Как легирующий элемент влияет на нержавеющую сталь?

Химический состав оказывает большое влияние на микроструктуру, механические свойства, физические свойства и коррозионную стойкость стали. Хром, молибден, никель и другие легирующие элементы могут заменить угол вершины решетки аустенита и центр шести сторон куба. Железо, углерод и азот расположены в зазоре между атомами решетки (положение зазора) из-за малого объема. , создают огромные напряжения в решетке и становятся эффективными упрочняющими элементами. Различные легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали, иногда полезно, а иногда вредно. Основные легирующие элементы аустенитной нержавеющей стали оказывают следующее воздействие:

 

Кр

Хром – это легирующий элемент, который делает нержавеющую сталь «нержавеющей». Для образования поверхностной пассивационной пленки, характерной для нержавеющей стали, требуется не менее 10,5% хрома. Пассивационная пленка может сделать нержавеющую сталь эффективной стойкой к агрессивной воде, различным кислотным растворам и даже сильному окислению, вызванному высокотемпературной газовой коррозией. Когда содержание хрома превышает 10,51ТР3Т, коррозионная стойкость нержавеющей стали повышается. Содержание хрома в 304 нержавеющая сталь — 18%, а некоторые высококачественные аустенитные нержавеющие стали имеют содержание хрома от 20% до 28%.

 

Ни

Никель может образовывать и стабилизировать аустенитную фазу. 81ТП3ТНи производит нержавеющая сталь 304, что придает ему механические свойства, прочность и вязкость, необходимые аустениту. Высококачественные аустенитные нержавеющие стали содержат высокие концентрации хрома и молибдена, а никель добавляется для поддержания аустенитной структуры, когда в сталь добавляется больше хрома или других ферритообразующих элементов. Аустенитная структура может быть гарантирована за счет содержания никеля примерно 20%, а стойкость нержавеющей стали к коррозионному разрушению под напряжением может быть значительно улучшена.

Никель также может снизить скорость наклепа во время холодной деформации, поэтому сплавы, используемые для глубокой вытяжки, формования и холодной высадки, обычно имеют высокое содержание никеля.

 

Мо

Молибден улучшает стойкость нержавеющей стали к точечной и щелевой коррозии в хлоридной среде. Сочетание молибдена и хрома, особенно азота, придает высокопроизводительной аустенитной нержавеющей стали высокую устойчивость к точечной и щелевой коррозии. Мо также может улучшить коррозионную стойкость нержавеющей стали в восстановительных средах, таких как соляная кислота и разбавленная серная кислота. Минимальное содержание молибдена в аустенитной нержавеющей стали составляет около 2%, например, в нержавеющей стали 316. Высококачественные аустенитные нержавеющие стали с максимальным содержанием легирующих элементов содержат до 7,5% молибдена. Молибден способствует образованию ферритной фазы и влияет на фазовое равновесие. Он участвует в образовании нескольких вредных вторичных фаз и образует нестабильные высокотемпературные оксиды, отрицательно влияет на стойкость к высокотемпературному окислению, поэтому необходимо учитывать использование молибденсодержащей нержавеющей стали.

 

С

Углерод стабилизирует и упрочняет аустенитную фазу. Углерод является полезным элементом для нержавеющей стали, используемой в высокотемпературных средах, например, в котельных трубах, но в некоторых случаях может оказывать вредное воздействие на коррозионную стойкость. Содержание углерода в большинстве аустенитных нержавеющих сталей обычно ограничивается минимально возможным уровнем. Содержание углерода в сварочных марках (304Л, 201L и 316L) ограничено значением 0,030%. Содержание углерода в некоторых высоколегированных высокопроизводительных марках ограничено даже до 0,020%.

 

Н

Азот стабилизирует и упрочняет аустенитную фазу, а также замедляет сенсибилизацию карбидов и образование вторичной фазы. Как стандартные аустенитные нержавеющие стали, так и высокопроизводительные аустенитные нержавеющие стали содержат азот. В низкоуглеродистой марке (Л) небольшое количество азота (до 0,11ТП3Т) способно компенсировать потерю прочности из-за низкого содержания углерода. Азот также помогает повысить устойчивость к хлоридной точечной и щелевой коррозии, поэтому некоторые из лучших коррозионностойких высокопроизводительных аустенитных нержавеющих сталей имеют содержание азота до 0,5%.

 

Мин.

Сталелитейные заводы используют марганец для раскисления расплавленной стали, поэтому небольшое количество марганца остается во всей нержавеющей стали. Марганец также может стабилизировать аустенитную фазу и улучшить растворимость азота в нержавеющей стали. Таким образом, в нержавеющей стали серии 200 марганец можно использовать для замены части никеля для увеличения содержания азота, улучшения прочности и коррозионной стойкости. Марганец добавляется в некоторые высокопроизводительные аустенитные нержавеющие стали для достижения того же эффекта.

 

Cu

Медь может улучшить коррозионную стойкость нержавеющей стали в восстанавливающих кислотах, таких как некоторые смешанные растворы серной и фосфорной кислот.

 

Си

В целом кремний является полезным элементом в аустенитной нержавеющей стали, поскольку он может улучшить коррозионную стойкость стали в концентрированной кислоте и средах с высоким уровнем окисления. Сообщается, что UNS S30600 и другие специальные нержавеющие стали с высоким содержанием кремния обладают высокой стойкостью к точечной коррозии. Кремний, как и марганец, можно использовать и для раскисления расплавленной стали, поэтому в стали всегда остаются мелкие оксидные включения, содержащие кремний, марганец и другие раскисляющие элементы. Но слишком большое количество включений повлияет на качество поверхности изделия.

 

Нб и Ти

Эти два элемента являются сильными карбидообразующими элементами и могут использоваться вместо низкоуглеродистых марок для снижения сенсибилизации. Карбид ниобия и карбид титана могут улучшить жаропрочность. 347 а нержавеющие стали 321, содержащие Nb и Ti, обычно используются в котлах и нефтеперерабатывающем оборудовании для удовлетворения требований к высокотемпературной прочности и свариваемости. Они также используются в некоторых процессах раскисления в качестве остаточных элементов в высокоэффективных аустенитных нержавеющих сталях.

 

С и П

Сера одновременно полезна и вредна для нержавеющей стали. Это может улучшить производительность обработки, вред заключается в снижении термической обрабатываемости, увеличении количества включений сульфида марганца, что приводит к снижению коррозионной стойкости нержавеющей стали. Высококачественную аустенитную нержавеющую сталь нелегко нагревать, поэтому содержание серы следует контролировать на минимально возможном уровне, около 0,001%. Серу обычно не добавляют в качестве легирующего элемента в высокопроизводительные аустенитные нержавеющие стали. Однако содержание серы в нержавеющей стали стандартного сорта часто бывает высоким (0,005% ~ 0,017%), чтобы улучшить глубину провара при сварке самоплавлением и улучшить характеристики резки.

Фосфор является вредным элементом и может отрицательно влиять на свойства горячей обработки при ковке и горячей прокатке. В процессе охлаждения после сварки это также будет способствовать возникновению термических растрескиваний. Поэтому содержание фосфора следует контролировать на минимальном уровне.