9. Коррозионно-стойкие стали. Хромистые стали. Хромоникелевые стали. То. Структура, свойства, применение.

Поверхностное разрушение металла под воздействием внешней среды называется коррозией. Чистое железо и низколегированные стали неустойчивы против коррозии в атмосфере, в воде и во многих других средах, так как образующаяся плёнка окислов недостаточно плотна и не изолирует металл от химического воздействия среды. Некоторые элементы повышают устойчивость стали против коррозии, и таким образом можно создать сталь (сплав), практически не подвергающуюся коррозии в данной среде.

При введении таких элементов в сталь (сплав) происходит не постепенное, а скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Введение в сталь >12% Cr делает её коррозионно-стойкой в атмосфере и во многих других промышленных средах. Сплавы, содержащие меньше 12% Cr, практически в столь же большой степени подвержены коррозии, как и железо. Сплавы, содержащие более 12-14% Cr, ведут себя как благородные металлы: обладая положительным потенциалом, они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей, щелочей.

Хромистые нержавеющие стали применяют трёх типов: с 13, 17, и 27% Cr, причём стали с 13% Cr в зависимости от требований имеют различное содержание углерода (от 0,1 до 0,04%).

Стали с 17-18 и 25-28% Cr имеют иногда небольшие добавки титана и никеля. Титан вводят для измельчения зерна, а никель для улучшения механических свойств.

Введение достаточного количества никеля в 18%-ную хромистую сталь делает её аустенитной, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также более коррозионностойкой и не хладноломкой. Нержавеющие стали с 18% Cr и 10% Ni получили наиболее широкое распространение в машиностроении, в изделиях широкого потребления, а также в архитектуре и скульптуре.

Хромоникелевые стали могут быть разделены на три класса:

Аустенитные стали – с устойчивым аустенитом.

Аустенитно-мартенситные стали (или стали так называемого переходного класса). В этих сталях при охлаждении на воздухе обычно образуется некоторое количество мартенсита.

К этому же классу относятся и те стали, аустенит которых при охлаждении до комнатной температуры хотя и не даёт признаков - превращения, но всё же неустойчив, так как при обработке холодом или под действием пластической деформации он превращается в мартенсит.

Аустенито-ферритные стали, имеющие структуру . Аустенит в этих сталях может быть устойчивым и неустойчивым.

В хромоникелевых нержавеющих сталях из-за наличия углерода могут образовываться специальные карбиды, преимущественно типа .

Выделение карбидов происходит по границам зёрен, что при определённых условиях приводит и к охрупчиванию стали и к появлению особого вида коррозионного разрушения по границам зёрен – очень опасного, называемого межкристаллитной (интеркристаллитной) коррозией (МКК).

Титан и ниобий, соединяясь с углеродом, препятствуют тем самым образованию хромистых карбидов и проявлению интеркристаллитной коррозии. Титан и ниобий следует вводить в достаточных количествах (чтобы они могли связать весь углерод).

Более надёжно устраняет процессы, приводящие к развитию интеркристаллитной коррозии снижением углерода, тогда как так называемые элементы-стабилизаторы (то есть титан или ниобий) лишь уменьшают её.

Чисто аустенитные стали склонны также ещё к одному виду коррозионного разрушения, к так называемому коррозионному растрескиванию или к коррозии под напряжением. Это явление заключается в том, что на поверхности образца (изделия), находящегося под нагрузкой или имеющего внутренние остаточные напряжения (например, после наклёпа) и погружённого в относительно слабую коррозионную среду, образуются тонкие трещины, проходящие главным образом по телу зерна.

Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса сравнительно проста и заключается в закалке в воде с 1050—1100ºС. Нагрев до этих температур вызывает растворение карбидов хрома (М₂₃С₆), а быстрое охлаждение фиксирует состояние пересыщенного твердого раствора. Медленное охлаждение недопустимо, так как при этом, как и при отпуске, возможно выделение карбидов, приводящее к ухудшению пластичности и коррозионной стойкости. Кроме того, при закалке происходят рекристаллизационные процессы, устраняющие последствия пластической деформации, которой часто остаются нержавеющие аустенитные стали. В результате закалки твёрдость этих сталей не повышается, а снижается, поэтому для аустенитных нержавеющих сталей закалка является смягчающей термической операцией.

Механические свойства аустенитных нержавеющих сталей в закалённом (смягченном) состоянии характеризуются низким значением предела текучести, невысокой прочностью и очень высокой пластичностью.

10. Цветные металлы и их сплавы. Сплавы алюминиевые. Деформируемые и литейные. Механические и технологические свойства сплавов на основе алюминия, их маркировка и область применения. Сплавы на основе меди, латуни, их состав. Структура и свойства, маркировка, применение. Бронзы. Их состав, структура и свойства. Маркировка бронз и область применения.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твёрдостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы: применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом. Границу между сплавами этих двух групп определяет предел насыщении твёрдого раствора при эвтектической температуре.

Изменение технологических свойств в сопоставлении с диаграммой состояния показывает, что сплавы с содержанием компонента меньше предела раство­римости при высокой температуре обладают наибольшей пластичностью и наимень­шей прочностью при высокой температуре, следовательно, хорошо подвергаются горячей обработке давлением.

Наличие эвтектической структуры резко уменьшает пластичность, способность прессоваться, прокатываться, коваться и при некотором содержании эвтектики (обычно небольшом) такая обработка становится неосуществимой.

Наилучшую жидкотекучесть имеют металлы, кристаллизующиеся при постоян­ной температуре (чистые металлы, эвтектические сплавы). При переходе за предел растворимости при высокой температуре жидкотекучесть резко повышается.

Общий объем литейных пор плавно изменяется, но их размеры и распределение зависят от температурного интервала кристаллизации. При большом интервале литейные поры, как правило, мелки и распределены по всему сечению отливки. Плотность отливки будет мала, но по этой же причине небольшой будет и литейная усадка. При температурном интервале кристаллизации, равном нулю (чистые компо­ненты, эвтектика), образуется концентрированная усадочная раковина.

Дюралюминий — наиболее распространенный представитель группы алюминиевых сплавов, применяемых в деформированном виде и упрочняемый термической обработкой.

Он содержит 4 % Сu и 0,5 % Mg, а также марганец и железо.

Дюралюминий — сплав, по крайней мере, шести компонентов: алюминия, меди, магния, марганца, кремния и железа, хотя основ­ными добавками являются медь и магний. Поэтому указанный сплав можно причислить к сплавам системы А1— Сu —Mg. Кремний и же­лезо являются постоянными примесями, попадающими в сплав вследствие применения недостаточно чистого алюминия.

Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соеди­нений (следовательно, вызывающих старение), таких как , фаза S, Mg₂Si и нерастворимых соединений, таких как железистые и марганцовистые соединения.

Структура дюралюминия в отожженном состоянии (рис. 405, а) состоит из твердого раствора и вторичных включений различных интерметаллических соединений,

После закалки с оптимальных температур (600 "С) основное количество соединений и Mg₂Si растворяется в алюминии, но соединения железа не растворяются. Поэтому в закаленном состоянии структура твердого раствора и нерастворимых включений соединений железа.

При нагреве выше 500—520°С происходит оплавление зерен по границам, и при охлаждении участки жидкой фазы превращаются в эвтектику.

Механические свойства после окончательной термической об­работки (после закалки и старения) сильно зависят от температуры закалки. В результате повышения температуры закалки происходит растворение интерметаллических соединений, а после закалки получается пересыщенный твёрдый раствор, а после старения – более высокая прочность. Нагрев же выше определённой температуры вызывает перегрев (рост зерна, окисление и оплавление границ зерна), что приводит к катастрофическому падению прочности и пластичности. При термической обработке дюралюминия важно соблюдать температурный режим закалки.

Под группой алюминиевых сплавов, называемых силуминами, подразумевают сплавы с повышенным содержанием кремния. Силумины – наиболее распространённые литейные алюминиевые сплавы, широко применяемые только в литом виде (например, в авто- и авиастроении). Реже, кроме силуминов, в качестве литейных алюминиевых сплавов применяют сплавы алюминия с медью, магнием, цинком.

Для получения плотной отливки применяют сплавы с узким интервалом кристаллизации и, естественно, для этого подходят сплавы эвтектической концентрации.

Двойные алюминиевокремнистые и вообще высококремнистые сплавы слабо упрочняются в результате закалки и старения, но механические свойства этих сплавов можно существенно повысить при помощи особой обработки в жидком состоянии.

Жаропрочные алюминиевые сплавы

Есть детали, изготавливаемые отливкой или штамповкой из алюминиевых сплавов, которые работают при температурах порядка 200-300ºС и даже 350ºС (например, поршень, головка цилиндра и т.п.).

Применяемые для этих целей алюминиевые сплавы легируют такими элементами, как медь, магний, никель, железо, титан.

Для получения необходимых свойств эти сплавы подвергают закалке (перевод избыточных фаз в твёрдый раствор) и затем искусственному старению (стабилизация структурного состояния).

Практическое применение имеют медные сплавы с содержанием цинка до 45%, которые называются латунями. Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Максимальной пластичностью обладает сплав с 30% цинка.

Литейные свойства латуней характеризуются малой склонностью к ликвации, хорошей жидкотекучестью, склонностью к образованию концентрированной усадочной раковины и, следовательно, большой усадкой.

Латунь хорошо поддаётся пластической деформации (в особенности α-латуни) и поэтому из латуней изготавливают катаный полуфабрикат (листы, ленты, профили и т.д.).

Латуни маркируют буквой Л, за которой следует цифра, показывающая среднее содержание меди в сплаве. Так как цинк дешевле меди, то чем больше в латуни цинка, тем она дешевле.

Кроме простых латуней – сплавов только меди и цинка, применяют специальные латуни, в которых для придания тех или иных свойств дополнительно вводят различные элементы: свинец для улучшения обрабатываемости (латунь марки ЛС59 содержит около 40% цинка и 1-2% свинца, мак называемая автоматная латунь), олово для повышения сопротивления коррозии в морской воде (так называемая морская латунь), алюминий и никель для механических свойств и т.д.

Сплавы меди с оловом (оловянистые бронзы).

При содержании олова более 6% наряду с неоднородным раствором внутри участков этого раствора, богатого оловом, располагается эвтектоид α+δ.

Наличие хрупкой δ-фазы исключает возможность прокатки, поэтому, за исключением бронз, содержащих небольшое количество олова (применяемых редко), бронза, обычно содержащая более 5-6% олова (Sn), не прокатывается и не куётся и её применяют в литом виде.

Высокие литейные свойства бронз определяются исключительно малой усадкой, которую имеют бронзы.

Влияние олова на механические свойства меди аналогично влиянию цинка, но проявляется более резко. Уже при 5% олова пластичность начинает падать.

В литой бронзе наличие включений твёрдого эвтектоида обеспечивает высокую стойкость против истирания, поэтому бронза с 10% Sn является лучшим антифрикционным материалом и её применяют как подшипниковый сплав.

Благодаря высокой химической стойкости бронз из них изготавливают арматуру (паровую, водяную и пр.). Таким образом, основное применение бронз – сложные отливки, вкладыши подшипников и др.

Фосфор вводят в бронзу как раскислитель и он устраняет хрупкие включения окиси олова (SnO). При наличии около 1% фосфора такую бронзу называют фосфористой.

Бронзу маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие, какие легирующие элементы содержит бронза, а потом цифры, показывающие количество этих элементов в целых процентах.