Свойства литой нержавеющей стали

1. Введение

Литые нержавеющие стали сочетают в себе устойчивость к коррозии, хорошая механическая прочность и литейность для сложных форм.

Они используются там, где коррозия, температура, или санитарные требования исключают использование обычных углеродистых сталей, а также там, где изготовление сложной геометрии из кованого листа было бы дорогостоящим или невозможным..

Производительность зависит от семейства сплавов (аустенитный, дуплекс, ферритный, мартенситный, осаждение), метод кастинга, термообработка и контроль качества.

Правильная спецификация и контроль процесса необходимы, чтобы избежать охрупчивания и дефектов литья, которые могут свести на нет внутренние преимущества металла..

2. Основное определение & Классификация литой нержавеющей стали

Основное определение — что мы подразумеваем под «литой нержавеющей сталью»

Бросать нержавеющая сталь относится к хромсодержащим железным сплавам, которые производятся путем заливки расплавленного сплава в форму и его затвердевания., затем отделка и термообработка по мере необходимости.

Определяющей особенностью, которая делает их «нержавеющими», является достаточное содержание хрома. (и часто другие легирующие элементы) формировать и поддерживать непрерывную, самовосстанавливающийся оксид хрома (Cr₂o₃) пленка, которая значительно снижает общую коррозию.

Отливки применяются там, где сложная геометрия., неотъемлемые особенности (отрывки, командовать, ребра), или экономические преимущества литья перевешивают преимущества кованого изготовления..

Резюме по каждой семье (стол)

Соглашения об именах & обычные марки литья (практическое примечание)

• Литые марки нержавеющей стали часто используют обозначения литья а не выдуманные цифры (например: CF8 ≈ 304, CF8M ≈ 316 эквиваленты во многих спецификациях).
  Эти коды литья и названия сплавов различаются в зависимости от стандартной системы. (АСТМ, В, ОН, и т. д.).
• «КФ» / «КА» / «CD» в некоторых стандартах типичны префиксы для обозначения литых аустенитных/ферритных/дуплексных групп.; производители также могут использовать собственные названия.
  Всегда указывайте оба химический диапазон и требования к механической/термической обработке в закупочной документации во избежание двусмысленности.

3. Металлургия и микроструктура

Семейства сплавов и их определяющие особенности

• Аустенитный (например, 304, 316, Литые эквиваленты CF8/CF3): гранецентрированно-кубический (ФКС) железная матрица, стабилизированная никелем (или азот).
  Отличная прочность и пластичность, выдающаяся общая устойчивость к коррозии; подвержен хлоридной точечной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) в некоторых средах.
• Дуплекс (например, 2205-введите литые эквиваленты): примерно такой же феррит (объемноцентрированный кубический, BCC) + аустенитные фазы.
  Высокая прочность, превосходная стойкость к точечной коррозии и образованию щелей, а также лучшая стойкость к SCC, чем у аустенитных материалов, благодаря меньшему образованию зон, обедненных хромом.; требует контроля охлаждения, чтобы избежать хрупких фаз.
• Ферритный: в основном BCC, стабилизированный хромом; лучшие характеристики коррозии под напряжением в некоторых средах, более низкая вязкость при низкой температуре по сравнению с аустенитами.
• Мартенситный: термообрабатываемый, можно сделать очень сильным и твердым, умеренная коррозионная стойкость по сравнению с аустенитом и дуплексом; используется для износостойких литых деталей.
• Дисперсионное твердение (PH): сплавы, которые можно упрочнить старением (Марки pH на основе никеля или нержавеющей стали), предлагая высокую прочность с разумной коррозионной стойкостью.

Критические микроструктурные проблемы

• Выделение карбидов (M₂₃c₆, М₆С) и сигма (а) фаза образование происходит, когда отливки слишком долго выдерживаются в диапазоне 600–900 °C. (или медленно охлаждать через него).
  Эти хрупкие, Фазы, богатые хромом, обедняют матрицу хромом и снижают ударную вязкость и коррозионную стойкость..
• Интерметаллиды и включения (например, силициды, сульфиды) могут выступать в качестве инициаторов взлома.
• Сегрегация (химическая неоднородность) характерно для литья и должно быть сведено к минимуму за счет контроля плавления и затвердевания, а иногда и термообработки гомогенизации..

4. Физические свойства литой нержавеющей стали

Приведенные выше значения являются репрезентативными инженерными диапазонами.. Всегда сверяйтесь с данными поставщика для указанной марки., маршрут литья и состояние термообработки.

5. Электрический & Магнитные свойства литой нержавеющей стали

• Электрическое сопротивление: Аустенитные литые нержавеющие стали (CF8, CF3M) иметь высокое удельное сопротивление (700–750 нОм·м при 25°C)— в 3 раза выше, чем у литой углеродистой стали (200 nω · m).
  Это делает их пригодными для применения в электроизоляционных целях. (например, Трансформаторы корпуса).
• Магнетизм: Аустенитные марки (CF8, CF3M) являются немагнитный (относительная проницаемость μ ≤1,005) благодаря своей структуре FCC — критично для медицинских устройств (например, Совместимые с МРТ компоненты) или электронные корпуса.
  Ферритный (CB30) и мартенситный (CA15) марки ферромагнитные, ограничение их использования в магниточувствительных средах.

6. Процессы литья и их влияние на свойства

Распространенные способы литья нержавеющей стали:

• Литье в песок (зеленый песок, смоляной песок): гибкий для больших или сложных деталей.
  Более грубая микроструктура и более высокий риск пористости, если ее не контролировать.. Подходит для многих корпусов насосов и больших клапанов..
• Инвестиции (Потерянный восков) кастинг: превосходное качество поверхности и точность размеров; часто используется для небольших, сложные детали, требующие жестких допусков.
• Центробежный кастинг: производит звук, мелкозернистые цилиндрические детали (трубы, рукава) с направленным затвердеванием, минимизирующим внутренние дефекты.
• Оболочковое и вакуумное литье: повышенная чистота и снижение газозахвата для критически важных применений.

Влияние процесса:

• Скорость охлаждения влияет на расстояние между дендритами; более быстрое охлаждение (инвестиции, центробежный) → более тонкая микроструктура → как правило, лучшие механические свойства.
• Чистота расплава и практика разливки определить уровни включений и бипленок, которые напрямую влияют на усталость и герметичность.
• Направленное затвердевание и подъемная конструкция минимизировать усадочные полости.

7. Механические свойства литой нержавеющей стали

Прочность и пластичность

• Аустенитные отливки: хорошая пластичность и прочность; UTS обычно составляет около сотен МПа.; пластичность высокая (удлинение часто составляет 20–40% для отливки из стали 316L при отсутствии дефектов.).
• Дуплексное литье: более высокий выход и UTS за счет феррита + аустенит; типичное УТС ~600–900 МПа с текучестью часто >350 МПа.
• Мартенситные/PH отливки: может достигать очень высоких показателей UTS и твердости, но с пониженной пластичностью..

Усталость

• Жизнь утомляет очень чувствительный к дефектам литья: пористость, включения, шероховатость поверхности и усадка являются распространенными причинами появления трещин..
  Для вращающихся или циклических нагрузок, процессы с низкой пористостью, дробеструйная обработка, БЕДРО (Горячая изостатическая нажатия), и обработка поверхности обычно используются для улучшения усталостных характеристик..

Ползучесть и повышенная температура

• Некоторые марки нержавеющей стали (особенно высоколегированные и дуплексные) сохранять прочность при повышенных температурах; однако характеристики долговременной ползучести должны соответствовать сплаву и ожидаемому сроку службы..
  Выделение карбида/σ-фазы при термическом воздействии может значительно снизить ползучесть и ударную вязкость..

8. Термическая обработка, контроль микроструктуры и фазовая стабильность

Решение отжиг (типичный)

• Цель: растворить нежелательные осадки и восстановить однородную аустенитную/ферритную матрицу; восстановить коррозионную стойкость путем возврата хрома в твердый раствор.
• Типичный режим: нагреть до соответствующей температуры раствора (часто 1040–1100 ° C для многих аустенитов.), держать, чтобы гомогенизировать, затем быстрая закалка сохранить решенные элементы. Точная температура/время зависит от марки и толщины сечения..
• Предостережение: предельные размеры тигля и сечения, достижимая скорость закалки; тяжелые секции могут потребовать специальных процедур.

Старение и осадки

• Дуплекс и мартенситный оценки могут быть состарены для контроля собственности; Окна старения/времени-температуры должны избегать сигма и других вредных фаз..
• Перестаривание или несоответствующая термическая история приводит к образованию карбидов и сигма, которые делают хрупкими и снижают коррозионную стойкость..

Как избежать сигма-фазы и истощения хрома

• Контроль охлаждения через уязвимый температурный диапазон, избегайте длительного выдерживания при температуре ~600–900 °C., и при необходимости используйте послесварочный отжиг или отжиг на раствор..
  Выбор материала и дизайн термообработки являются основными средствами защиты..

9. Коррозионная стойкость — основное преимущество литой нержавеющей стали

Коррозионная стойкость — основная причина, по которой инженеры выбирают литой нержавеющей стали..

В отличие от многих конструкционных металлов, в которых используются объемные покрытия или защитная защита., нержавеющие стали приобретают длительную устойчивость к воздействию окружающей среды благодаря своему химическому составу и реакционной способности поверхности..

Как нержавеющая сталь противостоит коррозии — концепция пассивной пленки

• Пассивная защита: Хром в сплаве реагирует с кислородом, образуя тонкую пленку., сплошной слой оксида хрома (Cr₂o₃).
  Эта пленка имеет толщину всего лишь нанометры, но очень эффективна.: он уменьшает ионный транспорт, блокирует анодное растворение, и, что особенно важно, самоисцеление при повреждении при наличии кислорода.
• Синергия сплавов: Никель, молибден и азот стабилизируют матрицу и повышают устойчивость пассивной пленки к локальному разрушению. (особенно в хлоридной среде).
  Таким образом, стабильность пассивной пленки является результатом химических процессов., Поверхностное состояние, и местная среда.

Формы коррозии, имеющие значение для литых нержавеющих сталей

Понимание вероятных видов отказов фокусируется на выборе материалов и проектировании.:

• Общий (униформа) коррозия: Редкое явление для правильно легированной нержавеющей стали в большинстве промышленных сред — пассивная пленка обеспечивает очень низкие равномерные потери..
• Коррозия ячейки: Локализованный, часто небольшие и глубокие ямки возникают при локальном разрушении пассивной пленки. (хлориды являются классическим инициатором). Питтинг может иметь решающее значение, поскольку небольшие дефекты быстро проникают..
• Щелевая коррозия: Возникает внутри экранированных зазоров, где кислород истощается.; кислородный градиент способствует местному закислению и концентрации хлоридов, подрыв пассивности внутри расщелины.
• Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC): Хрупкий механизм растрескивания, требующий чувствительного сплава. (обычно аустенитная нержавеющая сталь в хлоридных средах), Растяжение стресса, и специфическая среда (теплый, хлоридсодержащий). SCC может возникнуть внезапно и катастрофически..
• Микробиологическая коррозия (ВПК): Биопленки и микробный метаболизм (например, сульфатредуцирующие бактерии) может производить локальные химические вещества, разрушающие отливки из нержавеющей стали, особенно в застойных или слабопроточных щелях.
• Эрозия-коррозия: Сочетание механического износа и химического воздействия., часто там, где высокая скорость или столкновение срывают защитную пленку и обнажают свежий металл.

Роль легирования — что указать и почему

Определенные элементы сильно влияют на стойкость к локальной коррозии.:

• Хром (Кр): Основа пассивности; минимальное содержание определяет «безупречное» поведение.
• Молибден (Мо): Очень эффективен для повышения устойчивости к точечной коррозии и трещинам, что важно при работе с морской водой и хлоридами..
• Азот (Н): Укрепляет аустенит и значительно повышает устойчивость к питтинговой коррозии. (эффективные небольшие дополнения).
• Никель (В): Стабилизирует аустенит и поддерживает прочность и пластичность..
• Медь, вольфрам, Нб/Ти: Используется в специализированных сплавах для нишевых условий..

Полезным сравнительным показателем является эквивалентное число сопротивления точечной коррозии. (Древесина):

PREN=%Cr+3,3×%Mo+16×%N

Типичный ПРЕН (округлый, представитель):

• 304 / CF8 ≈ ~19 (низкая питтинговая стойкость)
• 316 / CF8M ≈ ~ 24 (умеренный)
• Дуплекс 2205 / CD3MN ≈ ~ 35 (высокий)
• Супер-аустенитный (например, высокомолекулярный / 254Эквиваленты SMO) ≈ ~40–45 (очень высокий)

Практическое правило: более высокий PREN → более высокая устойчивость к точечной/щелевой коррозии, вызванной хлоридами. Выбирайте PREN пропорционально тяжести воздействия..

Экологические факторы: почему нержавеющая сталь выходит из строя

• Хлориды (морские брызги, противообледенительные соли, хлоридсодержащие технологические потоки) являются доминирующей внешней угрозой — они способствуют питтингу, щелевая коррозия и SCC.
• Температура: Повышенные температуры ускоряют химическую атаку и восприимчивость к SCC.; сочетание хлоридов + повышенная температура особенно агрессивна.
• Застой & щели: Низкий уровень кислорода и замкнутое пространство концентрируют агрессивные ионы и разрушают местную пассивность..
• Механическое напряжение: Растягивающие напряжения (остаточный или прикладной) необходимы для SCC. Дизайн и снятие напряжения снижают риск.
• Микробная жизнь: Биопленки изменяют местный химический состав; MIC особенно актуален во влажных условиях., плохо промытые системы.

Дизайн & Стратегии спецификации для максимизации коррозионной стойкости

1. Правильный выбор сорта: Сопоставьте PREN/химический препарат с воздействием – например., 316 для умеренных хлоридов, дуплекс / марки с высоким содержанием молибдена для морской воды или технологических потоков с высоким содержанием хлоридов.
2. Контролируйте тепловую историю: Требуется отжиг раствора + закалите, где указано; укажите максимальное время охлаждения в окне σ-формирования для дуплексных марок.
3. Качество поверхности: Укажите качество поверхности, электрополировка или механическая полировка санитарно-гигиенических компонентов или компонентов с высоким риском точечной коррозии; более гладкие поверхности уменьшают возникновение ямок.
4. Детализация во избежание щелей: Конструкция для устранения узких щелей, обеспечить дренаж и обеспечить доступ для осмотра. Используйте прокладки, герметики и правильный выбор крепежа там, где стыки неизбежны.
5. Сварочная практика: Используйте подобранные/перелегированные присадочные металлы., контролировать тепловложение, и при необходимости укажите PWHT или пассивацию. Защищает сварные швы от сенсибилизации после сварки..
6. Диэлектрическая изоляция: Электрически изолируйте детали из нержавеющей стали от разнородных металлов, чтобы предотвратить гальваническое ускорение коррозии..
7. Покрытия & подкладки: Когда окружающая среда превышает даже возможности высоколегированных сплавов, используйте полимерные/керамические облицовки или облицовки в качестве первой линии (или в качестве резервной копии) - но не полагайтесь только на покрытия для обеспечения критической изоляции без обеспечения проверки..
8. Избегайте растягивающих напряжений в средах, чувствительных к SCC.: Снижение проектных напряжений, применять компрессионную обработку поверхности (дробеструйная обработка), и контролировать рабочие нагрузки.

10. Изготовление, Присоединение, и ремонт

Сварка

• Литые нержавеющие стали, как правило, свариваемый, но нужно внимание:

• • Подберите присадочный металл к основному сплаву или выберите более устойчивый к коррозии присадочный материал, чтобы избежать гальванических эффектов..
  • Предварительный нагрев и контроль между проходами для некоторых мартенситных марок для снижения твердости и риска растрескивания..
  • Отжиг раствора после сварки часто требуется для аустенитных и дуплексных наполнителей для восстановления коррозионной стойкости и снижения остаточных напряжений..
  • Избегайте медленного охлаждения, которое может привести к образованию σ-фазы..

Обработка

• Обрабатываемость варьируется: аустенитные нержавеющие стали затвердевают и требуют острого инструмента и соответствующих скоростей.; дуплексные сорта в некоторых случаях режутся лучше из-за более высокой прочности. Используйте соответствующую СОЖ и параметры резки..

Поверхностная отделка

• Травление и пассивация восстанавливают оксид хрома и удаляют свободные примеси железа..
  Электрохимическая полировка или механическая обработка улучшают чистоту., уменьшает количество щелей и повышает коррозионную стойкость.

11. Экономический, соображения жизненного цикла и устойчивости

• Расходы: Стоимость сырья из литой нержавеющей стали выше, чем у углеродистой стали и алюминия, а литье требует более высоких температур плавления и затрат на огнеупор..
  Однако, продление срока службы и сокращение затрат на техническое обслуживание в агрессивных средах могут оправдать дополнительную плату.
• Жизненный цикл: длительный срок службы в агрессивных средах, более низкая частота замены и возможность вторичной переработки (Стоимость лома нержавеющей стали высока) улучшить экономику жизненного цикла.
• Устойчивое развитие: нержавеющие сплавы содержат стратегически важные элементы (Кр, В, Мо); ответственный поиск и переработка имеют важное значение.
  Энергия для начального производства высока, но переработка нержавеющей стали значительно снижает затраты энергии.

12. Сравнительный анализ: Литая нержавеющая сталь против. Конкуренты

13. Выводы

Литая нержавеющая сталь занимает уникальное и стратегически важное положение среди конструкционных и коррозионностойких литейных материалов..

Отдельное свойство не определяет его ценность, но за счет синергетического сочетания коррозионной стойкости, механическая прочность, термостойкость, универсальность конструкции из сплава, и совместимость со сложной геометрией отливок.

При оценке по производительности, надежность, и показатели жизненного цикла, литая нержавеющая сталь неизменно оказывается высокоэффективным решением для сложных промышленных условий..

Общий, литая нержавеющая сталь отличается высокой надежностью, универсальный, и надежный выбор материалов для отраслей, требующих коррозионной стойкости, механическая прочность, и точность литья.

 

Часто задаваемые вопросы

Литая нержавеющая сталь так же устойчива к коррозии, как и кованая нержавеющая сталь.?

Это может быть, но только если литьевая химия, микроструктура и термическая обработка соответствуют одним и тем же стандартам.

Отливки имеют больше возможностей для сегрегации и выделения осадков.; для восстановления полной коррозионной стойкости часто требуется отжиг на раствор и быстрая закалка..

Как избежать сигма-фазы при отливках?

Избегайте длительного выдерживания при температуре ~600–900 °C.; разработать термообработку для отжига и закалки на раствор, и выбирать сплавы, менее склонные к сигме (например, сбалансированный дуплексный химический состав) для враждебных тепловых историй.

Какую литейную нержавеющую сталь следует выбрать для работы с морской водой??

Дуплексные сплавы с высоким содержанием PREN или специальные супераустенитные сплавы. (Высший Мо, Н) обычно являются предпочтительными. 316/316L может быть недостаточным в зонах заплеска или там, где насыщенная кислородом морская вода течет с высокой скоростью..

Можно ли сваривать литые детали из нержавеющей стали на месте??

Да, но сварка может локально изменить металлургический баланс. Для восстановления коррозионной стойкости вблизи сварных швов может потребоваться термообработка или пассивация после сварки..

Какой метод литья обеспечивает наилучшую целостность критически важных деталей??

Центробежный кастинг (для цилиндрических деталей), инвестиционное/точное литье (для небольших сложных деталей) литье в формы в вакууме или в контролируемой атмосфере в сочетании с HIP обеспечивает высочайшую целостность и наименьшую пористость..

Подходит ли литая нержавеющая сталь для работы при высоких температурах??

Аустенитные марки (CF8, CF3M) пригодны к использованию до 870°C; Дуплексные оценки (2205) до 315°С.

Для температуры >870°С, использовать жаропрочные литые нержавеющие стали (например, НК40, с 25% Кр, 20% В) или никелевые сплавы.