Хромистые коррозионностойкие (нержавеющие) стали

Хромистые стали являются наиболее экономичными и распространенными. По структуре и составу они делят­ся на несколько групп (рис. 10).

В зависимости от содержания хрома и углерода стали могут относиться к ферритному, мартенситному или ферритно-матенситному классам. Стали, содержащие - 13 % Cr (12Х13, 20Х13, 30Х13), при нагреве и охлаждении испытывают g ® a превращение, и в результате закалки и отпуска они приобретают мартенситную структуру высокой прочности (у стали 30Х13 после закалки и высокого отпуска s_B =700 МПа, а после закалки и низкого отпуска s_B = 1600 МПа). Эти стали после термиче­ской обработки использу­ют для изготовления дета­лей, работающих в слабо агрессивных средах (ше­стерни, валы). После от­жига сталь 12Х13 очень пластична, может катать­ся и штамповаться, обла­дает хорошей свариваемо­стью, поэтому ее исполь­зуют в продовольственном машиностроении и других отраслях для различных свариваемых емкостей, взаимодействующих со слабоагрессивными среда­ми (водяным паром, вод­ными растворами солей). Кроме того, эту сталь ис­пользуют как жаростой­кую (до 700°С) для дета­лей печей.

Сталь 30Х13 более прочна, и ее применяют в овощеперерабатываю­щей и хлебопекарной промышленности для деталей, ис­пытывающих повышенный износ и соприкасающихся с агрессивными средами (ножи, пружины, подшипники, корпуса насосов).

Стали с большим содержанием хрома (17…18 %) об­ладают соответственно более высокой коррозионной стойкостью. Они испытывают превращение лишь при повышенном содержании углерода, и их используют, после закалки и различного отпуска, для изготовления узлов механизмов, требующих повышенной прочности. Кроме того, их применяют в широком диапазоне рабочих температур, но не выше 900 °С.

Сталь 95Х18 используют для коррозионностойких под­шипников, втулок, колец и обойм. В рыбоперерабатыва­ющей промышленности ее применяют для изготовления дисковых ножей.

Свариваемость сталей 08Х17Т и 12Х17Т недостаточно хорошая. В малых сечениях их сваривают контактной сваркой. Тем не менее эти стали рекомендуются как за­менители высоконикелевой стали 12Х18Н10Т для изго­товления емкостей, не испытывающих больших ударных нагрузок (котлов для варки пищевых продуктов, коро­бов сушилок).

Высокохромистые стали (с 25…28 % Cr) в основном используют как жаростойкие при температурах до 1050…1150 °С для различных деталей печей. Такие стали отно­сятся к ферритному классу. При длительном выдержи­вании в области температур 540…550 °С могут охрупчиваться вследствие выделения s - фазы.

Сталь 15Х25Т применяют для сварных жаростойких конструкций, не подвергающихся ударным нагрузкам (трубы теплообменных аппаратов, емкости и др.).

Хромоникелевые и сложно легированные коррозионно­стойкие стали

По структуре хромоникелевые стали принадлежат либо к аустенитному, либо к аустенитно-мартенситному или же к аустенитно-ферритному классу (рис. 11). Наличие уг­лерода в этих сталях приводит к образованию специаль­ных карбидов, преимущественно типа М₂₃С₆.

В сталях аустенитно-ферритного класса соотношение g - и a - фаз может очень сильно меняться даже от неболь­ших вариаций в содержании легирующих элементов (да­же в пределах марочного состава), что приводит к рез­ким колебаниям свойств. Это является одним из основ­ных недостатков сталей данного класса. Другим недостатком хромоникелевых ферритно-аустенитных ста­лей является выделение s - фазы, происходящее при длительной эксплуатации в области 500…650 °С. Присадка упрочняющих ферритообразующих элементов (Cr, Si, Nb, Ti, Al) ускоряет образова­ние s - фазы, а присадка аустенитообразующих элементов (Ni, N, C) замедляет. Следовательно, об­разования s - фазы можно избежать путем подбора соста­ва стали и режимов ее термической обработки.

Рис. 11. Классификация коррозионностойких хромоникелевых сталей по структуре

Аустенитная струк­тура в этих сталях со­храняется за счет фак­торов, приводящих к подавлению g ® a превращения, и в том чи­сле вызывающих сни­жение мартенситной точки М_н. Достигается это путем добавления элементов, расширяющих область устойчивости аустенита. Фактически реализуемая структура, а следова­тельно, и свойства та­ких сталей зависят от скорости их охлаждения. При быстром охлаждении (за­калке) с температур 1050…1100 °С они сохраняют аустенитную структуру и остаются относительно мягкими.

Медленное же охлаждение этих сталей противопока­зано, потому что в процессе медленного охлаждения по границам зерен могут выделяться карбиды и другие сое­динения (так же как и при отпуске 500…650 °С) и вы­звать явление межкристаллитной коррозии. Эффект межкристаллитной коррозии обусловлен тем, что на образо­вание карбидов расходуется хром и в слоях металла, граничащих с карбидами, его остается не более 10…12 % и по границам зерен происходит разрушение.

Для предотвращения межкристаллитной коррозии стали легируют титаном и ниобием, связывающими угле­род в более прочные карбиды и тем самым сохраняющи­ми хром в растворе.

Невысокая прочность сталей с аустенитной структу­рой позволяет легко обрабатывать их прокаткой и штам­повкой.

В сталях аустенитно-мартенситного класса прочность зависит от режимов термической обработки. Для получе­ния высокопрочных состояний их после закалки подверга­ют обработке холодом (для завершения мартенситного превращения) и затем отпускают при 450…500 °С. После такой обработки аустенит и отпущенный мартенсит обес­печивают s_В = 900…1200 МПа.

Наибольшее распространение из трех вышеуказанных классов сталей получили аустенитные. Стали 12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 08Х22Н6Т не склонны к межкристаллитной коррозии. Эти стали, а также хромомарганцевые и хромомарганцевоазотистые применяют для изделий, полу­чаемых штамповкой и cваркой (различные емкости, тру­бопроводы, камеры и т. п.) в машиностроении, судострое­нии, авиационной и химической промышленности.

В продовольственном машиностроении стали 12Х18Н9 и 12Х18Н10Т используют для изделий, аппаратов и сосу­дов, работающих в непосредственном контакте с агрес­сивными пищевыми продуктами (емкости, трубопроводы, фильтры), а также аппаратов, контактирующих с разбав­ленными растворами щелочей и солей, растворами ук­сусной и фосфорной кислот. Из стали 12Х18Н10Т изго­тавливают корпуса и детали, работающие под давлением при температурах от - 196 ⁰С до + 600 ⁰С, а при наличии агрессивных сред - до + 350 ⁰С. В качестве заменителя сталей 12Х18Н9 и 12Х18Н10Т в сварных емкостях и тру­бопроводах, работающих в окислительных агрессивных средах, используют сталь 08Х18Г8Н2Т.

Для замены стали 12Х18Н9 как конструкционного материала, обладающего стойкостью против окисления в атмосферных условиях (до 800 °С), а также для дета­лей насосов в винодельческой и хлебоперерабатывающей промышленности предлагается сталь 20Х13Н4Г9.

Детали и оборудование, имеющие непосредственный контакт с пищевыми продуктами, моющими средами (в мясомолочной, сыродельной, хлебопекарной и дру­гих отраслях промышленности), изготавливают из ста­лей 10Х14АГ15, 12Х17Г9АН4.

В качестве высокопрочного коррозионностойкого кон­струкционного материала (пружины, втулки) использу­ют сталь 09Х15Н8Ю.

В последние годы во многих отраслях промышленно­сти, в том числе и в продовольственном машиностроении, с целью экономии дорогостоящих высоколегированных сталей, начинают применять биметаллы. Листы основного металла (из углеродистой или низколегированной ста­ли) плакируют тонким слоем коррозионностойкого ма­териала. Так, углеродистую сталь Ст3кп плакируют сталями 15Х25Т, 08Х17Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13МЗТ; низколегированную сталь 10ХСНД плакируют сталями 08Х13, 08Х18Н10Т, 06ХН28МДТ и др.

В продовольственном машиностроении биметаллы ис­пользуют для изготовления молочных цистерн, заквасочных емкостей, деталей и узлов установок рафинирования масла, корпусов теплообменной аппаратуры в сахарной промышленности, в аппаратах для тепловой переработки мясных продуктов и многих других областях.