Общая характеристика высоколегированных сталей и сплавов. Практикой установлено, что коррозию можно приостановить путем легирования конструкционных сталей и чугунов хромом или хромом и никелем и другими легирующими элементами. Эти легирующие элементы в активных средах переходят в пассивное состояние, на их поверхности возникают тонкие оксидные пленки и поверхность приобретает высокую коррозионную стойкость.
Легирование стали никелем дает возможность получать компонентную структуру, которая обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем хромистые и хромоникелевые стали.
Высоколегированные стали и коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные сплавы (ГОСТ 5632—72) выпускаются на железной, железоникелевой и никелевой основах и поставляются в виде сортового и фасонного проката, калиброванного прутка, прутка со специальной отделкой поверхности, листа тонкого и толстого, полосы, поковок и кованых заготовок, проволоки и труб. Они предназначены для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций для работы в коррозионно-активных средах и при высоких температурах.
Высоколегированные стали и сплавы получают методом электрошлакового (ЭШ), вакуумно-дугового (ВД) переплавов и индукционной электроплавкой (ЭП) и в зависимости от основных свойств подразделяют на следующие группы:
· коррозионно-стойкие;
· жаростойкие;
· жаропрочные.
Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Коррозионно-стойкими называют такие конструкционные материалы, которые сопротивляются химическому и электрохимическому воздействию окружающей среды.
Коррозионно-стойкие стали и сплавы обладают стойкостью против химической и электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, межкристаллитной и коррозии под напряжением).
По содержанию углерода коррозионно-стойкие стали и сплавы выпускают низкоуглеродистыми (массовая доля углерода менее 0,3 %) и среднеуглеродистыми (массовая доля углерода более 0,3 %).
Наиболее стойкими против коррозии являются такие химические элементы, как хром и никель, поэтому эти химические элементы являются постоянными легирующими элементами при получении коррозионно-стойких сталей и сплавов. Практика показывает, что устойчивая коррозионная стойкость у сталей и сплавов образуется при массовой доле хрома 12,5 % и выше.
Структура и свойства хромистых сталей зависят от массовой доли хрома и углерода. При содержании хрома 13; 17 и 25 % и при наличии 0,1 … 0,4 % углерода стали приобретают высокую жаростойкость (окалиностойкость).
Хромистые стали имеют высокие технологические свойства: деформируемость, свариваемость и улучшаемость, поэтому основная группа коррозионно-стойких сталей производится на основе хрома, а отдельные марки на основе хрома и никеля, а также титана. Титан и никель вводят для измельчения зерна, а отдельно никель для увеличения прочности, твердости и ударной вязкости.
Наиболее широкое применение получили коррозионно-стойкие хромистые стали следующих марок: 12Х12, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 08Х13 и др.
Стали марок 12Х13 и 20Х13 хорошо деформируются и свариваются. Стали марок 30Х13 и 40Х13 свариваются ограниченно, так как средняя массовая доля углерода и высокое содержание хрома способствуют образованию при сварке трещин в районе околошовной зоны основного металла. Эти стали хорошо куются и штампуются в горячем состоянии, так как при высокой температуре они пластичны.
Стали марок 20Х13, 30Х13, 40Х13 — мартенситного класса, а стали 12Х13 — ферритного класса.
Эти стали широко используются как конструкционный и коррозионно-стойкий материал. Их используют для изготовления лопаток различных турбин, компрессоров, клапанов, арматуры нефтеустановок и аппаратов, а стали 30Х13 и 40Х13 — для режущего и измерительного инструмента, пружин, деталей карбюраторов и других деталей, работающих при температуре до 400 °С.
Детали, изготовленные из этих сталей, подвергаются закалке и низкому, среднему и высокому отпуску в зависимости от марки и требуемых свойств.
Сталь марки 40Х13 широко применяется для изготовления хирургического и бытового инструмента.
Хромоникелевые стали в зависимости от химического состава, массовой доли хрома и никеля выпускаются следующих классов: аустенитный, аустенитно-ферритный и аустенитно-мартенситный. Стали с содержанием 18 % хрома и 9 … 10 % никеля образуют структуру аустенита. Эти стали имеют коррозионную стойкость при высоких температурах в различных рабочих средах, в том числе в растворах кислот, обладают высокой обрабатываемостью давлением и свариваемостью. Аустенитные стали получили наиболее широкое применение в химической промышленности и строительстве.
К недостаткам аустенитного класса сталей относят низкие обрабатываемость резанием и литейные свойства, поэтому они широко применяются как конструкционный материал в сварных конструкциях и изделиях, получаемых обработкой давлением.
Наиболее широкое применение нашли стали аустенитного класса О4Х18Н10, О8Х18Н10, О8Х18Н10Т и многие другие, всего около 30 марок. Титан вводится в сталь с целью устранения межкристаллитной коррозии. Аустенитные стали подвергаются закалке при температуре 1 050 … 1 100 °С. Охлаждение изделий производят в масле. После закалки предел прочности при растяжении σв = 500 … 600 МПа (отдельные марки достигают прочности 1 000 … 1 200 МПа), относительное удлинение δ = 35 … 40 %.
Стали аустенитно-ферритного класса в своем составе кроме хрома и никеля содержат титан и кремний. Они имеют более высокие антикоррозионные свойства в активных средах, а также высокие технологические свойства. Наиболее широкое применение нашли аустенитно-ферритные стали марок 12Х21Н5Т, ОХ22Н5Т, Х28АН и др., всего примерно 10 марок.
Закалку этих сталей производят при температуре 950 … 1 000 °С, охлаждение осуществляют в масле. После закалки проводят операцию старения при температуре 500 °С. Предел прочности этих сталей σв = 950 … 1 200 МПа, относительное удлинение δ = 4… 12 %.
Стали аустенитно-мартенситного класса кроме хрома в своем составе имеют алюминий и марганец и пониженную массовую долю никеля (1 … 9 %). Стали этого класса используются как коррозионно-стойкий конструкционный материал для работы в активных, окислительных рабочих средах и имеет более высокие, по сравнению с рассмотренными ранее сталями, механические и химические свойства. Предел прочности в зависимости от химического состава — 1 200 … 1 900 МПа, относительное удлинение — 3 … 10 %.
Марки сталей аустенитно-мартенситного класса: 2Х13Н4Г9, Х15Н9Ю, ОХ17Н7Ю, ОХ17Н7Ю1, 09Х15Н8Ю, 2Х17Н2 и др.
Закалку этих сталей производят при температуре 975 °С, охлаждение осуществляют в масле. После закалки проводят обязательные операции обработки холодом, старение и упрочнение при холодной прокатке.
Жаростойкие стали и сплавы. Известно, что образование окалины на поверхности металла происходит под воздействием температуры и кислорода рабочей среды. Чем выше температура рабочей среды, тем активнее идет процесс образования окалины. Между тем, сама образовавшаяся окалина может препятствовать дальнейшему окислению металла. Это может быть достигнуто тогда, когда оксидная пленка плотная, без трещин и пор.
Практика показывает, что оксидная пленка железа, вольфрама и других элементов обладает низкими защитными свойствами. Через пленки этих металлов легко диффундирует кислород, и происходит образование окалины на большую глубину; окалина растрескивается, становится пористой, металл сгорает.
Хром, алюминий, никель, кремний имеют плотную оксидную пленку, и, кроме того, пленки этих металлов под воздействием температуры не трескаются. Окислившись, поверхность металла детали под воздействием температуры и кислорода в начальный период нагрева становится теплостойкой. Образовавшаяся на поверхности оксидная пленка защищает металл от дальнейшего разрушения.
Максимальная массовая доля хрома (10 %) при температуре 800 … 900 °С обеспечивает устойчивую окалиностойкость. При массовой доле хрома 20 … 25 % рабочая температура может достигать 1 000 … 1 100 °С.
Свойство окалиностойкости обеспечивает не структура стали, а только ее химический состав. В практике нашли применение следующие марки жаростойких сталей: 4Х9С2, 1Х12СЮ, 4Х10С2М, 3Х13Н7С2, Х20НМС2, 4Х18Н25С2, ОХ18Н10Т и др., всего приблизительно 60 марок.
Жаростойкие стали применяют для изготовления деталей, работающих в активных рабочих средах и при высоких температурах с незначительной механической нагрузкой: клапанов автомобильных, тракторных двигателей и дизелей; теплообменников, колосников, труб, электродов свечей зажигания, печных конвейеров, ящиков для цементации, муфелей, реторт, выхлопных систем и других деталей и конструкций в химическом, нефтехимическом и газовом производстве.
Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочность сталей всегда сопровождается их жаростойкостью (окалиностойкостью), т. е. все жаропрочные стали должны быть, прежде всего, жаростойкими.
Рассматривая жаропрочность конструкционного материала, следует знать, что с повышением температуры прочностная характеристика любого конструкционного материала уменьшается, в том числе у обычной конструкционной углеродистой стали. Следовательно, жаропрочность характеризуется двумя показателями: температурой и временем. При этом, если показатель времени брать за основополагающий фактор, то жаропрочность следует характеризовать длительной прочностью. При определении длительной прочности при высокой температуре будем наблюдать ползучесть испытуемого образца, и эта ползучесть увеличивает жаропрочность. На жаропрочность конструкционных материалов влияет их структура и легирующие элементы. В качестве легирующих элементов в хромоникелевых сталях применяют кремний, марганец, молибден, вольфрам, ванадий и ниобий с различной массовой долей в зависимости от назначения стали.
По назначению жаропрочные легированные стали подразделяются на клапанные, котельные, котлотурбинные, для реактивной техники. Из этих сталей делают различные детали и конструкции, такие как клапаны машинных двигателей, трубы паро- и газопроводов, аппараты и котлы сверхвысокого давления, лопатки паровых и газовых турбин, вкладыши сопел, крепежные детали и др.
Для примера рассмотрим химический состав стали марки 60С2Н2А. Массовая доля углерода составляет 0,56 … 0,64 %, кремния — 2 %, никеля — 2 %. Буква А, стоящая в конце марки, указывает, что сталь высококачественная, т. е. имеет пониженную массовую долю вредных примесей — серы и фосфора (их суммарная массовая доля составляет 0,05 %).