СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Легирующие элементы, присутствующие в стали, оказывают различное влияние на аллотропию железа, карбидообразование, положение критических точек, распад аустенита и на мартенситное превращение. Легирующие элементы оказывают влияние на положение критических точек Ас₁ и Ас₃, на превращение аустенита при охлаждении и на положение мартенситной точки, позволяют даже в условиях медленного охлаждения получать различные структуры от феррита до аустенита. Поэтому легированные стали в отожженном и в нормализованном состояниях подразделяются на классы по структурному признаку.

В отожженном состоянии структуры легированных сталей определяют непосредственно по диаграммам состояния. Во втором случае структуру легированных сталей определяют по нормализации при температуре 900 °С.

При этой более распространенной классификации стали, разделяются на следующие классы:

• Перлитный
• Мартенситный
• Аустенитный
• Карбидный
• Ферритный

К перлитному классу относятся стали, содержащие небольшое количество легирующих элементов и обладающие структурой эвтектоидного типа: перлит, сорбит или троостит, наряду с которыми могут присутствовать и феррит или вторичные карбиды. К этой группе относятся стали 40Х, 40ХН, 40Х7Т, 30ХГСА, Х, 9ХС и др.

К мартенситному классу относятся стали с наиболее высоким содержанием легирующих элементов, обладающие мартенситной структурой. Из сталей этого класса в машиностроении применяются хромоникелевые и хромоникелевольфрамовые конструкционные стали с содержанием до 0,3-0,4% углерода, например сталь 18Х2Н4ВА и 25ХН4ВА. Стали других составов отличаются высокой хрупкостью и поэтому не применяются.

К аустенитному классу относятся стали с высоким содержанием таких легирующих элементов, как Ni, Mn, Cr, Ti. В структуре стали находится аустенит и небольшое количество карбидов. Стали этого класса жаропрочные и коррозионностойкие. После закалки при температуре 1000-1100 °С карбиды, находящиеся в стали, переводятся в темный раствор. В результате чего улучшается коррозионная стойкость и повышается пластичность. К этой группе, например, относятся стали Х18Н9, Х18Н9Т.

К карбидному классу относятся стали Х12М, Р9, Р18 и др., содержащие большое количество углерода и карбидообразующих элементов Cr, W, V и др. Для этого класса характерным является наличие карбидов, структура же основного фона может быть в зависимости от состава и температуры нагрева перлитной, мартенситной и аустенитной сталей. Эти стали обладают высокой твёрдостью и износостойкостью, применяются для изготовления режущего инструмента и штампов, работающих в тяжелых условиях.

К ферритному классу относятся стали, содержащие значительное количество легирующих элементов (Cr, Si и др.) и малое количество углерода. Эти стали обладают высокой коррозионной стойкостью, например сталь Х17.

Подразделение на указанные классы характерно только для сталей, охлажденных на воздухе. Изменение скорости охлаждения будет изменять структуру, следовательно, и класс стали. Так, если сталь перлитного класса охладить с большей скоростью, то можно получить мартенсит, при охлаждении стали мартенситного класса с меньшей скоростью можно получить перлит, а обработав аустенитную сталь холодом, можно получить мартенсит.

Специальные стали – это высоколегированные (свыше 10%) стали, обладающие особыми свойствами – коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др.

Коррозионностойкие стали. Коррозионностойкой или нержавеющей сталью называется сталь, обладающая высокой химической стойкостью в агрессивных средах. Коррозионностойкие стали получают легированием низко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюминием, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение получили хромистые и хромоникелевые стали.

Хромистые стали более дешевые, однако хромоникелевые обладают большей коррозионной стойкостью. Содержание хрома в нержавеющей стали должно быть не менее 12%. При меньшем количестве хрома сталь не способна сопротивляться коррозии, т.к. её электрохимический потенциал становиться отрицательным.

Более коррозионностойкая сталь (в кислотных средах) сталь 12Х17. Для изготовления сварных конструкций эта сталь не рекомендуется в связи с тем, что при нагреве ее выше 900-950°С и быстром охлаждении (при сварке) происходит объединение периферийной зоны хромом (ниже 12%). Это объясняется выделением карбидов хрома по границам зерен, что приводит к межкристаллитной коррозии.

Межкристаллитная коррозия – особый, очень опасный вид коррозионного разрушения металла по границам аустенитных зерен, когда электрохимический потенциал пограничных участков аустенитных зерен понижается вследствие обеднения хромом.

Для предотвращения этого вида коррозии применяют сталь, легированную титаном 08Х17Т. Сталь 08Х17Т применяют для тех же целей, что и сталь 12Х17, а также для изготовления сварных конструкций.

Хромоникелевые стали содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к аустенитному классу. Для получения однофазной структуры аустенита, сталь (например, 12Х18Н9) закаливают в воде при температуре 1100-1150°С; при этом достигается наиболее высокая коррозионная стойкость при сравнительно невысокой прочности. Для повышения прочности сталь подвергают холодной пластической деформации и применяют в виде холоднокатного листа или ленты для изготовления различных деталей.

Сталь 12Х18Н9 склонна, как и хромистая сталь ферритного класса, к межкристаллитной коррозии при нагреве. Причины возникновения межкристаллитной коррозии те же – обеднение периферийной зоны хромом (ниже 12%) вследствие выделения из аустенита карбидов хрома. Для предотвращения межкристаллитной коррозии сталь легируют титаном, например, сталь 12Х18Н9, или снижают содержание углерода, например сталь 04Х18Н10.

Хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного класса имеют большую коррозионную стойкость, чем хромистые стали, их широко применяют в химической, нефтяной и пищевой промышленности, в автомобилестроении, транспортном машиностроении, в строительстве.

Для экономии дорогостоящего никеля его частично заменяют марганцем. Например, сталь 10Х14Г14НЗ рекомендуется как заменитель стали 12Х18Н9. Сталь аустенитно-мартенситного класса 09Х15Н8Ю применяют для тяжелонагруженных деталей. Сталь аустенитно-ферритного класса 08Х21Н6М2Т применяют для изготовления деталей и сварных конструкций, работающих в кислотных средах повышенной агрессивности. Разработаны марки высоколегированных сталей на основе сложной системы Pe-Cr-Mo-Cu-C. коррозионная стойкость хромо- и никель-молибденистых сталей в некоторых агрессивных средах очень велика. Например, в 80%-ных растворах серной кислоты. Такие стали широко используют в химической, пищевой, автомобильных и других отраслях промышленности.

Жаростойкие стали. При высоких температурах металлы и сплавы вступают во взаимодействие с окружающей газовой средой, что вызывает газовую коррозию (окисление) и разрушение материала. Для изготовления конструкций и деталей, работающих в условиях повышенной температуры (400-900°С) и окисления в газовой среде, применяют специальные жаростойкие стали. Под жаростойкостью (или окалиностойкостью) принято понимать способность материала противостоять коррозионному разрушению под действием воздуха или других газовых сред при высоких температурах.

К жаростойким относят стали, содержащие алюминий, хром, кремний. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Например, хромистая сталь, содержащая 30% Cr, устойчива до 1200°С. Введение небольших добавок алюминия резко повышает жаростойкость хромистых сталей. Стойкость таких материалов при высоких температурах объясняется образованием на их поверхности плотных защитных плёнок, состоящих в основном из оксидов легирующих элементов (хрома, алюминия, кремния). Область применения жаростойких сталей – изготовление различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.

Жаропрочные стали. Некоторые детали машин (двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургического оборудования и т.п.) длительное время работают при больших нагрузках и высоких температурах (500-1000°С). Для изготовления таких деталей применяют специальные жаропрочные стали. Под жаропрочностью принято понимать способность материала выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций материала при высоких температурах. К числу жаропрочных относят стали, содержащие хром, кремний, молибден, никель и др. они сохраняют свои прочностные свойства при нагреве до 650°С и более. Из таких сталей изготавливают элементы теплообменной аппаратуры, детали котлов, впускные и выпускные клапаны автомобильных и тракторных двигателей.

В зависимости от назначения различают клапанные, котлотурбинные, газотурбинные стали, а также сплавы с высокой жаропрочностью.

Износостойкие стали. Для изготовления деталей машин, работающих в условиях трения, применяют специальные износостойкие стали – шарикоподшипниковые, граффитизированные и высокомарганцовистые.

Шарикоподшипниковые стали (ШХ6, ШХ9, ШХ15) применяют для изготовления шариков и роликов для подшипников. По химическому составу и структуре эти стали относятся к классу инструментальных сталей. Они содержат около 1% углерода и 0,6-1,5 Cr. Для деталей размером до 10 мм применяют сталь ШХ6 (1,05-1,15% С и 0,4-0,7% Cr), а для деталей размером более 18 мм сталь ШХ15 (0,95-1,05% С и 1,3-1,65% Cr). Термическая обработка шарикоподшипниковых сталей с небольшим содержанием хрома заключается в закалке и низком отпуске (до 200°С), в результате чего обеспечивается твёрдость HRC 60-66.

Графитизированную сталь (высокоуглеродистую, содержащую 1,5-2% С и до 2% Cr) используют для изготовлений поршневых колец, поршней, коленчатых валов и других фасонных отливок, работающих в условиях трения. Графитизированная сталь содержит в структуре ферритоцементитную смесь и графит. Количество графита может значительно меняться в зависимости от режима термической обработки и содержания углерода. Графитизированная сталь после закалки сочетает свойства закаленной стали и серого чугуна. Графит в такой стали играет роль смазки.

Высокомарганцовистую сталь Г13Л, содержащую 1,2% С и 13% Mn, применяют для изготовления железнодорожных крестовин, звеньев гусениц и т.п. Эта сталь обладает максимальной износостойкостью, когда имеет однофазную структуру аустенита, что обеспечивается закалкой (1000-1100°С; НВ 200), после сильного наклепа ее стойкость повышается до НВ 600.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: