Austenityczna stal nierdzewna. Wysokostopowe stale i stopy austenityczne. Wyroby ze stali ausnitycznych
Austenityczne stale żaroodporne wykorzystywane są do produkcji zaworów silników, łopatek turbin gazowych i innych „gorących” części silników odrzutowych – głównie do pracy w temperaturze 600-700°C.
Wszystkie stale żaroodporne austenityczne zawierają duże ilości chromu i niklu oraz dodatki innych pierwiastków.
Austenityczne stale żaroodporne mają wiele wspólnych właściwości - wysoką odporność na ciepło i odporność na skalę, wysoką ciągliwość, dobrą spawalność i duży współczynnik rozszerzalności liniowej. Jednakże w porównaniu ze stalami perlitycznymi i martenzytycznymi są one mniej zaawansowane technologicznie: obróbka i cięcie tych stopów jest trudne; szew spawalniczy ma zwiększoną kruchość; Gruboziarnistej struktury powstałej w wyniku przegrzania nie można skorygować poprzez obróbkę cieplną, gdyż w tych stalach nie zachodzi rekrystalizacja fazowa. W zakresie temperatur 550-600°C stale te często stają się kruche w wyniku wytrącania się różnych faz wzdłuż granic ziaren.
Stale austenityczne można podzielić na dwie grupy:
1) nieutwardzone obróbką cieplną, czyli nie podatne na utwardzanie dyspersyjne (nazwijmy je warunkowo jednorodnymi, choć faktycznie zawierają fazy drugie, ale w ilościach nie powodujących silnego efektu starzenia):
2) utwardzane poprzez obróbkę cieplną i stosowane po hartowaniu + odpuszczaniu. Wzmocnienie powstaje w wyniku wytrącania się węglików, węglikoazotków lub faz międzymetalicznych. Zdolność do starzenia wynika z obecności niektórych pierwiastków (z wyjątkiem chromu i niklu) w ilościach przekraczających granicę rozpuszczalności.
Chrom i nikiel są głównymi składnikami stopowymi tych stali. Pierwszy określa odporność na skalę, a nikiel określa stabilność austenitu. W przypadku braku niklu możliwe jest częściowe utworzenie fazy α, co pogarsza odporność cieplną.
Skład najważniejszych austenitycznych stali żaroodpornych podano w tabeli. 67. Stale pierwszej (jednorodnej) grupy stosuje się jako stale żaroodporne i nierdzewne, dlatego zostaną one opisane szerzej w następnym rozdziale, ale tutaj ograniczymy się do danych dotyczących ich odporności na skalę i odporności na ciepło (patrz Tabele 68, 69).
Długotrwała ekspozycja na temperatury robocze (500-700°C) powoduje kruchość stali na skutek uwolnienia nadmiaru faz wzdłuż granic ziaren (Rys. 336) i powstania tzw. fazy - (sygmatyzacji), która jest związkiem międzymetalicznym typ Przekształcenia te przebiegają bardzo powoli.
Stale drugiej grupy, w przeciwieństwie do pierwszej, są niestabilne i podatne na utwardzanie w wyniku rozkładu roztworu stałego (spada lepkość).
Obróbka cieplna tych stali polega na hartowaniu w temperaturze 1050-1100°C w wodzie oraz odpuszczaniu - starzeniu w temperaturze 600-750°C. To odpuszczanie - starzenie powoduje wzrost twardości na skutek
Tabela 67. (patrz skan) Skład austenitycznych stali żaroodpornych (GOST 5632-72),%
Ryż. 336. Mikrostruktura austenitycznej stali żaroodpornej, a - po hartowaniu; b - po starzeniu w temperaturze 650°C
utwardzanie dyspersyjne: podczas starzenia nadmiar faz uwalnia się głównie wzdłuż granic ziaren (patrz ryc. 336).
Oczywiście celem takiej obróbki cieplnej jest zwiększenie odporności na ciepło; Stale austenityczne drugiej grupy mają odporność na ciepło
wyższe niż jednorodne stale austenityczne, co można wytłumaczyć drobnym rozkładem drugiej fazy, ale jest to zaleta tylko w przypadku krótkich okresów użytkowania; w ciągu długich okresów użytkowania nadmiar fazy utwardzania koaguluje, a następnie jednorodne stopy mogą przewyższać stopy utwardzane wydzieleniowo pod względem odporności na ciepło.
Widać to po porównaniu danych podanych w tabeli. 68 i 69.
Tabela 68. (patrz skan) Właściwości niektórych stali austenitycznych (jednorodnych)
Tabela 69. (patrz skan) Właściwości żaroodporne niektórych stali austenitycznych utwardzanych wydzieleniowo
Oprócz tych stali do mniej lub bardziej ogólnych zastosowań, istnieją austenityczne stale żaroodporne do węższych zastosowań: na części odlewane o dużej odporności na zgorzelinę (części pieców, na przykład retorty), blachy okładzinowe poddawane nagrzewaniu itp.
Składy niektórych z tych specjalnych stopów żaroodpornych i odpornych na osadzanie się kamienia, wskazujące ich odporność na osadzanie się kamienia, podano w tabeli. 62.
Stal stopowa z chromem, niklem i manganem, która zachowuje strukturę stałego roztworu γ (austenit) po ochłodzeniu z wysokich temperatur do temperatury pokojowej i niższej. W przeciwieństwie do ferrytycznej stali nierdzewnej, austenityczna stal nierdzewna jest niemagnetyczna, ma umiarkowaną twardość i wytrzymałość, niską granicę plastyczności i wysoką ciągliwość. Święci (b i d) 50%). W przypadku austenitycznej stali nierdzewnej hartowanie jest operacją termiczną. obróbka utrwalająca strukturę austenityczną. Gdy zawartość niklu lub manganu w stali jest niewystarczająca do wytworzenia struktury całkowicie austenitycznej, otrzymuje się struktury pośrednie: austenit + ferryt, austenit + martenzyt itp. W stali układu Fe-Cr-Mn ze względu na niższą wydajność manganu w tworzeniu struktury austenitu, bardziej rozwinięte są austenit + ferryt lub austenit-4-martenzyt.
Wzrost zawartości chromu, wprowadzenie tytanu, niobu, krzemu, tantalu, glinu i molibdenu przyczyniają się do powstawania fazy ferrytowej. Natomiast wzrost zawartości niklu i wprowadzenie azotu, węgla i manganu przyczyniają się do poszerzenia zasięgu istnienia austenitu i jego większej stabilności. Pierwiastki stopowe ze względu na skuteczność ich oddziaływania austenitycznego są ułożone w następującej kolejności. sekwencje (wskazujące współczynniki warunkowe): węgiel (30), azot (26), nikiel (1), mangan (0,6-0,7), miedź (0,3). Pierwiastki tworzące ferryt: aluminium (12), wanad (11), tytan (7,2-5), krzem (5,2), niob (4,5), molibden (4,2), tantal (2,8), wolfram (2,1), chrom (1 ).
Długotrwałe nagrzewanie stali austenitycznej nierdzewnej w temperaturze 700-900° lub powolne chłodzenie od wysokich temperatur powoduje powstawanie twardej i kruchej międzymetalicznej fazy ołowiowej, co może prowadzić do bardzo silnej utraty lepkości. Nagrzewanie stali powyżej 900° eliminuje to zjawisko, zapewniając przejście kruchej fazy a w roztwór stały. Wytrącanie fazy a może następować bezpośrednio z austenitu lub z ferrytu powstałego po przemianie u-N.a.s., który w swojej strukturze posiada fazę 0, jest bardziej podatny na pękanie w wyniku zmian termicznych. W efekcie zwiększa się stopień efektywności oddziaływania pierwiastków stopowych na obniżenie temperatury przemiany martenzytycznej. rząd: krzem (0,45), mangan (0,55), chrom (0,68), nikiel (1), węgiel lub azot (27).
Uwolnienie węglików z roztworu stałego (austenitu) powoduje zmianę w nim stężenia pierwiastków stopowych, co może spowodować częściową przemianę strukturalną i zmianę magnetyzmu, szczególnie w stopach leżących w pobliżu granicy obszarów y ~ i fazy A. Przemiana ta zachodzi głównie na granicach ziaren, gdzie roztwór stały jest najbardziej zubożony w węgiel i chrom, co powoduje, że stal jest podatna na korozję międzykrystaliczną. Taka stal poddana działaniu agresywnego środowiska szybko się niszczy, a im silniej, tym wyższa jest zawartość węgla.
Stal nierdzewna austenityczna grupy pośredniej (00X18N10, 00X17G9AN4, 0X17N5G9BA) przez krótki czas. ogrzewanie przez 5-30 minut. nie staje się bardzo podatny na korozję międzykrystaliczną. Dzięki temu spawanie można prowadzić bez ryzyka wystąpienia korozji międzykrystalicznej w miejscu złącza spawanego i w strefie termicznej. wpływ, jeśli zostanie przeprowadzony wystarczająco szybko.
Wytrzymałość stali chromowo-niklowej można znacznie zwiększyć poprzez hartowanie podczas walcowania na zimno, ciągnienia i tłoczenia. W tym przypadku Bb może osiągnąć 120 kg!mm2 dla blachy i taśmy, 0O.2 wzrasta do 100-120 kg!mm2 dla tworzywa sztucznego. właściwości spadają z 50-60% do 10-18%. Jednak ta rezerwa plastyczności jest wystarczająca do produkcji części. W przypadku drutu wzrasta do 180-260 kg!mm2. W porównaniu do stali nierdzewnej ferrytycznej i półferrytycznej
Stale chromowo-niklowe typu 18-8 (00Х18Н10, 0Х18Н10, Х18Н9, 2Х18Н9). Stosuje się stale o niskiej zawartości węgla (00Х18Н10 i 0Х18Н10) rozdz. przyr. jako drut elektrodowy do spawania. Im niższa zawartość węgla w drucie spawalniczym, tym większa korozja. trwałość spoiny. Stale Kh18N9 i 2Kh18N9 wykazują silną tendencję do korozji międzykrystalicznej nawet przez krótki czas. nagrzewanie w zakresie umiarkowanych temperatur, dlatego po zespawaniu części poddawane są hartowaniu do struktury austenitycznej. Głównie Stale X18N9 i 2X18N9 stosuje się w stanie hartowanym na zimno do produkcji części lotniczych i samochodowych o dużej wytrzymałości, łączonych za pomocą zgrzewania elektrycznego punktowego lub rolkowego.
Stal chromowo-manganowo-niklowa Kh14G14N o zawartości chromu 12-14% jest podatna na korozję międzykrystaliczną podczas spawania i po nagrzaniu w niebezpiecznym zakresie temperatur. Stosowany jest na części urządzeń, które wymagają dużej ciągliwości i właściwości niemagnetycznych. Korozja trwałość jest bliska 12-14% stali chromowych. Po hartowaniu ma wyższą wytrzymałość niż stal typu 18-8. Zadowalająco spawane ręcznie i automatycznie. zgrzewanie rolkowe i punktowe drutem dodatkowym ze stali chromowo-niklowej typu 18-8. Termiczny Obróbkę stali po spawaniu (z wyjątkiem obróbki punktowej) ustala się w zależności od zawartości węgla metodą badań kontrolnych próbek spawanych pod kątem korozji międzykrystalicznej zgodnie z GOST 6032-58.
Do produkcji konstrukcji o wysokiej wytrzymałości stosuje się stal 2Х13Г9Н4, rozdz. przyr. z profili walcowanych na zimno. taśmy. Wytrzymałość i twardość tej stali wzrasta podczas odkształcania na zimno szybciej niż w przypadku stali chromowo-niklowej typu 18-8. Dlatego przy walcowaniu na zimno taśm nie należy dopuszczać do dużych stopni odkształcenia, aby uniknąć nadmiernej utraty ciągliwości.
Stal ta niezawodnie pracuje w bardzo niskich temperaturach i jest szeroko stosowana w przemyśle spożywczym. Utrzymuje wysoki poziom mechaniczny Św. do 450°. Ma skłonność do korozji międzykrystalicznej, dlatego pełni funkcję Ch. przyr. do produkcji części, których połączenie odbywa się za pomocą zgrzewania punktowego lub rolkowego. Z tego samego powodu podczas ogrzewania przy przetwarzaniu taśm walcowanych na zimno należy stosować wyższe poziomy. tempo schładzania.
X stale rumowo-manganowo-niklowe o zawartości chromu 17-19% i dodatku azotu (X17AG14 i X17G9AN4) posiadają wysoką odporność na korozję atmosferyczną i w środowiskach utleniających. W przypadku części wytwarzanych metodą spawania łukowego, argonowego, gazowego i atomowego wodoru konieczne jest stosowanie stali o niskiej zawartości węgla (0,03-0,05%) i ścisła kontrola procesu, aby uniknąć pojawienia się tendencji do korozji międzykrystalicznej w spawach stawy. Do części wytwarzanych metodą zgrzewania punktowego lub rolkowego oraz części poddawanych szokowi termicznemu po spawaniu. obróbki, a także części pracujących w atm. warunkach można zastosować stal tego typu o wyższej zawartości węgla.
Stale chromowo-niklowe typu 18-8 z dodatkami tytanu lub niobu (Х18Н9Т, Х18Н10Т, 0Х18Н10Т, 0Х18Н12Т, 0Х18Н12Б). Dodatki tytanu lub niobu zmniejszają podatność stali na korozję międzykrystaliczną. Tytan i niob tworzą stabilne węgliki, takie jak TiC i NbC, podczas gdy chrom, który jest przydatny w zwiększaniu odporności na korozję, nie wchodzi w skład węglików i pozostaje w roztworze stałym. Tytanu wprowadza się do stali 4-5,5 razy więcej, a niobu 8-10 razy więcej niż węgla. Gdy zawartość tytanu lub niobu w stosunku do węgla znajduje się na dolnej granicy, stal nie zawsze jest odporna na korozję międzykrystaliczną, zwłaszcza w warunkach długiej żywotności części w umiarkowanych temperaturach (500-800°). Jest to spowodowane wpływem zawsze obecnego w stali azotu, który wiąże część tytanu w azotki, a także wpływem obróbki cieplnej. Przegrzanie stali podczas obróbki cieplnej obróbka (powyżej 1100°) lub spawanie uważa się za szkodliwe, szczególnie w przypadkach, gdy stosunek tytanu do węgla mieści się w dolnej granicy zgodnie ze wzorem Ti ^5 (%G -0,02). W tym przypadku stal 1Kh18N9T hartowana w temperaturach powyżej 1150° staje się podatna na korozję międzykrystaliczną. W przypadku norm reżimy termiczne. obróbce (hartowanie od 1050°) i przez krótkie okresy czasu. podczas ogrzewania konieczne jest, aby stosunek tytanu lub niobu do węgla wynosił odpowiednio co najmniej 5 i 10. Dla czasu trwania i obsługi części w temperaturze 500-750° ważne jest, aby te stosunki wynosiły co najmniej 7-10 dla tytanu i 12 dla niobu. Aby zmniejszyć podatność stali na korozję międzykrystaliczną, zaleca się znaczne zmniejszenie zawartości węgla do 0,03-0,05%. Odporność korozyjna złączy spawanych wykonanych z tego typu stali zależy od zawartości tytanu i węgla w podłożu. metal i spoina spawalnicza. Ponieważ Tytan bardzo się wypala podczas spawania, dlatego do elektrod stosuje się specjalne. powłoki zawierające tytan w postaci żelazotytanu w celu kompensacji strat tytanu w drucie dodatkowym. Najczęściej drut spawalniczy wykonany ze stali chromowo-niklowej typu 18-8 bez tytanu, ale o bardzo niskiej (^0,06%) zawartości węgla (stale 0Х18Н9 i 00Х18Н10) lub elektrody wykonane ze stali typu 18-12 z niobem (0Х18Н12Б) są używane. W złączach spawanych ze stali 1Х18Н9Т, pracujących w środowiskach zawierających azot, może wystąpić korozja nożowa na skutek zwiększonej (>0,06%) zawartości węgla w stali. Dlatego części urządzeń do produkcji kwasu azotowego wykonane są ze stali 0Х18Н10Т o zawartości węgla 0,06%. Ponadto taka stal ma wyższą ogólną odporność na korozję.
W osadzonym metalu spoiny złącza spawanego stali z tytanem, który ma budowę dwufazową (y+a), podczas długotrwałego nagrzewania w zakresie umiarkowanych temperatur (650-800°) możliwa jest przemiana -^a, nadając spoinie dużą kruchość. Aby przywrócić wytrzymałość spoiny i zwiększyć korozję. Dla trwałości zaleca się utwardzanie stabilizujące w temperaturze 850-900°. Jest również bardzo przydatny do usuwania stwardnień i eliminowania pęknięć spowodowanych korozją naprężeniową we wrzącym chlorku magnezu i innych środowiskach zawierających jony chloru.
Stal chromowo-manganowo-niklowa z dodatkiem niobu 0Kh17N5G9BA ma wyższą odporność na korozję międzykrystaliczną i wysoką korozję. wytrzymałość złączy spawanych pracujących w gazowym azocie. Stal nie posiada całkowitej odporności na korozję międzykrystaliczną przy długotrwałym działaniu niebezpiecznych temperatur, wykazuje tendencję do korozji międzykrystalicznej po długotrwałym nagrzewaniu w temperaturze 500-750° (rys. 7). W wysokich temperaturach ma w przybliżeniu takie same właściwości mechaniczne. Święci, że stale chromowo-niklowe typu 18-8.
Stal Kh14G14NZT ma wyższą wytrzymałość i wysoka ciągliwość, nie jest podatna na korozję międzykrystaliczną i może być stosowana do produkcji elementów spawanych bez późniejszej obróbki cieplnej. przetwarzanie. Mechaniczny Właściwości tej stali można poprawić poprzez walcowanie na zimno. Ogrzewanie w zakresie temperatur 500-700° nie powoduje zmiany właściwości mechanicznych. Stal nierdzewna w temperaturze pokojowej. Stal jest produkowana w postaci prętów, arkuszy i taśm i można ją dobrze spawać wszystkimi rodzajami spawania, stosując stalowy drut spawalniczy typu 18-8 bez niobu lub z niobem.
Stale chromowo-niklowo-molibdenoweХ17Н13М2Т i X 17H 13M 3T są stosowane w produkcji sprzętu do produkcji wyrobów artystycznych, nawozów, w przemyśle papierniczym, w przemyśle chemicznym. inżynieria mechaniczna i przemysł rafinacji ropy naftowej. Stale wykazują wysoką odporność na korozję wobec siarki, wrzącego fosforu, kwasu mrówkowego i octowego, a stale o dużej zawartości molibdenu – w gorących roztworach wapna bielącego. Stale o dużej zawartości węgla (>0,07%) stają się podatne na korozję międzykrystaliczną podczas spawania i powolnego chłodzenia, a także w warunkach długotrwałego nagrzewania w umiarkowanym zakresie: temperatury.
Stale chromowo-niklowo-molibdenowe są dobrze spawane przy użyciu drutu wypełniającego o tym samym składzie co materiał spawalniczy.
Stal chromowo-niklowo-molibdenowa Dzięki dodatkowi molibdenu i dużej zawartości niklu 0Х23Н28М2Т posiada wysoką odporność na korozję w rozcieńczonych roztworach kwasu siarkowego (do 20%) w temperaturze nie przekraczającej 60°C, kwasie fosforowym zawierającym związki fluoru i innych wysoce agresywnych środowiskach. Stosowany jest w częściach maszyn do produkcji wyrobów artystycznych i nawozów. Po utwardzeniu do austenitu stal charakteryzuje się umiarkowaną wytrzymałością i dużą ciągliwością, przy dobrej spawalności. Pomimo zawartości tytanu stal po krótkim czasie staje się podatna na korozję międzykrystaliczną. ogrzewanie w temperaturze 650°C, jeśli stosunek zawartości tytanu do zawartości węgla jest mniejszy niż 7.
Właściwości technologiczne nierdzewnej stali austenitycznej są w miarę zadowalające, obróbkę ciśnieniową prowadzi się w temperaturze 1150-850°, a dla stali z miedzią zakres obróbki na gorąco jest zawężony (1100-900°). Nierdzewna stal austenityczna w wysokich temperaturach jest mniej podatna na wzrost ziaren niż stale martenzytyczne i ferrytyczne. W temperaturze pokojowej N.a.s. ma wysoki współczynnik. rozszerzalność liniowa, rosnąca wraz ze wzrostem temperatury ogrzewania i zmniejszony współczynnik. przewodność cieplna. Jednakże w wysokich temperaturach różnica między a i q N.a.s. i stali ferrytycznej maleje. Dlatego ogrzewanie N.a.s. na niższym Temperatury należy przeprowadzać powoli, a przy wysokich temperaturach (powyżej 800°) – szybko.
Dosł.: Khimushin F.F., Stale nierdzewne, M., 1963; jego, „Jakość stali”, 1934, nr 4; 1935, nr 1;
XImushin F.F. i Kurova O.I., ibid., 1936, nr 6; Khimushin F.F.2 Ratner S.I., Rudbakh Z. Ya., „Steel”, 1939, nr 8, s. 25 40; Medovar B.I., Spawanie stali austenitycznych chromowo-niklowych, wyd. 2, Kijów – M., 1958; Metalurgia i obróbka cieplna stali. Directory, wyd. 2, tom 2, M., 1962;
Schaefflera
A.
L., «
Metal
Program.”, 1949,w. 56, nr 5, rz. 680;PostS. V., E, b e g 1 rW.
S., «
Przeł.
Amera. Towarzystwo Metale”, 1947, t. 39, s. 868; Sympozjum na temat natury, występowania i skutków fazy sigma, Phil., 1951 (ASTM. Special techn. publ., nr 110); Sympozjum na temat badań oceniających stali nierdzewnych, 1950 (ASTM. Publikacja technologii specjalnych, nr 93); Rosenberg S. J., D a r r J. H., „Trans. Amera. Towarzystwo Metale”, 1949, t. 41, s. 1261; K r 1 v o b o k V. N., Linkoln R. A., ibid., 1937, t. 25, nr 3.
stale dzielimy na austenityczne, austenityczno-ferrytyczne, austenityczno-martenzytyczne
www.htm
Istniejące stale i stopy austenityczne wysokostopowe wyróżniają się zawartością głównych pierwiastków stopowych – chromu i niklu oraz składem bazy stopowej. Za wysokostopowe stale austenityczne uważa się stopy na bazie żelaza z różnymi pierwiastkami w ilościach do 55%, w których zawartość głównych pierwiastków stopowych – chromu i niklu – zwykle nie przekracza odpowiednio 15 i 7%. Do stopów austenitycznych zalicza się stopy żelazowo-niklowe o zawartości żelaza i niklu powyżej 65% przy stosunku niklu do żelaza wynoszącym 1:1,5 oraz stopy niklu o zawartości niklu co najmniej 55%.
Klasyfikuje się stale i stopy austenityczne
- zgodnie z systemem stopowym,
- klasa konstrukcyjna,
- nieruchomości
- i oficjalny cel.
Stale i stopy wysokostopowe są najważniejszymi materiałami, szeroko stosowanymi w przemyśle chemicznym, naftowym, energetyce i innych do wytwarzania konstrukcji pracujących w szerokim zakresie temperatur. Ze względu na swoje wysokie właściwości mechaniczne w temperaturach ujemnych stale i stopy wysokostopowe są w wielu przypadkach stosowane jako stale odporne na zimno. Odpowiedni dobór pierwiastków stopowych decyduje o właściwościach i głównym przeznaczeniu użytkowym tych stali i stopów (tab. 1 – 3).
Cechą charakterystyczną stali odpornych na korozję jest ich niska zawartość węgla (nie więcej niż 0,12%). Przy odpowiednim dodawaniu stopów i obróbce cieplnej stale charakteryzują się wysoką odpornością na korozję w temperaturze 20°C i podwyższonych temperaturach zarówno w środowisku gazowym, jak i w wodnych roztworach kwasów, zasad i mediów ciekłych metali.
Stale i stopy żaroodporne mają wysokie właściwości mechaniczne w podwyższonych temperaturach i zdolność wytrzymywania obciążeń cieplnych przez długi czas. Aby nadać te właściwości, stale i stopy są stopowane z pierwiastkami wzmacniającymi - molibdenem i wolframem (do 7% każdy). Ważnym dodatkiem stopowym wprowadzanym do niektórych stali i stopów jest bor, który sprzyja rozdrobnieniu ziarna.
Stale i stopy żaroodporne są odporne na chemiczne niszczenie powierzchni w środowisku gazowym w temperaturach do 1100 – 1150°C. Zwykle stosuje się je do lekko obciążonych części (elementy grzejne, armatura pieców, systemy gazociągów itp.). Dużą odporność na skalę tych stali i stopów uzyskuje się poprzez dodawanie stopów aluminium (do 2,5%) i krzemu, które przyczyniają się do tworzenia mocnych i gęstych tlenków na powierzchni części, które chronią metal przed kontaktem ze środowiskiem gazowym.
Według układu stopowego stale austenityczne dzielą się na dwa główne typy: chromowo-niklowy i chromowo-manganowy. Istnieją również stale chromowo-niklowo-molibdenowe i chromowo-niklowo-manganowe.
W zależności od podstawowej struktury otrzymywanej przez chłodzenie na powietrzu wyróżnia się następujące klasy stali austenitycznych: austenityczno-martenzytyczne, austenityczno-ferrytyczne, austenityczne.
Stopy na bazie żelaza i niklu (o zawartości niklu powyżej 30%) i zasad niklu mają stabilną strukturę austenityczną i nie ulegają przemianom strukturalnym po ochłodzeniu na powietrzu. Obecnie austenityczno-borkowe Kh15N15M2BR1 (EP380), Kh25N20S2R1 (EP532), KhN77SR1 (EP615) i wysokochromowe austenityczne KhN35VYu (EP568), KhN50 (EP668) stale i stopy, których główna struktura zawiera austenit i borek lub chromowo-nikiel eutec, stosowane są również odpowiednio fazy tikowe.
Po odpowiedniej obróbce cieplnej stale i stopy wysokostopowe charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi i plastycznymi (tab. 4). W przeciwieństwie do stali węglowych, stale te po hartowaniu uzyskują zwiększone właściwości plastyczne. Struktury stali wysokostopowych są zróżnicowane i zależą nie tylko od ich składu, ale także od sposobów obróbki cieplnej, stopnia odkształcenia plastycznego i innych czynników.
Położenie obszarów fazowych na diagramach fazowych wyznacza się głównie w postaci pseudobinarnych przekrojów układów żelazo-chrom-nikiel lub żelazo-chrom-mangan (rys. 1). Stopy żelaza, chromu i niklu bezpośrednio po zestaleniu mają roztwory stałe następujących typów: α I γ i heterogeniczny obszar mieszanych roztworów stałych α + γ . Trwałość austenitu zależy od bliskości składu do granicy α - I γ -regiony Niestabilność może objawiać się po podgrzaniu do umiarkowanych temperatur i późniejszym ochłodzeniu, gdy struktura austenityczna utrwalona w wyniku szybkiego chłodzenia częściowo przekształca się w martenzytyczną. Wzrost zawartości niklu w tych stopach przyczynia się do obniżenia temperatury γ → α (M)-transformacje (ryc. 2).
Ryż. 1. Przekroje pionowe diagramów fazowych żelaza – chromu – niklu (a) i żelaza – chromu – manganu (b)
Ryż. 2. Zmiany temperatury przemiany martenzytycznej stopów żelaza, chromu i niklu w zależności od dodatku stopowego
Niestabilność objawia się podczas odkształcania na zimno, gdy stale typu 18-8 w zależności od stopnia odkształcenia zmieniają swoje właściwości magnetyczne i mechaniczne (rys. 3). Ponadto niestabilność stali austenitycznych może być spowodowana uwalnianiem węglików z roztworu stałego przy zmianie temperatury, czemu towarzyszy zmiana stężenia węgla i chromu. Powoduje to zaburzenie stanu równowagi i przemianę austenitu w ferryt i martenzyt głównie wzdłuż granic ziaren, gdzie obserwuje się największe zubożenie chromu i węgla w roztworze stałym.
Ryż. 3. Zmiana właściwości mechanicznych stali chromowo-niklowej (18% Cr, 8% Ni, 0,17% C) w zależności od stopnia odkształcenia na zimno (ściskania)
W układzie trójskładnikowym stopów żelaza, chromu i manganu, po zestaleniu, powstaje ciągły szereg roztworów stałych o γ -siatka i podczas dalszego chłodzenia, w zależności od składu stopu, zachodzą różne przemiany alotropowe. Mangan jest jednym z pierwiastków, który się rozszerza γ - powierzchni i pod tym względem jest podobny do niklu. Przy wystarczającej zawartości manganu (>15%) i chromu (<15%) сталь может иметь однофазную аустенитную структуру. Сопоставление фазовых диаграмм систем железо – хром – никель и железо – хром – марганец при высоких температурах и 20°С показывает, что аустенитная фаза в системе с никелем имеет значигельно большую площадь.
Podczas krystalizacji stali chromowo-niklowych najpierw zaczynają wypadać ze stopu kryształy ferrytu chromowo-niklowego, który ma siatkę żelazną δ (rys. 4). Podczas ochładzania kryształy δ-ferrytu tworzą austenit chromowo-niklowy, który ma siatkę γ -żelazo, a stal uzyskuje strukturę austenityczną. Węgiel w stalach austenityczno-ferrytycznych i austenitycznych w temperaturach powyżej linii SE występuje w roztworze stałym i w postaci faz śródmiąższowych. Powolne chłodzenie stali poniżej linii SE prowadzi do uwolnienia węgla z roztworu stałego w postaci związku chemicznego – węglików chromu typu Cr 23 C 6, zlokalizowanego głównie wzdłuż granic ziaren. Dalsze chłodzenie poniżej linii SK sprzyja wytrącaniu się ferrytu wtórnego wzdłuż granic ziaren. Zatem po powolnym schłodzeniu do 20°C stal ma strukturę ustenityczną z wtórnymi węglikami i ferrytem.
Ryż. 4. Pseudobinarny diagram fazowy w zależności od zawartości węgla dla stopu 18% Cr, 8% Ni, 74% Fe
Podczas szybkiego chłodzenia (hartowania) rozkład roztworu stałego nie ma czasu na wystąpienie, a austenit utrwala się w stanie przesyconym i niestabilnym.
Ilość wytrąconych węglików chromu zależy nie tylko od szybkości chłodzenia, ale także od ilości węgla w stali. Gdy jego zawartość jest mniejsza niż 0,02 - 0,03%, tj. poniżej granicy jego rozpuszczalności w austenicie, cały węgiel pozostaje w roztworze stałym. W niektórych kompozycjach stali austenitycznych przyspieszone chłodzenie może prowadzić do utrwalenia pierwotnego δ-ferrytu w konstrukcji, zapobiegając pęknięciom na gorąco.
Zmiana zawartości pierwiastków stopowych w stali wpływa na położenie obszarów fazowych. Chrom, tytan, niob, molibden, wolfram, krzem, wanad, jako ferrytory, przyczyniają się do pojawienia się składnika ferrytycznego w konstrukcji stalowej. Nikiel, węgiel, mangan i azot utrzymują strukturę austenityczną. Jednakże głównymi pierwiastkami stopowymi w rozważanych stalach są chrom i nikiel. W zależności od ich stosunku stale dzieli się czasami na stale o małej (%Ni/%Cr)≤1 i dużej (%Ni/%Cr)>1 rezerwie austenitycznej.
W austenitycznych stalach chromowo-niklowych stopowych z tytanem i niobem powstają nie tylko węgliki chromu, ale także węgliki tytanu i niobu. Gdy zawartość tytanu Ti > [(%C–0,02)*5] lub niobu Nb > (%C*10) cały wolny węgiel (powyżej granicy jego rozpuszczalności w austenicie) może zostać uwolniony w postaci tytanu lub niobu węgliki, a stal austenityczna nie staje się podatna na korozję międzykrystaliczną. Wytrącanie węglików zwiększa wytrzymałość i zmniejsza właściwości plastyczne stali. Tę właściwość węglików wykorzystuje się do hartowania węglikowego stali żaroodpornych, prowadzonego w połączeniu z hartowaniem międzymetalicznym cząstkami Ni 3 Ti; Ni 3 (Al, Ti), Fe 2 W, (N, Fe) 2 Ti itp. Do związków międzymetalicznych zalicza się również fazę σ, która powstaje w stalach chromowo-niklowych podczas długotrwałego ogrzewania lub powolnego chłodzenia w temperaturach poniżej 900 - 950°C. Ma ograniczoną rozpuszczalność w α - I γ -roztwory stałe i uwalniając się głównie wzdłuż granic ziaren, wzmacniają stop i jednocześnie znacznie zmniejszają właściwości plastyczne i udarność metalu. Podwyższona zawartość chromu (16–25%) i pierwiastków ferrytycznych (molibdenu, krzemu itp.) w stali przyczynia się do powstawania fazy σ w temperaturze 700–850°C. Oddzielenie tej fazy następuje głównie z utworzeniem fazy pośredniej w postaci ferrytu ( γ →α→ σ ) lub transformacja δ-ferrytu (δ → σ ). Jednakże możliwe jest również wyizolowanie go bezpośrednio z roztworu stałego ( γ → σ ).
W stalach chromowo-manganowych o dużej zawartości chromu i manganu wytrącanie obserwuje się także podczas powolnego chłodzenia. σ -fazy. Węgiel występujący w stalach chromowo-manganowych i chromowo-manganowo-niklowych powoduje utwardzanie dyspersyjne stali po odpowiedniej obróbce cieplnej, zwłaszcza w połączeniu z pierwiastkami węglikotwórczymi (wanadem, niobem i wolframem).
Wzmocnienie austenitycznych stali borkowych następuje głównie w wyniku powstawania borków żelaza, chromu, niobu, węgla, molibdenu i wolframu. Zgodnie z tymi procesami stale austenityczne dzieli się w zależności od rodzaju hartowania na węglikowe, borkowe i międzymetaliczne. Jednak w większości przypadków, ze względu na zawartość dużej liczby różnych pierwiastków stopowych w stalach i stopach, ich wzmocnienie następuje na skutek złożonego wpływu faz rozproszonych i wtrąceń międzymetalicznych.
Tabela 1. Skład niektórych odpornych na korozję stali i stopów austenitycznych,%
Tabela 2. Skład niektórych żaroodpornych stali i stopów austenitycznych,%
Tabela 3. Skład niektórych żaroodpornych stali i stopów austenitycznych,%
Tabela 4. Typowe właściwości mechaniczne niektórych gatunków wysokostopowych stali i stopów austenitycznych i austenityczno-ferrytycznych
E. G. NAZAROV, S. B. MASLENKOV
TSNIICHERMET
ISSN 0026-0819. „Metaloznawstwo i obróbka cieplna metali”, nr 3, 1970
Obróbka cieplna wpływa na strukturę (wielkość ziaren, wielkość bloku, wielkość i ilość faz rozproszonych, charakter ich rozmieszczenia), a także kształtuje stan granic ziaren i ukierunkowane uwalnianie faz wzmacniających, co znacząco podnosi właściwości cieplne odporne materiały.
Obróbkę mechaniczną zwykle poprzedza obróbkę cieplną, ale często stosuje się ją po obróbce cieplnej, a także przed i po niej.
Części i półprodukty poddawane są obróbce cieplnej przed eksploatacją, ale czasami (w całości lub w części) podlegają obróbce w trakcie eksploatacji.
Austenityczne stale i stopy utwardzane wydzieleniowo poddawane są różnym rodzajom obróbki cieplnej: wyżarzaniu, hartowaniu, odpuszczaniu (starzenie lub utwardzanie wydzieleniowe) i odpuszczaniu odprężającemu.
Podczas obróbki skrawaniem lub innych operacji metal staje się kruchy. Aby wyeliminować kruchość i zmniejszyć twardość stopów, stosuje się wyżarzanie. Podczas wyżarzania stopy nagrzewa się do wysokich temperatur ~1000-1250°C (w zależności od składu chemicznego stopu), przetrzymuje od 0,5 do kilku godzin (w zależności od masy przedmiotu lub części) i schładza z największą możliwą prędkością . W przypadku stopów mniej stopowych dozwolone jest chłodzenie w wodzie, ale w przypadku wysokostopowych stopów złożonych preferowane jest chłodzenie powietrzem w oleju i innych łagodnych środkach chłodzących, ponieważ chłodzenie w wodzie może prowadzić do pęknięć termicznych.
Aby uzyskać wysokie właściwości wytrzymałościowe i odporność cieplną, stale i stopy żaroodporne poddawane są podwójnej obróbce polegającej na hartowaniu i późniejszym starzeniu.
W przypadku rozpatrywanych stopów operacja hartowania różni się efektem od hartowania stali węglowych i ma na celu rozpuszczenie węglika i faz międzymetalicznych w roztworze stałym, tj. w celu uzyskania jednorodnego roztworu stałego o minimalnej twardości. W USA i Anglii hartowanie zwykłych stali węglowych nazywane jest „hartowaniem”, czyli uzyskiwaniem twardości; hartowanie stopów żaroodpornych nazywane jest „obróbką roztworową”, tj. przetwarzaniem w (stały) roztwór.
W przypadku wszystkich żaroodpornych stali i stopów utwardzanych dyspersyjnie, temperatura ogrzewania podczas hartowania jest w przybliżeniu taka sama jak temperatura wyżarzania.
Trzymając w wysokich temperaturach, nadmiar faz rozpuszcza się w roztworze stałym i uzyskuje się ziarna o wymaganej wielkości. Wielkość ziaren stali i stopów zależy od temperatury ogrzewania i czasu przetrzymywania.
Często po hartowaniu zaleca się szybsze chłodzenie, aby zapobiec wytrąceniu się nadmiaru faz. Jednak, jak zostanie pokazane poniżej, nie jest to konieczne, szczególnie przy obróbce złożonych stopów austenitycznych, w których już przy stosunkowo szybkim chłodzeniu następuje hartowanie katatermiczne, czyli wydzielanie faz wzmacniających po ochłodzeniu z wysokiej temperatury. Proces ten zależy od tendencji stopów do utwardzania dyspersyjnego, dlatego konieczne jest zatrzymanie się nad tym ważnym zjawiskiem.
Hartowanie dyspersyjne lub starzenie stali i stopów może mieć charakter: anatermiczny, katatermiczny i izotermiczny. Starzenie diatermiczne zachodzi w procesie nagrzewania stali lub stopu w stale rosnącej temperaturze, starzenie katatermiczne zachodzi w procesie chłodzenia stali lub stopu w stale malejącej temperaturze. Starzenie izotermiczne zachodzi w stałej temperaturze
Istnieją stopy słabo, średnio i silnie utwardzające się dyspersyjnie. Nie ma między nimi ostrego rozróżnienia, jednak łatwo wyodrębnić te grupy stopów na podstawie intensywności procesów utwardzania dyspersyjnego. Zgodnie z tą zasadą, po raz pierwszy w pracy, a później w pracy, stopy utwardzalne dyspersyjnie podzielono na trzy grupy.
Stale o wysokiej utwardzalności wydzieleniowej i stopy są na ogół skutecznie wzmacniane w wyniku hartowania podczas starzenia katatermicznego. Stopy te zawierają 5-7% lub więcej fazy wzmacniającej. Dodatkowe starzenie tych stopów powoduje niewielki lub prawie żaden wzrost twardości i wytrzymałości, np. takich stopów jak: NH35VTYu (EI787), EI929, EI867, Yudimet 700, Nin-109, Nin-115 itp. Skład chemiczny stopy podano w tabeli. 3 i 4.
Stopy średnio utwardzalne dyspersyjnie ulegają wzmocnieniu podczas starzenia katatermicznego i w większym stopniu podczas starzenia izotermicznego. Stopy te KhN35VT (EI612), EI612K, KhN35VTR (EI725), EP164, A-286, Discaloy-24 zawierają 2-5% fazy wzmacniającej.
Stopy słabe lub o niskiej dyspersji utwardzającej się są wzmacniane jedynie podczas sztucznego starzenia izotermicznego. Te stale i stopy nie podlegają starzeniu katatermicznemu i zawierają niewielką ilość fazy wzmacniającej (do 2%). Do tej grupy należą stopy: EI813, Kh25N16G7AR (EI835), EI435, Nim-75, V-480S itp.
Zatem nie ma potrzeby zapewnienia szybkiego chłodzenia stopów po nagrzaniu w wysokiej temperaturze. Niezbędne wzmocnienie stopów tej lub innej grupy można osiągnąć w wyniku naturalnego starzenia katatermicznego lub sztucznego starzenia izotermicznego lub wreszcie w wyniku ich kombinacji.
Podwójne utwardzanie. W przypadku niektórych stopów, zwłaszcza zawierających znaczną ilość fazy wzmacniającej, najlepszą kombinację właściwości mechanicznych uzyskuje się po podwójnym hartowaniu (normalizacji). Pierwsza normalizacja w wysokiej temperaturze (1170-1200 °C) zapewnia utworzenie jednorodnego roztworu stałego i stosunkowo grubych ziaren, które przyczyniają się do najwyższej odporności na pełzanie. Druga normalizacja niskotemperaturowa (1000-1100°C) prowadzi do przeważającego wytrącania węglików wzdłuż granic ziaren i powstawania fazy wzmacniającej o różnym rozproszeniu. Większe wytrącenia fazy γ' powstają podczas chłodzenia od 1050°C w powietrzu. W przypadku wielu stopów - KhN70VMTYu (EI617), EI929, KhN35VTYu (EI787), serii „Nimonic” - po podwójnej normalizacji, a następnie starzeniu, właściwości żaroodporne i plastyczne znacznie się zwiększają.
Utwardzanie dyspersyjne (starzenie). Aby uzyskać wysokie właściwości wytrzymałościowe, prawie wszystkie stopy żaroodporne poddawane są przed użyciem utwardzaniu dyspersyjnemu (oddzielenie faz rozproszonych od roztworu stałego). Skład i charakter faz wzmacniających determinują reżimy temperaturowe starzenia danego stopu.
Stopy żaroodporne na bazie niklowo-chromowej, żelazowo-niklowo-chromowej i kobaltowo-niklowo-chromowej zawierają:
a) węgliki pierwotne (TiC, VC, TaC, ZrC, NbC itp.), posiadające bardzo wysoką temperaturę dysocjacji;
b) węgliki wtórne (M 23 C 6; M 6 C; M 7 C 3), uwolnione z roztworu stałego. Węglik M 23 C 6 powstaje w stopach zawierających 5% Cr lub więcej;
c) główne wzmacniające międzymetaliczne fazy γ’ (Ni 3 Ti, Ni 3 Al, Ni 3 Nb itp.). Dzięki drobnemu rozproszeniu tych faz i spójności z roztworem stałym stopy podczas ich tworzenia uzyskują maksymalną odporność cieplną.
Stale i stopy hartowane węglikami są stosowane w niższych temperaturach niż stopy utwardzane międzymetalicznie. Węgliki są mniej rozproszone, bardziej podatne na koagulację i mniej równomiernie rozmieszczone w osnowie stopu niż fazy γ'. Aby jednak uzyskać średnią odporność cieplną, wystarczy jedno wzmocnienie węglikowe. Fazy węglikowe dodatkowo wzmacniają stopy, które utwardzają się w wyniku wytrącania fazy γ'.
Morfologia cząstek faz γ' i węglików w dużej mierze zależy od obróbki cieplnej i czasu jej trwania oraz reguluje właściwości stopów. Czas trwania ekspozycji termicznej prowadzi do zwiększenia wielkości cząstek fazy γ’ i powoduje reakcje zachodzące głównie na granicach ziaren. Aby zrozumieć procesy zachodzące w stopach podczas obróbki cieplnej i przewidzieć ich właściwości podczas długotrwałej eksploatacji, bardzo ważna jest znajomość dokładnego składu fazy γ' w dowolnej temperaturze i różnych czasów przetrzymywania w tej temperaturze, a także skład chemiczny stałego roztworu matrycy. Szybkości przemian faz węglikowych i międzymetalicznych oraz ich reakcje można dodatkowo ocenić wykorzystując dane z kinetyki zmian twardości oraz właściwości fizycznych i mechanicznych. W najpopularniejszych, żaroodpornych stopach na bazie niklu zawierających chrom i kobalt, stopowych z aluminium, tytanem i molibdenem, reakcje przemian można wyrazić równaniem: SM+γ→ M 6 S+γ+γ’+ SM, Gdzie M pierwiastki: Cr, Ti, Ta i inne; M'- te same elementy węglikotwórcze jak w M. Według tej pracy, około połowa ilości węgla pozostaje w węglikach SM, które tradycyjnie nazywaliśmy SM; faza γ’ (Ni 3 M) - związek nadmiaru tytanu i aluminium w stałym roztworze γ z niklem.
Węgliki M 6 S powstają w temperaturze 980-1150°C podczas reakcji węglika SM→M 23 S 6 zachodzi w temperaturze 760-980°C. Ustalono, że jeśli stop zawiera molibden i wolfram w ilości >6%, to węgliki będą uwalniane głównie w postaci M 23 S 6 wskazuje się jednak, że przepis ten wydaje się niedokładnie uzasadniony. Zależy to oczywiście od zawartości węgla.
Badania przeprowadzone na stopie V-1900 ustaliły reakcje zachodzące w nim po obróbce cieplnej (1080°C 4 H, powietrze+899°C 10 H, powietrze) oraz podczas długotrwałego starzenia do 2400 H w temperaturze 980°C. Wyraża się je równaniem:
SM + γ + γ’ → M 6 S+ γ + reszta γ’.
Węgliki SM (A= 4,37 Å) są bogate w tytan i tantal oraz węgliki M 6 S (A= 11,05 Å) są bogate w molibden, nikiel i kobalt. Węgliki M 6 S występują w dwóch postaciach: kulistej i blaszkowatej. Z biegiem czasu kuleczki i płytki węglików stają się większe. Wydzielenia fazy γ' mają początkowo kształt kulisty, następnie faza γ' pojawia się w postaci płytek, z czasem w wysokich temperaturach rosną, aglomerują i wydłużają się. Jednocześnie wydzielenia fazy γ' otaczają wszystkie węgliki i granice ziaren w postaci otoczki. Przyłożenie napięcia znacznie przyspiesza proces przejścia węglika SM w węgliki M 6 S i zmiany międzymetaliczne. W stopach o większej zawartości chromu powstają głównie węgliki M 23 S 6.
Szybkość reakcji przemiany fazy γ' jest większa, gdy naprężenia przykładane są podczas ekspozycji na ciepło, niż wtedy, gdy naprężenia uzyskiwano wcześniej. Naprężenia prowadzą do selektywnych procesów wydzieleń i przemian oraz przyczyniają się do pogrubienia granic ziaren, powodując wydłużenie i koalescencję faz wzmacniających, co wykazano w pracach. Pogrubienie ziarna pozwala na przyspieszenie reakcji przemian węglików i faz międzymetalicznych zachodzących w strefach granicznych. Na przykład pojawienie się wysokotemperaturowej fazy lamelarnej w stopach jest wykrywane znacznie wcześniej w stopach gruboziarnistych.
W pracy ustalono powstawanie fazy międzymetalicznej Ni 2 -Al, Ti w stopie 15 Cr-25 Ni-3 Al-2.5 Ti wraz z fazą γ’ Ni 3 (Al, Ti). Faza Ni 2 Al, Ti powstaje podczas starzenia w temperaturze 700°C i ma postać płytek, których wielkość zwiększa się wraz z upływem czasu. Faza ta uwalniana jest głównie w obszarach wolnych od fazy γ’, a także wzdłuż granic ziaren. Jest niespójny z roztworem stałym, dlatego mikropustki przed zniszczeniem stopu tworzą się głównie w pobliżu jego wydzieleń.
Fazy Lavesa(AB 2) - stopy nieznacznie wzmacniają ze względu na ich niespójność z roztworem stałym i niestabilność termiczną. Jednak w obecności fazy γ’ w strukturze fazy Lavesa pozwalają, ze względu na nieodłączny czas inkubacji opadów atmosferycznych, wydłużyć żywotność stopów w temperaturach nie wyższych niż 750°C.
Fazy borkowe- typ M 3 O 2, M 3 W, M 5 Pięć różnych stopów boru ma złożony skład chemiczny. Przykładowo w tej pracy takie fazy odpowiadają związkowi (Mo 0,5 Cr 0,25 Ti 0,15 Ni 0,10) 3 B 2
W zależności od obecności określonych faz i stanu stopu (odlew, odkształcony) zalecane są tryby utwardzania dyspersyjnego. Temperatura starzenia nie powinna powodować rozpuszczania faz wzmacniających i koagulacji lub koalescencji. Choć w niektórych przypadkach, aby uzyskać pożądane właściwości, konieczne jest celowe zastosowanie wysokich temperatur, powodujących koagulację cząstek i uwolnienie ich w postaci mniej rozproszonej. Typowo starzenie stopów z hartowaniem węglikowym przeprowadza się w temperaturze 600-800°C, z hartowaniem międzymetalicznym w temperaturze 700-1000°C, w zależności od ilości i składu faz nadmiarowych. Wraz ze wzrostem ilości fazy wzmacniającej (suma tytanu i aluminium) w stopach wzrasta również temperatura starzenia (patrz rys. 1). Stopy zawierające więcej niż 8% (Ti+Al) podgrzewa się jedynie do 1050-1200°C i schładza na powietrzu. W wyniku starzenia katatermicznego takie stopy uzyskują maksymalne utwardzenie (na przykład stopy ZhS6-K i EI857). Stopy Rene 100 i IN-100 zawierające 9–10,5% (Ti+Al) starzone są w temperaturze ~1000°C, ale zasadniczo jest to drugie utwardzanie, a nie starzenie. Wydaje się, że dla takich stopów to starzenie wysokotemperaturowe jest niepotrzebne, są one jeszcze bardziej podatne na starzenie katatermiczne i dla nich chłodzenie powietrzem od temperatur normalizacyjnych jest w zupełności wystarczające, jak pokazano na przykład na rysunku dla stopu IN-100
Ryc.1.
Tryby starzenia można zmieniać w zależności od wymaganych właściwości stopu. Istnieją etapowe systemy starzenia - podwójne i bardziej złożone, ale nie są one zbyt praktyczne. W przypadku krótkotrwałej, a zwłaszcza długotrwałej żywotności, stosowanie wielostopniowych trybów starzenia jest całkowicie nieuzasadnione, ponieważ powstałe struktury w procesie złożonej obróbki cieplnej nieuchronnie zmieniają się w warunkach długotrwałej eksploatacji, pod wpływem wpływ temperatury i obciążenia. Procesy starzenia stopów zachodzą niezależnie od początkowego stanu strukturalnego. Cząsteczki fazy wzmacniającej koagulują, łączą się, a cząstki niestabilne rozpuszczają się w roztworze stałym, następuje wielokrotne uwalnianie nowych, bardziej zrównoważonych (na tym etapie) cząstek, procesy te zachodzą jednocześnie. W zależności od warunków temperaturowych może dominować ten lub inny proces. Po ekspozycji (zwykle od 4 do 16 H) w temperaturach starzenia stopy są chłodzone na powietrzu.
Typowe tryby obróbki cieplnej stopów obcych przedstawiono w tabeli. 1. i dla domowych - w tabeli. 2. Składy chemiczne tych stopów podano w tabeli. 3 i 4. Należy zauważyć, że prawie nigdy nie stosujemy wyżarzania dla tych stopów, a wyżarzanie od hartowania (normalizacja) różni się bardzo niewiele (patrz tabela 1).
Tabela 1
| Stop | Wyżarzanie | Leczenie roztworem stałym | Pośrednie starzenie się | Ostateczne starzenie się | ||||
| Temperatura w °C | Czas w H | Temperatura w °C | Czas w H | Temperatura w °C | Czas w H | Temperatura w °C | Czas w H | |
| Inconel-600 | 1038 | 1/4..1/2 | 1120 | 2 | — | — | — | — |
| Inconel-625 | 925..1038 | 1 | 1090..1200 | 1 | — | — | — | — |
| Inconel-700 | 1200 | 2 | 1180 | 2 | — | — | 870 | 4 |
| Inconel-718 | 955 | 1 | 955 | 1 | 732 | 8 | 720 | 8 |
| Inconel X-750 | 1038..1090 | 1/2..3/4 | 1150 | 2 | 845 | 24 | 700 | 20 |
| Nim-80A | 1080 | 2 | 1080 | 2 | — | — | 700 | 16 |
| Nim-90 | 1080 | 2 | 1080 | 2 | — | — | 700 | 16 |
| Rene-41 | 1080 | 2 | 1080 | 2 | — | — | 760 | 16 |
| Udimet-500 | 1080 | 4 | 1080 | 4 | 845 | 24 | 760 | 16 |
| Udimet-700* | 1138 | 4 | 1120..1175 | 4 | 870+ | 8 | 650+ | 24 |
| — | — | — | — | +985 | 4 | +760 | 8 | |
| Waspaloy | 1010 | 4 | 1080 | 4 | 845 | 24 | 760 | 16 |
| Inconel-713* | — | — | 1150..1175 | 2 | — | — | 930..995 | 4..16 |
| Inconel-713C* | — | — | 1150..1175 | 2 | — | — | 930..995 | 4..16 |
| IN-100* | — | — | 1150..1175 | 2 | — | — | 930..995 | 4..16 |
| *Stopy odlewnicze | ||||||||
Tabela 2
| Stop | 1. hartowanie | 2. hartowanie | Ostateczne starzenie się | |||
| Temperatura w °C | Czas w H | Temperatura w °C | Czas w H | Temperatura w °C | Czas w H | |
| EI435 | 980..1020 | 0,5 | — | — | — | — |
| ХН77TYUR | 1080 | 8 | — | — | 700..750 | 16 |
| ХН70ВМТУ | 1200 | 2 | 1050 | 4 | 800 | 16 |
| ХН35ВТУ | 1180 | 2,5 | 1050 | 4 | 750..800 | 16 |
| EI445R | 1200 | 4..6 | — | — | 850 | 15..20 |
| EI893 | 1160 | 2 | — | — | 800 | 12 |
| EI929 | 1220 | 2 | 1050 | 4 | 850 | 8 |
| EI867 | 1220 | 4..10 | — | — | 950 | 8 |
| EN867* | 1180 | 6 | 1000 | 8 | 850 | 16 |
| EI661 | 1200 | 10..15 | 950..1050 | 5..8 | — | — |
| ZhS6K | 1200 | 4 | — | — | — | — |
| * Pośrednie starzenie w temperaturze 900°C 8 H. | ||||||
Tabela 3
| Stopień stopu | Zawartość elementu w % | ||||||||
| C | Kr | Współ | Pon | Uwaga | Ti | Glin | Fe | Inne elementy | |
| Inconel-600 | 0,04 | 15 | — | — | — | — | — | 7 | — |
| Inconel-700 | 0,12 | 15 | 30 | 3 | — | 2,2 | 3,2 | 1 | — |
| Inconel-718 | 0,04 | 19 | — | 3 | 5 | 0,8 | 0,6 | 18 | — |
| Inconel X-750 | 0,04 | 15 | — | — | 1 | 2,5 | 0,9 | 7 | — |
| Nim-80A | 0,08 | 20 | 1 | — | — | 2,3 | 1,3 | 3 | — |
| Nim-90 | 0,08 | 20 | 18 | — | — | 2,5 | 1,5 | 3 | — |
| Rene-41 | 0,08 | 19 | 11 | 10 | — | 3 | 1,5 | 2 | 0,005B |
| Udimet-500 | 0,08 | 18 | 18 | 4 | — | 3 | 2,9 | 0,5 | 0,004 B |
| Udimet-520 | 0,05 | 19 | 12 | 6 | — | 3 | 2 | 0,5 | 0,005 V; 1 W |
| Udimet-700 | 0,15 | 15 | 19 | 5 | — | 3,5 | 4,5 | 0,5 | 0,05B |
| Waspaloy | 0,10 | 20 | 14 | 4 | — | 3 | 1,3 | 0,75 | 0,004 B; 0,06 Zr |
| Inconel-713 | 0,12 | 13 | — | 4,5 | 2 | 0,6 | 6 | 0,5 | — |
| Inconel-713 C | 0,06 | 12 | 1,5 | 4,5 | 2 | 0,6 | 6 | 0,3 | — |
| IN-100 | 0,15 | 10 | 14 | 3 | — | 5 | 5,5 | — | 0,015 V; 0,06 Zr; 1,0 V |
| B-1900 | 0,10 | 8 | 10 | 6 | — | 1,0 | 6 | — | 0,015 V; 0,08 Zr; 4,5 Ta |
Tabela 4
| Stopień stopu |
|
|||||||||
| C | Kr | Współ | Pon | W | Ti | Glin | Fe | B | Inne elementy | |
| EI435 | 0,10 | 20 | — | — | — | 0,30 | 0,10 | 1 | — | — |
| ХН77TYUR | 0,05 | 20 | — | — | — | 2,5 | 0,8 | 1 | 0,01 | 0,10 Ce |
| ХН70ВМТУ | 0,10 | 15 | — | 3 | 6 | 2,1 | 2,1 | do 5 | 0,02 | 0,02 Ce; 0,3 V |
| ХН35ВТУ | 0,05 | 15 | — | — | 3 | 3 | 1,2 | ~40 | 0,03 | 0,02 Ce |
| EI445R | 0,05 | 18 | — | 4,5 | 4,5 | 2,5 | 1,2 | 1 | 0,01 | 0,02 Ce |
| EI893 | 0,05 | 15 | — | 5 | 10 | 1,4 | 1,4 | 1 | 0,01 | 0,02 Ce |
| EI929 | 0,06 | 10,5 | 15 | 5 | 6 | 1,7 | 4 | — | — | 0,1 Ba; 0,5 V |
| EI867 | 0,06 | 9,5 | 5 | 10 | 5 | — | 4,5 | — | 0,02 | — |
| ZhS6-K | 0,15 | 11,5 | 4,5 | 4 | 5 | 2,8 | 5,5 | 1 | 0,02 | — |
Temperatura hartowania za granicą jest niższa, a czas wytrzymywania znacznie krótszy (prawie 2 razy) niż temperatura hartowania stosowana w ZSRR. W rezultacie stopy zagraniczne są drobnoziarniste niż te stosowane w naszym kraju. Drugie hartowanie nie jest stosowane za granicą, natomiast w naszym kraju jest z powodzeniem stosowane do wielu stopów.
Podane w tabeli. Typowe tryby obróbki cieplnej 1 i 2 można zmieniać w zależności od wymagań. Wiadomo, że stopy o grubych ziarnach, otrzymane przez ogrzewanie do wysokich temperatur, mają wyższą odporność na pełzanie niż stopy drobnoziarniste. Stopy gruboziarniste (2-3 punkty) mają również znacznie wyższą wytrzymałość długoterminową w wysokich temperaturach. Natomiast w przypadku umiarkowanie wysokich temperatur (600-700°C) stopy o średnim uziarnieniu 4-5 punktów mają wyższą odporność cieplną. Struktura drobnoziarnista, ze względu na wyższą energię powierzchniową rozgałęzionych granic ziaren, jest bardziej niestabilna, zwłaszcza w podwyższonych temperaturach pracy, dlatego wielkość ziaren stopów żaroodpornych, zwłaszcza przeznaczonych do długotrwałej pracy, musi odpowiadać 3 -4 punkty w skali standardowej. Taka wielkość ziaren jest powszechna po podgrzaniu do temperatury 1100-1120°C, a w przypadku stopów złożonych w temperaturze 1150-1170°C.
Za granicą większość stopów przemysłowych jest podgrzewana w tych temperaturach.
Aby uzyskać wysokie właściwości wytrzymałościowe w temperaturze pokojowej i niskiej (~550°C), należy przeprowadzić normalizację w temperaturze 950-1050°C i starzenie w niższych temperaturach, w efekcie czego stopy będą drobnoziarniste (5-6 pkt. ), wzmocniony drobno zdyspergowanymi fazami wydzieleń γ.
Zatem wybór trybu obróbki cieplnej zależy od wymaganych właściwości mechanicznych. W przypadku stosowania stopów silnie utwardzalnych dyspersyjnie do pracy w temperaturach przekraczających zakres temperatur utwardzania dyspersyjnego (na przykład 900-950°C), poddaje się je tylko jednej normalizacji. Po podgrzaniu do temperatur roboczych, w procesie nagrzewania następuje intensywne utwardzanie stopów (starzenie anatermiczne), uzyskują one maksymalne utwardzenie w strefie temperatury roboczej i przez pewien czas z powodzeniem wytrzymują obciążenia. Jednak te same stopy, wstępnie starzone, mają mniejszą odporność na temperatury i obciążenia, a przez to są mniej wydajne. Stopy słabo utwardzalne dyspersyjnie (EI813, EI435, Inconel-600 itp.) Nie podlegają starzeniu, ponieważ ich utwardzanie dyspersyjne ma niewielki wpływ i występuje podczas pracy. Aby zapewnić długoterminową stabilność stopów, konieczna jest umiarkowana zawartość faz wzmacniających w ich strukturze (tj. stosowanie stopów średnio utwardzalnych dyspersyjnie). Bardzo ważne jest uzyskanie równomiernego i maksymalnego rozdzielenia drobno zdyspergowanych faz międzymetalicznych i węglikowych, co zapewniono dzięki stopniowym trybom przetwarzania. Stopniowe reżimy starzenia, choć prowadzą do utraty właściwości wytrzymałościowych, znacznie podwyższają właściwości plastyczne i zmniejszają skłonność stopów do kruchości termicznej. Jednak późniejsze eksperymenty wykazały niewłaściwość tej metody. Zatem w przypadku stopu silnie utwardzającego się dyspersyjnie KhN35VTYu (EI787) badano złożone programy obróbki cieplnej jednocześnie z najprostszym, obejmującym tylko jedno starzenie w temperaturze 750°C. Skłonność do kruchości termicznej oceniano przy ekspozycji do 10 000-20 000 H i temperatura 700°C. Wyniki (tab. 5) pokazują, że niezależnie od złożoności wstępnego reżimu obróbki cieplnej, stop staje się kruchy. Zwiększenie liczby etapów odpuszczania lub czasu przetrzymywania wpływa jedynie na początkowe wartości udarności. W procesie starzenia maleje, a w mniejszym stopniu po obróbce cieplnej polegającej na samym starzeniu.
Jak wskazano wcześniej, procesy separacji dyspersji, koalescencji i rozpuszczania termodynamicznie niestabilnych cząstek drugiej fazy zachodzą w sposób ciągły. Procesy te zachodzą regeneracyjnie, cykl po cyklu jest powtarzany, zatem niezależnie od stopnia wstępnego starzenia stopu i skomplikowanych procesów obróbki cieplnej, pod wpływem długotrwałej ekspozycji na ciepło zmieni on swoje właściwości i stanie się kruchy w wyniku ciągłego uwolnienie cząstek fazy wzmacniającej i zmiany stanu strukturalnego.
Należy skupić się na oryginalnym i prostym sposobie obróbki cieplnej utwardzanych dyspersyjnie stopów odkształcanych na gorąco lub na zimno, który polega na jednokrotnym starzeniu (bez hartowania wstępnego).
Tryb ten pozwala uzyskać najlepsze właściwości wytrzymałościowe i ciągliwość w szerokim zakresie temperatur, a także najwyższą odporność cieplną i odporność zmęczeniową w temperaturach do 750°C. Dodatkowo tryb ten zapewnia lepszą odporność na kruchość termiczną i niewrażliwość na przecięcia. Na niektórych stopach przetestowano proces przetwarzania polegający wyłącznie na starzeniu i z powodzeniem wprowadzono go do produkcji. Nie ma jeszcze informacji na temat stosowania takich reżimów za granicą.
Kolejnym ważnym warunkiem zapewnienia długotrwałej stabilności stopów jest osiągnięcie wysokiej stabilności termicznej faz wzmacniających. Osiąga się to poprzez komplikowanie składu faz wzmacniających, poprzez wprowadzenie do stopu pierwiastków, które są częściowo zawarte w składzie wzmacniającej fazy γ’. Najbardziej efektywne wzmacniające fazy γ – Ni 3 Al i Ni 3 Ti oraz ich kombinacja – Ni 3 (A1, Ti) mogą być komplikowane przez: niob, tantal, cynę, krzem, magnez, beryl, ruten, molibden i inne pierwiastki zapewniające utwardzanie dyspersyjne stopów niklu. Spośród nich szczególnie interesujące są pierwiastki o nieco większej średnicy atomowej, takie jak cyna.
Średnice atomowe niektórych pierwiastków tworzących fazy typu γ’ z niklem są następujące:
Łagodzenie stresu. Odpuszczanie jest często stosowane w celu złagodzenia naprężeń i ustabilizowania wymiarów części. Naprężenia wewnętrzne mogą powstać w wyniku obróbki skrawaniem, spawania lub podczas pracy. Gotowe wyroby ze stopów żaroodpornych odpuszczane są w temperaturze 400-700°C z ekspozycją zależną od wymiarów produktu; po wakacjach powolne schładzanie. W wyższych temperaturach odpuszczania zaczynają zachodzić procesy starzenia, a dla wielu stopów odpuszczanie można łączyć ze starzeniem konwencjonalnym, dlatego też jako obróbkę końcową przed eksploatacją wskazane jest przeprowadzenie starzenia, które pozwoli na całkowite usunięcie naprężeń wewnętrznych.
Nowe badania. W USA wydano patent na sposób zwiększania twardości, właściwości wytrzymałościowych, odporności na pełzanie i odporności cieplnej austenitycznych stopów żaroodpornych na niklu, niklu-kobalcie i innych podłożach (patent USA nr 3329535 z dnia 4 lipca 1967 r.) . Metoda ta polega na przetwarzaniu roztworu z chłodzeniem powietrzem pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym (10 000-50 000 bankomat), co zauważalnie zmniejsza rozpuszczalność węgla w roztworze stałym (utrzymywanie pod ciśnieniem 1-10 min). W wyniku działania wysokiego ciśnienia atomy węgla lub węgliki są „wyciskane” z osnowy w spójne wydzielenia i układają się w sieć, a cząstki faz spójnych nie wypadają jak zwykle wzdłuż granic ziaren. Podczas późniejszego starzenia (650-980°C) węgliki wytrącają się wokół równomiernie rozmieszczonych formacji komórkowych stałego roztworu.
Interesujące są badania prowadzone w USA nad stopem Inconel-718. Wzmocnienie tego stopu uzyskuje się poprzez wytrącanie fazy γ' na bazie Ni 3 Nb, którego skład odpowiada związkowi Ni 3 (Nb 0,8 Ti 0,2), . Stop Incone1-718 utwardza się powoli dyspersyjnie, dzięki czemu jest zaawansowany technologicznie i dobrze spawalny. Nadaje się do pracy w temperaturze do 760°C. Jego wysoka wytrzymałość (σ 0,2 do 120-145 kg/mm2) w połączeniu z dobrą odpornością na korozję. Na uwagę zasługuje niska temperatura normalizacji wynosząca 955°C (patrz tabela 1), która zapewnia wysokie wartości wytrzymałości. Wpływ niobu na właściwości tego stopu jest korzystny i skuteczny. Tytan ma również coraz większy wpływ na właściwości stopu Inconel-718, nie mniej niż niob. Wpływ aluminium jest mniej znaczący, powodując niewielki wzrost wytrzymałości ze zmiennym efektem. Krzem ma podobny wpływ do niobu, z niewielkimi odchyleniami. W pracy przedstawiono wyniki badań stopów binarnych (Ni+Si) i trójskładnikowych (Ni+Si+Ti). Stwierdzono powstawanie fazy β: Ni 3 S i Ni 3 (Si, Ti) w stopach zawierających odpowiednio ~12-13% Si oraz 6-10% Si i 1-4% Ti. Metoda dyfrakcji promieni rentgenowskich wykazała, że faza Ni 3 (Si, Ti) jest podobna do fazy γ’ Ni 3 (Al, Ti); Ni 3 Si, czyli faza β w stopach binarnych, powstaje w wyniku reakcji perytektoidalnej w temperaturach poniżej 1040 °C. Ma znaczną plastyczność, podobnie jak odpowiadająca jej faza Ni 3 (Si, Ti). Dodatek tytanu do stopu binarnego (~2%) eliminuje powstawanie perytektoidu β, a powstała faza Ni 3 (Si, Ti) ma tę samą temperaturę topnienia co związek Ni 3 Ti (1380 °C). Stopy zawierające krzem i tytan we wskazanych ilościach mają dość wysokie właściwości wytrzymałościowe i ciągliwość. Maksymalna wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności stopów odlewniczych w temperaturze pokojowej wynoszą odpowiednio: 55-57 i 25-28 kg/mm2, a minimalne wydłużenie mieści się w zakresie 15-30%.Innych właściwości tych stopów utwardzanych dyspersyjnie nie podano.
Szkodliwe fazy. Podczas długotrwałej obróbki cieplnej lub podczas eksploatacji w wielu stopach żaroodpornych, które nie mają ścisłego stosunku stechiometrycznego i są roztworami stałymi o zmiennym składzie, uwalniają się fazy σ-, μ- i inne. Fazy te powodują obniżenie właściwości plastycznych stali i stopów. Tworzenie fazy σ może być znacznie ułatwione przez chrom, wolfram, molibden itp. Niewielkie dodatki kobaltu (do 5%) mogą ograniczyć proces tworzenia σ. Jednocześnie wchodzi w skład fazy wzmacniającej Ni 3 M i uwalnia chrom do postaci stałego roztworu. Zawartość kobaltu powyżej 5% aktywnie wpływa na powstawanie σ, zwłaszcza gdy w stopie występuje niedobór chromu. Istnieją metody obliczania czasu powstawania fazy σ w stopach. Są to obliczenia tzw. punktu Nv – punktu gęstości wakatów elektronowych, jednak nie zawsze są one dokładne. Istnieją stopy, które mają niebezpieczny punkt Nv, ale nie tworzą fazy σ. Fazę σ odkryto w stopach Ud-700, Ud-500, Ud-520, IN-713C i Rene-41. Chociaż faza σ zmniejsza właściwości użytkowe stopów Ud-700 i IN-100, ma ona niewielki lub żaden wpływ na wytrzymałość innych stopów. Badania wysokowytrzymałych stopów odlewniczych wykazały, że obecność fazy σ nie wpływa na pogorszenie właściwości.
Stopy na bazie niklu są dobrze odporne na utlenianie do temperatur 850-950°C. W wyższych temperaturach (temperatury nagrzewania do hartowania) ulegają utlenieniu z powierzchni i wzdłuż granic ziaren, dlatego do obróbki cieplnej stopów żaroodpornych w wysokich temperaturach, zgodnie z pracą, pożądane jest posiadanie pieców próżniowych lub wodorowych . Chłodzenie metalu pod koniec ekspozycji odbywa się za pomocą strumienia gazu obojętnego. Jeżeli utlenianie jest niedopuszczalne, należy stosować piece z atmosferą ochronną. Ogrzewanie w kąpielach solnych jest niepożądane, ponieważ chlorki zawarte w kąpieli mogą reagować z powierzchnią metalu podczas procesu ogrzewania, nawet w temperaturach starzenia. Piece termiczne do starzenia mogą być konwencjonalne z atmosferą powietrzną i ogrzewane gazem. Rozcieńczona atmosfera egzotermiczna jest stosunkowo bezpieczna i ekonomiczna. Nie zaleca się stosowania atmosfery endotermicznej. Jeśli utlenianie jest niedopuszczalne, stosuje się atmosferę argonu. Dokładność kontroli temperatury podczas obróbki cieplnej powinna mieścić się w granicach 4-5°C dla stopów do obróbki plastycznej i 8-10°C dla stopów odlewniczych.
Bibliografia:
1.
Nazarov E. G., Latyshov Yu. V. Poprawianie właściwości stali i stopów żaroodpornych utwardzanych dyspersyjnie. M., GOOINTI, 1964, nr 23-64-1349/26.
2.
Borzdyka A. M., Tseitlin V. 3. Struktura i właściwości stopów żaroodpornych w związku z obróbką cieplną NTO MASHPROM M., „Machine Building”, 1967.
3.
Belikova E.I., Nazarov E.G. „MiTOM”, 1962, nr 7.
4.
Betterige W., Franklin A. „J. Instytutu Metali”, 1957, t. 85.
5.
Betteridge W. Smith. Odporne na wysoką temperaturę materiały metalowe. Wydawnictwo zagraniczne lit., 1958.
6.
Belyatskaya I. S., Livshits B. G. „Wiadomości o uniwersytetach. Metalurgia żelaza”, 1960, nr 7.
7.
Estulin G.V. Dodatek do magazynu „Stal”, 1958.
8.
Livshits D. E., Khimushin F. F. Badania nad stopami żaroodpornymi. Akademia Nauk ZSRR, 1957.
9.
Danesi W., Donachie M., Radavich J. „TASM”, 1966, t. 59.
10.
Danesi W., Donachie M. „J. Instytutu Metali”, 1969, t. 97.
11.
Cowan T. „J. Metali”, 1968, t. 20, nr 11.
12.
Nazarov E. G., Pridantsev M. V. „MiTOM”, 1963, nr 11.
13.
Nazarow E. G. „MiTOM”, 1969, nr 8.
14.
Sims S. „J. Metali”, 1966, nr 10.
15.
Levin E. E., Pivnik E. M. Postępowe metody obróbki cieplnej wysokostopowych stopów żaroodpornych. Seria „Metaloznawstwo i obróbka cieplna”. Tom. 4. Leningrad, 1963.
16.
Gulyaev A. P., Ustimenko M. Yu, „Izwiestia Akademii Nauk ZSRR „Metale”, 1966, nr 6.
17.
Uljanin E. A. „MiTOM”, 1966, nr 10.
18.
Williamsa K. „J. Instytutu Metali”, 1969, t. E7.
19.
Murphy H., Sims C. Beltran A. „J. Metali”, 1968, t. 20, nr 11.
20.
Burger J., Hanink D. „Metal Progress” 1967, t. 92, nr 1.
21.
Wagner H., Prock J. „Metal Progress”, 1967, t. 91, nr 3.
22.
Mihalisin I., Bicber C., Grant R. „Trans, of Metallurgical Society of A1ME”, 1968, t. 242.
23.
Khimushin F. F. Stale i stopy żaroodporne. M. „Hutnictwo”, 1969.
24.
Ozel M., Nutting I. „J. Instytut Żelaza i Stali”, 1969, t. 207.
Stale austenityczne mają szereg szczególnych zalet i mogą być stosowane w bardzo agresywnych środowiskach pracy. Bez takich stopów nie da się obejść w energetyce, przemyśle naftowym i chemicznym.
Stale austenityczne to stale o wysokim stopniu domieszkowania, podczas krystalizacji tworzy się układ jednofazowy, cechuje sieć krystaliczna skupiona na twarzy. Ten rodzaj rusztu nie zmienia się nawet pod wpływem bardzo niskich temperatur (około 200 stopni Celsjusza). W niektórych przypadkach występuje kolejna faza (objętość stopu nie przekracza 10 procent). Wtedy siatka będzie skupiona na ciele.
Opis i charakterystyka
Stale dzieli się na dwie grupy ze względu na skład ich bazy oraz zawartość pierwiastków stopowych, takich jak nikiel i chrom:
- Kompozycje na bazie żelaza: nikiel 7%, chrom 15%; całkowita liczba dodatków - do 55%;
- Nikiel i kompozycje żelazowo-niklowe. W pierwszej grupie zawartość niklu zaczyna się od 55% i więcej, a w drugiej - od 65 i więcej procent żelaza i niklu w stosunku 1:5.
Dzięki niklowi możliwe jest osiągnięcie zwiększonej ciągliwości, odporności cieplnej i produktywności stali, a za pomocą chromu - dawać wymagana odporność na korozję i ciepło. A dodatek innych składników stopowych umożliwi otrzymanie stopów o unikalnych właściwościach. Komponenty dobierane są w zależności od przeznaczenia stopów.
Do stopowania stosuje się głównie:
- Ferrytyzatory stabilizujące strukturę austenitów: wanad, wolfram, tytan, krzem, niob, molibden.
- Austenizery reprezentowane przez azot, węgiel i mangan.
Wszystkie wymienione składniki znajdują się nie tylko w nadmiarowych fazach, ale także w stałym roztworze stali.
Stopy odporne na korozję i zmiany temperatury
Szeroka gama dodatków pozwala na tworzenie specjalnych stali, które zostanie zastosowany do produkcji elementów konstrukcyjnych i będzie działać w środowiskach kriogenicznych, wysokotemperaturowych i korozyjnych. Dlatego kompozycje dzielą się na trzy typy:
- Odporny na ciepło i odporny na ciepło.
- Odporny na korozję.
- Odporny na niskie temperatury.
Stopy żaroodporne nie ulegają zniszczeniu przez chemikalia w agresywnym środowisku i można je stosować w temperaturach do +1150 stopni. Wykonane są z:
- Elementy gazociągów;
- Armatura pieca;
- Elementy grzewcze.
Gatunki żaroodporne mogą przez długi czas wytrzymywać naprężenia w podwyższonych temperaturach, nie tracąc przy tym wysokich właściwości mechanicznych. W przypadku stopowania stosuje się molibden i wolfram (na każdy dodatek można przeznaczyć do 7%). Bor służy do mielenia ziaren w małych ilościach.
Austenityczne stale nierdzewne (odporne na korozję) charakteryzują się niską zawartością węgla (nie więcej niż 0,12%), niklu (8-30%), chromu (do 18%). Przeprowadza się obróbkę cieplną (odpuszczanie, hartowanie, wyżarzanie). Jest to ważne w przypadku produktów ze stali nierdzewnej, ponieważ pozwala dobrze wytrzymać w różnych agresywnych środowiskach - kwaśnym, gazowym, zasadowym, ciekłym metalu w temperaturach 20 stopni i wyższych.
Odporne na zimno kompozycje austenityczne zawierają 8–25% niklu i 17–25% chromu. Wykorzystuje się je w jednostkach kriogenicznych, jednak koszt produkcji znacznie wzrasta, dlatego stosuje się je w bardzo ograniczonym zakresie.
Właściwości obróbki cieplnej
Gatunki żaroodporne i żaroodporne można poddawać różnym rodzajom obróbki cieplnej w celu zwiększenia korzystnych właściwości i modyfikacji istniejącej struktury ziaren. Mówimy o liczbie i zasadzie rozkładu faz rozproszonych, wielkości samych bloków i ziaren i tym podobnych.
Wyżarzanie takiej stali pomaga zmniejszyć twardość stopu (czasami jest to ważne podczas pracy), a także wyeliminować nadmierną kruchość. Podczas procesu obróbki metal podgrzewa się do 1200 stopni przez 30-150 minut, następnie poddaje się niezbędny Schłodzić tak szybko, jak to możliwe. Stopy ze znaczną ilością pierwiastków stopowych chłodzi się zwykle w olejach lub na wolnym powietrzu, natomiast prostsze stopy chłodzi się w zwykłej wodzie.
Często przeprowadza się podwójne hartowanie. W pierwszej kolejności pierwszą normalizację kompozycji przeprowadza się w temperaturze 1200 stopni, a następnie drugą normalizację w temperaturze 1100 stopni, co pozwala na znaczne zwiększenie właściwości plastycznych i żaroodpornych.
Zwiększoną odporność cieplną i wytrzymałość mechaniczną można uzyskać poprzez proces podwójnej obróbki cieplnej (hartowanie i starzenie). Przed operacją przeprowadza się sztuczne starzenie wszystkich stopów żaroodpornych (to znaczy są one utwardzane dyspersyjnie).