Стали и сплавы с особыми свойствами.
Железокобалыповые сплавы
Железокобалыповые сплавы обладают высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, что необходимо для магнитомягких материалов. Коэрцитивная сила тем меньше, чем крупнее зерно, а структура аморфных сплавов подобна единому зерну. Они могут заменить традиционные пермаллои — сплавы, содержащие от 45 до 83% Ni. Для аморфных сплавов, в состав которых входят железо, хром и кобальт, характерно сочетание высоких величин твердости и прочности (табл. 8.1).
Маркировка аморфных сплавов отличается от принятой для сталей и сплавов. Они обозначаются аналогично химическим соединениям. Цифры показывают содержание элемента в атомных процентах, например Fe80B80. Использование аморфных сплавов для изготовления нагруженных деталей, к сожалению, ограничено производимым сортаментом. Нити используют для армирования композиционных материалов, ленты — для намотки при изготовлении сосудов высокого давления. Из ленты также изготавливаются упругие элементы. Достижение весьма высокой твердости реальных деталей можно реализовать путем аморфизации поверхностных слоев лазерной обработкой. Так, лазерная обработка чугунной детали (3,2% С, 2,6% Si, 0,64% Мп, 0,06% Р) позволила получить твердость поверхности, равную 1200 HV. Такая весьма высокая твердость достигается, например при азотировании сталей, содержащих алюминий.
Получение больших скоростей охлаждения жидкого металла
Существует ряд методов получения таких скоростей.
1. Высокоскоростное ионно-плазменное и термическое распыления материала с последующей конденсацией паров на охлаждаемую жидким азотом подложку. Скорость охлаждения около 1013 К/с.
2. Оплавление тонких поверхностных слоев деталей лазерным лучом, при этом высокая скорость охлаждения обеспечивается быстрым отводом тепла в глубокие слои металла. Скорость охлаждения 107…109 К/с.
3. Закалка из жидкого состояния. Скорость охлаждения 106… 1010К/с.
Закалка из жидкого состояния — основной метод получения металлических стекол. Схема установки для получения металлического стекла в виде ленты приведена на рис. 8.4. Установка состоит из трех вакуумных камер 1. В верхней камере осуществляется расплавление металла плазменной горелкой 6, в средней расположен медный диск 3, нижняя является вакуумным резервуаром. Водоохлаждаемый медный тигель 4 расположен на стенке, разделяющей верхнюю и среднюю камеры. После помещения металла 5 в тигель откачивают воздух для создания вакуума с давлением Ю-4 Па, затем в верхнюю и среднюю камеры подают аргон под давлением (5…8)-104 Па. После расплавления материала давление в средней камере сбрасывается до 104 Па с помощью дроссельного клапана 2. Под действием разности давления расплав поступает в среднюю камеру и попадает на вращающийся медный диск. При непрерывной подаче жидкого металла образуется лента с аморфной структурой.
Аморфная структура металлических стекол нестабильна, она стремится перейти в более равновесную форму, т. е. кристаллическую. Это происходит при нагреве выше температуры кристаллизации Ткр: Ткр = (0,4… 0,65) Тт, где Тт— температура плавления. Применение этих материалов ограничено температурой. Свои свойства они сохраняют лишь ниже Ткр. Кроме того, сортамент их выпуска ограничен, в основном это тонкая фольга, ленты, нити, так как при больших сечениях невозможно добиться сверхвысоких скоростей охлаждения. Основная область применения — микроэлектроника и радиоэлектроника, где используется фольга и необходимо нанесение тонких пленок аморфных металлов на полупроводниковые или изолирующие подложки. Однако такое применение аморфных металлических сплавов определяется не только и не столько технологическими соображениями, сколько их свойствами. Металлические стекла обладают особыми электрическими и магнитными свойствами. Так, удельное электросопротивление сплава Ni80Si7B80 в 1,5 раза больше, чем у нихрома (традиционный сплав с высоким сопротивлением).
Сплавы с памятью формы и аморфные сплавы
Обычные стали и сплавы после пластической деформации не восстанавливают свою форму. Особенностью сплавов, обладающих эффектом памяти формы, является то, что нагрев, выполненный после холодной пластической деформации, восстанавливает форму, которую имело изделие при высоких температурах, т. е. при ранее выполненной горячей пластической деформации. Так, например, если проволоку закрутить в спираль при высокой температуре, а при низкой выпрямить (раскрутить), то повторный нагрев вызывает изменение формы: проволока вновь приобретает форму спирали и сохраняет ее при охлаждении. В настоящее время известно большое количество таких сплавов. Это сплавы на основе меди (15% ат. Ni, 36% ат. А1) и никеля (36% ат. А1) и др. Наибольшее распространение получили сплавы типа нитинол (Н50Т50). Эффект памяти формы в них повторяется в течение многих тысяч циклов. Нитинол применяют в автоматических прерывателях тока, запоминающих устройствах, температурно-чувстви ельных датчиках.
Аморфные сплавы. Металлы и сплавы в аморфном состоянии, т.е. металлические стекла, впервые были получены в 1959—1960 гг. Они существенно отличаются от сплавов того же состава, имеющих традиционное кристаллическое строение. Металлические стекла различного состава обладают высокими механическими, магнитными, антикоррозионными свойствами. Аморфная структура, которая представляет единое зерно, образуется при сверхвысоких скоростях охлаждения — 106 К/с и выше, благодаря чему достигается очень большая степень переохлаждения, при которой параметры кристаллизации ЧЦ и СК равны нулю (скорость охлаждения при получении отливок традиционными методами около 1 К/с).
Высокопрочные стали
Среднеуглеродистые комплексно-легирова ные стали, содержащие 0,45… 0,50% С, например 40ХГСНЗВА, получают такую прочность (до 2000 МПа) после закалки и отпуска при температуре 250… 300 °С. Так достигаются удовлетворительные величины пластичности и ударной вязкости. Прочность может быть повышена снижением температуры отпуска, а также применением сталей с большим содержанием углерода. Однако при этом сильно снижается пластичность стали, т. е. повышается склонность к хрупкому разрушению, следовательно, такие стали плохо сопротивляются ударным нагрузкам.
Мартенситно-стареющ е стали являются безуглеродистыми высоколегированными сталями, в которых суммарное содержание легирующих элементов (никель, кобальт, молибден, алюминий) значительно превышает 10%. Углерод является примесью — его содержание не должно превышать 0,04%. Широкое применение получила сталь Н18К9М5ТЮ (18% Ni, 9% Со, 5% Мо, 0,5% Ti, 0,1% А1). После закалки от 840…860°С сталь обладает невысокой прочностью, очень пластична. В таком состоянии сталь можно подвергать обработке резанием, деформации, т.е. проводить формообразующие операции. Упрочнение достигается старением при 480…500°С в результате дисперсионного твердения за счет выделения дисперсных частиц Ni3Ti или Ni3 (Ti, Al).
Следует иметь в виду важное технологическое отличие мартенситно-стареющи сталей от традиционно используемых. Механическая обработка заготовок осуществляется не до, а после закалки, когда стали имеют самые низкие прочностные свойства. Таким образом, операция, вызывающая основные изменения размера и формы (деформация, коробление) у углеродистых и легированных сталей, — закалка — вынесена здесь в самое начало технологического процесса, до обработки резанием. Поэтому закалочные напряжения в мартенситно-стареющи сталях несущественны, к тому же их величина весьма мала, потому что из-за высокого содержания легирующих элементов они принимают закалку с охлаждением на воздухе. Кроме стали Н18К10М5ТЮ, применяются менее легированные мартенситно-стареющи стали типа Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ и др., прочность которых несколько ниже (ав = 1600… 1800 МПа). Мартенситно-стареющ е стали применяются, когда необходима и высокая прочность, и ударная вязкость, например в авиации.
Трипстали — это сравнительно новый класс сталей. Типичный состав: 0,3% С; 9% Сг; 8% Ni; 4% Mo; 2% Мп; 2% Si. Наличие никеля и марганца обеспечивает получение после закалки при температурах 1000… 1100°С аустенитной структуры, имеющей низкую прочность. Прочность стали возрастает после деформации при комнатной температуре, в результате которой происходит превращение аустенита в мартенсит (в отличие от мартенсита, получаемого при охлаждении, он называется мартенситом деформации). Трипстали обладают высокой прочностью, сохраняя высокую пластичность (ов = 1800 МПа; 8 = 20%). Отличительной особенностью этих сталей является высокое сопротивление развитию трещины: значения KYcy них выше, чем у всех высокопрочных сталей, рассмотренных выше.
Износостойкие стали
Износостойкость сильно зависит от условий, в которых работают пары трения. Для конкретных условий следует подбирать соответствующие стали. Стали высокой твердости необходимы для работы в условиях абразивного износа. Износ происходит за счет микрорезания твердыми частицами материала, работающего в паре с деталью, износостойкость которой необходимо повысить. Высокие значения твердости могут быть достигнуты для целого ряда сталей с применением технологий их упрочнения. Объемной и поверхностной закалке подвергают стали с высоким содержанием углерода: инструментальные У10, У12, 8ХФ и др., подшипниковые 1ПХ15, ШХ15СГ. Следует отметить, что при одинаковой твердости более высокую износостойкость имеют заэвтектоидные стали, в структуре которых после закалки наряду с мартенситом присутствуют карбиды — химические соединения высокой твердости. Высокая твердость поверхностных слоев, которые противостоят износу, может быть достигнута применением химико-термической обработки: цементации, азотирования соответствующих сталей.
Аустенитные стали, склонные к наклепу, эффективны при работе в условиях высоких давлений и динамических нагрузок. Под действием пластической деформации, возникающей при трении, поверхность материала наклёпывается, что приводит к снижению износа. К сталям такого типа относится сталь Гадфильда (110Г13Л), в которой содержится 1,1 % С и 13 % Мп. Структура стали в литом состоянии: аустенит и карбиды (Fe, Мп)3С. Максимальная износостойкость этой стали достигается в результате закалки от температуры 1050… 1100°С с охлаждением в воде. Под действием высоких давлений и ударных нагрузок происходит упрочнение в результате наклепа, что обеспечивает высокую износостойкость стали. Сталь применяется для деталей, работающих в условиях изнашивания при высоких давлениях и ударных нагрузках, например для траков гусеничных машин, черпаков экскаваторов, трамвайных крестовин и т.д. При отсутствии значительных нагрузок, вызывающих наклеп, повышения износостойкости этой стали не наблюдается. Она плохо сопротивляется и чисто абразивному износу. Сталь 110Г13Л плохо обрабатывается резанием. Изделия из нее получают методами литья или реже горячей пластической деформацией.
Сплавы с особыми упругими свойствами
В приборостроении в ряде случаев требуются сплавы с регламентируемым температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) а, например, как у стекла, или равным нулю. Для подбора материалов с определенным ТКЛР используют железо-никелевые сплавы. Температурный коэффициент линейного расширения этих сплавов изменяется согласно сложной зависимости, отличной от обычной для металлов. Сплав с 36% Ni называется инваром (от лат. invariabilis — неизменный), его можно считать практически нерасширяющимся. Этот сплав применяют в приборостроении для деталей, для которых недопустимо изменение размеров при колебаниях температуры. Значения коэффициента а инвара на порядок ниже, чем у железа: при 100 °С соответственно 1,5-106 и 12,2-10
6 К. При замене части никеля кобальтом (29% Ni, 18% Со) получают сплав, называемый коваром(а = 5 -10
6).
Особыми упругими свойствами обладают элинвары — у этих сплавов при изменении температуры остается практически постоянным модуль упругости Е. Это железоникельхромовые сплавы (36% Ni, 8% Сг). Температурный коэффициент линейного расширения этих сплавов лежит в пределах 18… 23 -10
6 К, это примерно в 10 раз меньше, чем у углеродистых сталей, и в 20 раз меньше, чем у аустенитных сталей.
Сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением
Сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением являются твердыми растворами в силу того, что у твердых растворов сопротивление выше, чем у образующих их элементов. Различают сплавы реостатные для изготовления реостатов и элементов электроизмерительных приборов и жаростойкие, которые используют для нагревательных элементов печей и электронагревательны приборов. В качестве реостатных сплавов широкое применение нашли сплавы меди и никеля: константан (40% Ni, 1,5% Мп, остальное — Си) и никелин (45% Ni, 55% Си). В качестве жаростойких применяют нихромы (например, Х20Н80 — 80% Ni, 20% Сг), фехрали (Х13Ю4 -13% Сг, 4% А1, остальное — Fe), хромали (Х23Ю5 — 23% Сг, 5% А1, остальное — Fe). Эти сплавы используют для эксплуатации при температурах до 1100… 1200°С. Для более высоких температур — 1500… 2 500 °С — применяют тугоплавкие металлы вольфрам и молибден (температура плавления 3380 и 2990 °С соответственно) и сплавы на их основе.
Термоэлектродные сплавы используют для изготовления термопар, т.е. датчиков температуры. Основные требования к сплавам для термопар: большие величины термоЭДС; стабильность термоэлектрических свойств; устойчивость против окисления в интервале рабочих температур. Основными термоэлектродными сплавами являются никелевые и медно-никелевые: алюмель — НМцАК2-2-1 (95% Ni, 2% Мп, 2% А1, 1% Si), хромель — НХ 9,5 (90% Ni, 10% Сг), копель — МНМц 43-0,5 (56,5% Си, 43% Ni, 0,5% Мп). В промышленности используют следующие термопары: ХК (хромель — копель) при температурах до 600 °С, ХА (хромель — алюмель) — до 1000 °С. Для измерения высоких температур (до 1600… 1800 °С) используются термопары, одним из электродов которых является платина, а вторым сплав платины и родия — платинородий (термопара ПП: платина — платинородий).
Магнитомягкие сплавы и стали
Магнитомягкие сплавы и стали, которые имеют низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость (рис. 8.2, б), применяют для изготовления сердечников, магнитных устройств, работающих в переменных магнитных полях. Магнитомягкие материалы должны иметь однородную (гомогенную) структуру и крупное зерно. В качестве магнитомягкого материала используют технически чистое железо. Его применяют для изготовления сердечников реле, электромагнитов постоянного тока, полюсов электрических машин и др. Широкое применение в промышленности нашли низкоуглеродистые и легированные кремнием электротехнические стали (0,05…0,005% С, 1,0…4,8% Si). Легирование кремнием повышает электрическое сопротивление стали, уменьшает потери на вихревые токи, повышает магнитную проницаемость, снижает коэрцитивную силу и, таким образом, потери на гистерезис. Незначительный наклеп сильно снижает магнитную проницаемость и повышает коэрцитивную силу. Для снятия напряжений и искажений структуры после прокатки, а также для укрупнения зерна электротехническую сталь подвергают отжигу при 1100… 1200°С в атмосфере водорода. При рубке листов, резке, штамповке и гибке магнитные свойства электротехнической стали ухудшаются. Для их восстановления рекомендуется отжиг при 750… 800 °С с изотермической выдержкой в течение 2 ч и последующим медленным (50°С/ч) охлаждением до 400 °С. Электротехническую сталь изготавливают в виде листов толщиной от 0,05 до 1 мм.
Стали маркируются буквой Э и четырьмя цифрами:
• первая цифра означает вид проката и структурное состояние (1 — горячекатаная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная);
• вторая цифра показывает содержание кремния: 0 — до 0,4%; 1 — 0,4…0,8%; 2 — 0,8… 1,8%; 3 — 1,8…2,8%; 4 — 2,8…3,8%; 5 — 3,8…4,8%;
• третья и четвертая цифры — магнитные характеристики и их уровень (потери при перемагничивании при разных частотах тока, магнитную индукцию и магнитную проницаемость при разной напряженности магнитного поля).
Железоникелевые сплавы — пермаллои (от 40 до 80% Ni) — имеют высокую магнитную проницаемость, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф). Магнитные свойства пермаллоя сильно зависят от термической обработки. Для улучшения магнитных свойств после механической обработки пермаллои подвергают отжигу при 1100… 1200°С в вакууме или атмосфере водорода. При этом укрупняется зерно, устраняются остаточные напряжения и удаляются примеси углерода. Охлаждение в магнитном поле после изотермической выдержки при отжиге повышает магнитные свойства.
Немагнитные стали. В электромашиностроени и приборостроении многие детали изготавливают из немагнитных сталей. Раньше для этой цели применяли цветные металлы, а теперь широко используют немагнитные аустенитные стали. Применение этих сталей резко снижает стоимость деталей, а также повышает механические свойства и уменьшает потери на вихревые токи в электроаппаратуре. В промышленности широко применяют аустенитные коррозионно-стойкие стали 12Х18Н10, 12Х18Н10Т, а также более дешевые аустенитные стали 55Г9Н9ХЗ и 45Г17ЮЗ, в которых никель частично или полностью заменен марганцем.
Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами
Магнитные стали и сплавы делятся на магнитотвердые и магнитомягкие. Эти материалы различаются величинами основных магнитных характеристик (см. рис. 3.21): остаточной индукции Вп коэрцитивной силой Нс, магнитной проницаемости р. Магнитотвердые материалы должны иметь высокие значения Вг и Нс. Магнитомягкие, напротив, малую величину Нс и высокое значение р. Магнитотвердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных магнитных полях, а после снятия поля сохраняют свои магнитные свойства. Магнитотвердые стали и сплавы должны обладать высокими значениями остаточной индукцииВг и коэрцитивной силы Нс (рис. 8.2, а). Именно высокое значение остаточной индукции, которая остается после снятия внешнего магнитного поля, определило применение магнитотвердых материалов для изготовления постоянных магнитов. Высокие значения коэрцитивной силы гарантируют способность постоянных магнитов сопротивляться размагничиванию.
Коэрцитивная сила возрастает при наличии в твердом растворе второй дисперсной фазы, возникновении напряжений в кристаллической решетке, измельчении зерна. Постоянные магниты небольших размеров делают из углеродистых заэвтектоидных сталей У10, У12. Закалка на мартенсит обеспечивает высокие значения коэрцитивной силы. вследствие возникновения больших закалочных напряжений. Сталь У12 после закалки в воде приобретает следующие магнитные свойства: Нс = 4800 А/м; Вг- 0,8 Тл. Легированные конструкционные стали имеют практически те же магнитные характеристики, но большую прокаливаемость, поэтому из них можно изготавливать магниты больших размеров. В настоящее время для постоянных магнитов широко используют стали с 1% С, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом или совместно несколькими элементами (ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5). Магнитные стали маркируются буквой Е, а далее так же, как известные конструкционные стали, например сталь ЕХ9К15М2 содержит 1% С, 9% Сг, 15% Со, 2% Мо. Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают термической обработке, состоящей из нормализации, закалки в масле или воде и низкотемпературного отпуска при 100 °С в течение 10…24 ч.
Нормализацию проводят для устранения «магнитной порчи», которая возникает в процессе отжига вследствие коагуляции (роста) карбидов. В результате снижается коэрцитивная сила, потому что она имеет высокие значения только при малых размерах зерен второй фазы — ее дисперсности. Охлаждение при закалке обычно проводят в масле, чтобы избежать коробления и образования трещин, хотя это по сравнению с охлаждением в водонесколько снижает магнитные свойства. Обработка холодом повышает магнитные свойства, так как устраняет немагнитную фазу — аустенит. Отпуск несколько снижает коэрцитивную силу, но обеспечивает стабильность магнитных свойств в процессе эксплуатации. Стали являются дешевым материалом, однако их магнитные характеристики невысоки. Более высокие магнитные свойства имеют сплавы систем Fe — Al — Ni — алъни, Fe — Al — Ni — Co — алънико (например, 8% Al, 24% Co, 14% Ni, 3% Си). Это дисперсионно-твердеющ е сплавы. Эти сплавы не поддаются ни пластической деформации, ни обработке резанием, детали из них получают литьем. Сплавы подвергают сложной термической обработке. Заготовку, нагретую до 1300 °С, помещают между полюсами электромагнита напряженностью 160 А/м и охлаждают до 500 °С, затем на воздухе без воздействия магнитного поля. Отпуск выполняют при 600 °С. При этой температуре происходит дисперсионное твердение, т.е. выделение из пересыщенного твердого раствора мельчайших частиц второй фазы (см. подразд. 2.7), наличие которых повышает коэрцитивную силу. После такой обработки сплавы обладают анизотропией магнитных свойств. Более высокие магнитные свойства достигаются в направлении внешнего магнитного поля, которое было приложено при закалке.
Жаропрочные стали и сплавы.
Жаропрочность — это сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительной нагрузке. При повышении температуры силы межатомных связей ослабевают и металлы разрушаются при напряжениях более низких, чем при комнатной температуре. Разрушение происходит в результате ползучести. Жаропрочность характеризует сопротивление материала ползучести. Напомним, что ползучесть развивается при рабочей температуре, превышающей температуру рекристаллизации, и напряжении выше предела текучести. Таким образом, жаропрочность тем выше, чем выше температура рекристаллизации Тр, которая, в свою очередь, зависит от температуры плавления металла Тм. Таким образом, повышение жаропрочности достигается применением металлов с высокой температурой плавления (тугоплавких), а также сплавов — за счет увеличения коэффициента а. Высокие значения а (0,6…0,8) характерны для твердых растворов. При этом аустенитные стали и сплавы обладают большей жаропрочностью, чем ферритные, так как температура рекристаллизации выше у сплавов с ГЦК, а не с ОЦК решеткой. Более высокой жаропрочностью обладают крупнозернистые структуры с меньшей протяженностью границ зерен, потому что именно на границах зерен скапливается большое количество дефектов, что делает их наиболее ослабленными участками в металле. Кроме того, по границам развивается процесс ползучести в результате перемещения одного зерна относительно другого.
Для сплавов, предназначенных для краткосрочной эксплуатации, оптимальной является структура, обеспечивающая наибольшую прочность. Это структура, состоящая из твердого раствора и упрочняющих дисперсных частиц второй фазы. Структура сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации, должна быть однофазной. Жаропрочность характеризуется пределом длительной прочности — напряжением, вызывающим разрушение при определенной температуре за данный отрезок времени.
В качестве жаропрочных материалов используют:
• стали на основе Fea для работы при температурах до 600 °С; аустенитные стали на основе FeY, легированные никелем (около 18 %), для работы при температурах до 850 °С;
• сплавы на основе никеля или железо-никелевые для работы при температурах до 950 °С.
Для работы при температурах около 600 °С и длительности работы 1000… 1000 ч используют низкоуглеродистые стали, в небольших количествах (до 1 %) легированные хромом, молибденом и ванадием(12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ), их используют для деталей котельного оборудования (паропроводы, крепеж и т.п.). Применяются также стали с содержанием углерода около 0,4 %, легированные хромом и кремнием, — сильхромы(40Х9С2, 40Х10С2М). Их отличительной особенностью является высокое сопротивление окислению, что обеспечивается высоким содержанием хрома и кремния. Сильхромы используют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Жаростойкие и аустенитные стали и сплавы.
Жаростойкость (окалиностойкость) — это способность металла сопротивляться окислению при высоких температурах. При повышении температуры скорость окисления металлов возрастает. Железо при температурах выше 570 °С образует оксиды FeO, Fe304, Fe203, не защищающие поверхность металла от воздействия кислорода.Окалиносто костъ сталей достигается легированием хромом, алюминием или кремнием. Эти элементы образуют на поверхности стали плотные оксиды Cr203, А1203, Si02, затрудняющие окисление. Образование защитной оксидной пленки обеспечивается только наличием соответствующих легирующих элементов. Поэтому жаростойкость определяется химическим составом стали и не зависит от ее структуры. Для работы при температурах до 800 °С применяют хромистые стали. Влияние хрома наиболее заметно при содержании 15… 20% (стали 12X17, 15Х25Т). При более высоких температурах используют хромоникелевые стали (20Х23Н13) и сплавы на основе никеля (ХН45Ю с составом 44…46% Ni, 15… 17% Сг, 2,9…3,9% А1). Содержание кремния и алюминия не превосходит 4%, при их большем содержании сплавы становятся весьма хрупкими. Жаростойкие стали и сплавы применяют для изготовления печного оборудования, сопловых аппаратов, деталей газотурбинных установок.
Аустенитные стали (12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т) применяют для деталей, работающих при температурах до 850 °С. Для работы при более высоких температурах применяют сплавы на железоникелевой (ХН35ВТ, содержащий в среднем 15 % Сг, 35% Ni, 3,0% W, 1,3% Ti) или никелевой основе (ХН77ТЮР —20 % Сг, 2,7 % Ti, до 1,0 % Fe, до 0,4 % Mn, Ni — в основе). В технике находят применение тугоплавкие металлы с температурой плавления выше, чем у железа (1539 °С). К ним относятся Nb, Mo, Та, Сг и W с температурами плавления соответственно 2 468, 2 625, 2 996, 1849 и 3 410 °С. Поскольку чистые металлы имеют сравнительно низкую жаропрочность (малое значение коэффициента а), то для повышения жаропрочности их легируют элементами, образующими твердые растворы. Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью, в связи с чем на них наносят защитные покрытия.
Хромоникелевые аустенитные стали
Хромоникелевые аустенитные стали легированы 12 % хрома и 9… 10 % никеля, при меньшем содержании никеля коррозионная стойкость не достигается. Стали с таким содержанием никеля являются аустенитными (см. подразд. 6.4 и рис. 6.1, б). Наиболее широко используются хромоникелевые стали марок 12Х18Н9 и 12Х18Н9Т(0,12% С, 18% Сг, 9% Ni и около 0,1 % Ti в стали 12Х18Н9Т). Структура этих сталей — аустенит, они не претерпевают полиморфного превращения, т.е. упрочнить их термической обработкой невозможно. Однако изделия из этих сталей подвергают термической обработке для повышения коррозионной стойкости за счет обогащения хромом твердого раствора. При наличии углерода в структуре отожженной стали присутствуют карбиды хрома, это означает, что не весь хром находится в твердом растворе. Закалка от температуры 1000 °С с охлаждением в воде позволяет растворить карбиды хрома в аустените и предотвратить их выделение при быстром охлаждении. При использовании стали 2X18Н9 возникает опасность появления межкристаллитной коррозии. При нагреве закаленной стали (например, при сварке) возможно выделение карбидов хрома (Сг23С6) по границам зерен аустенита. Это приводит, во-первых, к обеднению хромом ниже допустимого уровня 12% областей аустенита, расположенных в приграничных зонах, а также к созданию микрогальванических пар, потому что образуются две фазы с разным электрохимическим потенциалом — аустенит и карбид. В результате возникает множество очагов локальной коррозии. Лист из стали, пораженной межкристаллитной коррозией, не издает металлического звука и может разрушиться в порошок уже при небольших нагрузках.
Склонность к этому виду коррозии можно устранить или заметно снизить легированием —введением в сталь сильных карбид образующих элементов, например титана (сталь 12Х18Н9Т содержит около 0,1 % Ti). Титан связывает весь углерод в своем карбиде TiC, на образование карбидов хрома углерода не остается, поэтому весь хром растворяется в аустените. Аустенитные нержавеющие стали обладают высокой пластичностью, они хорошо обрабатываются давлением. Свариваемость сталей также хорошая. Упрочнение сталей возможно за счет наклепа. При деформации, равной 40%, предел прочности возрастает более чем в 2 раза (примерно с 600 до 1400 МПа). Вместе с тем склонность к упрочнению наклепом приводит к весьма низкой обрабатываемости резанием, потому что стали сильно упрочняются в процессе резания. Хромоникелевые аустенитные стали превосходят хромистые по сопротивлению коррозии, они устойчивы против коррозии в морской воде, лаках, органических и азотной кислотах, слабых щелочах. Эти стали используют для изготовления деталей, работающих в указанных средах.
Хромистые стали
Хром в воздушной среде имеет малый электрохимический потенциал, однако обладает высокой коррозионной стойкостью за счет возникновения на поверхности плотной и прочной пленки оксида хрома Сг203, которая препятствует проникновению в глубь металла кислорода, в результате чего процесс коррозии в атмосфере прекращается. Коррозионная стойкость сталей, легирование хромом, возрастает также за счет повышения их электрохимического потенциала. Однако это достигается лишь при определенных количествах хрома в стали. Возрастание коррозионной стойкости сталей происходит не постепенно, а скачкообразно, при введении его в количествах, пропорциональных примерно 12% (рис. 8.1). Таким образом, конструкционные хромистые стали, рассмотренные ранее — 40Х, 40ХФА, 40ХН, 40ХН2МА, 40Х2Н2МА и др., — в которых содержание хрома менее 12%, коррозионной стойкостью не обладают. В промышленности используют коррозионно-стойкие хромистые стали с содержанием хрома более 12 и 25 %. В первую группу входят стали 12X13, 20X13, 30X13, 40X13. Напомним, что легирование смещает точку S диаграммы состояния системы Fe — Fe3C (см. рис. 4.2) в область меньших значений углерода (см. рис. 6.3), т.е. стали, имеющие структуру перлита (эвтектоидные), содержат углерода меньше 0,8 %, причем тем меньше, чем более легирована сталь. Таким образом, стали 12X13и 20X13 являются доэвтектоидными (их структура в отожженном состоянии феррит и перлит), сталь 30X13 — эвтектоид ной (структура перлит), а сталь 40X13 — заэвтектоидной (структура перлит, цементит и карбиды хрома). Стали этой группы устойчивы против коррозии в атмосфере, воде, ряде слабых растворов кислот и щелочей.
Низкоуглеродистые стали 12X13 и 20X13 имеют невысокую прочность и твердость, практически не упрочняются при термическо
и т.д................. |
Скачать 33.88 Kb.