Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

Стали для строительных конструкций

Конструкционные низколегированные стали в горячекатаном или нормализованном состоянии применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефте- и газопроводов. Для изготовления деталей машиних применяют сравнительно редко.

Эта группа сталей содержит относительно малые количества углерода: 0,1–0,25 % и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов: до 1.8 % Mn, до 1.2 % Si, до 0.8 % Cr, а также до 0.8 % Ni, до 0.5 % Cu, до 0.15 % V, до 0.03 % Ti, до 0.15 % N и других порознь или совместно.

За счет легирования сравнительномалыми количествами Si и Mn, а также Cr, Ni, Cu и некоторых других элементов сталями более высокая прочность строительных низколегированных сталей по сравнению с углеродистыми. Применение в строительных конструкциях более прочных низколегированных сталей (14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД) вместо углеродистых дает возможность снизить расход металла на 15–25 %.

Улучшаемые стали

среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3-0,5 % С и не более 5 % легирующих элементов. Такие стали используют после операции, состоящей из закалки с охлаждением в масло и высокого отпуска (550-650 °С) и называемой улучшение –структура сорбита (зернистого), хорошо воспринимающего ударные нагрузки.

Основное назначение улучшаемых сталей – изготовление ответственных деталей машин, эксплуатируемых при воздействии циклических или ударных нагрузок.

Выбор той или иной марки улучшаемой стали в каждом конкретном случае обусловлен прокаливаемостью стали, сечением детали и сложностью ее конфигурации, наличием концентраторов напряжений.

Улучшаемые стали могут быть условно разбиты на 5 групп, с увеличением номера группы растут степень легирования и размер сечения, в котором достигается сквозная прокаливаемость.

Рессорно-пружинные стали

работают при больших статических, циклических или ударных нагрузках не допускается остаточная пластическая деформация. Кроме этого от сталей требуются высокий предел выносливости и сквозная прокаливаемость.

Высокие упругие свойства обеспечиваются при содержании 0,5-0,7 % С и получении трооститной структуры за счет закалки и среднего отпуска при температуре 350-450°С.

Для изготовления пружин и рессор используются углеродистые (65, 70) и легированные стали (65Г, 60С2, 60СГ, 40ХФА).

Износоустойчивые стали

Сталь Гадфильда – 110Г13Л.

Термообработка – закалка (1100°С, вода) – для растворения избыточных карбидов марганца в железе (Fe, Mn)₃С и получения чисто аустенитной структуры. Марганцевый аустенит хорошо наклепывается, особенно при ударных нагрузках и после деформации в процессе эксплуатации приобретает твердость 50-55 HRC

Подшипниковые стали должны обладать высокой твердостью и износостойкостью в сочетании с высоким пределом контактной усталости s_R (характеризует контактную выносливость – сопротивление материала поверхностному выкрашиванию, т.е. сопротивление поверхностного слоя деталей развитию пластической деформации). Маркируются ШХ15 (после «Х» – содержание хрома, умноженное на 10).

Термообработка: закалка от 830-840°С в масле, обработка холодом для уменьшения А_ост, низкий отпуск ниже 200°С; твердость не менее 62 HRC.

Коррозионностойкие стали

Коррозией называется разрушение металла под действием окружающей среды в результате ее химического и электрохимического воздействия.

Электрохимическая коррозия — наиболее распространенный вид коррозии металлов. Она представляет собой электрохимическую реакцию, состоящую из двух процессов – анодного и катодного. Поведение металлов, находящихся в электролите, зависит от значения их электродного потенциала: металл, имеющий более отрицательный электродный потенциал (анод), отдает ионы в раствор и растворяется, а избыточные электроны перетекают в металл, имеющий более высокий электродный потенциал (катод). Катод при этом не разрушается, а электроны из него удаляются во внешнюю среду.

Для защиты от коррозии широко применяют явление пассивации (торможение анодного процесса). Устойчивость стали против коррозии повышается при введении в ее состав таких элементов, как Cr (более 12 %), Al, Si, способствующих образованию на поверхности металла защитных оксидных пленок и повышающих электрохимический потенциал стали. Сталь с 12-14 % Cr устойчива против коррозии в атмосфере, воде, морской воде, ряде кислот, щелочей и солей. С увеличением содержания хрома возрастает коррозионная стойкость сталей.

Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре 550-900°С.

Способность металла сопротивляться химическому действию окружающей газовой среды (высокая стойкость против химического разрушения поверхности) при высоких температурах называется жаростойкостью или окалиностойкостью.

При нагреве выше 600°С происходит интенсивное окисление сплавов на основе железа. Образующаяся на поверхности металла рыхлая пленка оксида FeO неспособна предотвратить диффузию кислорода в металл. Такие легирующие элементы, как Cr, Si, Al улучшают состав и строение оксидной пленки (эти элементы находятся в твердом растворе и образуют в процессе нагрева защитные пленки окислов (Cr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃). Она становится плотной, хорошо прилегающей к металлу, что затрудняет диффузию кислорода. Стали, легированные указанными элементами не образуют окалины при высоких температурах.

Коррозионностойкие стали одновременно являются жаростойкими сталями. При этом жаростойкие свойства растут с увеличением содержания Cr в стали.

Способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах называется жаропрочностью.

Оценку жаропрочности сталей проводят по их сопротивлению пластической деформации (пределу текучести) и разрушению (пределу длительной прочности). При температурах, близких к началу рекристаллизации, приложение нагрузки, даже меньшей предела текучести, приводит к медленной пластической деформации – ползучести. Учитывая, что развитие высокотемпературной ползучести совпадает с началом рекристаллизации, рост жаропрочности сплава может быть достигнут легированием тугоплавкими металлами W, Mo, V, Nb, Ti.

К жаропрочным материалам относят:

а) Сталиклассов

– перлитные стали (марки 12ХМ, 12Х1МФ) – в закаленном или нормализованном (950-1050°С) и высокоотпущенном (650-750°С) состоянии. После нормализации и отпуска стали имеют структуру пластинчатого перлита.

– мартенситиые стали (марки 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ) – закалка от 1000-1050°С в масле на мартенсит с последующим отпуском на сорбит или троостит.

– аустенитные стали (марки 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М) – закалка 1050-1200°С, в воде, в масле, на воздухе и старение при температурах выше эксплуатационных (600-800°С). При старении происходит выделение из аустенита мелкодисперсных избыточных фаз, что дополнительно увеличивает сопротивление стали ползучести.

б) Сплавы на никелевой основе, содержащие более 30-50 % Ni работают при температурах до 700-900°С:

– нихромы, содержащие NiиCr, используемые как жаростойкие материалы для нагревательных элементов – Х20Н80;

– нимоники - стареющие сплавы на основе Ni, содержащие Cr, Ti и Al. Примером нимоника может служить сплав ХН77ТЮР, содержащий: 19 – 22 % Cr, 2.4 - 2.8 % Ti, 0.6 – 1.0 % Al, остальное - Ni. Максимальная жаропрочность нимоников достигается после закалки от 1100-1200°С и старения при 700-750°С в течение 15–20 ч.

в) Керамические материалы на основе SiC, Si₃N₄ (системы Si–А1–О–N), которые способны работать при температурах выше 1500–1700°С, не боясь перегрева и не требуя принудительного охлаждения.

г) Тугоплавкие материалы и сплавы наих основе для работы при температурах выше 1000°С: Cr - 1900°С, Nb - 2415°С, Mo - 2620°С, Ta - 3000°С, V - 3410°С.

Автоматные стали

применяют для массового изготовления крепежа на станках-автоматах. Основное требование – хорошая обрабатываемость резанием (интенсивность изнашивания инструмента, чистота поверхности резания, форма стружки и легкость ее отвода), достигаемая за счет увеличения содержания серы и фосфора до 0,1-0,2 % – для получения ломкой стружки, а также добавления селена и свинца – в качестве смазки (т.к. при нагреве от теплоты резания расплавляются, растекаются по обрабатываемой поверхности или обволакивают твердые оксидные включения, чем и снижают трение между инструментом и деталью).

Маркируются автоматные стали буквой А и двумя цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30.

Инструментальные материалы

1) Стали для измерительного инструмента (У8-У12, Х, ХГС, ХВГ, 9ХС, азотируемая 38Х2МЮА – для инструментов большого размера и сложной геометрии)

Для обеспечения высокой твердости стали и стабильности размеров инструмента в процессе эксплуатации проводится следующая термическая обработка: закалка в масле; обработка холодом при t=–80°С (для особо точных инструментов); длительный (до 30 часов) низкотемпературный отжиг – старение при 120-170°С.

2) Стали для режущего инструмента

· нетеплостойкие (У7 – У13, 13Х, 9ХС) с рабочей температурой до 200-250 °С; окончательная термообработка – закалка + низкий отпуск

· полутеплостойкие (9Х5ВФ, 8Х4В3М3Ф2) с рабочей температурой до 400 °С;

· теплостойкие (теплостойкость – способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы) с рабочей температурой до 600 °С; Высокая теплостойкость достигается легированием большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами: молибденом, хромом, ванадием (в марках сталей Р18, Р6М5 – после буквы «Р» указывается содержание вольфрама). Термообработка быстрорежущих сталей – закалка со ступенчатым нагревом до 1270-1290°С (для более равномерного прогрева по всему сечению во избежание трещинообразования) + многократный отпуск (550-570°С в течение 45-60 мин) – для снижения количества аустенита остаточного А_ост (при каждой операции отпуска количество А_ост уменьшается примерно в 2 раза).В термически обработанном состоянии быстрорежущие стали имеют структуру, состоящую из мартенсита отпуска и карбидов и твердость 63-65 HRC.

3) Стали для штампового инструмента

В зависимости от температурных условий эксплуатации различают штамповые стали для деформирования:

v в холодном состоянии (У10–У12, X, ХВГ, ХВСГ, Х6ВФ, Х12М, 6Х4М2ФС), термообработка – закалка + низкий отпуск

v в горячем состоянии (достаточно сложные по составу легированные стали, содержащие 0,3-0,6 % С – 5ХНТ, 4Х2В5МФ, 4Х3ВФ2М2, 3Х2В8Ф), термообработка –закалка до 820-880°С с применением средств защиты от окисления и обезуглероживания (т.к. продолжительность нагрева достигает 20-25 часов). Последующее охлаждение проводят на воздухе или после подстуживания до 750-780 °С в масле по способу прерывистой закалки. Отпуск при 550-680 °С с целью получения трооститной и трооститно-сорбитной структуры

4) Порошковые быстрорежущие стали

Исходная шихта состоит из предварительно тонко измельченной стружки быстрорежущей стали, которую формуют в холодном состоянии с последующим спеканием в вакууме при 1200-1250°С в течение 3-5 часов. Для уменьшения пористости порошковую быстрорежущую сталь подвергают горячей штамповке или горячему прессованию. После этого изделия подвергают термической обработке, характерной для данной марки стали.

5) Твердые сплавы

состоят из карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана тантала, ниобия, ванадия) и цементирующего металла – кобальта, играющего роль связки:

Ø Вольфрамовые (однокарбидные) – ВК-20 (20 % Со, остальное – WC);

Ø Титанвольфрамовые (двухкарбидные) – Т15К6 (15 % TiC, 6 % Co, остальное – WC);

Ø Титантанталвольфраимовые – ТТ7К12 (TiC+TаC =7 %, 12 % Со, остальное – WC).

Сплавы получают спеканием порошков карбидов с порошком кобальта при 1400-1500° после предварительного прессования. Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, которые медным припоем припаивают к державке из обычной углеродистой стали. Твердые сплавы применяют для резцов, сверл, фрез и другого инструмента.

Твердые сплавы обладают наиболее высокой твердостью (80-97 HRA) и сохраняют ее при нагреве до высоких температур (800-1000°С). Скорость резания твердыми сплавами в 5-10 раз выше, чем при применении быстрорежущих сталей.

6) Сверхтвердые материалысозданы на основе нитрида бора и нитрида кремния. В них нет пластичной металлической связки. Изделия из этих материалов изготавливают либо с помощью взрыва, либо в условиях сверхвысоких давлений и высоких температур. Они обладают высокой твердостью (94-96 HRA), прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, высокой стабильностью физических свойств и структуры при повышении температуры до 1000°С. Их преимуществом является доступность и дешевизна исходного продукта, благодаря чему они используются для замены вольфрамсодержащих твердых сплавов.

Изделия из нитридов бора и кремния используют в качестве материала иденторов (наконечников) для измерения твердости тугоплавких материалов в интервале температур 700-1800°С, как абразивный материал и в качестве сырья для изготовления сверхтвердых материалов, применяемых для оснащения режущей части инструментов для обработки закаленных сталей, твердых сплавов, стеклопластиков, цветных металлов.