ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологи­ческих свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирую­щие элементы (хром, марганец, никель и др.). Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специаль­ные свойства.

Влияние легирующих элементов. Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после норма­лизации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель - эле­менты с решеткой, отличающейся от решетки α-Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее.

Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением ни­келя). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сг и 1,5% Mn.

Увеличение содержания углерода в стали усиливает влияние карбидной фазы, дисперсность которой зависит от термической обработки и состава сплава. В значительной степени повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Наилучший результат по улучшению прокаливаемости стали достигают при ее легиро­вании несколькими элементами, например Cr+ Mo, Cr+ Ni, Cr+ Ni + Мо и другими сочетаниями различных элементов.

Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональ­ным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирова­ние (за исключением никеля) после достижения необходимой прокали­ваемости приводит к снижению вязкости и облегчает хрупкое разруше­ние стали.

Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства кон­струкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворя­ется в феррите и цементите.

Никель — наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.

Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим, для измельче­ния зерна одновременно с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы.

Кремний является не карбидообразующим элементом, и его количест­во в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел теку­чести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.

Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, ко­торые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количе­стве 0,2-0,4% и вольфрам в количестве 0,8-1,2% в комплексно-легиро­ванных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства стали.

Ванадий и титан — сильные карбидообразующие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное со­держание ванадия, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных трудно растворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зе­рен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.

Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших коли­чествах (0,002-0,005%).

Маркировка легированных сталей. Марка легированной качественной ста­ли состоит из сочетания букв и цифр, обозначающиx ее химический cocтав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (X), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алю­миний (Ю), ванадий (Ф), медь(Д),бор(Р), кобальт(К), ниобий (Б), цирко­ний (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирую­щего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего эле­мента содержится до 1,5%. В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержимое углерода в сотых долях процента. Кроме того, высококачестненные легированные стали име­ют в конце букву А, а особо высококачественные — Ш. Например, сталь марки ЗОХГСН2А: высококачественная легированная стальсодержит0,30% углерода, до 1% хрома, марганца, кремния и никеля до 2%; сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошла­кового переплава с вакуумированием, содержит 0,9— 1,0% углерода; 17— 19% хрома, 0,030% фосфора и 0,015% серы.

13. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Инструментальные стали предназначены для изготовления следующих основных групп инструмента: режущего, измерительного и штампов. По условиям работы инструмента к таким сталям предъявляют следующие требования:

стали для режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, фрезы и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью.

Стали для измерительного инструмента должны быть твердыми, износостойкими и длительное время сохранять размеры и форму инструмента.

Стали для штампов (холодного и горячего деформирования) должны иметь высокие механические свойства (твердость, износостойкость, вязкость), сохраняющиеся при повышенных темпера­турах. Кроме того, стали для штампов горячего деформирования должны обладать устойчивостью против образования поверхностных трещин при многократном нагреве и охлаждении.

Углеродистые инструментальные стали. Инструментальные углеродис­тые стали выпускают следующих марок: У7.У8.У8Г, У9, У 10, У 11, У 12 и У 13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца. Марка инструментальной углеродистой стали высокого ка­чества имеет букву А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь высокого качества, содержащая 1,2% С.

Инструменты, применение которых связано с ударной нагрузкой, на­пример зубила, бородки, молотки, изготовляют из сталей У7А, У8А. Ин­струменты, требующие большей твердости, но не подвергающиеся уда­рам, например сверла, метчики, развертки, шаберы, напильники, — из сталей У12А, У13А. Стали У7—У9 подвергают полной, а стали У10—У13 неполной закалке.

Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость — способность сохранять большую твердость при высоких температурных нагревах. При нагреве выше 200°С инструмент из углеродистой стали теряет твердость.

Легированные инструментальные стали. Легирующие элементы, вводи­мые в инструментальные стали, увеличивают теплостойкость (вольфрам, молибден, кобальт, хром), закаливаемость (марганец), вязкость (никель), износостойкость (вольфрам).

В сравнении с углеродистыми легированные инструментальные стали имеют следующие преимущества: хорошую прокаливаемость; большую пластичность в отожженном состоянии, значительную прочность в за­каленном состоянии (см. гл. V), более высокие режущие свойства.

Для изготовления измерительных инструментов применяютX, ХВГстали. Для измерительного инструмента (особенно высоких классов точности) большое значение имеет постепенное изменение размеров закаленного инструмента в течение длительного времени, что связано с уменьшением и перераспределением внутренних напряжений. Поэтому при термической обработке измерительного инструмента большое внимание уделяется стабилизации напряженного состояния. Это дос­тигается соответствующим режимом низкого отпуска — при темпера­туре 120-130°С в течение 15-20 ч. и обработкой при температурах ниже нуля (до-60°С).

14. СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Специальные стали — это высоколегированные (свыше 10%) стали, обладающие особыми свойствами - коррозионной стойкостью, жаро­стойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др.

Коррозионностойкие стали. Коррозионностойкой (или нержавеющей) называют сталь, обладающую высокой химической стойкостью в агрес­сивных средах. Коррозионностойкие стали получают легированием низ­ко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюмини­ем, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение получили хромистые и хромоникелевые стали.

Хромистые стали более дешевые, однако хромоникелевые обладают большей коррозионной стойкостью. Содержание хрома в нержавеющей стали должно быть не менее 12%. При меньшем количестве хрома сталь не способна сопротивляться коррозии, так как ее электро­химический потенциал становится отрицательным.

Более коррозионностойка (в кислотных средах) сталь 12Х17. Для из­готовления сварных конструкций эта сталь не рекомендуется в связи с тем, что при нагреве ее выше 900—950"С и быстром охлаждении (при свар­ке) происходит обеднение периферийной зоны зерен хромом (ниже 12%). Это объясняется выделением карбидов хрома по границам зерен, что приводит к межкристаллитной коррозии.

Межкристаллитная коррозия — особый, очень опасный вид коррози­онного разрушения металла по границам аустенитных зерен, когда элек­трохимический потенциал пограничных участков аустенитных зерен понижается вследствие обеднения хромом.

Для предотвращения этого вида коррозии применяют сталь, легиро­ванную титаном 08Х17Т. Сталь 08Х17Т применяют для тех же целей, что и сталь 12Х 17, а также для изготовления сварных конструкций. Хромоникелевые стали содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к аустенитному классу. Для получения одно­фазной структуры аустенита сталь (например, 12Х18Н9) закаливают в воде при температуре 1100-1150°С; при этом достигается наиболее высокая коррозионная стойкость при сравнительно невысокой прочно­сти. Для повышения прочности сталь подвергают холодной пластичес­кой деформации и применяют в виде холоднокатаного листа или ленты для изготовления различных деталей.

Сталь 12Х18Н9 склонна, как и хромистая сталь ферритного класса, к межкристаллитной коррозии при нагреве. Причины возникновения межкристаллитной коррозии те же — обеднение периферийной зоны зерен хромом (ниже 12%) вследствие выделения из аустенита карбидов хрома. Для предотвращения межкристаллитной коррозии сталь легируют тита­ном, например сталь 12Х18 Н9Т, или снижают содержание углерода, на­пример сталь 04Х18Н 10.

Хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного класса имеют большую коррозийную стойкость, чем хромистые стали, их широко при­меняют в химической, нефтяной и пищевой промышленности, в авто­мобилестроении, транспортном машиностроении, в строительстве.

Для экономии дорогостоящего никеля его частично заменяют марган­цем.

Разработаны марки высоколегированных сталей на основе сложной системы Fe—Cr—Ni—Mo—Сu—С. Коррозийная стойкость хромоникель-молибденомеднистых сталей в некоторых агрессивных средах очень велика. Например, в 80%-ных растворах серной кислоты. Такие стали широко используют в химической, пищевой, автомобильной и других отраслях промышленности.

Жаростойкие стали. При высоких температурах металлы и сплавы всту­пают во взаимодействие с окружающей газовой средой, что вызывает газовую коррозию (окисление) и разрушение материала. Для изготовле­ния конструкций и деталей, работающих в условиях повышенной тем­пературы (400-900°С) и окисления в газовой среде, применяют специ­альные жаростойкие стали. Под жаростойкостью (или окалиностойкостью) принято понимать способность материала противостоять кор­розионному разрушению под действием воздуха или других газовых сред при высоких температурах.

К жаростойким относят стали, содержа­щие алюминий, хром, кремний. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Например, хромистая сталь, содержащая 30% Сг, ус­тойчива до 1200°С. Введение небольших добавок алюминия резко повышает жаро­стойкость хромистых сталей (рис. 24). Стой­кость таких материалов при высоких тем­пературах объясняется образованием на их поверхности плотных защитных пленок, состоящих в основном из оксидов легиру­ющих элементов (хрома, алюминия, крем­ния). Область применения жаростойких сталей — изготовление различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.

Жаропрочные стали. Некоторые детали машин (двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургичес­кого оборудования и т.п.) длительное время работают при больших нагрузках и высоких температурах (500— 1000°С). Для изготовле­ния таких деталей применяют специальные жаропрочные стали.

Под жаропрочностью принято понимать способность материала выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при высоких температурах. К числу жаропрочных отно­сят стали, содержащие хром, кремний, мо­либден, никель и др. Они сохраняют свои прочностные свойства при нагреве до 650°С и более. Из таких сталей изготавливают эле­менты теплообменной аппаратуры, детали котлов, впускные и выпускные клапаны автомобильных и тракторных двигателей. В зависимости от назначения различают клапанные, котлотурбинные, газотурбинные стали, а также сплавы с высокой жаропрочностью.

Износостойкие стали. Для изготовления деталей машин, работающих в условиях трения, применяют специальные износостойкие стали - шарикоподшипниковые, графитизированные и высокомарганцовистые.

Шарикоподшипниковые стали (ШХ6, ШХ9, ШХ15) применяют для из­готовления шариков и роликов подшипников. По химическому составу и структуре эти стали относятся к классу инструментальных сталей. Они содержат около 1 % Си 0,6-1,5% Сг. Для деталей размером до 10мм при­меняют сталь ШХ6 (1,05-1,15% С и 0,4-0,7% Сг), а для деталей разме­ром более 18 мм - сталь ШХ15 (0,95-1,05% С и 1,3-1,65% Сг). Терми­ческая обработка шарикоподшипниковых сталей с небольшим содержа­нием хрома заключается в закалке и низком отпуске (до 200°С), в резуль­тате чего обеспечивается твердость HRC 60—66.

15. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Магнитные стали и сплавы. Ферромагнетизмом (способностью в зна­чительной степени сгущать магнитные силовые линии) обладают желе­зо, кобальт и никель. Эта способность характеризуется магнитной про­ницаемостью. У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других ма­териалов она близка к единице. Магнитные свойства материала характе­ризуются остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Остаточной индукцией называют магнитную индукцию, остающуюся в образце по­сле его намагничивания и снятия внешнего магнитного поля. Размер­ность остаточной индукции Тл (тесла). 1Тл=1 Н/(А • м). Коэрцитивной силой Нс; называют значение напряженности внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества. Размерность коэрцитивной силы А/м. Она определяет свойство ферро­магнетика сохранять остаточную намагниченность.

Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и маг­нитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.

Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления посто­янных магнитов. Они имеют большую коэрцитивную силу. Это высоко­углеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродис­тые стали (У 10-У 12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Нс=5175 А/м); но, так как они прокаливаются на небольшую глу­бину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глуб­же, поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали (например, марки ЕХ5К5) имеют более высокую коэрцитивную силу - Hç=7166 А/м. Магнитные сплавы, например ЮНДК24 (9% А1; 13,5% Ni; 3% Си, 24% Со; остальное железо), имеют очень высокую ко­эрцитивную силу - Нс,=39810 А/м, поэтому из них изготовляют магниты небольшого размера, но большой мощности.

Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои).

Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость Ма=(2,78-3,58) 10⁹ Гн/м и применяется для сердечников, полюсных наконечников элект­ромагнитов и др. Электротехническая cталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Элект­ротехническую сталь по содержанию кремния делят на четыре группы:

с 1% Si - марки Э11, Э12, Э13; с 2% Si - Э21, Э22; с 3% Si - Э31, Э32; с 4% Si — Э41—Э48. Вторая цифра (1—8) характеризует уровень электро­технических свойств.

Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45—80% Ni, их допол­нительно легируют Cr, Si, Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Например, у пермаллоя марки 79НМ (79% Ni; 4% Мо) Ма=175,15*10^9 Гн/м. Применяют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых электромагнитных полях (телефон, радио).

Ферриты — магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием сме­си порошков ферромагнитной окиси железа Fe^O, и окислов двухва­лентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопро­тивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот.

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Их применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивлений (резис­торов) и реостатов. Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетво­рительной пластичностью в холодном состоянии.

Указанным требованиям отвечают железохромоалюминиевые сплавы, например марок Х13Ю4 (0,15 % С; 12-15% Сг; 3,5-5,5% А1), ОХ23Ю5 (<0,05% С; 21,5-23,5% Сг; 4,6-5,3% АГ), и никелевые сплавы, например марок Х15Н60 - ферронихром, содержащий 25% Fe, X20H80 - нихром. Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы выпускают в виде проволоки и ленты, применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80), а также для промышленных и лабораторных печей (ОХ23Ю5).

Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения. Они содер­жат большое количество никеля. Сплав 36Н, называемый инваром (<0,05% Си 35—37% Ni), почти не расширяется при температурах от —60 до +100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требую­щих постоянных размеров в интервале климатических изменений тем­ператур (детали геодезических приборов и др.).

Сплав 29НК, называемый коваром (< 0,03% С; 28,5-29,5% Ni; 17-18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале тем­ператур от -70° до +420°С. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумно-плотных спаев.

Сплавы с заданными упругими свойствами. К таким сплавам относят сплав 40КХНМ (0,07-0,12% С; 15-17% Ni;19-21%Cr; 6,4-7,4% Мо;39-41%Со). Это высокопрочный с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионостойкий в агрессивных средах сплав. Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пру­жин, работающих при температурах до 400°С.

ГЛАВА VI. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ