Высоколегированные литейные стали со специальными свойствами. Классификация по составу и назначению, маркировка.

По структуре он подразделяются на: мартенситно-ферритные, ферритные, аустенитно-мартенситные, аустенитно-ферритные, аустенитные.

По назначению: износостойкие, коррозионностойкие, кислотостойкие, жаропрочные, жаростойкие.

Первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1 %, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1 % или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится. Буква А в конце маркировки — указывает на высококачественную сталь.

Характеристика механических, литейных и специальных свойств хромистых коррозионностойких и жаростойких сталей, хромоникелевых мартенситных и аустенитных коррозионностойких и жаропрочных сталей, высокомарганцовистой износостойкой стали.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться разрушению в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Высокая коррозионная стойкость достигается легированием сталей легко пассивирующими металлами (Al, Cr, Ni, Ti, Mo, вольфрам), которые создают защитную плёнку на поверхности отливки. Одним из наиболее распространённых видов коррозии является межкристаллитная коррозия, которая проявляется в разрушении стали по границам зёрен, что приводит к резкому снижению прочности и пластичности, что может вызывать преждевременное разрушение отливки.

Кислотостойкость – способность стали работать в среде кислот, является разновидностью коррозионной стойкости. Максимумом кислотостойкости обладают стали с содержанием Cr >17%, Ni >8%. Для улучшения механических свойств их дополнительно легируют Ti, Mo, ниобием и т.д. В качестве кислотостойкой широко применяют аустенитную сталь 10Х18Н9Л.

Жаропрочность – способность сталей выдерживать механические нагрузки при высоких t в течении определённого времени. Стали работающие при повышенных t делят на группы: 1) теплоустойчивые (работа при t<550^о в течении длительного времени), это углеродистые и низколегированные стали, с ферритной структурой; 2) жаропрочные (при высоких t в течении заданного времени), это хромоникелевые стали дополнительно легированные Si, Mg, Ti, Mo, Al, Bo (12Х18Н12МЛТ3); 3) жаропрочные (>550^о и обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовой среде).

Из них изготавливают отливки энергоустановок с длительным сроком работы при 650^о, детали авиационных двигателей, рабочие и сопловые лопатки газовых турбин, шнеки.

Жаростойкость – сопротивляемость стали газовой коррозии при высоких t. Это стали: хромистые, хромоникелевые, хромомарганцовистые, ферритные, аустенитные, мартенситные и аустенитно-ферритных классов с добавками легирующих элементов: Si, Mg, Ti, Al (40Х9С2Л, 15Х25ТЛ, 40Х24Н12СЛ). Жаростойкость увеличивается если легирующие элементы взаимодействуют со средой образуя на поверхности отливки плотную оксидную плёнку. В качестве жаростойких сталей применяют многие из жаропрочных: 10Х18Н11БЛ, 15Х18 и др.

Износостойкость – способность стали сопротивляться износу. В зависимости от условий внешних воздействий износ бывает: абразивным, ударно-абразивным, гидро-абразивным, кавитационным. Повышение стойкости отливки при абразивном износе добиваются за счёт повышения твёрдости стали. Цель легирования износостойких сталей для уменьшения абразивного износа является получение максимальной твёрдости при необходимом уровне механических свойств. Чем больше углерода и карбидообразующих элементов в стали, тем при одинаковой твёрдости износостойкость выше. Хромистые коррозионностойкие: Стали с содержанием 13–18% Cr являются коррозионностойкими. Коррозионная стойкость в сплавах Fe и Cr скачкообразно изменяется по мере увеличения содержания Cr. Пороговые значения 11,7–20,3% (нержавейка – Х18Н9Т). Структура стали определяется соотношением концентрации Cr и C. Сталь 20Х13Л относят к мартенситному классу, её подвергают закалке. Используют для литья деталей, работающих с ударными нагрузками. Добавка Ti в этих сталях связывает C и повышает стойкость против межкристаллитной коррозии. Для повышения износостойкости в хромистых сталях увеличивают содержание С 0,5–1,5%.

Хромистые жаростойкие: Стали с содержанием 25–30% Cr являются высоко жаростойкими. Низкоуглеродистая жаростойкая сталь с 13% Cr относится к мартенситному классу, а с 18% к ферритному.

Хромоникелевые мартенситные коррозионностойкие стали: Они содержат 13–18% Cr и 1–4% Ni. Это количество Ni недостаточно для формирования стабильного аустенита, но обеспечивает получение высокопрочного мартенсита после закалки и отпуска (09Х16Н4БЛ, 10Х14НДЛ). Большое значение приобретает модифицирование стали 0,1% церия, чтобы измельчить первичную структуру. Коррозионная стойкость в морской воде достигается легированием стали Cu. Сталь 10Х14НДЛ используют в судостроении (гребные венты). Эти стали склонны к плёнообразованию, что требует при литье детали повышенные t перегрева. В хромистых сталях и в сталях с небольшими добавками Ni наблюдается склонность к образованию горячих и холодных трещин, для устранения этого используют N 0,1–0,15%.

Хромоникелевые аустенитные коррозионностойкие стали: Они содержат 8–10% Ni, 8% Cr и 0,1% C. Пластические свойства низкие, из-за выделения карбида Cr₄C. Для устранения этого эффекта в сталь добавляют Ti или ниобий, которые являются более сильными карбидообразующими элементами и повышают стойкость стали против межкристаллической коррозии. При увеличении количества Ni 12–19% повышаются жаро и коррозионная стойкость, используется закалка и нормализация. Стали используются в химической промышленности для литья арматуры и турбин. Эти стали очень чувствительны к изменению t условий литья и склонны к образованию грубозернистой дендритной структуры и т.о. она не исправляется. Для улучшения структуры используют модифицирование.

Хромоникелевые аустенитные жаропрочные стали: Жаропрочность достигается за счёт добавок вольфрама и молибдена. В стали 08Х17Н34В5Т3Ю2Л жаропрочность обеспечивается дисперсионным твердением. Эти стали используют для сопловых и рабочих лопаток газотурбинных двигателей и других деталей, работающих при t <800^о.

Высокомарганцовистые мартенситные износостойкие стали: (110Г13Л – сталь Гадфильда). После закалки от 1100^о она имеет аустенитную структуру с твёрдостью 200 НВ и высокой вязкостью, что обеспечивает хорошее сопротивление ударным нагрузкам. При эксплуатации детали из этих сталей аустенит наклёпывается и твердость достигает 600 НВ, износостойкость возрастает. Для отливок характерны литейные дефекты: трещины и рыхлоты. При чисто абразивном износе, когда преобладает механизм среза поверхности, сталь гадфильда не имеет существенных преимуществ перед другими сталями с аналогичной твёрдостью. Недостатки стали 110Г13Л: высокое содержание P, который вносится при легировании стали FeMg, также она практически не обрабатывается резанием.

 

4. Классификация чугунов. Структурообразование. Графитообразование в чугунах. Классификация чугунов по состоянию углерода, форме графита и другим характеристикам структуры. Влияние структуры на комплекс механических и эксплуатационных свойств. Влияние элементов на положение критических точек в системе железо-углерод. Фазовый состав чугуна. Формирование первичной структуры в чугунах. Понятие о степени эвтектичности и углеродном эквиваленте. Формирование вторичной структуры в чугунах. Выделение вторичных фаз при охлаждении. Эвтектоидное превращение в белых и серых чугунах. Влияние кремния на структурообразование. Анализ влияния скорости охлаждения на структурообразование по термокинетическим диаграммам распада аустенита. Структурные диаграммы чугуна. Графитообразование в чугунах. Форма и расположение графитовых выделений. Влияние графитных включений на физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства. Классификация элементов по их влиянию на процесс графитизации. Механизм и кинетика процесса графитизации.

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода.

Чугуны делятся по форме графита в них. Белый чугун – графит в связном состоянии в виде карбида. Серый чугун – пластинчатый графит. Высокопрочный чугун – шаровидный графит. Ковкий чугун – хлопьевидный графит.

Структурообразование.

На процесс структурообразования оказывает влияние Si. Оно может быть рассмотрено по изотермическим разрезам тройной диаграммы состояния Fe–C–Si.

Анализ разрезов позволяет более точно разделить область хим состава чугуна на до и заэвтектический. До и заэвтектические чугуны отличаются последовательностью выделения фаз и как следствие структурой и свойствами.

Графитообразование в чугунах.

Графитизация чугуна: образование графита в чугуне из жидкости или аустенита при его медленном охлаждении или при последующем специализированном отжиге (графитазирующий отжиг), сопровождается частичным или полным разложением цементита. Если графит образовался при кристаллизации частично в виде чешуек, то дальнейшее образование графита из аустенита будет происходить отложением углерода на ранее выделенных частицах. Считается, что этим определяется различие во внешней форме графита в чугунах.

Склонность к графитизации является фундаментальной характеристикой чугуна, определяющей подавляющее большинство технологических и эксплуатационных свойств этого материала, зависящий от того, как проходит или прошла графитизация чугуна, какова структура чугуна. Графитная фаза и графитизация является основным, наиболее существенным и одновременно наиболее просто контролируемым, а иногда и управляемым фактором (из многих, формирующих большинство свойств чугуна).

Графитизация чугуна при кристаллизации способствует повышению его жидкотекучести, формозаполняемости, также способствует и уменьшению дефектов в отливке усадочного происхождения: раковин, макро- и микропористости, позволяет уменьшить объём прибылей, способствует уменьшению напряжений и уменьшению трещинообразований.

При производстве белых и ковких чугунов графитизация при кристаллизации является нежелательным процессом, снижающим в конечном итого эксплуатационные свойства чугунов: белых - износостойкость, ковких - прочность и вязкость.

Таким образом, графитизация улучшает все технологические свойства графитизируемых чугунов.