Конструкционные стали и сплавы

    Жаропрочные стали должны обладать высоким сопротивлением химической коррозии, но вместе с тем, обеспечивать надежную работу под нагрузкой (то есть иметь достаточно высокие пределы ползучести и длительной прочности) при температурах эксплуатации выше 400...450°С. Температурный уровень жаропрочности сплавов, в первую очередь, определяется прочностью межатомной связи, которая может быть оценена рядом физических констант, в том числе, температурой плавления. Однако при данной температуре плавления жаропрочность сильно зависит от температуры рекристаллизации. В связи с этим стали аустенитного класса обладают более высокой жаропрочностью по сравнению со сталями перлитного класса.

    При таких высоких температурах эксплуатации определяющую роль в разрушении играет не дислокационная структура, а диффузионные процессы, имеющие даже при небольших  напряжениях направленный характер и способствующие развитию диффузионной ползучести. Так как диффузионные процессы легче всего протекают по границам зерен, имеющих повышенное количество дефектов строения, то, кроме химического состава на жаропрочность существенное влияние оказывает структура металла. Обычно добиваются получения легированного твердого раствора с вкраплениями по границам зерен или внутри них дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз. Более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом снижается пластичность. Чрезвычайно важный фактор - стабильность структуры, так как перемещение атомов ведет к увеличению ползучести.

    Жаропрочные стали и сплавы в своем составе  обязательно содержат никель, который  обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, иодом и др. Так микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышают такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах. Механизм этого воздействия при микролегировании основан на рафинировании границ зерна и повышении межкристаллитной прочности. Химический состав и структура этих сталей весьма разнообразны.

    Рабочие температуры современных жаропрочных  сплавов составляют примерно 0,45...0,8 Т_пл. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74): при 400...550°С - 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ; при 500...600°С - 15Х5М, 40Х10С2М, 20Х13; при 600:..650°С -12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М,  10Х11Н23ТЗМР, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ. ХН62МВКЮ.

    Жаропрочные стали и сплавы применяются для  изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).

    Криогенные  машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Cr, Ni, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, ОЗХ20Н16АГ6, ОЗХ13АГ19 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (20...-196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Например, для криогенных сталей (ОН6А, ОН9А) после соответствующей термической обработки (двойная нормализация и отпуск или закалка в воде и отпуск) характерно при понижении температуры повышение предела ползучести от 400 до 820 МПа. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне -196...-296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

    Износостойкие стали (ГОСТ 5632-72) по химическому составу могут быть высокоуглеродистыми (1,1...1,3% С) или малоуглеродистыми и высоколегированными (Si, Mn, Cr, Ni и др.). Основное потребительское свойство этих сталей - высокая стойкость деталей при кавитационной коррозии и механическом изнашивании при значительных ударных нагрузках. Эти стали (12Х18Н9Т, ЗОХ10Г10, ОХ14АГ12, ОХ14АГ12М, Г13) применяют чаще в литом или кованном (катанном) состоянии, так как их общее технологическое свойство - пониженная обрабатываемость резанием. Износостойкие стали используются для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, крестовин рельсов, щек дробилок, черпаков землеройных машин, траков и др.

    Пружинные стали и сплавы (ГОСТ 14959-79) - среднеуглеродистые (0,60...0,80% С), низколегированные (Mn, Si, Cr, Ni и др.) стали, обладающие высокими механическими свойствами, в первую очередь, высокими пределами упругости и прочности, а также повышенной релаксационной стойкостью при достаточной вязкости и пластичности. Для получения этих свойств стали должны содержать более 0,5% С и быть способными к термической обработке - закалке и отпуску. Пружинные стали (стали 65Г, 70, 75; 50ХА, 55ХГР, 55С2, 60С2, 50ХФА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 70С2ХА), в основном, используются для изготовления пружин и рессор.

    Кроме рассмотренных выше пружинных сталей общего назначения в машиностроении широко применяются пружинные стали специального назначения. К пружинным сталям специального назначения помимо требования высоких механических свойств, могут предъявляться дополнительные требования по физико-химическим свойствам: немагнитность, коррозионная стойкость, низкий или постоянный температурный коэффициент модуля упругости и др..

    Автоматные  стали (ГОСТ 1414-75) содержат 0,08...0,45% углерода и повышенное содержание серы (0,05...0,3%), фосфора (0,05...0,16%) и часто марганца (0,6...1,55%). Обогащение границ зерен феррита растворенным в нем фосфором и образование хрупких включений (MnS и др.) на границах зерен стали облегчают резание, способствуют дроблению и легкому отделению стружки, обеспечивая чистоту обрабатываемой поверхности. Срок службы режущего инструмента при обработке автоматных сталей увеличивается. Улучшение обрабатываемости стали достигается также микролегированием свинцом, селеном, кальцием. Однако введение этих элементов понижает прочностные характеристики стали, поэтому их применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механических свойств.

    Автоматные  стали получили свое наименование в  связи с их обработкой на станках-автоматах  с повышенной скоростью резания (ЧПУ) для изготовления деталей массового спроса (шайбы, болты, гайки, шпильки и некоторые другие детали автомобилестроения). В обозначении марки первая буква А указывает, что сталь автоматная; цифры в ней показывают содержание углерода в сотых долях процента (например, All, А40Г). Индекс "АС" в начале марки указывает, что сталь автоматная микролегирована свинцом (например, АС35Г2), а индекс "АЦ" - кальцием (АЦ45Х, АЦ40Г2 и др.).

    Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 801-78) по химическому составу должны быть высокоуглеродистыми (0,95...1,05% С), низколегированными (Cr, Si, Mn и др.). Жесткие требования (ГОСТ 801-78 и ГОСТ 21022-75) предъявляются к чистоте по неметаллическим включениям, карбидной сетке, карбидной ликвации, рыхлости и пористости металла. Микроструктура стали в рабочем состоянии - мелкоигольчатый (скрытокристаллический) мартенсит с равномерно распределенными округлыми включениями карбидов. Основными потребительскими свойствами этих сталей являются повышенные твердость (61...65 HRC), износостойкость и сопротивление контактной усталости.

    Шарикоподшипниковые хромистые стали обозначаются буквами  ШХ в начале марки; содержание хрома  в этих сталях указывается в десятых  долях процента после буквенного обозначения (ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ и др.). В  конце марки может быть указан вид металлургического переплава: Ш - электрошлаковый (ШХ15Ш); ВД - вакуумно-дуговой (ШХ15ВД).

    Литейные  стали содержат до 0,9% Mn, до 0,52% Si и не более 0,06% S и 0,08% Р. При затвердении отливок формируются крупные зерна аустенита, внутри которых при последующем охлаждении в сталях с содержанием углерода менее 0,4% образуются направленные пластины избыточного феррита, то есть возникает видманштеттова структура. С увеличением содержания углерода доля феррита, образующего видманштеттову структуру, уменьшается, а доля феррита в виде равноосных зерен возрастает. Литая сталь с видманштеттовой структурой имеет низкие пластичность и ударную вязкость, и для повышения величин этих свойств отливки из сталей, содержащих менее 0,4% С, подвергают полному отжигу или нормализации.

    Литейные  свойства сталей значительно хуже, чем чугунов и большинства  литейных цветных сплавов. Трудности  при литье создают высокая  температура плавления, низкая жидкотекучесть, большая литейная усадка (до 2,3%) и  склонность к образованию горячих литейных трещин.

    Низкоуглеродистые литейные стали применяют для  изготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам; арматуры; деталей  сварно-литых конструкций. Среднеуглеродистые литейные стали применяют для  отливки станин и валков прокатных  станов, крупных шестерен, зубчатых колес. Стальные отливки часто подвергают термической обработке для уменьшения литейных напряжений.

    Литейные  легированные стали по свойствам  уступают углеродистым из-за того, что  при легировании расширяется  интервал кристаллизации и уменьшается теплопроводность (возрастают термические напряжения). Литейные легированные стали подразделяют на конструкционные (ГОСТ 977-88) и высоколегированные со специальными свойствами (ГОСТ 2176-77).

    Многие  литейные стали имеют ту же марку, что и деформируемые, отличаясь лишь буквой Л в конце марки (15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л и 35ХМЛ, 35ХГСЛ. 12Х18Н9ТЛ и др.). В этом случае химический состав литейной стали практически такой же, как деформируемой, и различается лишь допустимое количество вредных примесей (в литейной стали оно несколько больше). Однако немало легированных сталей разработано специально в качестве литейных и не имеют аналога среди деформируемых (например сталь 20ФЛ, применяемая для отливки крупногабаритных деталей грузовых вагонов, и сталь 08ГДНФЛ - для изготовления ответственных крупных деталей в судостроении, работающих до-60°С).