Стали специального назначения

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали относятся к специальным сталям и идут на изготовление деталей, работающих под воздействи­ем агрессивных сред. Эти стали при эксплуатации должны обладать не только определенными механическими свойствами, но и высокой коррозионной стойкостью. Наиболее часто в таких случаях использу­ются хромистые и хромоникелевые стали.

Хромистые нержавеющие стали содержат 0,1...0,45 % углерода и не менее 13 % хрома. Они сопротивляются коррозии при температуре не выше 30 °С во влажной атмосфере воздуха, водопроводной и реч­ной воде, азотной и многих органических кислотах. В морской воде они подвержены коррозионному растрескиванию.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хро­ма и углерода. Стали 12X13 и 20X13 доэвтектоидные и в отожженном состоянии их структура состоит из хромистого феррита и перлита. После закалки с температуры 1000... 1100 °С в масле и отпуска при 700...750 °С структура стали состоит из феррита и карбидов хрома. Твердость стали 200...250 НВ. Эти стали хорошо свариваются, штам-■ пуются и идут на изготовление лопаток гидравлических турбин, емко­стей, арматуры.

Сталь 30X13 эвтектоидная и имеет перлитную структуру, 40X13 - заэвтектоидная, в структуре которой дополнительно образуется леги­рованный цементит и карбиды хрома. После закалки с 1000... 1050 °С в масле и отпуска при 180...200 °С структура этих сталей состоит из мартенсита с высокой твердостью (50...60 HRC3) и достаточной кор­розионной стойкостью. Эти стали используются для изготовления шестерен, пружин, хирургического инструмента и т. д.

Хромоникелевые нержавеющие стали 04Х18Н10,08Х18Н10,12Х18Н10Т содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и отно­сятся к сталям аустенитного класса, в структуре которых иногда при­сутствуют карбиды хрома. Они используются в тех же средах, что и хромистые, но могут работать и при повышенных температурах. Эти стали технологичны, хорошо обрабатываются давлением и сваркой.

Структура сталей зависит от содержания углерода, хрома и никеля, а также вида термической обработки, которой они подвергнуты. Тер­мическая обработка этих сталей заключается в нагреве и выдержке при 1100... 1150 °С с целью более полного растворения карбидов в ау-стените и закалке в воде для предотвращения выделения карбидов. Аустенитные стали не склонны к межкристаллитнои коррозии из-за малого содержания углерода и дополнительного легирования тита­ном, поэтому их называют стабилизированными. Они используются в авиа-, судо- и машиностроении.

Жаростойкие и жаропрочные стали относятся к специальным ста­лям, которые предназначены для изготовления деталей, стойких к хи­мическому разрушению поверхности при высоких температурах (выше 550 °С). Жаростойкостью называется способность материала сопро­тивляться химическому действию окружающей среды при высокой температуре'.

При эксплуатации в среде нагретого воздуха и в продуктах сгора­ния топлива происходит окисление стали, на поверхности металла образуется рыхлый оксид железа FeO. На интенсивность окисления влияет состав и строение оксидной пленки: если она пористая, окис­ление происходит интенсивно, если плотная - окисление замедляет­ся или даже совершенно прекращается. Хром, кремний и алюминий являются теми элементами, которые образуют плотные оксиды.

Для уменьшения интенсивности окисления сталей при повыше­нии рабочих температур необходимо увеличивать степень их легиро-ванности. Сталь 15X5 жаростойка до температур 700 °С; 12X17 - до 900 °С; 15X28 - до 1110...1150 °С. Структура стали на жаростойкость не влияет.

Жаропрочностью называется способность материала сопротивлять­ся пластическим деформациям и разрушению при высоких темпера­турах. Оценивается жаропрочность испытанием материала на растя­жение при высоких температурах. Так как напряжение, вызывающее разрушение металла в условиях повышенных температур, сильно за­висит от продолжительности приложения нагрузки, при тестирова­нии материала учитывается время действия нагрузки. По сопротив­лению пластической деформации определяется предел ползучести, а по сопротивлению разрушения - предел длительной прочности.

Например, предел ползучести ст^,,^ =100 МПа означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100 000 ч при температуре 550 °С в материале появится пластическая деформация 1 %; предел длитель­ной прочности ст,6°°00 = 130 МПа означает, что при температуре 600 °С материал выдержит действие напряжения 130 МПа в течение 10 000 ч. На повышение жаропрочности влияют:

□ высокая температура плавления основного металла, наличие в структуре сплава твердого раствора и мелкодисперсных частиц уп­рочняющей фазы;

□ пластическая деформация, вызывающая наклеп;

□ высокая температура рекристаллизации;

□ термическая и термомеханическая обработка;

□ введение в жаропрочные стали таких элементов, как бор, цезий, ниобий, цирконий в десятых, сотых и даже тысячных долях процента.

Основными жаропрочными материалами являются перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, используемые при температурах 450...700 °С.

Перлитные жаропрочные стали содержат 0,08...0,15 % углерода, легированы кобальтом, молибденом, марганцем, хромом (12Х1МФ, 25Х1МФ). После нормализации с нагревом до 1000 °С и отпуска при температуре 650...750 °С в течение 2...3ч стали имеют структуру пла­стинчатого перлита. Эти стали предназначены для длительной экс­плуатации при температуре 450...580 °С и используются главным об­разом в котлостроении. Критерием жаропрочности для них являет­ся предел ползучести с допустимой деформацией 1 % за 104 или 105 ч.

Мартенситные жаропрочные стали содержат 0,10... 15 % углерода, 10...12 % хрома и легированы молибденом-, ванадием, ниобием,-вольф­рамом (20Х12ВНМФ, 15X11МФ, 11Х11Н2В2МФ). Стали, содержа­щие до.0,55 % углерода, 5...15 % хромай 1,5...3 % кремния, получили название силъхромы. Это 40Х6С, 40Х9С2, 40X10С2М. Жаропрочные свойства сильхромов возрастают по мере увеличения степени легиро-ванности сплава.

Стали мартенситного класса после закалки или нормализации с температур 950...1100 °С (для растворения карбидов) и отпуска при 600...740 °С имеют структуру легированного феррита и мелких карби­дов. Эти стали глубоко прокаливаются и предназначены для длитель­ной эксплуатации при температуре до 600 °С. Из них изготавливают детали паровых турбин (диски, лопатки, бандажи, диафрагмы, рото­ры), а также трубы и крепежные детали.

Сильхромы закаливают с температуры свыше 1000 °С и отпускают при 720...780 °С. Применяют сильхромы для изготовления клапанов двигателей, крепежных деталей моторов с рабочими температурами в интервале 600...900 °С. При более сложных условиях эксплуатации клапаны мощных двигателей изготавливают из сталей аустенитного класса.

Аустенитные стали (12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20ТЗР) содержат около ОД % углерода и легированы хромом и никелем. Со­держание хрома и никеля выбирают такое, чтобы получить устойчи­вый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Такие эле­менты, как молибден, ниобий, титан, алюминий, вольфрам и др., вводят в сталь для повышения жаропрочности, так как они образуют карбидные и интерметаллидные фазы-упрочнители. В результате за­калки с 1050...1200 °С получают высоколегированный твердый рас­твор. В процессе старения при 600...800 °С происходит выделение из аустенита мелкодисперсных фаз, упрочняющих сталь, благодаря чему увеличивается сопротивление ползучести. Эти стали применяются для изготовления деталей, работающих при температуре 500...700 °С (например, клапаны двигателей, лопатки газовых турбин и т. д.).