Стали с особыми свойствами

К этой группе легированных сталей относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали; жаропрочные и жаростойкие стали.

Требования, предъявляемые к каждой группе зависят от условий их работы и соответствуют эксплуатационным свойствам, которые были рассмотрены ранее: жаростойкость, жаропрочность, устойчивость против воздействия агрессивных сред.

Коррозионностойкие стали.

Коррозионностойкие стали устойчивы воздействию агрессивных сред – коррозии.

Коррозией называют разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.

Различают:

1. Электрохимическую коррозию (контакт двух материалов, обла-

дающих разными электродными потенциалами);

2. Точечную (язвенную) коррозию (возникает при локальном воз-

действии агрессивной среды);

3.Щелевую коррозию (возникает в узких зазорах между металлами);

4. Коррозионное растрескивание КР (возникает под воздействием

агрессивной среды и нагрузки);

5. Межкристаллитная коррозия (растрескивание по границам зерен).

Методы защиты от коррозии:

1. Нанесение защитных покрытий и пленок.

2. Легирование.

Основной легирующий элемент в нержавеющих (коррозионностойких) сталях – Хром.

Хром вводят в нержавеющие стали в количестве более 12,5%. При таком содержании хрома электрохимический потенциал стали меняется с отрицательного на положительный (рис.12.1).

Рис.12.1.

Помимо хрома в нержавеющие стали вводят дополнительно никель. В зависимости от легирующих элементов коррозионностойкие стали подразделяются на:

1. Хромистые (легирующий элемент – только хром)

2. Хромоникелевые (легирующие элементы - хром и никель).

Примеры хромистых нержавеющих сталей: 08Х13, 20Х13, 30Х13, 12Х17, 15Х25, 15Х28.

Примеры хромоникелевых нержавеющих сталей: 08Х18Н9, 10Х18Н10, 12Х18Н10Т.

 

Жаростойкие стали.

Как было показано выше жаростойкость (окалиностойкость ) - способность металла сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.

Железо с кислородом может образовывать оксиды следующего вида: FeO, Fe₂О₃, Fе₃О₄. При рабочих температурах порядка 550 - 600°С окалина состоит в основном из достаточно прочного слоя оксидов Fe₂О₃ и Fе₃О₄. При температурах выше 600°С происходит растрескивание этих оксидов. Поверхность металла защищена только рыхлым оксидом FeO, который не осуществляет необходимого по прочности защитного слоя, что приводит к интенсивному окислению сталей при температурах, превышающих 600°С.

Таким образом, основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав стали, определяющий защитные свойства оксидной пленки. Основными принципами легирования жаростойких сталей является введение в их состав элементов, образующих прочные соединения скислородом. В первую очередь это такие элементы, как хром, кремний и алюминий.

Однако, следует учитывать влияние этих элементов и на другие факторы и свойства стали. Так, высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологические свойства стали. Поэтому, основным легирующим элементом в жаростойких сталях считаетсяхром. Причем с увеличением содержания хрома растут жаростойкие свойства, а, следовательно, и применение сталей при более высоких рабочих температурах.

Сталь с 5% хрома сохраняет свои свойства до 600°С, содержащая 9% хрома не подвержена образованию окалины в газовой среде до температур 800°С, а сталь с 17% - до 900°С. Для сохранения высокой окалиностойкости при температурах 1000 - 1100°С следует применять хромо-никелевые стали аустенитного класса.

Жаростойкие стали используют для изготовления различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.

Большинство жаростойких сталей являются также нержавеющими, а некоторые коррозионностойкие стали являются также жаростойкими.

Таким образом нержавеющие и жаростойкие стали могут быть взаимозаменяемыми.

 

Жаропрочные стали.

Ранее было показано, что жаропрочность - способность сталей сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Также были рассмотрены такие характеристики жаропрочности, как горячая прочность, предел длительной прочности и предел ползучести.

В качестве жаропрочных сталей используют стали легированные хромом, молибденом, ванадием. Эти стали сохраняют свои свойства при рабочих температурах 500 - 550°С. Их используют для изготовления крепежа, труб, паропроводов, пароперегревателей энергетических установок.

При температурах 600 - 620°С используются стали легированные хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием, никелем. Эти стали используют для деталей энергетического оборудования таких как роторы, турбинные лопатки и диски.

Хромо-никелевые стали используются для изготовления лопаток и дисков газовых турбин, клапанов дизельных двигателей и других деталей, работающих при температурах 650 - 700°С. Эти стали дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием.

Для деталей и изделий, работающих при более высоких рабочих температурах, порядка 1000 - 1100°С. применяют так называемые суперсплавы - никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промышленных энергоустановок.

Для работы при еще более высоких температурах применяют сплавы на основе тугоплавких металлов и керамические материалы.

Краткая характеристика всех групп легированных сталей (конструкционные, инструментальные, нержавеющие) приведена в таблицах 1 и 2..

Классификация конструкционных сталей ТАБЛИЦА 1.

Название стали	Содержание углерода, %	Основные легир. элементы	Термическая обработка	Свойства	Применение	Примеры
Низколегиро-ванные строительные	0,08 - 0,25	Mn, Si	Без спец. Т/о после нормализации	Низкая прочность, хорошая свариваемость	Сварные конструкции. Строительство, мостостроение вагоностроение, трубы нефте- и газопроводов	08Г2С 14Г2 14ХГС
Цементуемые	0,15-0,20	Cr, Ni	Цементация + Закалка + Низкий отпуск.	Высокая твердость и износостойкость поверхности; мягкая сердцевина	Зубчатые колеса, валы коробки передач; детали, работающие в условиях поверхностного износа.	20ХН 15Х 20Х
Улучшаемые	0,3-0,5	Cr, Ni, Mn, Si, Mo, V, W	Закалка + Высокий отпуск. (улучшение)	Хорошее сочетание прочности, пластичности, вязкости; высокая прокаливаемость	Детали различного сечения, работающие в условиях нагружения	ЗОХГСА 40Х ЗОХМ 38ХНЗМФА
Рессорно-пружинные	0,5 - 0,7	Mn, Si,	Закалка + Средний отпуск	Высокая упругость, твердость, прочность, предел выносливости	Пружины, рессоры	60С2 50С2
Шарикопод-шипниковые	0,9-1,1	Cr, Si, Mn,	Закалка + Низкий отпуск.	Высокая твердость, контактная выносли­вость	Подшипники качения	ШХ9 ШХ15 (X - хром в десятых долях %)
Высокопроч-ные	Менее 0,03	Ni, Co, Mo	Закалка на воздухе + старение (выделение из мартенсита дисперсных частиц интерметал-лидов)	Высокая прочность; высокая вязкость и пластичность.	В ракетостроении, авиа­строении, судостроении; детали, работающие при низких температурах	03Н18К9М5Т 03Н10Х11М2Т

Классификация инструментальных сталей ТАБЛИЦА 2.

Название стали	Основные легир. элементы	Термическая обработка	Свойства	Применение	Примеры
Для режущего инструмента повышенной прокаливаемости	Cr, W	Закалка в масле + Низкий отпуск.	Высокая твердость, высокая прокаливаемость	Для режущего инструмента, работающего с небольшими скоростями резания; сверла, лезвия	9ХВГ 13Х 9ХС
Быстрорежущие	W, Мо	Закалка с 1250- 1270°С + 3-х кратный отпуск при 550 -570 °С	Высокая твердость, высокая теплостойкость	Режущий инструмент, работающий при высоких скоростях резания (фрезы, сверла, протяжки, метчики и т.д.)	Р9, Р18, Р6М5 (Р-быстрореж., цифра-содерж. W в %)
Штамповые	Cr, Mo, W, V, Ni	Закалка в масле + отпуск при 150-200°С (для холодной деформ); Закалка в масле + отпуск 500-580 °С (для горячей деформации)	Высокая твердость, изностойкость	Штампы для холодного и горячего деформирования (пресс-формы, матрицы, пуансоны и т.д.)	Х12М Х12Ф

Нержавеющие стали

Обозначение стали	Содержание углерода, %	Содержание легир. элем., %	Термическая обработка	Свойства	Применение
08X13 12X13	0,08-0,12	Сr = 13%	Отжиг	Высокая пластичность	Работа в слабоагрессивных средах при нормальной температуре
30X13 40X13	0,3 - 0,4	Сr = 13%	Закалка + Низкий отпуск.	Высокая твердость, высокая устойчивость против коррозии	Режущий, измерительный, медицинский, хирургический инструмент
12X17	0,1 - 0,12	Сr = 17%	Рекристаллизацион-ный отжиг	Высокая пластичность, техно­логичность	Оборудование пищевой и легкой промышленности, кухонная утварь
15Х25Т 15X28	0,12 - 0,15	Сr = 25 - 28%	Отжиг	Высокая коррозионная стойкость	Сварные детали пищевой и легкой промышленности, детали, работающие в более агрессивных средах; трубы теплообменной аппаратуры
08Х18Н10 12Х18Н9 08Х18Н10Т	0,08 - 0,12	Сr = 18% Ni = 9 - 14% Mo, Ti, Nb	Закалка в воде при 1000-1100°С (аустенизация)	Высокая коррозионная стойкость в сильно агрес. средах; высокая пластичность, деформируемость, немагнитны	Детали холодильной промышленности, криогенной техники, пищевой пром.; работа в средах (кислоты, щелочи, морская вода)