Классификация сталей

PAGE 26

Лекция 25

Стали и чугуны являются сплавами на основе железа. Технически чистое железо содержит углерода не более 0,04 %. Углеродистые стали относятся к сплавам системы Fe–Fe3C. По составу стали располагаются на диаграмме до точки Е, с концентрацией 2,14 % С. Промышленные углеродистые стали относятся к многокомпонентным системам, т.к. кроме углерода они содержат примеси других элементов. Содержание отдельных примесей может быть соизмеримо с содержанием углерода, однако углерод оказывает основное влияние на формирование структуры и на свойства сталей, поэтому анализ структуры промышленных углеродистых сталей можно проводить по диаграмме состояния Fe–Fe3C.

Промышленные нелегированные чугуны (серые, высокопрочные, ковкие, с вермикулярным графитом) относятся к высокоуглеродистым сплавам на основе системы Fe–C–Si, в которых углерода содержится более 2,14 %.

Кристаллизация таких чугунов реализуется по стабильной Fe–C–Si или метастабильной Fe–Fe3C–Si диаграмме, в зависимости от состава и условий охлаждения. Белые чугуны кристаллизуются в условиях ускоренного охлаждения, для формирования их структуры можно использовать метастабильную диаграмму Fe–Fe3C, они являются исходным материалом для получения ковкого чугуна.

Стали относятся к сплавам на основе железа с углеродом (углеродистые стали). Стали, дополнительно содержащие хром, марганец, кремний, никель, молибден, и другие элементы, называют легированными сталями.

Стали являются основными и наиболее распространенными сплавами для изготовления деталей конструкций, инструмента и изделий специального назначения. Сплавы на основе железа имеют хорошее сочетание высокой прочности, твердости, пластичности, вязкости и технологичности.

По химическому составу стали классифицируются на углеродистые и легированные.

По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения.

По способу производства изделий стали классифицируются на деформируемые и литейные.

По металлургическому качеству в зависимости от содержания вредных примесей стали подразделяются на категории: стали обыкновенного качества, (ГОСТ 380-94), качественные (ГОСТ 1050-88 и др.), высококачественные, особо высококачественные.

К наиболее вредным примесям сталей (табл. 4.10) относятся сера и фосфор. Сера приводит к красноломкости стали, т.е. к хрупкости при горячей обработке давлением. Марганец, который вводят в сталь при раскислении, устраняет вредное влияние серы. Фосфор вызывает хладноломкость, т.е. охрупчивания при низких температурах.

По способу раскисления при выплавке стали классифицируются на кипящие, спокойные и полуспокойные.

Раскислением называется процесс восстановления железа из FeO, который протекает по следующим химическим реакциям:

FeO + Mn = Fe + MnO

2FeO + Si = 2Fe + SiO2

3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3

Кремний и марганец вводят в виде ферросплавов, алюминий – в чистом виде. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем. В таких сталях остается растворенный FeO, и при кристаллизации продолжается процесс кипения по реакции

FeO + C = Fe + CO

Газовые пузыри остаются в теле слитка и завариваются при последующей прокатке. Кипящая сталь дает наиболее высокий выход годного металла.

Таблица 4.10

Массовая доля серы и фосфора в углеродистых и легированных сталях

Спокойную сталь раскисляют марганцем, кремнием, алюминием; при этом в металле достаточно полно удаляется растворенный кислород. При кристаллизации процесс кипения прекращается, сталь успокаивается.

Углеродистые стали относятся к железоуглеродистым сплавам с содержанием углерода от 0,05 до 1,35 % С. Углеродистые конструкционные стали содержат до 0,65 % С, инструментальные – более 0,65 % С.

Кроме вышеуказанной классификации, углеродистые стали подразделяются по содержанию углерода, по структуре, по назначению.

По содержанию углерода углеродистые стали делятся на низкоуглеродистые до 0,25%С, среднеуглеродистые – 0,3–0,5%С, высокоуглеродистые – > 0,50 % С.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные – до 0,8 % С, эвтектоидные – 0,8 % С, заэвтектоидные – более 0,8 % С.

Углеродистые стали по назначению подразделяются на стали общего и специального применения. К сталям специального назначения относятся автоматные, котельные, строительные, стали для глубокой вытяжки.

Влияние углерода, легирующих элементов, примесей на свойства сталей

Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита. При содержании до 0,8 % С сталь состоит из феррита и перлита, при содержании более 0,8 % С в структуре стали кроме перлита появляется структурно свободный вторичный цементит. Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность, однако уменьшается вязкость и пластичность стали. Рост прочности происходит при содержании углерода в стали до 0,8–1,0 %. При увеличении содержании углерода в стали более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных колоний, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структуру зернистого перлита.

Углерод оказывает также существенное влияние на технологические свойства стали – свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением.

Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются и имеют высокую обрабатываемость давлением.

Постоянными примесями в углеродистых сталях являются марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые примеси – газы: кислород, азот, водород. Примесями могут считаться и такие элементы, как медь, никель, хром (если они не предусматриваются марочным составом стали и их содержание ограничивается по верхнему пределу с указанием «не более»). К полезным примесям (технологическим добавкам) в углеродистых сталях относятся марганец, кремний, хром; их содержание обычно не превышает одного процента.

Марганец и кремний вводят в сталь при раскислении, они упрочняют железо. Марганец увеличивает прокаливаемость (возможную глубину закаленного слоя) сталей, а также уменьшает вредное влияние серы. Содержание вредных примесей – серы и фосфора регламентируется стандартами. Основным источником серы и фосфора в стали является исходное сырье – чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также приводит к красноломкости стали при прокатке и ковке. Она образует с железом соединение FeS – сульфид железа. При нагреве стальных заготовок до температуры горячей деформации включения FeS вызывают в стали хрупкость, а в результате оплавления при деформации образуют надрывы и трещины. Фосфор, растворяясь в железе, уменьшает его пластичность. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, снижают вязкость и пластичность стали. Повышенное содержание водорода охрупчивает сталь и приводит к образованию внутренних трещин – флокенов.

Углеродистые стали

Классификация углеродистых сталей. Углеродистыми сталями называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 0,05 до 1,35 % углерода. Углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали содержат до 0,65%С, инструментальные – более 0,65 % С.

Кроме вышеуказанной классификации, углеродистые стали подразделяются по содержанию углерода, по структуре, по назначению, качеству, способу производства.

По содержанию углерода углеродистые стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,5 % С), высокоуглеродистые (более 0,50 % С).

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные при содержании углерода до 0,8 % С, эвтектоидные – 0,8 % С и заэвтектоидные – более 0,8 % С.

Углеродистые стали, как наиболее дешевые, технологичные и имеющие достаточно высокий комплекс механических свойств, применяются для металлоконструкций общего назначения, используются в строительных конструкциях, для изготовления деталей в машиностроении и т.д. Стали углеродистые поставляются по ГОСТ 380-94 (стали обыкновенного качества), ГОСТ 1050-88 (прокат из углеродистой качественной конструкционной стали).

По назначению стали подразделяются на стали общего и специального применения. К сталям специального назначения относятся автоматные, котельные, строительные, стали для глубокой вытяжки.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

По способу производства стали подразделяют на деформируемые стали и на литейные.

Согласно диаграмме железо–углерод, к сталям относят сплавы железа с содержанием углерода, менее 2,14 % (все сплавы левее точки Е). Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на свойства стали. С ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность, однако уменьшается вязкость и пластичность стали.

Рост прочности происходит при содержании углерода в стали до 0,8 –1,0 %. При увеличении содержании углерода в стали более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных колоний, легко разрушающейся при нагружении.

Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются и имеют высокую обрабатываемость давлением.

Кроме железа и углерода (основных компонентов), в сталях содержатся технологические добавки (марганец, кремний) и примеси, главными из которых, наиболее вредными, являются сера и фосфор.

Сера и фосфор – основные вредные примеси в сталях. Массовая доля серы в стали всех марок по ГОСТ 380-94, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора – не более 0,040 %, в стали марки Ст0: серы – не более 0,060 %, фосфора – не более 0,070 %. Кроме того, вредными примесями в сталях являются кислород, водород и азот. Их присутствие вызывает понижение пластичности.

Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, снижают вязкость и пластичность стали. Повышенное содержание водорода охрупчивает сталь и приводит к образованию внутренних трещин – флокенов.

Деформируемые углеродистые стали. Деформируемые углеродистые стали поставляются металлургическими заводами в горячекатаном состоянии без дополнительной термической обработки, или после термического упрочнения. Из таких сталей производят листы, полосы, прутки, швеллерные и двутавровые прокатанные профили, то есть деформируемые полуфабрикаты.

Маркировка и технические условия деформируемых углеродистых конструкционных и инструментальных сталей обыкновенного качества, а также качественных и высококачественных определены, соответственно, в ГОСТ 380-94, ГОСТ 1050-88, ГОСТ 1435-90.

Углеродистые стали обыкновенного качества. Конструкционные стали обыкновенного качества, благодаря их технологическим свойствам, доступности и возможности получения необходимого комплекса свойств, используются при изготовлении металлоконструкций массового производства, а также слабонагруженных деталей машин и приборов.

Углеродистые стали по ГОСТ 380-94 применяют для изготовления проката горячекатаного: сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового, а также слитков, блюмсов, слябов, сутунки, заготовок катаной и непрерывнолитой, труб, поковок и штамповок, ленты, проволоки, метизов и др.

Углеродистые горячекатаные стали, обыкновенного качества по ГОСТ 380-94 «Сталь углеродистая обыкновенного качества» изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст2пс, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп (табл. 4.14).

Таблица 4.14

Марки и химический состав сталей углеродистых обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состав стали, буквы «кп» – кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная – способ раскисления стали. Массовая доля вредных примесей в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора – не более 0,040 %, в стали марки Ст0 серы – не более 0,060 %, фосфора – не более 0,070 %. Массовая доля углерода в сталях колеблется от 0,06 до 0,49 %, массовая доля марганца – от 0,25 до 0,80 %. Полуспокойные и спокойные стали могут содержать повышенное количество марганца (до 1,20 %), тогда в обозначении марок добавляют букву «Г», например, Ст5Гпс. В кипящих сталях массовая доля кремния составляет не более 0,05 %, в полуспокойных – от 0,05 до 0,15 %, в спокойных – от 0,15 до 0,3 %.

В сталях допускается повышенное содержание вредных примесей, газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, поэтому они относятся к наиболее дешевым сталям.

Кипящие стали отличаются от спокойных и полуспокойных более низкой ударной вязкостью. Порог хладноломкости (температура перехода стали из вязкого состояния в хрупкое) у кипящей стали на 30–40 градусов выше, чем у спокойной. Для ответственных конструкций лучше всего использовать спокойные стали. Однако кипящие стали вследствие низкого содержания кремния имеют невысокий уровень предела текучести и упругости. Этим объясняется высокая способность кипящей стали к вытяжке при деформации.

Недостатком при использовании сталей обыкновенного качества является малая прочность и малая хладностойкость.

Стали обыкновенного качества Ст2пс, Ст2кп, Ст3кп применяются для неответственных, малонагруженных элементов сварных конструкций. Стали Ст4пс, Ст5сп используются для изготовления деталей клепаных конструкций, болтов, гаек, звездочек, рычагов и других изделий.

Углеродистые качественные конструкционные стали. Стандарт ГОСТ 1050-88 «Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали» устанавливает технические условия для горячекатаного и кованого сортового проката из сталей марок 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп), 60 диаметром или толщиной до 250 мм. Качественные углеродистые стали, по ГОСТ 1050-88 маркируются буквами и цифрами. Двузначные числа показывают содержание углерода в сотых долях процента. Последующее буквенное обозначение указывает на степень раскисления: с – спокойная сталь, пс – полуспокойная сталь, кп – кипящая сталь. При отсутствии буквенного обозначения сталь относят к спокойной стали. Содержание углерода в конструкционных углеродистых сталях составляет от 0,05 до 0,65 %, марганца – от 0,25 до 0,80 %, кремния – от 0,03 до 0,37 % в зависимости от степени раскисления и содержания углерода. По содержанию углерода стали 05кп, 08, 08кп, 10, 15, 20, 25 относятся к низкоуглеродистым сталям, 30, 35, 40, 45, 50 – к среднеуглеродистым, 55, 60 – к высокоуглеродистым.

Главное преимущество сталей качественных по ГОСТ 1050-88 – более низкое содержание серы (не более 0,035 %) и фосфора (не более 0,040 %).

Содержание примесей в этих сталях меньше, чем в сталях обыкновенного качества. Массовая доля серы в сталях должна быть не более 0,040 %, фосфора – не более 0,035 %, исключая марки 11кп и 18кп.

Механические свойства проката из углеродистой качественной конструкционной стали по ГОСТ 1050-88 приведены в табл. 4.15. В соответствии с маркой стали увеличение содержания углерода приводит к росту прочности (в и т) и уменьшению пластичности ( и ).

Таблица 4.15

Механические свойства проката из сталей по ГОСТ 1050-88

Кроме содержания углерода, на уровень механических свойств оказывает большое влияние термическая обработка. Прокат поставляется в отожженном, высокоотпущенном, нормализованном, улучшенном состояниях.

Низкоуглеродистые кипящие стали характеризуются низким пределом текучести, т.к. практически не содержат кремния. Низкоуглеродистые стали типа 05кп, 08, 08кп, 10кп, 10 используются без термической обработки, они хорошо штампуются в отожженном состоянии и применяются в автомобилестроении для изготовления изделий сложной формы: крылья, двери, капот, не несущих деталей кузова.

Стали качественные по ГОСТ 1050-88 предназначены для изготовления широкой номенклатуры изделий, полуфабрикатов, металлоконструкций в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности.

Стали 15, 20, 25 – цементуемые. Данные стали применяют для изделий, работающих в условиях повышенного износа и динамических нагрузок, но не испытывающих значительных напряжений. Из цементуемых сталей 15кп, 20, 25, 20кп изготавливают болты, винты, фланцы, рычаги, шпиндели, клапаны холодильных аппаратов, змеевики и другие детали, работающие при температурах от –40 до +125 °С.

Стали от 30 до 60 – улучшаемые. Детали из них подвергаются закалке с высоким отпуском, что обеспечивает им высокий комплекс механических свойств. Они не склонны к отпускной хрупкости, дешевы, однако обладают низкой прокаливаемостью. Критический диаметр, при котором обеспечивается сквозная прокаливаемость, не более 12 мм. Улучшаемые стали 30, 35, 40, 45 используются для изготовления деталей средних размеров несложной конфигурации, к которым предъявляются требования повышенной прочности: ролики, валики, втулки, коленчатые валы, звездочки, оси, шайбы, шатуны, зубчатые колеса, болты и др.

Стали с содержанием углерода более 0,6 % (60, 65, 70, 75, 80), а также стали такого же класса, но дополнительно содержащие повышенное количество кремния или марганца (65Г, 60С2, 70С3), применяются для изготовления рессор и пружин. При этом такие стали подвергаются термической обработке, заключающейся в закалке и среднетемпературном отпуске, после которой пружины и рессоры приобретают высокие упругие характеристики механических свойств и большой предел выносливости. Высокоуглеродистые стали применяют после нормализации, закалки, отпуска или поверхностного упрочнения. Они обладают высокой прочностью и износостойкостью, а также высоким пределом упругости.

Влияние легирующих элементов на равновесную структуру и свойства сталей

Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита. В конструкционных сталях феррит – основная структурная составляющая (не менее 90 % по объему), во многом определяющая их свойства.

Легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают значения временного сопротивления, не изменяя существенно относительного удлинения, за исключением марганца и кремния при содержании их больше 2,5–3,0 % (рис. 4.37). Наиболее сильно упрочняют феррит, кремний, марганец и никель.

Остальные элементы сравнительно мало изменяют прочность феррита. Легирующие элементы при введении их в сталь в количестве 1–2 % снижают ударную вязкость (рис. 4.37, в) и повышают порог хладноломкости.

Исключение составляет никель, который упрочняет феррит при одновременном увеличении его ударной вязкости с понижением порога хладноломкости.

Рис. 4.37. Влияние легирующих элементов

на механические свойства феррита

Феррит, легированный хромом, марганцем и никелем, при быстром охлаждении из области температур -раствора претерпевает мартенситное возрастает до 200–250 НВ. Повышение твердости происходит вследствие наклепа феррита в процессе -превращения, протекающего с увеличением объема. Наклеп, вызываемый фазовыми превращениями, называют фазовым наклепом.

Легирующие элементы, растворяясь в -железе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах. Для легированного аустенита характерны низкий предел текучести при сравнительно высоком пределе прочности. Аустенит легко наклепывается, т.е. быстро и сильно упрочняется под действием деформации. Аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения.

Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на две группы:

1) графитизирующие элементы: Si, Ni, Сu, А1 (находятся в твердом растворе);

2) карбидообразующие элементы:

Fe Мn Сr Мо W Nb V Zr Ti

(расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз).

При малом содержании в стали таких карбидообразующих элементов, как Мn, Сr, W и Мо, последние растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Состав цементита в этом случае может быть выражен формулой (Fe, М)3С, где М – легирующий элемент.

Более сильные карбидообразующне элементы (Ti, Nb, V, Zr) практически не растворяются в цементите и образуют самостоятельные специальные карбиды.

При повышенном содержании хрома, вольфрама, молибдена в зависимости от содержания углерода в стали могут образовываться специальные карбиды. Если содержание хрома не превышает 2 %, то образуется легированный цементит (Fe, Сr)3С. При повышенном содержании хрома образуется специальный карбид (Сr, Fе)7С3. При еще больших содержаниях хрома (более 10–12 %) образуется карбид (Сr, Fe)23C6.

При введении вольфрама и молибдена в сталь в количестве, превышающем предел насыщения цементита этими элементами, образуются сложные карбиды Fе3Мо3С(Fе2Мо2С) и Fе3W3С(Fе2W2С).

Специальные карбиды, образуемые легирующими элементами, способны растворить железо и другие металлические элементы. Так, например, карбид Сr7С3 при 20 С растворяет до 55 % Fe, образуя сложный карбид (Сr , Fе)7С3, а карбид Cr23C6 – до 35 % Fe, образуя карбид (Сr, Fe)23C6.

Приняты следующие обозначения карбидов: М3С (карбиды цементитного типа), М23С6 и М7С3 (карбиды, имеющие кристаллическую решетку карбидов хрома), М6С и М4С (карбиды с решеткой, в которой атомы металла расположены по типу карбидов вольфрама или молибдена) и, наконец, МС (карбиды по типу кубической гранецентрированной решетки). Под символом М подразумевается сумма металлических элементов, входящих в состав карбида.

При высоком содержании легирующие элементы образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примером таких соединений могут служить Fe7Mo6, Fe7W6, Fе3Nb2, Fe3Ti и др. В сплавах Fe–Сr и Fe– V образуются твердая и хрупкая -фазы, отвечающие соединению FeCr и FeV.

В сплавах Fe–Сr–Мо (8–27 % Сr и более 5 % Мо), Fе–Сr–Ni–Мо (2–3 % Мо) может образовываться хрупкая -фаза состава Fe3CrMo.

Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей.

Легированными называют стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы. При наличии элементов в количестве примерно 0,1 % легирование называют микролегированием.

Часто легирование сопровождается повышением сопротивления твердого раствора пластической деформации. Так, легирование железа марганцем способствует образованию мартенситной структуры марганцевого феррита, повышению плотности дислокаций и, как следствие, значительному возрастанию прочности твердого раствора. Но есть и исключения: например, легирование железа хромом в определенных пределах уменьшает прочность твердого раствора. Эффект упрочнения при легировании железа элементами внедрения (азот, углерод) значительно сильнее, чем элементами замещения (никель, марганец). Так, добавление в железо каждой очередной сотой доли процента углерода или азота (0,01 %) повышает предел текучести сплава на 40–50 МПа, в то время как введение аналогичного количества никеля – всего на 0,3 МПа, т.е. эффект упрочнения в последнем случае на два порядка меньше.

Механические свойства сталей зависят от размера зерна. Границы зерен могут являться барьерами для дислокаций, источниками вакансий и дислокаций, а также стоками вакансий. Как показали исследования железа и малоуглеродистой стали, прочность феррита существенно зависит от диаметра.

Так, предел текучести феррита (в отожженной стали) может возрастать при уменьшении размера зерна в три раза.

Легированные стали характеризуются лучшим комплексом физико- химических (в том числе и механических) свойств по сравнению с углеродистыми: они отличаются повышенной жаростойкостью, сопротивлением коррозии, значительной ударной вязкостью, высокими значениями предела текучести и относительного сужения, большим электросопротивлением и др.

Оптимальные механические свойства обеспечиваются формированием в результате термической обработки дисперсных структур и более мелкого зерна.

Легированные стали могут закаливаться в масле или на воздухе (ибо обладают лучшей прокаливаемостью, чем углеродистые), что способствует уменьшению деформации изделий и вероятности образования трещин.

Влияние легирующих элементов на положение критических точек и прокаливаемость сталей

Все элементы, за исключением углерода, азота, водорода и отчасти бора образуют с железом твердые растворы замещения. Они растворяются в железе и влияют на положение точек А3 и А4, определяющих температурную область существования - и -железа.

К элементам первой группы относятся никель и марганец, которые понижают точку А3 и повышают точку А4. В результате этого на диаграмме состояния железо–легирующий элемент наблюдается расширение области -фазы и сужение области существования -фазы (рис. 4.38, а). Как видно на рисунке, под влиянием легирующих элементов точка А4 повышается до линии солидус, а точка А3 при повышенной концентрации легирующего элемента снижается до нормальной температуры. Следовательно, сплавы, имеющие концентрацию легирующего элемента больше указанной на рисунке (точка х), не испытывают фазовых превращений , при всех температурах представляют твердый раствор легирующего элемента в -железе. Такие сплавы называют аустенитными.

Рис. 4.38. Схема влияния легирующих элементов на полиморфизм железа

Сплавы, частично претерпевающие превращение , называют полуаустенитными.

К элементам первой группы относятся также медь, углерод и азот, но они при небольшом содержании в сплаве расширяют область существования гомогенной -фазы (рис. 4.38, б), а при большем содержании вследствие их ограниченной растворимости в железе сначала сужают однофазную область -фазы и затем ее полностью выключают.

Элементы второй группы (Cr, W, Мо, V, Si, A1 и др.) понижают точку А4 и повышают точку А3. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (точка y на рис. 4.38, в) критические точки А3 и А4, а точнее их интервалы, сливаются, и область -фазы полностью замыкается. При содержании легирующего элемента большем, чем указано на рис. 4.38, в, сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в -железе. Такие сплавы называют ферритными, а сплавы, имеющие лишь частичное превращение, – полуферритными.

Такие легирующие элементы, как бор, цирконий, ниобий, даже при сравнительно небольшом содержании способствуют сужению области -фазы. Однако вследствие их малой растворимости в железе, прежде чем наступает полное замыкание однофазной области -фазы, образуются двухфазные сплавы (рис. 4.38, г).

Основой современных сложнолегированных сталей являются не двойные, а тройные, четвертные и более сложные твердые растворы. При введении в сплав нескольких легирующих элементов их влияние на - и -области диаграммы состояния не всегда суммируется.

Углерод чаще повышает растворимость легирующих элементов в -растворе (аустените), сдвигая точку y вправо. Такие элементы, как Ni, Co, Si, W, Мо, Сr, Mn, точки S и Е сдвигают влево в сторону меньшего содержания углерода, а V, Ti, Nb, наоборот, повышают концентрацию углерода в эвтектоиде. Это объясняется тем, что составы феррита и карбидов в эвтектоиде (перлите) иные, чем в двойных железоуглеродистых сплавах. Соответственно, из-за изменения состава аустенита меняется и растворимость в нем углерода.

Нагрев легированных сталей приводит при соответствующей температуре (выше А1) к образованию аустенита. Но в легированных сталях, содержащих карбидообразующие элементы, при достаточном количестве углерода имеется карбидная фаза, которая в зависимости от её природы полностью или частично переходит в -твердый раствор при более высоких температурах. Наличие, наряду с аустенитом, нерастворившейся карбидной фазы (а также нитридной, карбонитридной, оксидной и др.) задерживает рост аустенитного зерна.

При высоком содержании легирующих элементов и углерода бейнитное превращение на диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита может отсутствовать. При высоком содержании некарбидообразующих элементов и низком содержании углерода, напротив, перлитное превращение полностью отсутствует, и тогда говорят о том, что сталь не отжигается.

В подавляющем большинстве случаев легирующие элементы сдвигают область минимальной устойчивости в области перлитного превращения вправо, и поэтому уменьшают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Во многих легированных сталях, как уже указывалось выше, области бейнитного и перлитного превращений разделены. Это является характерным признаком легированных сталей.

Введение легирующих элементов в сталь (за исключением кобальта) снижает температуру начала и конца мартенситного превращения (Мн и Мк), что сказывается на кинетике мартенситного превращения и количестве остаточного аустенита.

При снижении мартенситной точки до 0°С и ниже сталь не претерпевает превращения А М, и закалка фиксирует аустенитную структуру.

Сталь относится к аустенитному классу.

Для развития превращений при отпуске необходимы диффузионные перемещения атомов легирующих элементов. В связи с этим легирующие элементы замедляют или, соответственно, повышают температурные границы указанных выше превращений, но не оказывают существенного влияния на первое превращение, для развития которого требуется только диффузия атомов углерода.

При высоком содержании карбидообразующих легирующих элементов, например в быстрорежущих сталях, при отпуске образуются специальные карбиды (при температурах выше 500550 °С).

При низком отпуске, отвечающем превращению мартенсита, тетрагональность его решетки убывает за счет выделения -карбида, содержащего легирующие элементы в том же количестве, что и в исходном мартенсите.

Второе превращение, связанное с образованием бейнита, из остаточного аустенита отсутствует, а третье выражено слабо. Начиная с температуры примерно 500 °С ранее образовавшийся карбид цементитного типа растворяется, и из -твердого раствора выпадает легированный или специальный карбид.

Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладноломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений, перечисленные факторы способствуют повышению сопротивления стали хрупкому разрушению.

Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения. Легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также к замедлению процесса распада мартенсита.

Кремний широко используется при выплавке стали как раскислитель.

Легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей увеличивает их жаростойкость. Уменьшая подвижность углерода в феррите, кремний тем самым затрудняет формирование и рост цементитных частиц, что проявляется в повышении устойчивости структуры стали при отпуске. Содержание кремния в стали ограничивают, поскольку он повышает склонность стали к тепловой хрупкости.

Марганец подобно никелю, снижает критическую скорость охлаждения, но в отличие от последнего уменьшает и вязкость феррита.

Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие вводят в сталь совместно с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения ее свойств.

Молибден и вольфрам повышают прокаливаемость стали (особенно в присутствии никеля), способствуют измельчению зерна и подавлению отпускной хрупкости. Легирование стали молибденом приводит к значительному улучшению ее механических свойств после цементации и нитроцементации.

При введении в сталь ванадия, титана, ниобия и циркония образуются труднорастворимые в аустените карбиды. Эффективность воздействия этих элементов (измельчение зерна, снижение порога хладноломкости, уменьшение чувствительности стали к концентраторам напряжений) проявляется лишь при их малом содержании в стали (до 0,15 %).

Положительное влияние бора на повышение прокаливаемости и прочности стали проявляется лишь при микролегировании им (0,001–0,005 %), когда атомы бора располагаются в приграничных слоях зерна аустенита, заполняют вакансии, делая структуру границ более совершенной, и таким образом уменьшают скорость зарождения центров кристализации перлита. При повышенном содержании бора он выделяется по границам зерен в виде боридов, сильно охрупчивая сталь.

Классификация и маркировка легированных сталей

По типу равновесной структуры стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру, а доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат соответственно избыточный феррит или вторичные карбиды типа М3С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами вместе с аустенитом, поэтому по структуре они могут быть отнесены к белым чугунам, но их причисляют к сталям с учетом меньшего, чем у чугунов, содержания углерода (менее 2 %) и возможности подвергать пластической деформации. Влияние легирующих элементов на положение точек S и Е диаграммы Fe–С проявляется чаще всего в их смещении в направлении меньшего содержания углерода. В сталях с высоким содержанием элементов, сужающих -область, при определенной концентрации исчезает -превращение. Такие стали относят к ферритному классу. При высокой концентрации в стали элементов, расширяющих -область, происходит стабилизация аустенита с сохранением его при охлаждении до комнатной температуры. Эти стали причисляют к аустенитному классу. Таким образом, с учетом фазового равновесия легированные стали относят к перлитному, карбидному, ферритному или аустенитному классам.

Классификация по структуре после нормализации предполагает разделение сталей на три основных класса: перлитный, мартенситныи и аустенитный. Такое подразделение обусловлено тем, что с увеличением содержания легирующих элементов в стали возрастает устойчивость аустенита в перлитной области (это проявляется в смещении вправо С-образных кривых), одновременно снижается температурная область мартенситного превращения. Все это приводит к изменению получаемых при нормализации структур от перлита (сорбита, троостита и бейнита) в относительно малолегированных сталях до мартенсита (в легированных) и аустенита (в высоколегированных).

Классификация по химическому составу предполагает разделение легированных сталей (в зависимости от вводимых элементов) на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.д. Согласно той же классификации, стали подразделяют по общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов), легированные (от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).

Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству. Качество стали – это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей – серы и фосфора.

По качеству легированные стали подразделяют на качественные (до 0,04 % S и до 0,035 % Р), высококачественные (до 0,025 % S и до 0,025 % Р) и особовысококачественные (до 0,015 % S и до 0,025 % Р).

По назначению стали подразделяют на конструкционные (например, цементуемые, улучшаемые), инструментальные и с особыми свойствами.

К последним относят «автоматные», пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и другие стали.

Маркировка легированных сталей. Обозначение марки включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся двузначные цифры (например, 12ХНЗА), указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. Следующие после буквы цифры указывают примерное содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента (при содержании 1–1,5 % и менее цифра отсутствует, например 30ХГС).

Высококачественные стали обозначаются буквой А, а особо высококачественные – буквой Ш, помещенными в конце марки (30ХГСА, 30ХГС-Ш).

Если буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), то это свидетельствует о том, что сталь легирована азотом. При обозначении автоматных сталей с повышенной обрабатываемостью резанием буква А ставится в начале марки (А20, А40Г). Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв АС (АС35Г2, где цифра 35 обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента). Маркировка шарикоподшипниковой стали начинается с буквы Ш (ШХ15, где 15 – среднее содержание хрома в десятых долях процента). В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра, отражающая концентрацию вольфрама (Р18, Р6М5). Опытные стали, выплавленные на заводе «Электросталь», первоначально обозначают буквами ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная) с порядковым номером разработки (освоения), например, ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭП33 (10Х11Н23Т3МР). Такое упрощенное обозначение сталей, особенно высоколегированных, в дальнейшем широко используется и в заводских условиях.

Автоматные стали

Автоматные стали хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, и при этом получается высокое качество. При их применении снижается расход режущего инструмента. Эти свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.

Сера в автоматной стали находится в виде сульфидов марганца MnS, т.е. вытянутых вдоль прокатки включений, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки. При повышенном содержании серы уменьшается трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия сульфидов марганца.

Фосфор, повышая твердость, прочность и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании. Состав автоматных сталей приведен в табл. 4.16.

Таблица 4.16

Химический состав автоматных сталей

Стали маркируют буквой А (автоматная), после которой следует цифра, указывающая среднее содержание углерода в сотых долях процента; при повышенном содержании в стали марганца в конце марки добавляется буква Г, например А40Г. Сталь А12 используют для изготовления на быстроходных автоматах винтов, болтов, гаек и различных мелких деталей сложной конфигурации. Стали А20, АЗО, А40Г применяют для изготовления на автоматах деталей, работающих в условиях повышенных напряжений.

Для увеличения производительности станков автоматов Волжский автомобильный завод применяет стали с добавкой 0,15–0,3 % Pb (AC11, АС14).

Свинец, находящийся в стали в виде мельчайших округлых включений, связанных с сульфидами, действует как разрушитель стружки сильнее, чем MnS.

Пленка свинца, образующаяся при резании, уменьшает трение между инструментом и обрабатываемым изделием.

Стали с повышенным содержанием серы и со свинцом обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Они не могут быть рекомендованы для тяжелонагруженных ответственных деталей.

Улучшение обрабатываемости резанием может быть достигнуто и путем легирования стали селеном (~ 0,1 %). Скорость резания повышается в 1,2–1,8 раза, а стойкость инструмента – более чем в 2 раза.

Стали с селеном менее склонны к хрупкому разрушению, однако механические свойства их ниже, чем у обычных конструкционных сталей.

Цементуемые стали

Конструкционные легированные стали общего назначения преимущественно поставляются по ГОСТ 4543-71.

Для цементуемыx изделий применяют низкоуглеродистые (0,1–0,25 % С) стали. После цементации, закалки и низкого отпуска этих сталей цементованный слой должен иметь твердость 58–62 HRC, а сердцевина 20–40 HRC.

Сердцевина цементуемых сталей должна иметь высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.

Для изделий небольших размеров, работающих на износ и не требующих высокой прочности сердцевины, применяют углеродистые стали марок 10, 15, 20. Легированные стали используют для более сильно нагруженных и особенно крупных изделий, сердцевина которых должна иметь высокий предел текучести, а цементованный слой – высокую твердость и износостойкость.

Хромистые стали. Для изделий несложной формы (втулки, пальцы, валики, некоторые зубчатые колеса), цементуемых на глубину 1,0–1,5 мм, применяют хромистые стали марок 15Х, 15ХА и 20Х, содержащие 0,7–1,0 % Сr.

В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение, и при закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали, по сравнению с углеродистыми, обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочностью в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву (но меньше, чем углеродистая) и при цементации может получать повышенное содержание углерода в поверхностном слое. Прокаливаемость хромистых сталей невелика. Критический диаметр для 95 % мартенсита при закалке в воде 12–20 мм и при закалке в масле 5–12 мм.

Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0,1–0,2 %) улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий (поршневые пальцы, распределительные валики и т.д.).

Хромоникелевые стали. Для деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали. Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины. Никель, кроме того, повышает прочность и вязкость цементованного слоя. Хромоникелевые стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали. Критический диаметр при закалке в масле (для 95 % мартенсита) 25–70 мм. Это же позволяет закалить крупные детали с охлаждением в масле, а в некоторых случаях и на воздухе.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом (или молибденом) дополнительно повышает устойчивость переохлажденного аустенита, а следовательно, и прокаливаемость. Сталь 18Х2Н4ВА или соответствующую ей сталь с молибденом 18Х2Н4МА применяют для крупных тяжелонагруженных деталей, например зубчатых колёс, коленчатых валов, осей и т.д. Вследствие высокой устойчивости переохлажденного аустенита детали сечением до 150–200 мм из стали 18Х2Н4ВА (18Х2Н4МА) закаливаются при охлаждении на воздухе, что еще больше уменьшает коробление. Критический диаметр прокаливаемости 100 мм, а порог хладноломкости – 80 °С.

Стали 12ХНЗ, 20ХНЗ, 20Х2Н4, 12Х2Н4, 18Х2Н4ВА и др. при закалке в масле приобретают в сердцевине структуру нижнего бейнита или низкоуглеродистого мартенсита, что приводит к значительному упрочнению стали. В результате цементации повышается устойчивость переохлажденного аустенита в поверхностном слое, особенно в зоне промежуточного превращения.

Поэтому при закалке в масле на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит, обладающий твердостью 58–63 HRC. Однако следует иметь в виду, что при насыщении стали углеродом понижается температура мартенситного превращения в поверхностном слое и возрастает количество остаточного аустенита, особенно в сталях 18Х2Н4ВА и 20Х2Н4. При несоблюдении установленного режима обработки повышенное количество остаточного аустенита в цементованном слое может быть и в менее легированной стали 12ХНЗА. Количество остаточного аустенита в цементованном слое увеличивается с повышением температуры закалки и концентрации углерода.

Остаточный аустенит понижает твердость, сопротивление износу, предел прочности при изгибе и предел выносливости. Снижение количества остаточного аустенита достигается обработкой холодом (от –100 до –120 °С) после закалки или применением промежуточного высокого отпуска (600 – 640 °С) с последующей закалкой при возможно более низкой температуре.

При высоком отпуске из аустенита выделяются легированные карбиды. При последующем нагреве под закалку значительная часть карбидов остается вне твердого раствора, а менее легированный аустенит при охлаждении превращается в мартенсит, и поэтому количество остаточного аустенита уменьшается, а твердость повышается. Сталь после такого высокого отпуска характеризуется меньшей прокаливаемостью при последующей закалке. При обработке холодом уменьшается количество остаточного аустенита и повышается твердость, однако происходит некоторое снижение предела выносливости и вязкости по сравнению с высоким отпуском.

Для изготовления ответственных зубчатых колес, валов и других деталей, в том числе работающих в условиях Севера, предложены экономно-легированные стали 18ХНМФА (18ХН1МФА) следующего химического состава: 0,16–0,21 % С; 0,8–1,2 % Cr; 0,6–0,9 % Ni (1,2–1,6 % Ni); 0,45–0,65 % Мо и 0,08–0,14 % V. Стали имеют повышенную прочность, прокаливаемость и сопротивление хрупкому разрушению.

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо более дорогих хромоникелевых сталей для зубчатых колес, валов и других деталей.

Эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми. Введение небольших количеств титана (0,03–0,09 %) уменьшает склонность хромомарганцевых сталей к перегреву.

В связи с этим более широкое применение получила хромомарганцевая сталь с титаном марки 18ХГТ. Сталь 18ХГТ цементуют при 910–930 °С, закаливают с 870 °С с охлаждением в масле и подвергают отпуску при 180–200 °С. Сталь 18ХГТ сохраняет мало остаточного аустенита и получает после закалки высокую твердость в цементованном слое (58–61 HRС).

К недостатку можно отнести сравнительно небольшую устойчивость переохлажденного аустенита в стали 18ХГТ, а следовательно, и прокаливаемость. Ее критический диаметр для 95 % мартенсита при закалке в воде составляет 25–40 и при закалке в масле 10–25 мм. Сталь 18ХГТ используют для зубчатых колес автомобилей (коробка передач). Порог хладноломкости для полностью вязкого излома +20 °С. Для изготовления зубчатых колес и валов коробки передач грузовых автомобилей применяют стали 25ХГТ и 25ХГМ (0,23–0,29 % С; 0,9–1,2 % Мn; 0,9–1,2 % Сr; 0,15–0,25 % Мо), упрочняемые цементацией или нитроцементацией. Стали подвергают непосредственной закалке с цементационного нагрева. Для деталей с максимальной твердостью более 60 HRC (зубчатые колеса модуля 3–4 мм) рекомендуется сталь 25ХГМ с размером зерна № 5–8.

Молибден повышает прокаливаемость цементованного слоя и обеспечивает максимальную твердость на поверхности.

Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается также дополнительным легированием их никелем. Такие менее легированные хромомарганцевоникелевые стали, например 18ХГН и 15ХГН2Т, приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.

Стали, легированные бором. Для цементации используют также стали, содержащие бор (в количестве 0,001–0,005 %). Бор повышает устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения и поэтому увеличивает прокаливаемость стали.

Повышение устойчивости аустенита связано с тем, что бор, присутствуя преимущественно по границам зерен, тормозит образование зародышей перлита. Однако при повышенном содержании бора образуются бориды железа, уменьшающие устойчивость аустенита.

Бор повышает прокаливаемость лишь доэвтектоидных сталей, содержащих 0,5–0,6 % С, но не улучшает пракаливаемость цементованного слоя.

Легирование бором повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность.

Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Поэтому такая сталь, как правило, должна быть наследственно мелкозернистой (зерно № 7–10). Легирование бористой стали титаном (цирконием) повышает ее устойчивость против перегрева. В промышленности для деталей небольших сечений, работающих в условиях износа при трении (втулки, пальцы, толкатели и т.д.), применяют сталь 15ХР состава: 0,12–0,17 % С; 0,7–1,0 % Сr 0,002–0,005 % В, а для нагруженных шестерен сталь 20ХГР, содержащую 0,18–0,24 % С; 0,7–1,0 % Мn; 0,8–1,1 % Сr; 0,002–0,005 % В.

Дополнительное легирование стали 20ХГР никелем в количестве 0,8–1,1 % (20ХГНР) повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость, поэтому сталь 20ХГНР применяют для некоторых деталей вместо хромоникелевых сталей типа 12ХНЗА.

Улучшаемые стали

Улучшаемыми называют такие стали, которые используются после закалки с высоким отпуском (улучшения). Эти стали (40Х, 40ХФА, 30ХГСА, 38ХН3МФА и др.) содержат 0,3–0,5 % углерода и 1–6 % легирующих элементов (ГОСТ 4543-71). Стали закаливают с 820–880 °С в масле (крупные детали – в воде), высокий отпуск производят при 500–650 °С с последующим охлаждением в воде, масле или на воздухе (в зависимости от состава стали).

Структура стали после улучшения – сорбит. Данные стали применяют для изготовления валов, шатунов, штоков и других деталей, подверженных воздействию циклических или ударных нагрузок. В связи с этим улучшаемые стали должны обладать высоким пределом текучести, пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезу.

Хромистые улучшаемые стали (30Х, 40Х, 50Х) содержат 1 % Cr, 0,65 % Мn и 0,3–0,5 % С. Повышенное содержание углерода в них с 0,3 до 0,5 % вызывает увеличение прочности (с 900 до 1080 МПа), но приводит к снижению пластичности (с 12 до 9 %) и вязкости разрушения (с 0,7 до 0,4 МДж/м2).

Стали обладают небольшой прокаливаемостью, увеличение которой достигается микролегированием (0,001–0,005 %) их бором (35ХР. 40ХР), однако при этом повышается порог хладноломкости. Введение в сталь 0,15 % V (40ХФА) способствует увеличению ее вязкости с 0,6 (у стали 40Х) до 0,9 МДж/м2 (у стали 40ХФА). Стали склонны к отпускной хрупкости.

Хромокремниймарганцевые стали типа 35ХГСА, называемые хромансилами, содержат по 1 % хрома, марганца и кремния и характеризуются хорошими механическими и технологическими (свариваются, штампуются) свойствами. Среди их недостатков можно отметить чувствительность к концентраторам напряжений, к коррозии под напряжением и водородному охрупчиванию, а также склонность к обратимой отпускной хрупкости. Эти стали широко применяют в автомобилестроении и авиации для изготовления силовых сварных конструкций валов, деталей рулевого управления и т.д.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН, 30ХН3А и др.) содержат 0,5–0,8 % Сr и 1–3 % Ni. Они отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью (в = 1 000 МПа; 0,2 = 800 МПа; KCU = 0,7–0,8 МДж/м2).

Хромоникелевые стали так же, как хромансил и хромистые, склонны к обратимой отпускной хрупкости и должны охлаждаться после высокого отпуска с большой скоростью.

Присутствие же 0,2–0,5 % молибдена (или 0,5–0,8 % вольфрама) в стали затормаживает диффузионные процессы, уменьшает разницу в диффузионной подвижности атомов в объеме и по границам зерна и тем самым существенно препятствует возникновению неоднородности. Ванадий (0,15 %) способствует измельчению зерна. Поэтому хромоникелевые стали, легированные молибденом (вольфрамом) и ванадием, 36Х2Н2МФА, 38ХНЗМА, 38ХНЗВА, 38ХНЗМФА и др., обладают лучшими свойствами (в = 1100– 1200 МПа; 0,2 = 950–1 100 МПа; = 12 %, = 50 %; KCU = 0,8 МДж/м2).

Повышение в них содержания никеля до 3–4 % еще более улучшает прокаливаемость и снижает порог хладноломкости с –40 до –60 °С.

Стали относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300–400 °С. Из них изготавливают валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.

Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные легированные стали имеют высокий модуль упругости, ограничивающий упругую деформацию. В связи с этим они применяются для изготовления жестких (силовых) упругих элементов. Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные стали широко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте.

Кроме того, они находят применение и для силовых упругих элементов приборов. Часто эти материалы называют пружинными сталями общего назначения.

Для обеспечения работоспособности упругих элементов рессорно-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости, релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5–0,7 %), которые подвергают закалке и отпуску при температуре 420–520 °С.

Закаленная на мартенсит сталь имеет невысокий предел упругости. Он заметно повышается при отпуске, когда образуется структура троостита.

В этой структуре феррит из-за сильного фазового наклепа имеет высокую плотность малоподвижных дислокаций, которые, кроме того, эффективно блокируются дисперсными карбидными частицами. Поэтому троостит отличается стабильной дислокационной структурой.

Кроме высоких упругих свойств отпуск на троостит обеспечивает некоторое повышение пластичности и вязкости (особенно в сталях, не склонных к отпускной хрупкости), что важно для снижения чувствительности к концентраторам напряжений и увеличения предела выносливости.

Хорошие результаты дает также изотермическая закалка на структуру нижнего бейнита. Она позволяет получить высокие механические свойства при малой деформации изделий.

Небольшие пружины простой формы изготовляют из стали, поставляемой в термически обработанном состоянии. Для крупных пружин, требующих больших усилий при навивке, сталь используют в отожженном состоянии. Термической обработке подвергают готовые изделия, полученные горячей навивкой или штамповкой.

Сталь для рессор поставляют в виде полосы. Нарезанные из нее заготовки закаливают в специальных штампах с определенной стрелой прогиба, затем отпускают и собирают в виде пакета.

Углеродистые стали (65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г по ГОСТ 1050-87), характеризуются невысокой релаксационной стойкостью, особенно при нагреве. Они не пригодны для работы при температуре выше 100 °С. Из-за низкой прокаливаемости из них изготовляют пружины небольшого сечения.

Легированные рессорно-пружинные стали относятся к перлитному классу. Основными легирующими элементами в них являются кремний (1–3 %), марганец (~ 1 %), а в сталях более ответственного назначения – хром (~ 1 %), ванадий (~ 0,15 %) и никель (1,7 %). Легирование (за исключением кремния и марганца) мало влияет на предел упругости – главное свойство этих сталей.

Более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стойкости, предела выносливости. В связи с этим легированные стали предназначены для больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их более длительную и надежную работу.

Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА применяют для пружин и рессор толщиной до 18 мм. Стали стойки к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию – опасному поверхностному дефекту, снижающему предел выносливости. В кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. Ее преимущественно применяют для рессор толщиной до 14 мм.

Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые, в отличие от кремнистых и кремне-марганцевой сталей, подвергают более высокому нагреву при отпуске (520 °С), обладают теплостойкостью, повышенной вязкостью, меньшей чувствительностью к надрезу. Они предназначены для рессор легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 300 °С.

Стали 60С2ХА и 60С2Н2А прокаливаются в сечениях, соответственно, до 50 и 80 мм и применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Механические свойства сталей определяются содержанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температуре несколько более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пределу упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости.

Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2Н2А. Предел упругости составляет 880–1150 МПа, а твердость 38–48 HRC. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и др.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5–2 раза.

Износостойкие конструкционные стали

Характеристики износа и виды изнашивания. Износостойкость – свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его определяют по изменению размеров (линейный износ), уменьшению объема или массы (объемный или массовый износ).

Существует три периода износа:

I – начальный, или период приработки, когда изнашивание протекает с постоянно замедляющейся скоростью;

II – период установившегося (нормального) износа, для которого характерна небольшая и постоянная скорость изнашивания;

III – период катастрофического износа.

Обеспечение износостойкости связано с предупреждением катастрофического износа, уменьшением скорости начального и установившегося изнашивания. Износостойкость материала при заданных условиях трения, как правило, определяют экспериментальным путем.

Работоспособность материалов в условиях трения зависит от трех параметров: внутренних, определяемых свойствами материалов; внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение) и режим работы (скорость относительного перемещения, нагрузка, характер ее приложения, температура); от рабочей среды и смазочного материала.

Совокупность этих факторов обусловливает различные виды изнашивания (ГОСТ 23.002-78):

• абразивное, адгезионное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, гидро- и газоэрозионное, кавитационное, усталостное, фреттинг-процесс при механическом способе воздействия;

• окислительное, фреттинг-коррозия при коррозионно-механическом воздействии.

Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы: детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи и т.п.), и детали, изнашивание, которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ и т.п.).

Характерные виды изнашивания деталей первой группы – абразивное (твердыми частицами, попадающими в зону контакта), адгезионное, окислительное, усталостное, фреттинг-процесс (фреттинг-коррозия). Для деталей второй группы типично абразивное изнашивание (наприме, истирание почвой), гидро- и газоабразивное (твердыми частицами, перемешиваемыми жидкостью или газом), эрозионное, гидро- и газоэрозионное (потоком жидкостью или газа), кавитационное (от гидравлических ударов жидкости).

Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию. Износостойкость при абразивном изнашивании чистых металлов пропорциональна их твердости. В сплавах эта зависимость может не соблюдаться.

При абразивном изнашивании ведущими являются процессы многократного деформирования поверхности скользящими по ней частицами и микрорезание. Степень развития этих процессов зависит от давления и соотношения твердости материала и абразивных частиц. Т.к. твердость последних велика, то наибольшей износостойкостью обладают материалы, структура которых состоит из частиц твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов, которых в промышленности более ста наименований. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4 %) и карбидообразующих элементов (хром, вольфрам, титан).

В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов. Структура матричной фазы регулируется введением марганца или никеля. Она может быть мартенситной, аустенитно-мартенситной и аустенитной.

Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с мартенситной структурой: 250Х38, 320Х23Г2С2Т; при значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков): сплавы 370Х7Г7С, 110Г13, 300Г34; при средних условиях изнашивания применяют твердые сплавы, структура которых состоит из специальных карбидов (WC, TiC, TaC), связанных кобальтом, а также высокоуглеродистые стали типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5. Эти материалы относятся к инструментальным.

Основные методы защиты от этого вида изнашивания – повышение твердости контактирующих поверхностей (цементацией, азотированием), применение смазочных материалов, лаков, пленочных покрытий из полимеров, затрудняющих металлический контакт поверхностей трения и доступ к нему кислорода.

Материалы, устойчивые к усталостному изнашиванию. Эти материалы предназначены для таких изделий массового производства, как подшипники качения и зубчатые колеса. Усталостное выкрашивание на их рабочих поверхностях вызывает циклические контактные напряжения сжатия.

Они создают в поверхностном слое мягкое напряженное состояние, которое облегчает пластическое деформирование поверхностного слоя деталей и, как следствие, развитие в нем процессов усталости. В связи с этим высокая контактная выносливость может быть обеспечена лишь при высокой твердости поверхности, необходимой также для затруднения истирания контактных поверхностей при их проскальзывании.

Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок. Трение при высоком давлении и ударном нагружении характерно для работы тракторов гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей.

Износостойкость деталей обычно обеспечивается повышенной твердостью поверхности. Особое место занимает высокомарганцевая сталь для литья, аустенитного класса, с высокой стойкостью к ударно-абразивному износу 110Г13Л – сталь Гадфильда (1,25 % С, 13 % Мn, 1 % Сr, 1 % Ni).Сталь поставляется по ГОСТ 977-88. При низкой начальной твердости (180–220 НВ) она успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших динамических (ударных) нагрузок (такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, щек дробилок и др.). Это объясняется повышенной способностью стали упрочняться в процессе холодной пластической деформации. Так, при пластической деформации, равной 70 %, твердость стали возрастает с 210 до 530 НВ.

Высокая износостойкость стали достигается не только деформационным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита с гексагональной () или ромбоэдрической (') решеткой. При содержании фосфора более 0,025 % сталь становится хладноломкой. Структура литой стали представляет собой аустенит с выделившимися по границам зерен избыточными карбидами марганца (Мn3С), снижающими прочность и вязкость материала. Для получения однофазной аустенитной структуры отливки закаливают в воде с температуры 1 050–1 100 °С, без отпуска. В таком состоянии сталь имеет высокую пластичность = 34–53 %, = 34–43 %, низкую твердость 180–220 НВ и невысокую прочность в = 830–654 МПа.

Фрикционные материалы. Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающих крутящий момент. Они работают в тяжелых условиях изнашивания – при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре, мгновенно возрастающей до 1000 °С. Эти материалы должны иметь высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические материалы. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения.

Из асбофрикционных материалов наибольшей работоспособностью обладает ретинакс (ФК-34А и ФК_16Л), который содержит 25 % фенолформальдегидной смолы, 40 % асбеста, 35 % барита, кусочки латуни и пластификатор. В паре со сталью ретинакс обеспечивает коэффициент трения 0,37–0,40. Его используют в тормозных механизмах самолетов, автомобилей и других машин.

Металлические спеченные материалы применяют при тяжелых режимах трения. Их производят на основе железа (ФМК-8 и ФМК-11) и меди (МК-5). Кроме основы и металлических компонентов (Sn, Pb, Ni), обеспечивающих прочность, хорошую теплопроводность и износостойкость, эти материалы содержат неметаллические добавки – асбест, графит, оксид кремния, барит.

В многодисковой тормозной системе самолетов применяют бериллий из-за его высокой теплоемкости, теплопроводности и малой плотности.

Стали для изготовления шарико- и роликоподшипников поставляют по ГОСТ 801-78. Подшипники качения работают в условиях качения шариков (или роликов) по наружному и внутреннему кольцам. Наиболее часто причиной отказа подшипников является излом, разрушение тел качения и рабочих поверхностей колец, а также усталостное выкрашивание рабочих поверхностей элементов подшипников.

Кольца, ролики и шарики работают в условиях, которые требуют от стали высокой твердости, износостойкости и сопротивляемости контактной усталости.

В качестве шарикоподшипниковой стали используют высокоуглеродистые (заэвтектоидные) хромистые стали, а для больших сечений – хромомарганцевокремнистую сталь, прокаливающуюся на большую глубину.

К сталям этого класса предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений, т.к., попадая в поверхностный рабочий слой, они становятся концентраторами напряжений, вызывая преждевременное усталостное разрушение. Недопустима также карбидная неоднородность.

Стали после отжига должны иметь однородную структуру мелкозернистого перлита с мелкими включениями вторичных карбидов. Твердость в этом состоянии 187–207 НВ, что обеспечивает достаточно хорошую обрабатываемость резанием. Кольца, шарики и ролики после закалки в масле при 830–860 °С (для стали ШХ15) и 810–850 °С (для стали ШХ15ГС) и низкого отпуска при 150–200 °С должны иметь твердость 61–66 HRC. Для более полного снятия напряжений выдержка при отпуске 2,5–6 ч.

Обозначение марки надо расшифровывать так: шарикоподшипниковая хромистая, цифра показывает примерное содержание хрома в десятых долях.

Хром вводят для обеспечения необходимой прокаливаемости. Следовательно, чем меньше диаметр закаливаемой детали подшипника, тем меньше может быть содержание хрома в стали. По своей природе перечисленные стали близки к углеродистым сталям с содержанием углерода около 1 %.

Крупногабаритные кольца и ролики изготовляют из цементуемой хромоникелевой стали 20Х2Н4А. После цементации при 940–970 °С на глубину 5–10 мм указанные детали подшипников подвергают высокому отпуску при 550 °С в течение 8 ч и затем при 630 °С в течение 8 ч для устранения остаточного аустенита. Закалку проводят при 800 °С в масле, а затем низкотемпературный отпуск при 160 °С.

Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют нержавеющую сталь 95Х18 (0,9–1,0 % С и 17–18,5 % Сr, остальное марганец, кремний, сера, фосфор и т.д. в обычных пределах).

Высокое содержание хрома необходимо для придания стали большего сопротивления коррозии. Сталь обладает высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в растворах азотной и уксусной кислот, в различных органических средах, но имеет плохую стойкость в смеси азотной и серной кислот.

Термическая обработка для придания наивысшей в данной стали твердости и достаточной стабильности в размерах заключается в закалке с 1 050 °С в масле, обработке холодом при минус 70 °С и отпуске при 150–160 °С. Твердость после такой обработки 60–61 HRC.

Подшипники, подвергаемые в процессе эксплуатации значительным нагревам (до 400–500 °С), изготавливают из стали типа быстрорежущих.

Обычно применяют сталь Р9, но с пониженным содержанием углерода и ванадия. Снижение углерода необходимо для уменьшения карбидной ликвации, снижающей долговечность подшипника. Обработку такой стали проводят по режимам термической обработки инструментов из быстрорежущих сталей.

Коррозионная стойкость. Коррозионностойкие стали и покрытия

Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды. При этом часто металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют). В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверхности.

Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и не электролитов (нефть и ее производные), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей. К электрохимической коррозии относятся также атмосферная и почвенная коррозия.

Введение в сталь более 12 % Сr делает ее коррозионно-стойкой в атмосфере и во многих других промышленных средах. Сплавы, содержащие меньше 12 % Сr, практически в столь же большой степени подвержены коррозии, как и железо. Сплавы, содержащие более 12–14 % Cr, ведут себя как благородные металлы: обладая положительным потенциалом, они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, ряде кислот, солей и щелочей.

Существует несколько видов электрохимической коррозии. Если металл однороден (например, однородный твердый раствор), то наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В неоднородном металле, что является наиболее частым случаем, коррозия носит локальный характер и охватывает только некоторые участки поверхности. Это местная, или локальная, коррозия, которая в свою очередь делится на точечную, пятнистую и с язвами. Очаги пятнистой и точечной коррозии являются концентраторами напряжений.

Наиболее опасна так называемая интеркристаллитная коррозия, распространяющаяся по границам зерен, вследствие более низкого их электрохимического потенциала. Коррозия без заметных внешних признаков быстро развивается по границам зерен, в глубь металла, резко снижая при этом механические свойства. Сталь, пораженная интеркристаллитной коррозией, теряет металлический звук и при изгибе дает надрывы по границам зерен в местах коррозионного разрушения металла. Кроме того, различают коррозию под напряжением, которая возникает при одновременном действии коррозионной среды и напряжений растяжения. Разновидностью этой коррозии является коррозионное растрескивание, т.е. образование в металле тонкой сетки трещин, проходящих по объему зерна при воздействии коррозионной среды и напряжений.

Сталь, устойчивую против газовой коррозии при высоких температурах (более 550 °С), называют жаростойкой (окалиностойкой). Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называют коррозионно-стойкими, или нержавеющими. Повышение устойчивости стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и агрессивной наружной средой, а также повышающих электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах.

Коррозионно-стойкие стали. Такие стали являются высоколегированными и содержат не менее 13 % Cr, что обеспечивает образование на поверхности металла пассивирующей защитной пленки.

Их разделяют на классы в зависимости от структуры, которая образуется после высокотемпературного нагрева и охлаждения на воздухе: мартенситный, мартенситно-ферритный (при содержании феррита не менее 10 %), ферритный, аустенито-ферритный (при содержании феррита не менее 10 %), аустенитный и аустенито-мартенситный (ГОСТ 5632–72).

В настоящее время разработано несколько групп высокоазотистых коррозионно-стойких сталей с низким содержанием углерода.

Азот – доступный практически в неограниченных количествах легирующий элемент – отличается повышенной аустенитообразующей и упрочняющей особенностью.

Аустенитные стали – это наиболее важный класс коррозионно стойких сталей по масштабам использования и универсальности применения.

Преимуществами этих сталей кроме коррозионной стойкости являются высокая пластичность и вязкость. Изделия из них, включая тонкую ленту и фольгу, легко получают всеми способами пластического деформирования.

Стали имеют хороший комплекс литейных свойств и свариваемость. Исключением является обработка резанием – стали обрабатываются хуже углеродистых и низколегированных из-за высокой пластичности и упрочнения при резании. Сталь 12Х18Н10Е с добавкой Sе является автоматной.

Аустенитные стали, обычно легированные хромом и никелем (или марганцем), после охлаждения до комнатной температуры имеют аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах. Эти стали парамагнитны.

Представителями аустенитных нержавеющих сталей являются 12Х18Н9, 17Х18Н9, содержащие 17–18 % Cr, 8–10 % Ni. После медленного охлаждения стали имеют структуру, состоящую из аустенита, феррита и карбидов M23C6. Для получения чисто аустенитной структуры, обладающей высокой коррозионной стойкостью стали нагревают выше линии SE чаще до 1 100–1 150 °С (для растворения карбидов) и закаливают в воде (на воздухе). Сталь 12Х18Н9 обычно применяют в виде холоднокатаного листа или ленты.

В процессе холодной пластической деформации сталь легко наклепывается. Значения временного сопротивления после холодной деформации (60–70 %) могут быть повышены до 1 200–1 300 МПа, при этом относительное удлинение снижается до 4–5 %. Упрочнение в процессе холодной деформации связано с наклепом и протеканием мартенситного превращения. Чем менее стабилен аустенит, тем интенсивнее при холодной деформации происходит превращение аустенита в мартенсит.

Стали хорошо свариваются и штампуются. При нагреве закаленной до 550–750 °С стали, например при сварке, они охрупчиваются и приобретают склонность к межкристаллитной коррозии (МКК). Это связано с тем, что в пограничных зонах выделяются карбиды хрома M23C6 и происходит обеднение этих зон аустенита хромом ниже того предела, т.е. 12 %, который обеспечивает коррозионную стойкость. Межкристаллитная коррозия возникает лишь в тех случаях, когда карбиды М23С6 образуют сплошную или слаборазобщенную сетку по границам зерен. Разрыв сетки в результате коагуляции карбидов снижает склонность стали к межкристаллитной коррозии. Пониженное содержание хрома вокруг аустенитного зерна распространяется на толщину, не превышающую 0,8 мкм. Двухфазная структура и внутренние напряжения, возникающие при образовании карбидов, затрудняющие пассивацию границ зерен, способствуют развитию коррозии. Для уменьшения склонности к интеркристаллитной коррозии в состав стали вводят титан (реже ниобий) в количестве (0,5–0,7) (08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т). В этом случае образуется карбид МС (TiC, NbC), связывающий весь углерод, а хром остается в растворе. Для повышения стабильности аустенита количество никеля в этих сталях увеличивают до 10–12 %. Эти стали обладают пониженной технологической пластичностью.

Высокое сопротивление межкристаллитной коррозии, хорошую пластичность и свариваемость имеют низкоуглеродистые аустенитные стали 04Х18Н10 и ОЗХ18Н12Т.

Стали с пониженным содержанием углерода устойчивы в азотной кислоте и используются для изготовления химической аппаратуры.

Хромоникелевые нержавеющие стали дороги. В связи с этим в некоторых случаях применяют более дешевые стали, в которых часть никеля заменена марганцем.

Аустенито-ферритные стали (078Х22Р6Т, 08Х21Н6М5Т, 08Х18Г8Н2Т) имеют оптимальный комплекс свойств при практически равном содержании аустенита и феррита, которое обеспечивается закалкой с 1 0001 100 °С. Эти стали дешевле аустенитных, т.к. содержат меньше никеля, прочнее из в 1,5–2 раза и имеют почти такое же сопротивление коррозии, как сталь 12Х18Н10Т.

Во избежание МКК эти стали стабилизируют титаном. Изделия из этих сталей рекомендуют эксплуатировать при температурах не выше 350 °С во избежания охрупчивания из-за структурных изменений.

Аустенито-мартенситные стали (07Х16Н6, 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3) имеют высокую прочность, которая достигается сложной термической обработкой, включающей закалку для получения аустенита, обработку холодом при –70 °С для превращения аустенита в мартенсит и старения мартенсита при 350–500 °С. Обработка холодом может быть заменена пластическим деформированием, во время которого значительная часть аустенита превращается в мартенсит. Химический состав сталей отличается малым содержанием углерода, пониженным количеством никеля и добавками Al, Ti, Cu, Mo для упрочнения мартенсита при старении. При 70–90 % мартенсита стали имеют в = 1100–1400 МПа. При таком уровне прочности эти стали особенно склонны к коррозионному растрескиванию. Для защиты от этого вида коррозии старение рекомендуется прервать на стадии образования зон Г–П, не допуская максимума прочности.

Ферритные стали 08Х13, 12Х17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28 используют чаще без термической обработки для изготовления деталей, работающих в более агрессивных средах (кипящая азотная кислота). Эти стали обладают крупнозернистостью в литом виде и склонны к сильному росту зерна при нагреве до температур более 850 °С (например, при сварке), что сопровождается охрупчиванием стали.

После высокотемпературного нагрева они подвержены МКК. Проверка стойкости против МКК предусмотрена только для сталей 08Х17Т, 15Х25Т.

Склонность к охрупчиванию ферритных сталей ограничивает их применение несмотря на меньшую стоимость по сравнению с аустенитными сталями.

Мартенситные стали (20Х13, 30Х13, 40Х13, 20Х17Н, 95Х18) используют для деталей и инструментов, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред: воды, атмосферы, разбавленных расстворов кислот и солей.

Структура отожженных сталей представляет собой легированный феррит с частицами карбида хрома. Отожженные стали имеют удовлетворительную стойкость против коррозии, но их прочность невысока. Прочность увеличивается после закалки и отпуска. Закалку проводят с 1 050–1 100 °С для растворения карбидов хрома с последующим низким или высоким отпуском.

Максимальное сопротивление коррозии стали имеют после низкого отпуска, пониженное, но тем не менее достаточно высокое, – после высокого отпуска.

Шлифование и полирование поверхности дополнительно повышают стойкость изделий.

Сталь 20Х13 применяют для клапанов гидравических насосов, лопаток гидротурбин, арматуры крекинг-установок, предметов домашнего обихода, пищевой промышленности и т.д. Их подвергают закалке в масле с 1 000–1 100 °С и высокому отпуску при 700–775 °С, после которого карбиды присутствуют в виде более крупных частиц. Применение более низкого отпуска, создающего более мелкие карбидные частицы, усиливает коррозию.

Стали 30Х13 и 40Х13 используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т.д. Эти стали закаливают с 1 0001 050 °С в масле и отпускают при 180–200 °С. После такого отпуска они сохраняют мартенситную структуру, высокую твердость (50–60 HRC) и достаточную устойчивость против коррозии.

Сталь 95Х18 является износостойкой подшипниковой, после закалки и низкого отпуска она характеризуется высокой твердостью (более 59 HRC).

Коррозионно-стойкие покрытия. Металлические и неметаллические коррозионно-стойкие покрытия являются распространенным средством повышения долговечности изделий при работе в коррозионной среде.

Металлические покрытия по механизму своего влияния делят на катодные и анодные.

Катодные покрытия изготовляют из более электроположительного металла; они экранируют анодные участки металла и повышают электродный потенциал поверхности. Вследствие высокой коррозионной стойкости эти покрытия долговечны, но не выносят механических повреждений. Если есть царапины, то основной металл при наличии покрытия второго катода корродирует быстрее, нежели без покрытия.

Покрытие оловом или свинцом (лужение) для железа и низкоуглеродистых сталей является катодным. Луженую сталь применяют в пищевой промышленности, а покрытие свинцом – в химической промышленности.

Анодные покрытия изготавливают из более электроотрицательного материала. Разрушаясь, он предохраняет металл от коррозии.

Неметаллические покрытия представляют собой вещества с ионным или молекулярным типом связи, являющимися по своим электрическим свойствам диэлектриками или полупроводниками. Вследствие большого омического сопротивления электрохимическая коррозия в них не развивается. Ионным типом связи обладают покрытия из оксидов, создаваемые на сталях при нагреве на воздухе или при анодировании алюминия. Высокомолекулярные соединения входят в состав лаковых покрытий, а также совместно с оксидами в состав красок и эмалей.

Контрольные вопросы и задания

Какой тип кристаллической решетки имеет железо при температуре выше и ниже 911 °С?
Укажите предельную растворимость углерода в аустените, и - феррите.
Опишите кристаллическую структуру твердых растворов на основе железа в системе Fe–Fe3C.
При какой температуре происходит эвтектическое и эвтектоидное превращение в метастабильной диаграмме Fe–Fe3C?
При каких температурах и в каких сплавах в системе Fe–Fe3C образуется первичный, вторичный и третичный цементит?
Укажите концентрацию углерода, соответствующую эвтектоидной точке в системе Fe–Fe3C.
В каких сплавах системы Fe–Fe3C структурно выявляется третичный цементит?
Какие фазы входят в перлит?
Как меняется тип структуры доэвтектоидных сталей с увеличением содержания углерода?
Какие структурные составляющие определяют структуру заэвтектоидных сталей?
Опишите фазовые превращения в стали 50 по диаграмме Fe–Fe3C.
Укажите фазовый состав и изобразите структуру стали У10.
В каких условиях в стали У8 формируется структура пластинчатого и зернистого перлита?
При каких условиях охлаждения формируется видманштеттова структура литых доэвтектоидных сталей?
Как влияет С и примеси Mn, Si на свойства углеродистых сталей?
Как влияет S и P на свойства углеродистых сталей?
Приведите классификацию углеродистых сталей по металлургическому качеству.
Приведите классификацию конструкционных сталей по назначению.
Как изменяется положение критических точек в стали при растворении никеля и марганца?
Какой легирующий элемент повышает прокаливаемость и увеличивает вязкость стали?
Как влияют карбидообразующие элементы на кинетику распада аустенита?
Какое количество углерода содержится в улучшаемых сталях?
Укажите наиболее опасный вид коррозионного повреждения.
Какие стали называются ферритными?
Какие легирующие элементы увеличивают жаростойкость стали?
При каком содержании хрома сталь становится коррозионностойкой во многих агрессивных средах?
Для чего вводят титан в сталь 12Х18Н10Т?
Почему из углеродистых сталей изготавливают инструмент небольшого диаметра?
Что такое теплостойкость сталей?
Какие стали обладают максимальной теплостойкостью?

Классификация сталей