Хром, никель, молибден (Cr, Ni, Mo (Х, Н, М в марке)) - три главных легирующих элемента: хром даёт коррозионную стойкость, никель - вязкость и аустенит, молибден - жаропрочность и стойкость к хлоридам.
Суть
Хром, никель и молибден - переходные металлы, растворяющиеся в железе и меняющие его кристаллическую решётку, структуру и электрохимию. В марке стали они читаются как буквы Х, Н, М: 12Х18Н10Т - 18 % хрома и 10 % никеля, 12Х1МФ - около 1 % хрома и доли процента молибдена (число после буквы опускают, если элемента около 1 % и менее).
Хром (Cr) - единственный элемент, который делает сталь нержавеющей. При содержании порядка 12-13 % и выше на поверхности возникает тонкая плотная плёнка оксида Cr₂O₃, самовосстанавливающаяся на воздухе; металл переходит в пассивное состояние. В малых дозах (0,5-1,5 %) хром повышает прокаливаемость, прочность и окалиностойкость, а в теплоустойчивых сталях вместе с молибденом задерживает ползучесть.
Никель (Ni) расширяет область γ-железа: при 8-10 % Ni в хромистой стали аустенит сохраняется до комнатной температуры. Отсюда немагнитность, высокая ударная вязкость KCV и пластичность δ5, отсутствие порога хладноломкости - аустенитные стали работают при криогенных температурах. В конструкционных сталях (до 1-4 % Ni) он повышает вязкость и прокаливаемость без потери пластичности.
Молибден (Mo) - сильный карбидообразователь. Уже 0,25-0,6 % Mo резко повышают предел длительной прочности и сопротивление ползучести при 450-600 °C, поэтому он входит во все теплоустойчивые трубные стали (15ХМ, 12Х1МФ, 15Х5М). В нержавеющих сталях 2-3 % Mo подавляют питтинг и щелевую коррозию в хлоридах - марки 10Х17Н13М2Т и AISI 316.
Как работают вместе
Свойства задаёт не отдельный элемент, а сочетание. Три типовые системы легирования:
- Cr-Ni (18-10). Хром - пассивность, никель - аустенит. Результат - коррозионностойкая, вязкая, немагнитная сталь; недостаток - цена никеля и склонность к межкристаллитной коррозии, которую гасят титаном (12Х18Н10Т) или низким углеродом (08Х18Н10).
- Cr-Ni-Mo (17-13-2). К предыдущей системе добавлен молибден: стойкость к хлоридам, морской воде, кислотам. Количественно её оценивают числом PREN = %Cr + 3,3·%Mo + 16·%N.
- Cr-Mo и Cr-Mo-V (перлитные теплоустойчивые). Хром до 1-5 % и молибден 0,3-0,6 % при обычной ферритно-перлитной структуре: свариваемость сохраняется, а рабочая температура поднимается с 450 до 550-585 °C. Ванадий добавляет дисперсные карбиды и ещё немного жаропрочности.
Общее правило: хром и молибден сужают γ-область (ферритообразователи), никель её расширяет (аустенитообразователь). Баланс между ними определяет, будет сталь ферритной, аустенитной, мартенситной или двухфазной - см. феррит, перлит, аустенит.
Ключевые числа
| Порог пассивации по хрому | ≈ 12-13 % Cr в твёрдом растворе; ниже - сталь ржавеет |
|---|---|
| 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632) | Cr 17-19 %, Ni 9-11 %, Ti 5·C-0,8 %, C ≤ 0,12 % |
| 08Х18Н10 (ГОСТ 5632) | Cr 17-19 %, Ni 9-11 %, C ≤ 0,08 % |
| 10Х17Н13М2Т (ГОСТ 5632) | Cr 16-18 %, Ni 12-14 %, Mo 2-3 % |
| 15ХМ (ГОСТ 20072) | Cr 0,8-1,1 %, Mo 0,4-0,55 % |
| 12Х1МФ (ГОСТ 20072) | Cr 0,9-1,2 %, Mo 0,25-0,35 %, V 0,15-0,30 % |
| 15Х5М (ГОСТ 20072) | Cr 4,5-6,0 %, Mo 0,45-0,60 % |
| Индекс стойкости к питтингу | PREN = %Cr + 3,3·%Mo + 16·%N; для 316 ≈ 24-26, для 304 ≈ 18-20 |
| Обозначение в марке (ГОСТ 4543, ГОСТ 5632) | Х - хром, Н - никель, М - молибден; цифра после буквы - среднее содержание, % |
Где встречается в трубах
В трубном сортаменте эти три элемента разделяют продукцию на две большие группы: коррозионностойкие трубы на Cr-Ni и Cr-Ni-Mo основе и теплоустойчивые трубы на Cr-Mo основе для котлов, паропроводов и нефтепереработки. Обычные углеродистые и низколегированные трубные стали (20, 09Г2С, 17Г1С) хрома, никеля и молибдена практически не содержат - их остаточное количество ограничено сотыми и десятыми долями процента.
- Аустенитные 12Х18Н10Т, 08Х18Н10, 10Х17Н13М2Т - коррозионностойкие трубы по ГОСТ 9940 и ГОСТ 9941; о выборе марки - в статье о нержавеющих трубах.
- Хромомолибденовые 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф - котельные трубы для паропроводов; сталь 12Х1МФ - в каталоге, физика ползучести - в статье о котельных трубах.
- 15Х5М, 15Х5ВФ, 12Х8ВФ - трубы для сернистых сред нефтепереработки по ГОСТ 550-75.
- Смежные термины: нержавеющая сталь, жаропрочность, легирующие элементы.
Связанные термины
- Легирующие элементыДобавки в сталь (Cr, Ni, Mo, Mn, Si, V, Ti, Nb и др.), целенаправленно меняющие её прочность, стойкость и свариваемость.
- Нержавеющая стальСталь с содержанием хрома не менее 10,5 %, образующая на поверхности самовосстанавливающуюся пассивную плёнку оксида хрома.
- Жаропрочность и жаростойкостьЖаропрочность - сохранение прочности при высокой температуре под нагрузкой; жаростойкость - стойкость к окалине. Это разные свойства и разные стали.