Мартенситно-стареющие стали

 

Мартенситно-стареющие стали (МСС) интересуют инженеров и технических работников благодаря хорошему сочетанию прочностных и технологических свойств. Разработаны стали, содержащие кроме железа и никеля Co, Mo, Ti, Al и Nb и Cr. Особенностью данных сталей является то, что они практически не содержат углерод (менее 0,03%), в связи с чем после закалки образуется «легкий» мартенсит.

Это стали на Fe–Ni основе, содержащие 7–20% Νi, дополнительно легированные Co, Mo, Ti, Al и Nb (если нужна коррозионная стойкость, то добавляют и Cr). Классическими считают стали, содержащие 18–25% Ni и с минимальным содержанием углерода. Марки наиболее используемых сталей приведены в таблице 2.4, а классификация МСС – на рисунке 2.1.

 

Таблица 2.4 - Механические свойства (средние) мартенситно-стареющих сталей

 

Сталь	Тстар, ºС	σв, МПа	σ0,2, МПа	Ψ, %	δ, %	HRC
Н18К9М5Т (ЭП637)	500	2 200	1 950	-	8	55
Н18К12М5Т2 (Э11809)	500	2 450	2 350	35	7	60
Н16К4М5Т2Ю (ЗИ89)	480	2 050	1 980	40	7,5	55
Н17К12М5Т (ЭП845)	500	2 050	2 000	45	8	54
Н18К14М5Т (ЭИ122)	480	2 400	-	35	9	57
Х12Н8К5МЗТ (ЗИ90)	480	1 700	1 600	55	10	48
Х12Н2К16М4 (ЭИ124)	600	1 600	1 550	55	12	46
08X15Н5Д2Т (ЭП410)	450	1 450	1 350	500	11	43
XI1Н10М2Т (ЭИ678)	500	1 550	1 480	50	8	46

 

Наиболее интенсивно упрочняют стали такие легирующие элементы, как Ti и Al. Однако суммарное количество этих элементов не должно превышать 1%.

 

Рисунок 2.1 - Классификация мартенситно-стареющих сталей

 

При старении мартенсит обедняется легирующими элементами из-за выделения вторичных интерметаллидных фаз типа NiTi, NiTi, NiMo, FeMo, Ni(TiAl).

Причем, наибольшее упрочнение сталь достигает на стадии предвыделения, когда интерметаллиды еще когерентно связаны с матричным твердым раствором и имеют малые размеры. При γ→α - превращении получается мартенсит с небольшой твердостью и невысокими прочностными свойствами. При отпуске углеродистых сталей происходит распад мартенсита с образованием ферритокарбидной смеси, что ведет к понижению прочности и твердости.

Мартенситно-стареющие стали применяют для изготовления деталей ответственного назначения, которым нужна высокая прочность и хорошая вязкость при низких и невысоких температурах. Эти стали используют в самолетостроении, ракетостроении, машиностроении, в криогенной технике.

Также эти стали можно использовать для изготовления пружин и упругих элементов, гибких гидравлических шлангов, подшипников и болтов, сосудов высокого давления, в часовой промышленности. Из этих сталей производят полуфабрикаты в виде поковок, сортового проката, листов, полос, лент, труб.

Подшипниковые стали

 

Подшипники являются ответственными деталями машин и механизмов. Они во многом определяют точность и производительность металлорежущих станков, надежность электродвигателей, качество автомобилей, тракторов, вагонов и т. д. Отечественная промышленность производит более 5 тысяч типоразмеров подшипников диаметром от 0,5 до 3,0 м.

Стали для подшипников по назначению составляют особую группу конструкционных сталей, но по составу и свойствам они близки к инструментальным сталям.

К особенностям характера работы подшипниковых сталей относятся высокие локальные нагрузки, и, как следствие этого, чрезвычайно высокие требования к чистоте стали по неметаллическим включениям, карбидной неоднородности и др. Основные требования, которые должны обеспечить подшипниковые стали.

1) Высокая статическая грузоподъемность – предельная нагрузка, при которой остаточные деформации в зоне контакта не превышают 0,01% от диаметра шарика или заэвтектоидных легированных хромом сталей, обработанных на высокую твердость.

2) Высокое сопротивление контактной усталости. Эта характеристика чрезвычайно сильно зависит от наличия металлургических дефектов различного рода, особенно сульфидных и оксидных включений, а также водорода, поскольку подшипниковые стали флокеночувствительны.

При производстве подшипниковых сталей применению рафинирующих переплавов уделяется особое внимание. Рафинирующие переплавы позволяют значительно снизить загрязненность стали неметаллическими включениями, что, естественно, удорожает сталь. Если принять за 100% содержание включений в стали ШХ15 открытой выплавки, то для стали, обработанной синтетическим шлаком (ШХ15Ш), оно составляет 45%, для той же стали вакуумно-дуговой выплавки (ШХ15ВД) - 35%, а для стали, обработанной шлаком и дополнительно переплавленной вакуумно-дуговым способом (ШХ15ШД) - 25%. При этом оставшиеся включения более равномерно распределяются в объеме слитка, уменьшается и средний размер включений.

Не менее вредным фактором, с точки зрения контактной усталости, является карбидная неоднородность (карбидная сетка, строчечные включения карбидов и т. п.). Способ устранения этого дефекта заключается в проведении оптимальной пластической и термической обработки.

Износостойкость, в том числе абразивная, достигается введением сталь ~1,0% С и 1,5% Сr. Влияние хрома на износостойкость определяется тем, что он увеличивает количество карбидной фазы и меняет качественно ее состав, позволяя получать твердые специальные карбиды.

Высокое сопротивление малым пластическим деформациям. Это требование наиболее актуально для подшипников точных приборов.

Размерная стабильность. В зависимости от размеров и класса точности подшипников изменения размеров при эксплуатации не должны превышать 10-4–10-5 мм/мм. Размерная стабильность зависит от содержания остаточного аустенита в стали. При увеличении количества остаточного аустенита размерная стабильность ухудшается, так как остаточный аустенит является нестабильной структурной составляющей и при высоких нагрузках может превращаться в мартенсит, что сопровождается объемными изменениями.

В таблице 2.5 приведены составы некоторых подшипниковых сталей

 

Таблица 2.5 - Состав и область применения подшипниковых сталей

Марка стали	Содержание основных элементов					Область применения
	С	Si	Mn	Cr	Mo
ШХ15 ШХ15СГ ШХ20СГ 95X18-Ш 11Х18М 8Х4М4В2Ф1Ш 8Х4В9Ф2Ш	0,95–1,05 0,95–1,05 0,95–1,05 0,9–1,1 1,1-1,2 0,75–0,85 0,70–0,80	0,17–0,37 0,40–0,65 0,55–0,85 0,8 0,53–0,93 0,40 0,25	0,20–0,40 0,90–1,20 1,40–1,70 0,7 0,5–1,0 0,40 0,25	1,3–1,65 1,3–1,65 1,4-1,7 17–19 16,5–18 3,9–4,4 4,0–4,6	- - - - 0,5–0,8 3,9–4,4 0,30	Интервал рабочих температур -60 -+300° С.Для работы в агрессивных средах, для подшипников приборов Интервал рабочих температур 300+500 ºС

 

Подшипниковые стали обычно классифицируются по условиям работы: различают стали общего применения, используемые для изготовления деталей подшипников (колец, шариков, роликов), работающих при температурах от - 60 -+300 °С в неагрессивных средах, и стали специального назначения, предназначенные для изготовления теплостойких и коррозионностойких подшипников. Составы сталей для подшипников общего назначения регламентируются ГОСТ 801–78, а подшипников специального назначения – соответствующими ТУ.

 

Пружинные стали

 

Пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов, пружинящих деталей приборов и механизмов, а так же рессор различного типа.

По способу изготовления пружинные стали делят на стали, упрочняемые путем пластической деформации и последующего стабилизирующего отпуска (старения), и стали, упрочняемые путем закалки на пересыщенный твердый раствор и последующего отпуска (старения).

Пружинные материалы наиболее часто используют в виде проволоки или ленты, из которых затем путем навивки, резки или вырубки изготовляют пружины и пружинящие детали необходимой конфигурации. При получении пружинной проволоки или ленты нередко применяют совмещенный способ упрочнения, включающий закалку на пересыщенный раствор и пластическую деформацию с последующим отпуском.

По назначению пружинные стали можно разделить на стали общего и специального назначения.

Стали общего назначения предназначены для изготовления изделий, обладающих высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкостью, при достаточной пластичности и вязкости, а для пружин, работающих при циклических нагрузках, и высоким сопротивлением усталости. Рабочая температура таких пружин обычно не превышает 100... 120 °С.

Требования к свойствам пружинных сталей определяются условиями работы пружин и механизмов, которые могут быть исключительно разнообразны. Наиболее общим требованием ко всем пружинным сталям является обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений).

Химический состав и свойства пружинных сталей общего назначения регламентируются в ГОСТ 14959-79 (таблица 2.6).

 

Таблица 2.6 - Химический состав и свойства пружинных сталей общего назначения

Марка стали	Содержание основных элементов,%				σв	σ0,2	δ	ψ
	С	Si	Мп	Сг	МПа		%
70 85 У9А У12А 65Г 55ГС 55ХГР 60С2 70СЗА 50ХФА	0,67 - 0 75 0,82 - 0,90 0,85 - 0,94 1,15 - 1,24 0,62 - 0,70 0,52 - 0,60 0,52 - 0,60 0,57 - 0,65 0,60 - 0,74 0,46 - 0 54	0,17 - 0,37 0,17 - 0,37 0,15 - 0,30 0,15 - 0,30 0,17 - 0,37 0,50 - 0,80 0,17 - 0,37 1,50 - 2,00 2,40 - 2,80 0,17 - 0 37	0,50 - 0,80 0,50 - 0,80 0,15 - 0,30 0,15 - 0,30 0,90 - 1,2 0,60 - 0,90 0,90 - 1,2 0,60 - 0,90 0,60 - 0,90 0,50 - 0,80	<0,25 <0,25 <0,15 <0,15 <0,25 <0,30 0,90 - 1,2 <0,30 <0,30 0,80 - 1,1	1050 1150 - - 1000 - 1400 1300 1800 1300	850 1000 - - 800 - 1250 1200 1600 1100	9 8 - - 8 - 5 6 6 8	30 30 - - 30 - 30 25 25 35

 

Пружинные стали общего назначения в виде проволоки или ленты можно упрочнять холодной пластической деформацией или закалкой на мартенсит с последующим отпуском.

Путем пластической деформации особенно широко обрабатывают углеродистые стали с 0,65 - 1,2% С. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.

Пружинные стали специального назначения кроме высоких значений предела упругости могут иметь еще высокую коррозионную Стойкость, теплостойкость (высокое сопротивление релаксации при Повышенных температурах), немагнитность и др. К таким сталям относятся высоколегированные мартенситные, мартенситно-стареющие и аустенитные стали

В качестве коррозионностойких пружинных сталей применяют мартенситные стали. Для получения высокой коррозионной стойкости стали легируют хромом в количестве более 12% стали типа 30X13 и 40X13 после закалки от температур 1000 - 1050 °С и отпуска. Режим отпуска зависит от назначения пружин. Для работы при комнатной температуре применяют отпуск при 300 - 350 °С, а в условиях повышенных температур при 500 - 550 °С. Повышенная прокаливаемость таких сталей позволяет использовать их для пружин больших сечений. Для повышения релаксационной стойкости коррозионностойкие стали мартенситного класса дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Так, сталь 12Х12Н2ВМФ имеет рабочую температуру 350 °С, что на 50 °С выше, чем у стали 30X13.

 

Высокопрочные стали

 

К высокопрочным относятся стали, временное сопротивление которых σ_B >1600 МПа (таблица 2.7). Стали с пределом текучести более 2000 МПа иногда называют сверхвысокопрочными.

Получение сталей высокой прочности неизбежно ведет к понижению характеристик пластичности и прежде всего сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому надежность стали в конструкции (изделии) может быть охарактеризована конструктивной прочностью - комплексом механических свойств, находящихся в корреляции с эксплуатационными условиями работы изделий.

 

Таблица 2.7 - Химический состав и свойства высокопрочных сталей

Марка стали	Страна	Содержание элементов (среднее),%					σв	σ0,2	δ	ψ
		С	Si	Сг	Мо	V	МПа		%
40Х5М2СФ	СССР	0,40	0,9	5,00	1,3	0,6		1720	12,0	40
40Х5М2СФЕ		0,40	0,9	5,00	1,3	0,45	–	1930	12,0	49
40X5ФСБ		0,40	0,9	5,00	0,5	0,45	–	1630	13,4	41
Н11	США	0,40	1,0	5,00	1,40	0,50	1670	2020	9	34
Н13		0,40	1,00	5,00	1,30	1,00	1470	1810	5	–
Хро-Мау		0,35	1,00	5,00	1,40	0,30	–	1580	–	–
Пирлесс 56		0,40	1,00	3,25	2,55	0,35	1720	2100	8	–
MOG510	ФРГ	0,40	1,00	5,00	1,50	0,60	–	1920	–	–
HST120	Англия	0,30	0,20	3,00	2,00	0,45		1890	7
HST140		0,40	0,20	5,00	2,00	0,45	1780	2250	7
Хекла 174		0,36	1,35	5,30	1,30	1,00	–	2130	4
Н50		0,40	0,63	5,00	1,30	0,80	1400	1980	10	–
Хромоди		0,35	1,00	5,00	1,50	1,00		1720	12,0	40

 

Высокопрочные стали должны иметь достаточные пластичность, сопротивление динамическим грузкам, ударную вязкость, усталостную прочность, а для ряда изделий и хорошую свариваемость.

При выплавке высокопрочных сталей применяют чистые шихтовые материалы, специальные методы выплавки, повышающие чистоту стали по неметаллическим включениям, газам и вредным Примесям, такие как электрошлаковый переплав, вакуумные способы плавки и др., которые повышают пластичность стали, но при этом и удорожают сталь.

Существуют разные способы получения высокопрочных сталей: закалка на мартенсит с низким отпуском (300-350 °С) и вторичное твердение в интервале температур 500-650 °С, а также ряд специальных технологических процессов, к которым можно отнести термомеханическую обработку, волочение сталей со структурой тонкопластинчатой феррито-карбидной смеси, получение сталей со структурой сверхмелкого зерна и некоторые другие. К высокопрочным сталям относятся пружинные, а также большинство мартенсито-стареющих сталей (главы XVII и XVIII). Важное значение имеет группа высокопрочных сталей со структурой метастабильного аустенита.

Прежде всего высокопрочные стали применяют в изделиях, для которых важно уменьшение массы при сохранении высокой прочности. Это могут быть высокопрочные болты и крепежные изделия, некоторые виды тросов и прядей, высокоскоростные роторы, валы и многие другие детали машин и механизмов. Высокопрочные стали используют в космической, ракетной, авиационной технике, а также в ряде отраслей приборостроения.

 

Рельсовые стали

 

Производство рельсов в нашей стране составляет около 3,5% от общего производства готового проката, а грузонапряженность железных дорог в 5 раз выше, чем в США, и в 8 - 12 раз выше, чем на дорогах других развитых капиталистических стран. Это налагает особо высокие требования к качеству рельсов и стали для их изготовления.

Рельсы подразделяют:

- по типам Р50, Р65, Р65К (для наружных нитей кривых участков пути), Р75;

- категориям качества: В – рельсы термоупрочненные высшего качества, T1, T2 – рельсы термоупрочненные, Н – рельсы нетермоупрочненные;

- наличию болтовых отверстий: с отверстиями на обоих концах, без отверстий;

- способу выплавки стали: М – из мартеновской стали, К – из конвертерной стали, Э – из электростали;

- виду исходных заготовок: из слитков, из непрерывно-литых заготовок (НЛЗ);

- способу противофлокенной обработки: из вакуумированной стали, прошедшие контролируемое охлаждение, прошедшие изотермическую выдержку.

Химический состав рельсовых сталей представлен в табл. 6. в марках стали буквы М, К и Э обозначают способ выплавки стали, цифры – среднюю массовую долю углерода, буквы Ф, С, X, Т – легирование стали ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

 

Таблица 2.8 - Химический состав рельсовых сталей (ГОСТ 51685 - 2000)

Тип рельса	Марка стали	Массовая доля элементов, мас.%
		С	Мп	Si	V	Ti	Cr	Р	S	AI
								не более
Р50, Р65, Р75	К78ХСФ Э78ХСФ	0,74-0,82	0,75-1,15	0,40-0,80	0,05-0,15	—	0,40-0,60	0,025	0,025	0,005
	М76Ф	0,71-0,82		0,25-0,60	0,03-0,15		—	0,035	0,040	0,020
	К76Ф Э76Ф							0,025	0,025
	М76Т				—	0,007-0,025		0,035	0,040
	К76Т Э76Т							0,025	0,025
	М76					—		0,035	0,040	0,025
	К76 376							0,025	0,025

 

Рельсы железнодорожные широкой колеи типов Р75 и Р65 изготовляют по ГОСТ 24182-80 из мартеновской стали М76 (0,71 - 0,82% С; 0,75 - 1,05% Mn; 0,18 - 0,40% Si; < 0,035% Р и < 0,045% S), и более легкие типа Р50 - из стали М74 (0,69 - 0,80% С).

Рельсовую сталь, содержащую 0,60 – 0,80% С, и аналогичную ей по составу кордовую обычно выплавляют в кислородных конвертерах и дуговых сталеплавильных печах. Наиболее сложной задачей при производстве этих марок стали является получение низкого содержания фосфора в металле при прекращении продувки на марочном содержании углерода.

После горячей прокатки все рельсы подвергают изотермической обработке для удаления водорода с целью устранения возможности образования флокенов. Рельсы поставляют для эксплуатации на железных дорогах незакаленными (сырыми) по всей длине и термоупрочненными по всей длине. Концы сырых рельсов подвергают поверхностной закалке с прокатного нагрева или с нагрева ТВЧ. Длина закаленного слоя от торца рельса 50 - 80 мм, а твердость закаленной части IIB 311 - 401. Сырые рельсы из стали М76 должны иметь ов > £ 900 МПа и 5 > 4%. Технология изготовления рельсов должна гарантировать отсутствие в них вытянутых вдоль направления прокатки строчек неметаллических включений (глинозема) длиной более 2 мм (группа I) и более 8 мм (группа II), так как подобные строчки служат источником зарождения трещин контактной усталости в процессе эксплуатации.

Высокая грузонапряженность железных дорог привела к тому, что работоспособность сырых нетермоупрочненных рельсов перестала удовлетворять требованиям тяжелой работы сети железных дорог.

Дальнейшее повышение эксплуатационной стойкости термически упрочненных рельсов может быть достигнуто легированием рельсовой стали. Перспективным является легирование углеродистой рельсовой стали небольшими добавками ванадия (-0,05%), применение легированных сталей типа 75ГСТ, 75ХГМФ и др., а так же применение термомеханической обработки.

 

 

Контрольные вопросы

   

1) Дайте общую классификацию сталей специального назначения?

2) Как классифицируют специальные стали по химическому составу?

3) Как классифицируют специальные стали по способу производства?

4) Как классифицируют специальные стали по способу обработки?

5) Нержавеющие стали. Их классификация, свойства и область применения?

6) Инструментальные быстрорежущие стали. Их классификация, свойства и область применения?

7) Конструкционные износостойкие стали. Их классификация, свойства и область применения?

8) Мартенситно-стареющие стали. Их классификация, свойства и область применения?

9) Подшипниковые стали. Их классификация, свойства и область применения?

10) Пружинные стали. Их классификация, свойства и область применения?

11) Высокопрочные стали. Их классификация, свойства и область применения?

12) Рельсовые стали. Их классификация, свойства и область применения?