Классификация специальных сталей

В металлургии известны сотни сталей и сплавов, отличающихся выдающимися служебными характеристиками. На данный момент нет однозначной их классификации, в связи с тем, что во многих случаях стали относят к специальным даже по одному из трех указанных признаков:

- по химическому составу;

- по способу производства;

- по способу обработки.

По химическому составу к специальным сталям, прежде всего, относятся сплавы железа, легированные никелем, хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием и др., например нержавеющие стали с содержанием более 13% хрома и добавками никеля, молибдена и другие. При производстве и термической обработке таких сталей большое значение имеет характер легирования.

Легированными сталями называют сплавы железа, к которым добавлены определенные количества легирующих элементов с целью получения ряда особых свойств.

В зависимости от количества легирующих добавок стали подразделяют на:

- низколегированные (количество добавок не превышает 2,5%);

- среднелегированные (добавок от 2,5 до 10%);

- высоколегированные (добавок свыше 10%).

В процессе производства нелегированной стали вместе с шихтой (в том числе и скрапом) непроизвольно попадают разные легирующие элементы, например никель, медь, хром. В общей сложности их количество составляет около 0,5%. Эти примеси, как правило, оказывают незначительное влияние на свойства сталей и поэтому ими можно пренебречь. Ошибочно такие стали называть легированными. Вместе с тем иногда незначительная добавка легирующего элемента, даже в количестве 0,1% и менее, введенная в определенную сталь, позволяет считать эту сталь легированной.

Таким образом, получение легированной стали предусматривает намеренное введение легирующих элементов в определенном количестве для получения определенных свойств.

При этом даже при небольшом содержание легирующих элементов, если стали приданы определенные свойства, ее относят к разряду спецсталей.

Специальные стали по способу производства.

Стали одинакового химического состава могут выплавлять различными способами, которые подразделяют в зависимости от применяемых печей на: конверторную, мартеновскую, тигельную и электросталеплавильную.

Выбор того или иного способа производства зависит от назначения сталей (области применения). Например, стали с содержанием 0,6– 0,8% С и около 0,6–1% Мn для изделий массового производства, например для закаливаемых рельсов, выплавляют конвекторным способом или в основных мартеновских печах большой емкости. Стали примерно такого же химического состава, идущие для изготовления штампов, режущих инструментов и др., можно выплавлять или в мартеновских или в электрических печах.

Исследование влияния минимальных количеств примесей таких элементов, как азот, кислород, сера, водород и фосфор, на свойства сплавов железа позволяет определить особенности, обусловленные процессом производства стали. Изучение металлургических закономерностей показывает, что в большинстве случаев характерные свойства сплавов, обусловленные химическим составом и, в частности, малыми количествами примесей, могут быть достигнуты лишь в результате применения определенных способов производства этих сплавов. Таким образом, специальные стали по способу производства (с учетом влияния незначительных количеств примесей) можно рассматривать одновременно и как специальные стали по химическому составу.

Отдельными способами производства выделяют переплавные процессы объединены в особую группу специальной электрометаллургии их ещё называют вторичные рафинирующие процессы. К ним относят: вакуумный индукционный переплав (ВИП), вакуумный дуговой переплав (ВДП), плазменный дуговой переплав (ПДП), электрошлаковый переплав (ЭШП), электронно-лучевой переплав (ЭЛП) и другие.

Специальные стали по способу обработки.

Большинство сталей выплавляют в мартеновских печах большой емкости или в кислородных конвертерах. После плавки сталь подвергают горячей прокатке или ковке, термической обработке, а также, например, холодной прокатке, протяжке и тому подобным специальным способам обработки, в результате которых получают желаемые специальные свойства. Примером служат мягкие сорта листовой стали для глубокой вытяжки.

Особенности производства и обработки ряда обычных сталей специального назначения позволяют назвать и эти стали специальными, причем в этом случае важное значение имеет изучение влияния небольших количеств примесей

В большинстве случаев принимают к рассмотрению классификацию специальных сталей [3]:

1) Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали.

2) Инструментальные быстрорежущие стали.

3) Конструкционные износостойкие стали.

4) Машиностроительные

- Мартенситно-стареющие стали.

- Подшипниковые стали.

- Пружинные стали.

- Высокопрочные стали.

- Рельсовые стали.

Кроме того отдельной группой стоят прецизионные стали и сплавы, которые в настоящее время находят все большее применение в различных областях производства и техники, начиная от устройств и агрегатов бытовой техники (телефонные, телевизионные системы, холодильные агрегаты) и заканчивая машинами прикладной кибернетики, космической техники, средств связи и т.д.

 

Нержавеющие стали

Понятие «легированная нержавеющая сталь» является собирательным для более чем 120 различных марок нержавеющих сталей. В течение десятилетий было разработано множество различных сплавов, которые в каждом случае применения проявляли наилучшие свойства. Все эти сплавы имеют общую отличительную черту: благодаря содержащемуся в сплаве хрому они не нуждаются в дополнительной защите поверхности. Этот присутствующий в сплаве хром образует на поверхности бесцветный прозрачный оксидный слой, который сам залечивается при повреждениях поверхности благодаря содержащемуся в воздухе или воде кислороду.

По химическому составу коррозионно-стойкие стали подразделяют:

- хромистые стали (08Х13, 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 12Х17, AISI 410, AISI 430, AISI 420, 1.4006, 1.4016, 1.4028);

- хромо-никелевые стали (08Х18Н9, AISI 304, 1.4301);

- хромо-никель-молибденовые стали (03Х17Н14М2);

- хромо-никель-молибдено-медистые стали (Х25Н28М3Д3);

- хром-никель-марганцевые стали (2Х13Н4Г9 (ЭИ100)).

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, так как ее электродный потенциал становится отрицательным.

Наибольшая коррозионная стойкость сталей достигается после соответствующей термической и механической обработки. Так, для стали 12X13 лучшая коррозионная стойкость достигается после закалки в масле (1000-1100°С), отпуска (700-750°С) и полировки.

Кроме основных легирующих компонентов, эти стали могут быть дополнительно легированы молибденом, кремнием, титаном, ниобием, которые вводят в состав сплавов главным образом для повышения их коррозионной стойкости в определенных средах.

Легирующие добавки, особенно хром, облегчают переход металла в пассивное состояние. При достаточном легировании сплавы пассивируются непосредственно кислородом воздуха или раствора, как это имеет место для чистого хрома. Степенью устойчивости пассивного состояния определяется коррозионная стойкость этих сталей.

Широкое распространение получила классификация коррозионно-стойких сталей по структурным признакам (таблица 2.1).

В зависимости от структуры стали подразделяют на классы:

- ферритный;

- мартенситный;

- аустенитный;

- феррито-мартенситный;

- аустенито-мартенситный;

- аустенито-ферритный.

В отдельный класс обычно выделяют коррозионностойкие сплавы на основе никеля (никеля и хрома, никеля и молибдена).

 

Таблица 2.1 - Классификация коррозионно-стойких сталей по структурным признакам

Марка (ГОСТ 5632-72)	Класс		Элементы		Прочие элементы
		С	Сr	Ni
12X13	Мартенситно- ферритный	0,09 - 0,15	12-14	—	—
40X13	Мартенсит- ный	0,36 - 0,45	12-14	—	—
12X17 08X17Т	Ферритный То же	<0,12 <0,08	16-18 16-18	—	5,0 — 0,8 Ti
12Х18Н9 12Х18Н9Т 04X18Н10 10Х14Г14НЗ	Аустенитный	<0,12 <0,12 <0,04 0,09- 0,14	17-19  17-19 17-19 12,5-14	8-10 8-9,5 9-11 2,8-3,5	5,0-0,8Ti 13-15,5 Mn
09X15Н8Ю	Аустенитно- мартенситный	<0,09	14-16	7-9,4	0,7-1,3 Al
08X21Н6М2Т	Аустенитно- ферритный	<0,08	20-22	5,5-6,5	1,8-2,5 Mo 0,2-0,4 Ti

 

В свою очередь нержавеющие стали аустенитного класса подразделяются:

- хромоникелевые;

- хромомарганцевоникелевые;

- хромомарганцевые.

В зависимости от соотношения углерода и хрома стали могут иметь ферритную (08X18Т, 12X17, 15Х25Т, 15X28), феррито-мартенситную (08X13, 12X13) и мартенситную (20X13, 30X13, 40X13) структуру. Стали с более высоким содержанием углерода имеют в структуре мартенсит и карбиды, остаточный аустенит и относятся к инструментальным.

Подразделение сталей на классы по структурным признакам условно и проводится в зависимости от основной структуры, полученной при охлаждении сталей на воздухе после высокотемпературного нагрева. Состав коррозионностойких сталей регламентируется ГОСТ 5632-72, а механические свойства - соответствующими ГОСТами на полуфабрикаты, например ГОСТ 7350-77 (толстый лист), ГОСТ 5582-75 (тонкий лист), ГОСТ 5949-75 (сортовой прокат) и т.д.

Благодаря своим уникальным коррозионным свойствам нержавеющие стали нашли широкое применение в аэрокосмической, химической, строительной и металлургической, пищевой промышленности (таблица 2.2).

 

Таблица 2.2 - Области применения коррозионно-стойких сталей

Марка (ГОСТ 5632-72)	Рабочая температура, °С, не более	Назначение
12X1320X13	450	Лопатки гидротурбин, компрессоров, клапанов и арматура для химической промышленности, предметы домашнего обихода
30X13	450	Валы, болты, шестерни, пружины, работающие в условиях коррозионной среды и больших напряжений
40X13	-	Шарикоподшипники, пружины, режущий хирургический и бытовой инструмент
04X18Н10 12Х18Н10Т	600	Конструкции и детали, изготовляемые сваркой и штамповкой в машиностроении и химической промышленности

 

Мартенситные и мартенсито-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические свойства. В основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности ножей, для упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами (например, 4-5%-ная уксусная кислота, фруктовые соки и др.). Эти стали применяют после закалки и отпуска на заданную твердость.

Ферритные стали применяют для изготовления изделий, работающих в окислительных средах (например, в растворах азотной кислоты), для бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроении.

Ферритные хромистые стали имеют высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте, водных растворах аммиака, в аммиачной селитре, смеси азотной, фосфорной и фтористоводородной кислот, а также в других агрессивных средах.

Коррозионная стойкость сталей ферритного класса повышается с увеличением содержания в них хрома, уменьшением содержания углерода и азота. В зарубежной практике разработаны стали с низким суммарным содержанием углерода и азота (0,025-0,035%), содержащие 18-28% Сr и 2-4% Мо, стабилизированные Ti или Nb. Эти стали называют суперферритами; они имеют высокую стойкость во многих агрессивных средах, стойки против коррозии под напряжением, питтинговой и щелевой коррозии.

Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения.

В хромоникелевых аустенитных сталях промышленных плавок возможны следующие фазовые превращения: 1) образование карбидных, карбонитридных фаз при нагревах в интервале 650-850 °С; 2) растворение этих фаз при нагреве до более высоких температур (1100-1200 °С); 3) образование 5-феррита при высокотемпературных нагревах; 4) образование а- и е-мартенситных фаз при охлаждении и пластической деформации.

Хромомарганцевоникелевые и хромомарганцевые стали. Марганец, как и никель, является аустенитообразующим элементом, однако он обладает менее сильным действием на стабилизацию аустенита.

Коррозионная стойкость хромомарганцевых и хромо-марганцевоникелевых сталей во многих агрессивных средах достаточно высокая, однако в средах высокой агрессивности (например, азотная кислота, среды с галогенами, сульфатами, сульфидами) марганец оказывает отрицательное влияние на сопротивление коррозии.

Поэтому коррозионностойкие хромомарганцевые стали следует применять только после тщательных испытаний на коррозионную стойкость в рабочей среде. В настоящее время в технике накоплен большой опыт по рациональному использованию сталей с частичной или полной заменой никеля марганцем в качестве коррозионно-стойкого материала.

Аустенито-ферритные стали находят широкое применение в различных отраслях современной техники, особенно в химическом машиностроении, судостроении, авиации. Принципиальное их отличие состоит в том, что благодаря более высокому содержанию в них хрома аустенит становится более устойчивым по отношению к мартенситному превращению, хотя полностью исключить возможность образования мартенсита в этих сталях не всегда удается.

Аустенито-мартенситные стали относят к сталям переходного класса.

Структура этих сталей после закалки представляет собой неустойчивый (метастабильный) аустенит, который может претерпевать мартенситное γ→α_м-превращение в результате обработки холодом. Свойства определяются соотношением количества аустенита и мартенсита в структуре. Стали этого класса относятся к сталям повышенной прочности и технологичности.