Сплавы специального назначения

Специальное назначение конструкционных сталей и сплавов определяется требованием к конкретному комплексу механических, физических, физико-химических и технологических свойств, необхо­димому для эксплуатации изделий в строго определенных условиях, например, при очень высоких напряжениях, низких или повышенных температурах, динамических или гидроабразивных нагрузках, для специального назначения в приборах и аппаратах электро- и радио­технической промышленности.

В зависимости от химического состава сплавы этой группы подразделяют на классы по основному составляющему элементу: сплавы на железоникелевой основе; сплавы на никелевой основе. Классификация машиностроительных сталей и сплавов по ос­новному потребительскому свойству имеет следующие группы: особо высокой прочности и вязкости, коррозионностойкие, износостойкие, пружинные, автоматные, шарикоподшипниковые и литейные.

Стали особо высокой прочности и вязкости (мартенситно-стареющие) по химическому составу являются безуглеродистыми (менее 0,03 % С) и высоколегированными (Ni, Co, Mo, Cr, Ti, Be и др.).

Технологические свойства мартенситно-стареющих сталей по­вышенные: хорошие свариваемость, обрабатываемость резанием и пластичность в закаленном состоянии; незначительная деформация деталей при отпуске, выполняемом после резания и создающем необ­ходимые высокие механические свойства. Мартенситно-стареющим сталям можно придать стойкость против коррозии и теплостойкость. Так, при дополнительном легировании хромом (~12 %) эти стали становятся стойкими против коррозии даже в сильно агрессивных средах (морской воде, кислотах и др.).

Мартенситно-стареющие стали — особо высококачественные и из-за вы­сокой стоимости применяются для изготовления деталей наиболее ответствен­ного назначения: Н18К9М5 — шестерен, валов, корпусов ракет; Н10Х12Д2Т — деталей химической аппаратуры, пружин; Н4Х12К15М4Т — штампов горя­чего деформирования, деталей теплоэнергетических установок и др.

Коррозионностойкие стали и сплавы (ГОСТ 5632—72), в том числе высоколегированные, обладают достаточной стойкостью про­тив коррозии только в ограниченном числе сред. Они обязательно. имеют в своем составе более 12,5 % Сг, роль которого состоит в образовании на поверхности изделия защитной (пассивной) оксидной пленки,прерывающей контакт с агрессивной средой. При этом луч­шей стойкостью против коррозии обладают те стали и сплавы, в ко­торых все содержание хрома приходится на долю твердого раствора. Содержание углерода должно быть небольшим, чтобы уменьшить переходхрома в карбиды, так как это может снизить концентрацию хрома в защитной пленке. Для предотвращения выделений карбидов хрома используют также быстрое охлаждение из области γ-твердого раствора или легирование титаном, ванадием, ниобием или цирконием для связывания углерода в более устойчивые карбиды.

Физико-химические свойства коррозионностойких сталей меняются в довольно широком диапазоне в зависимости от структуры.

Структура для наиболее характерных сплавов этого назначе­ния может быть:

· ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20X17Н2, 30Х13, 40X13, 95X18 - для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар);

· ферритной (15X28) — для растворов азотной и фосфорной кислот;

· аустенитной (12Х18Н10Т) — в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах;

· мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09X15Н8Ю) — в фосфорной, уксусной и молочных кислотах. Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20 %) кислот.

Коррозионная стойкость сталей может быть повышена терми­ческойобработкой (закалкой и высоким отпуском) и созданием шлифованной поверхности.

Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зави­симости от агрессивности среды, в которой они используются, и по иx основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.

Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550 °С.

Из жаростойких и жаропрочных машиностроительных сталей исполь­зуются малоуглеродистые (0,1...0,45 % С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Со и др.).

Жаростойкиестали и сплавы получают на базе системы Fe + Cr + Ni с небольшим количеством кремния. Основным потребительским свойством этих сталей является температура эксплуатации, которая должна быть бо­лее 550 °С. Жаростойкие стали устойчивы против газовой коррозии до 900...1200 °С в воздухе, печных газах, в том числе серосодержащих (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, 30Х13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглераживающих (20Х20Н14С2) средах, но могут проявлять ползучесть при при­ложении больших нагрузок.

Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсив­ного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15 % Сrтемпература эксплуатации изделий со­ставляет 950°С, а при 25 % Сг — 1300°С. Жаростойкость зависит от химиче­ского состава стали, а не от ее структуры, поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Жаростойкие стали и сплавы используются для производства труб, листов, деталей высокотемпературных установок, газовых турбин и порш­невых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др.

Жаропрочные стали должны обладать высоким сопротивлением хими­ческой коррозии, но вместе с тем обеспечивать надежную работу под на­грузкой (то есть иметь достаточно высокие пределы ползучести и длитель­ной прочности) при температурах эксплуатации выше 400...450°С. Темпе­ратурный уровень жаропрочности сплавов, в первую очередь, определяется прочностью межатомной связи, которая может быть оценена рядом физи­ческих констант, в том числе температурой плавления. Однако при данной температуре плавления жаропрочность сильно зависит от температуры рекристаллизации. В связи с этим стали аустенитного класса имеют более высокую жаропрочность по сравнению со сталями перлитного класса.

При таких высоких температурах эксплуатации определяющую роль в разрушении играет не дислокационная структура, а диффузионные про­цессы, имеющие даже при небольших напряжениях направленный характер и способствующие развитию диффузионной ползучести. Так как диффузи­онные процессы легче всего протекают по границам зерен, имеющих повышенное количество дефектов строения, то кроме химического состава на жаропрочность существенное влияние оказывает структура металла. Обычно добиваются получения легированного твердого раствора с вкрап­лениями по границам зерен или внутри них дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз. Более крупное зерно способствует повышению жаро­прочности, хотя при этом снижается пластичность. Чрезвычайно важный фактор — стабильность структуры, так как перемещение атомов ведет к увеличению ползучести.

Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длитель­ной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела те­кучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнитель­но легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, ио­дом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышают такие характери­стики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при вы­соких температурах. Механизм этого воздействия при микролегировании ос­нован на рафинировании границ зерна и повышении межкристаллитной прочности. Химический состав и структура этих сталей весьма разнообразны.

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 0,45...0,8 6 t_пл. Эти стали классифицируют по температуре эксплуа­тации (ГОСТ 20072—74): при 400...550 °С — 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ; при 500...600 °С — 15Х5М, 40Х10С2М, 20X13; при 600...650°С — 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.

Жаропрочные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).

Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632—72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10 % С) и высоколе­гированными (Cr, Ni, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6, 03Х13АГ19 и др.). Основными потребитель­скими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (20...-196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характер­ного при хладноломкости. Например, для криогенных сталей (ОН6А, ОН9А) после соответствующей термической обработки (двойная нормали­зация и отпуск или закалка в воде и отпуск) характерно при понижении температуры повышение предела ползучести от 400 до 820 МПа. Криоген­ные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуа­тации в диапазоне - 196... - 296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

Износостойкие стали (ГОСТ 5632—72) по химическому соста­ву могут быть высокоуглеродистыми (1,1...1,3 % С) или малоуглеро­дистыми и высоколегированными (Si, Mn, Cr, Ni и др.). Основное по­требительское свойство этих сталей — высокая стойкость деталей при кавитационной коррозии и механическом изнашивании при зна­чительных ударных нагрузках. Эти стали (12Х18Н9Т, 30Х10Г10, ОХ 14АГ 12, 0Х14АГ12М, Г13) применяют чаще в литом или кованом (катаном) состоянии, так как их общее технологическое свойство — пониженная обрабатываемость резанием. Износостойкие стали ис­пользуются для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, крестовин рельсов, щек дробилок, черпаков землеройных машин, траков и др.

Пружинные стали и сплавы (ГОСТ 14959—79) — среднеуглеродистые (0,60...0,80 % С), низколегированные (Mn, Si, Cr, Ni и др.) ста­ли, обладающие высокими механическими свойствами, в первую оче­редь, высокими пределами упругости и прочности, а также повышен­ной релаксационной стойкостью при достаточной вязкости и пластичности. Для получения этих свойств стали должны содержать более 0,5 % С и быть способными к термической обработке — закал­ке и отпуску. Пружинные стали (стали 65Г, 70, 75; 50ХА, 55ХГР, 55С2, 60С2, 50ХФА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 70С2ХА) в основном ис­пользуются для изготовления пружин и рессор.

Кроме рассмотренных выше пружинных сталей общего назна­чения в машиностроении широко используются пружинные стали специального назначения, к которым помимо требования высоких ме­ханических свойств могут предъявляться дополнительные требования по физико-химическим свойствам: немагнитность, коррозионная стойкость, низкий или постоянный температурный коэффициент мо­дуля упругости и др.

Автоматные стали (ГОСТ 1414—75) содержат 0,08...0,45 % уг­лерода и повышенное содержание серы (0,05...0,3 %), фосфора (0,05...0,16 %) и часто марганца (0,6... 1,55 %). Обогащение границ зе­рен феррита растворенным в нем фосфором и образование хрупких включений (MnS и др.) на границах зерен сталей облегчают резание, способствуют дроблению и легкому отделению стружки, обеспечивая чистоту обрабатываемой поверхности. Срок службы режущего инст­румента при обработке автоматных сталей увеличивается. Улучше­ние обрабатываемости стали достигается также микролегированием свинцом, селеном, кальцием. Однако введение этих элементов снижа­ет прочностные характеристики сталей, поэтому их применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механических свойств.

Автоматные стали получили свое наименование в связи с их обработкой на станках-автоматах с повышенной скоростью резания для изготовления деталей массового спроса (шайбы, болты, гайки, шпильки и некоторые другие детали автомобилестроения). В обозна­чении марки первая буква А указывает, что сталь автоматная; цифры в ней показывают содержание углерода в сотых долях процента (на­пример, A11, А40Г). Присутствие свинца обозначает буква С (напри­мер, АС35Г2), кальция — буква Ц (АЦ45Х, АЦ40Г2 и др.), селена — буква Е (А35Е, А40ХЕ и др.).

Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 801—78) по химическому составу должны быть высокоуглеродистыми (0,95...1,05 % С), низко­легированными (Cr, Si, Mn и др.). Жесткие требования (ГОСТ 801—78 и ГОСТ 21022—75) предъявляются к чистоте по неметалличе­ским включениям, карбидной сетке, карбидной ликвации, рыхлости и пористости металла. Микроструктура стали в рабочем состоянии — мелкоигольчатый (скрытокристаллический) мартенсит с равномерно распределенными округлыми включениями карбидов. Основные по­требительские свойства этих сталей — повышенные твердость (61...65 HRС), износостойкость и сопротивление контактной усталости.

Шарикоподшипниковые хромистые стали обозначаются бук­вами ШХ в начале марки; содержание хрома в этих сталях указывает­ся в десятых долях процента после буквенного обозначения (ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ и др.). В конце марки может быть указан вид метал­лургического переплава: Ш — электрошлаковый (ШХ15Ш); ВД — вакуумно-дуговой (ШХ15ВД).

Литейные стали содержат до 0,9 % Мп, до 0,52 % Si и не более 0,06 % S и 0,08 % Р. При твердении отливок формируются крупные зерна аустенита, внутри которых при последующем охлаждении в сталях с содержанием углерода менее 0,4 % образуются направленные пластины избыточного феррита (видманштеттова структура). С увеличением содержания углерода доля феррита, образующего видманштеттову структуру, уменьшается, а доля феррита в виде равно­осных зерен возрастает. Литая сталь с видманштеттовой структурой имеет низкие пластичность и ударную вязкость, и для повышения ве­личин этих свойств отливки из сталей, содержащих менее 0,4% С, подвергают полному отжигу или нормализации.

Литейные свойства сталей значительно хуже, чем чугунов и большинства литейных цветных сплавов. Трудности при литье соз­дают высокая температура плавления, низкая жидкотекучесть, боль­шая линейная усадка (до 2,3 %) и склонность к образованию горячих литейных трещин.

Низкоуглеродистые литейные стали применяют для изготовления де­талей, подвергающихся ударным нагрузкам; арматуры; деталей сварно-литых конструкций. Среднеуглеродистые литейные стали применяют для отливки станин и валков прокатных станов, крупных шестерен, зубчатых колес. Стальные отливки часто подвергают термической обработке для уменьшения литейных напряжений.

Литейные легированные стали по свойствам уступают углеродистым сталям из-за того, что при легировании расширяется интервал кристалли­зации и уменьшается теплопроводность и, следовательно, возрастают тер­мические напряжения. Литейные легированные стали подразделяют на конструкционные (ГОСТ 977—88) и высоколегированные со специальными свойствами.

Многие литейные стали имеют ту же марку, что и деформи­руемые, отличаясь лишь буквой Л в конце марки (15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л и 35ХМЛ, 35ХГСЛ, 12Х18Н9ТЛ и др.). В этом случае химический состав литейной стали практически такой же, как деформируемой, и отличается лишь допустимым количеством вред­ных примесей (в литейной стали оно несколько больше). Однако немало легированных сталей разработано специально в качестве литей­ных и не имеют аналога среди деформируемых (например, сталь 20ФЛ, применяемая для отливки крупногабаритных деталей грузовых вагонов, и сталь 08ГДНФЛ — для изготовления ответственных круп­ных деталей в судостроении, работающих до — 60 °С).