Основным легирующим элементом для получения коррозионностойких и жаропрочных сталей служит

Обновлено: 15.05.2024

Конструкционные стали по структуре преимущественно относятся к перлитному или мартенситному классу. По свойствам и структуре в отожженном состоянии легированные стали мало отличаются от углеродистых. Наиболее высокий комплекс механических свойств легированных сталей достигается при применении к ним термообработки. В отличие от углеродистых, легированные стали имеют более высокую прокаливаемость.

Различают следующие виды конструкционных сталей: строительные

(ГОСТ 19281-89), цементуемые и улучшаемые (ГОСТ 4543-71), рессорно-пружинные (ГОСТ 14959-79).

Строительные стали используются для изготовления различных металлических конструкций (ферм, емкостей для хранения газообразных и жидких продуктов и т.д.). Эти стали содержат углерод в небольшом количестве (0,12-0,22%) и легирующие элементы, наиболее эффективно упрочняющие феррит (Si, Mn, Ni,Cr). Применяются они преимущественно в состоянии поставки (после горячей прокатки без термообработки).

Благодаря низкому содержанию углерода строительные стали обладают высокой пластичностью, обеспечивающей их технологичность при выполнении операций холодной гибки, а также хорошей свариваемостью. Широкое практическое применение получили стали: 09Г2, 10Г2С1, 10ХСНД и др.

Цементуемые легированные стали применяются для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и значительных механических нагрузок. Содержание углерода в этих сталях колеблется в пределах 0,10-0,25%. Термическая обработка после цементации проводится по режимам, принятым для цементуемых изделий. Легирующие элементы и низкое содержание углерода в цементуемых сталях обеспечивают после закалки и низкотемпературного отпуска высокую прочность сердцевины изделий в сочетании с достаточно высокой пластичностью. Цементуемые легированные стали: 15Х, 20Х, 20ХН, 18ХГТ, 12ХН3А, 12Х2Н4А и др.

Улучшаемые легированные стали содержат от 0,2 до 0,5% углерода и до 7-8% легирующих элементов. Наиболее распространенными являются хромистые, хромокремнемарганцевые, хромоникелевые, хромоникелемолибденовые, хромоникелевомолибденованадиевые и др. Термическая обработка этих сталей состоит из закалки и высокого отпуска (550-650 ºC). Структура стали после такой обработки (улучшения) – сорбит. Широкое применение получили улучшаемые стали: 40Х, 40ХНМ, 38ХН3МФА и др.). Выбор конкретных сталей для определенного назначения производится, исходя из их прочности и прокаливаемости.

Рессорно-пружинные легированные стали, используемые для изготовления пружин, рессор и других подобных деталей, должны обладать высоким пределом упругости и пределом выносливости в сочетании с удовлетворительной пластичностью. Сочетание перечисленных свойств этих сталей достигается повышенным содержанием в них углерода (0,45-0,75%), введением в состав легирующих элементов и применением после закалки среднетемпературного отпуска (350-520 ºC) для получения структуры троостита. Рессорно-пружинные легированные стали: 65Г, 60С2А, 50ХФ, 60С2Н2Фи др.

Инструментальные легированные стали.

Содержание углерода в легированных инструментальных сталях такое же высокое, как и в углеродистых инструментальных: более 1%. Все инструментальные стали обязательно подвергаются термической обработке для повышения твердости.

В свою очередь легированные инструментальные стали подразделяются еще на несколько групп

Легированные стали для режущего инструмента (работающие с низкими скоростями резания) – низколегированные стали с невысоким содержанием легирующих элементов таких, как хром, вольфрам, кремний, марганец в количестве 1 – 3%. Эти стали должны отвечать общим требованиям, предъявляемым к инструментальным сталям: высокой твердостью и износостойкостью. Легирующие элементы вводятся в эту группу сталей для улучшения процесса термической обработки (для увеличения прокадиваемости).

Быстрорежущие стали работают с высокими скоростями резания, поэтому в процессе работы они нагреваются до достаточно высоких температур. Причем, чем выше скорости резания, тем выше температура нагрева режущей кромки инструмента и тем больше вероятность ее поломки.

К быстрорежущим сталям помимо основных требований предъявляются требования к теплостойкости. Высокую теплостойкость обеспечивает введение легирующего элемента вольфрама. Кроме того, быстрорежущие стали обязательно подвергаются специальной термической обработке.

Штамповые стали используются для изготовления штампов, форм и пуансонов для штамповки деталей. При этом штамповка может быть холодная и горячая. В связи с этим различают легированные штамповые стали для холодного и горячего деформирования.

Основными требованиями для штамповых сталей являются высокая твердость, износостойкость, а также способность сохранять форму и размеры штампов при длительном использовании. Для горячих штампов требуются стали с высокой теплостойкостью.

Штамповые стали легируют хромом, марганцем, никелем, молибденом, вольфрамом. Все штамповые стали используются после термической обработки.

Твердые сплавы состоят из смеси порошков карбида вольфрама (основа) и кобальта. В зависимости от марки этих сплавов в их состав добавляют карбид титана или карбид тантала. Таким образом, твердые сплавы формируются на карбидной основе методом порошковой металлургии. Они представляют собой спеченные материалы. Твердые сплавы имеют очень высокие значения твердости.

Используются как инструментальные материалы для обработки твердых материалов; для оснащения горного инструмента; для деталей быстро изнашивающихся элементов машин; для различных приспособлений режущего инструмента.

Стали с особыми свойствами.

К этой группе легированных сталей относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали; жаропрочные и жаростойкие стали.

Требования, предъявляемые к каждой группе зависят от условий их работы и соответствуют эксплуатационным свойствам, которые были рассмотрены ранее: жаростойкость, жаропрочность, устойчивость против воздействия агрессивных сред.

Коррозионностойкие стали.

Коррозионностойкие стали устойчивы воздействию агрессивных сред – коррозии.

Коррозией называют разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.

1. Электрохимическую коррозию (контакт двух материалов, обла-

дающих разными электродными потенциалами);

2. Точечную (язвенную) коррозию (возникает при локальном воз-

действии агрессивной среды);

3.Щелевую коррозию (возникает в узких зазорах между металлами);

4. Коррозионное растрескивание КР (возникает под воздействием

агрессивной среды и нагрузки);

5. Межкристаллитная коррозия (растрескивание по границам зерен).

Методы защиты от коррозии:

1. Нанесение защитных покрытий и пленок.

Основной легирующий элемент в нержавеющих (коррозионностойких) сталях – Хром.

Хром вводят в нержавеющие стали в количестве более 12,5%. При таком содержании хрома электрохимический потенциал стали меняется с отрицательного на положительный (рис.12.1).

Помимо хрома в нержавеющие стали вводят дополнительно никель. В зависимости от легирующих элементов коррозионностойкие стали подразделяются на:

1. Хромистые (легирующий элемент – только хром)

2. Хромоникелевые ( легирующие элементы - хром и никель).

Примеры хромистых нержавеющих сталей: 08Х13, 20Х13, 30Х13, 12Х17, 15Х25, 15Х28.

Примеры хромоникелевых нержавеющих сталей: 08Х18Н9, 10Х18Н10, 12Х18Н10Т.

Жаростойкие стали.

Как было показано выше жаростойкость (окалиностойкость) - способность металла сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.

Железо с кислородом может образовывать оксиды следующего вида: FeO, Fe2О3, Fе3О4. При рабочих температурах порядка 550 - 600°С окалина состоит в основном из достаточно прочного слоя оксидов Fe2О3 и Fе3О4. При температурах выше 600°С происходит растрескивание этих оксидов. Поверхность металла защищена только рыхлым оксидом FeO, который не осуществляет необходимого по прочности защитного слоя, что приводит к интенсивному окислению сталей при температурах, превышающих 600°С.

Таким образом, основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав стали, определяющий защитные свойства оксидной пленки. Основными принципами легирования жаростойких сталей является введение в их состав элементов, образующих прочные соединения скислородом. В первую очередь это такие элементы, как хром, кремний и алюминий.

Однако, следует учитывать влияние этих элементов и на другие факторы и свойства стали. Так, высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологические свойства стали. Поэтому, основным легирующим элементом в жаростойких сталях считаетсяхром. Причем с увеличением содержания хрома растут жаростойкие свойства, а, следовательно, и применение сталей при более высоких рабочих температурах.

Сталь с 5% хрома сохраняет свои свойства до 600°С, содержащая 9% хрома не подвержена образованию окалины в газовой среде до температур 800°С, а сталь с 17% - до 900°С. Для сохранения высокой окалиностойкости при температурах 1000 - 1100°С следует применять хромо-никелевые стали аустенитного класса.

Жаростойкие стали используют для изготовления различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.

Большинство жаростойких сталей являются также нержавеющими, а некоторые коррозионностойкие стали являются также жаростойкими.

Таким образом нержавеющие и жаростойкие стали могут быть взаимозаменяемыми.

Жаропрочные стали.

Ранее было показано, что жаропрочность - способность сталей сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Также были рассмотрены такие характеристики жаропрочности, как горячая прочность, предел длительной прочности и предел ползучести.

В качестве жаропрочных сталей используют стали легированные хромом, молибденом, ванадием. Эти стали сохраняют свои свойства при рабочих температурах 500 - 550°С. Их используют для изготовления крепежа, труб, паропроводов, пароперегревателей энергетических установок.

При температурах 600 - 620°С используются стали легированные хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием, никелем. Эти стали используют для деталей энергетического оборудования таких как роторы, турбинные лопатки и диски.

Хромо-никелевые стали используются для изготовления лопаток и дисков газовых турбин, клапанов дизельных двигателей и других деталей, работающих при температурах 650 - 700°С. Эти стали дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием.

Для деталей и изделий, работающих при более высоких рабочих температурах, порядка 1000 - 1100°С. применяют так называемые суперсплавы - никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промышленных энергоустановок.

Для работы при еще более высоких температурах применяют сплавы на основе тугоплавких металлов и керамические материалы.

Краткая характеристика всех групп легированных сталей (конструкционные, инструментальные, нержавеющие) приведена в таблицах 1 и 2..

Легирование коррозионностойких сталей

Легирование коррозионностойких сталей и сплавов преследует достижение высокой коррозионной стойкости в рабочей среде (влажная атмосфера, морская вода, кислоты, растворы солей, щелочей, расплавы металлов и др.) и обеспечение заданного комплекса физико-механических характеристик.

Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома, никеля, алюминия, кремния. Эти элементы образуют непрерывную прочную оксидную пленку и повышают электродный потенциал, то есть увеличивают электроположительность стали.

Хром является основным легирующим элементом коррозионно-стойких сталей. Его содержание находится в пределах от 11 до 30 %.
С ростом содержания хрома коррозионная стойкость стали растет. Легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также к замедлению процесса распада мартенсита [6].

Хром стабилизирует модификации железа с ОЦК-решеткой и образует с этими модификациями непрерывные ряды твердых растворов. Область твердых растворов хрома в g-Fe сравнительно узкая и простирается до 13,3 ат. % Сr. Хром снижает температуру полиморфного a Û g - превращения железа от 910 до 830 °С при содержании ~ 7,5 ат. %.

При дальнейшем увеличении содержания хрома эта температура резко возрастает. При содержании в сплавах ~ 50 ат. % Cr и температуре ~ 815°С происходит фазовая перекристаллизация a-твердого раствора с образованием так называемой σ – фазы. Реакция a®σ протекает крайне медленно, и необходимы продолжительные выдержки для ее завершения. Фазы σ имеет сложную тетрагональную структуру с 30 атомами в элементарной ячейке и обычно образуется в системах на основе переходных металлов и, как правило, обладает достаточно широкой областью гомогенности. В системе железо-хром эта область при 600 °С простирается от 43 ат. % Сr [7].

Одним из основных легирующих элементов высокопрочных коррозионностойких сталей является никель. Необходимость легирования никелем высокопрочных коррозионностойких сталей определяется, во-первых, тем, что он является аустенитообразующим элементом и позволяет при высокотемпературном нагреве под закалку получить аустенитную структуру, при охлаждении - претерпевать мартенситное превращение. Во-вторых, никель повышает пластичность мартенситной матрицы вследствие уменьшения степени закрепления дислокаций атомами внедрения и снижения сопротивления кристаллической решетки движению дислокаций [8,9]. В-третьих, никель, образуя интерметаллидные фазы с такими элементами, как Ti, Al и др., обеспечивает при старении необходимый уровень упрочнения. Таким образом, фазовый состав системы Fe-Cr-Ni определяется аустенитообразующим воздействием Ni и феррито- и сигмаобразующим воздействием хрома. Никель в хромистых сталях влияет на область стабильности σ-фазы, смещая ее в сторону более низких содержаний хрома и более высоких температур.

При создании коррозионностойких сталей для получения необходимой структуры, свойств и обеспечения максимальной коррозионной стойкости используют в различных сочетаниях также другие легирующие элементы: ферритообразующие (Cr, Mo, Al, Si, Ti, Nb, W, V) и аустенитообразующие (Ni, C, Mn, N, Co, Cu) [6].

Марганец в коррозионностойких сталях является достаточно распространённым легирующим элементом. Легирование марганцем, во-первых, проводится на аустенитных высокоазотистых сталях с целью повышения концентрации усвояемого азота и, во-вторых, обеспечивает возможность снижения содержания дорогостоящего Ni (при сохранение требуемой структуры и свойств) на сталях аустенитного и мартенситного классов [10].

Кобальт,так же, как Ni и Mn, является элементом замещения, расширяющим g-область. Легирование высокопрочных коррозионностойких сталей кобальтом в ряде случаев является необходимым, хотя значительно ограничивает объем применения кобальтосодержащих сталей из-за их высокой стоимости. Как аустенитообразующий элемент, подавляющий d-феррит, кобальт в 1,5-2 раза менее эффективен, чем Ni, однако имеет перед ним ряд преимуществ. Одно из них в том, что, подавляя d-феррит, кобальт очень слабо снижает мартенситную точку, что позволяет стали с Co дополнительно легировать такими элементами, как Сr, Mo и др., повышая тем самым сопротивление коррозионным поражениям и сохраняя мартенситную структуру стали.

Кроме того, кобальт, в отличие от Ni, не снижает, а несколько повышает температуру начала a®g - перехода при нагреве мартенситной матрицы, обеспечивая тем самым потенциальную возможность повышения температуры эксплуатации жаропрочных сталей.

В безуглеродистых мартенситностареющих сталях кобальт уменьшает растворимость Mo в мартенсите и обеспечивает дисперсионное упрочнение Fe-Cr-Ni-Co-Mo сталей при сохранении достаточно высокого сопротивления хрупким разрушениям. Высокая вязкость мартенситной матрицы, легированной Co, связана, как и при легировании Ni, с ослаблением степени закрепления дислокации атомами внедрения и понижением сопротивления кристаллической решетки движению дислокаций.

Особая, наиболее многогранная роль среди легирующих элементов принадлежит молибдену. Во-первых, молибден увеличивает пассивацию и химическую стойкость коррозионностойких сталей, в частности, в восстановительных средах и в присутствии Cl - ионов, когда пассивация за счет хрома недостаточна [11].

Во-вторых, молибден замедляет диффузию атомов внедрения и примесей, особенно по границам зерен, предотвращая или ослабляя тем самым выделение зернограничных фаз или сегрегаций на различных этапах термической обработки (закалка больших сечений, отпуск при повышенных температурах и т.д.) или при сварочных нагревах. Отсутствие зернограничных выделений и сегрегаций в высокопрочных коррозионно-стойких сталях, легированных Mo, резко повышает сопротивление хрупкому разрушению и коррозионным воздействиям. В-третьих, Mo замедляет разупрочнение мартенситной матрицы при температурах нагрева выше 500°С, что позволяет получить после отпусков при 500-550°С при высокой прочности повышенные значения вязкости и коррозионной стойкости. Кроме того, высокое содержание Mo (более 3 масс. %) в ряде композиций мартенситностареющих сталей (особенно при их дополнительном легировании Co) обеспечивает дисперсионное упрочнение при нагревах в интервале температур 350-550°С и высокий комплекс служебных характеристик.

Легирование высокопрочных коррозионностойких сталей другими ферритообразующими элементами решает следующие задачи:

1) связывание атомов внедрения в стойкие карбиды, нитриды и карбонитриды, не растворяющиеся при температурах закалки (Nb, V, Ti в количестве до 0,2 масс. %), что обеспечивает измельчение зерна и повышение коррозионной стойкости;

2) дисперсионное упрочнение (Ti, Al, V в количестве 0,5-1,5 масс. %, W в количестве 3-5 масс. %);

3) упрочнение мартенситной матрицы и повышение сопротивления коррозионному растрескиванию (Si в количестве до 1,2 - 3 масс. %).

Таким образом, можно сделать вывод о том, что высокопрочные коррозионностойкие стали для обеспечения высокого комплекса характеристик прочности, надежности и технологичности должны являться многокомпонентными сплавами, содержащими большой набор легирующих элементов, которые по-разному, как качественно, так и количественно, влияют на фазовый состав и структуру стали. В связи с этим оптимизация легирования рассматриваемых сталей различного назначения является достаточно сложной задачей. Первым этапом в систематизации различных, часто разрозненных и противоречивых экспериментальных данных по фазовому составу и структуре коррозионностойких сталей является их классификация и разработка диаграмм структурного состояния.

Распределение легирующих элементов в сталях.

Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами.

Легирующие элементы вводятся в стали в различных количествах. Их содержание может изменяться от сотых долей процента до нескольких десятков процентов. Суммарное количество легирующих элементов не должно превышать 50%. При большем содержании будет уже не сталь, а сплав на основе какого -либо элемента. В сталях должно быть более 50% железа.

Легирующие элементы, взаимодействуют с железом и углеродом и могут образовывать различные фазы в структуре.

Распределение легирующих элементов в сталях.

1. Легированный феррит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Feα. Формула: Feα (С, л.э.).

2. Легированный аустенит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Feγ; Формула: Feγ (С, л.э.).

3. Легированный цементит – химическое соединение железа, легирующего элемента и углерода. Формула (Fe, л.э.)3 С.

4. Специальные карбиды – соединения легирующих элементов с углеродом. Формула: МеС; МеnCm; (Ме-Ме)С.

Карбиды могут образовывать не все легирующие элементы.

Не образуют карбиды: Co, Ni, Cu, Al, Zn.

Образуют карбиды: Cr, V, Ti, Mn, Mo, Nb, Zr, W.

5. Соединения с неметаллами – оксиды Ме-О;нитриды Ме-N.

6. Интерметаллидные соединения -соединения легирующих элементов друг с другом (МеnMem).

Влияние легирующих элементов на свойства сталей.

Основные легирующие элементы повышают твердость и прочностьферрита. Наиболее сильно повышают прочность феррита кремний, марганец и никель.

Большинство легирующих элементов снижают ударную вязкость, кроме никеля. При этом никель понижает порог хладноломкости, уменьшая склонность к хрупкому разрушению.

Хром повышает механические свойства конструкционных сталей, а также повышает специальные свойства сталей, например, устойчивость против агрессивных сред. Хром вводят в легированные стали в количестве от 2 до 25%.

Никель и хром являются важнейшими легирующими элементами в конструкционных сталях.

Марганец и кремний повышают предел текучести стали.

Молибден и вольфрам являются сильными карбидообразующими элементами, поэтому они образуют карбиды и легированный цементит. Они способствуют измельчению зерна, повышают прочность ижаропрочность.

Для измельчения зерна также вводят ванадий и титан, но содержание этих элементов ограничивается ( до 0,3 – 0,5%), так как эти элементы образуют карбиды по границам зерен, которые могут способствовать хрупкому разрушению.

Влияние легирующих элементов на превращения в сталях.

1. Влияние на критические температуры железа А3и А4.При этом увеличивается вероятность образования в структуре сталей либо составляющей феррита, либо составляющей аустенита. В легированных сталях в отличии от углеродистых сталей аустенит может образоваться при комнатной температуре.

--элементы расширяющие α-область.

Они понижают температуру А4 и повышают температуру А3 .

К ним относятся Cr, Si, Al, V, W, Mo и другие. При этом в сталях образуется структура легированного феррита.

-- элементы расширяющие γ-область.

Ониповышают температуру А4 и понижают температуру А3.

К ним относятся Ni, Mn, Co, N. При этом в сталях образуется структура аустенита. Такие стали, как правило, обладают специальными свойствами, такими как жаростойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость.

Влияние на рост зерна аустенита.

Большинство легирующих элементов замедляют рост зерна аустенита

при нагреве. Особенно титан и ванадий.

Классификация конструкционных сталей ТАБЛИЦА 1.

Название стали Содержание углерода, % Основные легир. элементы Термическая обработка Свойства Применение Примеры
Низколегиро-ванные строительные 0,08 - 0,25 Mn, Si Без спец. Т/о после нормализации Низкая прочность, хорошая свариваемость Сварные конструкции. Строительство, мостостроение вагоностроение, трубы нефте- и газопроводов 08Г2С 14Г2 14ХГС
Цементуемые 0,15-0,20 Cr, Ni Цементация + Закалка + Низкий отпуск. Высокая твердость и износостойкость поверхности; мягкая сердцевина Зубчатые колеса, валы коробки передач; детали, работающие в условиях поверхностного износа. 20ХН 15Х 20Х
Улучшаемые 0,3-0,5 Cr, Ni, Mn, Si, Mo, V, W Закалка + Высокий отпуск. (улучшение) Хорошее сочетание прочности, пластичности, вязкости; высокая прокаливаемость Детали различного сечения, работающие в условиях нагружения ЗОХГСА 40Х ЗОХМ 38ХНЗМФА
Рессорно-пружинные 0,5 - 0,7 Mn, Si, Закалка + Средний отпуск Высокая упругость, твердость, прочность, предел выносливости Пружины, рессоры 60С2 50С2
Шарикопод-шипниковые 0,9-1,1 Cr, Si, Mn, Закалка + Низкий отпуск. Высокая твердость, контактная выносли­вость Подшипники качения ШХ9 ШХ15 (X - хром в десятых долях %)
Высокопроч-ные Менее 0,03 Ni, Co, Mo Закалка на воздухе + старение (выделение из мартенсита дисперсных частиц интерметал-лидов) Высокая прочность; высокая вязкость и пластичность. В ракетостроении, авиа­строении, судостроении; детали, работающие при низких температурах 03Н18К9М5Т 03Н10Х11М2Т

Классификация инструментальных сталей ТАБЛИЦА 2.

Название стали Основные легир. элементы Термическая обработка Свойства Применение Примеры
Для режущего инструмента повышенной прокаливаемости Cr, W Закалка в масле + Низкий отпуск. Высокая твердость, высокая прокаливаемость Для режущего инструмента, работающего с небольшими скоростями резания; сверла, лезвия 9ХВГ 13Х 9ХС
Быстрорежущие W, Мо Закалка с 1250- 1270°С + 3-х кратный отпуск при 550 -570 °С Высокая твердость, высокая теплостойкость Режущий инструмент, работающий при высоких скоростях резания (фрезы, сверла, протяжки, метчики и т.д.) Р9, Р18, Р6М5 (Р-быстрореж., цифра-содерж. W в %)
Штамповые Cr, Mo, W, V, Ni Закалка в масле + отпуск при 150-200°С (для холодной деформ); Закалка в масле + отпуск 500-580 °С (для горячей деформации) Высокая твердость, изностойкость Штампы для холодного и горячего деформирования (пресс-формы, матрицы, пуансоны и т.д.) Х12М Х12Ф

Нержавеющие стали

ЛЕКЦИЯ 12

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированные стали – стали, в состав которых дополнительно вводятся химические элементы с целью получения или изменения свойств. Эти элементы называются легирующими элементами.

Стали с особыми свойствами.

Читайте также: