Жаростойкие стали

Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при . 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Cr до +130СГС. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием.

Криогенные стали

Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Cr, N1, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18НЮ, 12Х18НЮТ, ОЗХ20Н16АГ6, ОЗХ13АП9 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

Прецизионные сплавы

По ГОСТ 10994-74

К прецизионным сплавам относятся высоколегированные сплавы с заданными физическими и физико-механическими свойствами, требующие в ряде случаев узких пределов содержания элементов в химическом составе, специальной технологии выплавки и специальной обработки.

Делятся на группы:

1.  магнитно-мягкие, обладающие высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой в слабых полях.

2. магнитно-твердые сплавы с заданным сочетанием параметров предельной петли гистерезиса или петли гистерезиса, соответствующей полю максимальной проницаемости

3.  сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР).

4. Сплавы, с заданными свойствами упругости, обладающие высокими упругими свойствами в сочетании с другими специальными свойствами (повышенной коррозионной устойчивостью, повышенной прочностью, низкой магнитной проницаемостью, заданными значениями модуля нормальной упругости и температурным коэффициентом модуля упругости).

5. сверхпроводящие сплавы, характеризующиеся специальными электрическими свойствами в области низких температур.

6. сплавы с высоким электрическим сопротивлением, обладающие необходимым сочетанием электрических и других свойств

7. термобиметаллы, представляющие материал, состоящий из двух или более слоев металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, разность которых обеспечивает его упругую деформацию при изменении температуры.

Медицинские стали

Являются целой группой нержавеющих сталей, предназначенных для изготовления из данных сталей медицинских инструментов и вспомогательных принадлежностей. Также для изготовления предметов личного пользования, туалета и маникюрных принадлежностей. Кухонной утвари, которая, непосредственно контактирует с пищевыми продуктами. Данная группа так же используется для изготовления оборудования пищевой промышленности.

Примерами использования могут служить стали:

20Х13 (ложки и вилки). 30Х13 и 40Х13 маникюрные кусачки, скальпеля и др. режущие предметы. 12Х18Н9 кухонные кастрюли. 12Х18Н10 цистерны для молока. Основные особенности (в том числе и обычных нержавеющих сталей) заключаются в уменьшенном содержании углерода, чем меньше углерода, то чем лучше коррозионная стойкость. Однако для режущего инструмента необходима твердость, то есть требуется наличие углерода в сплаве. Поэтому для режущего инструмента (особенно скальпелей) приходится использовать нержавеющие стали с худшей устойчивостью к коррозии. Для цистерн и трубопроводов в пищевой промышленности используют более мягкие стали с меньшим содержанием углерода, и повышенным содержанием хрома и, при необходимости, для повышения теплостойкости с добавкой никеля, поскольку они лучше сопротивляются коррозии и агрессивных средах и повышенных температурах.

Литейные стали

В зависимости от назначения литой детали и требований к ней конструкционные нелегированные и легированные стали разделены (по ГОСТ 977—88) на три группы: для изготовления отливок общего назначения, ответственного назначения и особо ответственного назначения. Для каждой группы отливок установлены показатели контроля. Для отливок I группы допускается содержание в стали 0,05—0,06% S и 0,05—0,087% Р; для отливок II группы —0,045—0,06% S и 0,04—0,07% Р; для отливок III группы — 0,045—0,05% S и 0,04— 0,05% Р. Содержание других элементов одинаково для сталей всех групп отливок. По способу выплавки различают стали, выплавленные в печах с кислой и основной футеровкой, так как состав футеровки оказывает существенное влияние на ход процесса плавки и свойства готового сплава. В печах с кислой футеровкой, главной составляющей которой является кремнезем SiO₂, выплавляются обычно углеродистые и многие низколегированные конструкционные стали. В печах с основной футеровкой (магнезитовой, магнезитохромитовой, хромомагнезитовой) выплавляют преимущественно средне- и высоколегированные стали. Большую часть фасонных отливок (около 65%) изготовляют из углеродистых конструкционных сталей (ГОСТ 977—88) следующих марок 15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л, 55Л. В обозначении марки число означает среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, для марки 25Л—0,25% С), а буква «Л» указывает, что сталь предназначена для литья (табл. 5.5.). Как видно из приведенных в таблице данных, с увеличением содержания углерода повышается прочность и снижаются пластические свойства сталей. Одновременно улучшается жидкотекучесть их и уменьшается усадка. Важное значение имеют требования, указанные в примечаниях в отношении содержания вредных примесей — серы и фосфора. Сера вызывает склонность сталей к образованию горячих трещин, а фосфор — хрупкость при обычных и низких температурах.

Сплавы для ядерной промышленности.

Предназначены для применения в объектах атомной энергетики и промышленности. Характеризуются стойкостью к тепловому и радиационному охрупчиванию в процессе эксплуатации изделия, так же стали данного назначения используются для радиационной защиты персонала.

Примером сталей могут служить

15Х2МФА-А (сталь для корпусных конструкций атомных энергоустановок). 10Х18Н9 (09Х18Н9) и 08Х16Н11М3 (трубопроводы и корпусные с внутрикорпусными конструкциями реакторных установок).

Оружейные (орудийные) сплавы

Основой являются хромоникелевые сплавы. Орудийная сталь может быть следующих сортов:

а) по способу выплавки: тигельная, электросталь, мартеновская (кислая или основная); слитки м. б. прессованы или непрессованы;

б) по химическому составу: углеродистая, малохромистая, специальная;

в) по механическим качествам нижеследующих марок: О-1-- орудийная обыкновенная; О-2--повышенная; О-А--специальная, категория А; О-АБ--специальная, категория АБ; О-Б--специальная, категория Б. Специальные сорта стали получаются присадкой определенного количества специальных элементов, как то: никеля, хрома, ванадия, молибдена, вольфрама и др. см. таблицу 2

Таблица 2. химический состав орудийной/оружейной стали (примечание данный состав применяется, на сегодняшний день, только для первых двух категорий).

Сумма вредных примесей (серы и фосфора) допускается не более 0,7%. Вследствие того что возврат (прибыль, обрезки, стружка и пр.), идущий в скрап, может быть загрязнен различными примесями, допускается предельное содержание следующих элементов, не входящих в рецепт заданной стали: 0,2% меди, 0,5% никеля, 0,35% хрома, 0,4% молибдена. Присадка ванадия допускается при выплавке всех сортов стали. Марка стали О-АБ по химическому составу одинакова с маркой О-Б, но отличается от последней по содержанию молибдена (не менее 0,25%); кроме того она отличается механическими свойствами (данные приведены из открытого источника, данная информация является не совсем верной, для современных марок).

 

Таблица 3 допустимое содержание примесей и легирующих компонентов в сплаве.

Примечание. Все, что выше таблицы 3 в данном разделе взято из «технической энциклопедии 1927-1937 гг». Для точной информации, при наличии доступа, см. ГОСТ 3-58-87

Также для данных сталей в ТУ прописывают требования к зерну, и более жесткие требования по химическому составу и наличия примесей (в 1,5-2 раза). Примером может служить сплав ОХН3МФА-Ш.

Первая категория на сегодняшний момент применяется в сигнальных пистолетах/револьверах, травматическом короткоствольном оружии, в некоторых узлах пневматического оружия.

Вторая категория применяется в гладкоствольном охотничьем оружии, стреляющем зарядами с дымным порохом, маломощном огнестрельном оружии с нарезным каналом ствола, в отдельных узлах огнестрельного оружия.

Для остальных категорий см. ГОСТ 3-58-87 (3 форма допуска).

Основные особенности данных, в отличие от аналогов в других классов, является вязкий характер разрушения (хрупкий характер, недопустим, из-за опасности получения травм). Данные сплавы должны сопротивляться циклическим высокоэнергетическим нагрузкам, вызванными энергией детонации метательного вещества, некоторые сплавы даже будучи раскаленными до бела, и при этом не менять свою геометрию, за пределами допустимых допусков. Многие сплавы также обладают уменьшенным коэффициентом теплового расширения. Данные сплавы сочетают в себе качества жаропрочных, жаростойких и нержавеющих сталей, последний пункт может быть необязателен (в бытовом понимании, то есть данная сталь может подвергаться коррозии на открытом воздухе). Для группы данных сталей, характерен большой разброс характеристик внутри данной группы, данный разброс сделан из-за необходимости удешевления выпуска данной продукции, так и для уменьшения риска использования некоторой продукции в криминальных целях. Например, сталь для травматического оружия и сигнального оружия, формально может являться оружейной, но при использовании более мощных метательных зарядов, не предназначенных для данного типа изготовителем, происходит разрушение изделия.

Баллистические стали

Данные сплавы применяют в качестве защит от баллистических объектов, движущихся с высокой кинетической энергией, так и для защиты персонала объекта в случае возникновения чрезвычайных ситуаций и защиты от несанкционированного проникновения. Особенности

Для тяжелой техники

Данные сплавы изготавливаются методом литья, проката, также методом поковки, штамповки (часто встречаются полностью литые элементы, так и прокатанные, элементы изготовленные методом ковки и штамповки реже). Полный и точный состав данных сплавов является грифами секретности 3 формы, для новых сплавов вторая (то же самое касается и материалов для действующих изделий). Примерами, которые можно найти, в свободном доступе являются «MARS 190» (Франция) и  ARMOX 370S/300/400 (Швеция). Отечественные аналоги, в своем составе, как правило, имеют большее содержание углерода. Основные особенности для деталей из данных сплавов – способность противостоять попаданиям кинетических объектов с высокой энергией, без пролома и расколов по всей глубине материала. Образование отколотых фрагментов, при поражении специфичными объектами, допускается с тыльной стороны детали. Прокат из данных сплавов имеет явно выраженную гетерогенную структуру (тыльная сторона является более вязкой, а внешняя сторона является более твердой)

Для легкой техники

Примерами данных сталей являются стали «2П», «А-3» и «7», для деталей из данных сталей не допускается раскол после поражения, в зависимости от толщины детали, из огнестрельного оружия калибром до 20 мм, в отдельных случаях 37-40мм. При поражении, в отличие от прошлой группы, не допускается образование вторичных осколков с тыльной стороны, даже в случае пробития детали. Данные сплавы широко применяются для защиты экипажа и важных узлов ЛА, в качестве основного конструкционного элемента легкой бронетехники военного назначения, специального транспорта для правительства, отдельные элементы для тяжелой техники, инкассаторских машин, специальных хранилищ для особо ценных материальных ценностей. Помимо перечисленного данный сплав применяют для изготовления бронедверей и оконных рам для помещений, так же были попытки применения данных сталей и для индивидуальной защиты.

Примером нормативного документа является ГОСТ Р 50963-96 «Защита броневая специальных автомобилей» касается отдельных пунктов прописанных в данном документе.

Широкого спектра

Данные сплавы используются в: качестве основного конструкционного элемента машин инкассации, специального транспорта милицейского назначения и спецсредств данного назначения, защиты персонала от воздействия поражающих факторов в случае чрезвычайного происшествия, баллистической защите зданий, сейфах, защите персонала банковских и правительственных учреждений в случае криминальной ситуации, защите от рикошетов в тирах. Также применяются в средствах индивидуальной защиты (на сегодняшний момент вытесняются керамикой с биметаллическими пластинами).

Примерами сплавов являются стали «77», «88», «44» 45Х2НМФБА (сталь 96).

Данные сплавы в основном являются гомогенными по всей структуре материала, изготавливают методом проката (иногда один поверхностный слой цементируют), данные материалы являются вязкими. В зависимости от толщины проката детали должны выдерживать с деформацией попадания бронебойными пулями из крупнокалиберного стрелкового оружия 14,5 мм и обычными снарядами калибра 20 мм толщина при этом может достигать 50 мм. В основном максимальное предназначение деталей для данных сплавов- выдерживание с деформацией обстрелом обычными пулями из стрелкового оружия винтовочного калибра, и одно-два попадания бронебойными патронами того же калибра, в одно место, деформация материала допустима. Также максимальная защита персонала при возникновении ударной волны и осколков при взрыве технологического оборудования. Для стальных защитных пластин, предназначенных для стрелковых тиров, сплавы являются более вязкими, относительно остальных в данной группе, это сделано для гашения рикошетов.

Сплавы должны соответствовать требованиям в ГОСТ Р 51112 – 97 «средства банковской защиты, требования по пулестойкости»; ГОСТ Р 50963-96 «Защита броневая специальных автомобилей»

Инструментальные стали

Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.

Стали для режущих инструментов

Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65-1,32% углерода. Например, стали марок У7, У7А, У13, У13А. К данной группе, помимо нелегированных углеродистых инструментальных сталей, условно относят также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые не сильно отличаются от углеродистых.

Легированные инструментальные стали

В данную группу сталей входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3%. Легированные инструментальные стали имеют повышенную (по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями) теплостойкость - до +300°С. Наиболее широко используют стали 9ХС (сверла, фрезы, зенкеры), ХВГ (протяжки, развертки), ХВГС (фрезы, зенкеры, сверла больших диаметров).

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания, так как они обладают высокой теплостойкостью - до +650°С. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5, РЮК5Ф5.

Стали для измерительных инструментов

Инструментальные стали для измерительных инструментов (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8...У12, X, 12X1, ХВГ, Х12Ф1. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

Штамповые стали

Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.

Стали для штампов холодного деформирования

Эти стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны быть теплостойкими. Например Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5ВЗМФС, 7ХГ2ВМ. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

Стали для штампов горячего деформирования

Эти стали должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью, разгаростойкостью и высокой теплопроводностью. Примером таких сталей могут служить стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ.

Валковые стали

Данные стали применяют для рабочих, опорных и прочих валков прокатных станов, бандажей составных опорных валков, ножей для холодной резки металла, обрезных матриц и пуансонов. К валковым сталям относят такие марки стали, как 90ХФ, 9X1, 55Х, 60ХН, 7Х2СМФ.

Требования к стали для валков

Высокая прокаливаемость. Для обеспечения высокой закаливаемости необходимо использование таких марок стали, устойчивость переохлажденного аустенита которых в обеих областях превращения, во возможности, достаточна для развития мартенситного превращения при минимальных скоростях охлаждения, например, в масле.

Глубокая прокаливаемость. Прокаливаемость - это глубина закаленного слоя или, другими словами, глубина проникновения мартенсита. Она зависит от химического состава, размеров деталей и условий охлаждения. Легирующие элементы, а также увеличение содержания углерода (0,8%) в стали способствуют увеличению ее прокаливаемости, поэтому необходимую прокаливаемость обеспечивают за счет оптимизации химического состава стали. Для данного типа стали необходима практически сквозная прокаливаемость, так как при этом обеспечивается жесткость валка, без которой затруднительно получение высокой точности проката. Среди элементов, увеличивающих прокаливаемость - кремний и бор.

Высокая износостойкость. Необходима для безаварийной работы стана. При высокой износостойкости образование абразивных частиц износа не происходит, система подшипников работает более надежно.

Высокая контактная прочность. Контактная прочность рабочего слоя валков должна быть выше контактных напряжений, возникающих в процессе прокатки с учетом естественных нагрузок.

Минимальная склонность к деформации и короблению в процессе термической обработки и неизменность размеров в процессе эксплуатации.

Удовлетворительная обрабатываемость при мехобработке, хорошая шлифуемость и полируемость для обеспечения высокой чистоты поверхности валков и, следовательно, высокого качества поверхности прокатываемого материала.

Элемент	Черные сплавы
Азот	А
Алюминий	Ю
Бериллий	Л
Бор	Р
Ванадий	Ф
Вольфрам	В
Галлий	Ги
Кадмий	Кд
Кобальт	К
Кремний	С
Магний	Ш
Марганец	Г
Медь	Д
Молибден	М
Никель	Н
Ниобий	Б
Титан	Т
Углерод	У
Фосфор	П
Хром	Х
Цирконий	Ц
Селен	Е
Редкоземельные металлы	Ч

Таблица 1 легирующие компоненты и их шифр в стальных сплавах

Также иногда стальные сплавы, которые предназначены для решения узкого круга задач, из-за чего обладают особыми свойствами. В таком случае, перед основным составом стоит буквенный индекс, который указывает на их применение и особенности.

Например

А –автоматные стали (А20)

АС – автоматные стали, легированные свинцом (АС35Г2)

Р- быстрорежущие (Р18)

Ш- шарикоподшипниковые (ШХ15)

Э – электротехнические (Э11)

К- котельные

О- оружейные

Часто нестандартные стали условно маркируют. Например, стали, выплавленные на заводе «Электросталь» обозначают буквой «Э», рядом ставят букву И – исследовательская или П – пробная. После буквы ставят порядковый номер (ЭИ69 или ЭИ868, ЭП590). Стали, выплавленные на Златоустовском металлургическом заводе, обозначают ЗИ, на заводе «Днепроспецсталь» - ДИ.

В дополнение, к маркировке высококачественных и особовысококачественных сталей, в конце пишут через тире способ первичной обработки и технологию последующего переплава.

Дополнение к марочному  обозначению стали	Первичная обработка	Последующий переплав
ВД	Вакуумно-дуговой переплав	-
ВИ	Вакуумно-индукционная выплавка	-
ИД	Вакуумно-индукционная выплавка	Вакуумно-дуговой
ИП	Вакуумно-индукционная выплавка	Плазменно-дуговой
ИШ	Вакуумно-индукционная выплавка	Электрошлаковый
ИЛ	Вакуумно-индукционная выплавка	Электронно-лучевой
ГР	Газокислородное рафинирование	-
П	Плазменно-дуговой переплав	-
ПТ	Плазменная выплавка	-
ПД	Плазменная выплавка	Вакуумно-дуговой
ПЛ	Плазменная выплавка	Электронно-лучевой
ПП	Плазменная выплавка	Плазменно-дуговой
ПШ	Плазменная выплавка	Электрошлаковый
СШ	Обработка синтетическим шлаком	-
Ш	Электрошлаковый переплав	-
ШД	Электрошлаковый переплав	Вакуумно-дуговой
ШЛ	Электрошлаковый переплав	Электронно-лучевой
ШП	Электрошлаковый переплав	Плазменно-дуговой
ЭЛ	Электронно-лучевой переплав	-

Таблица 2 дополнение к маркировке стали.

Хром

Добавка хрома увеличивает коррозионную стойкость, повышает прочность и твердость, является основным компонентом при создании нержавеющей стали.

Никель

Добавление никеля повышает пластичность, вязкость стали и коррозионную стойкость.

Титан

Титан уменьшает зернистость внутренней структуры, повышая прочность и плотность, улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость.

Ванадий

Присутствие ванадия уменьшает зернистость внутренней структуры, что повышает текучесть и порог прочности на разрыв.

Молибден

Добавка молибдена дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость.

Вольфрам

Вольфрам повышает твердость, не дает зернам увеличиваться при нагреве и снижает хрупкость при отпуске.

Кремний

При содержании до 1-15% кремний повышает прочность, сохраняя вязкость. При увеличении процента содержания кремния повышается магнитопроницаемость и электросопротивление. Также данный элемент увеличивает упругость, стойкость к коррозии и сопротивляемость к окислению, но также повышает хрупкость.

Кобальт

Введение кобальта увеличивает ударопрочность и жаропрочность.

Алюминий

Добавление алюминия способствует повышению окалиностойкости.

Марганец

Если количество марганца не превышает 0,8%, то он считается технологической примесью. Он призван повысить степень раскисления, а также противостоять негативному влиянию серы на сталь.

Азот и кислород

При превышении определенных количественных значений в составе стали вкрапления данных газов повышают хрупкость, а также способствуют понижению ее выносливости и вязкости.

Водород

Слишком большое содержание водорода в стали ведет к увеличению ее хрупкости.

Рис.1 классификация материалов по назначению