Загальна характеристика аустенітних сталей (сталі аустенітного класу)

До аустенітного класу відносяться високолеговані сталі, що утворюють при кристалізації переважно однофазну аустенітну структуру γ-Fe з гранецентрованою кристалічною (ГЦК) решіткою і зберігають її при охолодженні до кріогенних температур. Кількість іншої фази – високолегованого фериту (δ-Fe з об`ємноцентрованими кристалічними (ОЦК) решіткою) змінюється від 0 до 10%. Вони містять 18 - 25% Cr, що забезпечує жаро- і корозійну стійкість, а також 8 - 35% Ni, що стабілізує аустенітну структуру і підвищує жароміцність, пластичність і технологічність сталей у широкому інтервалі температур.

Це дозволяє застосовувати аустенітні сталі як корозійно-стійкі, жароміцні, жаростійкі, кріогенні конструкційні матеріали в хімічних, теплоенергетичних і атомних установках, де вони піддаються спільній дії напруг, високих температур і агресивних середовищ. Хімічний склад основних корозійно-стійких та жароміцних сталей переведений у таблицях 1 та 2.

В аустенітних сталях поряд з хромом і нікелем можуть знаходитися в твердому розчині або надлишкових фазах ще й інші легуючі елементи: аустенітизатори (вуглець, азот, марганець) і феритизатори (титан, ніобій, молібден, вольфрам, кремній, ванадій) що діють на стабільність аустенітної структури еквівалентно хрому та нікелю. Феритизатори сприяють формуванню високолегованого фериту (δ-Fe) з ОЦК-решіткою. Аустенітизатори стабілізують аустенітну структуру (γ-Fe) з ГЦК-решіткою. Еквівалентний вміст хрому та нікелю (в %) підраховують за такими формулами:

• Дивитись Таблицю 1. Жароміцні аустенітні сталі: хімічний склад та застосування для зварних конструкцій.
• Дивитись Таблицю 2. Корозійностійкі аустенітні сталі: хімічний склад (за ГОСТ 5632-72).

Спільну дію легуючих елементів на кінцеву структуру оцінюють за співвідношенням Cr_екв/Ni_екв, що називається хромонікелевим еквівалентом, і за допомогою структурних діаграм Шеффлера (рис. 1). На цій діаграмі структура сталі визначається співвідношенням координат Cr_екв та Ni_екв. Сталі, що потрапляють в області А, Ф та М, мають стабільно аустенітну, феритну або мартенситну кінцеву структуру відповідно.

Сталі, що потрапляють у перехідні області А + Ф, А + М, А + М + Ф, мають змішану структуру. Співвідношення А + Ф диференційовано кількісно за допомогою ряду віялоподібно розташованих ліній. Цифри над лініями вказують кількість високолегованого фериту (δ-Fe з ОЦК-решіткою), що міститься в сталі поряд з аустенітом (γ-Fe). Ця структурна діаграма описує структури, які отримують після кристалізації металу зварного шва. Для інших станів металу (прокат, поковка, лиття) існують аналогічні діаграми, що кількісно відрізняються від наведеної на рис. 1.

Більш точно визначають залишкову кількість δ-Fe за феритним числом за допомогою формули:

Маючи одночасно жароміцні та антикорозійні властивості, аустенітні сталі (сталі аустенітного класу) отримують ту чи іншу надвисоку властивість принципово різним легуванням і термічною обробкою. У зв`язку з цим розрізняють дві основні групи аустенітних сталей:

• жароміцні аустенітні сталі;
• корозійностійкі аустенітні сталі.

Жароміцність — опір стали руйнуванню при високій температурі, що залежить не тільки від температури, а й від часу. Механізм руйнування металу при тривалому високотемпературному навантаженні має дифузійну природу і полягає в розвитку дислокаційної повзучості. Під дією температури, часу, напруг дислокації у бар`єрів, що створили зміцнення, починають рухатися (спільно з хмарою легуючих елементів і домішок) в результаті взаємодії зі створеними нагріванням рухомими вакансіями, які забезпечують їх "переповзання" в інші площини кристалічних ґрат на межі зерен.

Це призводить до розміцнення, розвитку локальної пластичної деформації та крихкості. Дислокації, що виходять на межі зерен, створюють мікросходенки і викликають через відповідну зміну розмірів контактуючих зерен міжзерене прослизання, що розкриває мікросходенки в пори і тріщини, чому сприяють потоки вакансій. У цих умовах міцність та пластичність металу залежать від температури та часу. Тобто, від тривалості навантаження. Для запобігання повзучості жароміцність підвищують двома основними способами:

• рухливості вакансій (легування γ-твердого розчину молібденом, вольфрамом та іншими елементами);
• створенням великої кількості термостійких дисперсних включень-бар`єрів, що перешкоджають переповзанню та ковзанню дислокацій. Цю роль виконують карбіди та інтерметаліди. Відповідно жароміцні сталі (див. таблицю 1) поділяють на гомогенні нетермозміцнювальні та гетерогенні, що зміцнюються термообробкою.

Корозійна стійкість сталей — опір металу впливу агресивних середовищ. Хімічні склади корозійностійких сталей (наведені в таблиці 2) розроблені з урахуванням двох видів корозії: хімічної та електрохімічної.

Під хімічною корозією розуміють окислення металів позаелектропровідного середовища (струмені гарячих газів тощо). Вона розвивається, якщо продукти корозії, що утворюються, більш ніж в 2,5 рази збільшуються в обсязі, що призводить до їх періодичного відшаровування і потонання деталей. Сталі, що містять >12 % Сr, утворюють міцну плівку оксидів, що перешкоджає проникненню окислювача в метал, що забезпечує їх окалино-і жаростійкість. Найбільш жаростійкі сталі — це сталі, що містять поряд з хромом кремній та алюміній.

Під електрохімічною корозією розуміють розчинення металу в рідких електропровідних розчинах кислот і розплавах, що містять іони з позитивним та негативним зарядами (Н22+, SO42- та інші). Найбільш небезпечні міжкристалітна та структурно-виборча корозії, що розвиваються за межами зерен. При контакті металу з електропровідним розчином термодинамічно обумовлений і неминучий перехід іонів Fe+ з дефектних місць кристалічних грат в розчин, що створює на металі негативний заряд і різницю потенціалів між металом і електролітом, що перешкоджає подальшому розчиненню (поляризація).

Однак в інших місцях контактної поверхні в результаті електропровідності металу і розчину діють електростатичні сили, що призводять до осідання на поверхні металу позитивно заряджених іонів (Н22+ та інші), що утворюють нейтральні молекули Н2. Це викликає деполяризацію та безперервну дію гальванічної пари: метал (-) - розчин (+), тобто корозії. Швидкість корозії хрому в киплячій 65% кислоті 5 * 10^-2 г/(м.кв. * год), а заліза — 5,35 г/(м.кв * год), тобто. у 107 разів вище.

Тому за наявності у сталі хрому корозія практично не розвивається. Головний фактор корозійної стійкості сталі — однорідність твердого розчину хрому в залозі, відсутність його сполук з вуглецем та іншими елементами, що призводять до локального збіднення сталі хромом і створюють межі поділу між фазами з дефектними ділянками кристалічних ґрат, де в атомів заліза ослаблені міжатомні зв`язки. Так, утворення карбіду хрому Сr23С6, що містить 94% Сr, збіднює навколишню матрицю з 18 - 25% Сr.

Тому склади корозійностійких сталей відрізняються від жароміцних мінімумом вуглецю (до 0,02%), що є для них шкідливою домішкою, або наявністю в стехіометричному відношенні стабілізуючих елементів (титан, ніобій), що утворюють міцніші карбіди, ніж хром, що виключає збіднення твердого розчину. Для забезпечення міцності та стабільності аустеніту у ряді сталей частина вуглецю замінена азотом. Він перешкоджає утворенню δ-Fe, зміцнює аустеніт та не утворює карбідів.

Крім того, в аналізованих сталях знижено межі вмісту сірки та фосфору. У ряді сталей допустимо ≤10% δ-Fe, який має високу концентрацію хрому і підвищує корозійну стійкість при нормальних температурах, але хрущує сталь при тривалому нагріванні до температури >500 °С. перетворюючись на σ-фазу, що знижує і корозійну стійкість.

Зварювання аустенітних сталей. Вибір технології

При виборі конкретної технології зварювання плавленням аустенітних сталей потрібно забезпечити їх зварюваність, тобто запобігти тріщинам різного роду в металі зварного шва та ЗТВ при зварюванні та при експлуатації зварних з`єднань. Головна увага при цьому звертають на технологічну міцність при зварюванні. оскільки її рівень за законом технологічного успадкування визначає значною мірою всі інші структурочутливі властивості сполук (жароміцність, корозійну стійкість та ін.).

Вибираючи спосіб зварювання потрібно мінімізувати погонну енергію, щоб зменшити температуру перегріву і особливо — час нагрівання. Це досягається застосуванням лазерного зварювання, електронно-променевого зварювання, дугового зварювання нитковими валиками при багатопрохідному зварюванні та примусовим охолодженням різними способами. Найкращі можливості у цьому сенсі має контактне зварювання аустенітних сталей. Але при зварюванні товстолистових конструкцій її застосування обмежене.

Зварювання аустенітних сталей. Вибір режимів зварювання

Вибираючи режим зварювання плавленням головне — виключити появу гарячих тріщин за умов малої погонної енергії. Однак зварювання аустенітних сталей з великими швидкостями неприпустиме, оскільки для сталей будь-якого класу вона призводить до утворення несприятливого зустрічного зрощення в центрі двох фронтів кристалізації, що утворює зону "слабини" (рис. 2).

При однопрохідному зварюванні з малими швидкостями слід запобігати виникненню осьових кристалітів, що стикуються з двома фронтами кристалітів 1 під великим кутом Θ°/2. Значне розорієнтування між осьовими та бічними кристаллітами збільшує ліквацію по межах, щільність ростових дислокацій та викликає гарячі тріщини. Найбільш сприятливі схема кристалізації з вигином кристаллітів (2, 3), при якому їх кут зрощення в центрі зварного шва близько нуля, і багатошарова зварювання з повним охолодженням зварного шва при виконанні наступного.

Спільний вплив швидкості зварювання та сили струму на утворення горячих тріщин представлено схематично на рис. 2. Найефективніше регулювання швидкістю зварювання, яка може бути зменшена до 6 м/год при зварюванні сталей, дуже схильних до утворення гарячих тріщин.

Зниження сили струму менш результативне. Узагальнений критерій режиму зварювання — це твір qVcв (енерговкладення, яке посідає секундну довжину шва (див. рис. 1)). Чим більше qv, тим нижче стійкість до утворення гарячих тріщин у металі зварювального шва та ЗТВ. Його значимість для променевого та дугового зварювання обумовлена тим, що зі збільшенням qVcв ростуть кут зустрічі кристалітів у центрі зварного шва, довжина ванни та темп розтягування металу зони термічного впливу в ТИХ.

При однопрохідному зварюванні без присадки тонких листів непрямим критерієм кута зустрічі кристаллітів може бути радіус криврзни ізотерми зварювальної ванни, який визначається формою лусочок на вільній поверхні звареного шва. Чим радіус кривизни більше, тим вище опір гарячим тріщин.

При уточненому виборі режимів зварювання необхідно провести кількісну оцінку опірності гарячим тріщинам, яка виконується згідно з ГОСТ 26389-84 визначенням В_кp — критичного темпу розтягування в ТІХ1.

Підвищення механічних властивостей та опірності утворенню ГТ може досягатися і зовнішніми технологічними впливами, тобто:

• перемішуванням зварювальної ванни механічним або електромагнітним впливом (магнітною індукцією 0,05...0,07 Тл, частотою 5...6 Гц);
• введенням у зварювальну ванну внутрішніх та зовнішніх стоків теплоти за допомогою подачі струменя води (застосовується при зварюванні в захисному газі) та твердого присадного металу для прискорення кристалізації ванни.

Рекомендовані наступні режими подачі присадки:

• діаметр дроту: від 1,4 до 3 мм;
• місце введення: ≥ 1/3 довжини ванни за віссю дуги;
• кількість присадки, що подається: до 70% від витрати електрода;
• нагрівання присадки: до 0,9 від температури солідуса;
• подача присадки у ванну під напругою стиснення: 5...15 МПa (введення присадки рекомендовано при дуговому, електрошлаковому зварюванні та променевому зварюванні).