Жаростойкие (окалиностойкие) стали (ГОСТ 5632-72)

Жаростойкими называют стали, устойчивые против газовой коррозии при высоких температурах (выше 550°С). Их часто леги­руют хромом, кремнием и алюминием. Например, температура окалинообразования стали 15Х6СЮ составляет 800°С, а стали 15Х18СЮ – около 1050°С. Стали, легированные комплексом Сг+Si+А1 (10Х13СЮ, 15Х18СЮ н др.), устойчивы в серосодержащих средах. Стали, содержащие никель, плохо противостоят действию сернистых газов, но они могут обладать высокой окалиностойкостью и коррозионной стойкостью (стали 12Х18Н9Т, 08Х18Н10 и др.).

Жаропрочные стали (ГОСТ 5632-72)

К жаропрочным относятся стали, способные работать под на­пряжением при температурах выше 500°С в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. Жа­ропрочные стали подразделяют на перлитные, мартенситные, мартенситно-ферритные и аустенитные.

Перлитные стали применяют для деталей энергетических уста­новок, работающих длительное время (от 10 до 100 тысяч часов) при 500...580°С. Эти стали содержат хром, молибден н ванадий (16М, 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х1МФ). Их подвергают нормализации от 960...980°С и отпуску при 600...750°С.

Для деталей газовых турбин и паросиловых установок приме­няют мартенситные стали 15X11МФ, 15Х12ВНМФ. Их подвергают закалке в масле от 1000...1060°С и высокотемпературному отпуску. Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания приме­няют мартенситные стали 40Х9С2 и 40Х10С2М (сильхромы) с за­калкой в масле от 1000... 1050°С и отпуском при 720...800°С.

Аустенитные жаропрочные стали содержат хром, никель, марганец и дополнительные элементы – молибден, вольфрам, ванадий, ниобий и бор. Применяют эти стали дли работы при температурах 500...750°С. Термическая обработка аустенитных сталей состоит из закалки в масле, воде или на воздухе от 1050...1200°С и старения при 600...850°С.

Стали 45Х14Н14В2МВ и 40Х15Н7Г7Ф2МС применяют для кла­панов авиационных двигателей и крепежных деталей. Из листовых заготовок сталей 10Х11Н20Т3Р и 10Х11Н23Т3МР изготавливают сварные элементы высокопрочных конструкций, работающих при 700...750°С.

Стали с особыми физическими свойствами

Эти стали подразделяются на несколько групп: магнитные ста­ли, стали и сплавы с высоким электросопротивлением, сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, стали и сплавы с особыми упругими свойствами. В данном издании эти группы сталей не рассматриваются. Их описание можно найти в учебной и справочной литературе (например, см. [1...3,7]).

ВЫБОР МАРКИ СТАЛИ И ВИДА ЕЕ ОБРАБОТКИ

ДЛЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Общие положения

При выборе стали исходят из общих эксплуатаци­онных, технологических и экономических требований.

Эксплуатационные требования заключаются в обеспечении на­дежной работы детали по конструктивной прочности, выносливости, контактной усталостной прочности, износостойкости и т.д. Соответ­ствие изделий заданной конструктивной прочности вначале опреде­ляется расчетом. Однако наиболее полные данные о надежности получают путем натурных испытаний (производственных и стендо­вых).

Технологические требования состоят в обеспечении минималь­ной трудоемкости изготовления детали. Сталь должна обладать дос­таточно хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, а для заготовок, получаемых литьем –удовлетворительными литейными свойствами.

Экономические требования включают не только минимизацию стоимости стали и расходов на изготовление деталей, во и обеспече­ние их оптимальной эксплуатационной стойкости. Дорогие легиро­ванные стали целесообразно использовать в тех случаях, когда более дешевые стали не обеспечивают требования, предъявляемые к изде­лию, а также в случае существенного и конструктивно оправданного повышения долговечности деталей и уменьшения расхода запасных частей.

Эти общие требования нередко противоречивы. Так, например, более прочные материалы менее технологичны (труднее обрабаты­ваются, хуже свариваются и т.д.). В массовом производстве предпо­читают упрощение технологии и снижение трудоемкости при неко­торой потере свойств. Наоборот, в специальных отраслях машино­строения выбор материала и его термической или химико-термической обработки рассматривают из условий достижения мак­симальных эксплуатационных свойств. При выборе упрочняющей обработки, особенно в условиях массового производства, предпоч­тение следует отдавать наиболее экономичным и производительным технологическим процессам: поверхностной закалке при поверхностном или глубинном индукционном нагреве, газовой цементации, нитроцементации и т.д.

Первыми параметрами, определяющими выбор стали, являются механические свойства и распределение их по сечению детали. Оп­тимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости достигается после термического улучшения при сквозной прокаливаемости. При полной прокаливаемости механические свойства стали мало зависят от ее легирования. Исключение составляет леги­рование никелем и молибденом, повышающее сопротивление хруп­кому разрушению. Не следует стремиться к излишне высокой прокаливаемости за счет легирования стали хромом, марганцем и кремни­ем, т. к. при этом возрастает склонность стали к хрупкому разруше­нию.

Глубоко прокаливающиеся стали применяют для крупных дета­лей с большим сечением. Если детали работают на изгиб или круче­ние, то сквозная прокаливаемость не нужна, т. к. в этих условиях напряжения распределяются неравномерно, достигая максимальных значений на поверхности детали.

Для деталей, испытывающих растягивающие напряжения (ша­туны, торсионные валы, ответственные болты и др.), а также для рессор и пружин нужно обеспечивать полную прокаливаемость.

Для изделий, от которых требуются высокая ударная вязкость и низкий порог хладноломкости (работающих при низких температу­рах с высокими скоростями приложения нагрузки, особенно при наличии концентраторов напряжений), следует применять наследст­венно мелкозернистые спокойные стали, предпочтительно легиро­ванные никелем и молибденом.

Состав сталей, подвергаемых поверхностному упрочнению, должен обеспечивать требуемую прокаливаемость поверхностного слоя при сохранении вязкой и пластичной сердцевины. Структура поверхностного слоя после закалки должна быть мартенситно-аустенитной и не содержать продуктов промежуточного превраще­ния переохлажденного аустенита.