Augstas veiktspējas austenīta nerūsējošā tērauda ceļvedis -- Metalurģijas pārskats

1. Nerūsējošā tērauda veidi

Nerūsējošais tērauds ir sakausējums uz dzelzs bāzes ar hroma saturu, kas nav mazāks par 10,5 procentiem. To plaši izmanto, jo tai ir laba izturība pret koroziju un augsta temperatūra. Kad hroma saturs sasniedz 10,5 procentus, uz tērauda virsmas izveidosies ar hromu bagāta oksīda slānis, ko sauc par pasivācijas slāni vai pasivācijas plēvi. Šī plēve aizsargā nerūsējošo tēraudu no rūsēšanas kā parasts tērauds. Ir daudz veidu nerūsējošā tērauda, ​​taču visam nerūsējošajam tēraudam jāatbilst minimālā hroma satura prasībām.

Nerūsējošais tērauds ir sadalīts piecās kategorijās: austenīta nerūsējošais tērauds, ferīta nerūsējošais tērauds, dupleksais nerūsējošais tērauds (ar jauktu ferīta un austenīta struktūru), martensīta nerūsējošais tērauds un nokrišņu rūdīšanas nerūsējošais tērauds. Šo kategoriju klasifikācija ir saistīta ar nerūsējošā tērauda kristāla struktūru (atomu izvietojumu) un termisko apstrādi. Kristālu grupu ar vienādu kristāla struktūru metālā sauc par fāzi. Nerūsējošajam tēraudam ir trīs galvenās fāzes: austenīts, ferīts un martensīts. Nerūsējošā tērauda metalogrāfiskās struktūras veidu un daudzumu var noteikt ar standarta metalogrāfiskās pārbaudes procesu un optisko metalogrāfisko mikroskopu.

Austenīta nerūsējošā tērauda īpatnība ir tāda, ka metalogrāfiskā struktūra galvenokārt ir austenīta. Austenīta fāzes kristāla struktūra ir uz seju centrēta kubiskā (fcc) struktūra, tas ir, katrā kuba stūrī un centrā ir atoms. Turpretim ferīta fāzes kristāliskā struktūra ir uz ķermeni centrēta kubiskā (bcc) struktūra ar vienu atomu katrā stūrī un kuba centrā. Martensīta fāzes kristāliskā struktūra ir ar augstu deformāciju uz ķermeni centrēta tetragonāla struktūra.

Austenīta fāzes kristāliskā struktūra ir uz seju centrēta kubiskā (fcc) režģis, ferīta fāze ir uz ķermeni centrēta kubiskā (bcc) režģis, un martensīta fāze ir uz ķermeni centrēta tetragonāla (bct) režģis.

 

1.1 Austenīta nerūsējošais tērauds:

Austenīta nerūsējošajam tēraudam nav magnētisma, vidēja tecēšanas robeža, augsts sacietēšanas ātrums, augsta stiepes izturība, laba plastika un lieliska zemas temperatūras izturība. Atšķirībā no citiem nerūsējošajiem tēraudiem, austenīta nerūsējošā tērauda stingrība lēnām samazinās, pazeminoties temperatūrai. Austenīta nerūsējošajam tēraudam nav noteiktas kaļamā-trauslā pārejas temperatūras (DBTT), tāpēc tas ir ideāls materiāls lietošanai zemā temperatūrā.

Austenīta, ferīta un dupleksa (austenīta-ferīta) nerūsējošā tērauda kaļamā-trauslā pārejas temperatūras (DBTT) diagramma. Faktiskais DBTT ir atkarīgs no sekcijas biezuma, ķīmiskā sastāva un graudu izmēra. Ferīta nerūsējošā tērauda DBTT parasti ir no 20 līdz - 30 grādiem C (no 70 līdz - 22 grādiem F).

 

Austenīta nerūsējošajam tēraudam ir laba metināmība, un to var izgatavot dažādās sarežģītās formās. Šīs sērijas nerūsējošais tērauds nevar tikt rūdīts vai nostiprināts ar termisko apstrādi, bet to var stiprināt ar aukstu formēšanu vai apstrādājamo rūdīšanu (sk. ASTM A666). Austenīta nerūsējošajam tēraudam, īpaši standarta austenīta nerūsējošajam tēraudam, ir potenciāls trūkums, tas ir, salīdzinot ar ferīta nerūsējošo tēraudu un duplekso nerūsējošo tēraudu, tas ir pakļauts hlorīda sprieguma korozijas plaisāšanai.

300 sērijas vai standarta austenīta nerūsējošais tērauds parasti satur 8% ~ 11% niķeļa un 16% ~ 20% hroma. Standarta austenīta nerūsējošā tērauda metalogrāfiskā struktūra galvenokārt sastāv no austenīta graudiem un satur nelielu daudzumu (parasti 1–5 procentus) δ ferīta fāzes (3. attēls). Ferīta fāzes klātbūtnes dēļ šiem austenīta nerūsējošajiem tēraudiem ir neliels magnētisms.

Kaltā nerūsējošā tērauda 304L tipiskā metalogrāfiskā struktūra sastāv no austenīta graudiem un atsevišķa sloksnes ferīta © TMR Stainless.

 

Salīdzinot ar 300. sērijas nerūsējošo tēraudu, 200. sērijas austenīta nerūsējošajam tēraudam ir mazāks Ni saturs, bet augstāks Mn un N saturs. 200. sērijas nerūsējošā tērauda stiprības un deformācijas sacietēšanas koeficients ir augstāks nekā 300. sērijas nerūsējošajam tēraudam. Zemā niķeļa satura dēļ 200. sērijas nerūsējošais tērauds dažreiz tiek izmantots kā lēts 300. sērijas nerūsējošā tērauda aizstājējs.

Augstas veiktspējas austenīta nerūsējošā tērauda mikrostruktūra ir visa austenīta fāze bez feromagnētisma (4. att.). Salīdzinot ar standarta austenīta nerūsējošo tēraudu, augstas veiktspējas austenīta nerūsējošais tērauds satur vairāk niķeļa, hroma un molibdēna elementu, kā arī parasti satur slāpekli. Šiem nerūsējošajiem tēraudiem ir spēcīga izturība pret koroziju korozīvā vidē, piemēram, stiprā skābē, stiprā sārmā un vidē ar augstu hlorīda saturu, ieskaitot iesāļu ūdeni, jūras ūdeni un sālsūdeni. Salīdzinot ar standarta austenīta nerūsējošo tēraudu, augstas veiktspējas austenīta nerūsējošajam tēraudam ir augstāka izturības pakāpe un labāka izturība pret sprieguma korozijas plaisāšanu.

Metallogrāfiskā struktūra no 6% Mo augstas veiktspējas austenīta nerūsējošā tērauda, ​​kas viss sastāv no austenīta graudiem © TMR Stainless.

 

1.2 Ferīta nerūsējošais tērauds:

Ferīta nerūsējošā tērauda mikrostruktūra ir ferīta fāze. Ferīta nerūsējošajam tēraudam ir zems niķeļa saturs vai tā nav, un tas ir feromagnētisks. To nevar sacietēt ar termisko apstrādi. Šāda veida nerūsējošā tērauda feromagnētiskās īpašības ir līdzīgas oglekļa tērauda īpašībām. Ferīta nerūsējošajam tēraudam ir laba izturība, un izturība pret hlorīda sprieguma korozijas plaisāšanu ir daudz labāka nekā standarta 300 sērijas austenīta nerūsējošajam tēraudam. Tomēr to formējamība un metināmība ir slikta. To stingrība nav tik laba kā austenīta nerūsējošajam tēraudam un samazināsies, palielinoties sekcijas biezumam. Pazeminoties temperatūrai, ferīta nerūsējošais tērauds uzrādīs acīmredzamu kaļamo-trauslo pāreju. Šo faktoru ietekmē ferīta nerūsējošā tērauda izmantošana parasti ir ierobežota ar izstrādājumiem ar plānāku sieniņu biezumu, piemēram, plānām plāksnēm, sloksnēm un plānsienu caurulēm.

 

1.3 Dupleksais nerūsējošais tērauds:

Dupleksais nerūsējošais tērauds sastāv no ferīta fāzes un austenīta fāzes, no kurām katra veido apmēram pusi. Dupleksajam nerūsējošajam tēraudam ir daudzas austenīta un ferīta nerūsējošā tērauda īpašības. Lai gan termiskā apstrāde nevar sacietēt šādus tēraudus, to tecēšanas robeža parasti ir divas reizes lielāka nekā standarta austenīta nerūsējošajam tēraudam, un to magnētiskā pievilcība ir proporcionāla ferīta fāzes tilpuma daļai. Dupleksā nerūsējošā tērauda metalogrāfiskās struktūras dupleksās īpašības padara tā izturību pret sprieguma korozijas plaisāšanu labāku nekā standarta austenīta nerūsējošajam tēraudam.

 

1.4 Martensīta nerūsējošais tērauds:

Martensīta nerūsējošā tērauda mikrostruktūra galvenokārt ir martensīts, kas var saturēt nelielu daudzumu sekundāro fāžu, piemēram, ferītu, austenītu un karbīdu. Martensīta nerūsējošais tērauds ir feromagnētisks un līdzīgs oglekļa tēraudam. Galīgā cietība ir atkarīga no īpašās termiskās apstrādes. Martensīta nerūsējošajam tēraudam ir augsta izturība, laba nodilumizturība, slikta stingrība un augsta kaļamā-trauslā pārejas temperatūra. Tos ir grūti metināt, un parasti tiem nepieciešama termiskā apstrāde pēc metināšanas. Tāpēc martensīta nerūsējošais tērauds parasti ir paredzēts tikai pielietojumiem, kas nav saistīti ar metināšanu. Martensīta nerūsējošā tērauda hroma saturs nav pārāk augsts. Daži hroma elementi izgulsnējas karbīdu veidā, kā rezultātā ir zema izturība pret koroziju, parasti zemāka nekā standarta 304/304L austenīta nerūsējošajam tēraudam. Sliktās stingrības un izturības pret koroziju dēļ martensīta nerūsējošais tērauds parasti tiek izmantots lietojumos, kuriem nepieciešama augsta izturība un cietība, piemēram, instrumenti, stiprinājumi un vārpstas.

 

1.5. Nogulsnēs rūdīts nerūsējošais tērauds:

Nokrišņu cietināšanas (PH) nerūsējošo tēraudu var stiprināt arī ar termisko apstrādi. Šāda veida nerūsējošā tērauda galvenā iezīme ir tā, ka tā daļēja nostiprināšana tiek panākta ar nokrišņu mehānismu. Smalkas intermetāliskas nogulsnes tiek iegūtas, novecojot cietēšanas termisko apstrādi, lai uzlabotu izturību. Pateicoties augstajam hroma saturam, nokrišņu rūdīšanas nerūsējošajam tēraudam ir labāka izturība pret koroziju nekā martensīta nerūsējošajam tēraudam, un tas ir piemērots augstas stiprības lietojumiem, kuriem nepieciešama laba izturība pret koroziju. Nokrišņu rūdīšanas nerūsējošais tērauds galvenokārt tiek izmantots atsperēm, stiprinājumiem, lidmašīnu daļām, vārpstām, zobratiem, silfoniem un reaktīvo dzinēju daļām.

 

2. Fāzes sastāvs:

Leģējošie elementi ietekmē fāzes līdzsvara attiecības un spēcīgi ietekmē austenīta, ferīta un martensīta fāžu stabilitāti. Nerūsējošajam tēraudam pievienotos elementus var iedalīt ferīta fāzes veidojošos elementos vai austenīta fāzes veidojošos elementos. Fāzes līdzsvars ir atkarīgs no tērauda ķīmiskā sastāva, atkvēlināšanas temperatūras un dzesēšanas ātruma. Fāzu līdzsvars ietekmē izturību pret koroziju, izturību, stingrību, metināmību un formējamību.

Ferītu veidojošie elementi veicina ferīta fāzes veidošanos, savukārt austenītu veidojošie elementi veicina austenīta fāzes veidošanos. 3. tabulā ir uzskaitīti parastie ferīta un austenīta fāzes veidojošie elementi. Nerūsējošā tērauda marka un tās pielietojums nosaka nepieciešamo fāzes līdzsvaru. Lielākajai daļai standarta austenīta nerūsējošā tērauda šķīduma atkvēlināšanas laikā ir neliels daudzums ferīta fāzes. Šķīduma atkausēšana var uzlabot metināmību un stingrību augstā temperatūrā. Tomēr, ja ferīta fāzes saturs ir pārāk augsts, tiks samazinātas citas īpašības, piemēram, izturība pret koroziju un stingrība. Augstas veiktspējas austenīta nerūsējošais tērauds ir izstrādāts atbilstoši visām austenīta fāzēm šķīduma atkausēšanas apstākļos.

 

Lai kontrolētu tērauda fāzes sastāvu un līdz ar to arī tērauda īpašības, sakausējuma elementi ir jāsaglabā līdzsvarā. Schaeffler struktūras diagramma (5. att.) atspoguļo saistību starp nerūsējošā tērauda ķīmisko sastāvu un paredzamo fāzes struktūru sacietēšanas stāvoklī, ko atklāj metinājuma mikrostruktūra. Tādā veidā lietotāji var paredzēt fāzes līdzsvaru, pamatojoties uz doto ķīmisko sastāvu. Aprēķiniet "niķeļa ekvivalentu" un "hroma ekvivalentu" pēc ķīmiskā sastāva un uzzīmējiet tos attēlā. Schaeffler organizācijas diagrammas kopējo parametru formula ir šāda:

Niķeļa ekvivalents {{0}} procenti Ni plus 30 procenti C plus 0,5 procenti Mn plus 30 procenti N

Hroma ekvivalents{{0}} procenti Cr plus procenti Mo plus 1,5 procenti Si plus 0,5 procenti Nb

Tipisks augstas veiktspējas austenīta nerūsējošais tērauds satur aptuveni 20 procentus Cr, 6 procentus Mo, 20 procentus Ni un 0,2 procentus N, kas atrodas attēlā vienfāzes austenīta fāzes zonā netālu no "ferīta" " līnija ar niķeļa ekvivalentu aptuveni 24 un hroma ekvivalentu aptuveni 26. Turpretim standarta nerūsējošā tērauda (piemēram, 304) ķīmiskais sastāvs atbilst austenīta plus ferīta (A un F) dupleksajai zonai ar nelielu ferīta daudzumu. fāze. Ferīta nerūsējošais tērauds attēlā atrodas ferīta fāzes zonā, un dupleksais nerūsējošais tērauds atrodas austenīta plus ferīta (A plus F) dupleksajā zonā.