Основные понятия и область применения

Е.В. Братковский, А.В. Заводяный, Е.А. Шевченко

 

Учебное пособие по дисциплине

 

Специальные стали

 

для студентов направления подготовки 150400 «Металлургия»

 

Новотроицк

2013

Министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ

 

 

Е.В. Братковский, А.В. Заводяный,

А.Н. Шаповалов, Е.А. Шевченко

 

Специальные стали

 

Учебное пособие

 

для студентов направления подготовки 150400 «Металлургия»

 

 

Новотроицк

2013

УДК 669.15

ББК 34.327+74.58

С71

 

Рецензенты:

Заведующий кафедрой металлургии черных металлов

ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», профессор, докт. техн. наук

В.А. Бигеев

Заведующий кафедрой теплотехники и теплоэнергетики ОГТИ ОГУ,

доцент, канд. физ. мат. наук

Д.А. Гюнтер

Братковский Е.В, Заводяный А.В., Шаповалов А.Н., Шевченко Е.А.

Специальные стали: учеб. пособие для студентов вузов. – Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС», 2013 – 87 с.

 

 

В учебном пособии представлены материалы, необходимые для самостоятельного изучения и закрепления теоретических знаний по дисциплине «Специальные стали». Подробно изложены все основные разделы дисциплины в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 150400 «Металлургия».

 

Рекомендовано Методическим Советом НФ НИТУ «МИСиС»

 

© Новотроицкий филиал ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», 2013 © Братковский Е.В.  © Заводяный А.В. © Шаповалов А.Н. © Шевченко Е.А.

 

                                                          

 

Содержание

Введение. 4

1 Специальные стали. 5

1.1 Основные понятия и область применения. 5

1.2 Современные тенденции развития отрасли. 6

2 Классификация специальных сталей. 9

2.1 Нержавеющие стали. 11

2.2 Инструментальные быстрорежущие стали. 14

2.3 Конструкционные износостойкие стали. 15

2.4 Мартенситно-стареющие стали. 16

2.5 Подшипниковые стали. 18

2.6 Пружинные стали. 19

2.7 Высокопрочные стали. 21

2.8 Рельсовые стали. 22

3 Прецизионные стали и сплавы.. 24

3.1 Магнитно-мягкие сплавы.. 25

3.2 Магнитотвёрдые материалы.. 28

3.3 Сплавы с заданным коэффициентом термического расширения. 30

3.4 Сплавы с особыми упругими свойствами. 32

3.5 Сверхпроводящие материалы.. 35

3.7 Твёрдые материалы.. 37

3.8 Жаропрочные стали и сплавы.. 38

3.9 Полупроводниковые материалы.. 39

3.10 Порошковые материалы.. 42

4 Способы получения металлов и сплавов особо высокого качества. 45

4.1 Основные способы рафинирования спецсталей. 45

4.2 Сравнительный анализ методов получения спецсталей. 52

5 Методы получения сталей специального назначения. 55

5.1 Вакуумный индукционный переплав. 55

5.2 Вакуумный дуговой переплав. 59

5.3 Электрошлаковый переплав. 67

5.4 Плазменно-дуговой переплав. 74

5.5 Электронно – лучевой переплав. 80

Библиографический список. 87

 

Введение

 

На протяжении всей истории металлургии перед металлургами стоит задача улучшения качества металла и прежде всего получения металла, не содержащего вредных примесей (серы, фосфора, газов, примесей цветных металлов, неметаллических включений и т.п.) и с необходимой структурой.

Развитие таких отраслей техники, как авиакосмическая, атомная, энергетическая и ряда других, во многом определяется состоянием и техническим уровнем производства легированных сталей и сплавов, способных работать в самых разнообразных условиях. Современная техника нуждается в материалах, надежно работающих как при температуре, близкой к абсолютному нулю, так и температуре в несколько тысяч градусов, при знакопеременных и вибрационных нагрузках, под воздействием радиоактивных излучений, в агрессивных средах, в условиях глубокого вакуума и резких перепадов температуры.

Решение этих задач потребовало, во-первых, конкретного улучшения качества производимых сталей и сплавов и, во-вторых, создания новых материалов.

Традиционными методами выплавки и разливки в ряде случаев нельзя получить металл требуемого качества. Взаимодействие жидкой стати в процессе выплавки и разливки с огнеупорными материалами, шлаком и атмосферой неизбежно приводит к значительному загрязнению металла неметаллическими включениями и газами. Затвердевание металла в чугунных изложницах сопровождается дефектами кристаллизационного (усадочные раковины, пористость, трещины и т.д.) и ликвационного происхождения.

Поэтому возникла необходимость применения специализированных методов, которые объединяют в особую группу специальной электрометаллургии - вторичные рафинирующие процессы. Общими для них являются переплав расходуемых заготовок (электродов), капельный перенос переплавляемого металла, последовательная кристаллизация его в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Во всех этих процессах используется электрический источник тепла, под действием которого металл плавится. В то же время вторичные рафинирующие процессы различаются характером преобразования электрической энергии в тепловую, наличием или отсутствием вакуума и шлака в плавильном пространстве и рядом других особенностей.

Основной задачей курса «Специальные стали» является изучение свойств и назначения специальных сталей, а также рассмотрение основных технологий их получения.

 

Специальные стали

Основные понятия и область применения

Специальные стали - это сплавы на основе железа, отличающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки. Достаточно наличия одного из этих факторов, чтобы сталь можно было назвать специальной. Чаще всего специальные стали характеризуются всеми тремя особенностями. Это относится также и к легированным сталям с высоким содержанием легирующих элементов.

Изучением свойств стали ученые и технологи занимаются с давних времен. В 1851г. впервые русским ученым металлургом Аносовым П.П. был открыт закон о связи строения и свойств металлов, что дало большой скачек для зарождения сталей с особыми свойствами. Сопоставляя макроструктуру изготавливаемых булатов с их режущими свойствами, Аносов П.П. писал: «если коленчатым и сетчатым булатом легко перерезать в воздухе газовый платок, то и моим булатом я могу делать то же самое». В своей работе о булатах он писал: «примесь марганца к стали в малом количествен до 1/200 доли не производит в ней видимой перемены, а если его содержание увеличить до 1/100 доли, то сталь станет тверже, хрупче и вообще грубою. С увеличением количества марганца до 1/50 доли сталь делается  столь ломкой, что при ударах колется по длине, соответственно направлению слоев ее составляющих…», «хром и особенно титан, при одинаковом количестве, меньше вредят стали, чем марганец». Исследования и заключения Аносова  о влиянии различных элементов на свойства и структуру стали оставались верными в течение века.

Закон о взаимной связи строения и свойств металлов получил развитие в трудах Д.К.Чернова. Он впервые указал на существование критических температур и на их зависимость от концентрации углерода.

Затем были разработаны основы теории легирования сталей. Получены стали с новыми свойствами. И.Н. Богачев с сотрудниками разработал новые кавитационно-стойкие стали с нестабильным аустенитом.

В настоящее время в стране выпускается боле 1000 различных марок сталей, причем доля спецсталей с каждым годом неуклонно растет.

Стали и сплавы специального назначения благодаря своим уникальным свойствам находят широкое применение в электроэнергетике, станкостроении, машиностроении, медицине и здравоохранение, а также в создании различных агрегатов и устройств для нужд автомобильной, химической и авиационно-космической промышленности (таблица 1.1).

 

 

Таблица 1.1 - Применение специальных сталей и сплавов на основе никеля

Группа	Основные марки	Применение
Сплавы для электроники	Mi 205	электродная проволока, высоковольтные «свечи»
	NiFe 36	детали для спаев со стеклом, «масочные» кинескопы
	NiFe42	рамки с выводами
	NiCr 80-20	нагревательные элементы
Коррозионностойкие	Alloy 200	корпуса аккумуляторных батарей
	Monel 400: К 500	штифты валов, несущие детали
	Incoloy 925	в нефтегазовой промышленности
Жаростойкие	330	элементы печных конструкций
	600, 601	то же, электродная проволока, теплозащитные фильтры
	800, 800H, 800HT, 825	нефтегазовая промышленность оборудование для термообработки
Жаропрочные	A 286	элементы трубопроводов для дутья
	Inconel 718	реактивные двигатели, газовые турбины, нефтегазовая отрасль
	Nimonic 80A	элементы дизельного двигателя
	Inconel 725	нефтегазовая промышленность
	Hasteloy X	реактивные двигатели, несущие компоненты

 

Кроме того, практически все емкости, сосуды, реакторы, трубы и другое оборудование химической индустрии изготавливается из аустенитных нержавеющих сталей.

Специальные стали и сплавы остаются незаменимыми материалами для производства специального оборудования авиалайнеров и космических кораблей.

Например, в настоящее время одним из самых широко применяемых двигателей гражданской авиации является CFM56, которые ежегодно устанавливаются на 625 самолетах А320 и Boeing-737. Благодаря современным технологиям производства становится возможным применение новых турбинных лопаток из композиционных монокристаллических сплавов с теплозащитным покрытием, позволяет увеличит ресурс двигателя более чем в 2 раза и достичь показателя в 10000 часов.

Сложившиеся мировые тенденции научно-технического развития в области разработки и использования сплавов и сталей со специальными свойствами, показывает актуальность дальнейшего развития данной отрасли.