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 ⁰С 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 ⁰С в масле и отпуска при 700...750 ⁰С структура стали состоит из феррита и карбидов хрома. Твердость стали 200...250 НВ. Эти стали хорошо свариваются, штампуются 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 ⁰С в масле и отпуска при 180...200 ⁰С структура этих сталей состоит из мартенсита с высокой твердостью (50...60 HRC_э) 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 ⁰С с целью более полного растворения карбидов в аустените и закалке в воде для предотвращения выделения карбидов. Аустенитные стали не склонны к межкристаллитной 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 ⁰С). 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 легированности. Сталь 15X5 жаростойка до температур 700 ⁰С; 12X17 - до 900 ⁰С; 15X28 - до 1110...1150 ⁰С. 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.

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 ⁰С.

Перлитные жаропрочные стали содержат 0,08...0,15 % углерода, легированы кобальтом, молибденом, марганцем, хромом (12Х1МФ, 25Х1МФ). После нормализации с нагревом до 1000 ⁰С и отпуска при температуре 650...750 ⁰С в течение 2...3 ч стали имеют структуру пластинчатого перлита. Эти стали предназначены для длительной эксплуатации при температуре 450...580 ⁰С 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 % хрома и 1,5...3 % кремния, получили название сильхромы. Это 40Х6С, 40Х9С2, 40Х10С2М. Жаропрочные свойства сильхромов возрастают по мере увеличения степени легированности сплава.

Стали мартенситного класса после закалки или нормализации с температур 950...1100 ⁰С (для растворения карбидов) и отпуска при 600...740 ⁰С имеют структуру легированного феррита и мелких карбидов. Эти стали глубоко прокаливаются и предназначены для длительной эксплуатации при температуре до 600 ⁰С. Из них изготавливают детали паровых турбин (диски, лопатки, бандажи, диафрагмы, роторы), а также трубы и крепежные детали.

Сильхромы закаливают с температуры свыше 1000 ⁰С и отпускают при 720...780 ⁰С. Применяют сильхромы для изготовления клапанов двигателей, крепежных деталей моторов с рабочими температурами в интервале 600...900 ⁰С. При более сложных условиях эксплуатации клапаны мощных двигателей изготавливают из сталей аустенитного класса.

Аустенитные стали (12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20ТЗР) содержат около 0,1 % 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 другие, вводят в сталь для повышения жаропрочности, так как они образуют карбидные и интерметаллидные фазы-упрочнители. В результате закалки с 1050...1200 ⁰С получают высоколегированный твердый раствор. В процессе старения при 600...800 ⁰С происходит выделение из аустенита мелкодисперсных фаз, упрочняющих сталь, благодаря чему увеличивается сопротивление ползучести. Эти стали применяются для изготовления деталей, работающих при температуре 500...700 ⁰С (например, клапаны двигателей, лопатки газовых турбин и т.д.).