Все об аустенитной стали

Аустенитом называют твердый однофазный раствор углерода. Его особенность – это последовательность расположения атомов, кристаллической решетки то есть. Можно сказать, что аустенит – это не что иное, как структура металла. А вот зачем она нужна, каковы ее свойства, и как обрабатывается аустенитная сталь, в этом и стоит разобраться.

Итак, аустенит – это состояние металла с особыми теххарактеристиками от допускаемого напряжения до магнитных значений. И в ином состоянии иметь такие характеристики просто невозможно, потому что при измененном строении свойства сплава тоже изменятся. Без аустенита трудно представить себе закалку: ту самую, недорогую и очень распространенную, максимально доступную. Иногда, кроме закалки, и вовсе нет ничего другого, чтобы упрочнить металл. Аустенитными сталями являются стали с высокими показателями легирования. При их кристаллизации образуется однофазная система, которой присуща кристаллически гранецентрированная решетка. И этот тип решеток не изменить даже минусовыми температурами. В отдельных случаях стали такого класса имеют еще одну фазу – фазу феррита (высоколегированного). И тогда решетка будет объемноцентрированной.

Аустенитные стали принято делить на две группы, основываясь на базе, а еще на содержании тех же легирующих компонентов в составе. Первая группа – это композиции с железом, в них будет до 7% никеля, до 15% хрома, а суммарный показатель легирующих включений – не больше 55%. Вторая группа – это композиции на никелевой базе (его там 55% и больше), а также железоникелевой (никеля и железа там от 65%). В подобных составах пластичность никеля увеличивается, как увеличивается и жаропрочность, и также технологичность стали. Хром же в ее составе делает ее более жаростойкой и стойкой к ржавчине.

Классификация аустенитной стали и описывает ее свойства. Так, бывают сплавы-аустениты следующие.

• Аустенитно-ферритные (или дуплексные, двухфазные) – в их составе много хрома, а вот никеля содержится в экономном количестве. Дополнительно материал может легироваться молибденом, титаном, ниобием. Феррита и аустенита примерно в равном количестве содержится в таком виде. Сталь обладает повышенной прочностью, высокой стойкостью против коррозионного растрескивания.
• Аустенитно-мартенситные – в них не так много хрома, а вот углерода больше. И применение их обычно предусматривает термически обработанное состояние со шлифованной либо полированной поверхностью. Из такой стали делают турбинные лопасти, лезвия для бритв и даже столовые приборы.

А теперь подробнее о том, что приобретает аустенитная сталь, и почему эти ее свойства так важны.

Жаропрочностью называют свойство стали не изменять присущих ей технических характеристик, когда температуры становятся критическими со временем. Разрушается металл, когда исчерпывается его потенциал способности противостояния дислокационной ползучести – это значит, на молекулярном уровне смещение атомов. Плавно приходит разупрочнение (то есть процесс, обратный упрочнению), и старение стали идет высокими темпами. Это может быть и при низких, и при предельных температурах. Как долго будет происходить этот процесс, в каком временном промежутке он растянется, вот так и определяется способность стали к жаропрочности.

Стоит также объяснить понятие ползучести. Ее характеристикой считается предел ползучести, являющийся характеристикой условного растягивающего напряжения. При этом напряжении скорость и деформация ползучести за какое-то время достигнут заданного показателя. Если есть допуск по скорости этого маркера, предел ползучести будет обозначаться сигмой с двумя индексами – нижний будет обозначать заданную скорость ползучести, верхний – актуальную температуру. А вот если задано уже относительное удлинение, в обозначении предела ползучести будет уже три индекса – верхний температурный, два нижних соответствуют деформации и времени.

В тех деталях, которые должны работать долгое время, то есть годы, предел ползучести должен быть связан с малыми деформационными изменениями, что возникают при достаточной длительности приложенной нагрузки. Жаропрочные свойства связаны в первую очередь с температурой плавления, а уже потом с легированием, с режимами той термообработки, которая была ранее. В жаропрочных сталях (и аустенитная не исключение) самым часто встречаемым легирующим компонентом считается хром. К слову, влияет он не только на жаропрочность, но и на жаростойкость.

Иначе говоря, коррозионностойкая сталь – это тот металл, который способен противостоять разрушению не только на длительный период, не только при высоких и критически низких температурах, но и в агрессивных средах тоже. Это значит, что металл не будет разрушаться даже в тех составах, которые активно вступают в реакцию с компонентными элементами.

Коррозия бывает двух типов.

• Химическая. То есть металл окисляется в газовой, воздушной и водной средах.
• Электрохимическая. Металл растворяется в кислотах с положительно или отрицательно заряженными ионами. Когда есть разность потенциалов электролита и металла, случается поляризация (избежать ее невозможно), и она приводит к некоторому взаимодействию между веществами.

Если температурные условия нормальны, сталь-аустенит не вступит в контакт с азотом, с атмосферным кислородом и углекислым газом, с водой. А значит, образование разрушительных осадков сведено к минимуму. Потому и делают из аустенитной стали детали, эксплуатируемые на морских объектах – турбины, мосты и многое другое. Есть даже отдельный вид стали, антикоррозийный аустенитный. Это будут сплавы, в которых удельное содержание никеля и хрома велико. В меньших количествах там могут быть молибден и марганец, кремний. Для сплавов этой группы главная особенность заключается именно в минимальном риске коррозии, вне зависимости от температурного контекста.

Как можно достичь такой высокой устойчивости: первый фактор – много хрома в составе, а ведь именно он формирует на поверхности защитную пленку. Второй фактор – низкий процент углерода, меньше 0,3%. И в комбинации оба фактора ведут к отсутствию вступления в контакт материала и кислорода, воды, азота.

Холодостойкостью называется свойство сохранения структуры в условиях криогенных температур на протяжении длительного времени. Так как кристаллическая решетка стали искажена, а потому она имеет способность принимать строение, которое сравнимо со стандартными малолегированными сталями. Только уже при низких температурах. Но есть у них один существенный минус – полноценные свойства они обретают лишь при отрицательных температурных показателях.

В класс хладостойких входят металлы, в которых велико удельное содержание хрома, а никель содержится в средних количествах. А в роли других легирующих добавок активно используют, например, вольфрам или марганец. Хладостойким сплавам несложно выдерживать очень низкие температуры, да и термоскачки они переносят отлично. Но если температура комнатная нормальная, физсвойства такой стали можно назвать посредственными – прочность не будет высокой, химическая инертность довольно слабая.

Когда металл изготавливается на предприятии, используют классификацию созданных заготовок относительно их структурных особенностей. Специалисты обычно контролируют, как меняется структура металла, наблюдая за самим процессом металлообработки. И термическая обработка тоже относится к таким наблюдениям. Вот аустенит, к слову, и будет одним из подобных состояний. И уже закаливая металл дальше, можно получить или мартенсит, или перлит, и так далее.

Главный документ для аустенитных сталей – ГОСТ 5632-2014. В нем указаны требования ко всякой марке металла. Если посмотреть на маркировку, видно, что в ней присутствует и буквенный элемент, и числовой. Буквами обозначается та добавка, которой в данном случае в процентах больше. Если примесей совсем немного, в маркировке они указываться не будут, но в техпаспорте металла – обязательно. В начале же маркировки находится только числовой знак, обозначающий сотые доли углерода. Потом идет литера добавки легирования с уточнением в процентах.

Сплавы с жаропрочными и жаростойкими показателями проходят разные виды термоопераций. Это все делается, чтобы заданные свойства сплавов повысились. А также термическая обработка важна, чтобы модифицировать структуру зерна, то есть принцип и число фаз дисперсии, величины зерновых блоков и прочее. Отжигают такие сплавы, чтобы уменьшить их твердость, и устранить хрупкость. Твердость уменьшают, если того требуют эксплуатационные условия стали. Металл будут нагревать минимум до 1200 градусов не менее получаса (а то и в 5 раз дольше), а потом быстро охладят. Если это сложная высоколегированная сталь, ее охладить можно на масле, а можно и на воздухе. А если это сплав, где легирующих компонентов немного, его погрузят в воду.

Чтобы соединять аустенитные детали, применяют сварочную технологию. Соединять их можно по-разному – дуговой сваркой, электрошлаковой и даже сваркой в среде защитных газов. Конечно, этот процесс полон особенностей, учесть которые сможет только подготовленный специалист, но главная из них – значительные трансформации свойств аустенитного металла во время нагревания. А значит, и сварку проводят по особому алгоритму. Если металл нагревать не так, сварной шов не получится качественным, и прочность соединения окажется под вопросом.

Нюансы нагрева (и, соответственно, свариваемости) аустенита, который оценивается расчетным путем:

• температура +350 градусов – в отливках начинается активная диффузия, и это ведет к тому, что металл начнет терять пластичность;
• температура до +500 градусов – металл начинает термически перестраиваться, он становится более хрупким, карбидные компоненты начинают трескаться в нем, теплопроводность тоже меняется;
• температура до +650 градусов – карбидные компоненты в сплаве просто выпадают;
• нагрев выше +750 градусов – металл становится очень хрупким, на нем могут образовываться трещины, а значит, сварочный шов получится ненадежным.

Чтобы всего этого избежать, на деталь ровно там, где и будет шов, наплавляется малый слой металла с иным составом. Своеобразная безопасная металлическая заплатка. Это должен быть металл с высокой жаропрочностью и с немалой стойкостью к коррозии. Заплатка станет отличной защитой, которая не даст шву растрескаться. Этот защитный слой предстоит обжечь на +800 градусах. Как использовать электрошлаковую сварку:

• ее производят с проволокой толщиной не более 4 мм, правда, расходоваться она будет быстро, а стоит дороговато;
• чтобы соединить толстые детали, используют электроды пластинчатого типа с толщиной не более 1,5 см – они дороже стоят, но и разрушаются медленнее;
• если предстоит работать с коррозионностойкими сплавами, делают отжиг или закалку – это хорошая профилактика ножевой коррозии.

Стоит немного раскрыть содержание и дуговой сварки. А оно заключается в серьезном количестве недостатков – нагревается металл локально, в области шва могут появиться оксиды железа, а также трещины рядом со швом. И то и другое, само собой, мало желательно.

А вот лучший способ взять и соединить аустениты – использовать защитные газы. Риск возникновения трещин, окалины, а также ржавчины и налета почти исключается. Гелий, аргон, углекислый газ – подойдет для этого процесса все. Работать можно с импульсной или горящей дугой. Используется постоянный ток с прямой полярностью. Плавящиеся электроды так же хороши, ведь они препятствуют появлению трещин на шве.