Специальные конструкционные стали

• Коррозионностойкие стали
• Жаростойкие стали
• Жаропрочные стали
• Износостойкие стали

Специальные конструкционные стали — это высоколегированные (свыше 10%) стали, обладающие особыми свойствами — коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др.

Коррозионностойкие стали. Коррозионностойкой (или нержавеющей) называют сталь, обла­дающую высокой химической стойкостью в аг­рессивных средах. Коррозионностойкие стали по­лучают легированием низко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюми­нием, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого коли­чества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение получили хромистые и хромо-никелевые стали.

Хромистые стали более дешевые, одна­ко хромоникелевые обладают большей корро­зионной стойкостью. Содержание хрома в нержа­веющей стали должно быть не менее 12% (см. табл.). При меньшем количестве хрома сталь не способна сопротивляться коррозии, так как ее электродный потенциал становится отрицатель­ным.

Наибольшая коррозионная стойкость сталей достигается после соответствующей термической и механической обработки. Так, для стали 12X13 лучшая коррозионная стойкость достигается пос­ле закалки в масле (1000 — 1100°С), отпуска (700—750°С) и полировки. Эта сталь устойчива в слабоагрессивных средах (вода, пар). Сталь 40X13 применяют после закалки в масле с тем­пературой 1000—1050°С и отпуска (180—200°С) со шлифованной и полированной поверхностью. После термической обработки эта сталь облада­ет высокой твердостью (НRС 52—55).

Химический состав (%) некоторых нержавеющих сталей

Марка (ГОСТ 5632-72)	Класс	Элементы	Прочие элементы
С	Сr	Ni
12X13	Мартенситно-ферритный	0,09…0,15	12…14	—	—
40X13	Мартенсит-ный	0,36…0,45	12…14	—
12X17 08Х17Т	Ферритный То же	≤0,12 ≤0,08	16…18 16…18	—	5,0 — 0,8 Тi
12Х18Н9 12Х18Н9Т 04Х18Н10 10Х14Г14Н3	Аустенитный	≤0,12 ≤0,12 ≤0,04 0,09…0,14	17…19 17…19 17…19 12,5…14	8…10 8…9,5 9…11 2,8…3,5	— 5,0…0.8Тi — 13…15,5 Мn
09Х15Н8Ю	Аустенитно-мартенситный	≤0,09	14…16	7…9,4	0,7…1,3 Аl
08X21Н6М2Т	Аустенитно-ферритный	≤0,08	20…22	5,5…6,5	1,8…2,5 Мо 0,2…0,4 Тi

 

Более коррозионностойка (в кислотных сре­дах) сталь 12X17. Для изготовления сварных кон­струкций эта сталь не рекомендуется в связи с тем, что при нагреве ее выше 900—950°С и быст­рого охлаждения (при сварке) происходит обед­нение периферийной зоны зерен хромом (ниже 12%). Это объясняется выделением карбидов хрома по границам зерен, что приводит к межкристаллитной коррозии.

Межкристаллитная коррозия — особый, очень опасный вид коррозионного разрушения металла по границам аустенитных зерен, когда электрохимический потенциал пограничных, уча­стков аустенитных зерен понижается вследствие обеднения хромом и при наличии коррозионной среды границы зерен становятся анодами.

Для предотвращения этого вида коррозии применяют сталь, легированную титаном 08X17Т. Сталь 08Х17Т применяют для тех же целей, что и сталь 12X17, а также и для изготовления свар­ных конструкций.

Хромоникелевые стали содержат большое количество хрома и никеля, мало угле­рода и относятся к аустенитному классу. Для по­лучения однофазной структуры аустенита сталь (например, 12Х18Н9) закаливают в воде при тем­пературе 1100—1150°С; при этом достигается наиболее высокая коррозионная стойкость при сравнительно невысокой прочности. Для повыше­ния прочности сталь подвергают холодной пла­стической деформации и применяют в виде хо­лоднокатаного листа и ленты для изготовления различных деталей.

Сталь 12Х18Н9 склонна, как и хромистая сталь ферритного класса, к межкристаллитной коррозии при нагреве. Причины возникновения межкристаллитной коррозии те же — обеднение периферийной зоны зерен хромом (ниже 12%) вследствие выделения из аустенита карбидов хрома. Для предотвращения межкристаллитной коррозии сталь ле­гируют титаном, например сталь 12Х18Н9Т, или снижают содержание углерода, например сталь 04Х18Н10.

Хромоникелевые нержавеющие ста­ли аустенитного класса имеют боль­шую коррозионную стойкость, чем хро­мистые стали, их широко применяют в химической, нефтяной и пищевой про­мышленности, в автомобилестроении, транспортном машиностроении в стро­ительстве.

Для экономии дорогостоящего ни­келя его частично заменяют марган­цем. Например, сталь 10Х14Г14Н3 ре­комендуется как заменитель стали 12Х18Н9. Сталь аустенитно-мартенситного класса 09Х15Н8Ю применяют для тяжелонагруженных деталей. Сталь аустенитно-ферритного класса 08Х21Н6М2Т применяют для изготов­ления деталей и сварных конструкций, работающих в средах повышенной аг­рессивности — уксуснокислых, серно­кислых, фосфорнокислых. Разработаны марки высоколегированных ста­лей на основе сложной системы Fе—Cr — Ni — Мо — Сu — С. Коррозионная стойкость хромоникельмолибденомедистых сталей в некоторых аг­рессивных средах очень велика. Например, в 80%-ных растворах серной кислоты. Такие стали широко используют в химической, пищевой, авто­мобильной и других отраслях промышленности.

 

Коррозионностойкие стали

Марка (ГОСТ 5632-72)	Рабочая температу­ра, °С, не более	Назначение
12X13 20X13		Лопатки гидротурбин, компрессоров, клапанов и арматура для химической промышленности, пред­меты домашнего обихода
30X13		Валы, болты, шестерни, пружи­ны, работающие в условиях коррозионной среды и больших напря­жений
40X13	—	Шарикоподшипники, пружины, режущий хирур­гический и бы­товой инст­румент
04Х18Н10 12Х18Н10Т		Конструкции и детали, изготов­ляемые сваркой и штамповкой в машино­строении и химической промышленности

Жаростойкие стали. При высоких температу­рах металлы и сплавы вступают во взаимодейст­вие с окружающей газовой средой, что вызывает газовую коррозию (окисление) и разрушение ма­териала. Для изготовления конструкций и дета­лей, работающих в условиях повышенной темпе­ратуры (400—900°С) и окисления в газовой сре­де, применяют специальные жаростойкие стали. Под жаростойкостью (или окалиностойкостью) принято понимать способность материа­ла противостоять коррозионному разрушению под действием воздуха или других газовых сред при высоких температурах. К жароcтойким относят стали, содержащие алюминий, хром, кремний (см. табл.). Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Например, хромистая сталь, со­держащая 30% Cr, устойчива до 1200°С. Введе­ние небольших добавок алюминия резко повы­шает жаростойкость хромистых сталей. Стойкость таких материалов при высоких темпе­ратурах объясняется образованием на их поверх­ности плотных защитных пленок, состоящих в ос­новном из оксидов легирующих элементов (хро­ма, алюминия, кремния). Область применение жаростойких сталей — изготовление различных деталей нагревательных устройств и энергетиче­ских установок.

Жаростойкие стали

Марка (ГОСТ 5632-72)	Рабочая температу­ра, °С, не более	Назначение
40Х9С2		Клапаны двигателей внут­реннего сгорания
08X17Т		Детали, работающие в среде то­почных газов с повышенным содержани­ем серы
36Х18Н25С2		Сопловые аппараты и жаровые трубы газотурбинных установок

Жаропрочные стали. Некоторые детали ма­шин (двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургического оборудова­ния и т. п.) длительное время работают при больших нагрузках и высоких температурах (500—1000°С). Для изготовления таких деталей применяют специальные жаропрочные стали. Под жаропрочностью принято понимать способность материала выдерживать механиче­ские нагрузки без существенных деформаций при высоких температурах. К числу жаропрочных относят стали, содержащие хром, кремний,'мо­либден, никель и др. Они сохраняют свои проч­ностные свойства при нагреве до 650°С и более Из таких сталей изготовляют греющие элементы теплообменной аппаратуры, детали котлов, впу­скные и выпускные клапаны автомобильных и тракторных двигателей (см. табл. 8). В зависи­мости от назначения различают клапанные, котлотурбинные, газотурбинные стали, а также сплавы с высокой жаропрочностью.

Жаропрочные стали

Марка (ГОСТ 5632-72)	Рабочая температу­ра, °С, не более	Назначение
45Х14Н14В2М	800…900	Клапаны двигателей внутреннего сгорания большой мощности
08Х16Н13М2Б	600…700	Лопатки газовых турбин

Износостойкие стали. Для изготовления дета­лей машин, работающих в условиях трения, при­меняют специальные износостойкие стали — шарикоподшипниковые, графитизированные и высо­комарганцовистые. Шарикоподшипниковые стали (ШХ6, ШХ9, ШХ15) применяют для изготовле­ния шариков и роликов подшипников. По хими­ческому составу (ГОСТ 801—60) и структуре эти стали относятся к классу инструментальных ста­лей. Они содержат около 1% С и 0,6—1,5% Cr. Для деталей размером до 10 мм применяют сталь ШХ6 (1,05 — 1,15% С и 0,4 — 0,7% Cr), а для деталей размером более 18 мм — сталь ШХ15 (0,95 — 1,05% С и 1,3 — 1,65% Cr). Терми­ческая обработка шарикоподшипниковых сталей с небольшим содержанием хрома заключается в закалке и низком отпуске (до 200°С), в результа­те чего обеспечивается твердость HRC 60-66.

Графитизированную сталь (высокоуглеродистую, содержащую 1,5 — 2% С и до 2% Cr) используют для изготовления поршневых колец, поршней, коленчатых валов и других фа­сонных отливок, работающих в условиях трения. Графитизированная сталь содержит в структуре ферритоцементитную смесь и графит. Количество графита может значительно меняться в зависимости от режима термической обработки и содержания углерода. Графитизированная сталь после закалки сочетает свойства закаленной стали и серого чугуна. Графит в такой стали играет роль смазки.

Высокомарганцовистую cталь Г13Л, содержащую 1,2% С и 13% Мn, применяют для изготовления железнодорожных крестовин, звень­ев гусениц и т. п. Эта сталь обладает максимальной износостойкостью, когда имеет однофазную структуру аустенита, что обеспечивается закал­кой (1000—1100°С) при охлаждении на воздухе. Закаленная сталь имеет низкую твердость (НВ 200), после сильного наклепа ее твердость повышается до НВ 600.