Аустенитная сталь: как получают и где применяется

СОДЕРЖАНИЕ

• Понятие аустенитной стали
• Качества аустенитной стали
• Получение и использование аустенитной стали
• Виды и маркировка аустенитной стали
• Нюансы обработки аустенитной стали

Аустенитная сталь – это один из видов, который отличается особой прочностью, причем как к механическим, так и к температурным нагрузкам. Сталь такого рода не является конкретной маркой, а объединяет несколько видов сплавов, которые отличаются по своему составу.

Следствием высокой прочности и термостойкости аустенитной стали являются трудности в ее обработке, особенно сварка. В нашей статье мы расскажем, какие разновидности этой стали бывают, поговорим о способах ее получения и разберемся с особенностями сварки и другой обработки аустенитных сталей.

Понятие аустенитной стали

Аустенитом называется вид гранецентрированной стали, полученный введением углерода в Y-железо (высокотемпературная модификация металла). Гранецентрированная кубическая решетка влияет на свойства материала: устойчивость в критических температурных режимах, отсутствие магнитности, химическая инертность, прочность.

Эта фаза была названа по имени одного английского металлурга Уильяма Чандлера Робертс-Остина, который занимался исследованиями физических свойств металлов и их сплавов в конце XIX века.

В зависимости от вида кристаллической структуры выделяют несколько видов аустенитных сталей:

1. Феррит является твердым раствором углерода в объемноцентрированной кубической решетке (ОЦК) железа. 
2. Понижение температуры аустенита до 730 °C превращает эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита – в перлит.
3. При резком охлаждении металла образуется мартенсит.

Чтобы получить определенную модификацию металла, заранее устанавливают важные параметры – время выдержки, температуры нагрева и охлаждения. 

Читайте также: «Высокоуглеродистая сталь»

Стали аустенитного класса являются результатом легирования железа главными компонентами – хромом и никелем.

В них содержится от 13 до 19 % хрома, который образует оксидную пленку, защищающую от коррозии. Никель составляет 9-12 % объема сплава и увеличивает прочностные и пластические характеристики стали.

Высокое содержание хрома обеспечивает процесс пассивации стали, что значительно повышает устойчивость к коррозии во многих агрессивных окислительных средах, а том числе и азотной. Благодаря этим характеристикам аустенитные стали широко распространены во всех областях промышленности, где предъявляются высокие требования к коррозионной стойкости материала.

Значительное содержание никеля придает стали высокую пластичность и уменьшает склонность к росту зерна, тем самым гарантируя высокую технологичность.

Читайте также: «Медные сплавы»

Также в сталь добавляют следующие компоненты:

Ферритизаторы:

• Кремний и марганец увеличивают прочность кристаллической решетки.
• Титан и ниобий повышают надежность хладостойких сплавов.

Аустенизаторы:

• Углерод способствует образованию карбидов, повышающих прочность стали. Доля этого элемента составляет 10 %.
• Азот применяют, если будущие металлические детали должны быть стойкими к химическим и электрическим воздействиям. 
• Бор повышает пластичность.

В зависимости от назначения сплава и требований к его свойствам (физическим, химическим, технологическим) выбирают легирующие добавки.

Качества аустенитной стали

Основные свойства аустенитных сталей:

• Высокая прочность. Металл во время эксплуатации остается прочным, упругим, устойчивым к высоким нагрузкам. Сталь сохраняет свои свойства и остается невредимой при резких колебаниях температуры: похолодании, морозе, нагреве от солнечных лучей, жаре, местном нагреве и прочем.
• Отсутствие магнитных свойств. Устройство кристаллической структуры нейтрализует магнитность железа и легирующих компонентов. Если с аустенитной сталью взаимодействует магнитный элемент, он не вызывает никакой ответной реакции в материале.
• Коррозионная устойчивость. Если температура находится в границах нормы, аустенитные стали не подвергаются воздействию азота, кислорода, углекислого газа, воды, соответственно, не окисляются и не ржавеют. Такие сплавы подходят для элементов, которые будут эксплуатироваться в морских условиях (корабли, мосты, турбины и прочее).
• Химическая инертность. Аустенитная сталь не взаимодействует с активными химическими элементами, если ее температура остается в пределах нормы. Сплав используют в изделиях, контактирующих с кислотами, щелочами, солями, радиоактивными компонентами. Сталь может долгие годы сохранять свои свойства и не разрушаться от химического воздействия активных элементов.

Получение и использование аустенитной стали

Начальная стадия получения аустенитных сталей характеризуется появлением в структуре сплава зерен. Первые изменения затрагивают поверхность во время фазы роста карбидов. Постепенно заготовка меняет свою структуру по всей толщине.

Вторым способом получения аустенитных сталей является нагрев перлитной модификации железа до 900 градусов. Сплав состоит из цементита и феррита. Для производства применяют сталь с минимальным содержанием углерода – 0,66 % от общего количества вещества. С повышением температуры свыше 900 градусов ферритная сетка превращается в аустенитную, а цементитная часть сплава исчезает. Результатом процесса является качественная нержавеющая аустенитная сталь.

Третий вариант производства заключается в использовании титановой смеси. Заготовку помещают в индукционную печь с вакуумом. Температуру повышают до критических значений и поддерживают в таком состоянии. Во время нагрева металла из него испаряется азот. Период распада индивидуален и связан с габаритами заготовки. Потом постепенно вводят титан и прочие добавки и примеси. Результатом являются нитриды в реакции с железом.

Читайте также: «Высокоуглеродистая сталь»

Самым популярным способом получения аустенитной нержавеющей стали является производство высоколегированных хромоникелевых сплавов. В железо добавляют никель и хром, поддерживая длительное время высокую температуру. Такие меры дают следующие преимущества:

• коррозионную устойчивость;
• прочность;
• жаростойкость;
• большое количество карбидов.

При добавлении в металл молибдена и фосфора получали повышенную вязкость и усталостную прочность. 

Использование аустенитных сталей:

1. Детали, которые испытывают воздействие высоких температур (от 200 градусов до 1100). Сюда относятся самолетные турбины или другие элементы в двигателе. Стоит протестировать изделие на возникновение реакций при контакте с топливом, паром и прочими агрессивными факторами окружающей среды. Могут возникать трещины в металле. Чтобы этого избежать, в сплав добавляют ванадий и ниобий. Они помогают сформировать карбидную фазу и увеличить прочность поверхности. 
2. Разнообразные механизмы, подвергающиеся резким изменениям температурного режима. Это происходит при выполнении сварочных работ.
3. Электрические приборы, контакты. Аустенитные стали невосприимчивы к электромагнитным волнам и делают использование деталей безопасным для человека.
4. Изделия и устройства для эксплуатации в водной среде или условиях повышенной влажности. Например, трубы из аустенитных сталей. Коррозионная устойчивость сплавов предотвращает образование ржавчины, повреждение изделий. Содержание никеля и хрома увеличивают срок службы деталей.

Виды и маркировка аустенитной стали

В зависимости от качеств материалов аустенитные стали делятся на виды:

• Коррозионностойкие (нержавеющие). Они состоят из хрома (18 %), никеля (30 %) и углерода (0,25 %). Сплав используется в промышленном производстве с 1910 г. Отличительным свойством металла является повышенная устойчивость к коррозии. Высокие температуры также не могут привести к разрушению материала из-за низкого содержания углерода. При изготовлении сплавов применяют ГОСТ 5632-2014. Допускается содержание кремния, марганца, молибдена.
• Жаростойкие. Структура металла представлена ГЦК-решеткой. Такие сплавы выдерживают высокие температуры до 1100 °C. Из аустенитных сталей с высокой жаропрочностью производят печи, турбины роторов электростанций и других приборов, работающих на дизельном топливе. В сплав добавляют бор, ниобий, ванадий, молибден, вольфрам. Данные химические элементы увеличивают жаропрочность стали.
• Хладостойкие. Состав сплава включает в себя хром (19 %) и никель (25 %). Особенностью аустенитных металлов является отличная вязкость и пластичность. Сплав обладает высокой коррозионной устойчивостью. Структура металла позволяет противостоять резкому понижению температур. Использование изделий из этого вида стали при комнатной температуре нежелательно, так как они не имеют достаточной прочности в таких условиях.

Аустенитные высоколегированные стали относятся к дорогостоящим видам металлов, так как в их состав входят ценные химические элементы: хром и никель. Добавки других легирующих компонентов, повышающих качественные характеристики сплавов, также существенно увеличивают цену производства этого материала. Дополнительные элементы выбирают в зависимости от назначения того или иного изделия из аустенитной стали.

Производство аустенитных сплавов регулируется ГОСТ 5632-2014. В документе указаны следующие аустенитные стали и их марки:

• 12Х18Н9Т;
• 08Х18Н10Т;
• 12Х18Н10Т;
• 12Х18Н9;
• 17Х18Н9;
• 08Х18Н10;
• 03Х18Н11.

В названии каждого вида указано процентное содержание хрома, углерода и никеля в сплаве. Рассмотрим пример. 12Х18Н9 означает, что в материале содержится 18 % хрома, 10 % никеля, 0,12 % углерода. Некоторые марки имеют в названии букву T. Это значит, что в металле есть незначительное количество титана.

Читайте также: «Технология сварки сталей»

По наименованию марки можно узнать главные свойства сплава. Высокое содержание никеля и хрома указывает на жаропрочность и устойчивость стали к развитию ржавчины. Зная концентрацию углерода, легко рассчитать время и температуру, когда на металлическом сплаве образуется межкристаллическая коррозия.

Нюансы обработки аустенитной стали

При производстве жаропрочных сплавов их подвергают разным термическим воздействиям. Обработка аустенитных сталей необходима для повышения указанных характеристик. Воздействие температуры помогает изменить структуру зерен, принцип и количество фаз дисперсии, размер зерновых блоков и другое.

Обжигу подвергаются стали с целью уменьшить их хрупкость и твердость, если этого требуют условия применения сплава. Сталь нагревают до 1200 градусов в течение тридцати минут и более, а затем резко охлаждают. При производстве высоколегированных сплавов для охлаждения используют масла, а также воздух. Стали с небольшим количеством химических элементов погружают в холодную воду.

Для соединения изделий из аустенитных металлов применяют технологии сварки. К ним относятся дуговая сварка, электрошлаковая сварка и сварка в среде защитных газов. При проведении работ нужно учитывать множества факторов, что под силу опытному специалисту. Одна из особенностей аустенитного сплава – изменение свойств металла при нагревании. Сварочные работы важно проводить в соответствии с алгоритмом. В противном случае сварной шов получится непрочным.

Читайте также: «Сварка медных проводов: разбираемся в технологии»

Характеристика сварочного процесса (выводятся расчетным путем):

• температура +350 градусов – металл претерпевает диффузию и начинает терять пластичность;
• температура до +500 градусов – сплав изменяется термически, становится хрупким, карбиды растрескиваются, меняется теплопроводность;
• температура до +650 градусов – из сплава выпадают карбиды;
• нагрев выше +750 градусов – сталь становится совсем хрупкая, растрескивается, сварочный шов получается непрочным.

Для избежания негативных последствий в месте расположения шва заранее наплавляют небольшой слой металла с другим составом, что похоже на железную заплатку. Ее основные свойства – высокая жаростойкость и неподверженность коррозии. Заплатка защищает шов от образования трещин. Поверхностный металл следует обжечь при +800 градусах.

Читайте также: «Контактная сварка»

Как проводят электрошлаковую сварку аустенитных сталей:

• применяют проволоку толщиной до 4 мм, что увеличивает затраты на изделие;
• для соединения массивных элементов необходимы электроды пластинчатого типа с толщиной до 1,5 см, качественные, но дорогостоящие;
• выполняют отжиг и закалку для предотвращения ножевой коррозии аустенитных сталей.

При использовании дуговой сварки всплывает множество нюансов. Например, металл нагревается местами, в районе шва могут образовываться оксиды железа, недалеко от соединения – трещины, что нежелательно для качества стали.

Использование во время сварочных работ защитных газов сводит к нулю образование трещин, окалины, ржавчины, налета. Подойдут такие газы, как гелий, аргон, углекислый. Для работы применяют импульсную или горячую дугу, а также ток с прямой полярностью. Особой эффективностью обладают плавящиеся электроды, которые предупреждают растрескивание шва.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Аустенитные стали пользуются популярностью в разных сферах. Это объясняется их качественными характеристиками. При работе с металлами нужно учитывать особенности термообработки, сварки и назначение будущих изделий.