Стабилизирующий отжиг аустенитных сталей

Обновлено: 04.05.2024

Аустенитные стали, обладая рядом особых свойств, применяются в тех рабочих средах, которые отличаются высокой агрессивностью. Такие сплавы незаменимы в энергетическом машиностроении, на предприятиях нефтяной и химической промышленности.

В зависимости от назначения, условий работы, агрессивности среды изделия подвергают:

1. Закалке (аустенизации);

2. стабилизирующему отжигу;

3. отжигу для снятия напряжений;

4. ступенчатой обработке.

1. Изделия закаливают для того, чтобы:

а) предотвратить склонность к межкристаллитной коррозии (изделия работают при температуре до 350 °С);

б) повысить стойкость против общей коррозии;

в) устранить выявленную склонность к межкристаллитной коррозии;

г) предотвратить склонность к ножевой коррозии (изделия сварные работают в растворах азотной кислоты);

д) устранить остаточные напряжения (изделия простой конфигурации);

е) повысить пластичность материала.

Закалку изделий необходимо проводить по режиму: нагрев до 1050-1100 °С, детали с толщиной материала до 10 мм охлаждать на воздухе, свыше 10 мм - в воде. Сварные изделия сложной конфигурации во избежание поводок следует охлаждать на воздухе.

Время выдержки при нагреве под закалку для изделий с толщиной стенки до 10 мм - 30 мин, свыше 10 мм - 20 мин + 1 мин на 1 мм максимальной толщины. При закалке изделий, предназначенных для работы в азотной кислоте, температуру нагрева под закалку необходимо держать на верхнем пределе (выдержка при этом сварных изделий должна быть не менее 1 ч).

2. Стабилизирующий отжиг применяется для:

а) предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии (изделия работают при температуре свыше 350 °С);

б) снятия внутренних напряжений;

в) ликвидации обнаруженной склонности к межкристаллитной коррозии, если по каким-либо причинам закалка нецелесообразна.

Стабилизирующий отжиг допустим для изделий и сварных соединений из сталей, у которых отношение титана к углероду более 5 или ниобия к углероду более 8.

Стабилизирующему отжигу для предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии изделий, работающих при температуре более 350 °С, можно подвергать стали, содержащие не более 0,08 % углерода.

Стабилизирующий отжиг следует проводить по режиму: нагрев до 870-900 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение - на воздухе.

При термической обработке крупногабаритных сварных изделий разрешается проводить местный стабилизирующий отжиг замыкающих швов, при этом все свариваемые элементы должны быть подвергнуты стабилизирующему отжигу до сварки.

При проведении местного стабилизирующего отжига необходимо обеспечить одновременно равномерные нагрев и охлаждение по всей длине сварного шва и прилегающих к нему зон основного металла на ширину, равную двум - трем ширинам шва, но не более 200 мм.

Ручной способ нагрева недопустим.

3. Для более полного снятия остаточных напряжений отжиг изделий из стабилизированных хромоникелевых сталей проводят по режиму: нагрев до 870-900 °С; выдержка 2-3 ч, охлаждение с печью до 300 °С (скорость охлаждения 50-100 град/ч), далее на воздухе.

4. Ступенчатая обработка проводится для:

а) снятия остаточных напряжений и предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии;

б) для предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии сварных соединений сложной конфигурации с резкими переходами по толщине;

в) изделия со склонностью к межкристаллитной коррозии, устранить которую другим способом (закалкой или стабилизирующим отжигом) нецелесообразно.

Ступенчатую обработку необходимо проводить по режиму: нагрев до 1050-1100 °С; выдержка для изделий с толщиной стенки до 10 мм - 30 мин, свыше 10 мм - 20 мин + 1 мин на 1 мм максимальной толщины; охлаждение с максимально возможной скоростью до 870-900 °С; выдержка при 870-900 °С в течение 2-3 ч; охлаждение с печью до 300 °С (скорость - 50-100 град/ч), далее охлаждение на спокойном воздухе.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Аустенизация является ведущим процессом в формировании свойств участков зоны термического влияния в широком диапазоне температур. Поэтому целесообразно разделить зону термического влияния по принципу полноты характера аустенизации на три температурные области. Температурный интервал этих областей зависит от многих факторов и определяется особенностями как технологического процесса сварки, так и свойствами основного металла. [1]

Аустенизация - это термообработка стали ( процесс, аналогичный закаливанию углеродистых сталей), состоящая из нагрева ее до 1050 - 1100 С, кратковременного ( в течение 10 мин) выдерживания при этой температуре и последующего быстрого охлаждения. В процессе нагрева карбиды хрома ( и углерод) полностью растворяются в аустените; быстрое охлаждение препятствует повторному выделению карбидов. Если применялась сварка, то изготовленные изделия рекомендуется вновь подвергнуть аустенизации. [2]

Аустенизация при 1065 С или стабилизирующий отжиг мало изменяют механические свойства сварочного соединения, но сказываются на коррозионной стойкости, что подробно описано в соответствующих разделах. [4]

Аустенизация ( закалка на аустенит) состоит из нагрева сварного соединения паропроводов до 1050 - 1150 С, непродолжительной выдержки - например час, и последующего охлаждения на воздухе или в воде. Целью аустенизации является получение однородной структуры аустенита, улучшение свойств стали и снижение уровня остаточных сварочных напряжений. Аустенизации подвергаются сварные соединения паропроводов из жаропрочных высоколегированных сталей аустепитного класса. [6]

Аустенизация ( закалка на аустенит) проводится для сварных соединений из аустепитных сталей. При аустенизации сварное соединение нагревают до 1075 - 1125 С, выдерживают при этой температуре около 1 ч и затем быстро охлаждают на воздухе. [7]

Аустенизация ( закалка на аустенит) проводится для сварных соединений из аустенитных сталей. При аустенизации сварное соединение нагревают до 1075 - 1125 С, выдерживают при этой температуре около 1 ч н затем быстро охлаждают на воздухе. [8]

Аустенизация применяется для марок стали аустеннтного класса ( в большинстве случаев для нержавеющих и жаропрочных, см. стр. [9]

Аустенизация при высоких температурах имеет целью перевести выделившиеся при предшествующей обработке карбиды и другие избыточные фазы в твердый раствор, а последующее старение имеет целью вторичное выделение из твердого раствора некоторого количества избыточных фаз, но в состоянии высокой их дисперсности. [10]

Аустенизация ( нагрев на 1050 и выдержка 2 часа) сильно увеличивает проникающую способность УЗВ. [11]

Аустенизация восстанавливает свойства металла деформированных ги-бов. Необходим нагрев до 1050 - 1 100 С с выдержкой в течение 30 мин. [13]

Аустенизация гибов поверхностей нагрева может производиться также с помощью непосредственного нагрева трубы током, при этом выдержка при температуре 1100 - 1120 С не должна быть менее 4 мин. [14]

Аустенизацию и стабилизирующий отжиг используют для термической обработки сварных соединений из хро-моникелевых и нержавеющих сталей. При аустенизации сварное соединение нагревают до 1050 - 1100 С, выдерживают в течение 1 - 2 ч и охлаждают на воздухе. В результате удается получить однородную структуру аусте-нита, улучшить механические свойства металла ( особенно пластичность) и на 70 - 80 % снизить уровень остаточных сварочных напряжений. При стабилизирующем отжиге сварное соединение нагревают до 950 - 970 С, выдерживают в течение 2 - 3 ч и охлаждают на воздухе. [15]

Стабилизирующий отжиг применяют для тех же сталей с целью снижения сварочных напряжений на 70 - 80 %, обеспечения стабильной структуры и предупреждения появления коррозионных трещин. Улучшение относится к полной термической обработке и производится в стационарных термических печах. Оно снижает остаточные сварочные напряжения и полностью восстанавливает структуру и свойства металла, изменившиеся от сварки. [2]

Стабилизирующий отжиг препятствует появлению склонности к межкристаллитной коррозии после сенсибилизации, но все же не обеспечивает достаточную стойкость в азотной кислоте. Из этого можно сделать вывод, что стабилизирующий отжиг устраняет склонность к межкристаллитной коррозии только карбидного типа. [3]

Стабилизирующий отжиг повышает также стойкость наплавленного металла шва к межкристаллитной коррозии. Швы, подвергшиеся стабилизирующему отжигу, могут иметь в наплавленном металле от 0 08 до 0 09 % С, не проявляя склонности к межкристаллитной коррозии. Особенно благоприятное влияние оказывает стабилизирующий отжиг на сварные швы, содержащие определенное количество титана, при автоматической сварке. [4]

Стабилизирующий отжиг частично устраняет склонность высоколегированных модифицированных и стабилизированных сталей к межкристаллитной коррозии в 70 % H2S04 при 100 С. Однако такая термообработка часто ведет к образованию а-фазы, влияние которой на коррозионное поведение сталей этого типа пока еще полностью не выяснено. [6]

Стабилизирующий отжиг ( 900 - 1000 С) после МТО приводит к снижению уровня упрочнения за счет развивающихся процессов рекристаллизации. [8]

Стабилизирующий отжиг имеет цель стабилизацию вообще или дополнительную стабилизацию стали с карби-дообразующими элементами для сварных конструкций. [9]

Стабилизирующий отжиг широко применяется для лопаток турбин ГТД с целью снятия напряжений, возникающих на поверхности деталей при механической обработке. Этот отжиг проводят на готовых деталях при температурах, близких к эксплуатационным. Аналогичная обработка была опробована на титановых сплавах, применяемых для лопаток компрессора. [10]

Стабилизирующий отжиг имеет значительный резерв применения. Дело в том, что для сварных изделий может проводиться местный стабилизирующий отжиг замыкающего шва, если все свариваемые элементы были подвергнуты стабилизирующему отжигу до сварки. При этом следует обеспечить равномерный нагрев всего шва и прилегающего к нему основного металла на ширину не менее 200 мм. Это может быть достигнуто с помощью индукционного нагрева токами промышленной частоты или инфракрасными нагревателями. [11]

Стабилизирующий отжиг при 900 С с охлаждением в печи почти полиостью снимает остаточные напряжения даже в изделиях сложной формы. [12]

Стабилизирующий отжиг снимает напряжения, а это ведет к снижению прочности. [13]

Стабилизирующий отжиг аустенитных сталей , содержащих сильные карбидообразующие элементы, заключается в выдержке стали в течение 2 - 3 ч при 850 - 900 С и охлаждении на воздухе. [14]

Стабилизирующим отжигом называется особый вид термической обработки листовой стали или готовых изделий, при котором в металле достаточно быстро проходят диффузионные процессы, выравнивающие содержание хрома по сечению зерна и приводящие структуру стали в стабильное состояние. Наблюдаемое при этом выделение карбидов хрома по границам зерен не может повлечь за собой ( при благоприятных условиях) возникновение склонности к межкристаллитной коррозии или снижение сопротивляемости общей коррозии, поскольку при этом режиме термической обработки диффузионные процессы в стали Х18Н9, выравнивающие концентрацию хрома в зерне, идут с большой скоростью и обеднение границ зерен по содержанию хрома практически не происходит. Стабилизирующий отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры 850 - 900 С с выдержкой, достаточной для того, чтобы процессы распада твердого раствора аустенита и выравнивание концентраций хрома по сечению зерна были полностью закончены. Обычно выдержка 3 - 5 ч является достаточной для завершения этих процессов. [15]

Стабилизированные стали также следует применять в тех случаях, когда наряду с коррозионной стойкостью предъявляются требования по прочности, так как низкоуглеродистые стали имеют более низкую прочность, чем стабилизированные стали. [1]

Стабилизированные стали и сплавы ( содержащие титан или ниобий) и нестабилизированные стали и сплавы с содержанием углерода не более 0 03 %, следует испытывать на образцах после термической обработки по режимам, указанным в нормативно-технической документации на продукцию, и дополнительного провоцирующего нагрева, который может вызвать склонность стали или сплава к межкристаллитной коррозии. [2]

Стабилизированные стали или сплавы, предназначенные для изделий, работающих при температуре выше 350 С, допускается испытывать на образцах, температура провоцирующего нагрева и время выдержки которых устанавливаются в нормативно-технической документации. [3]

Стабилизированные стали различных марок имеют широкое распространение. К их преимуществам относятся отсутствие выпадения карбидов при на-грево до критической температуры и более высокий предел текучести при высоких и при низких температурах. [4]

Поскольку стабилизированные стали используются не только в средах, воздействие которых может быть охарактеризовано стандартным испытанием, но и в азотной кислоте, в этой главе будут рассмотрены результаты испытаний, полученные обоими методами. [5]

Для стабилизированных сталей после отжига допускаются значительно меньшие скорости охлаждения. [6]

У стабилизированных сталей ( 1Х18Н9Т, Х18Н11Б) выпадение карбидов после резки не происходит независимо от скорости резки. [7]

У стабилизированных сталей стабилизирующий отжиг при 870 С в течение 2 ч значительно ограничивает область склонности к межкристаллитной коррозии, которой они обладают при степени стабилизации меньше критической ( см. гл. Конечно, стабилизирующий отжиг сказывается благоприятно и в случае нестабилизированных сталей, хотя в гораздо меньшей степени. [8]

Стойкость стабилизированных сталей против межкристаллитной коррозии может быть дополнительно повышена стабилизирующим отжигом ( рис. 65, Ь, см. также гл. [9]

В стабилизированных сталях отжиг преследует цель перевести углерод из карбидов хрома в специальные карбиды титана или ниобия, высвободив таким образом хром, необходимый для создания определенного уровня коррозионной стойкости. Обычно температуру отжига выбирают в зоне наиболее активного выделения специальных карбидов, что на практике составляет 850 - 950 С. [10]

В стабилизированных сталях 12Х18Н10Т и 08Х18Н12Б помимо кубического карбида хрома образуется также кубический карбид типа МеС ( TiC, NbC), в котором до 30 % атомов, например титана, могут быть замещены атомами хрома, в результате чего может образоваться сложный карбид типа ( TiCr) С. [11]

В стабилизированных сталях высокотемпературный сварочный нагрев при растворении исходных карбидных частиц вызывает рост зерен и образование на их границах высокотемпературных сегрегации углерода. Выпадение карбидов типа ( Сг, Р) 2зС6 вызывает обеднение хромом металла, прилегающего к частицам, и, соответственно, коррозию. Повторный нагрев такого металла при наличии высокотемпературных сегрегации при температурах 450 - 750 С при многослойной сварка и отжиге приводит к еще более активному кар видообразованию и усилению коррозии. [12]

В стабилизированных сталях элементы-стабилизаторы тормозят диффузию хрома, горофильны по отношению к железным сплавам и обладают большим сродством с углеродом и большей диффузионной подвижностью при высоких температурах, чем хром и железо. При высокотемпературном нагреве они вместе с углеродом активно адсорбируются на границах зерен, а при охлаждении в диапазоне температур 1000 - 750 С образуют крупные дендритные карбиды, расходуя основную массу углерода за очень короткое время, исчисляемое микросекундами. В температурных условиях околошовной зоны сварных соединений карбиды хрома за такое время, так же как и в нестабилизированных аустенитных сталях, возникнуть не успевают. [13]

Итак, стабилизированные стали должны содержать достаточное по отношению к углероду количество карбидобразующего элемента ( достаточная стабилизация), который должен связать углерод в специальные карбиды и этим сделать невозможным выпадение карбидов хрома. В этом случае стали ведут себя приблизительно так, как если бы они почти совсем не содержали углерода. Изделия, изготовленные с применением сварки из правильно стабилизированных сталей [226, 244], оказываются и без последующего отжига стойкими к меж-кристаллитной коррозии в зонах, подвергшихся термическому влиянию. Однако, при более длительных выдержках в условиях критических температур и стабилизированные таким образом стали становятся также в различной мере склонными к межкристаллитной коррозии в зависимости от степени стабилизации. Действительно, ранее было установлено, что растворяющий отжиг при температуре 1150 С уже может оказать влияние на стойкость стали с более низким содержанием титана и ниобия. При этой температуре еще не может произойти значительный рост зерна, поэтому увеличение количества карбидов хрома, выделяющихся по границам зерен в зоне термического влияния сварного соединения, нельзя в этом случае объяснить только уменьшением всей поверхности границ за счет роста зерна. Точно так же гипотеза о значительной поверхностной активности углерода по отношению к хромоникелевому аусте-ниту, основанная на современных представлениях о роли поверхностных слоев кристаллов твердого раствора при термообработке поликристаллических веществ и очень хорошо описывающая распределение углерода в аустените, не объясняет процесс освобождения связанного в специальном карбиде углерода во время растворяющего отжига при высоких температурах. Чтобы в поверхностных слоях аустенитных зерен могла повыситься концентрация углерода, прежде всего должна произойти диссоциация присутствующих в структуре карбидов титана, ниобия или тантала, а для этого углерод и карбидобразующий элемент должны перейти в твердый раствор. [14]

Однако использование стабилизированных сталей оказывается необходимым в любом случае, в том числе и для плакированного листа, если сосуд подвергается термообработке после сварки в обычном интервале температур, поскольку при этом в нестаби-лизированной стали с 18 % Сг и 8 % Ni происходит выделение карбидов. [15]

Аустенитные нержавеющие стали: структура и свойства

Хромоникелевые аустенитные стали в ГОСТ 5632-72

В ГОСТ 5632-72 хромоникелевые аустенитные стали представлены марками 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х18Н10, 03Х18Н11.

Роль хрома в аустенитных нержавеющих сталях

Роль никеля в аустенитных нержавеющих сталях

Фазовые превращения в аустенитных нержавеющих сталях

В хромоникелевых аустенитных сталях могут происходить следующие фазовые превращения:

выделение избыточных карбидных фаз и σ-фазы при нагреве в интервале в интервале 450-900 ºС;
образование в аустенитной основе δ-феррита при высокотемпературном нагреве;
образование α-фазы мартенситного типа при холодной пластической деформации или охлаждении ниже комнатной температуры.

Межкристаллитная коррозия в аустенитных нержавеющих сталях

Склонность стали к межкристаллитной коррозии проявляется в результате выделения карбидных фаз. Поэтому при оценке коррозионных свойств стали важнейшим фактором является термокинтетические параметры образования в ней карбидов.

при содержании углерода 0,084 % — уже в течение 1 минуты;
при содержании углерода 0,054 % — в течение 10 минут;
при содержании углерода 0,021 5 – через более чем 100 минут.

С уменьшением содержания углерода одновременно снижается температура, которая соответствует минимальной длительности изотермической выдержки до начала межкристаллитной коррозии.

Сварка аустенитных нержавеющих сталей

Межкристаллитная коррозия при 500-600 ºС

Стабилизация стали титаном и ниобием

Азот в аустенитных нержавеющих сталях

Азот, как и углерод, имеет переменную растворимость в аустените. Азот может образовывать при охлаждении и изотермической выдержке самостоятельные нитридные фазы или входить в состав карбидов, замещая в них углерод. Влияние азота на склонность к межкристаллитной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей значительно слабее, чем у углерода, и начинает проявляться только при содержании его более 0,10-0,15 %. Вместе с тем, введение азота повышает прочность хромоникелевой аустенитной стали. Поэтому на практике применяют в этих сталях небольшие добавки азота.

Влияние содержания хрома

С повышением концентрации хрома растворимость углерода в хромоникелевом аустените уменьшается, что облегчает выделение в нем карбидной фазы. Это, в частности, подтверждается снижением ударной вязкости стали с повышением содержания хрома, что связывают с образованием карбидной сетки по границам зерен.

Вместе с тем, повышение концентрации хрома в аустените приводит к существенному снижению склонности стали к межкристаллитной коррозии. Это объясняют тем, что хром существенно повышает коррозионную стойкость стали. Более высокая концентрация хрома в стали дает меньшую степень обеднения им границ зерен при выделении там карбидов.

Влияние содержания никеля

Никель снижает растворимость углерода в аустените и тем самым снижает ударную вязкость стали после отпуска и повышает ее склонность к межкристаллитной коррозии.

Влияние легирующих элементов на структуру стали

По характеру влияния легирующих и примесных элементов на структуру хромоникелевых аустенитных сталей при высокотемпературных нагревах их разделяют на две группы:
1) ферритообразующие элементы: хром, титан, ниобий, кремний;
2) аустенитообразующие элементы: никель, углерод, азот.

Дельта-феррит в хромомолибденовой аустенитной стали

Количество феррита в стали жестко лимитируется соотношением в ней хрома и никеля, а также технологическими средствами. Наиболее склонна к образованию дельта-феррита группа сталей типа Х18Н9Т (см. также Нержавеющие стали). При нагреве этих сталей до 1200 ºС в структуре может содержаться до 40-45 % дельта-феррита. Наиболее стабильными являются стали типа Х18Н11 и Х18Н12, которые при высокотемпературном нагреве сохраняют практически чисто аустенитную структуру.

Мартенсит в хромоникелевых аустенитных сталях

В пределах марочного состава в сталях типа Х18Н10 хром, никель, углерод и азот способствуют понижению температуры мартенситного превращения, которое вызывается охлаждением или пластической деформацией.

Влияние титана и ниобия может быть двояким. Находясь в твердом растворе, оба элемента повышают устойчивость аустенита в отношении мартенситного превращения. Если же титан и ниобий связаны в карбонитриды, то они могут несколько повышать температуру мартенситного превращения. Это происходит потому, что аустенит в этом случае обедняется углеродом и азотом и становится менее устойчивым. Углерод и азот являются сильными стабилизаторами аустенита.

Термическая обработка хромоникелевых аустенитных сталей

Для хромоникелевых аустенитных сталей возможны два вида термической обработки:

Параметры термической обработки отличаются для нестабилизированных сталей и сталей, стабилизированных титаном или ниобием.

Закалка является эффективным средством предупреждения межкристаллитной коррозии и придания стали оптимального сочетания механических и коррозионных свойства.

Стабилизирующий отжиг закаленной стали переводит карбиды хрома:

в неопасное для межкристаллитной коррозии состояние для нестабилизированных сталей;
в специальные карбиды для стабилизированных сталей.

Закалка аустенитных хромоникелевых сталей

В сталях без добавок титана и ниобия под закалкой понимают нагрев выше температуры растворения карбидов хрома и достаточно быстрое охлаждение, фиксирующее гомогенный гамма-раствор. Температура нагрева под закалку с увеличением содержания углерода возрастает. Поэтому низкоуглеродистые стали закаливаются с более низких температур, чем высокоуглеродистые. В целом интервал температуры нагрева составляет от 900 до 1100 ºС.

Длительность выдержки стали при температуре закалки довольно невелика. Например, для листового материала суммарное время нагрева и выдержки при нагреве до 1000-1050 ºС обычно выбирают из расчета 1-3 минуты на 1 мм толщины.

Охлаждение с температуры закалки должно быть быстрым. Для нестабилизированных сталей с содержанием углерода более 0,03 % применяют охлаждение в воде. Стали с меньшим содержанием углерода и при небольшом сечении изделия охлаждают на воздухе.

Стабилизирующий отжиг аустенитных хромоникелевых сталей

В нестабилизированных сталях отжиг проводят в интервале температур между температурой нагрева под закалку и максимальной температуры проявления межкристаллитной коррозии. Величина этого интервала в первую очередь зависит от содержания хрома в стали и увеличивается с повышением его концентрации.

В стабилизированных сталях отжиг проводят для перевода углерода из карбидов хрома в специальные карбиды титана и ниобия. При этом освобождающийся хром идет на повышение коррозионной стойкости стали. Температура отжига обычно составляет 850-950 ºС.

Стойкость аустенитных хромоникелевых сталей к кислотам

Способность к пассивации обеспечивает хромоникелевым аустенитным сталям достаточно высокую стойкость в азотной кислоте. Стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Б и 02Х18Н11 имеют первый балл стойкости:

в 65 %-ной азотной кислоте при температуре до 85 ºС;
в 80 %-ной азотной кислоте при температуре до 65 ºС;
100 %-ной серной кислоте при температуре до 65 ºС;
в смесях азотной и серной кислот: (25 % + 70 %) и 10 % + 60 %) при температуре до 70 ºС;
в 40 %-ной фосфорной кислоте при 100 ºС.

Аустенитные хромоникелевые стали имеют также высокую стойкость к растворах органических кислот — уксусной, лимонной и муравьиной, а также в щелочах КОН и NaOH.

Читайте также: