5 0,020 0,035 Первый балл стойкости в 50%-ной лимонной кислоте приTкнп; 10%-ной муравьиной кислоте до 100оС ; 5-, 10- и 25%-ной серной кислоте до 75оС; 50%-ной уксусной кислоте до 100оС и в дрyrиx средах
10Х17Н13М3Т ≤0,10 3,5- 4,0
08Х17Н15М3Т ≤0,08 14,0- 16,0 0,3- 0,6 3,0- 4,0
03X16H15M3 ≤0,03 ≤0,6 ≤0,8 15,0- 17,0 - 2.5- 3,5 0,015 0,020
03Х21Н21М4ГБ ≤1,8- 2,5 20,0- 22,0 20,0- 22,0 Nb-15C-0,8 3,4- 3,7 0,020 0,030
Высококрем-
нистый:
 
02Х8Н22С6 ≤0,02 5,4... 6,7 ≤0,6 7,5- 10,0 21,0- 23,0 - 0,13... 0,35А1 0,02 0,025 Первый балл стойкости в азотной кислоте концентрацией >90 % при температуре 100оС (02Х8Н22С6) и до 50оС (15Х18Н12С4ТЮ)
15Х 18Н12C4Т10 0,12... 0,17 3,8.. .4,5 0,5- 1,0 17,0- 19,0 11,0- 19,0 0,4- 0,7 0,03 0,035

* Содержание титана зависит от количества углерода, азота и ниобия в металле и рассчитывается по формуле, указанной в шапке таблицы, где Д - другие.

аустенитные стали

Рис. 1. Структурная диаграмма Шеффлера для определения фазового состава аустенитных швов.

Совместное действие легируюших элементов на конечную структуру оценивают по соотношению Crэкв/ Niэкв, называемому хромоникелевым эквивалентом, и с помошью структурных диаграмм Шеффлера (рис. 1). На этой диаграмме структура стали определяется соотношением координат Crэкв и Niэкв. Стали, попадаюшие в области А, Ф и М, имеют стабильно аустенитную, ферритную или мартенситную конечную структуры соответственно.

Стали, попадаюшие в переходные области А + Ф, А + М, А + М + Ф, обладают смешанной структурой. Соотношение А + Ф дифференuировано количественно с помошью ряда веерообразно расположенных линий. Цифры над лими линиями указывают количество высоколегированного феррита (δ-Fe с ОЦК-решеткой), содержашегося в стали наряду с аустенитом (γ-Fe). Эта структурная диаграмма описывает структуры, получаемые после кристаллизаuии металла сварного шва. Для других состояний металла (прокат, поковка, литье) существуют аналогичные диаграммы, количественно отличаюшиеся от приведенной на рис. 1.

 

Более точно определяют oстаточoe количество δ-Fe по ферритному числу с помошью формулы:

FN = -18 +2.9(%Сг+% Мо +0.3 % Si)- 2,6(% Ni + 35 % С + 20 % N + 0,3 % Мn).

где FN - ферритное число, приблизительно равное проuентному содержанию δ-Fe.

Обладая одновременно жаропрочными и антикоррозионными свойствами, аустенитные стали (стали аустенитного класса) получают то или иное сверхвысокое свойство принципиально различным легированием и термической обработкой. В связи с этим различают две основные группы аустенитных сталей:

  • жаропрочные аустенитные стали;
  • коррозионно-стойкие аустенитные стали.

Жаропрочность - сопротивление стали разрушению при высокой температуре, зависящее не только от температуры, но и от времени. Механизм разрушения металла при высокотемпературном длительном нагружении имеет диффузионную природу и состоит в развитии дислокационной ползучести. Под действием температуры, времени, напряжений дислокации у барьеров, создавшие упрочнение, приходят в движение (совместно с облаком легируюших элементов и примесей) в результате взаимодействия с созданными нагревом подвижными вакансиями. которые обеспечивают их «переползание» в другие плоскости кристаллической решетки на границы зерен. Зто при водит к разупрочнению, развитию локальной пластической деформаuии и охрупчиванию. Дислокации выходяшие на границы зерен, создают микроступеньки и вызывают из-за соответствуюшего изменения размеров контактируюших зерен меЖJеренное проскальзывание, раскрываюшее микроступеньки в поры и трешины. чему способствуют потоки вакансий. В этих условиях прочность и пластичность металла зависят от температуры и времени. т.е. от длительности нагружения. Для предотврашения ползучести жаропрочность повышают двумя основными способами:

  • подвижности вакансий (легирование γ-твердого раствора молибденом, вольфрамом и другими элементами);
  • созданием большого количества термостойких дисперсных включений-барьеров, препятствующих переползанию и скольжению дислокаций. Эту роль выполняют карбиды и интерметаллиды. Соответственно жаропрочные стали (см. табл. 1) разделяют на гомогенные нетермоупрочняемые и гетерогенные, упрочняемые термообработкой.

Коррозионная стойкость сталей - сопротивление металла воздействию агрессивных сред. Химические составы коррозионно-стойких сталей, приведенные в табл. 2, разработаны с учетом двух видов коррозии: химической и электрохимической.

 

Под химической коррозией понимают окисление металлов внеэлектропроводной среде (струе горячих газов и т.п.). Она развивается, eсли образующиеся продукты коррозии болeе чeм в 2,5 раза увeличиваются в объемe, что приводит к иx пeриодическому отслаиванию и утонению деталeй. Стали, содержащие >12 % Сr, образуют прочную пленку оксидов, прeпятствующую проникновению окислителя в металл, чтo oбеспечивает их окалино- и жаростойкость. Нaиболее жаростойки стали, содержащие нaряду c хромом кремний и алюминий.

Под электрохимической коррозией понимают растворение металла в жидких электропроводных растворах кислот и расплавах, содержащих ионы с положительным и отрицательным зарядами (Н22+ , SO42-и др.). Наиболее опасны межкристаллитная и структурноизбирательная коррозии, развивающиеся по границам зерен. При контакте металла с электропроводным раствором термодинамически обусловлен и неизбежен переход ионов Fe+ из дефектных мест кристаллической решетки в раствор, что создает на металле отрицательный заряд и разность потенциалов между металлом и электролитом, препятствующую дальнейшему растворению (поляризация). Однако в других местах контактной поверхности в результате электропроводности металла и раствора действуют электростатические силы, при водящие к оседанию на поверхности металла положительно заряженных ионов (Н22+ и др.), образующих нейтральные молекулы Н2 . Это вызывает деполяризацию и непрерывное действие гальванической пары: металл (-) - раствор (+), т.е. коррозии. Скорость коррозии хрома в кипящей 65%-ной кислоте 5 * 10-2 г/(м2 * ч), а железа -105 г/(м2 * ч), т.е. в 107 раз выше.

Поэтому при наличии в стали хрома коррозия практически не развивается. Главный фактор коррозионной стойкости стали - однородность твердого раствора хрома в железе, отсутствие его соединений с углеродом и другими элементами, приводящих к локальному обеднению стали хромом и создающих границы раздела между фазами с дефектными участками кристаллической решетки, где у атомов железа ослаблены межатомные связи. Так, образование карбида хрома Сr23С6. содержащего 94 % Сr, обедняет окружающую матрицу с 18 ...25 % Сr. Поэтому составы коррозионностойких сталей отличаются от жаропрочных минимумом углерода (до 0,02 %), являющегося для них вредной примесью, либо наличием в стехиометрическом отношении стабилизирующих элементов (титан, ниобий), образующих более прочные карбиды, чем хром, что исключает обеднение твердого раствора хромом. Для обеспечения прочности и стабильности аустенита в ряде сталей часть углерода заменена азотом. Он препятствует образованию δ-Fe, упрочняет аустенит и не образует карбидов.

Кроме того, в рассматриваемых сталях снижены пределы содержания серы и фосфора. В ряде сталей допустимо ≤10% δ-Fe, который обладает высокой концентрацией хрома и повышает коррозионную стойкость при нормальных температурах, но охрупчивает сталь при длительном нагреве до температуры >500оС. превращаясь в σ-фазу, что снижает и коррозионную стойкость.

 
 
 
 
 
 

Copyright. При любом цитировании материалов Cайта, включая сообщения из форумов, прямая активная ссылка на портал weldzone.info обязательна.

.