Сталь ферритного класса: особенности, характеристики, применение

Сталь ферритного класса

К ферритному классу относятся некоторые виды углеродистых и низколегированных сталей. В состав сплава включаются хром, ванадий, молибден, кремний, прочие химические элементы. За счет защитного слоя хрома продукции придается устойчивость к агрессивным кислотно-щелочным средам.

Ферритные стали имеют кристаллическую структуру. Основным компонентом является кубическая ячейка, в центре которой расположен атом. Зерновой тип структуры актуален для альфа-железа и становится незаменимым условием придания ферритной стали магнитных свойств.

Свойства и преимущества ферритных сталей

Несмотря на то, что ферритный класс стали не обладает высокой прочностью, благодаря термообработке достигаются уникальные физико-химические показатели, которые не присущи другим видам металла. Наличие в составе легирующих компонентов делает такую продукцию невосприимчивой к коррозии на протяжении десятилетий. Незначительное содержание хрома, магния, прочих добавок снижает стоимость проката, поэтому по цене изделия выходят намного ниже конкурирующих товаров.

Среди преимуществ ферритной стали стоит отметить:

•пластичность;

•небольшой вес;

•легкость обработки;

•длительный срок службы (от 10 лет);

•сенсибилизацию только при термическом режиме свыше 925°С.

После приобретения антикоррозийных свойств, феррит по прочностным характеристикам мало в чем уступает обычной стали. Даже если ржавчина и возникает на таких изделиях, то она имеет очаговую специфику, а окисление металла связано с повреждением защитного покрытия.

Свариваемость

Ферритные стали

Основные проблемы:

1) рост зерна в ЗТВ и охрупчивание, последующая термообработка не измельчает зерно и не устраняет хрупкость; 2) развитие межкристаллитной коррозии (МКК) при быстром охлаждении от температуры Т 900°С; МКК можно устранить отпуском при Т = 650 – 900°С или связыванием углерода в карбиды ниобия или титана; 3) охрупчивание в ЗТВ при повышенных тепературах вызывается образованием σ-фазы (интерметаллид Fe-Cr) в интервале температур Т = 650 — 850°С и развитие 475°С — ной хрупкости в интервале Т=450 — 525°С.

Эти явления усиливаются при увеличении содержания хрома в стали; 475°С — ная хрупкость устраняется путем закалки от Т = 700 — 800°С, а хрупкость от σ — фазы устраняют путем отжига при Т > 900°С.

Аустенитные стали

Основные проблемы:

1) образование горячих трещин в шве и околошовной зоне вызвано:

а) крупнокристаллитной и разнозернистой (строчечной) структурой; б) образованием легкоплавких эвтектик и ликвацией примесей; в) наличием легирующих элементов, вызывающих образование трещин (Si, Тi, Аl, В и др.); г) наличием легкоплавких примесей Pb, Sn, Bi, а также S и Р.

Основной способ предупреждения горячих трещин – измельчение структуры в шве за счет выделения высокотемпературных фаз δ-феррита в аустените шва, высокотемпературных карбидов, карбонитридов, боридной эвтектики.

2) развитие МКК в ЗТВ при нагреве в интервале Т = 650 — 750°С в связи с образованием карбидов хрома и снижением его содержания по границам зерен ниже 13%;

3) охрупчивание при образовании σ-фазы в интервале Т = 650 — 750°С, когда в стали имеется феррит.

Ферритная нержавеющая сталь: виды

Для классификации ферритных металлов применяется ГОСТ 5632-2014. Он пришел на смену ГОСТ 5632-72, который был разработан еще во времена СССР. Обозначенный стандарт действует для деформируемых сталей, производимых на железоникелевой и никелевой основе. Эти металлы предназначены для коррозионно-активных условий эксплуатации.

Исходя из основных характеристик сплавов, эти материалы классифицируют на группы:

1. коррозионно-стойкие (нержавеющие) – сплавы с высокой устойчивостью против различных видов ржавчины;
2. жаростойкие – сплавы с высокой устойчивостью против химической деградации поверхности при термическом режиме свыше 550 °С;
3. жаропрочные – сплавы, способные сохранять свои свойства при высоком термическом режиме.

По фактору структуры стали в соответствии с ГОСТ 5632-2014 выделяют мартенситные, мартенситно-ферритные, ферритные, аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные, аустенитные стали. В СНГ маркировка нержавеющих металлов осуществляется с помощью буквенно-цифрового сочетания. В буквах зашифрованы химические элементы и варианты выплавки, а в цифрах – число химических элементов.

Помимо ГОСТ, существует общепринятая классификация нержавеющих сталей по стандарту AISI (American Iron and Steel Institute). Такая маркировка продукции используется преимущественно на рынках металлопроката США и Европы. Выделяют три класса: 200-й, 300-й, 400-й. Для ферритов предусмотрена 400-я серия.

В зависимости от компонентного состава ферритной стали выделяют 5 видов металлов 400-й серии:

• 430;
• 409/410 L;
• 430 Ti, 439, 441;
• 434, 436, 444;
• 446, 445, 447.

Первая из перечисленных групп (марка 430) является наиболее распространенной. В структуре присутствует высокое содержание хрома, поэтому она крайне устойчива к агрессивным кислотно-щелочным воздействиям. Этот сорт стали подходит как недорогая замена для аустенитных типов.

Ферритная нержавеющая сталь марки 409/410 L содержит минимальный объем хрома. Металл используется в среде, где воздействие кислотно-щелочной среды минимально. Обычно это бытовые условия с комфортным температурным режимом, отсутствием резких термических перепадов, низким уровнем влажности.

Марки 430 Ti, 439, 441 обладают пластичностью, что облегчает процесс сваривания и обработки (резки, изгиба и др.). Изделия выдерживают суровые условия эксплуатации, в частности при отрицательных температурах, высоком уровне влажности, постоянном ультрафиолетовом излучении.

Продукция марки 434, 436, 444 содержит значительное количество молибдена, что повышает ее коррозионную стойкость. Такие изделия имеют специальное назначение. Они используются в промышленных условиях, где требуется прочность, легкость, долговечность металла. Например, марка 444 обладает коэффициентом стойкости к истиранию (PRE), сравнимым с более тяжелыми видами стали (например, с маркой 316), что предопределило ее применение в подвижных механизмах.

Марки 446, 445, 447 относятся к категории ферритов специального назначения. Здесь присутствует максимальная процентная доля хрома, поэтому такие изделия не подвержены коррозии. Максимальная кислотная устойчивость сделала этот класс наиболее востребованным, но и значительно повысило его стоимость. Коррозионная стойкость марки 447 идентична аналогичному показателю у титана. Иногда в этот тип металла вместе с хромом добавляют молибден для придания прочностных характеристик.

Центральные области применения

Описанные выше возможности объяснили обширную область применения ферритных сталей. В зависимости от конкретной марки стали, она может использоваться при создании деталей высокотемпературного оборудования, внутренних элементов химических аппаратов. Не менее значимая область использования – создание змеевиков пиролиза, а также различного рода контейнеров и емкостей.

Использование определяется при анализе технических характеристик конкретной марки. Для того чтобы читатель получил лучшее представление о таких механических свойствах, мы собрали их в рамках отдельной таблицы, приведенной ниже:

Таблица 2. Хромистые ферритные стали: механические свойства, не менее.

Сфера применения

Ферритная нержавеющая сталь — востребованный материал, используемый в многочисленных отраслях деятельности человека. Марка 430 часто встречается в конструкции бытовых приборов, например, барабанах стиральных машин, нагревательных элементах, кухонных раковинах. Из такой стали также изготавливают столовые приборы и дверные ручки. Марка 409/410 L относится к сравнительно недорогим материалам, в результате чего такой металл применяют производители автомобилей. Сталь входит в состав элементов выхлопной системы и кузова транспортных средств.

Марки 434, 436, 444 используются в различных промышленных конструкциях. Речь идет, например, о резервуарах для горячей жидкости, солнечных нагревателях, теплообменниках. Иногда этот класс стали применяется в элементах микроволновой печи, электронных схемах, ЖКИ экранах. Что касается ферритной стали марок 446, 445, 447, то она задействуется при судостроении или производстве изделий специального назначения, подверженных сильной коррозии.

Ферритный класс стали представляет собой углеродистый и низколегированный материал, который отлично зарекомендовал себя при эксплуатации в агрессивных кислотно-щелочных средах. Изделия из этого металла обладают многочисленными преимуществами, что предопределило их популярность. Они используются в различных отраслях деятельности человека, в том числе в бытовой и промышленной сфере.

Термическая обработка

Ферритные стали

Предварительный подогрев 150 — 200°С рекомендуется при толщине металла более 10 мм. Температура воздуха при сварке ферритных сталей должна быть не ниже 5°С для 08Х13, для остальных — не ниже 10°С.

Сварные соединения из стали 08Х13 после сварки , как правило, не подвергают термообработке, из сталей 08Х17 и 15Х25Т подвергают отпуску при 700 — 750°С с ускоренным охлаждением (предупреждение МКК) для изделий, работающих в коррозионно-активных средах.

Аустенитные стали

Аустенитные низкоуглеродистые стали высоколегированные хромом и никелем подвергают закалке на гомогенный аустенит (аустенизации) — нагрев до температуры 1050 — 1100°С, выдержка 1 — 2 часа и охлаждение на воз­духе, в масле или в воде. В отличие от углеродистых эти стали после закалки приобретают повышенную пластичность и ударную вязкость.

Аустенитные стали с повышенным содержанием углерода и легированные Мо, W, Nb, Ti, Al, стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением, подвергают специальной термообработке аустенизации (закалке) и старению(отпуску).

Для предупреждения МКК в сварных соединениях рекомендуется двух-трех-часовый нагрев при температуре 850 — 900°С.

Устойчивость к коррозии

Стойкость к питтинговой коррозии нержавеющих сталей оценивается эквивалентным числом PREN.

PREN =% Cr + 3,3% Mo + 16% N, где термины соответствуют содержанию хрома, молибдена и азота в массе в% соответственно в стали.

Никель не играет роли в стойкости к питтинговой коррозии, поэтому ферритные нержавеющие стали могут быть такими же стойкими к этой форме коррозии, как и аустентитные марки.

Кроме того, ферритные сорта очень устойчивы к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC).

Характеристики и классификация нержавеющей стали

Чтобы повысить устойчивость к атмосферной коррозии, производители нержавеющей стали целенаправленно изменяют ее химический состав. Добавление никеля, фосфора, меди и других элементов значительно изменяет характеристики стали. Например, обогащение сплава небольшим количеством меди (от 0,2% до 0,4%) позволяет повысить на 20-30% коррозионную стойкость конструкций, на которые воздействует промышленная атмосфера.

По хим.составу легированные стали делятся на:

• Хромистые;
• Хромоникилиевые;
• Хромомарганцевоникелевые.

.

В свою очередь, хромистые стали бывают ферритными, полуферитными и мартенситными. Хромоникилиевые стали могут быть аустенитно-карбидными, аустенитными, аустенитно-мартенситными и аустенитно-ферритными.

Ферритная нержавеющая сталь

Ферритно-хромистая нержавейка обладает высокой коррозионной устойчивостью в водных растворах аммиака, азотной кислоте, смеси различных кислот (фосфорной, азотной, фтористоводородной), в аммиачной селитре. Ферритная легированная сталь относится к 400-й серии.

Аустенитная нержавеющая сталь

Главное преимущество нержавейки аустенитного типа — высокие пластичность и прочность. Такие стали обладают отличной коррозионной стойкостью почти во всех рабочих средах. Легированная аустенитная сталь в основном используется в качестве конструкционного материала в большинстве отраслях машиностроения. В теории конструкции из аустенитной стали на проявляют магнитных свойств. Однако в особых условиях аустенитная нержавеющая сталь может приобретать магнитные свойства (часто — после механической обработки).

Аустенито-ферритная и аустенито-мартенситная сталь

Аустенито-ферритная нержавеющая сталь имеет более высокий предел текучести, чем однофазная аустенитная сталь, отличается хорошей свариваемостью и отсутствием склонности к росту зерен. Аустенито-мартенситная легированная сталь имеет схожие характеристики с аустенито-ферритной сталью. Нержавейка этого типа отличается повышенной прочностью.

Химический состав нескольких марок (основные легирующие элементы)

Химический состав (баланс: Fe)

ТД СпецКомплект

Хромистые стали.
Хромистые нержавеющие стали являются самыми дешевыми и поэтому самыми распространенными. Минимальное содержание Cr 13%. При содержании Cr больше 13% стабилизируется α — фаза (феррит) и никаких полиморфных превращений в таких сталях не происходит. Нагрев вызывает только увеличение зерна. Длительная выдержка при температуре около 600-650ºС вызывает появление в сталях интерметаллидной фазы. Образование такой фазы сильно охрупчивает сталь, поэтому является нежелательной. Медленное охлаждение или длительная выдержка при 500ºС вызывает образование упорядоченного твердого раствора, что также вызывает хрупкость стали. Такую хрупкость называют 475ºС хрупкостью. Увеличение температуры выше 1000ºС вызывает бурный рост зерна и как следствие снижение вязкости, т.е. сталь тоже становится хрупкой. Поэтому при всех вариантах изготовления деталей из этих сталей и их термообработки необходимо избегать температурных интервалов, при которых возможно охрупчивание и потеря вязкости.

Состав, структура и свойства хромистых сталей.

Основные легирующие элементы:

1. Cr- 13-28%.

2. С — 0,05-1%.

3. Ti, Nb< 1% — вводятся для стабилизации стали.

4. Ni, Cu, Mo- вводятся для повышения коррозионной стойкости и вязкости.

Хромистые стали делят на:

1. Cr 13%.

2. Cr 17%.

3. Cr 25-27%.

Увеличение содержания углерода вызывает в хромистых сталях мартенситное превращение, так же появление карбидов. Чем больше карбидов и С, тем по содержанию углерода стали делят на:

1. Стали ферритного класса (08Х13, 08Х17, 05Х27).

2. Стали ферритно-мартенситного класса (12Х13).

3. Стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13).

4. Стали с мартенситом + карбиды (65Х16, 95Х18Ш).

В зависимости от структуры стали изменяются ее свойства и назначение. Стали ферритного класса из всех хромистых отличаются наилучшей пластичностью. Из них изготавливают листы и другие полуфабрикаты для изготовления деталей с применением сварки. Из всех хромистых стали ферритного класса хорошо поддаются сварке. При использовании стали, следует помнить, что она может охрупчиваться при медленном охлаждении, а так же при увеличении зерна. Поэтому в эти стали добавляют Ti и Nb, которые образуют карбиды. Такие стали называют стабилизированными. Для сталей ферритного класса применяют отжиг в разных вариантах — 1, 2, иногда 3.

Стали мартенситного класса отличаются высокой твердостью и прочностью, поэтому их используют для изготовления деталей, которые должны сохранять высокую прочность и твердость при работе в агрессивных средах. Для таких сталей проводят закалку + низкий отпуск.

Стали со структурой мартенсит + карбиды имеют большое количество карбидов хрома. Они используются для изготовления деталей, которые работают в агрессивных средах при температуре от -150 до +250ºС. Твердость 57 HRC. Термообработка: закалка (1000-1150ºС — воздух) + отжиг (250-350ºС).

Высокохромистые стали (12Х17, 15Х25Т, 15Х28) наиболее экономнолегированная группа сталей, обладают более высокой коррозионной стойкостью и часто используются как окалиностойкие. Однако, широкое использование их в качестве конструкционного материала не всегда возможно из-за ряда их особенностей: повышенной склонности к росту зерна при нагреве; ограниченной хладостойкости; недостаточной способности к формоизменению при холодной пластической деформации. Легирование титаном (15Х25Т) необходимо для повышения сопротивляемости межкристаллитной коррозии (см. таблицу). Сталь 08Х17Т жаростойка до 900 градусов Цельсия и применяется в теплообменниках.

Стали 30Х13 и 40Х13 обладают высокой твердостью и повышенной прочностью. Эти стали используют для изготовления карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов.

Разработанные ферритные стали 04Х15СТ, 04Х17Т, 04Х19МАФТ с пониженным содержанием углерода, а также микролегированные церием (08Х18Тч – Ди77) лишены этих недостатков. По комплексу механических и коррозионных свойств данные стали превосходят стали 08Х17Т и 08Х18Т1 и вплотную приближаются к хромоникелевым сталям аустенитного класса (типа Х18Н9-10).

Расширение областей применения сталей ферритного класса с пониженным содержанием углерода (0,02-0,04 %) взамен сталей аустенитного класса весьма перспективно.

В отечественной практике получили распространение низкоуглеродистые стали аустенитного класса 03Х18Н11 и 03Х17Н14МЗ. Снижение содержание углерода до 0,03 % и менее обеспечивает повышение стойкости сварных соединений к межкристаллитной и другим видам локальной коррозии. Кроме того позволяет снизить потери металла при горячей прокатке и за счет исключения титана повысить качество поверхности листа.

Весьма перспективно использование взамен стали 08-12Х18Н10Т во многих областях новой низкоуглеродистой азотсодержащей стали 03Х17АН9 (ЭК 177), лишенной недостатков как титансодержащих сталей, так и низкоуглеродистых. Снижение прочности, наблюдающееся у низкоуглеродистых (≤ 0,03 % С) сталей, в стали 03Х17АН9 компенсировано введением азота до 0,15 %. В состоянии закалки сталь имеет предел текучести выше 325 Н/мм2, что на 25 % превышает предел текучести сталей типа 08-12Х18Н10Т при сохранении высокой пластичности (δ ≥ 40 %) и вязкости.

Повышение чистоты стали не только по содержанию углерода (≤0,03 %), но и таких примесных элементов как S(до 0,010-0,015 %), Р (до 0,020 %), Si(до 0,4 %), а также оптимизация содержания основных легирующих элементов (Cr, Ni, Mo, N, Si) привело, к созданию ряда хромоникельмолибденовых сталей с повышенными коррозионными свойствами. Сталь 03Х18Н16МЗ-ВД (ЗИ-133ВД) используется для медицинских инструментов, соответствующих требованиям международных стандартов; сталь 02Х25Н22АМ2-П (ЧС-108П) применяется для изготовления химического оборудования, работающего в наиболее жестких условиях синтеза карбамида; сталь 02Х20Н25М5ДБ (ЭК-5) весьма стойка в высокоминерализованных подкисленных средах, содержащих значительное количество солей (хлоридов, сульфатов, фторидов) при повышенных температурах; сталь 01Х14Н19С6Б-ВИ (ЧС 110ВИ) разработана для службы в сильно окислительных средах (концентрированных растворах НNO3и Н2SO4при высоких температурах).

Стали аустенитно-ферритного класса (08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т, 03Х22Н6М2) отличаются от сталей аустенитного класса более высокой прочностью (в 1,5 –2 раза), стойкостью против межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания в хлоридных и щелочных средах.

Наилучшим комплексом свойств обладают стали третьего поколения 03Х24Н6АМЗ (ЗИ-130) и 05Х22Н7АМЗД-Ш (ЭК-72Ш), характеризующиеся сочетанием высоких прочностных свойств (σв = 755-815 Н/мм2; σ0,2 = 590-680 Н/мм2) и коррозионно-эрозионной стойкости в средах повышенной агрессивности, имеют высокую стойкость против питтинговой коррозии и коррозионного растрескивания в том числе в сероводородсодержащих средах.

Для работы в особо агрессивных сернокислых и фосфорнокислых средах, загрязненных хлоридами и фторидами, разработаны и внедрены сплавы: ХН30МДБ-Ш (ЭК 77Ш), ХН40МДБ-ВИ (ЭП 937 ВИ).

Сплавы имеют высокую стойкость против общей и локальных видов коррозии, в том числе против коррозионного растрескивания в средах с высоким содержанием Н2S, загрязненных хлор-ионом.

Группа коррозионностойких деформируемых свариваемых структурно-стабильных сплавов на основе никеля, предназначенных для работы в экстремальных условиях, представлена сплавами на основе систем NI-Mo(Н65М-ВИ – ЭП 982 ВИ), Ni-Cr(ЭП 795), Ni-Cr-Mo(ХН65МВУ – ЭП 760, ХН63МБ – ЭП 758, ХН56МДБ – ЭК 157).

Таблица. Стали нержавеющие ферритные и мартенситные серии AISI 400.

Классификация и рекомендации по применению.

Хромоникелевые стали.

Если сталь кроме Cr содержит еще Ni, Mn, Mo, то ее структура из ферритной может измениться на ферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную. Т.е. после охлаждения на воздухе сталь сохраняет аустенитную структуру, которая не меняется ни при каких вариантах термообработки. При содержании Ni>10% сталь становится аустенитной. Аустенит позволяет получить не только коррозионную стойкость, но так же и высокие технические свойства. Сталь хорошо поддается обработке давлением, сварке, сохраняет свойства до 600-700ºС, не охрупчивается, не чувствительна к хладноломкости, но сталь склонна к межкристаллитной коррозии и ее невозможно упрочнять закалкой. Термообработка: закалка + отжиг.

И после закалки и после отжига структура одинаковая, одинаковые и свойства. Закалке подвергают тонкостенные изделия простой формы и небольшого размера. Температура и закалки, и отжига одинакова и зависит от состава стали. Если сталь содержит только Cr, Ni, то температура не должна превышать 950-1000ºС. Увеличение температуры вызывает резкий рост зерна и снижение характеристик. Охлаждение при закалке должно быть таким, чтобы не попасть в область выделения карбидов Cr. Уменьшения стоимости хромоникелевых сталей можно добиться, если вместо Ni вводить Mn.

Для того, чтобы стабилизировать структуру, необходимо, чтобы Cr<15%, Mn>15%. Если условие не выполняется, то мы получаем сталь с неустойчивым структурным состоянием. Для получения стабильной аустенитной структуры Ni заменяют частично (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9). Термообработка принципиально не отличается от термообработки хромоникелевых сталей. Такой недостаток хромоникелевых сталей, как склонность к росту зерна, можно устранить, используя для сварных деталей стали ферритно-аустенитного класса (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т). Стали аустенитно-мартенситного класса обладают повышенной твердостью. Чисто аустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Даже самые лучшие аустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте с кислотами. Поэтому разработаны коррозионно-стойкие сплавы.

Стали с низким содержанием углерода (08Х13, 12Х13) пластичны, хорошо свариваются и штампуются. Их применяют для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки (клапаны гидравлических прессов) или работающих в слабоагрессивных средах (лопатки гидравлических и паровых турбин и компрессоров). Рабочая температура до 450 градусов Цельсия.

Механические свойства

Механические свойства (холоднокатаный)

Металлургия

Fe — Cr Фазовая диаграмма
Чтобы считаться нержавеющей сталью, сплавы на основе Fe должны содержать не менее 10,5% Cr.

Фазовая диаграмма железо-хром показывает, что при содержании хрома примерно до 13% сталь претерпевает последовательные превращения при охлаждении из жидкой фазы из ферритной α-фазы в аустенитную γ-фазу и обратно в α. Когда присутствует некоторое количество углерода и если охлаждение происходит быстро, часть аустенита превращается в мартенсит. Закалка / отжиг преобразует мартенситную структуру в феррит и карбиды.

При содержании Cr выше примерно 17% сталь будет иметь ферритную структуру при всех температурах.

При содержании выше 25% Cr фаза сигма может проявляться в течение относительно длительного времени при температуре и вызывать охрупчивание при комнатной температуре.