Полуаустенитные дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали

Полуаустенитные стали кристаллизуются в первичный феррит, так же как и мартенситные дисперсионно-твердеющие стали. Превращение в аустенит происходит при высоких температурах, но некоторое количество феррита (от 5 до 15 %) остается при комнатных температурах в сталях марок 17-7РН, 15-7Мо, АМ350 и АМ355. На рис. 8.3 показана микроструктура горячекатаной нержавеющей стали марки 17-7РН при различных условиях термической обработки, и во всех случаях видны пластинки феррита. Отжиг твердого раствора при температуре от 1040 до 1065 °C (от 1900 до 1950 °F) вызывает превращение части феррита в аустенит и гомогенизирует аустенит. Охлаждение с температуры отжига до комнатной температуры оставляет значительную часть аустенита без превращений. Это обычно называют условием “А”. При условии “А” стали обычно поставляются на сталепрокатные заводы, после чего сталь становится мягкой и пластичной (см. табл. 8.3). В таком состоянии сталь может подвергаться обработке механической, холодной при формообразовании или легко свариваться. Холодная обработка может вызвать некоторое мартенситное превращение.

Полуаустенитные дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали требуют более сложной термической обработки по сравнению с мартенситными дисперсионно-твердеющими нержавеющими сталями. Согласно табл. 8,3 термическая обработка является трехступенчатой. На первой стадии сталь нагревают для получения аустенита. Температурно-временной режим обусловливает выпадение части углерода в растворе в виде карбидов, что приводит к более высокой температуре начала мартенситного превращения. Например, если сталь I7-7PH, первоначально находящуюся при условии “А”, нагревают до температуры 760 °C (1400 °F) в течение 90 мин, при этом выпадает достаточное количество карбидов, чтобы поднять температуру начала мартенситного превращения существенно выше комнатной. На второй стадии охлаждение до температуры 15 °C (55 °F) приводит к почти полному мартенситному превращению. Третья стадия состоит опять в нагреве до более низкой температуры — 566 °C (1050 °F), при которой имеют место основные реакции выделения. После охлаждения сталь имеет очень высокую прочность, что отражено в табл. 8.3.

Альтернативным подходом к упрочнению для некоторых полуаустенитных диеперсионно-твердеющих нержавеющих сталей, таких как 17-7РН и 15-7Мо, является выдержка аустенита при более высокой температуре — 955 °C (1750 °F), что приводит к меньшему выделению карбидов. В результате температура начала мартенситного превращения понижается, а для получения почти полностью мартенситной структуры необходима обработка холодом при температуре минус 73 °C (минус 100 °F). На третьей стадии производится старение при температуре 510 °С (950 °F) для инициирования реакций выделения и полного упрочнения стали. Такой подход обеспечивает более высокую прочность, чем при первой стадии обработки (см. табл. 8.3).

Другой подход к упрочнению полуаустенитных дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей состоит в применении холодной обработки со значительной деформацией (холодная прокатка) стали, изначально находившейся в условиях “А”, что обеспечивает мартенситное превращение без обработки аустенита. Сталепрокатные заводы могут поставлять сталь в состоянии, известном как условие “С”. При условии “С” сталь имеет относительное удлинение, равное 5 %, при пределе текучести, равном примерно 1310 МПа (190 ksi). Таким образом, она может гнуться или подвергаться другому формоизменению перед старением. Требуется только одна термическая обработка — относительно низкотемпературное старение обычно при температуре 480 °C (900 °F). Такой подход, вероятно, применим только к листовому металлу, но он дает наивысшую из всех подходов прочность для сталей 17-7РН и 15-7Мо при достижении предела текучести 1830 МПа (265 ksi).

Стали марок АМ350 и АМ355 несколько отличаются от других по-луаустенитных дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей. Для протекания марте не итного превращения обе стали требуют охлаждения до температуры минус 73 °C (минус 100 °F), как и другие полуаустенитные стали этого класса. Стандарт ASTM А693 устанавливает требования по термической обработке аустенита для стали АМ355, но не для АМ350. Полагают, что в процессе старения в обеих сталях идет выделение нитридов. В результате старения их предел прочности снижается вместо того, чтобы повышаться (см. табл. 8.3), но предел текучести повышается.

В других сталях, по-видимому, основные упрочняющие выделения зависят от химического состава. Выделения в стали 17-7PH не являются в-NiAl, а представляют собой упорядоченную, объемно-центрированную кубическую решетку. Вто же время, как отмечалось в работе, в стали 15-7Мо этими выделениями являются P-NiAl и Ni3Al. Как и мартенситные, так и полуаустенитные дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали, по-видимому, образуют повторный аустенит в процессе термической обработки при более высоких температурах старения. Авторы работы отметили магнитную реакцию нержавеющей стали 17-7Н в зависимости от времени; почти постоянную — при температуре старения 425 °C (800 °F) или 480 °C (900 °F) в течение 500 ч, слабо спадающую — при температуре 540 °C (1000 °F) и резко спадающую — с возрастанием времени при температуре 595 °C (1100 °F).

Как и у мартенситных дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей, прочность потуаустенитных сталей этого класса понижается после воздействия более высоких температур при старении. Таким образом, вывод авторов работы, что повторное образование аустенита, а не огрубление выделений и потеря когерентности их с матрицей объясняет понижение прочности, вероятно, справедлив и для полуаустенитных нержавеющих сталей.