Влияние легирующих элементов на свойства стали. Виды, марки и назначение сталей

Сталь – один из самых востребованных материалов в мире сегодня. Без нее сложно представить любую существующую строительную площадку, машиностроительные предприятия, да и много других мест и вещей, которые нас окружают в повседневной жизни. Вместе с тем, этот сплав железа с углеродом бывает достаточно различным, потому в данной статье будет рассмотрено влияние легирующих элементов на свойства стали, а также ее виды, марки и предназначение.

Классификация по назначению

Каждая сталь в зависимости от того, для чего она создана, в обязательном порядке может быть причислена в одну из следующих категорий:

• Конструкционная.
• Инструментальная.
• Специального назначения с особыми свойствами.

Самый многочисленный класс – это конструкционные стали, разработанные для создания разнообразных строительных конструкций, приборов, машин. Конструкционные марки разделяются на улучшаемые, цементуемые, пружинно-рессорные, высокопрочные.

Инструментальные стали дифференцируют в зависимости от того, для какого инструмента они производятся: режущего, измерительного и т. д. Само собой, что влияние легирующих элементов на свойства стали этой группы также велико.

Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:

• Нержавеющие (они же коррозионностойкие).
• Жаропрочные.
• Жаростойкие.
• Электротехнические.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы

ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОРРОЗИИ

Разрушение металлов и сплавов в результате хими­ческого или электрохимического воздействия на их по­верхность внешней агрессивной среды называется кор­розией.

Коррозия, как правило, сопровождается образова­нием на поверхности металла продуктов коррозионного разрушения. Так, например, на поверхности сплавов железа в результате коррозии образуется ржав­чина, имеющая бурый цвет. В некоторых же от­дельных случаях коррозия металлов не сопровож­дается образованием таких заметных продуктов раз­рушения и тогда ее появление обнаружить довольно сложно.

Коррозионное разрушение является результатом взаимодействия металла с внешней средой и интенсив­ность его развития зависит от свойств самого металла, а также от природы окружающей среды. Большинство металлов, будучи стойкими в одних средах, довольно легко разрушается при взаимодействии с другими сре­дами. Например, медные сплавы устойчивы во влаж­ной атмосфере, но сильно подвергаются коррозии, если в атмосфере присутствует даже незначительное коли­чество аммиака; тантал и титан при комнатных темпе­ратурах весьма стойки во многих агрессивных средах, но приобретают высокую химическую активность при нагреве их выше 600° С.

Различают несколько видов коррозии: сплошную или равномерную, когда коррозии подвергается вся по­верхность изделия; точечную или местную, если корро­зия развивается на отдельных небольших участках; межкристаллитную коррозию (МКК), когда коррозия распространяется в глубь изделия по границам зерен; коррозия под напряжением — возникновение коррози­онных трещин вследствие одновременного воздействия на металл растягивающих напряжений и агрессивной среды.

Коррозия может протекать вследствие чисто хими­ческих реакций с окружающей средой, а также вслед­ствие электрохимических процессов, происходящих на границе раздела металла с внешней средой. Наиболь­шее количество металла разрушается в результате электрохимической коррозии.

Электрохимической коррозией называют разрушение металлов и сплавов при воздействии на них электролитов. Этот тип коррозии характеризуется протеканием электрического тока, переходом атомов в ионизированное состояние и другими электрохимическими процессами.

Наиболее часто встречающимися на практике элек­тролитами являются водные растворы солей, кислот и щелочей. Таким образом, к электрохимической корро­зии относится корродирование металлических емкостей, трубопроводов, деталей машин и частей стационарных сооружений под действием кислот, морской, речной, грунтовой и других вод. Наиболее распространенной является атмосферная коррозия.

Если в электролите находятся два металла с раз­личными электродными потенциалами, то металл с бо­лее отрицательным электродным потенциалом (анод) непрерывно отдает ионы в раствор (растворяется), а образующиеся избыточные электроны непрерывно пере­текают в металл с менее отрицательным электродным потенциалом (катод). Катод в контактной паре не раз­рушается, электроны из него непрерывно удаляются во внешнюю среду.

Все металлы могут быть расположены в ряд в по­рядке убывания их электрохимического потенциала:

Металл …………………. Au Ag СuΗ Ni Fe Ζn Αl

Электродный потенциал, В +1,42 +0,80 +0,34 0 -0,23 -0,44 -0,76 -1,66

В технических металлах и сплавах, являющихся те­лами поликристаллическими, микроструктура состоит из зерен одной или нескольких фаз, неметаллических включений и т. п. Эти различные структурные составля­ющие, имеющие разные физико-химические свойства, при контакте с электролитом приобретают неодинако­вые по величине и знаку электродные потенциалы и одни из них станут анодами, а другие — катодами. Та­ким образом, технические металлы и сплавы при воз­действии на них электролитов можно рассматривать как многоэлектродные элементы, состоящие из огромного числа микроскопически малых коррозионных гальвани­ческих пар — микрогальванопар. Чем сильнее отлича­ются электродные потенциалы фаз, находящихся в спла­ве, тем быстрее происходит его коррозионное разруше­ние (в частности, дендритная ликвация именно поэтому снижает стойкость против электрохимической коррозии). Отсюда следует, что высокую коррозионную устойчивость могут иметь либо очень чистые металлы, либо сплавы, имеющие однородную (гомогенную) струк­туру твердого раствора.

Пассивным состоянием называется такое состояние металла (сплава), когда он обнаруживает повышенную коррозионную стойкость (даже практически перестает корродировать) в агрессивной среде. Противоположное состояние, когда этот же металл корродирует, называ­ется активным состоянием.

Экспериментальные данные показывают, что переход металла из активного состояния в пассивное связан с повышением его потенциала. Например, железо в обыч­ном состоянии имеет электродный потенциал —0,4 В, в пассивном состоянии его потенциал может повышаться до +1,0 В.

Влияние легирования. Различают две группы коррозионностойких металлов. Одни металлы хорошо сопро­тивляются коррозии вследствие их малой химической активности. Другие же, являясь по своей природе актив­ными элементами, приобретают высокую химическую устойчивость, благодаря явлению пассивности. К пер­вой группе относятся платина, палладий, золото, ко вто­рой — хром, титан, алюминий и др. Для увеличения коррозионной стойкости химически активного металла в него вводят легирующие элементы.

При легировании какого-либо металла другим, более благородным металлом вначале потенциал сплава прак­тически не изменяется. Но при достижении определен­ной концентрации происходит скачок потенциала и кор­розионная стойкость сплава в данной среде также уве­личивается скачком, появляются границы (пороги) устойчивости.

Экспериментально было установлено, что такие рез­кие изменения устойчивости наступают при кратном 8 соотношении атомов легирующего элемента к легиру­емому, т. е. n/8, где n — целое число 1, 2, 3… Это соот­ветствует 12, 5; 25; 37,5…% (ат.) легирующего элемента.

Появление границ устойчивости объясняется тем, что при взаимодействии сплава с агрессивной средой часть атомов основного металла переходит в раствор, а остав­шиеся атомы более благородного или легко пассиви­рующего металла образуют на поверхности металла как бы барьер. Этот барьер состоит или из самих ато­мов благородного металла, или из защитных экраниру­ющих пленок.

В более активных средах требуется более высокая концентрация устойчивого элемента, т. е. в этом случае границы устойчивости возникают при более высоком значении числа п.

Граница устойчивости наблюдается также в сплавах, у которых один из компонентов обладает способностью к самопассивированию. Эта граница наблюдается и в системах, когда один из компонентов в данной агрессивной среде образует защитные экранирующие пленки из нерастворимых соединений.

Коррозионная стойкость стали может быть повыше­на, если во-первых, содержание углерода снизить до минимально возможного количества и, во-вторых, ввести легирующий элемент, образующий с железом твердые растворы, в таком количестве, при котором скачкообраз­но повысится электродный потенциал сплава.

Сталь, стойкую против атмосферной коррозии, назы­вают нержавеющей. Сталь или сплав, имеющие высокую стойкость при коррозионном воздействии кислот, солей, щелочей и других агрессивных сред, называют кислото­стойкими.

ХРОМИСТЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ

Хром — основной легирующий элемент, делающий сталь коррозионностойкой в окислительных средах. Коррозионная стойкость хромистых нержавеющих ста­лей объясняется образованием на поверхности защитной плотной пассивной пленки окисла Сr2O3. Такая пленка образуется только при содержании хрома более 12,5% (ат.). Именно при таком содержании хрома (n=1) потенциал скачком изменяется от —0,6 до +0,2 В.

Железо с хромом образуют непрерывный ряд твер­дых растворов (Cм. диаграмму железо – хром) . Благодаря этому можно получить сталь с высоким содержанием хрома в твердом растворе. Хром не является дефицитным металлом, стоимость его сравнительно невысока, поэтому хроми­стые стали — самые дешевые нержавеющие стали. Эти стали обладают достаточно хорошим комплексом техно­логических свойств. Углерод в нержавеющих сталях, в том числе и в хромистых, является ρ нежелательным элементом, так как, связывая хром в карбиды, он тем самым обедняет твердый раствор хромом, понижая коррозионные свойства стали. Кроме того, углерод рас­ширяет область γ-твердого раствора, способствуя полу­чению двухфазного состояния (рис. 1).

Рис. 1. Влияние углерода на положение области γ — твердого раствора на диа­грамме железо — хром

При более высоком содержании хрома в стали будет присут­ствовать σ-фаза.

Чем больше содержание хрома, тем выше коррозионная стойкость хромистых сталей. В настоящее время хромистые стали выплавляют трех типов: 1) содержащие 13% Сr; 2) 17% Сr- 3) 25—28% Сr.

Стали 08X13 и 12X13 обладают по­вышенной пластичностью и их исполь­зуют для изготовления деталей, подвер­гающихся ударным нагрузкам (турбин­ные лопатки, арматура крекинг-устано­вок, предметы домашнего обихода и т. д.).

Из сталей 30X13 и 40X13, приобре­тающих после термической обработки структуру мартенсита, делают измери­тельный и медицинский инструменты, пружины и другие коррозионностойкне детали, от которых требуется высокая твердость или прочность.

Стали, содержащие 17 и 25—28% Сr относятся к сталям ферритного класса. Они имеют более высокую коррозион­ную стойкость по сравнению со сталя­ми типа Х13. При нагреве выше 850° С ферритные стали проявляют склонность к росту зерна, их пластичность понижается. Для полу­чения однофазной структуры, уменьшения склонности к росту зер­на и к МКК в эти стали добавляют титан и ниобий (08X17Т, 15Х25Т). Прочность повышается, пластичность сохраняется доста­точной, улучшаются свойства сварных швов. Эти стали применяют для изготовления аппаратуры, работающей в таких агрессивных средах, как дымящаяся азотная кислота, фосфорная кислота, де­лают коррозионностойкой аппаратуру химической и пищевой про­мышленности. Из стали 12X17 изготавливают теплообменники для горячих нитрозных газов, трубопроводы и баки для кислот и т. д.

Введение молибдена (12Х17М2Т) делает сталь стойкой даже в органических кислотах (уксусной, муравьиной). Стали ферритного класса не восприимчивы к коррозии под напряжением.

Для изготовления шарикоподшипников, работающих в агрессив­ных средах, используют сталь 95X18 (0,9—1,0% С, 17—19% Сr).

Все хромистые стали подвергают закалке с 1000— 1100° С с последующим отпуском (для сталей феррит­ного класса —при 700—750° С, мартенситного класса 200—250° С).

Стали ферритного класса при нагреве не испытывают превращений, поэтому термическую обработку проводят для получения структуры более однородного твердого раствора, что увеличивает коррозионную стойкость.

ХРОМОНИКЕЛЕВЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ

Никель относится к числу металлов, легко приобре­тающих пассивность, хотя его пассивирующая способ­ность меньше хрома и молибдена. Добавление никеля к железу в количестве 1/8 моля скачкообразно улучша­ет коррозионную стойкость сплава в серной кислоте. При концентрации никеля 2/8 моля коррозионная стой­кость повышается еще больше.

Диаграмма состояния железо— никель . Никель — аустенитообразующий элемент, сильно понижающий критические точки γ-να-превращения. Это влияние никель оказывает и при его введении в хромистые стали. Поэтому сталь, содержащая 18% Сr и 9%Ni, при комнатных температурах имеет структу­ру аустенита (см. рис. 2).

Рис. 2. Структурная диаграмма нержавеющих сталей

Нержавеющие стали, имеющие аустенитную струк­туру, обладают более высокой коррозионной стойкостью,

лучшими технологическими свойствами по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, в частности лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высо­ких температур, менее склонны к росту зерна при наг­реве и в то же время аустенитные стали не теряют пла­стичности при низких температурах. Как и хромистые, хромоникелевые стали коррозионностойки в окислитель­ных средах. Основным элементом, повышающим потен­циал железа, также является хром, поэтому его содер­жание должно быть >13%. Никель только дополни­тельно повышает коррозионную стойкость сталей.

Состав и свойства хромоникелевых нержавеющих сталей приведены в ГОСТ 5632—72. На рис. 2 приведена структурная диаграмма, позволяющая опре­делять структуру стали в зависимости от ее состава.

Хромоникелевые стали в зависимости от состава и структуры подразделяются на стали аустенитного, аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного клас­сов.

Чем ниже содержание углерода, тем выше коррози­онные свойства нержавеющих сталей. Углерод, содер­жащийся в хромоникелевых сталях, может находиться в твердом растворе, а также в карбидах или карбонитридах различной степени дисперсности. Преимуществен­но образуются карбиды Сr23С6, причем они образуются уже при содержании углерода немногим больше 0,04% (0,04% С — предел растворимости углерода в аустените, легированном никелем). Если в сталях содержится азот (например, сталь Х17АГ14), то могут образовы­ваться карбонитриды типа Me23(C,N)6 и Me(C,N).

Большинство хромоникелевых нержавеющих сталей относится к аустенитному классу: 04Х18Н10, 12Х18Н9Т, 09Х14Н16Б, 08Х10Н20Т2 и др. Эти стали пластичны, хорошо свариваются, обладают повышенной жаропроч­ностью, коррозионностойки во многих средах, имеющих среднюю активность. Сталь 12Х18Н10Т — наиболее де­шевая и поэтому чаще употребляемая.

Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с 1050—1100° С в воде. При этом получают σΒ=50—60 кгс/мм2 и δ=35- 45%. Эти стали упрочняют холодной пластической деформацией.

Дополнительное легирование хромоникелевых сталей молибденом и медью повышает их коррозионную стой­кость и кислотостойкость (03Х16Н15МЗ, 03Х17Н14М2). Иногда в эти стали вводят в небольших количествах титан и алюминий, которые, образуя дисперсные интерметаллиды типа Ni3(Ti,Al), упрочняют аустенит (08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15МЗТ).

Сталь 06ХН28МДТ (0,06% С; 22-25% Сr; 26— 29% Ni; 2,5-3% Мо; 2,5-3,5% Сu и 0,5-0,3% Ti) обла­дает высокой коррозионной стойкостью, ее используют в средах высокой агрессивности (разбавленная серная кислота и др.). Эта сталь после закалки с 1100″С в воде имеет структуру аустенита с небольшим количест­вом карбонитридов. После кратковременных нагревов до 500—900° С не обнаруживает склонности к МКК.

Никель —достаточно дорогой и дефицитный металл, поэтому создают нержавеющие стали с меньшим содер­жанием никеля. Для этого вводят в состав нержавею­щих сталей другие аустенитообразующие элементы, например марганец и даже азот (стали 10Х14Г14Н4Т, 15Х17АГ14, 10Х14АГ15 и др.).

Аустенитно-мартенситные стали (стали переходного класса) имеют меньшую коррозионную стойкость по сравнению с аустенитными сталями, но превосходят их по прочности (σΒ = 120—130 кгс/мм2). К сталям переход­ного класса относятся стали 09X15Н8Ю, 09X17Н7Ю, 08Х17Н5МЗ, 20Х13Н4Г9 и др.

Режим термической обработки этих сталей характе­ризуется большой сложностью: закалка, обработка хо­лодом, отпуск —ста­рение. На рис. 3 приведено влияние различных видов тер­мической обработки на прочность нержаве­ющих сталей различ­ных классов. Наи­большее упрочнение получают стали пере­ходного класса. Такие стали используют для создания легких кон­струкций, обладающих высоким сопротивле­нием коррозионному разрушению.

Рис. 3. Влияние термической обра­ботки на прочность нержавеющих сталей:

1 — закалка; 2 — закалка и обработка холодом; 3- закалка, обработка холо­дом, отпуск (старение)

Аустенитно-ферритные стали предложены как заменители хромоникелевых сталей типа Х18Н8 с целью экономии ни­келя. К этому классу относятся стали 12Х21Н5Т и 08Х22Н6Т. Аустенитно-ферритные стали при комнатных температурах имеют прочность и твердость выше, чем у стали типа 18-8, но пластичность и ударная вяз­кость у них ниже. Эти стали не обладают стабильно­стью свойств: их свойства зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз, которое в свою очередь зависит от суммарного влияния ферритообразующих (Сr, Ti, Mo, Si) и аустенитообразующих (Ni, N2, С) элементов. С увеличением количества феррита жаро­прочность сталей уменьшается, прочность увеличивает­ся, пластичность уменьшается, но не ниже 30%. Хоро­шие технологические свойства получаются при соотно­шении Φ :А=1: 1.

К этому классу сталей относится и сталь 15Х28АН, обладающая хорошими механическими свойствами

(σΒ= 65—70 кгс/мм2, δ= 11—23%), в том числе и в свар­ном шве.

Типовая термическая обработка аустенитно-ферритных сталей: закалка с 1000—1150° С и отпуск — старе­ние при 500—750° С.

Аустенитно-ферритные стали не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением: трещины могут возникнуть только на аустенитных участках, но ферритные участки задерживают их развитие.

В нержавеющих сталях наблюдается особый вид коррозии, на­зываемый межкристаллитной коррозией (иногда также называют ее интеркристаллитной). Такая коррозия протекает главным образом по границам зерен и представляет большую опасность, поскольку не имеет каких-либо внешних признаков — металл сохраняет даже ме­таллический блеск. При этом прочность катастрофически падает, ис­чезает металлический звук, металл настолько легко разрушается, что может быть превращен в порошок. Межкристаллитная коррозия (МКК) развивается в том случае, если изделие из нержавеющей стали после закалки подвергали нагреву до 500—700° С либо если в этом температурном интервале проводили замедленное охлажде­ние. При этом на электронных микрофотографиях отчетливо видна сетка карбидов хрома.

Причины возникновения МКК изучают много лет и существует несколько теорий, объясняющих причины возникновения этого опас­ного явления.

Наиболее принятой считается так называемая «теория обедне­ния». Известно, что граница зерен — это переходная зона между ними.

Если проникновение растворенной примеси в межзеренную зону сни­жает избыточную энергию границ, концентрация этой примеси в зо­не повышается. Установлено, что углерод снижает избыточную энер­гию границ, поэтому происходит межкристаллитная внутренняя ад­сорбция углерода по границам зерен нержавеющей стали. Таким об­разом, уже при закалке атомы углерода неоднородно распределяют­ся в твердом растворе, их концентрация по границам больше, чем в зерне. Хотя при этом не образуется карбидов хрома, однако такая повышенная концентрация углерода является как бы подготовкой для их быстрого образования. При нагреве до 500—700° С по грани­цам зерен образуются карбиды хрома Сг23С6. При этих температу­рах диффузия углерода, находящегося в твердом растворе, к грани­цам зерен протекает быстрее, чем хрома. Поэтому на образование карбидов расходуется не только имеющийся там запас углерода, но и углерод, диффундирующий изнутри зерен. В то же время хром, необходимый для образования карбидов, поступает, на первых ста­диях процесса с границ или из пограничных зон аустенита. В ре­зультате содержание хрома в приграничных зонах зерен становится меньше 13% (даже до 6,5%) и они теряют коррозионную стойкость.

Ввиду большой опасности явления МКК все выплавляемые нер­жавеющие стали обязательно проверяют на склонность к этому ви­ду коррозии. При этом образцы из закаленной стали подвергают про­воцирующему отпуску в течение часа при 650° С. После этого образцы кипятят в агрессивной среде и определяют наличие МКК.

Склонность к МКК нержавеющих сталей можно устранить: 1) уменьшением содержания углерода (в сталях, содержащих 0,02% С, МКК не наблюдается); 2) введением элементов — стаби­лизаторов титана или ниобия, имеющих большее, чем хром, сродство к углероду; 3) применением стабилизирующего отжига (нагрев из­делия до 850°С).

Рис. 4. Микроструктура хромоникелевой нержавеющей стали 08Х18Н9 без МКК (а) и с МКК. (б)

При сварке в околошовной зоне металл может нагреваться до опасных температур (500—700° С). Поэтому если сталь склонна к МКК, то из нее не следует делать сварных изделий, либо после свар­ки необходимо провести термическую обработку, хотя бы отжиг до 650°С. На рис. 4, α приведены микроструктуры нержавеющей стали 08Х18Н9 после термической обработки (закалки с 1100° С в воде), нагрева при 650° в течение часа и кипячения в серной кислоте 48 ч (рис. 4,б).

КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ СПЛАВЫ И ЧУГУНЫ

Кроме нержавеющих сталей, в промышленности ис­пользуют и другие коррозионностойкие сплавы.

Для особо агрессивных сред применяют сплавы на ни­келевой основе типа хастеллой (сплавы НИМО). Содер­жание никеля в этих сплавах достигает 80%. Вторым элементом, присутствующим в этих сплавах в больших количествах, является молибден (15—30%). Состав не­которых сплавов приведен в табл. 1.

Таблица 1.

Химический состав (%) кислотостойких сплавов на никелевой основе типа хастеллой

Эти сплавы обладают очень высокой коррозионной стойкостью в таких средах, где, кроме них, устойчивы лишь немногие металлы (например, в кипящей фосфор­ной кислоте до концентрации 50%, в кипящей соляной кислоте до 20% и др.).

Сплавы хастеллой обладают высокими механически­ми свойствами, которые могут быть улучшены термичес­кой обработкой — закалкой+старением при 800° С. При этом σв = 120 кгс/мм2 и твердость ΗВ = 360.

Недостатком сплавов является склонность к МКК, поэтому содержание углерода в них должно быть мини­мальным.

Коррозионностойкие чугуны стойки во многих агрес­сивных средах (и не только в окислительных). Они, как правило жаростойки. Легированные чугуны дешевле не­ржавеющих сталей, обладают хорошими литейными свойствами, поэтому изделия из них получают методами литья. Химический состав и свойства кислотостойких чугунов приведены в ГОСТ 2176 и ГОСТ 2233 (табл. 2).

Хромистые чугуны содержат 26—36% Сr. Структура хромистых чугунов — твердый раствор хромистого фер­рита и эвтектические карбиды. Карбиды могут находить­ся и в свободном состоянии, причем преимущественно образуются карбиды Сг7С3. Хромистые чугуны (Х34) имеют высокую твердость (НВ 325—400), хорошо сопротивляются износу, но плохо обрабатываются резанием. Сплавы 25X18Л и 30Х20Л по содержанию углерода относятся к сталям, а по свойствам — к чугунам. Литей­ные и механические свойства у них лучше, чем у Х28 и Х34, они менее склонны к образованию горячих трещин

Таблица2.

Химический состав (%) коррозионностойких чугунов и литых сталей

* Содержится 3,5—4,5 Мо.

** В сплаве СЧЩ-1 содержится 0,8—1% Ni, в сплаве СЧЩ-2 0,4—0,5% Ni.

Хромистые чугуны стойки в окислительных средах: в азотной кислоте любой концентрации при 20° С и 40%-ной кипящей; в концентрированной серной кислоте и других средах. Окалиностойкость сохраняется до 1000—1100° С.

Из хромистых чугунов изготавливают детали и аппа­ратуру для азотной промышленности, искусственных удобрений, фильеры и т.д. Используют их и как жаро­стойкие материалы — для изготовления печного обору­дования, колосников, гребков и лопастей в печах, пред­назначенных для обжига.

Кремнистые чугуны относятся к кислотостойким сплавам. Кремний, как и хром, расширяет область су­ществования феррита и сплавы, содержащие до 14,5% Si, имеют структуру однородного твердого раствора. Содер­жание углерода в кремнистых чугунах всего лишь 03—0,8%, при большем содержании возможно выделе­ние углерода в виде графита. Чугуны выплавляют с со­держанием кремния до 18%, так как при более высоком его содержании эти сплавы становятся хрупкими и их невозможно использовать. При резкой смене температур возможно растрескивание. В окислительных средах на поверхности изделий образуется прочная пленка SiО2, которая восстанавливается при механических повреж­дениях.

Изделия из кремнистых чугунов изготавливают толь­ко литьем, без последующей механической обработки (возможно только шлифование).

Сплав Φ15, называемый также «антихлор», содержит 3,5—4,5% Мо. В результате добавления молибдена сплав устойчив в 10—30%-ных растворах соляной кислоты (до 90° С).

Из кремнистых чугунов изготавливают центробежные насосы, распылители кислот, краны, котлы, чаны и т. д. Все кремнистые чугуны обладают высокой окалиностйкостью.

Никелевые чугуны содержат ~1% Ni (см. табл.2). Эти чугуны .стойки в расплавах солей и в концентриро­ванных растворах щелочей. С увеличением содержания никеля коррозионная стойкость чугунов увеличивается. Состав никелевых чугунов может быть и более сложным: никелькремнистый аустенитный чугун содержит, %: 1,7—2 С; 1,8—3 Сr; 5—7 Si и 16—20 Ni; никельмедистый 2—2,8 С; 3—4 Сr; 5—8 Сu; 1,5—1 Si и 12—5 Ni.

Группы сталей по химическому составу

Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:

• Углеродистые марки стали.
• Легированные.

При этом обе эти группы дополнительно разделяются еще и по количеству содержащегося в них углерода на:

• Низкоуглеродистые (карбона менее 0,3%).
• Среднеуглеродистые (концентрация карбона равно 0,3 – 0,7 %).
• Высокоуглеродистые (карбона более 0,7%).

Несколько слов о качестве стали

Этот параметр данного сплава подразумевает под собой совокупность свойств, которые, в свою очередь, обуславливаются непосредственно процессом его производства. К подобным характеристикам, которым подчиняются и легированные инструментальные стали, относятся:

• Химический состав.
• Однородность структуры.
• Технологичность.
• Механические свойства.

Качество любой стали напрямую зависит от того, сколько содержится в ней кислорода, водорода, азота, серы и фосфора. Также не последнюю роль играет и метод получения стали. Самым точным с точки зрения попадния в требуемый диапазон примесей является сопособ выплавки стали в электропечах.

Промышленные стали и чугуны

Промышленная сталь и чугун являются многокомпонентными сплавами, которые, помимо железа и углерода, содержат так называемые банальные примеси. Постоянными примесями являются марганец, кремний, наличие которых является техническими характеристиками производства, фосфор, сера и кислород-азот, водород, которые не могут быть полностью удалены из металла. Содержание углерода и примесей влияет на свойства железоуглеродистых сплавов.

Углерод оказывает большое влияние на механические свойства стали.

Чем выше содержание углерода в стали, тем больше цементита содержится в ее структуре.

Цементит обладает высокой твердостью и хрупок, поэтому увеличение количества повышает прочность и твердость стали, что снижает ее пластичность и прочность. содержание углерода в стали увеличивается, плотность, электропроводность, теплопроводность и проницаемость уменьшаются, а электрическое сопротивление увеличивается.

Кремний и марганец считаются полезными примесями. При выплавке стали ее добавляют для раскисления. При соединении с оксидом железа FeO он превращается в шлак в виде oxide. As в результате раскисления улучшаются свойства стали.

• Если кремний останется в Стали после раскисления, то предел текучести возрастет, а способность к холодной работе под давлением снизится. Поэтому при штамповке стали необходимо снижать содержание кремния.
• Марганец, не снижая пластичности, значительно повышает прочность стали, резко снижает ее хрупкость при высоких температурах(красный излом), выводит серу из расплава.

Фосфор и сера являются вредными примесями. Фосфор снижает пластичность и вязкость стали и облегчает ее растрескивание при низких температурах(холодная хрупкость).Сера снижает вязкость, пластичность, долговечность, свариваемость и коррозионную стойкость стали. Сера вызывает охрупчивание стали при высоких температурах. Содержание серы и фосфора в стали строго ограничено.

Легированная сталь и изменение ее свойств

Легированная сталь, марки которой содержат в своей маркировке буквенные обозначения вводимых принудительно элементов, меняет свои свойства не только от этих сторонних веществ, но и также от их взаимного действия между собой.

Если рассматривать конкретно углерод, то по взаимодействию с ним легирующие элементы можно условно разделить на две большие группы:

• Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) – молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.
• Элементы, не создающие карбидов – кремний, алюминий, никель.

Стоит заметить, что стали, которые легируются карбидобразующими веществами, имеют очень высокую твёрдость и повышенное сопротивление износу.

Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, 09Г2, 12Г2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.

Влияние легирующих элементов на свойства

Вольфрам повышает стабильность аустенита в перлитной области, но мало влияет на стабильность аустенита в промежуточной области. Увеличивает сопротивление к tempering. It дает сопротивление жары. Марганцевый эффект: легирование феррита включает его упрочнение.

Марганец и хром оказывают наибольшее влияние на strength. In кроме того, чем мельче частицы феррита, тем выше их прочность. Когда содержание марганца больше чем 1%, Твердость улучшена, зона аустенита увеличена, закаливаемость улучшена, раскисление повышено, стабилизированные карбиды сформированы, и коррозионная устойчивость улучшена.

Рефераты по материаловедению

Расшифровка

Содержание легирующих элементов в стали можно определить по ее маркировке. Каждая из таких вводимых в сплав составляющих имеет своё буквенное обозначение. Например:

• Хром – Cr.
• Ванадий –V.
• Марганец –Mn.
• Ниобий – Nb.
• Вольфрам –W.
• Титан – Ti.

Иногда в начале индекса марки стали стоят буквы. Каждая из них несет особый смысл. В частности, буква «Р» означает, что сталь является быстрорежущей, «Ш» сигнализирует, что сталь шарикоподшипниковая, «А» – автоматная, «Э» – электротехническая и т. д. Высококачественные стали имеют в своем цифро-буквенном обозначении в конце литеру «А», а особо качественные содержат в самом конце маркировки букву «Ш».

Воздействие легирующих элементов

В первую очередь следует сказать, что основополагающее влияние на свойства стали оказывает углерод. Именно этот элемент обеспечивает с повышением своей концентрации увеличение прочности и твердости при снижении вязкости и пластичности. Кроме того, повышенная концентрация углерода гарантирует ухудшение обрабатываемости резанием.

Содержание хрома в стали напрямую влияет на ее коррозионную стойкость. Этот химический элемент формирует на поверхности сплава в агрессивной окислительной среде тонкую защитную оксидную пленку. Однако для достижения такого эффекта в стали хрома должно быть не менее 11,7%.

Особого внимания заслуживает алюминий. Его применяют в процессе легирования стали для удаления кислорода и азота после ее продувки, дабы поспособствовать уменьшению старения сплава. Кроме того, алюминий значительно повышает ударную вязкость и текучесть, нейтрализует крайне вредное влияние фосфора.

Ванадий – это особый легирующий элемент, благодаря которому легированные инструментальные стали получают высокую твёрдость и прочность. При этом в сплаве уменьшается зерно и повышается плотность.

Легированная сталь, марки которой содержат вольфрам, наделена высокой твёрдостью и красностойкостью. Вольфрам хорош также и тем, что он полностью устраняет хрупкость во время запланированного отпуска сплава.

Для увеличения жаропрочности, магнитных свойств и сопротивления значительным ударным нагрузкам сталь легируют кобальтом. А вот одним из тех элементов, который не оказывает какого-либо существенного влияния на сталь, является кремний. Однако в тех марках стали, которые предназначены для сварных металлоконструкций, концентрация кремния должна быть обязательно в пределах 0,12-0,25 %.

Значительно повышает механические свойства стали магний. Его также используют в качестве десульфуратора в случае использования внедоменной десульфурации чугуна.

Низколегированная сталь (марки ее содержат легирующих элементов менее 2,5%) очень часто содержит марганец, что обеспечивает ей непременное увеличение твердости, износоустойчивости при сохранении оптимальной пластичности. Но при этом концентрация этого элемента должна быть более 1%, иначе не получится достигнуть указанных свойств.

Углеродистые марки стали, выплавляемые для различных масштабных строительных конструкций, содержат в себе медь, которая обеспечивает максимальные антикоррозионные свойства.

Для увеличения красностойкости, упругости, предела прочности при растяжении и стойкости к коррозии в сталь обязательно вводят молибден, который также еще и повышает сопротивление окислению металла при нагреве до высоких температурных показателей. В свою очередь церий и неодим применяются для снижения пористости сплава.

Рассматривая влияние легирующих элементов на свойства стали, нельзя обойти вниманием и никель. Данный металл позволяет стали получить превосходную прокаливаемость и прочность, повысить пластичность и ударопрочность и понизить предел хладноломкости.

Очень широко используется в качестве легирующей добавки и ниобий. Его концентрация, в 6-10 раз превышающая количество обязательно присутсвтующего углерода в сплаве, позволяет устранить межкристаллитную коррозию нержавеющей марки стали и предохраняет сварные швы от крайне нежелательного разрушения.

Титан позволяет получить самые оптимальные показатели прочности и пластичности, а также улучшить коррозионную стойкость. Те стали, которые содержит эту добавку, очень хорошо подвергаются обработке различным инструментом специального назначения на современных металлорежущих станках.

Введение в стальной сплав циркония дает возможность получить требуемую зернистость и при необходимости оказывать влияние именно на рост зерна.

Коррозионностойкая сталь — основные виды

Коррозионостойкие сплавы определяют по их способности противостоять под действием большого набора естественных и искусственных коррозионных сред: атмосферных, подводной, грунтовой (подземной), щелочной, кислотной, солевой, среды блуждающих токов. Стойкость проявляется к воздействиям химической, электрохимической, межкристаллитной коррозии.

Классификация нержавеющих сплавов регулируется нормативными документами ГОСТ, в которых описывается сталь в соответствии с производственными процессами и применением.

Сплавы делятся на несколько групп по критерию структуры. Они различаются по процентному содержанию углерода и составу легирующих компонентов. Эти соотношения определяют, где и каким образом может применяться тот или иной тип стали.

Основные группы:

1. Ферритные
2. Мартенситные.
3. Аустенитные.
4. Комбинированные.

Ферритная группа

К группе ферритов относятся хромистые стали. Они маркируются литерой F. Стали с большим содержанием хрома — до 30%, и небольшим углерода – до 0,15%. Обладают ферромагнитными свойствами, то есть характеризуются намагниченностью за пределами магнитного поля при низкой критической температуре.

Для достижения оптимальных свойств регулируется и находится баланс между содержанием углерода и хрома.

Плюсы – высокая прочность и столь же высокая пластичность.

Другие характеристики:

• Хорошая деформируемость в условиях холодной деформации.
• Высокая коррозийная стойкость.
• Может подвергаться термообработке методом отжига.

Идет на производстве трубопроката, листовых и профилированных промежуточных и конечных изделий.

Отрасли, применяющие стали ферритной группы:

• Химическая и нефтехимическая промышленность. Оборудование и конструкции для работы в кислотной и щелочной среде.
• Тяжелое машиностроение.
• Энергетика.
• Приборостроение для промышленности.
• Производство бытовой аппаратуры и приборов.
• Пищевая промышленность.
• Медицинская промышленность.

Примеры марок сталей по ГОСТ и их применения:

Сталь 08Х13 – ферритный хромистый сплав. Применяется для производства столовых приборов.

Сталь 12Х13 – ферритный хромистый сплав. Используется для хранения алкогольсодержащих продуктов.

Сталь 12Х17– ферритный хромистый жаропрочный сплав. В емкостях из него проводится высокотемпературная обработка пищевых продуктов.

Мартенситная группа

Под мартенситом понимается структура, которая получается в результате закалки заготовки или слитка металла с последующим отпуском. Закалка заключается в нагреве до температуры, которая превышает критическую, отпуск – последующее быстрое охлаждение металла. В результате этого процесса перестраивается кристаллическая решетка, делая материал более твердым. Но может повыситься и хрупкость.

Такая процедура дает сплавы, в которых сочетаются

• Высокая твердость.
• Высокая прочность.
• Хорошая упругость.
• Устойчивость к коррозии.
• Жаропрочность.

Если повысить содержание углерода в сплаве, увеличиваются качества твердости и устойчивости к изнашиванию.

Сталь предназначена для изготовления металлоизделий для функционирования в агрессивных средах средней и слабой интенсивности. Свойство упругости позволяет изготавливать такие компоненты оборудования, как пружины, фланцы, валы. Из мартенситной и мартенситно-ферритной комбинированной стали изготавливают режущие элементы — ножи для конструкций в химической промышленности, а также в пищевой.

Примеры марок сталей по ГОСТ и их применения:

Сталь 20Х13, 30Х13, 40Х13 – мартенситный сплав. Применяется в производстве кухонного оборудования.

Сталь 14Х17Н2 — мартенситно-ферритный комбинированный сплав, содержит никель. Используется для производства компрессоров, оборудования для эксплуатации в агрессивных средах и при пониженной температуре.

Аустенитная группа

Аустенитный класс нержавеющих сталей отличается химическим строением, внедрением атомов углерода в молекулярную решетку железа. Содержит большой процент хрома и никеля – до 33%. Это высоколегированные металлы. Немагнитность позволяет применять сплавы в широком спектре производственных процессов.

Это обуславливает такие свойства группы металлов, как

• Пластичность в холодном и горячем состоянии.
• Прочность.
• Свариваемость на высоте.
• Стойкость к агрессивным средам, пример которых — азотная кислота.
• Экологическая чистота.
• Устойчивость к электромагнитным излучениям.

Для получения стабильного аустенита, гранецентрированной кристаллической решетки железа, сталь легируют никелем, повышая его содержание до 9%. Легирование проводится титаном и ниобием для повышения устойчивости к межкристаллитной коррозии. Такие сплавы получили наименование стабилизированных.

Коррозионностойкие стали группы относятся к труднообрабатываемым металлам. Для облегчения работы с ними применяют методы термообработки: отжиг и двойную закалку. Отжиг проводится нагреванием до 1200 гр. С около 3-х часов. Остывание проходит в воде или масляной жидкости, или на открытом воздухе. Таким способом повышается гибкость сплава за счет снижения твердости. Двойная закалка предполагает процесс нормализации твердого раствора металла при температуре 1200 гр. С. Вторично закалка проходит при 1000 гр. С. Происходит увеличение пластичности и жаропрочности – устойчивости к высоким температурам.

Применение

Аустенитные металлы используются для производства конструкционных материалов под холодную штамповку и сварку. Из них изготавливают:

• Разнообразные емкости.
• Строительные конструкции.
• Трубы из коррозионностойкой стали.
• Агрегаты для нефтехимии и химического производства.
• Конструкции для нефтяных вышек, очистительных станций.
• Механизмы, работающие под водой, такие как, турбины.
• Силовые приборы в энергетической сфере.
• Компоненты и агрегаты для автомобилей, самолетов.
• Оборудование для продуктов питания.
• Медицинская, фармакологическая аппаратура.
• Элементы крепежа.
• Сварные конструкции.
• И другие виды продукции.

Примеры марок сталей по ГОСТ и их применения:

Сталь 12Х18Н10Т — высоколегированный хромистый сплав, с присадками никеля и титана. Из нее делают оборудование для нефтепереработки и химической промышленности.

Сталь 12Х18Н10Т — аустенитная хромистая сталь с присадкой никеля. Из нее изготавливаются трубопроводы для химической и пищевой индустрии с ограничениями по температуре.

Сталь 12Х15Г9НД — высоколегированный сплав, содержащий хром, марганец, никель, медь. Применяется в производстве трубопроводных систем и ёмкостей, работающих с органическими кислотами умеренной агрессивности

Комбинированные сплавы

Сочетают структуру и свойства аустенитно-мартенситной или аустенитно-ферритной категорий.

Аустенитно-ферритные стали содержат небольшое количество никеля, в них высокое содержание хрома (более 20%), легирование проводится ниобием, титаном, медью. После прохождения термической обработки отношение феррита и аустенита становится равновесным. Такие сплавы более прочные, чем аустенитные, отличаются пластичностью, устойчивостью к межкристаллической коррозии. Они хорошо выдерживают ударные нагрузки.

Аустенитно-мартенситная группа металлов с содержанием хрома в границах 12-18%, никеля в границах 3,7 -7,5%. Могут использоваться присадки алюминия. Упрочнение проводится закалкой при температуре более 975 гр. С, и последующим отпуском при температуре 450-500 гр. С. Они обладают повышенным показателем предела текучести: характеристики, которая указывает на напряжение, при котором рост деформации продолжается без роста нагрузки. Сплавы демонстрируют хорошую свариваемость и хорошие механические качества.