Аустенитная сталь¶

Аустенитная сталь — класс коррозионно-стойких (нержавеющих) легированных сталей с аустенитной структурой, в которой основной фазой при комнатной температуре остаётся аустенит (гамма-железо, γ-Fe) — твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в гранецентрированной кристаллической решётке. Аустенитные стали составляют наибольшую долю среди всех марок нержавеющих сталей и применяются там, где требуются одновременно коррозионная стойкость, пластичность и работоспособность при низких и повышенных температурах.

¶Структура и легирование

Аустенит — метастабильная фаза железа, устойчивая при комнатной температуре только при наличии легирующих элементов. В чистом железе аустенит существует в интервале температур 912–1394 °C и при охлаждении превращается в феррит. Стабилизировать аустенит при нормальной температуре позволяют прежде всего никель, марганец и азот — элементы с гранецентрированной решёткой, «растворяющие» γ-фазу.

Основные легирующие элементы аустенитных сталей:

Углерод в большинстве современных марок ограничен уровнем 0,03 % и ниже (так называемые сверхнизкоуглеродистые марки), поскольку избыточный углерод при нагреве в диапазоне 450–850 °C образует карбиды хрома по границам зёрен, что резко снижает коррозионную стойкость.

¶Классификация

По структурному признаку аустенитные стали делят на:

• хромоникелевые (тип 300 по AISI) — наиболее распространённые, содержат 16–26 % Cr и 6–22 % Ni;
• хромомарганцево-азотные (тип 200 по AISI) — частично или полностью без никеля, с повышенным содержанием марганца и азота;
• аустенитно-ферритные (дуплексные) — содержат 25–50 % феррита, обладают повышенной прочностью;
• аустенитно-мартенситные (полуаустенитные) — могут упрочняться термообработкой.

По назначению выделяют конструкционные, жаропрочные (аустенитные жаростойкие стали с добавками никеля и кремния), коррозионно-стойкие и низкотемпературные марки.

¶Основные марки

Наиболее известные марки аустенитных нержавеющих сталей:

• 08Х18Н10 ( AISI 304 ) — базовая «пищевая» сталь, 18 % Cr, 10 % Ni, применяется в пищевом оборудовании, посуде, архитектурных конструкциях;
• 03Х17Н14М2 ( AISI 316L ) — с добавлением молибдена, устойчива в морской воде и кислотных средах, применяется в химической и медицинской промышленности;
• 12Х18Н10Т ( AISI 321 ) — стабилизирована титаном, применяется в трубах и ёмкостях, работающих при повышенных температурах;
• 08Х18Н12Б ( AISI 309/310 ) — жаростойкие марки, работоспособны до 1000–1100 °C;
• 08Х18Н9 ( AISI 302 ) — более ранняя марка с повышенным углеродом, ныне вытеснена сверхнизкоуглеродистыми аналогами.

В России аустенитные стали нормируются стандартами ГОСТ 5632 (высоколегированные сплавы) и ГОСТ 7350 (коррозионно-стойкие стали), а также отраслевыми ТУ.

¶Свойства

Аустенитные стали обладают рядом характеристик, определяющих их широкое применение:

• Высокая коррозионная стойкость в атмосфере, пресной и морской воде, окислительных кислотах (азотной, серной в разбавленном виде), щелочах.
• Отличная пластичность и обрабатываемость давлением — сталь легко деформируется, штампуется, гнётся.
• Низкотемпературная работоспособность — в отличие от ферритных и углеродистых сталей, аустенитные не хрупнут при охлаждении до −196 °C (жидкий азот) и −253 °C (жидкий водород), что делает их основным материалом для криогенных ёмкостей и трубопроводов.
• Жаропрочность — жаростойкие марки сохраняют механические свойства при 600–1100 °C.
• Намагничивание при деформации — при холодной пластической деформации аустенит может превращаться в мартенсит, придавая изделию слабые магнитные свойства.
• Низкая теплопроводность (около 15–25 Вт/(м·К)) и высокий коэффициент линейного расширения — эти свойства учитывают при проектировании сварных конструкций.

Твёрдость аустенитных сталей в отожжённом состоянии невысока (150–220 HB), предел прочности — 500–750 МПа, относительное удлинение — 40–60 %.

¶Применение

Аустенитные стали используются в широком спектте отраслей:

• Пищевая и фармацевтическая промышленность — ёмкости, трубопроводы, оборудование для стерилизации, кухонный инвентарь.
• Химическая промышленность — реакторы, теплообменники, аппаратура для производства кислот и удобрений.
• Нефтегазовая отрасль — обсадные и насосно-компрессорные трубы, оборудование для переработки сероводородсодержащих сред (марки с повышенным содержанием молибдена и азота).
• Энергетика — элементы паровых котлов, турбин, теплообменников, трубопроводы атомных электростанций.
• Криогенная техника — ёмкости и трубопроводы для хранения и транспортировки сжиженных газов.
• Строительство и архитектура — фасадные панели, ограждения, декоративные элементы.
• Медицина — хирургические инструменты, имплантаты, стоматологические конструкции.
• Пищевое оборудование и бытовая техника — раковины, мойки, вытяжки, корпуса приборов.

¶Свариваемость

Аустенитные стали хорошо свариваются, однако требуют контроля ряда параметров. Основные технологические особенности:

• Необходимость защиты обратной стороны шва инертным газом (аргоном) для предотвращения окисления.
• Риск межкристаллитной коррозии в зоне термического влияния — устраняется применением сверхнизкоуглеродистых марок (с индексом «L») или стабилизированных титаном/ниобием.
• Склонность к «горячим трещинам» из-за высокого коэффициента линейного расширения и низкой теплопроводности — компенсируется подбором режимов и присадочных материалов.
• Образование окалины и потеря коррозионной стойкости сварного шва — устраняется травлением и пассивацией кислотными растворами.

¶Ограничения

Недостатками аустенитных сталей считаются: относительно невысокая прочность и твёрдость (по сравнению с мартенситными и дуплексными сталями), высокая стоимость из-за содержания никеля и молибдена, подверженность коррозии под напряжением в средах с ионами хлора, а также склонность к образованию окалины при сварке.

Источники:

• ГОСТ 5632-2014. Высоколегированные жаростойкие, жаропрочные и коррозионностойкие стали и сплавы.
• ГОСТ 7350-77. Сталь коррозионностойкая, жаростойкая и жаропрочная.
• Справочник «Материаловедение», под ред. В. Г. Лазарева.
• Справочник «Металловедение», Б. Л. Орлин, Н. Г. Рудный.
• Постников И. С. «Справочник по сварке легированных сталей».
• AISI/ASTM Standards for Stainless Steels.