12.02.2018

Аустенитные стали с высоким содержанием азота


Азот добавляют в аустенитные нержавеющие стали для повышения прочности и стойкости к образованию питтинговой коррозии, либо одновременно для обеих отмеченных целей. Эти стали включены в стандарты сталей серии 300, к которой относятся стали марок 304L и 316L, а с добавлением в них азота в количестве от 0,10 до 0,16 % обозначаются как 304LN и 316LN. Другая группа сталей, включенная в серию 200, обозначена торговыми марками Nitronic и GallTough. Данные стали имеют высокий уровень марганца — до 15 %, который увеличивает растворимость азота в аустенитной матрице, что предотвращает выделение нитридов хрома, которое может ухудшить механические и коррозионные свойства стали. Такие стали могут содержать азота до 0,40 %. Третья группа сталей, супераустенитных, разработана для обеспечения повышенной стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением и питтинговой коррозии по сравнению с аустенит-ными стандартными сталями. Общая группа включает в себя марки AL-6XN и 254SMо. Номинальный состав этих сталей: 20 % хрома; от 18 до 25 % никеля; от 6 до 7 % молибдена и от 0,15 до 0,25 % азота. Химический состав других азотосодержащих сталей общей группы приведен в табл. 6.14.
Указанные стали проявляют некоторые особенности в процессе сварки. Вследствие высокого содержания азота и марганца ранние структурные диаграммы, такие как Шеффлера и Делонга, показывают существенные ошибки в прогнозировании микроструктуры и/или склонности к растрескиванию. Обычно эти диаграммы прогнозируют наличие полностью аустенитного металла шва, хотя фактически металл шва содержит достаточно феррита для кристаллизации по типу FA и отсутствие кристаллизационных трещин. Автор работы разработал специальную диаграмму как модификацию диаграммы Шеффлера, которая, как было установлено, эффективна, несмотря на то что феррит прогнозируется в процентах. Эта диаграмма представлена на рис. 6.58. Недавно Kotecki, используя данные работы, показал, что диаграмма WRC-1992 обеспечивает достаточно точное прогнозирование ферритного числа для этих сталей, за исключением случаев очень высокого содержания кремния в сталях Nitronic 60 и Gall-Tough. Для последних двух сталей диаграмма на рис, 6.58 является наилучшим инструментом прогнозирования,
В целом к сталям с высоким содержанием азота применимы те же правила и предостережения, что и к стандартным сталям серии 300. Управление процессом кристаллизации и содержанием феррита является важным, чтобы избежать кристаллизационных трещин при сварке. Исследования авторов работы по двум сталям с высоким содержанием азота (Gall-Tough и Nitronic 60) показали важность сохранения кристаллизации по типу FA для минимизации склонности к образованию кристаллизационных трещин. Вследствие высокого содержания кремния указанные стали особенно склонны к кристаллизационному растрескиванию, если имеет место образование первичного аустенита (кристаллизация типа AF или А). Возможно возникновение определенных сложностей с данными сталями в условиях электронно лучевой и лазерной сварки вследствие образования пористости. Высокие скорости кристаллизации при этих способах сварки приводят к пересыщению азотом жидкого металла сварочной ванны и образованию зародышей азотных пор.
Соответствующие присадочные материалы доступны только для нескольких высокомарганцовистых сталей с высоким содержанием азота. Табл. 6.15 содержит данные по покрытым электродам с высоким содержанием азота и непокрытым проволокам по стандарту AWS. Для других химических составов данные необходимо согласовывать с производителем основного металла. В некоторых случаях является общей практикой распускать полосовой основной металл на стержни, удобные в качестве присадочного материала при дуговой сварке вольфрамовым электродом в защитном газе. Однако основной металл может иметь недостаточный ферритный потенциал для обеспечения образования первичного феррита при кристаллизации, в то же время коммерческие присадочные проволоки или электроды разработаны в основном для формирования первичного феррита при кристаллизации.

Супераустенитные нержавеющие стали имеют исключительно высокую стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжениями и питгинговой коррозии по сравнению со стандартными аустенитными сталями типа "18-8" и часто используются при необходимости исключительной коррозионной стойкости. Это достигается увеличением содержания никеля, молибдена и азота. Большинство марок супераустенитных сталей имеет химический состав с содержанием следующих элементов: хрома — от 20 до 25 %; никеля — от 15 до 25 %; молибдена от 4 до H %; углерода — от 0,01 до 0,02 % и азота — от 0,2 до 0,6 %. Общепринятым критерием оценки против питгинговой коррозии является эквивалент PREN (значение которого обычно более 45), определяемый по формуле,
Согласно табл. 6.14, указанные стали имеют весьма высокое содержание никеля, которое в сочетании с высоким уровнем содержания азота способствует кристаллизации аустенитного типа и микроструктуре металла сварного шва, состоящей из аустенита и обогащенной молибденом эвтектики. Таким образом, кристаллизационные трещины являются потенциальной проблемой, хотя уровень содержания примесей в этих сталях крайне низок.

Используя программное обеспечение, ThermoCalc, Perricone и DuPont разработали диаграмму кристаллизации системы Fe Ni-Cr-Mo для сталей, которая отражает поведение при кристаллизации супераустенитных нержавеющих сталей (рис. 6.59). Согласно этой диаграмме имеет место сильная сегрегация молибдена при кристаллизации аустенитного типа, в то время как сегрегация хрома слабо выражена. Когда ход кристаллизации достигает линии двойного насыщения между аустенитом у и сигма-фазой о, происходит эвтектическая реакция и сигма-фаза будет формироваться вдоль границ ячеек и дендритов. (Следует отметить, что упомянутая ранее сигма-фаза не является сигма-фазой, образующейся в твердом состоянии и приводящей к охрупчиванию металла.)
Пониженная стойкость к коррозии наблюдалась в сварном соединении супераустенитных сталей вследствие сегрегации молибдена в металле шва при кристаллизации. Так как коэффициент распределения молибдена k меньше 1, сегрегация молибдена наблюдается в субзернах кристаллизации и на границах зерен, а центры субзерен (дендритов или ячеек) обеднены молибденом. Вследствие этого в микроструктуре более легко могут возникнуть очаги питгинговой коррозии, поскольку питтинги возникают в центрах дендритов или ячеек, обедненных молибденом. Такое явление характеризует рис. 6.60, в данном случае "сильные" питтинги возникают в металле сварного шва. Возникновение питтингов происходит в центре дендритов, где содержание молибдена менее 4 %, затем происходит рост размера питгинга, приводящий к возникновению широкой зоны коррозии (рис. 6.60).

Одним из методов, позволяющих избежать такого коррозионного воздействия, является использование присадочных материалов на основе никеля с высоким содержанием молибдена. Требуется, по крайней мере, 9 % молибдена в присадочном металле для получения одинаковой коррозионной стойкости с основным металлом, содержащим 6 % молибдена. В табл. 6.16 приведены такие сварочные материалы по стандарту AWS.
Указанный ранее подход является в некоторой степени проблематичным вследствие возможности образования несмешивающейся зоны по границе сплавления. Такая зона, изображенная на рис. 6.61, представляет собой узкую область, в которой супераустенитная сталь плавится и вновь кристаллизуется без перемешивания с присадочным металлом на никелевой основе. В результате формирующаяся микроструктура является преимущественно микроструктурой металла сварного шва, выполненного дуговой сваркой без присадочного материала, склонного к обеднению молибденом, что отмечалось ранее. Как следствие, наличие этой несмешивающейся зоны может привести к образованию очагов питгинговой коррозии на границе сплавления.

В целом супераустенитные стали обладают хорошей свариваемостью и хорошо работают в умеренно агрессивных средах. Ожидается, что их применение продолжит расширяться, в особенности, если будет возможность преодолеть описанные ранее проблемы.





Яндекс.Метрика