Аустенитная сталь: как получают и где применяется

Начальная стадия формирования аустенитных сталей характеризуется образованием зерен в структуре сплава. Первые изменения происходят на поверхности заготовки во время фазы активного роста карбидов. Постепенно эта трансформация охватывает всю толщину материала.

Аустенитная сталь: свойства, структура, марки

Аустенитная сталь практически не обладает магнитными свойствами, благодаря чему она высоко ценится в различных отраслях производства. Кроме того, этот тип стали не подвержен коррозии и способен выдерживать механическое воздействие, что делает ее идеальной для применения в пищевой, химической и строительной промышленности. Что же обуславливает такие выдающиеся свойства аустенитных сталей?

Аустенитная сталь представляет собой модификацию железа, обогащенного легирующими элементами в значительных долях, и обладающую гранецентрированной кристаллической решеткой. Она возникает в процессе термической обработки до стадии закалки. Однако как именно ее производят и где находят применение такие стали?

Основные свойства аустенитных сталей

Давайте разберемся, что собой представляет аустенитная сталь в более доступной форме. Аустенитные сплавы составляют самую многочисленную группу высоколегированных сталей, в состав которых часто входит более 16 % хрома и более 7 % никеля. Эти элементы обеспечивают сплавам высокую устойчивость к коррозии и жаропрочность. При содержании хрома свыше 20 % сплав демонстрирует повышенную жаростойкость. Также в состав аустенитных сталей могут входить молибден, ванадий, титан и ниобий, которые улучшают различные эксплуатационные характеристики.

Аустенитные железные сплавы, в зависимости от своих характеристик, могут делиться на три основные категории:

1. Коррозионно-стойкая аустенитная сталь: Содержит 18 % хрома, 30 % никеля и 0,25 % углерода. Такую сталь начали использовать в промышленности с начала XX века. Благодаря относительно низкому содержанию углерода, данная сталь демонстрирует высокую устойчивость к коррозии даже при экстремальных температурных условиях. В состав сплава, помимо хрома и никеля, нередко включают кремний, марганец и молибден для повышения прочностных характеристик.
2. Жаропрочная аустенитная сталь: Обладает гранецентрированной кубической решеткой, что делает ее устойчивой к температурам свыше +1 100 °С. Благодаря таким свойствам, эти сплавы находят широкое применение в производстве турбин, печей и других агрегатов, работающих на дизельном топливе. Жаростойкость сплава часто усиливают добавлением бор, ниобий, ванадий, вольфрам и молибден.
3. Высоколегированная хладостойкая аустенитная сталь: Включает 19 % хрома и 25 % никеля. Она не только обладает исключительной коррозионной устойчивостью при резком охлаждении, но и отличается повышенной вязкостью и пластичностью. Однако такая сталь не может похвастаться высокой прочностью при комнатной температуре.

Высокое содержание легирующих добавок, таких как никель и хром, делает высоколегированные аустенитные железные сплавы довольно дорогостоящими. При применении дополнительных легирующих элементов, придающих стали необходимые для конкретных сфер применения показатели, стоимость может значительно увеличиваться.

Понятие аустенитной стали

Аустенит – это форма гранноцентрированной стали, образующаяся при введении углерода в Y-железо, которое является высокотемпературной модификацией железа. Гранецентрированная кубическая решетка влияет на выдающиеся характеристики данного материала: хорошо проявляет себя в условиях критических температурных режимов, отличается отсутствием магнитных свойств и высокой химической инертностью.

Данная фаза получила свое наименование в честь английского металлурга Уильяма Чандлера Робертс-Остина, который проводил исследования физических свойств металлов и их сплавов в конце XIX века.

В зависимости от кристаллической структуры, аустенитные стали делятся на несколько видов:

1. Феррит — это твердый раствор углерода в объемноцентрированной кубической решетке (ОЦК) железа.
2. При снижении температуры аустенита до 730 °C, эвтектоидная смесь двух фаз — феррита и цементита — переходит в перлит.
3. При быстром охлаждении металла образуется мартенсит.

Для получения конкретной модификации стали устанавливаются основные параметры, такие как время выдержки и температуры нагрева и охлаждения.

Аустенитные стали являются результатом легирования железа главными компонентами – хромом и никелем.

Они содержат от 13 до 19 % хрома, который образует защитную оксидную пленку, что способствует устойчивости стали к коррозии. Никель, составляющий 9-12 % от общего объема сплава, увеличивает прочностные и пластические характеристики стали.

Высокое содержание хрома способствует процессу пассивации стали, что значительно повышает ее стойкость к коррозии в различных агрессивных окислительных средах, включая азотную кислоту. Благодаря этим характеристикам аустенитные стали получили широкое распространение в промышленных областях, где предъявляются высокие требования к коррозионной стойкости материала.

Значительное количество никеля придает стали высокую пластичность и ограничивает рост зерна, что в итоге гарантирует высокую технологичность.

Также в сталь добавляют следующие компоненты:

Ферритизаторы:

• Кремний и марганец — увеличивают прочность кристаллической решетки.
• Титан и ниобий — повышают устойчивость к критическим холодным сплавам.

Аустенизаторы:

• Углерод — способствует образованию карбидов, что повышает прочность стали. Доля этого элемента может составлять около 10 %.
• Азот — добавляется для повышения стойкости будущих изделий к химическим и электрическим воздействиям.
• Бор — улучшает пластичность сплава.

В зависимости от назначения сплава и требований к его свойствам (физическим, химическим, технологическим) выбираются легирующие добавки.

Качества аустенитной стали

Основные характеристики аустенитных сталей:

• Высокая прочность: При эксплуатации сталь сохраняет свою прочность, упругость и способна выдерживать большие нагрузки. Она сохраняет свои свойства даже при резких колебаниях температур, таких как похолодание, мороз или интенсивный нагрев.
• Отсутствие магнитных свойств: Устройство кристаллической решетки делает аустенитные стали нейтральными к магнитным полям. Если с аустенитной сталью взаимодействует магнитный элемент, это не вызывает никакой ответной реакции в материале.
• Коррозионная устойчивость: При обычной температуре аустенитные стали не подлежат воздействию таких активных элементов, как азот, кислород, углекислый газ и вода, что препятствует окислению и ржавлению. Эти сплавы отлично подходят для использования в морской среде (корабли, мосты, турбины и т.д.).
• Химическая инертность: Аустенитная сталь не вступает в реакции с активными химическими веществами при нормальных температурах. Этот сплав используют в изделиях, контактирующих с различного рода кислотами, щелочами, солями и радиоактивными компонентами. Сталь может долго сохранять свои свойства даже при воздействии активных элементов.

Динамика фазовых превращений

В системе железо-углерод возможны различные превращения, направление которых определяется концентрацией феррита. Как правило, феррит устраняет стабильность аустенитной фазы, в то время как стабилизаторы аустенита могут расширять это поле. Перитектическая реакция, происходящая между жидким и δ-железом, превращается в аустенит при постоянной температуре.

Данная реакция в процессах непрерывной разливки сталей имеет несколько важных последствий:

• При высоком содержании углерода (выше 0,77 %) эвтектическая реакция протекает при 727 °C, когда гамма-железо превращается в механическую смесительную структуру аустенита с цементитом Fe₃C.
• При низких скоростях охлаждения аустенит разлагается в ходе диффузионного превращения с образованием перлита.
• С увеличением скорости охлаждения подавляется образование и содержание диффузионных продуктов — перлита и феррита, это приводит к возникновению таких относительно равновесных структур, как бейнит и мартенсит.

При очень высоких скоростях охлаждения вторичные продукты диффузионного превращения не образуются вообще, так как диффузия атомов обычно требуется для зарождения и роста всех вышеупомянутых фаз.

Таким образом, продукты превращения при разложении аустенита в сталях на основе железа разнообразны и зависят от множества факторов, связанных с обработкой и материалами. Конкретное преобразование достигается за счет:

• Управления типом и количеством легирующих элементов;
• Изменения скорости охлаждения;
• Контролируемого режима термомеханической обработки.

Стали аустенитного класса и их особенности

Наибольшей популярностью среди отраслей промышленности пользуются аустенитные нержавеющие стали, отличающиеся высокой прочностью, долговечностью и коррозионной устойчивостью. Эти стали являются простыми в производстве и обслуживании, а также являются экологически безопасным решением, что делает их идеальным выбором для различных деталей архитектурных сооружений, автомобилей и медицинского оборудования.

Стали этого класса обладают исключительной стойкостью к коррозии и нагреванию. Дополнительно, они характеризуются высокой пластичностью и способны к деформации, что позволяет производить сложные изделия.

Хотя такие стали не поддаются упрочнению путем термической обработки, процесс отжига проходит легко, что позволяет сохранить достаточное количество остаточного аустенита и сохраняет удовлетворительные показатели ударной вязкости материала.

Микроструктуры одного и того же типа материала после отжига, горячей деформации и полной рекристаллизации представлены на соответствующих изображениях ниже:

Преобразователи DMA:

Преобразователи DMA SIUI в сочетании с дефектоскопом SyncScan используют ультразвуковые фазированные решетки вместо традиционного ультразвука для расширенной проверки крупнозернистых аустенитных сплавов, материалов Инконель и сварных швов.
Преобразователи DMA объединяют преимущества S-скана сфокусированных продольных волн и режима Р-С для выявления продольных дефектов.

SIUI предлагает два типа стандартных преобразователей DMA (ПЭП) — 2,25 МГц и 4 МГц, которые представляют готовое решение для контроля широкого спектра аустенитных материалов и кромок сварных соединений, включая сварные узлы разнородных металлов и сварные соединения из коррозионно-стойких сплавов (CRA).

Особенности:

● Поддержка передачи и приема продольных волн для контроля сварных швов в зернистых материалах.

● Улучшенное проникновение и разрешение на поверхности.

● Эффект псевдофокуса позволяет настроить зону фокусировки для более широкого покрытия.

● Отличная фокусировка и высокая степень отношения Сигнал/Шум.

● Призмы с различными AOD для обеспечения лучшего контакта.

Маркировка нержавеющей стали

В Российской Федерации маркировка нержавеющей стали осуществляется в соответствии с установленными нормами. Обязательно указываются следующие данные:

• серия стали;
• процентное содержание углерода (первая цифра);
• процентное содержание других легирующих элементов (если содержание легирующего элемента ниже 1%, данные о нем не указываются).

Например, сталь марки AISI 316 (10Х17Н13М2) содержит 10% углерода, 17% хрома, 13% никеля и 2% молибдена.

Область применения нержавеющей стали

Как уже упоминалось ранее, нержавеющая сталь находит свое использование в большом количестве областей. Этот металл активно применяется в машиностроении при изготовлении деталей для станков и различного оборудования, где обычно используют как ферритные, так и аустенитные сорта.

В химической отрасли применяются специальные марки стали, устойчивые к воздействию агрессивных средств. Также нержавеющую сталь используют в пищевой промышленности для производства тар, мебели и резервуаров.

Повышенная прочность этого металла позволяет использовать его в таких отраслях, как:

• машиностроение;
• авиационная и космическая промышленность;
• энергетика;
• бумажно-целлюлозная промышленность.

Разнообразные сорта нержавеющей стали также используются для производства инструментов, строительных конструкций, мебельных каркасов и других изделий.

У вас остались вопросы? Мы с радостью на них ответим!

Ваша заявка успешно отправлена.
Мы свяжемся с вами в ближайшее время.

Что-то пошло не так. Попробуйте еще раз.

• Двутавровая балка: производство, классификация и преимущества 30-07-2024. Двутавровая балка является ключевым элементом в современном строительстве и машиностроении. Благодаря своей универсальности и прочности, она находит применение во множестве проектов: от мостов до высотных зданий.
• Профильная труба: виды, классификация и преимущества 19-07-2024. Лист ПВЛ – это не просто металл, это возможность придать вашим проектам уникальность и надежность. Узнайте, как этот материал способен преобразить ваши идеи и почему он так популярен в различных областях.
• Что такое просечно-вытяжной лист (ПВЛ) 11-07-2024. Лист ПВЛ представляет собой не просто металл, а возможность придать вашим проектам уникальность и надежность. Узнайте, как этот материал способен преобразить ваши идеи и почему он так популярен в различных отраслях.

196084, Санкт-Петербург, Лиговский пр. 254 лит. В, оф. 300.