Двухфазная нержавеющая сталь

На сегодняшний день двухфазная сталь является новым и перспективным материалом. Информация о преимуществах и недостатках, новых процессах обработки и производства этого материала поможет решить вопрос о практическом использовании дуплексной нержавеющей стали в производстве.

Двухфазная (или дуплексная) нержавеющая сталь названа так потому, что в ее составе присутствуют аустенитная и ферритная фазы. Сочетание двух фаз в одном материале обусловлено содержанием от 18 до 28% хрома и от 5,5 до 8% никеля. Такого количества никеля не достаточно для обеспечения полного аустенитного превращения, поэтому дуплексные стали содержат как ферритную так и аустенитную фазы. 

Свойства двухфазных сталей – это комплекс свойств обеих фаз. Мягкий феррит (его содержится до 80%) придает материалу хорошие пластические свойства. И в процессе штамповки деформационные напряжения концентрируются в ферритной фазе, повышая при этом степень деформационного упрочнения. Высокая степень деформационного упрочнения в сочетании с высоким относительным удлинением обеспечивают двухфазным сталям больший предел прочности, чем у обычных нержавеющих сталей. 

Такое сочетание свойств является основным преимуществом двухфазной стали. Кроме того, дуплексная сталь обладает высокой коррозионной стойкостью, большей, чем стали марок AISI 304/08Х18Н10 и AISI 316/10Х17Н13М2. Однако следует отметить, что сопротивление коррозии у ферритной нержавеющей стали выше, чем у дуплексной. 

Двухфазные стали как и другие AHSS (advanced high strength steels – улучшенные высокопрочные стали) имеют еще одно важное преимущество перед традиционными сталями – эффект упрочнения при отжиге и повышенное дисперсионное твердение в процессе термообработки. 

Двухфазные стали были разработаны со специальной целью – обеспечить предел прочности на разрыв вплоть до 1000 МПа. Добавки марганца, хрома, молибдена, ванадия и никеля, способствуют упрочнению металла, а продуманное дозирование этих добавок не только обеспечивает уникальные механические характеристики, но уменьшает трудности, возникающие при точечной сварке. Тем не менее, при сварке материала наиболее прочных категорий (DP 700/1000) возможно изменение сварочной технологии.

Преимущества двухфазной нержавеющей стали

Одной из важных характеристик каждого материала является его цена. Двухфазная сталь стоит не на много дороже, в сравнении с другими видами нержавейки. При этом ее прочность примерно в два раза выше, чем у стали класса AISI 300. Это позволяет использовать меньше материала, для одного и того же вида оборудования. 

Имея высокую прочность, двухфазные стали относительно легко поддаются механической обработке и сварке. Технология прокатки двухфазной стали подобна технологии проката материала с твердостью 50000 PSI (350 МПа). Для выпуска изделий стандартных форм из дуплексной стали подходит обычное оборудование, единственное требование к которому – иметь твердость не ниже 34 HRC.

Преимущества в использовании двухфазных сталей

В Таблице 1 приведены данные, которые позволяют сравнить стойкость в агрессивных средах как дуплексных сталей, так и других материалов.

 Таблица 1. Стойкость различных материалов в агрессивных средах

Дополнительно отметим, что скорость коррозии дуплексной стали - 23 промилле в год, AL6XN - 17 промилле в год (на примере кипения NaOH при температуре раствора 143 °C за 48 часов).

По прочностным свойствам двухфазные стали практически равны маркам C276 и AL6XN. Главным аргументом в пользу дуплексных сталей может служить то, что элементы, обеспечивающие их свойства более доступны. Например, сталь C276 содержит вольфрам, сталь 625 марки содержит ниобий, тантал, кобальт и титан. Основные элементы, придающие двухфазным сталям прочность и коррозионную стойкость – хром, никель, молибден, азот.

Недостатки

Сварку двухфазной стали особо сложным процессом назвать нельзя. Однако, температура при сварке должна строго контролироваться. Причем, оставляя данную особенность без внимания, можно лишиться всех преимуществ от использования данного материала. 

Применение технологий проката или изгиба к двухфазной стали толщиной 7,5- 10 см и более, может быть неэффективно, поскольку многие дуплексные стали обладают эффектом памяти формы.

Применение двухфазных сталей в автомобилестроении

Одна из актуальных на сегодняшний день проблем в автомобилестроении – создать модель, соответствующую повышенным требованиям защиты, без увеличения веса. При использовании традиционных технологий и материалов вес автомобилей только увеличивается, причем на 30%. При этом свойства двух- и многофазных материалов можно использовать для снижения веса автомобилей и решения проблем безопасности. 

Однако существует ряд проблем, препятствующих массовому внедрению современных материалов в промышленность. Способы обработки высокопрочных материалов отличаются от способов обработки традиционных материалов. И, несмотря на то, что многие западные компании уже начали внедрять в производство двухфазные стали и другие AHSS материалы, должно пройти достаточно много времени, чтобы новые технологии были признаны на рынке автомобилестроения. Кроме того, серийному выпуску современных высокопрочных материалов препятствуют сложности, связанные с необходимостью модернизации производства и разработки новых технологий. 

И в то же время, компания Honda, например, применила двухфазную сталь в своих моделях Civic и Accord. Дуплексную сталь использует и Daimler Chrysler, в моделях Grand Cherokee и Pacifica. Американская компания Ford планирует применить высокопрочные материалы в пикапах последнего поколения. 

Благодаря применению современных высокопрочных материалов появилась возможность создавать автомобили, соответствующие всем нормам безопасности. Немаловажным фактором является и то, что удорожание автомобилей, в конструкции которых была использована двухфазная сталь или другие AHSS материалы, невелико. Но повышение цены на металл компенсируется за счет снижения количества этого металла. Стоит отметить, что увеличение объемов производства высокопрочных материалов также может существенно повлиять на снижение цены изделий. 

Внедрение двух- и многофазных сталей помогает также решить ряд конструкторских проблем, связанных с оптимальной компоновкой автомобиля. В последнее время популярность приобрели модели с короткими свесами и увеличенным внутренним пространством, потребители также стремятся иметь больший угол обзора из кабины. Для реализации подобных требований необходимо уменьшать сечение опорных стоек ветрового стекла и крыши. В такой ситуации современные высокопрочные материалы могут стать эффективной заменой алюминию, при использовании которого детали необходимо делать большей толщины для сохранения прочности конструкции. На данный момент AHSS материалы, в основном, применяются только в деталях потенциально аварийных зон. Однако, перспективы их использования в автомобилестроении достаточно широки. 

На данный момент замена алюминиевых деталей кузова на высокопрочный материал вполне реальна. Из-за высокой цены алюминия, двух- и многофазные стали становятся весьма эффективным экономическим заменителем.