Корозійностійкі (нержавіючі) сталі

Корозія - процес руйнування металу під дією зовнішнього середовища. За механізмом протікання розрізняють хімічну корозію, яка виникає під дією газів чи неелектролітів (нафта), і електрохімічну, що відбувається при контакті металу з електролітами - кислотами, лугами, солями, вологою атмосферою, ґрунтом, морською водою. Корозійний процес звичайно відбувається шляхом виникнення на поверхні сплаву мікрогальванічних елементів внаслідок наявності там ділянок, які мають різний електрохімічний потенціал (фази, границі зерен, тіло зерна, інші дефекти структури), і розчинення анодних ділянок в електроліті.

Сталі, стійкі до електрохімічної корозії, називаються корозійностійкими (нержавіючими). Корозійна стійкість досягається введенням у сталь елементів, які утворюють на поверхні щільні, міцно зв’язані з основою захисні плівки, які перешкоджають безпосередньому контакту з агресивним середовищем, а також підвищують електрохімічний потенціал у даному середовищі. Додавання в сталь більше 12…14 % хрому різко змінює її електрохімічний потенціал з від’ємного на додатній, внаслідок чого сталь стає корозійностійкою в атмосфері і інших середовищах.

Нержавіючі сталі за хімічним складом поділяють на дві основні групи: хромисті та хромонікелеві.

Хромисті нержавіючі сталі застосовують трьох типів: з 13, 17 і 25 % хрому. У сталях з 13 % хрому вміст вуглецю може змінюватись від 0,08 до 0,40 %. Структура і властивості хромистих сталей залежить від вмісту хрому і вуглецю. У залежності від структури у нормалізованому стані хромисті сталі поділяють на такі класи: феритний (08Х13, 12Х17, 15Х25Т, 15Х28), мартенситно-феритний (12Х13) і мартенситний (20Х13, 30Х13, 40Х13).

Сталі з низьким вмістом вуглецю (08Х13, 12Х13) пластичні, добре зварюються і штампуються. Їх піддають гартуванню у маслі (t_н =1000…1050°С) з високим відпусканням (t_н =600…800 °С). Їх застосовують для виготовлення деталей, на які діють ударні навантаження (клапани гідравлічних пресів), або які працюють у слабких агресивних середовищах (лопасті гідравлічних і парових турбін і компресора). Сталі 30Х13, 40Х13 мають високу твердість і міцність. Їх загартовують з 1000…1050 °С у маслі та відпускають при 200…300 °С. Після такої обробки вони зберігають мартенситну структуру з твердістю HRC 50…52 і достатню корозійну стійкість. Використовують ці сталі для виготовлення карбюраторних голок, пружин, хірургічних інструментів тощо. Високохромисті сталі феритного класу (12Х17, 15Х25Т, 15Х28) мають вищу корозійну стійкість, ніж сталі, що містять 13 % хрому. Ці сталі не зміцнюються термічною обробкою і схильні до сильного росту зерна при нагріванні вище 850 °С. Для подрібнення зерна і підвищення опору міжкристалітної корозії їх легують титаном.

Хромонікелеві нержавіючі сталі, в залежності від структури, поділяють на аустенітні, аустеніто-мартенситні та аустеніто-феритні. Структура цих сталей залежить від вмісту вуглецю, хрому, нікелю та інших елементів.

Сталі аустенітного класу містять ~18 % Cr, 9…10 % Ni (12Х18Н9, 17Х18Н9). Після гартування вони отримують аустенітну структуру, яка має високу пластичність (d= 40…50 %, Y= 50…60 %), високу корозійну стійкість в окислювальних середовищах. Сталі цього класу характеризуються високою технологічністю. Їх недоліком є схильність до міжкристалітної корозії, що зменшується додаванням до складу цих сталей сильних карбідоутворюючих елементів (титану або ніобію) у кількості, що дорівнює п'ятикратному вмісту вуглецю (12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б). Аустенітні сталі не схильні до крихкого руйнування при низьких температурах, тому їх широко використовують у кріогенній техніці, для виготовлення місткостей для зберігання скраплених газів тощо.

До аустеніто-мартенситного класу належать сталі 09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю, які використовують в основному як високоміцні. Вони добре зварюються, стійкі проти атмосферної корозії. Для забезпечення достатньої міцності та підвищеної корозійної стійкості сталь 09Х15Н8Ю піддають гартуванню на аустеніт (t_н =925…975 °С) з наступною обробкою холодом (- 70 °С) і старінням (350…380 °С). Після такої обробки сталь набуває таких властивостей: s_в =1200…1300 МПа, d =14 %. Застосовують сталі цього класу для виготовлення обшивки, соплових конструкцій і силових елементів вузлів літальних апаратів.

До аустеніто-феритного класу належать сталі 08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т та інші. Ці сталі після гартування у воді з нагріванням до температур 1000…1100 °С мають структуру, що складається із зерен аустеніту і фериту, які розміщені рівномірно і характеризуються невисокою міцністю (s_в= 510…700 МПа, s_0,2= 300…500 МПа) і достатньо високою пластичністю (d= 18…25 %, Y= 45…55 %). Пластична деформація призводить до значного зміцнення сталі. Наприклад, сталь 08Х22Н6Т після деформування зі ступінню 35 % набуває таких властивостей: s_в= 1350 МПа, s_0,2= 1200 МПа, d= 8 %.

Перевагами сталей цього класу перед аустенітними є:

- більш оптимальний комплекс механічних властивостей;

- менша схильність до міжкристалітної корозії;

- більш низький вміст дефіцитного нікелю;

- менша схильність до росту зерна при нагріванні;

- висока стійкість в окислювально-відновлювальних середовищах; - - здатність до деформування у режимі надпластичності.

Аустенітно-феритні сталі застосовують у хімічному і харчовому машинобудуванні, суднобудуванні, літакобудуванні, медицині.