Стали с особыми свойствами

Большинство рассмотренных конструкционных легированных сталей являются универсальными. Достоинства этих сталей позво­ляют использовать их для изготовления деталей и конструкций самого разнообразного назначения.

Наряду с конструкционными сталями универсального приме­нения созданы также конструкционные стали с определенными функциональными свойствами, которые определяют область их рационального применения, как, например, коррозионно-стой­кие, жаропрочные, износостойкие и обладающие другими спе­цифическими свойствами стали. Их относят к сталям с особыми свойствами.

Рессорно-пружинные стали. Данные стали должны обладать свойствами, обеспечивающими работу упругих элементов машин, которые предназначены для смягчения толчков и ударов по функ­циональным деталям машин и оборудования.

Для обеспечения работоспособности упругих элементов сталь должна иметь высокие значения предела упругости, остаточная деформация для такой стали не допускается. Поскольку упругие элементы подвержены многократным нагрузкам, сталь должна обладать также высоким пределом выносливости. Кроме того, сталь должна иметь высокую прокаливаемость, чтобы получить требуе­мую структуру и соответствующие свойства по всему сечению упругого элемента.

Для изготовления рессор и пружин используют стали с содер­жанием углерода в интервале 0,5...0,7%. Высокие упругие свой­ства достигаются в результате закалки с последующим средним отпуском. Образующаяся при среднем отпуске структура — трос­тит отпуска — обеспечивает высокое значение модуля упругости стали.

Углеродистые стали применяют для изготовления пружин и рессор небольшого сечения. Для повышения прокаливаемости ста­ли легируют. Поскольку упругие элементы широко применяются в машиностроении, для легирования используют дешевые эле­менты: марганец и кремний. Для изготовления пружин ответственного назначения стали легируют хромом, никелем и вана­дием.

На качество и работоспособность пружин большое влияние оказывает состояние поверхности. При наличии трещин и других дефектов на поверхности пружины срок ее службы уменьшается. Разрушение происходит вследствие развития усталостных трещин в местах концентрации напряжений вокруг этих дефектов.

Рабочий ресурс упругих элементов можно значительно увели­чить путем их дробеструйной обработки, приводящей к наклепу поверхностного слоя. В результате наклепа предел выносливости может увеличиться вдвое.

Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА. Завершающей технологической операцией изготов­ления рессор является дробеструйная обработка.

Иногда для исполнения пружин применяют шлифованную холоднотянутую проволоку, которую называют серебрянкой. Се­ребрянку изготовляют из углеродистых сталей. Наклеп при хо­лодном прокате вызывает повышение прочности и упругости стали.

Подшипниковые стали. Для изготовления шариков, роликов, колец подшипников качения и других деталей (плунжеров, вту­лок, нагнетательных клапанов и др.) используются подшипнико­вые стали, которые должны обладать высокой твердостью, изно­состойкостью и высоким пределом выносливости, так как в про­цессе эксплуатации они воспринимают значительные знакопере­менные нагрузки (примером могут быть детали подшипника). По­этому в подшипниковых сталях недопустимы наличие неметалли­ческих включений, неравномерное распределение карбидов, на­личие газовых пузырей и пор. Эти дефекты являются концентра­торами напряжений, вызывающими образование трещин и вы­крашивание металла, что приводит к преждевременному выходу подшипника из строя.

В рабочем состоянии подшипников качения элементы качения — шарики или ролики — движутся по наружному и внутреннему кольцам подшипника. Стали для изготовления колец, роликов и шариков имеют конструкционное назначение, однако по соста­ву, структуре и свойствам относятся к инструментальным ста­лям.

Получившая наибольшее применение как подшипниковая вы­сокоуглеродистая сталь марки ШХ15 является заэвтектоидной ста­лью, легированной хромом. Большое содержание углерода (1 %) и наличие хрома (1,5%) обеспечивают после термической обра­ботки высокую твердость стали. Ее применяют для деталей не­больших сечений.

Для повышения прокаливаемости сталь дополнительно леги­руют. Учитывая массовое производство подшипников, используют дешевые легирующие элементы: марганец и кремний. Это по­зволяет применять ее для изготовления более крупных деталей, чем при использовании высокоуглеродистой стали.

Термическая обработка сталей заключается в закалке с после­дующим низким отпуском. Особенностью термической обработки заэвтектоидных сталей является наличие в структуре закаленной стали остаточного аустенита. Превращение его в процессе хране­ния или эксплуатации в мартенсит может вызвать изменение раз­меров деталей подшипника. Для предотвращения этого необходи­мо удалить из структуры остаточный аустенит, что достигается путем обработки закаленной стали холодом. Такой обработке, на­пример, подвергают прецизионные подшипники.

Для изготовления высокоскоростных подшипников использу­ют особовысококачественную сталь, которую получают путем элек­трошлакового переплава, например, сталь ШХ15-Ш.

Для изготовления крупногабаритных роликовых подшипников диаметром до 2 м используют цементуемые стали, например, марки 12ХНЗА. Их подвергают газовой цементации на глубину около 5 мм, затем закаливают и проводят низкий отпуск.

Автоматные стали. Данные стали высокой обрабатываемости резанием используют для массового производства крепежных де­талей на станках-автоматах. Они допускают механическую обра­ботку резанием с высокими скоростями резания при высоком качестве обработанной поверхности. Достигается это технологи­ческое преимущество автоматных сталей увеличением содержа­ния в них серы и фосфора.

Сера находится в автоматных сталях в виде сульфида марганца, который, обладая смазывающим действием, облегчает процесс резания. Фосфор, растворяясь в феррите, повышает его хрупкость, что способствует измельчению стружки и получению гладкой бле­стящей поверхности стали при резании.

Однако большие добавки серы и фосфора снижают пластич­ность и вязкость стали. Кроме того, сера и фосфор сохраняют свое отрицательное влияние на свойства стали как вредные примеси: сера приводит к красноломкости, а фосфор придает сталям хлад­ноломкость. Для уменьшения негативного влияния серы в авто­матные стали вводят повышенное количество марганца (до 1,5 %), который связывает серу и сульфид марганца.

Введение свинца приводит к дальнейшему улучшению обраба­тываемости автоматных сталей, скорость резания возрастает до 40 % без снижения стойкости инструмента. Свинец не растворяет­ся в стали, а находится в структуре в виде мелких частиц, что также способствует измельчению стружки. Кроме того, в процес­се нагрева зоны фрикционного контакта режущего инструмента со сталью свинец плавится, что уменьшает коэффициент трения кромки резца с деталью.

Автоматные стали, легированные свинцом, находят широкое применение в отраслях массового машиностроения, например, потребителями стали АС40 являются автозаводы.

Обратим внимание, что в маркировке АС40 буква С обозначает не кремний, а свинец, что является исключением из общего пра­вила маркировки легированных сталей. Цифра — содержание уг­лерода, а не свинца, в стали. Свинец в автоматных сталях содер­жится в пределах 0,15... 0,35 %, его содержание в маркировке ав­томатных сталей не указывают.

Использование добавок свинца позволяет перевести в разряд автоматных и сложнолегированные стали, например, автоматную сталь АС40ХГНМ. По обрабатываемости они превосходят углеро­дистые автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора. Однако легирование углеродистых автоматных сталей не устраняет их основной недостаток, связанный с повышенной склонностью к коррозии. Это ограничивает применение легиро­ванных автоматных сталей для изготовления ответственных дета­лей машин.

Коррозионно-стойкие стали. Коррозия наносит огромный ущерб производственной деятельности. Коррозионное разрушение одной небольшой детали может вывести из строя машину огромной сто­имости. При аварийной остановке технологического оборудова­ния сумма ущерба возрастает многократно, так как в современ­ных условиях каждая единица оборудования является частью вы­сокопроизводительной технологической линии. При выходе из строя одной единицы оборудования вся линия вынужденно про­стаивает.

Пропорционально причиняемому ущербу на борьбу с корро­зией затрачиваются огромные материальные и трудовые ресурсы. Разработано большое число методов борьбы с коррозионным раз­рушением металла. Из большого арсенала этих методов здесь рассмотрен наиболее рациональный, основанный на изменении со­става металлического материала путем введения хрома, никеля, алюминия или кремния. В этом направлении деятельной борьбы с коррозией создана группа коррозионно-стойких сталей.

При введении в состав стали хрома в количестве не менее 13 % достигается коррозионная стойкость стали в атмосфере, морской воде, ряде кислот, щелочей, солей. В процессе взаимо­действия стали с кислородом воздуха на ее поверхности образу­ется защитная пленка сложного оксида (Cr,Fe)₂О₃. Наличие хро­ма в структуре оксида придает защитной пленке новые свой­ства, отличающиеся от свойств оксида железа в виде ржавчины. Хромсодержащий оксид железа газоплотен, т.е. является препят­ствием для поступления новых порций кислорода к взаимодей­ствию со сталью, он изолирует металл от воздействия внешней среды. Кроме того, защитная пленка имеет высокую адгезию (сцепляемость) к поверхности стали и не отделяется от поверх­ности металла.

Защитные свойства образующийся на поверхности слой окси­дов приобретает только по достижении содержания хрома в стали 13 %, при этом изменение скорости коррозии происходит не по­степенно, а скачкообразно (рис. 11). Если в легированной стали содержание хрома менее 13 %, то по коррозионной стойкости она не имеет преимуществ перед углеродистыми сталями. Такая сталь, как и углеродистая, подвержена коррозии.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали делят на хроми­стые и хромоникелевые. Хромистые являются сталями ферритного и мартенситного класса, а хромоникелевые относятся к сталям аустенитного класса.

Дадим сравнительную оценку коррозионной стойкости корро­зионно-стойких сталей ферритного и аустенитного классов, ис­ходя из механизма коррозии.

Установлено, что скорость взаимодействия металлов с хими­чески активными средами возрастает под влиянием происходя­щих на рабочей поверхности электрохимических процессов.

Фазовый состав всех углеродистых, а также большинства низ­ко- и среднелегированных сталей неоднороден. Различие электро­физических свойств фаз приводит к появлению множества микрогальванопар, а возникающие при наличии влажной среды токи зарядов ускоряют коррозию сталей. Поэтому минимальное влия­ние электрохимических процессов и, следовательно, максималь­ную коррозионную стойкость будут иметь стали однофазной струк­туры — хромистые стали ферритного класса и хромоникелевые стали аустенитного класса.

Однако неизбежные примеси, содержащиеся в коррозионно-стойких сталях ферритного и аустенитного классов, также могут образовывать микрогальванопары и таким образом повышать ин­тенсивность коррозионных процессов. Для максимального раство­рения этих примесей, а также избыточных спецкарбидов в одно­фазной структуре такие стали подвергают термической обработке. При этом аустенит, который имеет гранецентрированную куби­ческую кристаллическую решетку, может растворить около 2 % углерода, а объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка феррита допускает растворение только менее 0,03 % углерода. Поэтому по коррозионной стойкости хромоникелевые стали примерно в 10 раз превосходят хромистые коррозионно-стойкие стали.

Хромистые стали в зависимости от содержания углерода мо­гут относиться к ферритному и мартенситному классам.

Хромистые стали ферритного класса при низком содержании углерода имеют однофазную ферритную структуру, т. е. не претер­певают фазового превращения Fe_α ↔Fe_γ и не могут упрочняться термической обработкой, т.е. они не поддаются закалке.

Отсутствие фазовых превращений имеет ту негативную сторо­ну, что возникшая при нагреве, например, в процессе сварки, крупнозернистая структура стали не может быть измельчена пу­тем ее термической обработки. Из-за данного основного недостат­ка коррозионно-стойких сталей ферритного класса ее крупнозернистость может приводить к охрупчиванию, что ограничивает техническое применение хромистых сталей ферритного класса, несмотря на то, что из коррозионно-стойких сталей они наиболее дешевы.

Предупредить рост зерен ферритных сталей при нагреве и устра­нить их охрупчивание помогает введение в их состав в качестве легирующих элементов титана и азота. Титан образует с углеродом, который содержится в стали, карбиды, а азот, взаимодействуя с хромом, образует нитриды хрома. Дисперсные карбиды и нитриды выделяются по границам зерен и служат барьером для их роста.

Наиболее распространенными коррозионно-стойкими сталя­ми ферритного класса являются стали с содержанием 13 % хрома, например, сталь 08X13, которую используют в турбостроении для изготовления лопаток гидротурбин и паровых турбин.

Увеличение содержания хрома повышает коррозионную стой­кость хромистых сталей. Сталь с содержанием 17 % хрома является коррозионно-стойкой в растворах слабых кислот и широко при­меняется для изготовления технологического оборудования заво­дов пищевой промышленности и изделий бытовой пищевой утва­ри, как, например, сталь 12X17.

При содержании в стали 25 % хрома ее коррозионная стой­кость позволяет противостоять горячим газовым средам. Такую сталь, например, сталь 15X25, применяют для изготовления газо­вых реторт, чехлов термопар и других устройств нагревательных агрегатов.

Верхний предел содержания хрома в коррозионно-стойких ста­лях составляет 25 % (иногда 28 %), так как при большем содержа­нии хрома снижается вязкость стали, наблюдается ее охрупчива­ние.

Хромистые стали мартенситного класса отличаются от ферритной стали повышенным содержанием углерода. В процессе термической обработки они испытывают фазовое превращение, их можно подвергать закалке, в результате которой они приобретают структуру и свойства мартенсита закалки.

Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса, например, сталь 40X13, используют для изготовления хирургического инст­румента, промышленных ножей, деталей топливной аппаратуры и др. После закалки их подвергают низкому отпуску.

Хромоникелевые стали имеют однофазную аустенитную струк­туру, вследствие чего так же, как и стали ферритного класса, не претерпевают фазового превращения Fe_α ↔Fe_γ и поэтому не мо­гут упрочняться термической обработкой, т.е. они не принимают закалки. В то же время для них разработан режим термической обработки, аналогичный закалке, в результате которой сталь не приобретает структуру мартенсита.

Отливка хромоникелевой стали содержит дисперсные карбиды хрома, которые могут образовывать микрогальванопары и тем са­мым снижать коррозионную стойкость. Для растворения карбидов хрома в аустените сталь нагревают до 1100 °С и далее охлаждают в воде, фиксируя образовавшуюся структуру, не допуская выделе­ния избыточных карбидов.

Полученная в результате такой термической обработки одно­фазная аустенитная структура придает хромоникелевой коррози­онно-стойкой стали высокую коррозионную стойкость.

По уровню физико-механических свойств и по коррозионной стойкости хромоникелевые коррозионно-стойкие стали превос­ходят хромистые. Хромоникелевые стали обладают высокой вяз­костью разрушения, которая сохраняется и при отрицательных температурах. Кроме того, они технологичны: хорошо сваривают­ся, допускают обработку давлением как в холодном, так и в на­гретом состояниях, имеют хорошие литейные свойства. В процес­се обработки давлением они упрочняются в результате наклепа. Поэтому хромоникелевые коррозионно-стойкие стали часто ис­пользуют в виде проката.

К недостаткам хромоникелевых сталей можно отнести их пло­хую обрабатываемость резанием. Кроме того, хромоникелевые стали достаточно дороги вследствие наличия в них большого количе­ства дефицитного никеля. Для снижения стоимости хромоникеле­вых сталей используют замену никеля марганцем.

Наибольшее распространение в промышленности получила коррозионно-стойкая хромоникелевая сталь 12Х18Н9. Основным недостатком этой и других марок хромоникелевых сталей являет­ся возможность межкристаллитной коррозии (МКК), т.е. возмож­ность коррозии по границам зерен.

Проявляется МКК при нагреве хромоникелевой стали в ин­тервале температур 500...700°С. Отметим, что до таких темпера­тур металл может нагреваться в зоне термического влияния природа. В процессе термической обработки они испытывают фазовое превращение, их можно подвергать закалке, в результате которой они приобретают структуру и свойства мартенсита закалки.

Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса, например, сталь 40X13, используют для изготовления хирургического инст­румента, промышленных ножей, деталей топливной аппаратуры и др. После закалки их подвергают низкому отпуску.

Хромоникелевые стали имеют однофазную аустенитную струк­туру, вследствие чего так же, как и стали ферритного класса, не претерпевают фазового превращения Fe_α ↔Fe_γ и поэтому не мо­гут упрочняться термической обработкой, т.е. они не принимают закалки. В то же время для них разработан режим термической обработки, аналогичный закалке, в результате которой сталь не приобретает структуру мартенсита.

Отливка хромоникелевой стали содержит дисперсные карбиды хрома, которые могут образовывать микрогальванопары и тем са­мым снижать коррозионную стойкость. Для растворения карбидов хрома в аустените сталь нагревают до 1100°С и далее охлаждают в воде, фиксируя образовавшуюся структуру, не допуская выделе­ния избыточных карбидов.

Полученная в результате такой термической обработки одно­фазная аустенитная структура придает хромоникелевой коррози­онно-стойкой стали высокую коррозионную стойкость.

По уровню физико-механических свойств и по коррозионной стойкости хромоникелевые коррозионно-стойкие стали превос­ходят хромистые. Хромоникелевые стали обладают высокой вяз­костью разрушения, которая сохраняется и при отрицательных температурах. Кроме того, они технологичны: хорошо сваривают­ся, допускают обработку давлением как в холодном, так и в на­гретом состояниях, имеют хорошие литейные свойства. В процес­се обработки давлением они упрочняются в результате наклепа. Поэтому хромоникелевые коррозионно-стойкие стали часто ис­пользуют в виде проката.

К недостаткам хромоникелевых сталей можно отнести их пло­хую обрабатываемость резанием. Кроме того, хромоникелевые стали достаточно дороги вследствие наличия в них большого количе­ства дефицитного никеля. Для снижения стоимости хромоникеле­вых сталей используют замену никеля марганцем.

Наибольшее распространение в промышленности получила коррозионно-стойкая хромоникелевая сталь 12Х18Н9. Основным недостатком этой и других марок хромоникелевых сталей являет­ся возможность межкристаллитной коррозии (МКК), т.е. возмож­ность коррозии по границам зерен.

Проявляется МКК при нагреве хромоникелевой стали в ин­тервале температур 500...700°С. Отметим, что до таких темпера­тур металл может нагреваться в зоне термического влияния приведении процесса сварки. При таких температурах нагрева по гра­ницам зерен выделяются дисперсные карбиды хрома состава Сг₂₃С₆. Вследствие низкого коэффициента диффузии легирующих элемен­тов в образовании карбида участвуют только те атомы хрома, ко­торые расположены в приграничных участках зерен. В результате развития такого процесса приграничные участки постепенно обед­няются хромом и, когда содержание хрома становится менее 13 %, зерна перестают быть коррозионно-стойкими.

При контакте с химически активной средой такая сталь начи­нает корродировать по границам зерен, связь между ними нару­шается и материал теряет свою прочность. Данный вид дефекта опасен тем, что внешне деталь, прокорродировавшая насквозь по границам зерен, сохраняет свою форму и габариты, хотя практи­чески не имеет прочности, т.е. достаточно небольшого усилия, чтобы она рассыпалась. В частности, на этом принципе основан один из способов получения порошка коррозионно-стойкой ста­ли для нужд порошковой металлургии.

Для предупреждения межкристаллитной коррозии необходимо устранить возможность образования карбидов хрома. Этого можно достичь двумя путями — уменьшением содержания углерода в стали и введением в сталь более сильных, чем хром, карбидообразующих элементов.

Получение стали с низким содержанием углерода возможно, хотя техническое исполнение данного решения достаточно слож­но. Однако пропорционально уменьшению содержания углерода в стали снижаются также и прочностные ее характеристики. Кроме того, снижение содержания углерода, хотя и может уменьшить вероятность МКК, но не устраняет ее первопричину, так как любая сталь — это сплав железа с углеродом, т. е. без угле­рода не будет и стали.

Радикальным решением проблемы МКК является использова­ние более сильных, чем хром, карбидообразователей, в числе которых титан, реже — ниобий. Данные элементы в силу больше­го, чем у хрома, сродства к углероду связывают избыточный угле род, образуя соответствующие специальные карбиды, и тем са­мым предотвращают образование карбида хрома. Так, например, хромоникелевые коррозионно-стойкие стали 12Х18Н10Т и 12X18Н9Б не подвержены МКК в отличие от стали 12Х18Н9.

Благодаря данному решению были сняты ограничения на при­менение хромоникелевых коррозионно-стойких сталей в конст­рукциях, связанных с нагревом. Это позволило использовать дан­ные стали в авиации, ракетостроении и других областях специ­ального машиностроения.

Рис. 11. Влияние содержания хрома на кор­розионную стойкость стали: w — скорость коррозии

Дата добавления: 2014-01-07