Материаловедение. Реферат Нержавеющие (коррозионностойкие) легированные стали
Скачать 58.87 Kb.
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Институт материалов современной энергетики и нанотехнологии – ИФХ Кафедра наноматериалов и нанотехнологии Реферат Нержавеющие (коррозионностойкие) легированные стали Выполнил: студент группы Ф-30 Суляева Наталья Алексеевна Проверил: ассистент кафедры ИМиЗК к.х.н. Калинкина Анна Анатольевна Москва 2021 год Введение Коррозионностойкая сталь (нержавеющая) – это сталь, стойкая по отношению к коррозии. Такое свойство приобретает железосодержащий металл, когда к основному химическому элементу – Fe добавляют хром в значительном количестве. Получают сплав, характеризующийся новыми качествами, главным из которых является повышенная коррозионностойкость, то есть невосприимчивость к окислительным процессам, происходящем на воздухе или в других средах. История создания нержавеющих сталей В 1820—1821 годах Майкл Фарадей и Пьер Бертье отметили способность сплава хрома с железом сопротивляться кислотной коррозии. Поскольку учёные ещё не знали о роли низкого содержания углерода, они не смогли получить сплав с высоким содержанием хрома. Нержавеющая сталь была запатентована в 1912 году немецкими инженерами. Патент касался аустенитной стали. Название нержавеющая сталь впервые использовал английский инженер Гарри Брирли. Он работал в военной промышленности в лабораториях Браун-Ферт в Шеффилде. В 1913 году Гарри Брирли экспериментировавший с различными видами и свойствами сплавов, обнаружил способность стали с высоким содержанием хрома сопротивляться кислотной коррозии. Англичанину удалось убедить в своем новом изобретении производителя ножей Р. Ф. Мосли. Изначально нержавеющая сталь использовалась только для изготовления столовых приборов. В 1924 году Великобритания запатентовала сталь по стандарту AISI 304, содержащую 18 % хрома и 8 % никеля. Нержавеющие стали делят на три группы: коррозионностойкие стали — от них требуется стойкость к коррозии в несложных промышленных и бытовых условиях (из них можно изготавливать детали оборудования для нефтегазовой, легкой, машиностроительной промышленности, хирургические инструменты, бытовую нержавеющую посуду и тару); жаростойкие стали — от них требуется жаростойкость — то есть стойкость к коррозии при высоких температурах в сильно агрессивных средах (например, на химических заводах); жаропрочные стали — от них требуется жаропрочность — то есть хорошая механическая прочность при высоких температурах. Химическая основа коррозионностойких сплавов Нержавеющие сплавы железа основаны на правиле, в соответствии с которым при добавлении к неустойчивому к коррозии металлу другой металл, который образует с ним твердый раствор, то стойкость к процессам ржавления возрастает скачкообразно, а не пропорционально. Легирование стали хромом, то есть добавление порядка 12-30% этого элемента, значительным образом повышает защитные характеристики материала. Это выражается в характеристиках сопротивляемости различным средам: При наличии 13% хрома и выше сплавы не ржавеют в обычных условиях и в средах, которые принято относить к слабоагрессивным. Если в составе хрома 17% и больше, коррозионностойкие качества проявляются в агрессивных окислительных, щелочных и др. растворах. Химическая основа сопротивляемости коррозии заключается в образовании на поверхности предмета из нержавеющей стали пассивирующей пленки окислов благодаря хрому. Эта пленка не пропускает кислород и останавливает окислительные процессы от проникновения внутрь. Эффективность защиты зависит от состояния поверхности металла, отсутствия дефектов и внутренних напряжений в материале. Элементы, которые сопутствуют железу в стальных сплавах: С – углерод, Si – кремний, Mn – марганец, S – сера, P – фосфор и другие. Легирование стали, то есть улучшение её физико-механических характеристик, проводится и другими химическими элементами, помимо Cr. К таким элементам относятся металлы различных групп. В нормативной документации условные обозначения элементов даются на русском языке: Ni – никель (Н), Mn – марганец (Г), Ti – титан (Т), Co – кобальт (К), Mo – молибден (М), Cu – медь (Д). Для стабилизации аустенитной структуры стали, то есть укрепления кристаллической решетки железа, добавляется никель. Прочность закрепляется добавками углерода. Устойчивость к перепадам температуры обеспечивается присадками титана. В особенно агрессивных средах, к примеру – кислотных, действуют сложнолегированные сплавы с присадками никеля, молибдена, меди и других компонентов. При выборе химического состава коррозионностойкого сплава руководствуются так называемым правилом {\displaystyle {\frac {N}{8}}} {\displaystyle {\frac {N}{8}}} : если к металлу, неустойчивому к коррозии (например, к железу) добавлять металл, образующий с ним твёрдый раствор и устойчивый против коррозии (к примеру хром), то защитное действие проявляется скачкообразно при введении {\displaystyle {\frac {1}{8}},{\frac {2}{8}},{\frac {3}{8}}...{\frac {N}{8}}} моль второго металла (коррозионная стойкость возрастает не пропорционально количеству легирующего компонента, а скачкообразно). Маркировка нержавеющих видов сталиВ маркировке металлов используются буквы и цифры. Существует российская классификация марок стали, которая используется в технических и нормативных документах. Параллельно бытует распространенная в мире группа стандартов, разработанных институтом Американским институтом стали и сплавов – AISI (American Iron and Steel Institute) для легированных и нержавеющих сталей. Российские стандарты используют следующую схему. Для примера приведена аустенитная сталь 12Х15Г9 В системе AISI материалы обозначаются тремя-четырьмя цифрами: две первые – группа сталей, две другие — среднее содержание углерода. Буквы могут находиться после второй цифры, впереди или за цифрами. Примеры: 410, 410S, 1045.
Коррозионностойкая сталь — основные виды Коррозионостойкие сплавы определяют по их способности противостоять под действием большого набора естественных и искусственных коррозионных сред: атмосферных, подводной, грунтовой (подземной), щелочной, кислотной, солевой, среды блуждающих токов. Стойкость проявляется к воздействиям химической, электрохимической, межкристаллитной коррозии. Классификация нержавеющих сплавов регулируется нормативными документами ГОСТ, в которых описывается сталь в соответствии с производственными процессами и применением. Сплавы делятся на несколько групп по критерию структуры. Они различаются по процентному содержанию углерода и составу легирующих компонентов. Эти соотношения определяют, где и каким образом может применяться тот или иной тип стали. Основные группы: Ферритные Мартенситные Мартенситно-ферритные Аустенитные Комбинированные Ферритная группаК группе ферритов относятся хромистые стали. Они маркируются литерой F. Стали с большим содержанием хрома — до 30%, и небольшим углерода – до 0,15%. Обладают ферромагнитными свойствами, то есть характеризуются намагниченностью за пределами магнитного поля при низкой критической температуре. Для достижения оптимальных свойств регулируется и находится баланс между содержанием углерода и хрома. Плюсы – высокая прочность и столь же высокая пластичность. Другие характеристики: Хорошая деформируемость в условиях холодной деформации. Высокая коррозийная стойкость. Может подвергаться термообработке методом отжига. Идет на производстве трубопроката, листовых и профилированных промежуточных и конечных изделий. Отрасли, применяющие стали ферритной группы: Химическая и нефтехимическая промышленность. Оборудование и конструкции для работы в кислотной и щелочной среде. Тяжелое машиностроение. Энергетика. Приборостроение для промышленности. Производство бытовой аппаратуры и приборов. Пищевая промышленность. Медицинская промышленность. Примеры марок сталей по ГОСТ и их применения: Сталь 08Х13 – ферритный хромистый сплав. Применяется для производства столовых приборов. Сталь 12Х13 – ферритный хромистый сплав. Используется для хранения алкогольсодержащих продуктов. Сталь 12Х17– ферритный хромистый жаропрочный сплав. В емкостях из него проводится высокотемпературная обработка пищевых продуктов. Мартенситная группаПод мартенситом понимается структура, которая получается в результате закалки заготовки или слитка металла с последующим отпуском. Закалка заключается в нагреве до температуры, которая превышает критическую, отпуск – последующее быстрое охлаждение металла. В результате этого процесса перестраивается кристаллическая решетка, делая материал более твердым. Но может повыситься и хрупкость. Такая процедура дает сплавы, в которых сочетаются Высокая твердость. Высокая прочность. Хорошая упругость. Устойчивость к коррозии. Жаропрочность. Если повысить содержание углерода в сплаве, увеличиваются качества твердости и устойчивости к изнашиванию. Сталь предназначена для изготовления металлоизделий для функционирования в агрессивных средах средней и слабой интенсивности. Свойство упругости позволяет изготавливать такие компоненты оборудования, как пружины, фланцы, валы. Из мартенситной и мартенситно-ферритной комбинированной стали изготавливают режущие элементы — ножи для конструкций в химической промышленности, а также в пищевой. Примеры марок сталей по ГОСТ и их применения: Сталь 20Х13, 30Х13, 40Х13 – мартенситный сплав. Применяется в производстве кухонного оборудования. Сталь 14Х17Н2 — мартенситно-ферритный комбинированный сплав, содержит никель. Используется для производства компрессоров, оборудования для эксплуатации в агрессивных средах и при пониженной температуре. Мартенситно-ферритные нержавеющие стали К этому классу относят стали, содержащие в структуре кроме мартенсита не менее 10% феррита с частичным γ→α превращением. Термокинетическая диаграмма у этих сталей состоит из двух областей превращения. При температурах >600°С при низкой скорости охлаждения возможно образование ферритной составляющей структуры. При большой скорости <400°С охлаждения наблюдается бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Количество образовавшегося мартенсита зависит от содержания углерода и скорости охлаждения. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей мартенситно-ферритного класса зависит от содержания в них хрома. При содержании 17% Cr достигается стойкость в 65%-ной азотной кислоте при 50°С, при дальнейшем повышении концентрации хрома расширяется область применения хромистых нержавеющих сталей в различных средах. Мартенситно-ферритные стали находят довольно широкое применение для изготовления нефтехимической аппаратуры и энергетического оборудования. По свариваемости мартенситно-ферритные нержавеющие стали так же являются неудобными материалами. В связи с неизбежной подкалкой при сварке сварные соединения мартенситно-ферритных сталей склонны к образованию трещин замедленного разрушения. Аустенитная группаАустенитный класс нержавеющих сталей отличается химическим строением, внедрением атомов углерода в молекулярную решетку железа. Содержит большой процент хрома и никеля – до 33%. Это высоколегированные металлы. Немагнитность позволяет применять сплавы в широком спектре производственных процессов. Это обуславливает такие свойства группы металлов, как Пластичность в холодном и горячем состоянии. Прочность. Свариваемость на высоте. Стойкость к агрессивным средам, пример которых — азотная кислота. Экологическая чистота. Устойчивость к электромагнитным излучениям. Для получения стабильного аустенита, гранецентрированной кристаллической решетки железа, сталь легируют никелем, повышая его содержание до 9%. Легирование проводится титаном и ниобием для повышения устойчивости к межкристаллитной коррозии. Такие сплавы получили наименование стабилизированных. Коррозионностойкие стали группы относятся к труднообрабатываемым металлам. Для облегчения работы с ними применяют методы термообработки: отжиг и двойную закалку. Отжиг проводится нагреванием до 1200 гр. С около 3-х часов. Остывание проходит в воде или масляной жидкости, или на открытом воздухе. Таким способом повышается гибкость сплава за счет снижения твердости. Двойная закалка предполагает процесс нормализации твердого раствора металла при температуре 1200 гр. С. Вторично закалка проходит при 1000 гр. С. Происходит увеличение пластичности и жаропрочности – устойчивости к высоким температурам. Аустенитные металлы используются для производства конструкционных материалов под холодную штамповку и сварку. Из них изготавливают: Разнообразные емкости. Строительные конструкции. Трубы из коррозионностойкой стали. Агрегаты для нефтехимии и химического производства. Конструкции для нефтяных вышек, очистительных станций. Механизмы, работающие под водой, такие как, турбины. Силовые приборы в энергетической сфере. Компоненты и агрегаты для автомобилей, самолетов. Оборудование для продуктов питания. Медицинская, фармакологическая аппаратура. Элементы крепежа. Сварные конструкции. Примеры марок сталей по ГОСТ и их применения: Сталь 12Х18Н10Т — высоколегированный хромистый сплав, с присадками никеля и титана. Из нее делают оборудование для нефтепереработки и химической промышленности. Сталь 12Х18Н10Т — аустенитная хромистая сталь с присадкой никеля. Из нее изготавливаются трубопроводы для химической и пищевой индустрии с ограничениями по температуре. Сталь 12Х15Г9НД — высоколегированный сплав, содержащий хром, марганец, никель, медь. Применяется в производстве трубопроводных систем и ёмкостей, работающих с органическими кислотами умеренной агрессивности. Комбинированные сплавыСочетают структуру и свойства аустенитно-мартенситной или аустенитно-ферритной категорий. Аустенитно-ферритные стали содержат небольшое количество никеля, в них высокое содержание хрома (более 20%), легирование проводится ниобием, титаном, медью. После прохождения термической обработки отношение феррита и аустенита становится равновесным. Такие сплавы более прочные, чем аустенитные, отличаются пластичностью, устойчивостью к межкристаллической коррозии. Они хорошо выдерживают ударные нагрузки. Аустенитно-мартенситная группа металлов с содержанием хрома в границах 12-18%, никеля в границах 3,7 -7,5%. Могут использоваться присадки алюминия. Упрочнение проводится закалкой при температуре более 975 гр. С, и последующим отпуском при температуре 450-500 гр. С. Они обладают повышенным показателем предела текучести: характеристики, которая указывает на напряжение, при котором рост деформации продолжается без роста нагрузки. Сплавы демонстрируют хорошую свариваемость и хорошие механические качества. Типология сталей по хромовым и никелевым присадкамСреди сталей коррозионностойкого ряда популярны хромистые и хромоникелевые. Антикоррозионные железосодержащие материалы, в которых находится хром, иначе называют хромистыми сталями. Градация присутствия этого элемента разделяет все хромистые сплавы на категории: Теплоустойчивые мартенситные хромистые (Cr менее 10%). Хромистые антикоррозийные. (Cr в составе не превышает 17%). Антикоррозионные и сложнолегированные (Наличие Cr в границах 12-17%). Хромо-азотистые и кислотоупорные ферритного типа (Состав Cr в границах между 16% и 17%). Жаростойкие легированные: с добавками алюминия, молибдена, кремния и иных металлов. Для хромистых сплавов в целях усиления пластичности и стабилизации кристаллической решетки применяются стабилизирующие элементы, которые снижают содержание углеродной составляющей. Хромоникелевые антикоррозионные сплавы по маркам делят на несколько групп: Аустенитные с низким процентным показателем углерода и стабилизирующими элементами. Кислотостойкие, содержащие присадочные металлы. Жаропрочные, в составе которых процент никеля и хрома – свыше 20%. Аустенитно-мартенситные и аустенитно-ферритные с показателями никеля и хрома на среднем уровне. Особенности производства коррозионностойких сталейВсе производственные процессы в металлургии регулируются нормативными документами ГОСТ и ТУ. Это касается и металлов с антикоррозийными свойствами. Стандарты на изготовление прослеживаются по ряду параметров: Максимальная твердость по шкале Бринелля (НБ). Этот метод подразумевает испытание с помощью вдавливания с использованием способа восстановленного отпечатка или невосстановленного отпечатка и определяется по таблице. Относительное удлинение, измеряемое в %. Параметр определяет пластические свойства металла. Относительное удлинение – увеличение длины испытываемого образца после прохождения предела текучести до разрушения. Предел текучести в Н/м2. Характеристика механических особенностей материала, связанных с напряжением, при котором деформация увеличивается, когда нагрузка закончилась. Единица измерения – паскаль или ньютон на м квадратный. Сопротивление на разрыв или предел прочности в Н/м2. Максимальное значение напряжений материала перед тем, как он разрушится. Допуска по отклонениям процентного отношения химических элементов в готовой продукции Помимо этих параметров в производстве нержавеющих сталей по запросу заказчика могут изменяться и контролироваться показатели: Пределы процентного содержания химических элементов. Нижний предел массовой доли отдельных легирующих компонентов, таких как марганец. Процентное отношение вредных примесей цветных металлов: олова, свинца, висмута, сурьмы, кадмия, мышьяка и других. Магнитные характеристики антикоррозионных сплавовПараметр магнитности характерен для некоторых металлов. Он зависит от таких характеристик, как основная структура металла, состав и особенности сплавов. Комбинации этих переменных предопределяют уровень магнитных характеристик. Ферриты и мартенситы задают ферромагнитные характеристики сплавов. Они настолько же магнитные, как и углеродистая сталь. Магнитные виды материалов легко подвергаются сварке и штамповке, годятся для изготовления р инструментов с режущими поверхностями и столовых приборов. Немагнитные сплавы – аустенитные и аустенитно-ферритные хромистых и марганцевых марок. Отличаясь большой прочностью и коррозийной устойчивостью, они широко применяются в строительной сфере и в разнообразных производственных процессах. ИзготовлениеСуществует 3 метода изготовления нержавеющей стали: Мартеновский. Традиционная методика, применяемая многие десятилетия на разных металлургических, литейных предприятиях. Свое название способ берет от инженера, который создал печь для плавки металлов. Оборудование нагревается до 1700 °C. Длина — 16 метров. Высота — 1 метр. Ширина — до 6 метров. Подобные ванны подходят для переплавки 900 тонн нержавеющей стали. Электросталеплавительный. Для производства стали применяют электропечи, которые имеют ограниченный доступ к кислороду, поступающему в рабочую камеру. С помощью подобного оборудования можно добиться нагревания до 1650 °C. Конверторный. Для проведения этого метода плавки металлов не нужен внешний источник энергии. С помощью конвертора можно добиться высокой скорости плавки — до 40 минут. Около 60% нержавеющей стали произведено с помощью электросталеплавительного метода. Особенности уходаОсобых правил по уходу за нержавейкой придерживаться не нужно. Загрязнения можно протирать влажной тряпкой с моющими средствами. Важно не использовать жесткие щетки, чтобы сохранить целостность поверхностей. Нержавеющая сталь применяется в разных сферах деятельности. Для получения сплавов с измененным свойствами они насыщаются легирующими добавками. Металл может применяться в нестандартных областях. Применение Хромистые нержавеющие стали: Клапаны гидравлических прессов; Турбинные лопатки; Арматура крекинг-установок; Режущий инструмент; Пружины; Бытовые предметы; Хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые нержавеющие стали: Бытовые предметы, в частности, столовая посуда (пищевые марки стали) Ортопедическая стоматология (изготовление гильз для штампованных коронок) Стабилизированные аустенитные нержавеющие стали: Сварная аппаратура, работающая в агрессивных средах; Изделия, работающие при высоких температурах — 550—800 °C; Пищевая промышленность; Ограждения и перила. Нержавеющие стали используются как в деформированном, так и в литом состоянии. Нержавеющие стали для пищевой индустрии Коррозионностойкие стали незаменимы для отраслей промышленности, производящих оборудование, инструменты и посуду, предназначенные для контакта с пищевой продукцией. Их преимущества: Сопротивление различным видам коррозии – химической и электрохимической. В каждом конкретном случае необходимо подбирать марки, устойчивые к средам, с которыми они будут соприкасаться во время эксплуатации. Это нормальные атмосферные условия, вода, соленая вода, кислые, щелочные, хлористые растворы. Хорошая обрабатываемость. Современные инструменты позволяют сваривать, резать, формовать и обрабатывать на токарных, фрезерных и сверлильных станках коррозионностойкие сплавы так же, как и «черные» стали. Соответствие санитарно-гигиеническим стандартам. Благодаря различным способам обработки – шлифованию, полировке до зеркального блеска – получают поверхность практически без пор и трещин, в которые могут проникать грязь и патогенные микроорганизмы. Хорошие механические характеристики. Благодаря ним, можно изготавливать изделия и конструкции меньшей толщины и массы без ухудшения технических свойств. Аустенитные стали более устойчивы к низким температурам, по сравнению с металлами общего назначения. Эстетика. Электрополировка, сатинирование и другие способы поверхностной обработки обеспечивают стильный вид продукции из «нержавейки». Наиболее популярные марки и сферы их примененияЧтобы правильно подобрать нержавеющую сталь для изготовления продукции определенного назначения, можно воспользоваться специальными справочниками, в которых перечислены как все марки такого материала, так их основные характеристики. Между тем в каждой из таких групп есть наиболее популярные марки, которые чаще всего и выбирает потребитель. Перечислим их. 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М3Т – стали, которые отличаются хорошей свариваемостью и отличной устойчивостью к коррозии. Благодаря таким свойствам нержавеющие стальные сплавы данных марок успешно используют для производства изделий, которые в процессе своей эксплуатации постоянно подвергаются воздействию высокой температуры и агрессивных сред. Свойства сталей данных марок формируются за счет наличия в их химическом составе следующих элементов: хрома (16–18%), молибдена (2–3%), никеля (12–14%), углерода (0,1%), кремния (0,8%), меди (0,3%), серы (0,02%), фосфора (0,035%), марганца (2%), титана (0,7%). Если существует необходимость в выборе нержавеющих сталей данных марок, то следует иметь в виду, что на отечественном рынке можно приобрести и их зарубежные аналоги, а именно: SUS316Ti (Япония), 316Ti (США), OCr18Ni12Mo2Ti (Китай), Z6CNDN17-12 (Франция). 08Х18Н9 и 08Х18Н10 – нержавеющие стальные сплавы, из которых делают трубы как круглого, так и любого другого сечения. Используют эти материалы для производства различных конструкций, эксплуатируемых в машиностроительной и химической промышленности, а также для производства элементов трубопроводов и печных устройств. В химическом составе сталей данных марок содержатся следующие элементы: хром (17–19%), углерод (0,8%), титан (0,5%), никель (8–10%). 10Х23Н18 – сталь этой марки характеризуется высоким содержанием никеля (17–20%) и хрома (22–25%), а также марганца (2%) и кремния (1%) в своем составе. Такое сочетание элементов наделяет сплав требуемыми характеристиками и формирует повышенную склонность к отпускной хрупкости. Следует отметить, что сплав данной марки относится к нержавеющим сталям жаропрочной категории. 08Х18Н10Т – нержавеющий сплав данной марки отличается высокой устойчивостью к процессам окисления, а также хорошей свариваемостью, причем для получения качественного соединения по данной технологии изделия можно не подвергать предварительному нагреву, а также не выполнять их термическую обработку после сварки. Чтобы улучшить прочностные характеристики изделий, изготовленных из такой стали, их необходимо подвергнуть закалке, что оговорено в соответствующем нормативном документе. 06ХН28МДТ – сплав данной марки оптимально подходит для создания сварных конструкций, которые будут в дальнейшем эксплуатироваться в агрессивных средах. В химическом составе этой стали содержатся следующие элементы: хром (22–25%), никель (26–29%), медь (2,5–3,5%). 12Х18Н10Т – изделия, изготовленные из стали данной марки, преимущественно используются для оснащения предприятий химической, целлюлозно-бумажной, строительной, пищевой и топливной отраслей. Этот металл отличается термической стойкостью, хорошей ударной вязкостью и практичностью использования. 12Х13, 20Х13, 30Х13 и 40Х13 – нержавеющие стальные сплавы данных марок практически не поддаются свариванию, но есть у них и положительные свойства. Последние заключаются в том, что эти стали не имеют склонности к отпускной хрупкости, а их внутренняя структура не поражается дефектами, которые на профессиональном языке называются флокенами. Из нержавеющих сталей данных марок изготавливают режущий и измерительный инструмент, а также рессоры и пружины различного назначения. 08Х13, 08Х17, 08Х18Т1 – это нержавеющие стальные сплавы ферритной группы, из которых производят изделия, не испытывающие в процессе своей эксплуатации ударные нагрузки, а также воздействие низких температур. Список литературы: https://martensit.ru/stal/korrozionnostojkaya-stal/ https://ru.wikipedia.org/wiki/Нержавеющая_сталь https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/nerzhaveyuschaya-stal-marki-vidy-i-harakteristiki.html https://ipmet.ru/korrozionnostojkaya-stal-vybiraem-kachestvennye-marki/ http://met-all.org/metalloprokat/nerzhaveyushhij/nerzhaveyushhaya-stal-sostav-vidy-svojstva-korrozionnostojkaya.html http://www.mpoltd.ru/poleznoe/206-nerzhaveyushchie-khromistye-ferritnye-i-martensitnye-stali.html https://docs.cntd.ru/document/1200113778 |