По структуре сталь 12Х18Н10Т принадлежит к аустенитному классу. Химический состав регламентирован ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозио стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки". В таблице 1 приведён химический состав стали 12Х18Н10Т.

Таблица 1. Химический состав стали 12Х18Н10Т

Хром, содержание которого в стали составляет 17…19 %, представляет собой основной элемент, обеспечивающий способность металла к пассивации и обеспечивающий ее высокую коррозионную стойкость.

Легирование никелем при достаточном его количестве (8.12 %) переводит сталь в аустенитный класс, что очень важно: такая сталь сочетает высокую технологичность с уникальным комплексом эксплуатационных характеристик. Аустенитные стали обладают повышенной, по сравнению с ферритными сталями, коррозионной стойкостью в большом количестве агрессивных сред, в том числе серной и ряде других кислот. Они хорошо прокатываются в горячем и холодном состояниях, свариваются без охрупчивания околошовных зон. Влияние никеля на коррозионную стойкость в стали этого класса проявляется в том, что он, обладая повышенным сопротивлением действию кислот, сообщает это свойство стали.

В присутствии малого количества углерода сталь имеет полностью аустенитную структуру. Соотношение концентраций хрома и никеля оказывает специфическое воздействие на стабильность аустенита при охлаждении температуры обработки на твердый раствор (1050…1100 С). Титан устраняет склонность к межкристаллитной коррозии, т.к. он сильный карбидообразующий элемент и в процессе кристаллизации связывает углерод в тугоплавкий карбид TiC, поэтому исключается возможность образования карбидов хрома и уменьшение концентрации хрома в аустените.

Кремний дегазирует металл и повышает плотность слитка. Из-за кремния повышается прочность стали, особенно повышается предел текучести, наблюдается некоторое снижение пластичности, что затрудняет холодную прокатку стали. Введение марганца вызывает замедление скорости роста зерна при нагреве, что приводит к получению мелкого зерна.

Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и ограниченной растворимостью в твёрдом железе. При кристаллизации стали по границам зёрен выделяются застывающие в последнюю очередь сульфиды железа. Железо и сульфиды железа образуют низкоплавкую эвтектику (Т_пл = 988°С), которая в присутствии кислорода плавится при ещё более низких температурах. Между зернами сплава образуются прослойки фазы обогащенной серой, которые при нагревании металла перед прокаткой или ковкой размягчаются и сталь теряет свои свойства, возникает красноломкость. Содержание серы в стали 12Х18Н10Т ограничивается 0,02 %.

Фосфор оказывает отрицательное влияние на механические свойства стали, так как при кристаллизации возникает сильная первичная ликвация. Расположенные между зернами хрупкие прослойки, богатые фосфором, снижают пластические свойства металла, особенно при низких температурах (хладноломкость). Допустимое содержание фосфора в стали 12Х18Н10Т не более 0,035 %. В данном случае это критично, т.к. сталь 12Х18Н10Т используется в криогенной технике.

При кристаллизации, в отсутствии элементов, образующих нитриды при высоких температурах (в данной стали присутствует Ti), после образования г-Fe начинается выделения азота из раствора в виде включений (нитридов железа). Это выделение может продолжаться значительное время, вызывая охрупчивание металла (старение). Особенно вредно ухудшение свойств металла, в котором много азота, при эксплуатации в условиях низких температур.

В таблице 2 приведены механические свойства стали 12Х18Н10Т после закалки от температуры 1050…1100 С и последующего охлаждения на воздухе.

Таблица 2. Механические свойства стали 12Х18Н10Т

Как видно из таблицы, сталь при высоких температурах сохраняет достаточную прочность и высокую вязкость. После термической обработки, состоящей из закалки от 1050 С с последующим охлаждением в воде, сталь имеет однородную структуру г-твердого раствора. В стали при охлаждении до - 196 С не происходят какие-либо превращения, так как и при нагреве под горячую пластическую деформацию. Но при длительных выдержках закаленной стали в интервале 450…650 С в структуре наблюдается выделение карбидов хрома типа Cr₂₃C₆, что вызывает появление склонности к межкристаллитной коррозии с минимальным инкубационным периодом при 600 С равным 8…10 ч (испытания проводились в кипящей 65 % -ной азотной кислоте, три цикла по 48 ч).

Другим недостатком нержавеющей стали является сложность ее механообработки. Нержавеющие стали, как и многие авиационные материалы, плохо обрабатываются резанием. Воздействие высоких сил резания и температур вызывает ускоренный износ режущих кромок металлообрабатывающего инструмента. Для повышения стойкости инструмента, применяемого для обработки нержавеющих сталей, требуется строгое соблюдение режимов упрочняющей термической обработки, создание инструмента с особой геометрией режущей кромки, соблюдение режимов резания [5-9].

Сталь 12Х18Н10Т хорошо сваривается, без каких-либо ограничений [10-12]. При сварке стали 12Х18Н10Т рекомендуется использовать электроды с покрытием основного вида в сочетании с высоколегированным электродным стержнем [11]. В качестве защитных газов при дуговой сварке чаще всего используют аргон, реже - гелий, углекислый газ.

Экспериментальная часть

Ручной дуговой сваркой изготавливались сварные швы на постоянном токе обратной полярности электродами ЦЛ-11 с основным покрытием. Перед сваркой электроды прокаливали 1,5 ч при температуре 190…210°С.

Сварка в аргоне проводилась сварочным полуавтоматом "Kemppi Kempomat 3200". Использовалась проволока Св-06Х19Н9Т. Из сварных швов изготавливались микрошлифы, изучалась их микроструктура [2, 3, 13, 14]. Образец вырезался с помощью абразивного круга, проводилась заливка его эпоксидной смолой. После затвердевания выполнялось шлифование и полирование. Травление осуществлялось водным раствором смеси плавиковой и азотной кислот. Изучение микроструктуры проводили на металлографическом микроскопе при разных увеличениях. На рисунке 1 показана микроструктура сварных швов.

А б

Рис.1. Микроструктура сварного шва стали 12Х18Н10Т:

а - РДС, х100; б - сварка в аргоне, х200

При сварке в аргоне получается однородная структура шва с постепенным переходом структуры от основного металла к металлу шва.

При РДС в структуре шва наблюдается слоистое строение. В образцах присутствует большее количество пор. В металле шва наблюдаются дендриты твердого раствора легирующих элементов в железе - аустенита.

Заключение