Ръководство за високоефективна аустенитна неръждаема стомана -- Металургичен преглед

1. Видове неръждаема стомана

Неръждаемата стомана е сплав на основата на желязо със съдържание на хром не по-малко от 10,5 процента. Той се използва широко поради добрата си устойчивост на корозия и висока температура. Когато съдържанието на хром достигне 10,5 процента, върху повърхността на стоманата ще се образува слой от богат на хром оксид, който се нарича пасивиращ слой или пасивиращ филм. Този филм предпазва неръждаемата стомана от ръжда като обикновената стомана. Има много видове неръждаема стомана, но всяка неръждаема стомана трябва да отговаря на изискванията за минимално съдържание на хром.

Неръждаемата стомана е разделена на пет категории: аустенитна неръждаема стомана, феритна неръждаема стомана, дуплексна неръждаема стомана (със смесена структура от ферит и аустенит), мартензитна неръждаема стомана и неръждаема стомана с утаяване. Класификацията на тези категории е свързана с кристалната структура (атомно подреждане) и термичната обработка на неръждаема стомана. Група от кристали с еднаква кристална структура в метал се нарича фаза. В неръждаемата стомана има три основни фази: аустенит, ферит и мартензит. Типът и количеството металографска структура на неръждаема стомана може да се определи чрез стандартен процес на металографска проверка и оптичен металографски микроскоп.

Характеристиката на аустенитната неръждаема стомана е, че металографската структура е предимно аустенитна. Кристалната структура на аустенитната фаза е лицево-центрирана кубична (fcc) структура, тоест има атом във всеки ъгъл и център на всяка страна на куба. За разлика от това, кристалната структура на феритната фаза е центрирана кубична (bcc) структура с по един атом във всеки ъгъл и център на куба. Кристалната структура на мартензитната фаза е тетрагонална тетрагонална структура с голямо напрежение.

Кристалната структура на аустенитната фаза е лицево-центрирана кубична (fcc) решетка, феритната фаза е обемно-центрирана кубична (bcc) решетка, а мартензитната фаза е тялоцентрирана тетрагонална (bct) решетка.

 

1.1 Аустенитна неръждаема стомана:

Аустенитната неръждаема стомана няма магнетизъм, средна граница на провлачване, висока степен на работно втвърдяване, висока якост на опън, добра пластичност и отлична издръжливост при ниски температури. За разлика от други неръждаеми стомани, якостта на аустенитните неръждаеми стомани намалява бавно с намаляването на температурата. Аустенитната неръждаема стомана няма определена температура на преход пластично-крехък (DBTT), така че е идеален материал за приложения при ниски температури.

Диаграма на температурата на пластично-крехък преход (DBTT) на аустенитна, феритна и дуплексна (аустенитно-феритна) неръждаема стомана. Действителната DBTT зависи от дебелината на сечението, химичния състав и размера на зърното. DBTT на феритна неръждаема стомана обикновено е 20 до - 30 градуса C (70 до - 22 градуса F).

 

Аустенитната неръждаема стомана има добра заваряемост и може да бъде изработена в различни сложни форми. Тази серия от неръждаеми стомани не може да бъде закалена или подсилена чрез термична обработка, но може да бъде подсилена чрез студено формоване или работно закаляване (вижте ASTM A666). Аустенитната неръждаема стомана, особено стандартната аустенитна неръждаема стомана, има потенциален недостатък, а именно, в сравнение с феритната неръждаема стомана и дуплексната неръждаема стомана, тя е склонна към напукване от хлоридна корозия.

Серия 300 или стандартната аустенитна неръждаема стомана обикновено съдържа 8 процента ~11 процента никел и 16 процента ~20 процента хром. Металографската структура на стандартната аустенитна неръждаема стомана се състои главно от аустенитни зърна и съдържа малко количество (обикновено 1~5 процента) δ феритна фаза (фиг. 3). Поради наличието на феритна фаза, тези аустенитни неръждаеми стомани имат малък магнетизъм.

Типичната металографска структура на кована неръждаема стомана 304L се състои от аустенитни зърна и индивидуална феритна лента © TMR Stainless.

 

В сравнение с неръждаемата стомана от серия 300, аустенитната неръждаема стомана от серия 200 има по-ниско съдържание на Ni, но по-високо съдържание на Mn и N. Якостта и коефициентът на втвърдяване при деформация на неръждаемата стомана от серия 200 са по-високи от тези на неръждаемата стомана от серия 300. Поради ниското съдържание на никел неръждаемата стомана серия 200 понякога се използва като евтин заместител на неръждаема стомана серия 300.

Микроструктурата на високоефективната аустенитна неръждаема стомана е изцяло аустенитна фаза без феромагнетизъм (фиг. 4). В сравнение със стандартната аустенитна неръждаема стомана, високоефективната аустенитна неръждаема стомана съдържа повече елементи от никел, хром и молибден и обикновено съдържа азот. Тези неръждаеми стомани имат силна устойчивост на корозия в корозивни среди като силна киселина, силна основа и среда с високо съдържание на хлорид, включително солена вода, морска вода и солена вода. В сравнение със стандартната аустенитна неръждаема стомана, високоефективната аустенитна неръждаема стомана има по-висок клас на якост и по-добра устойчивост на корозионно напукване под напрежение.

Металографска структура от 6 процента Mo високоефективна аустенитна неръждаема стомана, цялата съставена от аустенитни зърна © TMR Stainless.

 

1.2 Феритна неръждаема стомана:

Микроструктурата на феритната неръждаема стомана е феритна фаза. Феритната неръждаема стомана има ниско или никакво съдържание на никел и е феромагнитна. Не може да се втвърдява чрез топлинна обработка. Феромагнитните свойства на този тип неръждаема стомана са подобни на тези на въглеродната стомана. Феритната неръждаема стомана има добра якост и устойчивост на хлоридно корозионно напукване е много по-добра от стандартната аустенитна неръждаема стомана от серия 300. Въпреки това, тяхната формоспособност и заваряемост са лоши. Тяхната якост не е толкова добра, колкото на аустенитната неръждаема стомана и ще намалее с увеличаване на дебелината на профила. С намаляването на температурата феритната неръждаема стомана ще покаже очевиден преход пластично-крехък. Ограничено от тези фактори, използването на феритна неръждаема стомана обикновено се ограничава до продукти с по-тънка дебелина на стената, като тънки плочи, ленти и тънкостенни тръби.

 

1.3 Дуплексна неръждаема стомана:

Дуплексната неръждаема стомана се състои от феритна фаза и аустенитна фаза, всяка от които представлява около половината. Дуплексната неръждаема стомана има много характеристики на аустенитната и феритната неръждаема стомана. Въпреки че термичната обработка не може да втвърди такива стомани, тяхната граница на провлачане обикновено е два пъти по-голяма от тази на стандартната аустенитна неръждаема стомана и тяхното магнитно привличане е пропорционално на обемната част на феритната фаза. Дуплексното свойство на металографската структура на дуплексната неръждаема стомана прави нейната устойчивост на корозионно напукване под напрежение по-добра от тази на стандартната аустенитна неръждаема стомана.

 

1.4 Мартензитна неръждаема стомана:

Микроструктурата на мартензитната неръждаема стомана е предимно мартензит, който може да съдържа малко количество вторични фази като ферит, аустенит и карбид. Мартензитната неръждаема стомана е феромагнитна и подобна на въглеродната стомана. Крайната твърдост зависи от специфичната топлинна обработка. Мартензитната неръждаема стомана има висока якост, добра устойчивост на износване, слаба якост и висока температура на преход пластично-крехко. Те са трудни за заваряване и обикновено изискват термична обработка след заваряване. Следователно мартензитната неръждаема стомана обикновено е ограничена до приложения без заваряване. Съдържанието на хром в мартензитната неръждаема стомана не е твърде високо. Някои хромни елементи се утаяват под формата на карбиди, което води до ниска устойчивост на корозия, обикновено по-ниска от стандартната аустенитна неръждаема стомана 304/304L. Поради слабата си якост и устойчивост на корозия мартензитната неръждаема стомана обикновено се използва за приложения, изискващи висока якост и твърдост, като инструменти, крепежни елементи и валове.

 

1.5 Неръждаема стомана, закалена при валежи:

Неръждаемата стомана с утаяване (PH) може също да бъде укрепена чрез термична обработка. Основната характеристика на този вид неръждаема стомана е, че частичното й укрепване се постига чрез утаителен механизъм. Фини интерметални утайки се получават чрез топлинна обработка при стареене и втвърдяване за подобряване на якостта. Благодарение на високото съдържание на хром, втвърдяващата се неръждаема стомана има по-добра устойчивост на корозия от мартензитната неръждаема стомана и е подходяща за приложения с висока якост, изискващи добра устойчивост на корозия. Втвърдяващата се неръждаема стомана се използва главно за пружини, крепежни елементи, части на самолети, валове, зъбни колела, силфони и части на реактивни двигатели.

 

2. Фазов състав:

Легиращите елементи влияят на фазовото равновесие и оказват силно влияние върху стабилността на аустенитните, феритните и мартензитните фази. Елементите, добавени към неръждаема стомана, могат да бъдат разделени на елементи, образуващи феритна фаза или елементи, образуващи фаза на аустенит. Фазовото равновесие зависи от химичния състав, температурата на отгряване и скоростта на охлаждане на стоманата. Устойчивостта на корозия, здравината, якостта, заваряемостта и възможността за формоване се влияят от фазовото равновесие.

Феритообразуващите елементи допринасят за образуването на феритна фаза, докато аустенитнообразуващите елементи насърчават образуването на аустенитна фаза. Таблица 3 изброява обикновените феритни и аустенитни фазови образуващи елементи. Класът на неръждаемата стомана и нейното приложение определят необходимия фазов баланс. Повечето стандартни аустенитни неръждаеми стомани имат малко количество феритна фаза при отгряване в разтвор. Отгряването с разтвор може да подобри заваряемостта и якостта при висока температура. Въпреки това, ако съдържанието на феритна фаза е твърде високо, други свойства като устойчивост на корозия и якост ще бъдат намалени. Високоефективната аустенитна неръждаема стомана е проектирана според всички аустенитни фази при условия на отгряване в разтвор.

 

За да се контролира фазовият състав на стоманата и по този начин свойствата на стоманата, е необходимо елементите на сплавта да се поддържат в равновесие. Структурната диаграма на Schaeffler (фиг. 5) отразява връзката между химическия състав на неръждаемата стомана и очакваната фазова структура в състояние на втвърдяване, както се разкрива от микроструктурата на заваръчния шев. По този начин потребителите могат да предскажат фазовото равновесие въз основа на даден химичен състав. Изчислете "никеловия еквивалент" и "хромовия еквивалент" от химичния състав и ги нарисувайте на фигурата. Формулата на общите параметри на организационната схема на Schaeffler е следната:

Никелов еквивалент{{0}} процента Ni плюс 30 процента C плюс 0,5 процента Mn плюс 30 процента N

Хромов еквивалент{{0}} процента Cr плюс процент Mo плюс 1,5 процента Si плюс 0,5 процента Nb

Типичната високоефективна аустенитна неръждаема стомана съдържа около 2 0 процента Cr, 6 процента Mo, 20 процента Ni и 0,2 процента N, която се намира в зоната на еднофазната аустенитна фаза на фигурата, близо до "феритната " линия с никелов еквивалент от около 24 и хромов еквивалент от около 26. Обратно, химическият състав на стандартната неръждаема стомана (като 304) съответства на дуплексната зона на аустенит плюс ферит (A плюс F) с малко количество ферит фаза. Феритната неръждаема стомана е в зоната на феритната фаза на фигурата, а дуплексната неръждаема стомана е в дуплексната зона аустенит плюс ферит (A плюс F).