СОДЕРЖАНИЕ
- Общая характеристика хромистой стали
- Основные виды хромистых сталей
- Влияние добавления хрома на свариваемость стали
- Сопротивление коррозии хромистых сталей
Хромистая сталь служит материалом для тех деталей, которые будут эксплуатироваться в агрессивных средах, и поэтому к ним предъявляют повышенные требования коррозионной стойкости.
Однако включение хрома в состав металла имеет определенные последствия. В нашей статье мы расскажем о характеристиках хромистой стали, разберем ее популярные виды и поговорим, как изменяется ее прочность после добавления хрома.
Общая характеристика хромистой стали
Хром — основной легирующий элемент, благодаря которому сталь становится нержавеющей. Если этого металла в стали содержится более 12,5 %, то на поверхности появляется оксидная пленка Сr2О3 с защитными свойствами.
Хром — довольно распространенный металл, поэтому хромистые нержавеющие стали самые недорогие. Кроме того, они обладают замечательными технологическими свойствами. Желательно, чтобы углерода в таких сталях было как можно меньше, поскольку он образует в сочетании с хромом карбиды и таким образом уменьшает содержание хрома в расплаве и снижает коррозионную стойкость стали.
Отсюда следует, что коррозионная стойкость сплава напрямую зависит от количества содержащегося в нем хрома. Выпускают три вида хромистых сталей, которые содержат:
- 13 % Сr: 08Х13 (Ф); 12Х13 (М-Ф), 20Х13 (М), 30Х13 (М), 40Х13 (М);
- 17 % Сr: 12Х17 (Ф); 08Х17Т (Ф); 14Х17Н2 (М-Ф);
- от 25 до 28 % Сr: 15Х25Т (Ф); 15Х28 (Ф).
Все виды хромистых сталей закаляют в масле при 1000-1100 °C с последующим отпуском: для сплавов ферритного класса — при 700-750 °C, мартенситного класса — 200-250 °C.
Читайте также: «Высокоуглеродистая сталь»
Основное назначение сталей 12Х13 и 20Х13 — изготовление деталей, характеризующихся высокими пластичностью и сопротивлением ударным нагрузкам (например, лопатки турбин, предметы бытового назначения). Стали 30Х13, 40Х13, имеющие мартенситную структуру, подходят для создания медицинских и измерительных инструментов, пружин и т. д.
Стали 12Х17, 15Х25Т и 15Х28 более коррозионностойкие, поэтому из них изготавливают различные элементы (трубы, теплообменники, детали аппаратов пищевой, химической промышленности и др.), выдерживающие воздействие агрессивных сред, таких как различные кислоты. Например, сталь 12Х17 является подходящим материалом для трубопроводов, баков для хранения кислот, теплообменников с горячими газами.
Основные виды хромистых сталей
Ферритные нержавеющие стали
Нержавеющие стали, содержащие минимальное количество углерода и более 12,5 % хрома, обладают структурой феррита, поэтому их называют ферритными. Такие стали отличаются очень высокой коррозионной стойкостью, выдерживая воздействие агрессивных веществ, и превосходят по этому показателю некоторые марки хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталей. Кроме того, они не имеют тенденции к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Если хромистые ферритные нержавеющие стали легировать алюминием и кремнием, то из них можно изготавливать оборудование, способное работать при высоких температурах в условиях окисления.
Ферритные нержавеющие стали могли бы найти более широкое применение, но хрупкость их сварных швов слишком велика. Также они имеют большую чувствительность к надрезу при нормальной температуре, поэтому не подходят для создания оборудования, которое работает под давлением или в режиме ударных и знакопеременных нагрузок. Хромистые ферритные нержавеющие стали можно применять при изготовлении ненагруженных устройств и деталей.
Для обеспечения хорошей свариваемости нержавеющих сталей ферритного класса нужно, чтобы в их составе было мало не только углерода, но и азота. Стали, содержащие в совокупности не более 0,02 % азота и углерода, более пластичны и имеют высокую ударную вязкость, а значит, сварные соединения будут получаться менее хрупкими. Однако производство таких сталей сложное, требующее применения вакуумных печей либо продувки расплава аргоном или смесью аргона и кислорода.
Читайте также: «Медные сплавы»
При нагревании состав хромистых ферритных нержавеющих сталей не изменяется, но расплав приобретает бо?льшую однородность. Следовательно, чтобы повысить коррозионную стойкость стали, можно применять термообработку.
Мартенситные нержавеющие стали
Хромистые стали, количество углерода в которых повышено, обладают структурой мартенсита. Для того чтобы они имели коррозионные и другие свойства, в мартенситные стали добавляют легирующие компоненты, в том числе никель. Этот металл при взаимодействии с углеродом образует стабильную структуру стали, а, например, такие компоненты, как ванадий, вольфрам, ниобий, обеспечивают жаропрочность сплава.
Как правило, обычные мартенситные хромистые нержавеющие стали обладают хорошей прочностью при температурах до 500 °C, но если в них добавить присадки, которые образуют соединения с углеродом, то данный показатель увеличивается до 650 °C.
Благодаря этому легированные мартенситные стали с большой концентрацией хрома можно использовать для создания энергетического оборудования, отвечающего современным требованиям. Дополнительное введение в расплав вольфрама и молибдена делает сталь менее хрупкой при длительной эксплуатации в условиях высоких температур.
Читайте также: «Высокоуглеродистая сталь»
Мартенситные стали, например 20Х13, 30Х13, 40Х13, 65Х13, имеют высокую твердость и подходят для изготовления деталей агрегатов, работающих на износ, а также режущего инструмента. Такие стали сначала закаляют, а затем производят отпуск на заданную твердость.
Хромистые нержавеющие стали мартенситной группы имеют тенденцию к хрупкому разрушению в закаленном состоянии, поэтому их сложно сваривать. Углерода в этих сталях содержится более 0,10 %, поэтому после нагрева электросваркой и последующего охлаждения в металле образуются холодные трещины. Вязкость мартенсита можно повысить, снизив концентрацию углерода путем дополнительного легирования. Однако в этих случаях образуется структурно-свободный феррит, делающий сталь хрупкой.
Для профилактики появления холодных трещин мартенситные нержавеющие стали подвергают предварительному и сопутствующему подогреву до 200-450 °C (температуру подбирают в зависимости от закалочных свойств стали), а сварочные работы проводят при температуре окружающей среды не ниже 0 °C.
Мартенситно-ферритные нержавеющие стали
Мартенситно-ферритные стали — это сплавы, в которых происходит частичное γ→α превращение, их термокинетическая диаграмма включает две области превращения. При нагреве до 600 °C и медленном охлаждении может образовываться ферритная структура. При быстром охлаждении ниже 400 °C аустенит превращается в мартенсит без диффузии.
Читайте также: «Технология сварки сталей»
Коррозионная стойкость мартенситно-ферритных нержавеющих сталей тем выше, чем больше в них хрома. При концентрации 17 % Cr металл становится стойким в нагретой до 50 °C 65%-ной азотной кислоте. Дальнейшее увеличение содержания хрома позволяет еще более широко применять эти стали в разнообразных средах. Мартенситно-ферритные стали используют для создания энергетических установок и нефтехимического оборудования.
Как и другие хромистые стали, сплавы мартенситно-ферритной группы неудобны для сварки. При работе с этими металлами приходится проводить подкалку сварных соединений, что приводит к появлению трещин замедленного разрушения.
Влияние добавления хрома на свариваемость стали
В силу описанных свойств мартенситного превращения в хромистых сталях холодные трещины могут появляться как сразу после сварки, так и на стадии охлаждения. Чтобы предупредить их возникновение, изделие после сварки необходимо в течение определенного времени выдержать при температуре мартенситного превращения (100-150 °C). Время определяется исходя из толщины свариваемой детали и от количества углерода в стали.
Эти условия более благоприятны для мартенситного превращения, мартенсит становится менее хрупким, а количество остаточного аустенита снижается. Последний фактор при таком режиме охлаждения уменьшает ударную вязкость стали в зоне термического влияния (ЗТВ) после сварки.
После сварки изделий из мартенситной стали сварочные швы необходимо подвергнуть высокому отпуску. Это приводит к распаду мартенсита, снятию напряжений и увеличению ударной вязкости. Если перед отпуском сохранен остаточный аустенит, то он может распасться при отпуске, а ударная вязкость уменьшится.
Читайте также: «Сварка медных проводов: разбираемся в технологии»
Температура отпуска сварных швов зависит от характеристик соединения и состава стали и может иметь значение от 680 до 760 °C. Более высокая температура подходит для отпуска сталей с присадками вольфрама, молибдена, ванадия, более низкая — для сталей, не легированных карбидообразующими элементами.
Обычно мартенситные жаропрочные стали сваривают с такими материалами, благодаря которым металл шва имеет характеристики, близкие к основному металлу. Это возможно при соблюдении рассмотренных выше условий сварки. При некоторых видах работ термообработка изделий затруднена, и тогда при сварке добавляют аустенитные присадки. Например, электроды УОНИ-13/нж, ОЗЛ-6 используют при ручной дуговой сварке стали 08Х13.
Эксплуатировать изделия после сварки можно при температуре не выше 350 °C. При сварке хромистой стали автоматом под флюсом применяют сварные проволоки Св-06Х25Н12ТЮ, Св-07Х25Н12Г2Т, а также флюс АН-26.
Сварка хромистой стали марки 08Х13, а также ферритных и полуферритных сталей с содержанием хрома 25 и 17 % сопровождается увеличением количества ферритного зерна в ЗТВ и повышенной хрупкостью этой зоны.
Читайте также: «Контактная сварка»
С одной стороны, эти стали обладают сниженной теплопроводностью, а значит, для уменьшения температурного градиента их нужно подогревать. С другой стороны, при работе с ферритными и полуферритными хромистыми сталями нужно ограничивать тепловложение, поэтому при сварке температура их подогрева ниже, чем мартенситных сталей (около 150 °С). Если толщина свариваемого изделия небольшая, а температура воздуха имеет положительные значения, то возможна сварка вообще без подогрева.
Предотвратить рост ферритного зерна в ЗТВ и повышение хрупкости этой зоны при сварке ферритных и полуферритных хромистых сталей невозможно. Чтобы их ограничить, необходимо снизить значение погонной энергии сварки.
Сопротивление коррозии хромистых сталей
Нержавеющие стали, концентрация хрома в которых 13 % и более, мало подвергаются питтинговой коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию в нейтральной и слабощелочной среде. Хром — основное вещество, которое мешает действию ионов хлора и других галогенов на сталь.
Чем больше этого элемента в стали, тем легче ее пассивация в условиях воздействия ионов хлора. Если добавить в хромистую сталь никель, то агрессивное воздействие ионов галогенов на ее поверхность будет повышено благодаря смещению потенциала питтингообразования в область положительных значений. По этой причине такая сталь подвержена питтинговой коррозии, а также хлоридному коррозионному растрескиванию.
Если никеля добавлено более 6 %, то изменяется фазовое состояние сплава. Аустенитная структура хромоникелевых сталей способствует меньшему трещинообразованию, чем мартенситная или ферритоперлитная. Однако чаще всего хромистые стали 08Х13, обладающие ферритоперлитной структурой, более устойчивы к хлоридному коррозионному растрескиванию, чем хромникелевые стали с аустенитной структурой, в нейтральных средах с наличием хлоридов.
При производстве ректификационных колонн на установках АВТ активно применяется биметалл с плакирующим слоем из стали 08X13. На некоторых этапах производства (пусковой период, остановки на ремонт, пропаривание) условия благоприятны для появления хлоридного коррозионного растрескивания, поэтому не рекомендуется использовать двухслойную сталь с плакирующим слоем из хромистой стали марки 12Х18H10Т.
Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»
В процессе сварки может формироваться мартенсит, заметно снижающий стойкость хромистых сталей к любому коррозионному растрескиванию. Однако независимо от структуры металла в кислых средах хромистые стали подвержены питтинговой коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию.
Нержавеющие стали с высоким содержанием хрома плохо сопротивляются межкристаллитной коррозии (МКК). Чтобы повысить стойкость к МКК, в эти стали добавляют присадки ниобия или титана (не более 1 %), а также уменьшают концентрацию углерода (до 0,01 %).
В нефтеперерабатывающей отрасли, где высок риск МКК или межкристаллитного коррозионного растрескивания из-за воздействия кислот, для изготовления оборудования (печных змеевиков, реакторов установок гидроочистки и риформинга) хромистые стали стараются не применять, так как их стойкость к коррозии в таких рабочих средах недостаточна.
Читайте также: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»
Итак, добавление хрома в сталь обусловлено его высокой стойкостью к коррозии благодаря образованию на поверхности металла тонкой оксидной пленкой с защитными свойствами. Эта пленка не дает воде и воздуху доступ к стали, благодаря чему она становится нержавеющей.
