Стали со специальными химическими и физическими свойствами

Нержавеющие стали

Нержавеющими (коррозионностойкими) называются стали, устойчивые против химической и электрохимической коррозии. Основными видами нержавеющих сталей являются хромистые стали ферритного и мартенситного класса, а также хромоникелевые аустенитные стали. Свойства высокой коррозионной стойкости достигаются в хромистой стали при содержании хрома не менее 12-14%. Стали с содержанием 13% хрома и до 0,09% углерода (08Х13) относятся к ферритному классу и термической обработке не подвергаются. При содержании углерода 0,12% и более стали могут закаливаться на мартенсит. Нержавеющие стали поставляются по ГОСТ 5632-72. Стали с содержанием углерода до 0,2% (12Х13, 12Х17, 15Х25Т, 20Х13) подвергаются термической обработке (закалке с температуры 1000-1050 ºС в масло, отпуску при 700-750 ºС), имеют структуру сорбита отпуска. Применяются в качестве конструкционных нержавеющих сталей для изготовления оборудования химической и пищевой промышленности, изделий, работающих в слабоагрессивных средах, для бытовой посуды.

Стали 30Х13, 40Х13 мартенситного класса имеют эвтектоидный состав, 95Х18 - заэвтектоидная. После закалки и низкотемпературного отпуска (200 - 250 ºС) имеют структуру отпущенного мартенсита и высокую твердость и износостойкость. Используются для изготовления хирургического инструмента, ножей в пищевой промышленности.

Хромоникелевые стали аустенитного класса являются наиболее распространенными в химической и пищевой промышленности, как наиболее высококоррозионностойкие. Наиболее известными марками стали этого класса являются: 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т. Две цифры, стоящие перед буквенным обозначением марок, обозначают предельно допустимое содержание углерода в стали данной марки. При этом коррозионная стойкость стали тем выше, чем меньше его содержание. Поэтому более высокими качествами, как коррозионностойкого материала обладают стали 03Х18Н12, 04Х18Н12, 03Х17Н14М3Т.

Высокая коррозионная стойкость таких сталей обеспечивается закалкой сталей с температур 1100-1150 ºС с охлаждением в воде. При этом образуется однофазное аустенитное состояние. Отпуск не производится во избежание получения двухфазных структур. Наиболее отрицательное влияние на коррозионную стойкость могут оказывать карбиды хрома, особенно, при выделении их по границам зерен. Это вызывает появление склонности к межкристаллитной коррозии, и к коррозии под напряжением. Добавки к сталям титана или молибдена связывают углерод в карбиды этих элементов, сохраняя высокую концентрацию растворенного в аустените хрома, что обеспечивает высокую коррозионную стойкость сталей. Для экономии дефицитного никеля стали иногда легируют марганцем вместо некоторого количества никеля (12Х17Г9АН4).

Особо высокой коррозионной стойкостью отличаются сплавы на основе никеля, например, сплав Н70МФ, содержащий до 0,02% углерода, 25% молибдена, 1,5% ванадия, остальное - никель. Этот сплав используется для изготовления емкостей, работающих при повышенных температурах в растворах кислот (азотной, серной, фосфорной). Емкости производят сваркой из листового материала. Перед сваркой листы подвергают закалке с температуры 1070 ºС, в воде.

Жаростойкие стали

Устойчивость к окислению при повышенных температурах характеризуется жаростойкостью. Толстые рыхлые слои оксидов на поверхности металлов и сплавов, образующиеся при нагреве их в окислительной атмосфере, называют окалиной, а устойчивость к ее образованию называют окалиностойкостью. Стали, легированные элементами, способными быстро образовать тонкие, но плотные окисные пленки, препятствующие диффузии кислорода от внешней поверхности к основному металлу через слой окисла, и, тем самым, затрудняющими образование окалины на поверхности изделия, являются жаростойкими (окалиностойкими). К таким легирующим элементам относятся хром, кремний и алюминий. Марки таких сталей: 15Х6СЮ, 10Х13СЮ, 15Х18СЮ, 20Х25Н20С2, 36Х18Н25С2 и др. Жаростойкие стали поставляются по ГОСТ 5632-72 и ГОСТ 5949-75.

Кроме того, все нержавеющие стали, содержащие большое количество хрома, фактически являются и жаростойкими.

Жаропрочные стали

Жаропрочными являются стали, которые наряду с высокой жаростойкостью, могут выдерживать механические нагрузки при высоких температурах без разрушения. Развивающаяся во времени деформация металла под действием постоянно приложенного механического напряжения при заданных температурных условиях называется ползучестью, а то напряжение, которое вызывает заданную деформацию при определенной температуре и за определенное время - пределом ползучести.

Жаропрочные стали и сплавы подразделяются на несколько подгрупп. К первой группе относятся так называемые теплостойкие стали, применяемые для паропроводов, арматуры паровых котлов: 16М, 15ХМ, 12ХМФ, 10Х2М. Особенностью этих сталей является низкое содержание углерода, в связи с чем, легирующие элементы, и в первую очередь, хром находится в состоянии твердого раствора, повышая его прочность при повышенных температурах, вплоть до 450 - 500 ºС, при которых могут работать паропроводы в теплоэнергетике., молибден, ванадий связывают углерод стали в карбиды, способствуя повышению жаропрочности.

Стали мартенситно-ферритного класса: 18Х12ВНМФР, 12Х13, 15Х12ВНМФ применяются для лопаток паровых турбин, клапанов, болтов, труб. Рабочая температура, соответственно, 600, 500 и 580 ºС. Температура окалинообразования этих сталей 750ºС. Такие же характеристики имеет сталь ферритного класса 08Х13.

Стали мартенситного класса: 18Х11МНФБ, 09Х16Н4Б, 40Х9С2 предназначены для работы при температурах: первая 600 ºС, две последние - 650 ºС. Сталь 18Х11МНФБ предназначена для тяжелонагруженных деталей, лопаток паровых турбин, клапанов, роторов паровых и газовых турбин. Сталь 09Х16Н4Б используется для труб пароперегревателей, трубопроводов установок сверхвысоких давлений. Сталь 40Х9С2 (сильхром) специального назначения - для клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Для клапанов моторов, работающих при более высоких температурах (до 850 ºС), используется сталь аустенитного класса 55Х20Г9АН4.

Стали аустенитного класса имеют наиболее широкий спектр температурных условий применения. Сталь 09Х16Н15М3Б предназначена для работы при температуре 350 ºС для деталей пароперегревателей, трубопроводов высокого давления. Температура окалинообразования 850 ºС.

Стали 12Х18Н10Т и 31Х19Н9МВБТ имеют рабочую температуру 600 ºС. Первая из них предназначена для изготовления труб, листовых деталей выхлопных систем, вторая дли роторов, дисков, валов, лопаток, болтов. Для аналогичного применения, но для более высокой температуры (до 700 ºС) предназначена сталь 09Х17Н19В2БР1.

При рабочих температурах 750 - 1100 ºС применяются жаропрочные сплавы на никелевой основе: ХН77ТЮР, ХН57МТВЮ, ХН62МВКЮ, ХН78Т, ХН70Ю.

Стали для литья

Многие детали и металлоконструкции, тяжело нагруженные корпуса станков, редукторов, рамы, зубчатые колеса наиболее экономически выгодно получать из стали литьем. Стали для литья характеризуются пониженными технологическими свойствами по сравнению с другими литейными сплавами, например, чугунами. Литейным сталям свойственны более грубые структурные дефекты по сравнению с деформируемыми сталями аналогичного химического состава. Литейные стали имеют несколько более высокие пределы содержания примесей, несколько пониженные механические свойства. Однако в ряде случаев литейные стали могут широко применяться для изготовления деталей машин, особенно, в крупносерийном и массовом производстве. Кроме углеродистых литейных сталей (15Л, 25Л, 35Л, 40Л, 45Л, 55Л), используемых в качестве конструкционных в различных отраслях машиностроения, изготавливаются отливки из легированных сталей: 20ГЛ, 20ФЛ, 35ГЛ, 30ГСЛ, 35ХГСЛ, 32Х06Л, 40ХЛ, 35ХМЛ, 30ХНМЛ. Все эти стали, как углеродистые, так и легированные поставляются по ГОСТ 977-75. Комплекснолегированные малоуглеродистые литейные стали 12ДХН1МФЛ, 12ДН2ФЛ, 13ХНДФТЛ наряду с высоким комплексом механических свойств, повышенной пластичностью, характеризуются хорошей свариваемостью и достаточной коррозионной стойкостью при работе в морской воде.

Особое место занимает сталь для литья аустенитного класса с высокой стойкостью к ударно-абразивному износу марки 110Г13Л (сталь Гадфильда). Сталь поставляется по ГОСТ 2176-77. После литья сталь подвергается закалке с температуры 1080-1100 ºС, без отпуска. Сталь при этом получает аустенитную структуру. В процессе эксплуатации удары по поверхности отливки твердым предметом вызывают образование в тонком поверхностном слое в зоне удара твердых мартенситных кристаллов, обеспечивая высокую износостойкость стали. Сталь Гадфильда применяется для изготовления зубьев ковшей экскаваторов, щек дробилок, траков тракторов и экскаваторов, работающих на каменистых грунтах.

Литьем изготавливают детали и из коррозионностойких сталей. При этом, используются стали ферритного и аустенитного классов. Известны стали 15Х13Л, 20Х13Л, 07Х18Н9Л, 10Х18Н9Л, 12Х18Н10ТЛ, 10Х18Н11БЛ, 12Х18Н12М3ТЛ.

В качестве жаростойких сталей используют 20Х20Н14С2Л, 40Х24Н12СЛ, 15Х23Н18Л. Все требования к материалу отливок определяются ГОСТ 2176-77.

Магнитные стали и сплавы

Магнитные стали и сплавы подразделяются на два противоположные по своим магнитным характеристикам класса: магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитотвердые стали и сплавы - это сплавы для постоянных магнитов. Они должны характеризоваться трудной перемагничиваемостью. Для этого они должны обладать высокими значениями коэрцитивной силы и остаточной магнитной индукцией. К таким материалам относится сталь ЕХ3 (1%С, 3% Cr), ЕХ5К5 (1%С, 5% Cr, 5% Co). Термообработка таких сталей - закалка на мартенсит и низкий отпуск при 100 ºС. Для мощных магнитов малых габаритов используют сплавы типа алнико (18-19%Ni, 8,5-9,5% Al, 14-15% Co, 3-4% Cu, остальное - железо). Сплав плохо обрабатывается резанием. Способ получения магнитов - литье.

Магнитомягкие материалы - это чистое железо и стали с минимально возможным содержанием углерода, легированные кремнием (3-4%). Сталь получают методами прокатки на тонкий лист. Толщина листовой трансформаторной стали - несколько десятых долей миллиметра. Для изготовления магнитопроводов трансформаторов их набирают в виде пакетов из тонких отштампованных пластин.

Для получения высоких значений индукции в слабых магнитных полях применяют железо-никелевые сплавы - пермаллои.