Стали. Легированные стали. Легированные стали Легированная сталь

• Название: Легированные стали Легированная сталь
• Анкор: Стали
• Дата: 23.05.2021
• Размер: 137 Kb.
• Имя файла: Легированные стали.doc
• Тип: Реферат; #208620

Легированные стали
Легированная сталь – это сталь, в состав которой в процессе производства кроме железа и углерода были введены легирующие компоненты (хром, никель, вольфрам и другие), оказывающие полезное влияние на структуру и свойства стали для придания ей специальных (особых) свойств. Легирование – это введение в состав стали в процессе её выплавки элементов, которых углеродистая сталь не содержит (Cr, Ni, Mo, W, V и др.), или содержит, но в меньшей концентрации (Si, Mn). Эти элементы называются легирующими, а сталь – легированной. Легирующие компоненты – химические элементы, специально вводимые в состав стали в процессе ее производства с целью получения требуемого комплекса свойств за счёт изменения внутреннего строения стали.

Основные отличия легированной стали от углеродистой заключаются в свойствах. Так, легированная сталь обладает значительно более высокими механическими характеристиками, поэтому её используют для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначения. Большинство марок легированной стали приобретают высокие механические характеристики только после соответствующей термической обработки, которая приводит к фазовым превращениям и, кроме того, делает структуру сталей более мелкозернистой. Легированная сталь может обладать свойствами, отсутствующими у углеродистой стали, например: коррозионную стойкость, жаропрочность.

Легированная сталь обладает более глубокой прокаливаемостью деталей тех же размеров, чем из углеродистой стали. Многие марки легированной стали прокаливаются насквозь даже при больших сечениях деталей. Чем больше в стали легирующих элементов (до определенной концентрации), тем выше ее прокаливаемость. Большинство легирующих элементов снижают температуру мартенситного превращения и улучшают качество остаточного аустенита в структуре закаленной стали.

Влияние легирующих компонентов на свойства стали определяется их содержанием. Основными легирующими компонентами являются Mn, Si, Сг, Ni, W, Mo, Со, Ti, V, Zr, Nb и другие элементы. Легирующие компоненты по-разному влияют на свойства стали.

Марганец повышает прочность, износостойкость, глубину прокаливаемости стали при ТО. Снижает, подобно никелю, критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки), вязкость феррита. Марганец используется для частичной замены никеля с целью получения нужного сочетания механических свойств стали, а также с учётом меньшей стоимости марганца.

Кремний способствует: получению более однородной структуры, улучшению упругих характеристик стали, магнитным превращениям, приданию стали кислотоупорности (при содержании в количестве от 15 до 20 %), увеличению жаростойкости углеродистой и хромистой стали (например, сталь с 5 % Cr и 1 % Si в среде печных газов равнозначна по жаростойкости стали в 12 % Cr.), повышению устойчивости (стабильности) структуры стали при отпуске за счёт затруднения формирования и роста цементитных частиц посредством уменьшения подвижности углерода в феррите.

Хром повышает: твёрдость, прочность, глубину прокаливаемости при термической обработке, жаропрочность, жаростойкость, теплостойкость инструментальной легированной стали, коррозионную стойкость (при содержании более 12 %), электрическое сопротивление, количество остаточного аустенита при закалке в результате снижения точек мартенситного превращения (М_н и М_к). Снижает коэффициент линейного расширения, склонность к росту аустенитного зерна при нагреве, замедляет процесс распада мартенсита.

Никель повышает: прочность (подобно марганцу), износостойкость (подобно марганцу), глубину прокаливаемости стали при ТО (как марганец), электросопротивление, жаропрочность, пластичность и вязкость стали (в отличие от марганца, упрочняя феррит, никель не снижает его вязкость), сопротивление стали хрупкому разрушению.

Снижает: критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки), значение коэффициента линейного расширения, температуру порога хладноломкости, чувствительность стали к концентраторам напряжений. В качестве примера можно отметить, что введение в сталь 1 % никеля приводит к снижению порога хладноломкости на (60 … 80) %, а легирование стали никелем от 3 до 4 % обеспечивает ей глубокую прокаливаемость.

Вольфрам и молибден способствуют измельчению зерна, подавлению отпускной хрупкости, повышению твёрдости и прочности, улучшению режущих свойств при повышенной температуре, повышению прокаливаемости стали (особенно в присутствии никеля), повышению теплостойкости и жаропрочности инструментальной стали. Кроме того, молибден повышает коррозионную стойкость, способствует к значительному улучшению механических свойств стали после цементации и нитроцементации, снижает точки мартенситного превращения, чем способствует увеличению количества остаточного аустенита при закалке.

Ванадий, титан, ниобий и цирконий образуют труднорастворимые в аустените карбиды. При малом содержании в стали (до 0,15 %) они способствуют: измельчению зерна, снижению порога хладноломкости, уменьшению чувствительности стали к концентраторам напряжений. Кроме того, ванадий повышает теплостойкость (жаропрочность) инструментальной стали. При большом количестве данные элементы вызывают снижение прокаливаемости и сопротивления стали хрупкому разрушению, что обусловлено выделением по границам зёрен значительного количества карбидов типа МеС (VC, TiC и др.).

Бор повышает прокаливаемость, прочность стали, что проявляется лишь при микролегировании стали бором (в пределах от 0,001 до 0,005 %), когда атомы бора располагаются в приграничных слоях зёрен аустенита, заполняют вакансии, делая структуру границ более совершенной, и таким образом уменьшают скорость зарождения центров кристаллизации перлита. При повышенном содержании бора он выделяется по границам зерен в виде боридов, сильно охрупчивая сталь.

Алюминий повышает коррозионную стойкость, температуры начала и конца образования мартенсита (точки М_н и М_к), что приводит к уменьшению количества остаточного аустенита при закалке. Кобальт аналогично алюминию, повышает точки М_н и М_к, что приводит к уменьшению количества остаточного аустенита при закалке.
Влияние легирующих компонентов на полиморфическое превращение в железе связано с их содержанием. Вспомним, что в чистом железе полиморфическое превращение происходит при 911 ⁰С. Под влиянием углерода температура полиморфического превращения (точка А₃) снижается по линии GS диаграммы состояния Fe – Fe₃C. По влиянию на точку А₃ легирующие элементы делятся на две группы: а) Mn, Co, Ni, Cu снижают точку А₃; б) Si, Al, Cr, Mo, W, V, Ti – повышают. На рис. 3.8 даны в общем виде диаграммы состояния системы железо – легирующие элементы.
На рис. 3.8, а, показано, как под влиянием элементов, снижающих температуру полиморфического превращения (точку А₃), сужается область α-состояния и расширяется область γ-состояния. При определённом содержании легирующего элемента точка А₃ уходит в область отрицательных температур, т.е. γ-твёрдый раствор (аустенит) устойчив при комнатной температуре. Такие сплавы называются аустенитными. На рис. 3.8, б показано, как элементы, повышающие точку А₃, сужают область γ-твёрдых растворов и расширяют область α-твёрдых растворов (феррита). Сплавы, в которых содержание легирующего элемента превышает х, называются ферритными.

Легированная сталь, как и углеродистая, имеет несколько систем классификаций в зависимости от основания деления. По химическому составу сталь подразделяется в зависимости от того, какими элементами она легирована: хромистая (Cr), марганцовистая (Mn), хромоникелевая (Cr и Ni), хромоникельмолибденовая (Cr, Ni, Mo) и т.д.

По суммарному содержанию легирующих компонентов различается сталь: низколегированная, содержащая легирующих элементов в сумме до 2,5 %, среднелегированная – от 2,5 до 10 %, высоколегированная – свыше 10 % (если сумма легирующих компонентов превышает 50 %, то получится сплав, а не сталь).


а б

Рис. 3.8. Схема влияния легирующих компонентов на температуру полиморфического превращения в железе:

а – снижение температуры превращения; б – повышение температуры превращения
По назначению легированная сталь подразделяется на:

• 
  общего назначения:
  
  • 
    конструкционная (машиностроительные, строительные) предназначена для изготовления деталей машин и механизмов, а также элементов конструкций, в том числе и строительных;
    
  • 
    инструментальная, используемая для изготовления режущего инструмента (резцы, фрезы, свёрла и прочие), ударного инструмента (штампы, прокатные валки, пресс-шайбы и прочие), мерительного инструмента (микрометры, штангенинструмент, калибры и прочие);
    
• 
  специального назначения:
  
  • 
    с особыми механическими и технологическими свойствами: автоматная, быстрорежущая, подшипниковая, износостойкая и другие;
    
  • 
    с особыми физическими и химическими свойствами: коррозионно-стойкая, жаропрочная, жаростойкая, магнитная и другие.
    

По качеству (содержанию вредных примесей: серы и фосфора) легированную сталь подразделяют на: качественную (P ≤ 0,04 %; S ≤ 0,035 %); высококачественную (P ≤ 0,025 %; S ≤ 0,025 %); особовысококачественную (P ≤ 0,025 %; S ≤ 0,015 %).

По структуре после нормализации (т.е. после охлаждения на воздухе) сталь делится на классы: ферритный, перлитный, мартенситный, аустенитный и ледебуритный (карбидный). К ферритному классу относится сталь с высоким содержанием элемента, ограничивающего область γ-железа при невысоком содержании углерода, например, хромистая малоуглеродистая нержавеющая сталь. Её структура состоит из феррита. К перлитному классу относят сталь, которая в нормализованном состоянии (охлаждение на воздухе) состоит преимущественно из перлита. К этому классу относятся многие конструкционные марки стали.

Мартенситный класс составляют стали высоколегированные, при охлаждении на воздухе, закаливающиеся на мартенсит. К аустенитному классу относится сталь, высоколегированная марганцем или никелем, под влиянием которых точка М_н лежит в области отрицательных температур. Структура такой стали после закалки – аустенит. Сталь ледебуритного класса в литом состоянии в структуре имеет карбидную эвтектику – ледебурит. Приведённая классификация в ряде случаев довольно условна. Так, хромоникелевая нержавеющая сталь относится к группе сталей с особыми свойствами, в то же время это сталь конструкционная.

Принципы маркировки легированной стали общего назначения в соответствии с действующими государственными стандартами в России имеют буквенно-цифровое обозначение. В начале марки (перед буквенным обозначением) стоит число: двузначное: соответствует количеству в стали углерода в сотых долях процента, указывает на принадлежность стали этой марки к группе конструкционных сталей; однозначное: обозначает содержание углерода в десятых долях процента, указывает на принадлежность стали данной марки к группе инструментальных сталей.

Примечание 1: если перед буквенным обозначением марки цифры нет, то это значит, что в инструментальной стали содержание углерода в среднем 1,0 %.

Заглавные буквы русского алфавита, стоящие после цифр, обозначают легирующие компоненты в стали. ГОСТ 4543–71 предусматривает следующие буквенные обозначения легирующих компонентов, входящих в состав сталей:

А – азот, Р – бор,

Б – ниобий, С – кремний,

В – вольфрам, Т – титан,

Г – марганец, Ф – ванадий,

Д – медь, Х – хром,

Е – селен, Ц – цирконий,

К – кобальт, Ч – редкоземельные

М – молибден, металлы (лантаноиды*),

Н – никель, Ю – алюминий

П – фосфор,

*Лантаноиды: лантан (La), церий (Ce), неодим (Nd), прометий (Pm), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd) и другие.

Примечание 2: если марганец и кремний содержатся не как обычные технологические примеси (Si > (0,4 … 0,5) % и Mn > 0,8 %), то они выступают в качестве легирующих компонентов и обозначаются соответственно Г и С.

Цифры, стоящие после каждой буквы, обозначают содержание в целых процентах того легирующего компонента, после которого они стоят.

Примечание 3: если после буквы, обозначающей элемент в марке стали, цифры нет, то это значит, что количество этого элемента в стали в среднем 1,0 %.

Примечание 4: исключение составляют Mo, Ti, Zr, V, содержание которых в этом случае составляет от 0,1 до 0,3 %.

Заглавная буква, стоящая в конце марки, обозначает качество стали: буква А показывает, что сталь высококачественная с низким содержанием фосфора и серы (≤ 0,025 % каждого); буква Ш (через –) показывает, что сталь особовысококачественная (рафинированная электрошлаковым переплавом) с минимальным содержанием серы и фосфора (S ≤ 0,015 % и P ≤ 0,025 %).

Примечание 5: если в конце марки указанные буквы отсутствуют, то сталь качественная.

Примечание 6: буква А в начале марки обозначает марку автоматной стали с улучшенной обрабатываемостью резанием, что достигается введением в сталь повышенного содержания серы или свинца; буква А в середине марки обозначает легирующий компонент азот, специально введенный в сталь; буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь с пониженным содержанием серы и фосфора (менее 0,025 % каждого).

Примечание 7: буква Е в начале марки – магнитная сталь.

Приведём несколько примеров: 40Х: 0,4 % С, 1 % Сr; 18ХГТ: 0,18 % С, 1 % Cr, 1 % Mn, 0,1 % Ti; 9XC: 0,9 % C, 1 % Cr, 1 % Si. Приведён примерный состав, точные пределы по содержанию всех элементов даны в соответствующих стандартах.

Исследовательские марки, не внесённые в стандарт, имеют заводскую маркировку: завод Электросталь – ЭИ, Златоустовский завод – ЗИ и т.д. Опытные стали, выплавляемые на заводе «Электросталь», первоначально обозначают буквами: ЭИ – электросталь исследовательская или ЭП – электросталь пробная с порядковым номером разработки (освоения), например, ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭП33 (10Х11Н23Т3МР).
Металлургическая промышленность выпускает большое количество марок легированной конструкционной стали, их удобно подразделить на несколько групп в зависимости от назначения. Строительные низколегированные стали содержат углерода до 0,25 %, суммарное содержание легирующих элементов до 2,5 %. Поступают в виде листов и фасонного проката (уголок, швеллер и др.) и используются в состоянии поставки, т.е. без дополнительной термической обработки для изготовления сварных строительных конструкций. К этой группе относят марки 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД и другие. Для армирования железобетонных конструкций в ответственных случаях используется прокат из стали 25Г2С, 30ХГСА, прошедший улучшение. Цементуемые и нитроцементуемые стали – малоуглеродистые (углерода до 0,25 %) низко- и среднелегированные стали, используемые для изготовления цементуемых и нитроцементуемых деталей. Низколегированные стали 15Х, 20Х дают слабо упрочняемую середину, но позволяют применять закалку в масле. При изготовлении ответственных деталей, имеющих большое сечение и испытывающих динамические нагрузки, используются марки 20ХН, 12ХН3А, 12Х2Н4А. Сталь 18Х2Н4ВА обеспечивает сквозную прокаливаемость практически при любых сечениях детали. Малоуглеродистый мартенсит в сердцевине детали имеет при невысокой твёрдости большую прочность, вязкость и пластичность. Улучшаемые стали – это среднеуглеродистые стали (0,30 % ≤ С < 0,50 %), легированные хромом, никелем, молибденом, вольфрамом, марганцем, кремнием и используемые для изготовления небольших деталей и узлов во всех отраслях машиностроении, подвергаемые улучшению – закалке с высоким отпуском. Включают хромистые стали 30Х, 40Х, у которых при закалке в масле Д_к = (15 … 20) мм. Марки 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, у которых Д_к = (20 … 25) мм. Хромоникелевые стали 40ХН, 40ХНМ, Д_к = (35 … 40) мм. Комплекснолегированные стали, например, 38ХН3МФА, у которых Д_к превышает 100 мм.
Высокопрочные стали с пределом прочности σ_b > 1500 МПа. В качестве примера рассмотрим сталь 03Н18К9М5Т, содержащую не более 0,03 % С, 18 % Ni, 9 % Со, 5 % Мо, 1% Ti. Закаливается при нагреве до 800-850 °C и охлаждении на воздухе. После закалки имеет структуру безуглеродистого мартенсита. Упрочнение (σ_b = 2000 МПа, δ = 12 %) происходит в процессе отпуска при (450 … 500) ⁰С за счёт выделения из мартенсита дисперсных частиц Ni₃Ti, Fe₂Мо и других. Такое изменение структуры называется старением, а сталь – мартенситностареющей (МСС). МСС применяют в самолёто- и ракетостроении, в криогенной технике, так как обладая высокими механическими свойствами, сохраняют их при низких температурах, а также имеют теплостойкость до 450 ⁰С.

Другим видом высокопрочных сталей являются ПНП-стали. Название расшифровывается так: Пластичность, Наведённая Превращением. Они ещё называются трип-сталями. Это стали аустенитного класса, состав которых может быть ориентировочно выражен маркой 30Х9Н8М4Г2С2. После закалки от (1000 … 1100) ⁰С сталь имеет аустенитную структуру, так как точка М_н лежит ниже 0 ⁰С. Затем сталь подвергают пластической деформации при (400 … 600) ⁰С, что ниже температуры рекристаллизации. Возникающий при этом наклёп совместно с выделением карбидов упрочняет сталь (σ_b =1800 … 2000 МПа), сохраняя высокую пластичность (δ ≥ 20 %). Область применения стали: детали авиаконструкций, броневой лист, проволока для тросов и др.

Рессорно-пружинные стали обладают высокой упругостью, что обеспечивается трооститной структурой. Поэтому пружины и рессоры подвергаются закалке и среднему отпуску. Для изготовления автомобильных рессор используется сталь 55С2, 60С2А, 50ХГА, для клапанных пружин – 50ХФА. Крупные тяжелонагруженные пружины изготавливаются из стали 60СХФА и 65С2ВА. Мелкие пружины холодной навивки изготавливают из холоднотянутой проволоки или ленты. При этом используется углеродистая сталь 65, 65Г, 70, У8, У10. После холодной навивки пружины нагревают до 200 … 300 ⁰С для снятия напряжений.
Легированная инструментальная сталь бывает разных видов. Сталь для режущего инструмента должна обладать высокой твёрдостью (HRC≥60…62), износостойкостью и теплостойкостью. Низколегированные стали ХВГ, 9ХС, ХВСГ не обладают высокой теплостойкостью, их достоинство перед углеродистой сталью заключается в более высокой прокаливаемости, в возможности при закалке охлаждать в масле. Используют для изготовления свёрл, развёрток, протяжек диаметром до (60 … 80) мм. Сталь для мерительного инструмента должна обеспечивать высокую твёрдость и износостойкость инструмента, отсутствие деформаций в течение всего срока службы инструмента. Измерительный инструмент изготавливают из низколегированной стали марок ХВГ, ХГС, 9ХС. Термическая обработка заключается в закалке и низком отпуске с промежуточной обработкой холодом. Стали для штампов холодного деформирования («холодных» штампов): для вырубных и вытяжных штампов требуется высокая твёрдость и износостойкость. Используются низколегированные стали марок ХВГ, ХВСГ. Термообработка – закалка и низкий отпуск. Повышенной износостойкостью обладают высокохромистые стали: Х12 (2 % С, 12 % Cr), Х12М (1,5 % С, 12 % Сr, 0,5% Мо). Для высадочных и чеканочных штампов, работающих в условиях ударных нагрузок, рекомендуются марки 6ХС (0,6 % С, 1 % Сr, 1% Si), 6ХВ2С (0,6 % С, 1 % Сr, 2 % W, 1 % Si). После закалки они отпускаются при температуре до (300 … 400) ⁰С, что придаёт им вязкость, необходимую при ударных нагрузках, за счёт некоторого снижения твёрдости до HRC 55 … 50. Стали для штампов горячего деформирования («горячих» штампов): горячие штампы работают в сложных условиях. Испытывая больше нагрузки, они должны быть прочными. Молотовые штампы подвергаются ударной нагрузке и должны обладать вязкостью. Соприкасаясь с раскалённой заготовкой, их рабочая поверхность нагревается, нагрев чередуется с охлаждением, поэтому сталь должна быть обеспечена достаточной теплостойкостью и устойчивостью против появления сетки разгара на рабочей поверхности. При изготовлении массивных штампов сталь должна обладать хорошей прокаливаемостью.
Такое сочетание свойств обеспечивается необычным для инструментальной стали химическим составом. Обращает на себя внимание низкое для инструментальной стали содержание углерода, легирование никелем, который придаёт вязкость и прокаливаемость, и молибденом, обеспечивающим жаропрочность. Так, сталь 5ХНМ содержит 0,5 % С, до 0,8 % Сr, до 1,8 % Ni, до 0,3 % Мо.

Легированная сталь специального назначения включает следующие виды стали. Автоматная сталь – это сталь повышенной обрабатываемости резанием. Автоматные стали специально созданы для изготовления массовых деталей, к материалу которых не предъявляется высоких требований по механическим свойствам, но которые должны с высокой степенью технологичности и высокой производительностью изготавливаться на металлорежущих станках-автоматах с высокими требованиями по размерам и чистоте поверхности, например: крепёжные детали (болты, гайки, вкладыши и других), детали двигателя (червяк рулевого управления, валик масляного насоса и другие небольшие по габаритам детали). Автоматные стали созданы на основе введения в сталь присадок S, Se, Ca, Pb и других, которые приводят к образованию включений, способствующих получению легко ломающейся стружки. Для сохранения высоких механических свойств автоматные стали могут легироваться марганцем, кремнием, хромом, молибденом и другими.
Наиболее широкое применение в качестве автоматных нашли легированные стали марок: АС38Г2, АС30ХМ, АС38ХГМ. Буква «А» означает автоматная сталь, число после буквы А обозначает содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная легирована свинцом в пределах (0,15 … 0,3) %, то после буквы А стоит буква С. При повышенном содержании других легирующих компонентов (Mn до 1 %, Cr или Mo) в конце марки добавляют соответствующие буквы и цифры, показывающие среднее содержание данных элементов в процентах.
Введение в сталь присадок S, Se, Ca, Pb понижает ее конструктивную прочность, уменьшает предел выносливости после цементации до 40 %. Повышенное содержание серы от 0,08 до 0,3 % приводит к повышению анизотропии механических свойств. Благодаря добавке свинца повышается обрабатываемость резанием на станках-автоматах при средних и пониженных скоростях резания (до 100 об/мин). Кальций вводится в виде силикокальция, глобулирует сульфидные включения, которые также способствуют повышению обрабатываемости резанием. После закалки и отпуска автоматные стали имеют высокие механические свойства.

Быстрорежущая сталь относится к высоколегированным сталям ледебуритного (карбидного) класса, в структуре которых при кристаллизации образуется значительное количество эвтектических карбидов легирующих элементов (хрома, вольфрама, молибдена, ванадия, кобальта). В начале марки таких сталей стоит буква Р (от англ. rapid – скорый, быстрый). Далее цифра, показывающая содержание основного легирующего компонента – вольфрама (в процентах). Далее буквы, обозначающие дополнительные легирующие элементы. Цифра после буквы, показывает содержание обозначенного легирующего элемента. Среднее содержание углерода 1 %.

Основной классической маркой быстрорежущей стали является сталь Р18, которая в своем составе содержит около 1 % углерода, 4 % хрома, 18 % вольфрама, от 1 до 1,4 % ванадия. Стандарт содержит ряд марок быстрорежущей стали, в том числе с меньшим содержанием вольфрама Р9, Р12, стали с заменой части вольфрама молибденом Р6М5, Р6М3, Р8М3, с дополнительным легированием ванадием, кобальтом: Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, Р10Ф5К5 и другие.

Исключения составляют стали марок 11Р3М3Ф2Б (быстрорежущая сталь, с содержанием С ≈ 1,1 %, W ≈ 3 %, Mo ≈ 3 %, V ≈ 5 % и Nb ≈ 1 %) и В11М7К23 (сплав системы Fe – Co – W – Mo: W ≈ 11 %, Mo ≈ 7 %, Co ≈ 23 %). Эти стали с интерметаллидным упрочнением, т.е. после термообработки структура: безуглеродистый (малоуглеродистый) мартенсит с мелкодисперсными интерметаллоидами – (Fe, Co)₇(W, Mo)₆ и другие. Теплостойкость этих сплавов 720 ⁰С, а твёрдость HRC 68 … 70.

Главное достоинство быстрорежущей стали – высокая теплостойкость (красностойкость), т.е. способность сохранять высокую твердость и стойкость режущей кромки инструментов при нагреве вплоть до 600 ⁰С, что обеспечивает высокую стойкость режущего инструмента в условиях высокоскоростных и высокопроизводительных режимах резания (скорость резания в 2 … 3 раза выше, чем у углеродистой инструментальной стали). Другие свойства стали: высокая износостойкость, высокая твёрдость (HRC 62 … 65), которая достигается в процессе особого режима термической обработки.

Быстрорежущую сталь широко используют для изготовления режущего инструмента, обладающего большой твёрдостью и работающего при высоких скоростях резания (допускаемая скорость резания до 30 м/мин, с применением СОЖ – до 50 м/мин): резцов, свёрл, фрез, зенкеров, метчиков и других.

Стали для шариковых (роликовых) подшипников (подшипниковая сталь) используется для изготовления шариков в шарикоподшипниках, роликов в роликоподшипниках. В начале марки стоит буква Ш, обозначающая, что это сталь шарикоподшипниковая. Далее буква, обозначающая легирующий элемент, далее цифра, показывающее среднее содержание данного легирующего компонента в процентах. При этом содержание хрома указывается в десятых долях процента. Содержание углерода около 1 %.

Например, ШХ15 (основная марка) – сталь шарикоподшипниковая с содержанием С ≈ 1 % и Cr ≈ 1,5 %; ШХ4 (экономно легированная сталь для мелких сортаментов) – сталь шарикоподшипниковая с содержанием С ≈1 % и Cr ≈ 0,4 %; ШХ15СГ (для тяжелонагруженных подшипников) – сталь шарикоподшипниковая с содержанием С ≈1 %, Cr ≈ 1,5 %, Si от 0,4 до 0,65 % и Mn ≈ 1 %; ШХ20СГ (для шариков и роликов большего диаметра: шариков диаметром до 22 мм и роликов до 15 мм) – сталь шарикоподшипниковая с содержанием С ≈1 % , Cr ≈ 2,0 %, Si = (0,4 … 0,65) % и Mn ≈ 1 %. Пример нестандартного обозначения марки стали: 95Х18 (для подшипников, работающих в агрессивных средах) – хромистая высоколегированная сталь с содержанием С ≈ 0,95 %, Cr ≈ 18 %.

Данные стали обладают высокими антифрикционными свойствами (высокой стойкостью к истиранию); высокой твёрдостью (не ниже HRC 62), которая достигается в процессе термической обработки: закалке в масле при нагреве до температуры (830 … 840) ⁰С с последующим низкотемпературным отпуском при температуре от 160 до 200 ⁰С.
Износостойкая высокомарганцевая сталь аустенитного класса (сталь Гадфильда) марки 110Г13Л обладает высокой стойкостью к ударно-абразивному износу. В составе стали 1,1 % С, 13 % Mn, буква Л обозначает, что сталь применяется для изготовления деталей методом литья. После литья структура стали состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца и железа (Fe, Mn)₃C. Марганец резко снижает точки М_н и М_к, поэтому после литья сталь подвергается закалке с температуры от 1080 до 1100 ⁰С в воде без отпуска. При нагреве карбиды растворяются в аустените, поэтому после закалки сталь получает аустенитную структуру с малой твёрдостью (НВ 200).
Марганцевый аустенит хорошо наклёпывается с превращением аустенита в мартенсит, т.е. при механическом воздействии (удары, давление) аустенит превращается в мартенсит, в результате чего в местах деформации твёрдость возрастает до HRC (50 … 55), что препятствует износу деталей. Другими словами, в процессе эксплуатации удары по поверхности отливки твёрдым предметом вызывают образование в тонком поверхностном слое в зоне удара твёрдых мартенситных кристаллов, обеспечивая высокую износостойкость стали. При чисто абразивном износе упрочнения не наблюдается. По этой же причине недостатком стали 110Г13Л является плохая обрабатываемость резанием, поэтому детали из неё чаще всего изготавливают литьём без механической обработки (обработка отливок сводится к шлифованию посадочных мест).
В настоящее время из данной стали литьём изготавливают детали, от которых требуется износостойкость в условиях ударных нагрузок. Такими деталями являются крестовины трамвайных путей, стрелочные переводы, железнодорожные крестовины, зубья экскаваторных ковшей, щеки дробилок, траки гусеничных машин, тракторов и экскаваторов, работающих на каменистых грунтах и т.д.
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали − это стали, стойкие к действию химической и электрохимической коррозии, т.е. обладающие стойкостью к разрушающему воздействию атмосферных условий, речной и морской воды, растворов солей, кислот и щелочей. Основным легирующим элементом всех марок нержавеющих сталей является Сг. На металлическом изделии при содержании Сг не менее 12 % образуется тонкая сплошная плотная плёнка окисла хрома Сг₂О₃, которая и предохраняет сталь от коррозии. При меньшем содержании Сг образуется несплошная пленка Сг₂О₃. Стойкость к коррозии хромистых сталей повышается при введении в их состав Ni. Поэтому различают нержавеющие стали: хромистые; хромоникелевые аустенитные.
Хромистые нержавеющие стали ферритного и мартенситного класса являются основными видами нержавеющих сталей. Свойства высокой коррозионной стойкости достигаются в хромистой стали при содержании хрома не менее (12 … 14) %. При содержании хрома от 12 до 14 % электрохимический потенциал стали становится положительным, она приобретает устойчивость против коррозии в атмосферных условиях, слабых растворах солей, кислот. Стали с содержанием хрома более 13 % и менее 0,09 % углерода (08Х13) относятся к ферритному классу, в них отсутствует превращение α↔γ (рис. 3.8) и термической обработке они не подвергаются. При содержании углерода 0,12 % и более стали могут закаливаться на мартенсит при охлаждении на воздухе и относится к мартенситному классу. Промежуточное положение занимают стали мартенситно-ферритного класса, которые тоже могут закаливаться.
Стали с содержанием углерода до 0,2 % (12Х13, 12Х17, 15Х25Т, 20Х13) применяются в качестве конструкционных нержавеющих сталей для изготовления оборудования химической и пищевой промышленности, изделий, работающих в слабоагрессивных средах, для бытовой посуды. Они подвергаются термической обработке: закалке (за исключением 08Х13) с температуры от 1000 до 1050 ⁰С в масло и отпуску при температуре от 700 до 750 ⁰С. Имеют структуру сорбита отпуска.

Пластичная хромистая сталь 12X13 используется для изготовления деталей типа клапанов гидравлических прессов, лопаток паровых турбин и предметов домашнего обихода, а также изделий, подвергающихся действию слабоагрессивных сред. Стали марок XI7, 0Х17Т, Х28 используют для изготовления оборудования предприятий химической и пищевой промышленности.

Стали 30Х13, 40Х13 мартенситного класса являются инструментальными, имеют эвтектоидный состав, 95Х18 – заэвтектоидная. Они используются для изготовления хирургического инструмента, ножей в пищевой промышленности, пружин, карбюраторных игл. После закалки и низкотемпературного отпуска от 200 до 250 ⁰С имеют структуру отпущенного мартенсита и высокую твёрдость и износостойкость.

Для сварных конструкций сталь марки 40X13 не рекомендуется. При сварке при температуре выше (900 … 950) ⁰С происходит обеднение периферийной зоны хромом и выделение карбидов хрома по границам зерен, что приводит к межкристаллитной коррозии. Во избежание этого вида коррозии применяют сталь с титаном марки 08X17Т.

Хромоникелевые стали аустенитного классаявляются широко распространенными в химической и пищевой промышленности, как наиболее высококоррозионностойкие. Наиболее известными марками стали этого класса являются: 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т. Две цифры, стоящие перед буквенным обозначением марок, обозначают предельно допустимое содержание углерода в сотых долях процента. При этом коррозионная стойкость стали тем выше, чем меньше его содержание, так как этим предотвращается образование карбидов хрома. Поэтому более высокими качествами как коррозионностойкого материала обладают стали 03Х18Н12, 04Х18Н12, 03Х17Н14М3Т.

Наиболее отрицательное влияние на коррозионную стойкость могут оказывать карбиды хрома, особенно, при выделении их по границам зерен. Это вызывает появление склонности к межкристаллитной коррозии, и к коррозии под напряжением. Добавки к сталям титана или молибдена связывают углерод в карбиды этих элементов, сохраняя высокую концентрацию растворённого в аустените хрома, что обеспечивает высокую коррозионную стойкость сталей.

Хромоникелевые стали используются в виде холоднокатаного листа и ленты для изготовления ёмкостей, трубопроводов и других изделий в химической, нефтяной, пищевой промышленности, в криогенной технике, автостроении, строительстве. Хромоникелевые стали марок 0Х18Н10 и 0Х18Н9 применяют для изготовления деталей сваркой. Они работают в особо агрессивной среде. Примечание: в маркировке «0» указывает, что содержание углерода не должно превышать 0,08 %; «00» – не более 0,04 %.

С целью экономии дорогостоящего и дефицитного никеля его частично заменяют марганцем. Так, для работы в слабо агрессивных средах производится сталь с пониженным содержанием никеля, например 10Х14Г14Н4Т. Сюда относят сталь марок: 12Х17Г9АН4 или 10Х14Г14НЗ, которую рекомендуют в качестве заменителя стали 12Х18Н9.
Кислотостойкие стали и сплавы: для работы в слабых кислотах используются ранее рассмотренные нержавеющие стали. Особо высокой коррозионной стойкостью отличается, например, сплав Н70МФ, содержащий до 0,02 % углерода, 25 % молибдена, 1,5 % ванадия, остальное – никель. Этот сплав используется для изготовления ёмкостей, работающих при повышенных температурах в растворах кислот (азотной, серной, фосфорной). Ёмкости производят сваркой из листового материала. Перед сваркой листы подвергают закалке от температуры 1070 ⁰С с охлаждением в воде. Также повышенной кислотостойкостью обладают металлы тантал и молибден, сплав ниобия с танталом. Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы – это материалы, устойчивые к окислению при повышенных температурах. Стали, легированные элементами, способными быстро образовать тонкие, но плотные окисные плёнки, препятствующие диффузии кислорода от внешней поверхности к основному металлу через слой окисла, и тем самым затрудняющими образование окалины на поверхности изделия, являются жаростойкими (окалиностойкими).
Хром, кремний, алюминий дают оксидную плёнку, прочную и плотную, хорошо защищающую деталь от окисления. Марки таких сталей, как: 15Х6СЮ, 10Х13СЮ, 15Х18СЮ, 20Х25Н20С2, 36Х18Н25С2 и другие, обладают высокой стойкостью против химического разрушения поверхности. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Кроме того, все нержавеющие стали, содержащие большое количество хрома, фактически являются и жаростойкими.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре от 550 до 1100 ⁰С. Так, например: сталь 40Х9С2 используют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, теплообменников, работающих до 850 ⁰С; сталь 08Х17Т – для деталей, используемых в среде топочных газов с повышенным содержанием серы (рабочая температура не более 900 ⁰С); сталь 36Х18Н25С2 (рабочая температура не более 1100 ⁰С) – для клапанов двигателей внутреннего сгорания большой мощности, печных конвейеров.

Жаропрочными являются стали, которые наряду с высокой жаростойкостью, могут выдерживать механические нагрузки при высоких температурах без разрушения. Они используются для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургического оборудования. Рабочие температуры жаропрочных сталей от 500 до 750 ⁰С. Жаропрочные стали и сплавы подразделяются на несколько подгрупп: теплостойкие (теплоустойчивые), мартенситно-ферритного, мартенситного и аустенитного классов.

Теплостойкие (теплоустойчивые)стали применяют в энергетическом машиностроении для деталей, работающих под нагрузкой при температуре от 500 до 650 ⁰С в течение длительного времени. В зависимости от условий работы для изготовления деталей используют углеродистые, низколегированные и хромистые стали после соответствующей термической обработки.

Например: детали из стали 12МХ используются при 510 ⁰С (трубы паронагревателей, трубопроводы и коллекторные установки высокого давления, паровые котлы, детали цилиндров, газовые турбины и т. д.). Для тех же целей применяется сталь 12Х1МФ (рабочая температура от 570 до 590 ⁰С. Сталь марки 15X5 применяется для труб, деталей насосов, лопаток, подвесок котлов (рабочая температура 600 ⁰С). Сталь перлитного класса марок: 16М, 15М, 15ХМ, 12ХМФ, 10Х2М после соответствующей термической обработки – для малонагруженных деталей и узлов энергетических установок, работающих при температурах от 500 до 580 ⁰С (паропроводов, арматуры паровых котлов).

Жаропрочные стали мартенситно-ферритного класса (18Х12ВНМФР, 12Х13, 15Х12ВНМФ) применяются для изготовления деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок: лопаток паровых турбин, клапанов, болтов, труб. Рабочая температура, соответственно, 600, 500 и 580 ⁰С. Температура окалинообразования этих сталей 750 ⁰С. Эти же параметры имеет сталь ферритного класса 08Х13.

Жаропрочные стали мартенситного класса (18Х11МНФБ, 09Х16Н4Б, 40Х9С2) предназначены для работы при температурах: первая 600 ⁰С, две последние – 650 ⁰С. Сталь 18Х11МНФБ предназначена для тяжелонагруженных деталей, лопаток паровых турбин, клапанов, роторов паровых и газовых турбин. Сталь 09Х16Н4Б используется для труб пароперегревателей, трубопроводов установок сверхвысоких давлений. Сталь 40Х9С2 (сильхром) специального назначения – для клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Жаропрочные стали аустенитного класса имеют наиболее широкий спектр температурных условий применения. Сталь 55Х20Г9АН4 предназначена для изготовления клапанов моторов, работающих при более высоких температурах (до 850 ⁰С). Сталь 09Х16Н15М3Б предназначена для работы при температуре 350 ⁰С для деталей пароперегревателей, трубопроводов высокого давления; температура окалинообразования 850 ⁰С. Стали 12Х18Н10Т и 31Х19Н9МВБТ имеют рабочую температуру 600 ⁰С. Первая из них предназначена для изготовления труб, листовых деталей выхлопных систем, вторая для роторов, дисков, валов, лопаток, болтов. Для аналогичного применения, но для более высокой температуры (до 700 ⁰С) предназначена сталь 09Х17Н19В2БР1.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе содержат более (30 … 50) % никеля; работают при температурах до 900 ⁰С. Их называют нихромы, нимоники: 20 % Cr, 1 % Al, 2 % Ti, остальное – Ni. К таким сплавам, например, относят никелевые сплавы марок ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ, ХН62МВКЮ, ХН78Т, ХН70Ю и другие. Данные сплавы используют в качестве материалов для рабочих лопаток газотурбинных двигателей, турбинных дисков, крепёжных деталей с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при температурах от 650 до 1100 ⁰С. Жаропрочные керамические материалы на основе карбидов и нитридов кремния могут работать при температурах до 1700 ⁰С и являются перспективными в двигателестроении.

Магнитные стали и сплавы подразделяются на два противоположные по своим магнитным характеристикам класса: магнитотвёрдые и магнитомягкие.

Магнитотвёрдые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре, устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для телевизоров, микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д.

Основными характеристиками магнитотвёрдых материалов являются: трудная перемагничиваемость; высокие значения коэрцитивной силы Н_с; высокие значения остаточной магнитной индукции В_г; магнитная проницаемость μ у них меньше, чем у магнитомягких материалов, при этом чем больше Н_с,тем меньше μ; максимальная удельная магнитная энергия W_w, отдаваемая материалом в пространство.

Для изготовления небольших магнитов используют углеродистые стали У10, У12. Более крупные магниты изготавливают из хромистых сталей ЕХ13 (1 % С, 3 % Cr) и хромокобальтовых – ЕХ5К5 (1 % С, 5 % Cr, 5 % Co). Термообработка таких сталей – закалка на мартенсит и низкий отпуск при 100 ⁰С. Для изготовления магнитов большой мощности и малых габаритов применяют магнитные сплавы типа алнико, например, ЮНДК24 (от 18 до19 % Ni, от 8,5 до 9,5 % Al, от 14 до 15 % Co, от 3 до 4 % Cu, остальное – железо). Этот сплав плохо обрабатывается резанием, поэтому магниты из него делают литьём.

Магнитомягкие стали и сплавы работают в условиях постоянного перемагничивания. Для этих материалов характерными являются малая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насыщения даже в слабых полях. Материалы, применяемые в переменных магнитных полях, кроме того, должны иметь высокое электрическое сопротивление для уменьшения потерь на вихревые токи. В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы широко применяют в качестве магнитных изделий: сердечники, магнитопроводы, полюсные наконечники, телефонные мембраны, магнитные экраны и т.д.; в различных приборах и аппаратах: реле, дросселях, трансформаторах, электрических машинах и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.

Магнитомягкую сталь получают методами прокатки на тонкий лист. Толщина листовой трансформаторной стали – несколько десятых долей миллиметра. Для изготовления магнитопроводов трансформаторов их набирают в виде пакетов из тонких отштампованных пластин. В качестве магнитомягкого материала используют низкоуглеродистую сталь (до 0,05 % С, (3 … 4) % Si), поставляется в виде тонких листов и ленты.

Для получения высоких значений индукции в слабых магнитных полях применяют пермаллои – сплавы железа с никелем (Fe – Ni), железа с никелем и кобальтом (Fe – Ni – Со) и железа с кобальтом (Fe – Со). Пермаллои применяют для получения высоких значений индукции в слабых магнитных полях. Они обладают очень высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. При определённом химическом составе эти сплавы характеризуются также очень низкой магнитной анизотропией и малой константой магнитострикции, что является одной из причин их особенно легкого намагничивания и высокой магнитной проницаемости. Недостатки пермаллоев – высокая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, необходимость проведения сложного отжига после механической обработки и относительно высокая стоимость.

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава и наличия примесей. Кроме того, магнитные свойства резко изменяются от режима термической обработки, поэтому все магнитные изделия из пермаллоя подвергают специальной термической обработке – отжигу при температуре 1300 ⁰С в чистом сухом водороде и длительному отпуску при (400 … 500) ⁰С. Магнитные свойства пермаллоев зависят от их толщины: чем тоньше материал, тем ниже его магнитная проницаемость и выше коэрцитивная сила, но ниже потери на вихревые токи. Ленты, листы, прутки и проволоки поставляются в термически необработанном виде. ТО подвергают готовые магнитные изделия.

В зависимости от содержания никеля пермаллои делятся на: высоконикелевые – содержание никеля от 70 до 80 %, имеют наибольшие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости; классические – содержание никеля 78,5 %; низконикелевые – содержание никеля от 40 до 50 %. Маркировка пермаллоев основана на их химическом составе (79НМ). Первая цифра указывает на содержание никеля в процентах, буквы К, М, X, С, Ф – соответственно кобальт, молибден, хром, кремний, ванадий. Буквы П, У и А в конце марки означают соответственно прямоугольную петлю гистерезиса (Вг/Вs ≥ 0,85), сплав с улучшенными свойствами и сплав с более точным составом. Все сплавы содержат в небольших количествах марганец (0,30 … 0,60) % и кремний (0,15 … 0,30) %.

Парамагнитные материалы – это латуни, бронзы, аустенитные стали 12Х18Н10, 17Х18Н10. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением – это материалы, используемые для изготовления нагревательных элементов, поставляются преимущественно в виде проволоки и ленты. Они должны обладать высоким удельным электросопротивлением, окалиностойкостью и жаропрочностью. Часто используются хромоалюминиевые низкоуглеродистые стали ферритного класса Х13Ю4 (фехраль), 0Х23Ю5 (хромель). Они малопластичны, что требует подогрева при навивке спиралей, предел ползучести невелик, поэтому нагревательные элементы могут провисать под собственной тяжестью. Лучшими свойствами обладают нихромы (Х20Н80).