1.2. Легированные стали и сплавы, хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали, титановые сплавы.

Легированные стали в отличие от углеродистых кроме углерода, железа и обычных примесей содержат определенное количество добавок, придающих сталям особые свойства и называемых легирующими элементами, К легирующим элементам относятся: хром - X, вольфрам - В, молибден - М, медь - Д, кремний - С, алю-миний - Ю, бор - Р, цирконий - Ц, никель - Н, ванадий -Ф, марганец-Г, кобальт--К, титан - Т, фосфор - П, ниобий - Б.

Каждый легирующий элемент имеет свое назначение.Влияние легирующих добавок на свойства сталей. Свойства легированных сталей зависят от содержания в них легирующих элементов.

Никель и хром улучшают механические свойства, повышают жаростойкость и коррозионную стойкость сталей.

Вольфрам повышает твердость, прочность, улучшает режущие свойства стали при высоких температурах (красностойкость).

Марганец повышает твердость, износостойкость, сопротивление ударным нагрузкам сталей.

Кремний повышает упругие свойства стали, увеличивает кислотостойкость сталей.

Титан увеличивает жаропрочность и кислотостойкость стали.

Молибден улучшает механические свойства при нормальной и повышенной температурах, несколько повышает свариваемость сталей. .

Ванадий улучшает пластические свойства стали, измельчает ее микроструктуру.

Кобальт увеличивает ударную вязкость и жаропрочность сталей.

  Легированные стали по назначению подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами.

Конструкционные стали (низколегированные), Большинство низколегированных сталей содержат углерод нe более 0,6%. Основные легирующие элементы низколегированных сталей - хром, никель, кремний, марганец. Другие легирующие элементы вводят в сталь в небольших количествах, чтобы дополнительно улучшить ее свойства. Общее количество легирующих элементов у большинства сталей не превышает 5%.

  Конструкционные низколегированные стали (ГОСТ 19281--73, 19282-73) обладают наилучшими механическими свойствами после термической обработки. При маркировке легированных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, следующая за ними буква - условно обозначение легирующего элемента, входящего в сталь.

  Если количество легирующего элемента составляет 2% и более, то после буквы ставится еще цифра, указывающая это количество. Например, 15Х - сталь содержит 0,15% углерода и до 1% хрома, 20Х2Н4А - сталь содержит 0,20% углерода, около 2% хрома, 4% никеля, высококачественная (А), т. е. содержит меньше вредных примесей серы и фосфора.

  Конструкционные легированные стали 19Г, 14Г, 17ГС, 14ХГС наиболее широко применяют при строительстве нефтегазопроводов высокого давления диаметром до 820 мм. Сталь 14Г2 используют для крупных листо-сварных конструкций доменных печей, пылеуловителей, воздухонагревателей. Сталь 17ГС предназначается для корпусов аппаратов, днищ, фланцев и других деталей паровых котлов, работающих при температурах до 475° С.

Хромокремненикелевые стали 10ХСНД, 15ХСНД используют для сварных ферм, конструкций мостов, вагонов, рам, аппаратов и сосудов химической промышленности. Стали 35ХС и 25Г2С применяются для изготовления арматуры гладкого и периодического профилей, для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Конструкционные легированные стали хорошо свариваются, не образуют при сварке горячих и холодных трещин. Механические свойства сварных соединений аналогичны свойствам основного металла.

  В машиностроении применяют большое количество марок конструкционных легированных сталей, главным образом для изготовления ответственных деталей машин и металлических конструкций: валов двигателей, тяжелонагруженных зубчатых колес экскаваторов, автокранов и других строительных машин, деталей и арматуры, работающих при повышенных температурах. Из кремнистых сталей изготовляют рессоры и пружины.

  Инструментальные стали. Инструментальные легированные стали подразделяются на низколегированные с содержанием легирующих элементов до 5%, и высоколегированные с содержанием легирующих элементов более 10%.

  Низколегированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-73) 1IX, 13Х, ХСВГ, 9ХС, ХВГ после термической обработки обладают более высокими показателями механических свойств по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями: имеют более высокую твердость после термообработки (62-65 HRC), повышенные износостойкость и теплостойкость (до 200-250°С), меньшую чувствительность и склонность к перегреву и короблению при термообработке.

  Низколегированные инструментальные стали применяют для изготовления режущих инструментов большого сечения, работающих при небольших скоростях резания: ручных сверл, протяжек, разверток, гребенок. Высоколегированные инструментальные стали (ГОСТ 19265-76) содержат большое количество легирующих элементов, образующих в структуре стали химические соединения с углеродом (преимущественно карбиды).

  Основной легирующий элемент таких сталей - вольфрам. Изделия, изготовленные из высоколегированных инструментальных сталей с большим количеством карбида, сохраняют высокие твердость, прочность и износостойкость при температурах 600-620° С, которые появляются в режущей кромке при резании металлов с большой скоростью. Такие стали называют быстрорежущими.

  В состав быстрорежущих сталей входят 0,7-0,95% углерода, 3,1-4,4% хрома, 8,5-19% вольфрама, 1-2,5% ванадия. Маркируются быстрорежущие стали следующим образом: Р9, Р18, Р12, где буква Р обозначает, что сталь быстрорежущая; цифры 9, 18, 12 показывают среднее содержание вольфрама, предусмотренное стандартом.

У быстрорежущих сталей появляются высокие показатели механических свойств после сложной термической обработки. Из таких сталей изготовляют сверла, фрезы, долбяки, протяжки, развертки, пилы, напильники для твердых металлов и другой инструмент.

  Коррозионностойкие стали применяют для изготовления арматуры, коллекторов выхлопных систем, деталей паровых и газовых турбин, деталей химического машиностроения и т.д. Жаростойкие стали, обеспечивающие длительную стойкость деталей в работе при небольших нагрузках, можно использовать при температурах выше 550° С. Такие стали устойчивы против химического разрушения поверхности в газовых средах.

  К жаростойким сталям относятся стали марок 25Х23Н7С, 30X21HI2C, 15Х6С10, 12X13, 09Х14Н16Б, 15X28. Применяют эти стали для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, лопаток компрессоров, деталей котельных установок, газовых турбин, труб пароперегревателей и других деталей, работающих при высоких температурах и небольшом давлении.

  Жаропрочные стали, обеспечивающие длительную стойкость деталей в работе, можно применять при высоких температурах и больших нагрузках; при этом они сохраняют жаростойкость и высокие показатели механических свойств (прочности, пластичности). К жаропрочным сталям относятся стали марок 12Х8ВФ, 10X11Н20ТЗР-, 09Х16Н4Б; их применяют для изготовления деталей турбин, трубопроводов установок сверхвысокого давления и других деталей.

  Износостойкая сталь (ГОСТ 2176-77) марки;110Т13Л, получившая наибольшее распространение, содержит в среднем 1,1% углерода и 13% марганца. Такая сталь очень трудно обрабатывается режущим- инструментом, поэтому ее используют для получения деталей, требующих незначительной механической обработки. Детали изготовляют методом литья, поэтому в маркировке стали на конце стоит буква Л. Из этой стали отливают стрелки железнодорожных путей, гусеницы бульдозеров, щеки каменных дробилок, зубья ковшей экскаваторов, черпаки и козырьки землечерпательных машин, драг и другие детали.

Нержавеющая сталь – это сталь, которая обладает высокой коррозионной устойчивостью в агрессивных средах (морская и речная атмосфера, воздух, некоторые кислоты, растворы солей и т.д.). Нержавеющие стали принято еще называть «корозионно-стойкие», но это не означает, что они абсолютно не корродируют. Как и все металлы, нержавеющие стали также подвергаются коррозионному разрушению, только в меньшей степени.

ВИДЫ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Классифицируют нержавеющие стали по ГОСТ  5632 – 72. Можно выделить основные группы: хромистые, никелевые и хромоникелевые стали, хромомарганцевые, хромомарганцевоникелевые.

Основной элемент, который и делает обычную сталь нержавеющей, это хром.  Металл обладает высокой коррозионной стойкостью. На его поверхности в окислительных атмосферах образуется защитная оксидная пленка.

При добавлении в сталь, хром образует с железом твердый раствор, увеличивая при этом коррозионную стойкость стали.  При этом, содержание хрома не должно быть меньше, чем 11,7%. Эту границу можно отследить во время измерения потенциала, когда при содержании около 12 – 13% Cr, идет резкое изменение потенциала системы железо-хром. С увеличением  содержания хрома, коррозионная стойкость стали увеличивается. Это присуще сплаву не только в атмосферных условиях, но и в ряде других агрессивных сред. Также можно сказать, что нержавеющие стали лучше противостоят коррозионным разрушениям с увеличением содержания окислителей в окружающей среде, т.к. электродный потенциал металла становится более положительным. Это не применимо для азотной кислоты, т.к. с увеличением ее концентрации хромистые стали быстрее поддаются коррозионному разрушению, наступает перепассивация. При малых концентрациях сталь обладает высокой стойкостью.

Среди нержавеющих сталей наиболее распространенными являются хромистые (с содержанием хрома от 13 до 30%), хромоникелевые (никеля до 12%), хромоникельмолибденовые  и другие.

Все добавки, вводимые в сталь, могут улучшать либо ухудшать ее свойства. Вот, например, углерод, который присутствует во всех сталях, связывает хром в частицы карбидов (такие, как Cr₂₃C₇ и др.). Этим он удаляет его со сплава. Нержавейка теряет свои коррозионные свойства. Для того чтоб такого не случилось, в сплав вводится большее количество хрома.  Если в стали углерода 0,15 – 0,20%, то хрома необходимо  ввести не меньше, чем 13 – 14%.

ХРОМИСТЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ

Хромистые нержавеющие стали (нержавейка)  широко применяются в промышленности и народном хозяйстве. Выпускается хромистая сталь в виде прутков, листов, труб, литых заготовок и деталей. Она наиболее экономична и в отношении легирования.

ХРОМОНИКЕЛЕВЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ

Это наиболее распространенная и востребованная нержавеющая сталь. Сейчас выпускается около сотни марок такой нержавейки. С этой стали изготавливают  листовой и сортовой прокат, холоднокатаные и горячекатаные трубы, поковки, всевозможные профиля и много другого для различных сфер деятельности человека.

В наше время есть марки хромоникелевых нержавеющих сталей с интерметаллидными и карбидными упрочнениями, легированные разными материалами, имеющие промежуточные структуры.

Никелевые и хромоникелевые нержавеющие стали подразделяются на следующие подгруппы:

- кислотостойкие хромоникелевые аустенитные стали с добавками меди и молибдена;

- аустенитные стали с небольшим содержанием углерода, в том числе и стабилизированные ниобием  или титаном;

- окалиностойкие хромоникелевые стали с высоким содержанием хрома и никеля;

- аустенитно-ферритные хромоникелевые нержавейки;

- аустенитно-мартенситные хромоникелевые стали с мартенситом неустойчивой формы.

Титановые сплавы

        Сплавы на основе Титана. Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250 °С) до умеренно высоких (300—600 °С) и отличная коррозионная стойкость обеспечивают Т. с. хорошие перспективы применения в качестве конструкционных материалов во многих областях, в частности в авиации и других отраслях транспортного машиностроения.

         Т. с. получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках — максимальная для промышленных сплавов концентрация легирующей добавки в % по массе): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); реже применяется легирование Nb (2) и Та (5). Как микродобавки применяются Pd (0,2) для повышения коррозионной стойкости и В (0,01) для измельчения зерна. Легирующие добавки имеют различную растворимость в α и β-Ti и изменяют температуру α/β-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в α-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования α-модификации; такие элементы называются α-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру «α/β-превращения; они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным Т. с. предпочтительнее растворяются в β-Ti, являются β-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в α и β-модификациях титана меняется с температурой, что позволяет упрочнять сплавы, содержащие эти элементы, путём закалки и старения.

         В связи с наличием полиморфизма титана и его способностью образовывать твёрдые растворы и химические соединения со многими элементами диаграммы состояния Т. с. отличаются большим разнообразием. Однако в промышленных Т. с. концентрация легирующих элементов, как правило, не выходит за пределы твёрдых растворов на основе α-Ti и β-Ti и металлидные фазы обычно не наблюдаются.

         В нелегированном титане, а также в сплавах титана с α-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями нельзя зафиксировать высокотемпературную β-модификацию путём закалки ввиду наличия мартенситного превращения (См. Мартенситное превращение), в результате которого образуется вторичная α-фаза игольчатой формы. В сплавах же с β-стабилизаторами можно, в зависимости от концентрации, зафиксировать любое количество β-фазы вплоть до 100%. На сплошную β-структуру могут закаливаться двойные сплавы, содержащие не менее 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Mo, 14% V, 35% Nb, 50% Ta; эти концентрации называются критическими. В закалённых сплавах докритического и критического составов (β-фаза является нестабильной и при последующей низкотемпературной обработке (старении) распадается с образованием дисперсных выделений вторичной α-фазы, что даёт эффект упрочнения. В сплавах закритического состава (например, Ti — 30% Mo) образуется стабильная β-фаза и эффекта упрочнения не наблюдается.

         Общепринято деление промышленных Т. с. на 3 группы по типу структуры. К сплавам на основе α-структуры относятся сплавы с Al, Sn и Zr, а также с небольшим количеством β-стабилизаторов (0,5—2%). Ввиду незначительного количества или даже отсутствия в их структуре β-фазы они практически не упрочняются термической обработкой и поэтому относятся к категории сплавов средней прочности (σ_b = 700—950Мн/м²; или 70—95 кгс/мм²). Листовая штамповка этих Т. с. возможна только вгорячую. Достоинства α-сплавов — отличная свариваемость, высокий предел ползучести и отсутствие необходимости в термической обработке, а также отличные литейные свойства, что важно для фасонного литья. Малолегированные α-сплавы, а также относимый к этой группе технический титан, имеющие предел прочности менее 700Мн/м² (70 кгс/мм²), поддаются листовой штамповке вхолодную. Двухфазные α + β-сплавы — наиболее многочисленная группа промышленных Т. с. Эти сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью, чем α-сплавы, и вместе с тем могут быть термически обработаны до очень высокой прочности (σ_b = 1500—1800 Мн/м², или 150—180 кг/мм²); они могут обладать высокой жаропрочностью. К недостаткам двухфазных сплавов следует отнести несколько худшую свариваемость по сравнению со сплавами предыдущей группы, так как в зоне термического влияния возможно появление хрупких участков и образование трещин, для предотвращения чего требуется специальная термическая обработка после сварки. Сплавы на основе β-структуры имеют наиболее высокую технологическую пластичность и хорошо поддаются листовой штамповке вхолодную; после старения приобретают высокую прочность; хорошо свариваются, но сварные соединения нельзя подвергать упрочняющей термической обработке из-за охрупчивания, что ограничивает применение сплавов этого типа. Другим недостатком (β-сплавов является сравнительно невысокая предельная рабочая температура — примерно 300 °С; при более высоких температурах большинство сплавов этого типа становится хрупким.

         Химический состав промышленных Т. с., выпускаемых в СССР, приведён в табл. 1 (с разбивкой по типу структуры). По областям применения и виду полуфабрикатов можно приблизительно подразделить сплавы на следующие группы: свариваемые сплавы преимущественно для листов (ВТ5-1, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, ВТ6С, ВТ14, ВТ15); сплавы повышенной прочности для штамповок (ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22); жаропрочные сплавы для штамповок (ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18). Сплав ВТ6С специально рекомендуется для баллонов высокого давления, все жаропрочные сплавы — для дисков, лопаток и других деталей компрессоров газотрубных двигателей, сплав ВТ22 — для массивных нагруженных штамповок, сплав ВТ16 — для болтов. В случае необходимости (например, при изготовлении штампосварных конструкций) все листовые сплавы могут применяться для изготовления штамповок.        

Механические свойства Т. с. в отожжённом и термически упрочнённом состоянии приведены в табл. 2. Кроме обычной термической обработки, состоящей из закалки и старения, применяются различные режимы отжига, термомеханическая обработка (например, закалка из-под штампа с последующим старением), а также изотермическая деформация (медленная штамповка в штампах, нагретых до температуры деформации). В последнем случае достигаются очень однородные и высокие механические свойства. Титан и его сплавы могут подвергаться ковке, объёмной и листовой штамповке, прокатке, прессованию, волочению; из них можно получать те же полуфабрикаты, что и из др. конструкционных металлов, с учётом повышенной склонности титана к окислению при нагреве. Рекомендуется применять защитные эмалевые покрытия, которые при обработке давлением одновременно являются технологическими смазками. Термическую обработку следует проводить в печах с нейтральной атмосферой или в вакууме. Большинство промышленных Т. с. имеют довольно узкий интервал кристаллизации и поэтому обладают удовлетворительными литейными свойствами. Для получения фасонных отливок предпочтительнее α-сплавы, которые, кроме хороших литейных свойств, позволяют заваривать дефекты. Наиболее употребительный в СССР литейный Т. с. — сплав ВТ5Л. Для деталей повышенной прочности применяются сплавы ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ20Л и др. В качестве материала для форм используются специальные керамические и графитовые смеси а также стальные кокили.