Корозійностійкі (нержавіючі) сталі і сплави

Корозією називають руйнування металів під дією навколишнього середовища. При цьому часто метали покриваються продуктами корозії (іржавіють). У результаті впливу зовнішнього середовища механічні властивості металів різко погіршуються, іноді навіть при відсутності видимої зміни зовнішнього вигляду поверхні.

Розрізняють хімічну корозію, що протікає при впливі на метал газів (газова корозія) і неелектролітів (нафта і її похідні), і електрохімічну корозію, викликувану дією електролітів (кислот, лугів і солей). До електрохімічної корозії відносяться також атмосферна і ґрунтова корозії.

Сталь, стійку проти газової корозії при високих температурах (понад 550º С), називають жаростійкою. Сталі, стійкі проти електрохімічної корозії, називають корозіоностійкими (нержавіючими). Підвищення стійкості сталі проти корозії досягається введенням у неї елементів, що утворять на поверхні захисні плівки, міцно зв'язані з основним металом і попереджуючим контактом між сталлю і зовнішнім агресивним середовищем, а також підвищувальний електрохімічний потенціал у різних агресивних середовищах.

Підвищення жаростійкості досягається введенням у сталь головним чином хрому, а також алюмінію або кремнію, тобто елементів, що знаходяться у твердому розчині й утворять у процесі нагрівання захисні плівки оксидів (Сr, Fe)₂О₃, (Al, Fe)₂O₃ і ін. Введення в сталь 5–8 % Сr підвищує окалиностійкість до 700–750° С, збільшення змісту Сr до 15–17 % робить сталь окаліностійкой до 950–1000° С. Легування сталей з 25 % Сr алюмінієм у кількості 5 % підвищує жаростійкість до 1300° С. Жаростійкість залежить від складу сталі й у меншому ступені від її структури. У зв'язку з цим жаростійкість феритних і аустенітних сталей при рівній кількості хрому практично однакова.

Склади сталей, стійких проти електрохімічної корозії, встановлюють у залежності від середовища, для якої вони призначаються. Ці сталі можна розділити на два основних класи: хромисті, що мають після охолодження на повітрі феритну, мартенситно–феритну (фериту більш 10 %) або мартенситну структуру, і хромонікелеві, що мають аустенітну, аустенітно–мартенситну або аустенітне–феритну (фериту більш 10 %) структуру.

Хромисті сталі (табл. 11). При введенні в сталь12 – 14 %, Сr її електрохімічний потенціал стає позитивним і вона здобуває стійкість проти корозії в атмосферних умовах, слабких розчинах кислот і солей і інших агресивних середовищ. Сталі мартенситного класу, що містять 13 % Сr і 0,2–0,4 % С, при охолодженні на повітрі мають структуру мартенситу, мають підвищену твердість і застосовуються для виготовлення деталей, що працюють на знос пружних елементів і інструмента, що ріже, (див. табл. 11). Після термічної обробки сталі 20X13, 30X13 і 40X13 мають приблизно однакову, корозійну стійкість. Більш високої стійкістю проти корозії володіють феритна 08X13 і ферито–мартенситна 12X13 сталі. Ці сталі мають меншу твердість, але більш високу пластичність і задовільно зварюються. Шліфування і полірування підвищують корозійну стійкість сталей з 13 % Сr. Недоліком сталей з 13 % Сr є низька стійкість проти корозійного розтріскування і крапкової корозії в середовищах, що містить іони хлору. Значно більш високою корозійною стійкістю, у тому числі і під напругою, володіють низьковуглецеві феритні сталі, що містять 17–28 % Сr. Ці сталі застосовують головним чином для деталей, що працюють в окисних середовищах (азотній кислоті), у водних розчинах аміаку, сірководні й інших агресивних середовищах. Високо хромисті сталі, особливо з підвищеним змістом вуглецю, азоту, кисню і фосфору, холодноламкі і схильні до росту зерна при нагріванні вище 850– 900° С.

Роздрібнити зерно і підвищити пластичність термічною обробкою не можна, тому що сталі не перетерплюють –перетворення. Після високотемпературного нагрівання, наприклад при зварюванні, феритні сталі здобувають схильність до міжкристалічної корозії (МКК). Цей вид корозії зв'язаний зі збіднінням твердого розчину хромом (нижче 12%) у місцях, що прилягають до границь зерна, у результаті виділенні карбідів М₂₃О₆. Для зниження схильності до інтеркристалітної корозії феритні сталі легують титаном. Титан, зв'язуючи вуглець у карбіди Ti, виключає можливість утворення карбідів хрому і збідніння їм фериту. Одночасно титан затримує ріст зерна ферита. При нагріванні до 550–850° С (рис. 167, в II) можливе виділення –фази (FeCr), що підвищує твердість, але різко знижує пластичність, в'язкість і корозійну стійкість сталі. При 350÷540° С (див. рис. 167, а, III) у високохромістої сталі розвиваються процеси, що приводять до так називаної 475–градусної крихкості, зв'язаної з упорядкуванням і розшаруванням –розчину в прикордонних обсягах.

Зварювання феритних сталей 17 % Сr, що викликає ріст зерна в прилягаючим до звареного шва зонах, знижує їхню корозійну стійкість, тому застосовується рідко для тонкостінних (до 3–5 мм) невідповідальних деталей, а також для деталей, що працюють у корозійному середовищі при 100–350° С. Сталі 15Х25Т, 15X28 і 15Х28Т широко використовують як жаростійкий матеріал до 1000–1100° С.

Жароміцні сталі і сплави

Жароміцні сталі і сплави застосовують для багатьох деталей казанів, газових турбін, реактивних двигунів, ракет, атомних пристроїв і ін., що працюють при високих температурах. Підвищення температури сильно впливає на всі механічні властивості; воно знижує границі текучості і міцності й особливо схильність до зміцнення в процесі пластичної деформації. При цьому варто мати на увазі, що в умовах малої швидкості навантаження руйнування відбувається при більш низьких напругах, чим при звичайних короткочасних статичних іспитах.

Робочі температури жароміцних сплавів доставляють
Приблизно 0,45–0,8 Т_пл. Необхідні терміни змінюються від одного
двохгодин (ракети) до сотень (авіаційні газові турбіни) і багатьох тисяч годин (стаціонарні газові і парові турбіни).

При температурах нижче 0,45–0,5 Т_пя міцність сплавів визначаєтьсястабільністю їхньої дислокаційної структури. При більш високих температурах стабільність дислокаційної структури порушується (зменшується щільність дислокацій, росте кількість вакансій і т.д.) і розвиваються процеси не (повернення і рекристалізація, сфероідизація і коагуляція часток надлишкових фаз і т.д.),

Деформація і руйнування при високих температурах часто відбуваються по границях зерен. Це порозумівається тим, що по границях зерен, що містять велику кількість дефектів (вакансій, дислокацій і ін.) при підвищених температурах легко відбуваються елементарні акти ковзання при наявності напруг.

Жароміцність сталі й інших металевих сплавів сильно залежить від величини сил межатомному зв'язку. Вона тим вище, чим більше міжатомні сили зв'язку в кристалічних ґратах металу, на базі якого побудований сплав. У першому наближенні можна вважати, що чим вище температура плавлення металу, тим більше сила міжатомних зв'язків і вище температурний рівень застосування цих сплавів.

Підвищення жароміцності досягається легуванням твердого розчину, що приводить до збільшення енергії зв'язку між атомами, у результаті чого процеси дифузії і самодифузії затримуються, а температура рекристалізації зростає; створенням у сплаву спеціальної структури, що складає з вкраплених в основний твердий розчин і по границях зерен дисперсних карбідних і особливо інтерметалідних фаз, когерентна зв'язаних з матрицею тривалий час. Така структура виходить у результаті загартування з високих температур і наступного старіння. Жароміцні сталі. Робочі температури жароміцних сталей 500–750° С. При температурах до 600° С використовують сталі на основі –твердого розчину, а при більш високих температурах–на основі аустенітної структури, що володіють більш високою жароміцністю.

Перлітні сталі. Для виготовлення деталей і вузлів енергетичних установок, що працюють при температурах не вище 500–580° С, підданих повзучості, але порівняно мало навантажених, використовують низьколеговані сталі перлітного класу, що містять 0,5–1,5 % Сr; 0,25–0,35 % Мо і (0,15–0,3 % V). Ці елементи, підвищуючи температуру рекристалізації ферита й утрудняючи дифузійні процеси, поліпшують жароміцність сталі. Структура низьковуглецевих сталей після нормалізації–легований ферит і перліт або ферит і бейніт, а після загартування – мартенсит або мартенсит з бейнітом. При більшому ступені легування ванадієм можливе утворення карбідів VC. Перлітні сталі частіше піддають нормалізації при 950–1050° С и високій відпустці при 600–750° С. Після такої обробки сталь має структуру тонко пластинчатого перліту (сорбіту) і має більш високу, тривалу жароміцність, чим після загартування і високої відпустки, коли структура – зернистий сорбіт.

Сталь 16М, використовувана в казанобудуванні, задовільно зварюється, але має знижену жароміцність, тому для казанових установок, що працюють при 510° С и тиску 10–11 МПа, застосовують сталь 15ХМ або більш жароміцну 12Х1МФ. Сталь 12Х1МФ задовільно деформується і зварюється. При тривалій роботі (десятки тисяч годин) жароміцність сталей може знизитися внаслідок коагуляції карбідів і графітизації і розвитися так називана «теплова крихкість» завдяки прикордонним виділенням надлишкових фаз.

Мартенсито–феритні сталі містять 10–25 % фериту. Їх використовують для деталей і вузлів газових турбін і паросилових установок. До складу складно леговані сталей 18Х12ВМБФР і 15Х12ВНМФ (табл. 12), крім 11–13 % Сr, входять W, Mo, V, Nb, що, підвищуючи температуру рекристалізації й утворити карбіди типу М₂₃С₆, М₆С, М₂С, МС і фази Лавеса Fe₂W(Fe₂Mo), поліпшують жароміцність. Найбільше сильно підвищують жароміцність вольфрам і ванадій у сполученні з молібденом. Легування сталі бором, цирконієм, церієм і азотом додатково збільшує жароміцність. Робочі температури цих сталей можуть досягати 500–600° С, однак кількість ферит утворюючих елементів повинне бути обмежено, у противному випадку сталь може стати полу феритної, що знизить її жароміцність.

Аустенітні сталі. Для одержання структури аустеніту ці сталі повинні містити велика кількість нікелю (марганцю), а для одержання високої жароміцності – хрому. Для досягнення високої жароміцності їх додатково легують Mo, W, V, Nb і В. Ці сталі застосовують для деталей, що працюють при 500–750° С. Жароміцність аустенітних сталей вище, ніж перлітних, мартенситних, мартенситно–феритних і феритних.

Аустенітні жароміцні сталі зі структурою твердих розчинів (наприклад, 09Х14Н16Б и 09Х14Н19В2БР), призначені для виготовлення пароперегрівників і трубопроводів силових установок, установок надвисокого тиску, працюють при 600–700° С, їхній застосовують у загартованому стані (загартування з 1100–1160° С в воді або на повітрі). Після загартування сталі здобувають помірну міцність і високу пластичність. При тривалому нагріванні при 500–700° можливо виділення –фази, що окрихчує сталь.

Для досягнення високої жароміцності аустенітні сталі з карбідним і інтерматалідним зміцненням піддають термічній обробці, що складається з двох послідовних операцій:

1. Загартування з 1050–1200° С в воді, олії або на повітрі,
що проводять для розчинення карбідних і інтерметаліди фаз у твердому розчині (аустеніті) і одержання після охолодження високолегованого пересиченого твердого розчину, що має низьку твердість.

2. Старіння при 600–850° С призначено для виділення зміцнюючи сталь дисперсних фаз із твердого розчину. Температура старіння не повинна викликати помітної коагуляції надлишкових фаз.

Зі збільшенням легованості сплавів елементами, що гальмують процеси дифузії, температура старіння зростає. У деяких випадках застосовується східчасте старіння, спочатку при високої, а потім низкою температурі (або навпаки), що приводить до збільшення дисперсності часток, що утворяться, підвищенню їхньої однорідності по розмірах і більш рівномірному їхньому розподілові.

Штоки клапанів зі сталі 40Х14Н14В2М нерідко азотують.