Didelio našumo austenitinio nerūdijančio plieno vadovas -- Metalurgijos apžvalga

1. Nerūdijančio plieno rūšys

Nerūdijantis plienas yra geležies lydinys, kuriame chromo kiekis ne mažesnis kaip 10,5 proc. Jis plačiai naudojamas dėl gero atsparumo korozijai ir aukštos temperatūros veikimo. Kai chromo kiekis pasiekia 10,5 proc., plieno paviršiuje susiformuoja chromo turinčio oksido sluoksnis, vadinamas pasyvavimo sluoksniu arba pasyvavimo plėvele. Ši plėvelė apsaugo nerūdijantį plieną nuo rūdijimo kaip ir paprastas plienas. Yra daug nerūdijančio plieno rūšių, tačiau visas nerūdijantis plienas turi atitikti minimalų chromo kiekio reikalavimą.

Nerūdijantis plienas skirstomas į penkias kategorijas: austenitinis nerūdijantis plienas, feritinis nerūdijantis plienas, dvipusis nerūdijantis plienas (su mišria ferito ir austenito struktūra), martensitinis nerūdijantis plienas ir kritulių kietėjantis nerūdijantis plienas. Šių kategorijų klasifikacija yra susijusi su nerūdijančio plieno kristalų struktūra (atominiu išdėstymu) ir terminiu apdorojimu. Grupė kristalų, turinčių tą pačią kristalinę struktūrą metale, vadinama faze. Yra trys pagrindinės nerūdijančio plieno fazės: austenitas, feritas ir martensitas. Nerūdijančio plieno metalografinės struktūros tipą ir kiekį galima nustatyti standartiniu metalografiniu tikrinimo procesu ir optiniu metalografiniu mikroskopu.

Austenitinio nerūdijančio plieno savybė yra ta, kad metalografinė struktūra daugiausia yra austenitinė. Austenito fazės kristalinė struktūra yra į veidą orientuota kubinė (fcc) struktūra, tai yra, kiekviename kubo kampe ir centre yra atomas. Priešingai, ferito fazės kristalinė struktūra yra į kūną orientuota kubinė (bcc) struktūra, kurios kiekviename kampe ir kubo centre yra po vieną atomą. Martensito fazės kristalinė struktūra yra didelio įtempimo kūno centre esanti tetragoninė struktūra.

Austenito fazės kristalinė struktūra yra į veidą orientuota kubinė (fcc) gardelė, ferito fazė yra į kūną orientuota kubinė (bcc) gardelė, o martensito fazė yra į kūną orientuota tetragoninė (bct) gardelė.

 

1.1 Austenitinis nerūdijantis plienas:

Austenitinis nerūdijantis plienas neturi magnetizmo, turi vidutinį takumo ribą, aukštą kietėjimo greitį, didelį atsparumą tempimui, gerą plastiškumą ir puikų atsparumą žemoje temperatūroje. Skirtingai nuo kitų nerūdijančiojo plieno, austenitinio nerūdijančio plieno kietumas mažėja lėtai mažėjant temperatūrai. Austenitinis nerūdijantis plienas neturi apibrėžtos kaliojo trapumo temperatūros (DBTT), todėl jis yra ideali medžiaga žemoje temperatūroje.

Austenitinio, feritinio ir dupleksinio (austenitinio-ferito) nerūdijančiojo plieno kaliojo-trapiojo pereinamojo laikotarpio temperatūros (DBTT) diagrama. Tikrasis DBTT priklauso nuo pjūvio storio, cheminės sudėties ir grūdelių dydžio. Feritinio nerūdijančio plieno DBTT paprastai yra nuo 20 iki - 30 laipsnių C (nuo 70 iki - 22 laipsnių F).

 

Austenitinis nerūdijantis plienas turi gerą suvirinamumą ir gali būti įvairių sudėtingų formų. Šios serijos nerūdijančio plieno negalima grūdinti ar sustiprinti termiškai apdorojant, bet galima sustiprinti šalto formavimo arba darbo grūdinimo būdu (žr. ASTM A666). Austenitinis nerūdijantis plienas, ypač standartinis austenitinis nerūdijantis plienas, turi galimą trūkumą, tai yra, palyginti su feritiniu nerūdijančiu plienu ir dvipusiu nerūdijančiu plienu, jis yra linkęs į chlorido įtempių korozijos įtrūkimus.

300 serijos arba standartiniame austenitiniame nerūdijančiame pliene paprastai yra 8–11 procentų nikelio ir 16–20 procentų chromo. Standartinio austenitinio nerūdijančio plieno metalografinė struktūra daugiausia sudaryta iš austenitinių grūdelių ir joje yra nedidelis kiekis (paprastai 1–5 proc.) δ ferito fazės (3 pav.). Dėl ferito fazės šie austenitiniai nerūdijantys plienai turi šiek tiek magnetizmo.

Tipiška kaltinio nerūdijančio plieno 304L metalografinė struktūra sudaryta iš austenitinių grūdelių ir atskiro juostinio ferito © TMR Stainless.

 

Palyginti su 300 serijos nerūdijančiu plienu, 200 serijos austenitinis nerūdijantis plienas turi mažesnį Ni kiekį, bet didesnį Mn ir N kiekį. 200 serijos nerūdijančio plieno stiprumo ir tempimo grūdinimo koeficientas yra didesnis nei 300 serijos nerūdijančio plieno. Dėl mažo nikelio kiekio 200 serijos nerūdijantis plienas kartais naudojamas kaip pigus 300 serijos nerūdijančio plieno pakaitalas.

Aukštos kokybės austenitinio nerūdijančio plieno mikrostruktūra yra visa austenitinė fazė be feromagnetizmo (4 pav.). Palyginti su standartiniu austenitiniu nerūdijančiu plienu, didelio našumo austenitiniame nerūdijančiame pliene yra daugiau nikelio, chromo ir molibdeno elementų ir paprastai yra azoto. Šie nerūdijantys plienai pasižymi dideliu atsparumu korozijai korozinėse aplinkose, tokiose kaip stipri rūgštis, stiprūs šarmai ir daug chlorido, įskaitant sūrų vandenį, jūros vandenį ir sūrų vandenį. Palyginti su standartiniu austenitiniu nerūdijančiu plienu, didelio našumo austenitinis nerūdijantis plienas turi aukštesnį stiprumo laipsnį ir didesnį atsparumą įtempių korozijos įtrūkimams.

Metalografinė struktūra iš 6 procentų Mo didelio efektyvumo austenitinio nerūdijančio plieno, kurį sudaro austenitiniai grūdeliai © TMR Stainless.

 

1.2 Feritinis nerūdijantis plienas:

Feritinio nerūdijančio plieno mikrostruktūra yra ferito fazė. Feritinis nerūdijantis plienas turi mažai nikelio arba visai jo neturi ir yra feromagnetinis. Jis negali būti sukietintas termiškai apdorojant. Šio tipo nerūdijančio plieno feromagnetinės savybės yra panašios į anglinio plieno. Feritinis nerūdijantis plienas turi gerą stiprumą ir atsparumą chlorido įtempių korozijos įtrūkimams yra daug geresnis nei standartinis 300 serijos austenitinis nerūdijantis plienas. Tačiau jų formavimas ir suvirinamumas yra prasti. Jų kietumas nėra toks geras kaip austenitinio nerūdijančio plieno ir mažės didėjant pjūvio storiui. Sumažėjus temperatūrai, feritinis nerūdijantis plienas parodys akivaizdų plastiškumą ir trapumą. Dėl šių veiksnių feritinis nerūdijantis plienas paprastai naudojamas gaminiams, kurių sienelių storis mažesnis, pavyzdžiui, plonoms plokštėms, juostoms ir plonasieniams vamzdžiams.

 

1.3 Dvipusis nerūdijantis plienas:

Dvipusis nerūdijantis plienas susideda iš ferito fazės ir austenito fazės, kurių kiekviena sudaro apie pusę. Dvipusis nerūdijantis plienas turi daug austenitinio ir feritinio nerūdijančio plieno savybių. Nors terminis apdorojimas negali sukietinti tokių plienų, jų takumo riba paprastai yra dvigubai didesnė nei standartinio austenitinio nerūdijančio plieno, o magnetinė trauka yra proporcinga ferito fazės tūrinei daliai. Dvipusio nerūdijančio plieno metalografinės struktūros dvipusė savybė užtikrina didesnį atsparumą įtempių korozijos įtrūkimams nei standartinio austenitinio nerūdijančio plieno.

 

1.4 Martensitinis nerūdijantis plienas:

Martensitinio nerūdijančio plieno mikrostruktūra daugiausia yra martensitas, kuriame gali būti nedidelis kiekis antrinių fazių, tokių kaip feritas, austenitas ir karbidas. Martensitinis nerūdijantis plienas yra feromagnetinis ir panašus į anglinį plieną. Galutinis kietumas priklauso nuo specifinio terminio apdorojimo. Martensitinis nerūdijantis plienas turi didelį stiprumą, gerą atsparumą dilimui, silpną kietumą ir aukštą plastiškumo ir trapumo perėjimo temperatūrą. Juos sunku suvirinti ir paprastai po suvirinimo reikia termiškai apdoroti. Todėl martensitinis nerūdijantis plienas paprastai naudojamas tik ne suvirinimui. Martensitinio nerūdijančio plieno chromo kiekis nėra per didelis. Kai kurie chromo elementai nusėda karbidų pavidalu, todėl atsparumas korozijai yra mažas, paprastai mažesnis nei standartinio 304/304L austenitinio nerūdijančio plieno. Dėl prasto kietumo ir atsparumo korozijai martensitinis nerūdijantis plienas dažniausiai naudojamas darbams, kuriems reikalingas didelis stiprumas ir kietumas, pavyzdžiui, įrankiai, tvirtinimo detalės ir velenai.

 

1.5 Grūdintas nerūdijantis plienas:

Kritulių grūdinimo (PH) nerūdijantis plienas taip pat gali būti sustiprintas termiškai apdorojant. Pagrindinis šio tipo nerūdijančio plieno bruožas yra tai, kad jo dalinis sutvirtinimas pasiekiamas nusodinimo mechanizmu. Smulkios tarpmetalinės nuosėdos susidaro senstant kietinant terminį apdorojimą, siekiant pagerinti stiprumą. Dėl didelio chromo kiekio kritulių kietėjantis nerūdijantis plienas turi didesnį atsparumą korozijai nei martensitinis nerūdijantis plienas ir yra tinkamas didelio stiprumo darbams, kuriems reikalingas geras atsparumas korozijai. Nuo kritulių grūdinamas nerūdijantis plienas daugiausia naudojamas spyruoklėms, tvirtinimo detalėms, orlaivių dalims, velenams, krumpliaračiams, silfonams ir reaktyvinių variklių dalims.

 

2. Fazės sudėtis:

Legiravimo elementai turi įtakos fazių pusiausvyros ryšiui ir turi didelę įtaką austenito, ferito ir martensito fazių stabilumui. Elementai, pridedami prie nerūdijančio plieno, gali būti suskirstyti į ferito fazę formuojančius elementus arba austenito fazes formuojančius elementus. Fazių pusiausvyra priklauso nuo plieno cheminės sudėties, atkaitinimo temperatūros ir aušinimo greičio. Fazių pusiausvyra turi įtakos atsparumui korozijai, stiprumui, kietumui, suvirinamumui ir formavimui.

Feritą formuojantys elementai prisideda prie ferito fazės susidarymo, o austenitą formuojantys elementai skatina austenito fazės susidarymą. 3 lentelėje išvardyti įprasti ferito ir austenito fazes formuojantys elementai. Nerūdijančio plieno klasė ir jos pritaikymas lemia reikiamą fazių balansą. Daugumoje standartinių austenitinio nerūdijančio plieno atkaitinimo tirpalu yra nedidelis kiekis ferito fazės. Atkaitinimas tirpalu gali pagerinti suvirinamumą ir atsparumą aukštai temperatūrai. Tačiau jei ferito fazės kiekis yra per didelis, sumažės kitos savybės, pvz., atsparumas korozijai ir kietumas. Aukštos kokybės austenitinis nerūdijantis plienas yra suprojektuotas pagal visas austenitines fazes tirpalo atkaitinimo sąlygomis.

 

Norint kontroliuoti plieno fazinę sudėtį, taigi ir plieno savybes, būtina išlaikyti lydinio elementų pusiausvyrą. Schaeffler struktūros diagrama (5 pav.) atspindi ryšį tarp nerūdijančio plieno cheminės sudėties ir numatomos fazės struktūros kietėjimo būsenoje, kaip rodo suvirinimo mikrostruktūra. Tokiu būdu vartotojai gali numatyti fazių pusiausvyrą pagal nurodytą cheminę sudėtį. Apskaičiuokite „nikelio ekvivalentą“ ir „chromo ekvivalentą“ pagal cheminę sudėtį ir nubrėžkite juos paveikslėlyje. Schaeffler organizacijos diagramos bendrųjų parametrų formulė yra tokia:

Nikelio ekvivalentas{{0}} procentų Ni plius 30 procentų C plius 0,5 procento Mn plius 30 procentų N

Chromo ekvivalentas{{0}} proc. Cr plius procentas Mo plius 1,5 proc. Si plius 0,5 proc. Nb

Tipiškame didelio našumo austenitiniame nerūdijančiame pliene yra apie 20 procentų Cr, 6 procentų Mo, 20 procentų Ni ir 0,2 procento N, kuris yra vienfazėje austenitinėje fazės zonoje, netoli „feritinės zonos“. " linija su nikelio ekvivalentu apie 24 ir chromo ekvivalentu apie 26. Priešingai, standartinio nerūdijančio plieno (pvz., 304) cheminė sudėtis atitinka dvipusę austenito ir ferito (A ir F) zoną su nedideliu ferito kiekiu. fazė. Feritinis nerūdijantis plienas paveiksle yra ferito fazės zonoje, o dvipusis nerūdijantis plienas yra austenito ir ferito (A ir F) dvipusėje zonoje.