» » Влияние углерода и титана на склонность хромомарганцевоникелевых двухфазных сталей к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию
26.10.2015

Наиболее эффективным средством устранения склонности к межкристаллитной коррозии в нержавеющих сталях является снижение содержания углерода до 0,02—0,04%. При обычном содержании углерода 0,08% для устранения склонности к межкристаллитной коррозии обычно пользуются дополнительным легированием стали сильными карбидообразующими элементами — титаном или ниобием.
Нами была изучена склонность к межкристаллитной коррозии двухфазных хромомарганцевоникелевых сталей оптимального состава (18% хрома, 8% марганца и 2% никеля), содержащих 0,04 и 0,08% углерода, без титана и с добавкой титана.
Испытание на склонность к межкристаллитной коррозии производилось на образцах размером 3х20х80 мм по методу AM ГОСТ 6032—58 (160 г CuSO4 * 5Н2О + 100 мл H2SO4 + 1 л воды с медной стружкой, продолжительность кипячения 24 ч). Предварительно образцы были обработаны по режимам: закалка с последующим провоцирующим отпуском при 400—800° С различной продолжительности (от 10 мин до 500 ч).
Влияние титана в стали, содержащей 0,04% углерода. Были исследованы низкоуглеродистые стали, содержащие 0,04% углерода, 17,9% хрома, 8,5% марганца, 2,2% никеля, отличающиеся содержанием титана: одна — без титана; другая — с 0,26% титана (условное обозначение сталей: 00Х18Г8Н2 и 00Х18Г8Н2Т).
Предварительно образцы были закалены с 1000 и 1200° С. Добавка титана не оказала существенного влияния на соотношение фаз. Разница по содержанию α-фазы в обеих сталях, как после закалки с 1000° C, так и 1200°С, составляет примерно 5%, и ее оказалось возможным выявить только по величине намагниченности насыщения (намагниченность насыщения безтитановой стали на 300—400 гс меньше). Следует отметить, что влияние титана проявляется и в уменьшении склонности к росту ферритных зерен после высокотемпературных нагревов.
Склонность сталей к охрупчиванию и межкристаллитной коррозии определяли на плоских образцах одинаковых размеров (стандартные образцы). После провоцирующего отпуска до кипячения посредством изгиба образцов на 90° по наличию трещин на изогнутой поверхности (некоторые образцы ломались) были определены области хрупкого разрушения, представленные на рис. 18 (пунктирные кривые). Добавка титана не оказала влияния на области хрупкого разрушения. Повышение предварительной температуры закалки до 1200° С и соответственное увеличение количества α-фазы в исходном состоянии (перед отпуском) привело к расширению области хрупкого разрушения.
Влияние углерода и титана на склонность хромомарганцевоникелевых двухфазных сталей к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию

Испытание на межкристаллитную коррозию показало, что состояние поверхности изогнутых образцов после кипячения не изменилось, т. е. образцы хрупкие до кипячения остались хрупкими после кипячения, но все они сохранили металлический звук, образцы пластичные до кипячения остались пластичными и после него.
Можно заключить, что двухфазная сталь, содержащая 0,04% углерода, не склонна к межкристаллитной коррозии и поэтому добавка титана в такую сталь нецелесообразна.
Если возможность применения аустенитных сталей определяют по продолжительности провоцирующего отпуска тmin, который вызывает межкристаллитную коррозию, то, очевидно, для двухфазных сталей такую оценку следует производить также по продолжительности провоцирующего отпуска, который вызывает хрупкое разрушение (назовем это время тпластич). Если тпластич больше 1 ч, то двухфазную сталь можно подвергать сварке и другим горячим технологическим операциям, поскольку обычно общее время пребывания стали в опасном интервале температур не превышает этого времени. Если тпластич менее 1 ч, то сталь необходимо после горячих технологических операций подвергать повторной закалке с температур не ниже 900° С.
Влияние титана в стали, содержащей 0,08% углерода. В настоящее время наша промышленность выпускает нержавеющие стали обычно с содержанием углерода 0,08—0,09%. При таком содержании углерода введение стабилизирующих добавок в аустенитные нержавеющие стали для предотвращения межкристаллитной коррозии является необходимым. Такого же мнения придерживаются некоторые авторы в отношении феррито-аустенитных нержавеющих сталей типа Х21Н5Т. Однако в сталях этого типа в ряде случаев добавка титана как сильного ферритообразующего элемента способствует ферритизации при высоких температурах и проявлению склонности к межкристаллитной коррозии по «ферритному типу». Таким образом, полезность добавки титана в двухфазные нержавеющие стали не установлена.
Для исследования были взяты двухфазные стали с химическим составом: 0,08% С, 0,38% Si, 18,2% Cr, 8,7% Mn, 2,3% Ni, отличающиеся содержанием титана: одна — без титана, другая — 0,42% Ti (условное обозначение сталей 0Х18Г8Н2 и 0Х18Г8Н2Т).
Влияние титана на соотношение фаз в сталях, как и в подобной низкоуглеродистой стали, проявляется в увеличении содержания a-фазы примерно на 5—10%.
Склонность сталей к охрупчиванию и межкристаллитной коррозии определяли по методике, описанной выше.
Испытание сталей на склонность к охрупчиванию показало, что добавка титана не оказывает существенного влияния на температурно-временные границы охрупчивания, т. е. его действие в этом отношении такое же, как и в низкоуглеродистой стали 00Х18Г8Н2. Это было подтверждено другими показателями: испытаниями на удар, твердость и магнитными измерениями (рис. 19). В интервале температур 500—800° С происходит резкое падение ударной вязкости (ниже 5 кГм/см2), повышение твердости (до 320 HB) и снижение намагниченности насыщения. Максимальное изменение этих свойств отмечается при 700° С.
Влияние углерода и титана на склонность хромомарганцевоникелевых двухфазных сталей к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию

Фазовый анализ, определивший количество и состав избыточных фаз в зависимости от содержания титана, производили после старения в интервале температур, вызывающих изменение свойств.
Тип и состав карбидных и интерметаллидных фаз определяли путем их электролитического выделения в осадок различными электролитами с последующим рентгеноструктурным и химическим анализом.
Электролиты и режим электролиза (плотности тока, продолжительности) подбирали как на основе литературных данных, так и экспериментально.
С помощью рентгеноструктурного анализа был определен тип избыточных фаз. В закаленном состоянии (закалка с 1200° С в воде) в стали без титана избыточных фаз нет, в стали с титаном обнаружен карбид TiC (вероятно, содержащий наряду с углеродом и некоторое количество азота).
В результате длительного старения выделяются фазы: М23С6 и σ-фаза и в титаносодержащей стали увеличивается количество карбида TiC.
Сопоставление двух исследованных сталей показало (табл. 3), что присадка титана не только вызывает появление новой фазы (TiC), но изменяет количество М23С6 и σ-фазы в состаренном состоянии. Количество карбида М23С6 резко (приблизительно в 4 раза) уменьшается, а количество a-фазы возрастет (приблизительно в 2 раза). Первое объясняется тем, что титан связывает углерод, необходимый для образования карбида М23С6, а второе — так как меньше образуется карбида М23С6, то больше хрома, необходимого для образования σ-фазы, остается в твердом растворе.
Влияние углерода и титана на склонность хромомарганцевоникелевых двухфазных сталей к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию

Несмотря на различное количество избыточных фаз, химический состав их одинаков, независимо от структурного состояния обеих сталей.
В двухфазных сталях склонность к охрупчиванию и межкристаллитной коррозии проявляется в одних и тех же температурных интервалах, поэтому метод оценки такой коррозии отличался от общепринятого для аустенитных сталей.
Для сравнения склонности к межкристаллитной коррозии двухфазных и однофазных (аустенитных) сталей были выплавлены две аустенитные стандартные стали, с химическим составом: 0,08% С; 18,2% Cr; 0,32% Si; 0,54% Mn; 10,1% Ni, отличающиеся содержанием титана: сталь 0Х18Н10 — без титана, сталь 0Х18Н10Т — 0,43% Ti.
Предварительно образцы были обработаны по одним и тем же режимам термической обработки: закалка с 1200° С и последующий провоцирующий отпуск при 400—800° С различной продолжительности — от 10 мин до 500 ч.
Склонность к межкристаллитной коррозии аустенитных сталей определяли по состоянию поверхности изогнутых образцов, звуку и металлографическому анализу. Образование трещин на изогнутой поверхности, потеря металлического звука, наличие межкристаллитного разрушения, обнаруживаемого на нетравленых шлифах (по сечению изогнутых образцов), свидетельствовало о наличии межкристаллитной коррозии в аустенитных сталях. На рис. 20 кривые ограничивают склонности (черные точки) сталей к межкристаллитной коррозии.
В двухфазных сталях до испытания были выявлены области охрупчивания. На рис. 20 они ограничены пунктирными линиями. Сплошные линии (с черными точками внутри) ограничивают область склонности к межкристаллитной коррозии, выявленной по потере металлического звука, металлографическому анализу и электрохимическому исследованию.
Влияние углерода и титана на склонность хромомарганцевоникелевых двухфазных сталей к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию

Добавка титана оказывает большое влияние на склонность аустенитных сталей к межкристаллитной коррозии. В безтитановой аустенитной стали 0Х18Н10 тmin равно 10 мин, т. е. эту сталь нельзя подвергать технологическим операциям, связанным с воздействием повышенных температур, или после их проведения необходима закалка.
Аустенитная сталь 0Х18Н10Т, стабилизированная титаном, имеет тmin, равное 50 ч; возможно применение технологических обработок без последующей закалки.
Склонность к межкристаллитной коррозии проявляется в безтитановых сталях, как аустенитной, так и двухфазной, поэтому присадка титана в них эффективна.
Различная кинетика образования карбидных фаз в зависимости от содержания титана в двухфазных сталях показана на рис. 21. Как было указано выше (табл. 3), в безтиталовой стали количество карбида M23C6 больше, чем в стали, содержащей титан. В стали с титаном выделение карбида TiC происходит быстрее карбида М23С6, и через определенный промежуток времени (примерно 10 ч) процессы выделения заканчиваются в отличие от безтитановой стали, в которой количество карбида М23С6 непрерывно увеличивается (до 500-часовой выдержки). Следовательно, более ранняя стабилизация количества хромистых карбидов типа М23С6, содержащих до 70% хрома в стали с титаном, свидетельствует о благоприятном влиянии титана, способствующего получению более однородного твердого раствора по концентрации хрома.
Влияние углерода и титана на склонность хромомарганцевоникелевых двухфазных сталей к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию

Таким образом, добавка титана (при отношении Ti/C~5) в сталь 0Х18Г8Н2 оказывает следующее действие:
а) ликвидирует склонность к межкристаллитной коррозии;
б) способствует стабилизации твердых растворов по концентрации хрома.
Следовательно, добавка 0,3—0,5% титана в двухфазные стали с 0,08% углерода необходима, но она таковой не является в стали с 0,04% углерода.
На основании проведенного исследования к промышленному опробованию рекомендуется сталь, содержащая до 0,08% углерода, 18% хрома, 8% марганца, 2% никеля при отношении Ti/C ~ 5 (условное обозначение 0Х18Г8Н2Т). Подобная сталь с содержанием углерода не более 0,04% может быть рекомендована без добавок титана (условное обозначение 00Х18Г8Н2).