Корозійностійкі сталі

Сталі, що володіють високим опором електрохімічної корозії, називаються корозійностійкими.

Антикорозійними властивостями володіють спеціально леговані сталі. Основними легуючими елементами, що забезпечує корозійну стійкість деталей, є хром та нікель.

Хром володіє високим опором корозії у багатьох окислювальних середовищах (на повітрі, у воді, в азотній кислоті та інше.). В цих середовищах у перші моменти окислення на поверхні хрому виникає дуже тонка (товщиною менше сотої долі мікрометра), прозора та щільна плівка оксидів хрома, яка здійснює захист від дії на хром зовнішнього середовища. Тому хром становиться пасивним до зовнішнього середовища.

Свою здатність легко пасувати хром передає при легуванні залізу та сталі за умовою, що він входить до складу твердого розчину на основі заліза і його концентрація в цьому розчині перевищує 12% (рисунок 1.5). Така сталь веде себе в окислювальному середовищі, як благородний метал, тобто, становиться корозійностійкою.

Рисунок 1.5 – Вплив вмісту хрома на швидкість корозії сплавів Fe – Cr у воді.

Хромисті корозійностійкі сталі містять від 13 до 30% хрома. Це забезпечує їм високу корозійну стійкість у вологій атмосфері, водопровідній та річній воді, задовільну стійкість в азотній кислоті і у ряді інших агресивних середовищ. З підвищення вмісту хрома коло середовищ, в яких хромиста сталь зберігає корозійну стійкість, розширяється. Проте хром є карбідоутворюючим елементом, він взаємодіє з вуглецем з утворенням карбідів. У високо хромистих сталях утворюються спеціальні карбіди, багаті хромом (Cr, Fe)₂₃C₆ і (Cr, Fe)₄С₃.

Оскільки вуглець при утворенні карбідів виводить хром з твердого розчину, його вплив на корозійну стійкість сталі виявляється несприятливим. Кількість карбідів і, відповідно, об’єднання твердого розчину хрому, буде тим більше, чим більше вміст у сталі вуглецю. Наявність карбідів у сталі збільшують її хімічну неоднорідність у корозійному середовищі, а отже сприяє зниженню корозійної стійкості. Тому вміст вуглецю в корозійностійких сталях невелике і зазвичай не перевищує 0,4% (у найбільш корозійностійких сталях не перевищує 0,1 – 0,15%).

В залежності від вмісту вуглецю та хрому хромисті корозійностійкі сталі мають різну структуру. За структурою їх зазвичай класифікують у нормалізованому стані.

Хімічний склад (ГОСТ 5632 – 72) та структурних склад у нормалізованому стані деяких корозійностійких хромистих сталей наведені в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 - Хімічний склад та структурних склад корозійностійких хромистих сталей у нормалізованому стані .

Сталь	Вміст основних елементів, %	Структурний клас у нормалізованому стані
C	Cr	Mn	Si
12Х13	0,09-0,15	12-14	≤0,8	≤0,8	Мартенситно-феритний
20Х13	0,16-0,25	12-14	≤0,8	≤0,8	Мартенситний
30Х13	0,26-0,35	12-14	≤0,8	≤0,8	Мартенситний
40Х13	0,36-0,45	12-14	≤0,8	≤0,8	Мартенситний

Примітка: В усіх сталях міститься не менше 0,025%S і 0,030%Р[1].

 

У відпаленому стані (рисунок 1.3) сталь 12Х13 є напівферитною, а сталь 20Х13 доевтектоїдною.

а) – легуючий елемент, що звужує область γ – фази;

б) – легуючий елемент, що розширяє область γ – фази.

Рисунок 1.6 – Структурні діаграми відпалених сталей (схема).

 

Сталі 12Х13 і 20Х13 піддаються загартуванню з 1000 - 1050ºС у мастилі. При вказаних температурах забезпечується перехід сталей в аустенітний (для сталі 12Х13 у аустенітно-феритний) стан та повне розчинення спеціальних карбідів в аустеніті. В процесі загартування в мастилі або на повітрі аустеніт перетворюється в мартенсит. Після загартування сталі мають найбільшу корозійну стійкість.

Для отримання необхідних механічних властивостей загартовані сталі піддають високотемпературному відпуску. Зазвичай загартовані сталі 12Х13 і 20Х13 відпускають при температурах 600 – 700 ºС для отримання структури подібній сорбіту (Ф+К, твердість 200 – 220 НВ).

Механічні властивості сталей 12Х13 і 20Х13 після загартування і високотемпературного відпуску близькі. Внаслідок того, що сталь 20Х13 містить більше вуглецю, вона має дещо більш високу міцність та меншу пластичність і в’язкість в порівнянні зі сталлю 12Х13 ( σ_в = 600 і 800МПа; δ = 20 і 10%).

Сталі 12Х13 і 20Х13 є хорошим конструкційним корозійностійким матеріалом для роботи з умовами ударних навантажень, для роботи з нагрівом до 450 - 550ºС. З них виготовляють клапани гідравлічних пресів, лопатки гідравлічних та парових турбін, предмети домашнього ужитку та інші.

Сталі 30Х13 і 40Х13 володіють властивостями, близькими до інструментальних. У відпаленому стані сталь 30Х13 є евтектоїдною, а сталь 40Х13 – заевтектоїдною. У відпаленому стані ці сталі менш пластичні порівняно зі сталями 12Х13 і 20Х13. Після загартування з 1050ºС у мастилі та відпуску при 200 – 300 ºС твердість сталі 30Х13 48 – 55 HRC, а сталі 40Х13 50 – 56 HRC.

Сталі 30Х13 і 40Х13 стійкі у середовищах різних харчових продуктів, (наприклад, фруктові соки, 4 – 5%-ва оцтова кислота та інші.) та слабких розчинів азотної кислоти. Застосовують ці сталі для виготовлення виробів, що працюють на знос (ріжучий, вимірювальній, хірургічний інструмент), а також пружин (30Х13), в харчовій, хімічній промисловості, у медицині. В залежності від застосування призначають режим відпуску. [1]

Наступною модифікацією хромистих сталей є сталь 15Х11МФ. Від сталей 20Х13 та 30Х13 її відрізняє знижений вміст хрома та введення легуючого комплексу молібден + ванадій. Цікаво, що всі комплексно леговані хромисті сталі містять комплекс молібден + ванадій. Сталь відноситься до мартенситного класу та застосовується для соплових та робочих лопаток парових турбін. Максимальна температура для тривалої служби 550 ºС. Цю сталь можна загартовувати на повітрі . Зазвичай для нагріву під загартування застосовують температури 1050 – 1100 ºС [10].

Технологічні дані:

1) сталь виплавляється у відкритих електропечах із застосуванням електрошлакового переплаву;

2) температура гарячої деформації - початок 1160ºС, кінець вище 900ºС, охолодження на повітрі;

3) рекомендовані режими термічної обробки:

- загартування з температури 1060 - 1100ºС на повітрі або в мастилі, відпуск при 680 – 750 ºС;

- азотування двоступеневе: при 530 ºС протягом 20 годин, далі при 580 ºС витримка 20 годин, глибина азотованого шару 0,2 – 0,3 мм;

4) зварюваність сталі задовільна. Зварювання сталі відбувається при підігріві деталей до 300 – 400 ºС. Електроди для зварювання марки КТИ-9. Термічна обробка до зварювання повна, після зварювання відпуск при 710 – 720 ºС,витримка 5 годин, охолодження з піччю[7]. В таблиці 1 наведений хімічний склад сталі 15Х11МФ.

Таблиця 1.2 – Хімічний склад сталі 15Х11МФ

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	V	Cu
0.12-0.19	до 0,5	до 0,7	до 0,6	до 0,025	до 0,03	10-11,5	0,6-0,8	0,25-0,4	до 0,3

 

Таблиця1.3 – Критичні точки сталі 15Х11МФ, ºС

				Mн
-		-	-	-

 

Хром у невеликій кількості незначно підвищує ударну в’язкість, а при подальшому збільшенні вмісту – знижує її. Ударна в’язкість різко знижується під впливом вольфраму, але підвищується при легуванні нікелю. Хром підвищує твердість, міцність, а при термічній обробці збільшує глибину прогартованності, позитивно позначається на жаростійкості, жароміцності, підвищує корозійну стійкість.

Нікель діє так, як і марганець. Крім того, він підвищує електроопір.

Нікель у вказаній кількості не знижує жароміцні властивості, а навпаки дещо підвищує їх. Він впливає головним чином через розширення області при високих температурах, завдяки чому кількість або вірогідність утворення α – фериту знижується. Крім того, нікель знижує мартенситну точку та критичну, швидкість загартування. Завдяки деякому зниженню мартенситної точки аустеніт перетворюється в мартенсит при більш низькій температурі та вклад субструктури в підвищенні жароміцності підвищується. Крім того нікель в α – фазі сприяє зростанню опору крихкому руйнуванню, тобто, при введені нікелю зростає надійність металу[4].

Молібден зменшує величину зерна, підвищує твердість та міцність, покращує ріжучі властивості при підвищених температурах, а також підвищує корозійну стійкість.

Введення молібдену 0,15 ÷0,46% в хромисту сталь збільшує прогартованість, знижує поріг холодноламкості до -20÷-120ºС. Молібден збільшує статичну, динамічну міцність сталі, усуває здатність до внутрішнього окислення. Крім того, молібден знижує здатність до відпускної крихкості сталі, що містять нікель.

Ванадій у кількості 0,1 ÷ 0,3% в хромистих сталях подрібнює зерно та підвищує міцність та в’язкість.

 

2 ВИБІР НАПРЯМКУ ДОСЛІДЖЕННЯ

 

Метою науково-дослідної роботи було порівняльне дослідження впливу відпуску з різними швидкостями нагріву на структуру та механічні властивості сталі 15Х11МФ.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1 Провести відпуск з різними швидкостями нагріву після загартування СВЧ сталей по заданим режимам.

2 Вивчити та дослідити структуру, твердість та властивості сталей (зносостійкість), що були здобуті після проведення пічного відпуску та відпуску з нагрівом струмами високої частоти (СВЧ).

3 Випробування на зносостійкість провести для зразків, що мають однакову твердість, але різний тип відпуску.

4 На підставі отриманих результатів проаналізувати вплив швидкісного відпуску за допомогою СВЧ на структуру і властивості досліджуваної сталі і порівняння з пічним відпуском.

 

 

3 МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕННЯ

 

3.1 Матеріали дослідження та їх обробка

В якості матеріалу дослідження для порівняння нами були використані зразки, виготовлені зі сталі 15Х11МФ, що широко використовується в турбінобудуванні. Зразки зі сталі 15Х11МФ попередньо піддавалися термічній обробці, що включала в себе загартування при температурі 1050 °С (масло) і високий відпуск при 680°С з охолодженням на повітрі (див. рисунок 3.1).

	°С

1 - загартування (масло); 2 - відпуск (повітря)

Рисунок 3.1 - Графік режиму попередньої термічної обробки зразків зі сталі 15Х11МФ

Сталь 15Х11МФ - має знижений зміст хрому. За рахунок цього сталь має знижену схильність до феритоутворення, що вона здобуває у зв'язку з додатковим введенням у неї молібдену й ванадію. Сталь відноситься до мартенситного класу.

 

Температури критичних точок для сталі 15Х11МФ наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 – Температури критичних точок для сталі 15Х11МФ, ^оС

	АС1	АС3	Аr3	Аr1	MН
15Х11МФ	-		-	-	-

 

У таблиці 3.2 вказаний хімічний склад сталі 15Х11МФ з відсотковим складом усіх елементів, що входять до складу цієї сталі.

 

Таблиця 3.2 – Хімічний склад сталі 15Х11МФ

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	V	Cu
0.12 - 0.19	до 0.5	до 0.7	до 0.6	до 0.025	до 0.03	10 - 11.5	0.6 - 0.8	0.25 - 0.4	до 0.3

 

Всі комплекснолегованнi хромисті сталі містять комплекс молібден + ванадій. Сталь відноситься до мартенситному класу і застосовується для соплових і робочих лопаток парових турбін. Максимальна температура для тривалої служби 550 °С. Цю сталь можна гартувати на повітрі.