Глава 1. Кристаллическое строение металлов (стр. 9 )

Стали, не содержащие кремния, применяются для автомобильных рессор (50ХГА), клапанных пружин (50ХФА, 50ХГФА).

Предел выносливости рессор может быть повышен в 1,5…2 раза путем поверхностного пластического деформирования: гидроабразивной или дробеструйной обработкой.

8.4. Конструкционные стали специального назначения

8.4.1. Износостойкие стали

Шарикоподшипниковые стали применяются для подшипников качения (шарики, ролики, кольца). Они содержат в среднем 1% углерода, стали должны иметь высокую твердость, износостойкость, контактную выносливость и сквозную прокаливаемость.

Сталь ШХ15 содержит ~1%С и 1,5%Cr. Термообработка: закалка в масле с температуры 820…850°С + низкий отпуск при 150…170°С. Структура – мартенсит и дисперсные карбиды. Сталь ШХ15СГ дополнительно содержит 0,8%Si и 1,2%Mn для повышения прокаливаемости, и применяется для крупногабаритных подшипников.

Износостойкая аустенитная сталь Гадфильда 110Г13Л содержит 1,1%С, 13%Mn, (Л–литейная). Структура после литья: аустенит легированный + карбиды (Fe, Mn)3С. Для растворения хрупких карбидов и получения однородной аустенитной структуры сталь подвергают закалке в воде от температуры 1100°С.

Сталь обладает высокой износостойкостью в условиях динамического износа, благодаря способности аустенита к деформационному упрочнению (наклепу). При ударных нагрузках в поверхностном слое по границам зерна аустенита выделяются карбиды марганца. Это приводит к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами. В результате температуры МН и МК повышаются, аустенит частично превращается в мартенсит, что повышает твердость и износостойкость.

Применение: траки гусеничных машин, ковши экскаваторов, крестовины железнодорожных путей и т. п.

8.4.2. Стали, устойчивые против коррозии

Коррозия – разрушение металла под действием окружающей среды. По механизму коррозионных процессов различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия протекает при воздействии на металлы газов (газовая коррозия) и неэлектролитов. Газовая коррозия заключается в окислении металла, что приводит к постепенному разрушению.

Электрохимическая коррозия происходит под воздействием электролитов: водных растворов кислот, щелочей, солей, морской и речной воды, влажного воздуха (атмосферная коррозия), почвы и т. д.

Механизм электрохимической коррозии заключается в следующем: при соприкосновении металлов в среде электролита образуется гальваническая пара, в которой металл с более электроотрицательным электродным потенциалом (анод), отдавая электроны, разрушается. В сплавах и даже в чистых металлах между различными фазами могут возникать микрогальванические пары, где роль анода играют границы зерен и дефектные участки.

8.4.2.1. Жаростойкие стали

Жаростойкость (окалиностойкость) – это стойкость металла против газовой коррозии (окисления) при высоких температурах. При температурах выше 550°С железо окисляется с образованием рыхлого оксида FeO. Для повышения жаростойкости стали легируют хромом, а также дополнительно алюминием и кремнием, которые образуют на поверхности металла плотные оксидные пленки Cr2O3, Al2O3, SiO2, обладающие защитными свойствами. Жаростойкость стали, т. е. максимальная температура, при которой сохраняются защитные свойства пленки, не зависит от структуры стали, а определяется, главным образом, содержанием в ней хрома. Введение в сталь 5…8% Cr (15Х5) повышает жаростойкость до 750°С, 15…17% Cr (12Х17) – до 1000°С, 25…30% Cr (15Х25Т) – до 1100°С.

Жаростойкие стали применяют в условиях высоких температур при небольших механических нагрузках (печное оборудование, электро - нагреватели, теплообменники и др.) Жаростойкие стали используются, как правило, без упрочняющей термообработки. Многие жаростойкие стали одновременно являются и коррозионно-стойкими.

8.4.2.2. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

– это стали устойчивые против электрохимической коррозии. Для защиты от электрохимической коррозии в сталь вводят хром в количестве не менее 13%, при этом электрохимический потенциал становится положительным (рис. 45). Необходимо, чтобы хром находился в твердом растворе, для предотвращения связывания хрома в карбиды содержание углерода в стали должно быть небольшим.

Рис. 45. Влияние содержания хрома на электрохимический потенциал железохромистых сплавов

По химическому составу нержавеющие стали подразделяют на хромистые и хромоникелевые.

Хромистые нержавеющие стали, содержат, как правило, 13%, 17% или 25% Cr. Чем больше содержание хрома в стали, тем выше коррозионная стойкость.

Стали 12Х13 и 20Х13 относятся к полуферритному (феррито-мартенситному) классу. Термообработка: закалка+высокий отпуск, структура: сорбит отпуска+карбиды. Применяют их для работы в слабоагрессивных средах для деталей, подвергающихся ударным нагрузкам – клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода.

Стали 30Х13, 40Х13 относятся к мартенситному классу. Термообработка: закалка+низкий отпуск. Структура: мартенсит отпуска с высокой твердостью 50…60 HRC. Применяют их для хирургических инструментов, карбюраторных игл и т. п.

Высокохромистые стали 12Х17, 15Х25Т относятся к ферритному классу. В них отсутствуют полиморфные превращения, поэтому они не упрочняются термообработкой. Структура: легированный феррит. Эти стали называют кислотостойкими, применяют их для изготовления оборудования пищевой, легкой и химической промышленности.

Хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного класса имеют пониженное содержание углерода (0,04…0,17%С) для предотвращения образования карбидов, содержат 17…19%Cr для защиты от коррозии и 8…12%Ni для стабилизации аустенитной структуры: 12Х18Н8, 08Х18Н10. В равновесном состоянии стали имеют структуру аустенит+карбиды хрома М23С6. Путем закалки от температуры 1100…1150°С в воде или на воздухе обеспечивается растворение карбидов и получение однофазной структуры легированного аустенита.

Эти стали не упрочняются термообработкой, повышение прочности достигается наклепом в результате холодной пластической деформации. Хромоникелевые стали обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью в окислительных и других агрессивных средах, хорошей обрабатываемостью давлением.

Аустенитные хромоникелевые стали склонны к межкристаллитной коррозии (МКК) - коррозии по границам зерен. Это происходит из-за локального выделения карбидов хрома и обеднения хромом пограничных участков аустенита. Чем меньше в стали углерода, тем ниже ее склонность к МКК. Для снижения склонности к МКК в стали вводят титан или ниобий (например, 12Х18Н9Т или 08Х18Н12Б), которые связывают углерод в карбиды TiC или NbC, сохраняя весь хром в твердом растворе.

Аустенитные хромоникелевые стали отличаются широким масштабом применения для различных изделий, работающих в агрессивных средах, в частности, в химической и пищевой промышленности.

8.4.3. Жаропрочные стали

Жаропрочные стали предназначены для работы под нагрузкой при высоких температурах в течение определенного времени.

При повышенных температурах в металлах развиваются процессы ползучести – нарастание деформации при постоянно действующем напряжении, что и приводит, в конечном счете, к разрушению деталей.

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться ползучести.

Основными причинами разупрочнения сталей при высоких температурах являются:

·  развитие процессов рекристаллизации;

·  диффузионные процессы,

·  активное перемещение дислокаций, скольжение границ зерен.

Повышение жаропрочности достигается:

1.  легированием твердого раствора тугоплавкими металлами, такими как Cr, Mo, W, V, что обеспечивает повышение температуры рекристаллизации, замедление диффузионных процессов и твердорастворное упрочнение;

2.  образованием в твердом растворе дисперсных частиц вторичных фаз (карбидов, нитридов, интерметаллидов), которые выделяются из пересыщенного твердого раствора в результате закалки и старения (отпуска), частицы тормозят движение дислокаций, обеспечивая дисперсионное упрочнение;

3.  формированием крупнозернистой структуры, что уменьшает зернограничное скольжение. Для стабилизации границ зерен применяют легирование элементами, образующими устойчивые фазы, например, бором (до 0,01%).

Таким образом, жаропрочные стали являются, как правило, многокомпонентными высоколегированными сплавами. Они также должны обладать высокой жаростойкостью и коррозионной стойкостью.

Основные группы жаропрочных сталей

8.4.3.1. Стали перлитного класса

Котельные углеродистые стали 12К, 15К, 22К применяются для слабонагруженных деталей энергетических установок, их рабочие температуры не превышают 400°С, термообработка – нормализация.

Низколегированные стали 12Х1МФ, 25Х2М1Ф с содержанием карбидообразующих элементов (Cr, Mo, W и V) до 3%. Термообработка - закалка + высокий отпуск обеспечивает дисперсионное твердение за счет выделения карбидов молибдена и вольфрама. Применяются в паросиловых установках с рабочими температурами до 510…550°С.

8.4.3.2. Стали мартенситного (мартенситно-ферритного) класса:

Стали 15Х11МФБ, 18Х12ВМБФР содержат 8…13%Cr, а также W, Mo, V, Nb. После закалки и высокого отпуска формируется структура сорбита отпуска. Жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидных и интерметаллидных фаз. Применяются для деталей газовых турбин и паросиловых установок. Траб=580…600°С.

Сильхромы 40Х9C2 и 40Х10С2М применяют для изготовления выпускных клапанов двигателей. Траб. max=650°С.

8.4.3.2. Стали аустенитного класса по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали. Различают три группы аустенитных сталей:

Стали со структурой твердого раствора, не упрочняемые термообработкой: 10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР применяются для пароперегревателей и трубопроводов высокого давления до температур 600…700°С. Для получения однородной аустенитной структуры проводят термообработку: закалку от 1100…1150°С в воде или на воздухе.