Классификация, состав и свойства высоколегированных сталей

К высоколегированным сталям относят сплавы, содержащие более 45% железа, суммарное количество легирующих элементов в которых составляет не менее 10% при содержимом одного из элементов не менее 8%. Они содержат небольшое количество углерода-до 0,25%

Высоколегированные аустенитные стали имеют повышенное содер­жание основных легирующих элементов - хрома и никеля (обычно не ниже 16 и 7 % соответственно), придающих им соответствующую струк­туру и необходимые свойства. Для сокращения высоколегиро­ванные стали можно обозначать в со-ответствии с содержанием основных легирующих элементов цифрами, напри-мер 18-8, 25-20 и др. Первая цифра обозначает содержание хрома, вторая - никеля.

Никель - дефицитный и дорогой легирующий элемент и поэтому в тех случаях, когда условия работы конструкции позволяют, используют стали с по-ниженным его содержанием или безникелевые хромистые ста­ли. В сплавах на железоникелевой основе содержание никеля еще выше, чем в хромоникелевых сталях. В никелевых сплавах никель служит осно­вой, а железо - легирующей присадкой. Эти сплавы благодаря своим свойствам находят применение в от-ветственных конструкциях, работаю­щих в сложных и специфических условиях.

Высоколегированные стали и сплавы по сравнению с менее легиро­ванными обладают высокой хладостойкостью, жаропрочностью, корро­зионной стойкостью и жаростойкостью. Эти важнейшие материалы для химического, нефтяного, энергетического машиностроения и ряда других отраслей промыш-ленности используют при изготовлении конструкций, работающих в широком диапазоне температур: от отрицательных до поло­жительных. Несмотря на об-щие высокие свойства высоколегированных сталей, соответствующий подбор состава легирования определяет их ос­новное служебное назначение. В соотве-тствии с этим их можно разде­лить на три группы: коррозионно-стойкие, жаро-прочные и жаростойкие (окалиностойкие). Благодаря их высоким механичес-ким свойствам при отрицательных температурах высоколегированные стали и сплавы при­меняют в ряде случаев и как хладостойкие.

Коррозионно-стойкие стали при соответствующем легировании и термо-обработке обладают высокой коррозионной стойкостью при ком­натных и повы-шенных до 800 °С температурах как в атмосферной и газо­вой среде, так и в чи-стых и водных растворах кислот и щелочей, жидко-металлических средах и т.д. Характерное отличие этих сталей - пони­женное содержание углерода, обычно не превышающее 0,12 %, оказы­вающее решающее влияние на стойкость их к межкристаллитной корро­зии (МКК). Благодаря этим свойствам их используют при изготовлении трубопроводов и аппаратов для химической и нефтяной про-мышленности.

Жаропрочные стали и сплавы обладают высокими механическими свойс-твами при повышенных температурах и способностью сохранять их в данных условиях в течение длительного времени. Для придания этих свойств сталям и сплавам их обычно легируют элементами-упрочнителями молибденом и воль-фрамом (до 7 % каждого). Важной легирую­щей присадкой, вводимой в некото-рые стали и сплавы, является бор. В ряде случаев к этим металлам предъявляет-ся требование и высокой жаростойкости.

Одна из основных областей применения этих сталей - энергетиче­ское ма-шиностроение (трубопроводы, детали и корпуса газовых и паро­вых турбин и т.д.), где рабочие температуры достигают 750 °С и выше. Жаростойкие стали и сплавы обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах до 1100 ... 1150 °С. Обычно их используют для деталей слабонагруженных (нагре­вательные элементы, печная арматура, газопроводные системы и т.д.). Высокая окалиностойкость этих сталей и спла-вов достигается легирова­нием их алюминием (до 2,5 %) и вольфрамом (до 7 %). Эти легирующие элементы и кремний способствуют созданию прочных и плот-ных окси­дов на поверхности деталей, предохраняющих металл от непосредст-вен­ного контакта с газовой средой.

После соответствующей термообработки высоколегированные стали и сплавы обладают высокими прочностными и пластическими свойства­ми(табл.9.2).

В отличие от углеродистых при закалке эти стали приобре­тают повышен-ные пластические свойства. Структуры высоколегирован­ных сталей очень раз-нообразны и зависят в основном от их химического состава, т.е. содержания ос-новных элементов: хрома (ферритизатора) и никеля (аустенитизатора). На стру-ктуру влияет также содержание и дру­гих легирующих элементов-ферритизато-ров (Si, Mo, Ti, Al, Nb, W, V) и аустенитизаторов (С, Co, Ni, Cu, Nb, B).

В зависимости от основных свойств и назначения высоколегированные стали подразделяют на следующие группы: коррозионно - стойкие, обладаю-щие стойкостью против электрохимической коррозин (влажной атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской и др.), в том числе против межкристаллитной коррозии под напряжением, питтинговой (точечной) корро-зии и др.; жароустойчивые (окалиностойкие), обладающие стойкостью против химического разрушения (коррозии) их поверхности в газовых средах (в том числе в сухой воздушной атмосфере) при температурах выше 550°С, работаю-щие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии; жаропрочные, рабо-тающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение опре-деленного гарантированного времени и обладающие при этом достаточной ока-линостойкостью.

Все эти стали, как правило, коррозионностойки в атмосферных условиях, поэтому их часто называют общим названием - нержавеющие.

Самостоятельную группу, хотя и не предусмотренную стандартом, пред-ставляют хладостойкие высоколегированные стали и сплавы, сохраняющие на протяжении ограниченно или неограниченно продолжительного времени под напряжением достаточную пластичность и вязкость при температурах ниже 100° С вплоть до - 269°С.

В зависимости от структуры, обусловленной химическим составом, получаемой при охлаждении на воздухе после высокотемпературного нагрева, высоколегрованные стали подразделяют на следующие классы: мартенситный - стали с основной структурой мартенсита; мартенситно- ферритный - стали, содержащие в структуре, кроме мартенсита, не менее 5% феррита; ферритный - стали, имеющие структуру феррита и не претерпевающие α - превращеий; аустенитно- мартенситный - стали , имеющие смешанную структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно изменять в широких пределах; аустенитно-ферритный (или ферритно- аустенитный) - стали, имеющие смешанную структуру аустенита и феррита, количество последнего в которых составляет более 10%; аустенитный - стали, имеюшие преимущественно одно- фазную аустенитную структуру.

Группу нержавеющих в атмосферных условиях представляют стали, со-держащие свыше 10% хрома. К коррозионностойким в разных агрессивных средах относятся стали, содержащие 15% и более хрома.

Жаростойкими до температуры 900°С являются нержавеющий стали марок 12X17, 08Х17Т, 15Х18СЮ; до температуры 1100°С - 15Х25Т, 15X28, 20Х25Н20С2 и другие; до температуры 1300°С - 15Х25Ю5 и др.

Жаропрочными при температурах до 565...610°С являются стали с содер-жаием 11...12,5% хрома, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием; при температурах до 650°С - хромоникелевые стали типа 18-9 и 18-10, стаби-лизированные титаном; до 800°С - хромоникельмолибденовые аустенитные стали, сталь 15Х14Н14В2М и др.

Довольно перспективными коррозионностойкими и хладостойкими явля-ются стали с низким содержанием углерода и дополнительно легированные азотом. Последний целесообразно использовать как для частичной замены ни-келя, так и для повышения прочностных характеристик стали.

По составу различают стали хромистые, хромоникелевые, хромомарган-цевые, хромоникельмарганцевые и перечисленные стали, дополнительно леги-рованные азотом, а также с добавками специальных легирующих элементов (молибдена, вольфрама и др.) и карбидообразующих (титана, ниобия, тантала), играющих роль стабилизаторов структуры и свойств.