Свойства и дефекты нержавеющей и жаропрочной стали
Изделия из нержавеющих и жаропрочных сталей предназначены для работы в агрессивных средах при обычных или высоких температурах, поэтому основным требованием предъявляемым к сталям этой группы, является коррозионная стойкость (способность противостоять воздействию агрессивной среды при обычной температуре) или жаростойкость (сопротивление воздействию газовой среды или пара высоких температур). Жаростойкие стали, как правило, должны быть и жаропрочными, т. е. противостоять при высокой температуре в течение заданного промежутка времени разрушению и ползучести — постепенной и усиливающейся с течением времени деформации под постоянной нагрузкой.
Коррозионной стойкостью обладают изделия, на поверхности которых в агрессивных средах образуется прочная пассивирующая пленка, препятствующая проникновению в более глубокие слои металла и взаимодействию с ними агрессивного вещества.
К наиболее сильным пассивирующим элементам в окислительных средах относится хром. На поверхности нержавеющих и жаропрочных сталей в окислительных средах образуется пленка оксидов хрома толщиной в несколько атомных слоев. Плотность пленки и антикоррозионные свойства стали увеличиваются с повышением содержания хрома. При содержании хрома 12 - 13 % сталь становится нержавеющей, т. е. устойчивой к окислению в атмосфере воздуха и в окислительных средах. Увеличение содержания хрома до 28—30 % делает сталь устойчивой в агрессивных средах.
Хром является ферритообразующим элементом, поэтому стали с высоким содержанием хрома (16 - 30%) относятся к ферритному классу. Устойчивость феррита делает эти стали невосприимчивыми к закалке, поэтому они имеют невысокие прочностные свойства, что ограничивает их применение. Чисто ферритные стали с 25 - 28% Сг (Х25, Х28 и др.), с небольшими добавками титана или азота (для измельчения зерна) используют как жаростойкие, не несущие нагрузок. Прочность и пластичность металлов зависят от многих факторов: типа кристаллической структуры, энергии связи атомов в кристаллической решетке, чистоты металла, химического состава, чистоты границ и т. д.
Сопротивление пластической деформации определяется главным образом числом несовершенств в строении кристаллической решетки и в первую очередь дислокаций. Высокую прочность можно получить, если существенно уменьшить или, наоборот, значительно увеличить число дислокаций. Создание бездефектных материалов пока не нашло практического решения, но упрочнение в результате увеличения числа дислокаций и других несовершенств используется очень широко. Упрочнение сталей, представляющих твердые растворы, происходит в результате взаимодействия примесных атомов, не образующих решетку основного твердого раствора, с дислокациями. Однако, значительно большее упрочнение стали достигается при блокировании сдвигов высокодисперсными частицами другой фазы, появляющимися в результате легирования и соответствующей термической обработки.
Наибольшему упрочнению соответствует тонкая структура с выделениями второй фазы размером 0,02 - 0,05 мкм, равномерно распределенными по всему объему зерна. Рост выделений до >0,1 мкм приводит к разупрочнению стали.
В тех случаях, когда одновременно требуются коррозионная стойкость и высокая прочность, применяют хромистые стали мартенситного класса с пониженным (12— 18 %) содержанием хрома. Эти стали можно закаливать, поэтому содержание углерода в них обычно составляют 0,1 - 0,4 % (стали 1Х13— 4Х13). При необходимости получения после закалки высокой твердости содержание углерода может быть повышено до 1 % (сталь 9Х18). Стали мартенситного класса используют для изготовления ножей, ножниц, хирургического инструмента, пресс-форм для пластмасс, а стали с высоким содержанием углерода — для изготовления работающих в коррозионных средах шарикоподшипников. Но все они непригодны для работы при высоких температурах.
С повышением температуры силы связи атомов в кристаллической решетке уменьшаются, увеличивается диффузионная подвижность атомов и упрочняющая фаза (в основном карбиды хрома) перерождается — укрупняется, сфероидизируется, происходит перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и упрочняющей фазой. Это приводит к разупрочнению стали. Длительному сохранению прочности при высокой температуре способствует торможение диффузионных процессов, что может быть достигнуто оптимальным легированием. В жаропрочных сталях упрочняющей фазой наряду с карбидами хрома являются карбиды ванадия, молибдена, вольфрама и других элементов, а также интерметаллидные соединения типа АчВ, где в качестве элемента Л входят железо и хром, а молибден, вольфрам, ниобий, титан — в качестве элементов В или соединения №3. Добавки тугоплавких элементов (молибдена, вольфрама, ниобия, тантала) оказывают на упрочняющую фазу и стабилизирующее действие, так как эти элементы повышают температуру рекристаллизации и ослабляют диффузионные процессы. Их действие усиливается, если вводится не один, а несколько элементов, ослабляющих диффузию. По этой причине жаропрочные стали легируют, как правило, одновременно несколькими элементами.
Процессы диффузионного обмена заторможены также в том случае, когда сталь не испытывает полиморфных превращений, поэтому в качестве жаропрочных сталей часто используют сложнолегированные стали ферритного или аустенитного классов.
Стали ферритного класса, до последнего времени, использовали лишь как жаростойкие. Однако, в последнее время разработаны и успешно внедряются жаропрочные ферритные стали, например, сталь 12Х2МВ8ФБ, упрочненная частицами интерметаллидной фазы Ре\У.
Значительно более высокую жаропрочность имеют стали аустенитного класса. Особенно широко применяют аустенитные стали (12 - 20 % Сr) с использованием никеля (7 - 30 %) в качестве аустенитообразующего элемента. Никель относится к коррозионностойким металлам и повышает коррозионную стойкость сталей в растворах солей и щелочей, а также в слабоокисляющих средах. При содержании 20 - 30 % хром повышает жаропрочность сплавов Fе— Сr.
Аустенитообразующим элементом является также марганец, но действие его значительно слабее, особенно при высоком содержании хрома, поэтому вместе с марганцем целесообразно вводить небольшие количества никеля (2 - 4%) или азота. Для получения высокой жаропрочности рекомендуется введение углерода с ванадием, молибденом, вольфрамом, ниобием и азотом.
Хромоникелевые, хромоникельмарганцевые и хромомарганцевые стали обладают стойкостью против общей коррозии, но чувствительны к межкристаллитной, особенно после медленного охлаждения в интервале 500 - 850°С. Объясняется это выделением при этих температурах карбидов хрома, которые располагаются по границам зерна. В растворах электролитов карбиды образуют с обедненными углеродом участками зерна гальванические пары. В результате структурной неоднородности границы зерен подвергаются более сильному коррозионному разрушению.
Аустенитные стали нечувствительны к межкристаллитной коррозии, если содержание углерода в стали меньше предела растворимости его в аустените при комнатной температуре, т.е. 0,02 - 0,03 % и менее. Получение стали с таким содержанием углерода в дуговых электропечах затруднено, поэтому при выплавке коррозионностойких аустенитных сталей верхний предел содержания углерода устанавливают обычно на уровне 0,08 - 0,12 %, а дальнейшее понижение концентрации углерода в растворе производят присадками сильных карбидообразующих элементов — титана или ниобия. Количество вводимого титана определяется содержанием углерода и для достаточно полного связывания углерода количество титана должно примерно в пять раз превышать количество углерода.
Высокое содержание хрома и титана в сталях аустенитного класса обусловливает интенсивное окисление металла при разливке с образованием в изложнице на поверхности металла корочки, богатой оксидами и нитридами титана. Завороты корочки при наполнении изложницы приводят к многочисленным дефектам поверхности слитка, которые вынуждают подвергать слиток сплошной обдирке на глубину 10 - 20 мм.
Оставшиеся в слитке скопления нитридов и оксидов образуют краевую или общую неоднородность макроструктуры (так называемую титановую пористость). Степень развития этого дефекта возрастает с увеличением содержания титана в стали.
Для улучшения качества поверхности слитка и уменьшения титановой пористости нержавеющую сталь приходится разливать с большой скоростью, защищать поверхность металла в изложнице восстановительной атмосферой или шлаками, а струю металла при разливке — инертными газами.