Аустенитная сталь

Марки аустенитной стали

Все классы можно поделить на три категории:

• Коррозионностойкие: 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 06Х18Н11 (они содержат хром и никель), 10Х14Г14Н4Т, 07Х21Г7АН5 (с добавкой марганца), 08Х17Н13М2Т, 03Х16Н16ЬЗ (особенность – наличие молибдена), 02Х8Н22С6, 15Х18Н12С4Т10 (в них много кремния).
• Жаропрочные, например, 08Х16Н9М2, 10Х14Н16Б, 10Х18Н12Т, 10Х14Н14В2БР. Особенностью является наличие в них бора, вольфрама, ниобия, ванадия или молибдена.
• Хладостойкие: 03Х20Н16АГ6 и 07Х13Н4АГ20, в них очень много хрома и никеля.

Обратите внимание на маркировку, она обусловлена нормативным документом, ниже о нем

ГОСТ 5632-2014

Данный документ диктует требования к каждой конкретной марке. В представленных там таблицах перечисляются качества и показатели, которые отвечают за итоговый результат – прочность, износостойкость и пр. Посмотрим на маркировку и отметим, что она сочетает в себе цифры и буквы. Литеры обозначают ту легирующую добавку, которая находится в наибольшем количестве (мельчайшие примеси могут не отображаться в названии, но будут перечислены в техническом паспорте сплава). В самом начале стоит только цифра – это сотые доли углерода. Затем буква добавки с последующим уточнением – сколько процентов. Посмотрим на простом примере. 06Х18Н11, в этой марке:

• 0,06% углерода;
• 18% хлора;
• 11% никеля.

Представим таблицу элементов, которые содержатся в наиболее распространенных марках:

Свойства аустенитных сталей

Сталь аустенитного класса образует 1-фазную структуру во время процесса кристаллизации. Ее кристаллическая решетка не изменяется даже при резком охлаждении до отрицательных температур (–200 °C). Основными компонентами аустенитных железных сплавов являются хром и никель. От доли их содержания зависят технологичность, пластичность, прочность и жаростойкость материала. Для легирования применяют следующие материалы:

1. Ферритизаторы: титан, кремний, молибден, ниобий. Они стабилизируют структуру аустенитов и формируют объемноцентрированную кубическую решетку.
2. Аустенизаторы: азот, марганец и углерод. Они присутствуют в избыточных фазах, формирующихся во время термообработки железных сплавов.

По свойствам материалов аустенитные модификации железа делятся на следующие типы:

1. Коррозионностойкие (нержавеющие). В их состав входит хром (18%), никель (30%) и углерод (0,25%). Эти высоколегированные стали применяются в промышленном производстве с 1910 г. Их главным преимуществом является устойчивость к коррозии. Материал сохраняет это свойство даже при сильном нагревании, что обусловлено низким содержанием углерода. Коррозионностойкие железные сплавы производятся, согласно ГОСТ 5632-2014. В них могут присутствовать добавки из кремния, марганца, и молибдена.
2. Жаростойкие. Они обладают ГЦК-решеткой и устойчивы к воздействию высоких температур. Этот материал можно нагревать до 1100 °C. Жаропрочные аустенитные стали применяются при изготовлении печных устройств, турбин роторов электростанций и иных приборов, работающих при помощи дизельного топлива. При производстве данной модификации железа используются дополнительные добавки из бора, ниобия, ванадия, молибдена и вольфрам. Эти химические элементы повышают жаропрочность материала.
3. Хладостойкие. В составе этих высоколегированных сталей присутствуют хром (19%) и никель (25%). Главным достоинством материала является высокая вязкость и пластичность. Также эта модификация железа располагает высокой стойкостью к коррозии. Хладостойкие металлы сохраняют данные свойства даже при резком понижении температуры. Их главным недостатком является низкая прочность во время работы при комнатной температуре.

Аустенитная высоколегированная сталь является одной из самых дорогих модификаций железа, потому что в них содержится большое количество дорогостоящих материалов: хрома и никеля. Также на ее стоимость влияет количество дополнительных легирующих компонентов, позволяющих создавать железные сплавы с особыми свойствами. Дополнительные элементы легирования подбираются в зависимости от сложности работ, где применяются аустенит.

В аустенитных сталях могут осуществляться следующие разновидности превращений:

1. Образование феррита при нагреве железного сплава до высоких температур.
2. При нагреве до температуры 900 °C из аустенита начинают выделяться избыточные карбидные фазы. Во время этого процесса на аустенитной поверхности образуется межкристаллическая коррозия, постепенно разрушающая материал.
3. Во время охлаждения аустенита до температуры 730 °C происходит эвтектоидный распад. В результате образуется перлит – модификация железных сплавов. Его микроструктура представлена в виде небольших пластин или округлых зерен.
4. При резком понижении температуры металлического изделия формируется мартенсит – микроструктура, состоящая из пластин игольчатого или реечного вида.

Время, требуемое для превращения аустенитной стали в иные модификации железа, определяется содержанием углерода в твердом растворе и количеством дополнительных легирующих компонентов. Чем ниже эти показатели, тем быстрее охлаждается металлическое изделие.

для теплоустойчивых хромистых сталей

12XM, 12MX, 15XM, 15X5M, 15X5M-У:

1. При расчетных температурах ниже 20 °С допускаемые напряжения принимают такими же, как при 20 °С при условии допустимого применения материала при данной температуре.
2. Для промежуточных расчетных температур стенки допускаемое напряжение определяют линейной интерполяцией с округлением результатов до 0,5 МПа в сторону меньшего значения.
3. Допускаемые напряжения, расположенные ниже горизонтальной черты, действительны при ресурсе 105 ч. Для расчетного срока эксплуатации до 2*105 ч допускаемое напряжение, расположенное ниже горизонтальной черты, умножают на коэффициент 0,85.

Применение аустенитных сталей

Наиболее частое использование:

• Любые элементы, которые используются при высоких температурах – более 200 градусов (вплоть до 1100). Это могут быть самолетные турбины или различные детали в двигателе. Однако следует внимательно следить за тем, какие химические реакции будут происходить при контакте с топливом, паром и другими агрессивными средами. Иногда возникают трещины. Чтобы предотвратить такую возможность, следует добавить такие примеси как ванадий и ниобий. С ними будет сформирована карбидная фаза, за счет чего происходит упрочнение поверхности.
• Различные механизмы, которые подвергаются быстрым температурным перепадам. Например, при сварке некоторых материалов.
• Электрическое оборудование, контакты. Их можно сделать благодаря тому, что аустенит устойчив к электромагнитным волнам.
• Детали для устройств, работающих в водной среде или в условиях повышенной влажности. Это возможно из-за коррозионной устойчивости. Никель и хром, которые способствуют этой характеристики, также продлевают износ элемента.

Сварка сталей аустенитного класса

Особенностью сварки аустенитной стали является отсутствие образование пространства между швов. Благодаря этому структура материала не подвергается повреждениям и не происходит образование окисления стали.

Сварка должна проходить очень деликатно, чтобы избежать образования холодных трещин. До сварки настоятельно рекомендуется произвести аустенизацию материла, чтобы достичь пластичности металла, а термическую обработку для упрочнения стали проводить после процедуры. Предварительный нагрев до 400 градусов также избавляет от опасности образования холодных трещин.

1 Аустенитные стали – общее описание

К аустенитным относят сплавы с высоким уровнем легирования, которые при кристаллизации обычно образуют однофазную систему, характеризуемую кристаллической гранецентрированной решеткой. Такой тип решетки в описываемых сталях остается неизменным даже в тех случаях, когда металл охлаждается до очень низких температур, называемых криогенными (в районе -200 градусов Цельсия). В некоторых случаях стали аустенитного класса имеют и еще одну фазу (ее объем в сплаве может достигать десяти процентов) – феррита с высокой степенью легирования. В этом случае решетка является объемноцентрированной.

Разделение аустенитных сталей на две группы производится по составу их основы, а также по содержанию в сплаве легирующих компонентов – никеля и хрома:

1. Композиции на основе железа: содержание никеля – до 7 %, хрома – до 15 %, общее количество легирующих добавок – не более 55 %.
2. Композиции на никелевой (55 % и более никеля) и железоникелевой основе (в них содержится 65 и больше процентов никеля и железа, причем отношение первого ко второму составляет 1 к 1,5).

Чаще всего аустенитные стали легируются следующими элементами:

• Ферритизаторами, которые стабилизируют структура аустенита. К ним относят ванадий, вольфрам, ниобий, титан, кремний и молибден.
• Аустенитизаторами, коими являются азот, углерод и марганец.

Все указанные компоненты располагаются как в избыточных фазах, так и непосредственно в твердом стальном растворе.

По принятой классификации, учитывающей систему легирования, любая аустенитная сталь может быть причислена к хромомарганцевой либо к хромоникелевой. Кроме того, сплавы делят на хромоникельмарганцевые и хромоникельмолибденовые.

Расшифровка марок нержавеющей стали

Для того чтобы правильно подобрать марку коррозионностойкой стали для реализации тех или иных целей, удобнее всего воспользоваться специальными справочниками. В них приведена информация обо всех возможных вариантах обозначения таких сплавов в различных странах мира. Среди огромного разнообразия марок, можно выделить те, которые получили наибольшее распространение среди специалистов во многих странах мира. К ним можно отнести следующие марки нержавеющих сталей с аустенитной структурой.

• 10Х13Н17М3Т, 10Х13Н17М2Т: отличает эти марки, кроме исключительной коррозионной и термической устойчивости, хорошая способность образовывать сварные соединения. Благодаря таким качествам, изделия из сплавов данных марок могут успешно эксплуатироваться в условиях повышенных температур и контактировать даже с очень агрессивными средами. Составными элементами таких сплавов, которые и определяют их уникальные характеристики, являются: хром (16-18%), молибден (2-3%), никель (12-14%), углерод (0,1%), кремний (0,8%), медь (0,3%), титан (0,7%), марганец (2%), сера (0,02%), фосфор (0,035%). В других странах эти марки обозначаются иначе, в частности: в Китае — OCr18Ni12Mo2Ti, в Японии — SUS316Ti, в США — 316Ti, во Франции — Z6CNDT17-12.
• 08Х18Н10, 08Х18Н9: данные марки стали используются для производства труб различных сечений, элементов печного оборудования, на предприятиях химической промышленности. В состав таких сталей входят: хром (17-19%), титан (0,5%), никель (8-10%), углерод (0,8%).

Воздуховоды из нержавеющей стали

• 10Х23Н18: нержавеющие стали данной марки относятся к категории жаропрочных. При их использовании следует иметь в виду, что при выполнении их отпуска они могут становиться хрупкими. В состав сталей данной марки входят: хром (22-25%), никель (17-20%), марганец (2%), кремний (1%).
• 08Х18Н10Т: изделия из нержавейки данной марки хорошо свариваются даже без предварительного подогрева и не утрачивают своей коррозионностойкости даже при высоких температурах. Недостаточно высокая прочность, которой отличаются стали данной марки, легко улучшается путем их термической обработки, которую рекомендует выполнять и ГОСТ 5632-72.
• 06ХН28МДТ: уникальная марка стали, сварные конструкции из которой способны успешно эксплуатироваться даже в очень агрессивных средах. Состав данной марки коррозионностойкой стали включает в себя: хром (22-25%), никель (26-29%), медь (2,5-3,5%).
• 12Х18Н10Т: изделия из данной марки стали, отличающейся высокой термической устойчивостью и исключительной ударной вязкостью, преимущественно используются на предприятиях по переработке нефти, в химической, целлюлозно-бумажной промышленности, а также в строительстве.

Таблица соответствий основных марок нержавеющих сталей и химический состав

К маркам нержавеющей стали с мартенситной структурой относятся: 40Х13, 20Х13, 12Х13, 30Х13. Изделия из данных марок нержавейки нельзя соединять методом сваривания, из них, в основном, изготавливают режущий и измерительный инструмент, рессорные элементы. Большими преимуществами таких изделий является практически полное отсутствие в них внутренних дефектов (флокенов), к тому же, они не становятся более хрупкими после выполнения отпуска.

К коррозионностойким сталям с ферритной структурой относятся: 08Х17, 08Х18Т1, 08Х13. Из стали данных марок не рекомендуется изготавливать детали, которые будут испытывать значительные ударные нагрузки и эксплуатироваться при пониженных температурах.

Для того чтобы разобраться в качественном и количественном составе нержавеющей стали, достаточно расшифровать ее марку. Алгоритм такой расшифровки достаточно прост:

• по первому числу, стоящему в марке стали, определяют количественное содержание в ней основного после железа элемента — углерода (исчисляется в сотых долях процента);
• содержание в составе стали других элементов (исчисляются в целых процентах), определяют по цифрам, стоящим за литерами, которыми такие элементы и обозначают (Х — хром, Н — никель, М — молибден и т.д.).

Широкий ассортимент марок нержавеющей стали позволяет найти оптимальный для себя вариант. Следует учитывать, что отдельные виды нержавейки могу взаимозаменяться в определенных пределах. Если при выборе стали возникли трудности, нужно обращаться к техническим консультантам специализированных фирм.

Технологии сварки

Для минимизации возникновения дефектов в дальнейшем процессе эксплуатации хромоникелевых сталей необходимо правильно подобрать оптимальный способ сваривания аустенитной стали.

Основные способы сварки аустенитной стали:

• ручная дуговая;
• электрошлаковая;
• в атмосфере защитных газов.

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка представляет собой достаточно маневренный способ. Это сваривание происходит таким образом, чтобы химический состав оставался неизменным при разных пространственных положениях и возможных позициях соединений.

Оптимальные рекомендации для ручной дуговой сварки:

• ниточные швы с помощью электродов сечением 3 миллиметра;
• 60-90 минут прокаливать сварочные электроды при температуре от 250 оС до 400 оС (выполнить это необходимо перед началом сварки). Это препятствует возникновению пор в соединительном шве.

Подходящие электроды используют на постоянном токе и обязательно с обратной полярностью. На максимальном токе сварка выполняется в положении снизу. А если работа необходима в вертикальном или потолочном расположении, нужно брать силу тока на 10-30% меньше.

Электрошлаковая сварка

Технология выполнения работы электрошлаковой сваркой сама по себе минимизирует возможность образования горячих трещин.

Преимущества данной техники сварки:

1. Отсутствие существенных деформаций в угловой и стыковой областях.
2. Неспешная скорость движения нагревательного оборудования.
3. Мягкая кристаллизация сварочной ванны.

Схема электрошлаковой сварки

Для данного типа сварки используют электроды в форме пластин с толщиной от 6 до 20 мм или проволоку с толщиной 3 мм.

Сварка в атмосфере защитных газов

Сварка в атмосфере защитных газов позволяет выполнять работы на изделиях разнообразной толщины. В этой технологии положительно работают активные и инертные газы. Сварщик за счет разнообразия защитных газов самостоятельно выбирает условия ввода в металл необходимого количества тепла и может менять эффективность электродуги.

Для этого типа работы характерно использование вольфрамовых или плавящихся электродов. Они отлично подходят для изделий в 5-7 мм.

Сварка выполняется импульсной или горящей дугой. Оптимальнее использование первого вида, т. к. при импульсной работе снижается искажение конфигурации кромок, а также уменьшается длина околошовной зоны.

Вольфрамовые электроды можно использовать как с присадочным материалом, так и без него. Это зависит от толщины соединяемого места и конструкции детали.

Для активных газов и смеси из газов применяются плавящиеся электроды. Стержни такого типа способствуют высокому качеству работы при использовании их в импульсно-дуговой сварке. Данная техника выполняется в смеси кислорода, углекислого газа и аргона, а также в чистом виде аргона.

Методы получения аустенита

Стали аустенитного класса образуются в процессе появления и роста зерен исходной микроструктуры металлического изделия. Формирование аустенита осуществляется на поверхности раздела фаз феррита и карбида. Карбидные частицы постепенно растворяются в твердом растворе аустенита.

Получить аустенит также можно из эвтектоидной модификации железа, состоящей из феррита и цементита. Для этого исходную металлическую заготовку необходимо нагреть до температуры 900 °C

Важно, чтобы в сплаве присутствовала минимальная концентрация углерода, равняющаяся 0,66%. Во время этого процесса феррит превращается в аустенит, а цементит полностью растворяется

В итоге сформируется нержавеющая аустенитная сталь.

При производстве металлических заготовок из аустенитных сталей, стабилизированных титаном, необходимо в вакуумно-индукционной печи переплавить металл. Полученный расплав выдерживают в течение длительного периода для его деазотирования. Количество времени, требуемого для этого процесса, зависит от массы исходного изделия. После выдержки в расплавленный аустенит вводится смесь из титана и нитридообразующих химических элементов.

Для получения устойчивой аустенитной структуры в состав исходной модификации железа добавляются хром и никель

При этом важно соблюдать пропорции. Процентное содержание никеля должно составлять не менее 20%, хрома – не более 19%

Эти химические вещества повышают устойчивость аустенита к высоким температурам и большим нагрузкам. Также они увеличивают выделение карбидов. Материал становится коррозионностойким.

При добавлении хрома и никеля в состав железной модификации нужно выдерживать материал в течение более длительного времени. Очень часто в полученный раствор добавляется смесь из молибдена или фосфора. Эти химические вещества увеличивает вязкость и усталостную прочность железного сплава. Для снижения износа полученного аустенита используют дополнительные легирующие материалы и энергоемкие карбиды.

для теплоустойчивых хромистых сталей

12XM, 12MX, 15XM, 15X5M, 15X5M-У:

1. При расчетных температурах ниже 20 °С допускаемые напряжения принимают такими же, как при 20 °С при условии допустимого применения материала при данной температуре.
2. Для промежуточных расчетных температур стенки допускаемое напряжение определяют линейной интерполяцией с округлением результатов до 0,5 МПа в сторону меньшего значения.
3. Допускаемые напряжения, расположенные ниже горизонтальной черты, действительны при ресурсе 105 ч. Для расчетного срока эксплуатации до 2*105 ч допускаемое напряжение, расположенное ниже горизонтальной черты, умножают на коэффициент 0,85.

Особенности термообработки

Несмотря на то что данный материал обладает повышенными прочностными характеристиками, он очень плохо подвергается металлообработке. Обычно, чтобы улучшить качества заготовки используется один из методов:

• Отжиг. Данный процесс заключается в нагреве до высоких температур (изменения кристаллической решетки) с последующей выдержкой на протяжении нескольких часов. После этого происходит охлаждение одним из способов – в масле, воде, на воздухе при комнатных условиях. Это способствует снижению твердости аустенитных сталей.
• Двойная закалка. Повторная процедура нагрева позволяет повысить жаропрочность материала. Дополнительно зачастую используют старение.

Аустенит – очень часто используемый сплав. Чтобы подробнее разобраться в теме, посмотрим видео:

Физические свойства

• Высокая прочность. Материал при обычных условиях эксплуатации сохраняет свою прочность, упругость, устойчивость. Поэтому сталь сможет выдержать высокие нагрузки. Прочность также сохраняется в случае изменения температуры — резкое похолодание, сильные морозы, воздействие прямых солнечных лучей летом, локальный небольшой нагрев и другие ситуации.
• Магнитная инертность. Кристаллическая структура практически полностью нейтрализует магнитный потенциал железа и легирующих элементов. Поэтому при контакте магнитного элемента с аустенитом образуется очень слабое магнитное поле, которое никак не влияет на свойства материала.
• Коррозийная устойчивость. При нормальных температурных условиях сталь-аустенит не вступает в контакт с атмосферным кислородом, азотом, углекислым газом, а также с водой. Поэтому риск образования разрушительных коррозийных оксидов минимален. Из аустенитной стали можно делать детали, которые будут использоваться на морских объектах (корабли, мосты, турбины, приборы учета).
• Химическая инертность. Сталь при нормальных температурных условиях также не вступает в реакцию с различными веществами, обладающими высокой химической активностью. Поэтому этот материал можно применять для хранения, работы с кислотами, щелочами, солями, радиоактивными веществами. Химического инертность сохраняется даже в случае длительного контакта. Поэтому аустенит при длительном контакте с реактивами не лопается, не ржавеет, сохраняет свои физические свойства.

Свойства аустенитных сталей и где их используют

Само состояние железа в Y-фазе (аустенит) уникально, благодаря ему металл является жаропрочным (+850 ºC), холодостойким (-100 ºC и ниже t), способен обеспечивать коррозионную и электрохимическая стойкость и другие важнейшие свойства, без которых были бы немыслимы многие технологические процессы в:

• нефтеперерабатывающей и химической отраслях;
• медицине;
• космическом и авиастроении;
• электротехнике.     

Жаропрочность — свойство стали не менять своих технических свойств при критических температурах с течением времени. Разрушение происходит при неспособности металла противостоять дислокационной ползучести, т. е. смещению атомов на молекулярном уровне. Постепенно происходит разупрочнение, и процесс старения металла начинает происходить все быстрее. Это происходит с течением времени при низких или высоких температурах. Так вот, насколько этот процесс растянется во времени — это и есть способность металла к жаропрочности.

Коррозионная стойкость — способность металла противостоять разрушению (дислокационной ползучести) не только с течением времени и при криогенных и высоких температурах, но еще и в агрессивных средах, т. е. при взаимодействии с веществами активно вступающих в реакцию с одним или несколькими компонентных элементов. Разделяют 2 типа коррозии:

1. химическая — окисление металла в таких средах, как газовая, водная, воздушная;
2. электрохимическая — растворение металла в кислотных средах, имеющих положительно или отрицательно заряженные ионы. При разности потенциалов между металлом и электролитом, происходит неизбежная поляризация, приводящая к частичному взаимодействию двух веществ.  

Холодостойкость — способность сохранять структуру при криогенных температурах с течением длительного времени. Из-за искажения кристаллической решетки структура стали холодостойкой способна принимать строение присущее обычным малолегированным сталям, но уже при очень низких температурах. Но этим сталям присущ один недостаток — иметь полноценные свойства они могут только при минусовых температурных значениях, t — ≥ 0 для них недопустимы.

Это интересно: Сплав латунь — состав, свойства и особенности производства

Аустенитные стали

24 апреля 2020

Марки аустенитной нержавеющей стали характеризуются лучшей коррозионной стойкостью, свариваемостью, пластичностью и прочностью в сравнении с ферритными и мартенситными марками нержавеющей стали при одинаковом содержании хрома.

Аустенитная нержавеющая сталь показывает отличную коррозионную стойкость в различных средах. Она эффективно противостоит таким агрессивным средам как: уксусная, молочная, лимонная кислота; удовлетворительно стойка к азотной и серной кислоте.

Марки аустенитной стали хорошо поддаются жесткой деформации, они не магнитны в термически обработанном состоянии, но могут приобретать небольшие магнитные свойства после холодной обработки. Аустенитная сталь обладает большим пределом текучести, хорошей сопротивляемостью оксидированию и образованию окалины при высоких температурах. Она также достаточно пластична и прочна на удар при низких температурах.

Аустенитная нержавеющая сталь хорошо поддается гибке, вытяжке, штамповке, сверлению, шлифовке полировке и сварке. Эти свойства делают сталь универсальной и пригодной для применения в различных отраслях промышленности, в бытовой технике и предметах домашнего обихода.

Существует два вида аустенитной нержавеющей стали: хромоникелевая и хромомарганцевая. В настоящее время хромоникелевая сталь является самой производимой нержавеющей сталью в мире. Однако хромомарганцевая сталь быстро набирает число своих сторонников благодаря отличному соотношению цена/качество. Сегодняшняя сфера ее применения охватывает кухонную утварь и столовые приборы, архитектуру и строительство, мебель, транспорт.

ООО «Континенталь» предлагает Вашему вниманию еще одну марку аустенитной нержавеющей стали в разделе «листовой прокат» — это марка J4 (аналог 10Х15Г9АН4 по ГОСТ 5632-72 с более низким содержанием никеля). В таблице приведено сравнение механических свойств холоднокатаного листового проката J4 с прокатом из наиболее популярных аустенитных марок стали.

Марка	Предел прочности, Н/мм2 (мин)	Предел текучести, Н/мм2 (мин)	Относительное удлинение, % (мин)
J4	650	325	40
AISI 304	515	205	40
12Х18Н10Т	530	205	40

Данные производителя позволяют сделать вывод о большой перспективе применения марки J4 в различных отраслях промышленности при существенном сокращении себестоимости готовой продукции. Мы в свою очередь постараемся предоставить любую интересующую Вас информацию по применяемости данной марки, а также о возможности поставки других марганцовистых марок нержавеющей стали аустенитного класса.