Коррозионностойкие стали

Лабораторная работа

АНТИКОРРОЗИОННЫЕ СТАЛИ, СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ

Общие сведения

Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные изготовля­ются по ГОСТ 5632-72, который распространяется на деформируемые стали и сплавы на железоникелевой и никелевой основах. Они предна­значены для использования в коррозионно-активных средах и при вы­соких температурах.

К высоколегированным сталям условно отнесены сплавы, массовая доля железа в которых более 45%, а суммарная массовая доля легиру­ющих элементов составляет не менее 10%, считая по верхнему преде­лу, при массовой доле одного из элементов не менее 8% по нижнему пределу.

К железоникелевым сплавам отнесены сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих эле­ментов в железоникелевой основе. При этом суммарная массовая доля никеля и железа более 65% при приблизительном отношении никеля к железу 1:1,5.

К сплавам на никелевой основе отнесены сплавы, основная структура которых - твердый раствор хрома и других легирующих элементов в ни­келевой основе. При этом содержание никеля составляет не менее 50%.

Коррозионностойкие стали

Поверхностное разрушение металла под воздействием внешней среды называется коррозией. Чистое железо и низколегированные стали неустойчивы против коррозии в атмосфере, в воде и во многих дру­гих средах, так как образующаяся пленка окислов недостаточно плотна и не изолирует металл от химического воздействия среды. Некоторые элементы повышают устойчивость стали против коррозии, и таким образом можно создать сталь (сплав), практически не под­вергающуюся коррозии в данной среде.

При введении таких элементов в сталь (сплав) происходит не постепен­ное, а скачкообразное повышение кор­розионной стойкости. Не вдаваясь в по­дробности явлений, связанных с про­цессами коррозии и коррозионным раз­рушением, укажем, что введение в сталь >12 % Сr делает ее коррозионностойкой в атмосфере и во многих дру­гих промышленных средах. Сплавы, содержащие меньше 12 % Сr, практически в столь же большой степени подвержены коррозии, как и железо. Сплавы, содержащие более 12—14 % Сr, ведут себя как благородные металлы: обладая положительным потенциалом (рис. 1), они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали и сплавы, стойкие про­тив электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвен­ной, солевой, кислотной, щелочной), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.

Рис.1 Потенциал железохромистых сплавов

В зависимости от хими­ческого состава коррозионно-стойкие стали делятся на хромистые и хромоникелевые.

Марки, характеристика механических свойств, рекомендуемые ре­жимы термической обработки и назначение коррозионно-стойких хромистых сталей по ГОСТ 5632-72 и ГОСТ 5949-75 приведены в табл. 1.

Хромистые стали. Стали мартенситного класса марок 20X13, 30X13 и 40X13 содержат в среднем около 13% хрома. Это минимальное коли­чество хрома, делающее сталь нержавеющей.

Указанные стали устойчивы против коррозии в атмосфере, слабых растворах органических кислот и солей и других агрессивных средах.

Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости стали подвергаются упрочняющей термической обработке. Коррозион­ная стойкость сталей повышается также после шлифования и полиро­вания.

Таблица 1 – Механические свойства и режимы термической обработки хромистых коррозионно-стойких сталей

Чем больше в хромистых сталях углерода, тем больше выделяется карбидов хрома и тем сильнее снижается коррозионная стойкость. С повышением содержания углерода возрастает также хрупкость ста­лей. С понижением содержания углерода хромистые стали по структур­ному признаку переходят из мартенситного класса в мартенситно-ферритный (сталь марки 12X13) и даже чисто ферритный (сталь марки 08X13) классы. Стали марок 08X13, 12X13 и 20X13 являются не только коррозионно-стойкими, но и жаропрочными. Они могут использовать­ся при температурах 500-650 °С в нагруженном состоянии. Недостат­ком хромистых сталей с 13% хрома является низкая стойкость против коррозионного растрескивания и точечной коррозии в средах, содер­жащих ионы хлора.

Хромоникелевые стали. Стали марок 20X17Н2 (мартенситного класса) и 14Х17Н2 (мартенситно-ферритного класса) имеют более высокие механические свойства и коррозионную стойкость, чем рас­смотренные хромистые стали. Сталь марки 20X17Н2 хорошо штам­пуется, удовлетворительно обрабатывается резанием, сваривается всеми видами сварки. Удовлетворительные технологические свой­ства имеет и стать марки 14Х17Н2. Она устойчива по отношению к азотной кислоте, многим органическим кислотам. Сталь не только коррозионно-стойкая, но и жаропрочная и может применяться при температуре до 400 °С.

Низкоуглеродистые ферритные стали. Эти стали имеют высокую коррозионную стойкость, содержат 17-28% хрома (марки 12X17, 08X17Т, 15Х25Т и др.). Они применяются для изготовления изделий, работающих в окислительных средах (азотной кислоте), в водных рас­творах аммиака, в аммиачной селитре и других агрессивных средах. Стали применяются в отожженном состоянии или без термообработки.

Недостатками высокохромистых сталей ферритного класса являют­ся: склонность к росту зерна при нагреве, склонность к охрупчиванию в интервале температур 400—500°С, трудности в обеспечении сварива­емости, склонность к межкристаллитной коррозии, невысокие проч­ностные свойства.

Для предотвращения межкристаллитной коррозии необходимо уменьшить в стали содержание углерода или ввести в ее состав карбидообразующие элементы — титан (в количестве не менее пятикратного по отношению к содержанию углерода) или ниобий (в десятикратном отношении). Таким образом, стали марок 12X17 и 15X28³ (без титана) для изготовления сварных конструкций не рекомендуются. И, наобо­рот, стали марок 08X17Т и 15Х25Т могут использоваться для изготовле­ния сварных конструкций.

Высокохромистые стали ферритного класса марок 08X17Т, 12X17, 15Х25Т и 15X28 используются также в качестве жаростойкого матери­ала, причем у сталей марок 08X17Т, 15Х25Т и 15X28 жаростойкость имеет преимущество по сравнению с коррозионной стойкостью.

Коррозионно-стойкая подшипниковая сталь марки 95X18 мартен­ситного класса применяется для изготовления подшипников для неф­тяного оборудования, подшипников, работающих в морской воде, растворах кислот и других агрессивных средах.

Хромоникелевые стали аустенитно-мартенситного (переходного) класса. Эти стали широко применяются в качестве конструкционного материала в различных областях техники. Химическая стойкость соче­тается у них с высокой прочностью, хорошей свариваемостью и доста­точной пластичностью.

Высокие механические свойства стали данного класса получают после комплексной термической обработки, состоящей из закалки или нормализации от 975—1130 °С, обработки холодом при -70 °С или вы­сокого отпуска для дестабилизации аустенита при 740—760 °С и старе­ния при 350—500 °С с последующим охлаждением на воздухе.

После закалки стали аустенитно-мартенситного класса имеют струк­туру аустенита. Они мягкие, обладают высокой пластичностью и хоро­шо деформируются. При последующей обработке холодом часть аустенита превращается в мартенсит, что повышает прочность стали. Дальнейшее повышение прочности происходит при старении за счет выделения промежуточных фаз из мартенсита. Однако старение умень­шает пластичность стали. Оптимальное сочетание прочности и плас­тичности обеспечивается легированием стали молибденом и алюминием.

Нередко после закалки обработку холодом заменяют холодной плас­тической деформацией.

Марки и области применения большинства коррозионно-стойких сталей аустенитно-мартенситного класса приведены в табл. 2.

Хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали аустенитно-ферритного и аустенитного классов. Стали этих классов широко применя­ются в химической, нефтяной и пищевой промышленности, в самолето-и судостроении, в строительстве и в быту. Это объясняется высокими механическими свойствами, немагнитностью, хорошей свариваемос­тью, высокой прочностью и пластичностью в сварных соединениях. В табл. 3 указаны марки большинства сталей этих двух классов, их ме­ханические свойства, режимы термической обработки и применение по ГОСТ 5949-75 и ГОСТ 5632-72.

Стали аустенитно-ферритного класса после оптимальной термиче­ской обработки (закалки в воде или воздухе с 950—1050 °С) имеют структуру, состоящую из равномерно чередующихся зерен феррита и аустенита (с соотношением фаз примерно 1:1).

Таблица 2 – Марки и применение коррозионно-стойких хромоникелевых сталей аустенитно-мартенситного класса

Таблица 3 – Механические свойства и режимы термической обработки коррозионно-стойких хромоникелевых и хромомарганцевоникелевых сталей аустенитно-ферритного и аустенитного классов

У сталей данного класса имеется ряд преимуществ по сравнению с однофазными аустенитными сталями: более высокая прочность при до­статочной пластичности и вязкости, отсутствие склонности к росту зер­на при сохранении двухфазной структуры, меньшая склонность к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию, мень­шее содержание дефицитного никеля.

Существенный недостаток сталей аустенитно-ферритного класса — рост хрупкости при 400—600 °С, поэтому их предельная рабочая темпе­ратура составляет 350 °С.

Хромоникелевые стали аустенитного класса нашли широкое приме­нение в различных отраслях машиностроения в качестве коррозионно-стойкого и жаростойкого конструкционного материала.

Эти стали после закалки в воде, масле или на воздухе с 1000—1100 °С имеют однородную структуру аустенита. При этом достигается наибо­лее высокая коррозионная стойкость в окислительных средах в сочета­нии с хорошей пластичностью при умеренной прочности.

Наибольшее распространение в технике получили стали марок 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т, имеющие высокую кор­розионную стойкость в большом диапазоне агрессивных сред и отличающиеся хорошей технологичностью (свариваемостью, штампуемостью).

Сталь марки 12Х18Н9 склонна к межкристаллитной коррозии, по­этому после закалки ее нельзя нагревать выше 400°С, т.е. практиче­ски нельзя сваривать различными методами сварки, за исключением точечной.

Стали с низким содержанием углерода (марки 03X18Н11 и др.) ме­нее склонны к межкристаллитной коррозии, они имеют повышенную коррозионную стойкость в азотной кислоте высоких концентраций и в других агрессивных средах, хорошую свариваемость, пластичность, вы­сокую способность к полированию.

Для уменьшения склонности хромоникелевых аустенитных сталей к межкристаллитной коррозии в состав стали вводят также титан и реже ниобий (марки 08X18Н ЮТ, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б и др.). Эти стали можно успешно использовать для сварных конструкций, работающих в агрессивных средах.

Положительное влияние на увеличение коррозионной стойкости сталей в ряде сред (органические кислоты, морская вода и др.) оказы­вают добавки молибдена (2—4%). Однако стали, содержащие молибден (марки 08Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М2Т и др.), обладают склонностью к охрупчиванию в результате нагрева при 600—750 °С и имеют более низ­кую коррозионную стойкость в условиях действия азотной кислоты по­вышенных концентраций, чем хромоникелевые стали.

Хромомарганцевоникелевые аустенитные стали. Для экономии ост­родефицитного никеля взамен хромоникелевых аустенитных сталей выпускаются хромомарганцевоникелевые стали, где часть никеля заме­няется марганцем.

Хотя коррозионная стойкость хромомарганцевоникелевых сталей несколько ниже, чем сталей, содержащих 18% хрома и 10% никеля, они широко применяются в промышленности для изготовления бытовых приборов, пищевого оборудования, установок для сжиженных газов и т.д. Хромомарганцевоникелевые стали марок 10Х14Г14Н4Т и 07Х21Г7АН5 применяют в качестве криогенного материала при темпе­ратурах -196 °С, -253 °С.

Дата добавления: 2015-07-08