Легированных сталей со специальными свойствами

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 34Следующая ⇒

Химический состав и механические свойства сталей в отливках в соответствии с ГОСТ 977-88 приведены в Приложениях 4 и 5, а в соответствии с отраслевыми техническими условиями — в Приложениях 6, 7.

Как правило, заданное специальное свойство сталей может быть получено при сложном легировании железа, обеспечивающем ту или иную структуру металла. Наряду с необходимой структурой у стали должен быть и достаточно высокий уровень механических свойств, позволяющий отливке работать длительное время. Из данных, приведенных в Приложениях 5 и 7, видно, что более высоким уровнем механических свойств (σ _{0, 2} от 400 МПА, а σ _в от 600 МПа и выше) при удовлетворительных значениях пластических характеристик и вязкости обладают стали мартенситного и аустенитно-мартенситного классов.

Стали ферритного, мартенситно-ферритного и аустенитно-ферритного классов в большинстве своем имеют средние значения прочностных (σ _{0, 2} от 250 МПа, а σ _в от 500 МПа), пластических (δ — до 20%, ψ — до 45 %) свойств и вязкости (около 300 кДж/м²).

Стали аустенитного класса, за редким исключением, характеризуются высокими пластическими характеристиками (δ — до 20%, ψ — до 30 % и выше), вязкостью (KCU 981 кДж/м²) при средних значениях прочностных свойств (σ _{0, 2} от 200 МПа до 500 МПа, а σ _в от 400 МПа и выше). С повышением температуры эксплуатации отливок механические свойства сталей изменяются (табл. 1.9).

Характеристика специальных свойств

Легированных сталей

Специальные свойства — это такие свойства, которые обеспечивают работу стали в отливках в различных агрессивных средах, при высоких температурах и т. д. К ним в первую очередь относятся: коррозионная стойкость, кислотостойкость, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость.

Коррозионная стойкость — способность материала сопротивляться разрушению металлов и сплавов в результате их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Это свойство может определяться количественно изменением массы образцов материала, изменением их толщины, изменением физических или механических свойств и др. В качестве показателя коррозионной стойкости используют значения глубины пораженного слоя К_Г (мм/год) или К_М (г/м²), которые связаны соотношением:

Кг = Км/ρ,

где ρ — плотность металла, г/см³;

Высокая коррозионная стойкость достигается легированием сталей легкопассивирующимися металлами: Аl, Сr, Ni, Тi, Мо, W, создающими защитную пленку на поверхности отливки, прочность которой повышается при образовании в структуре твердых растворов.

Основной легирующий элемент коррозионностойких сталей — хром. В составе используемых в настоящее время сталей содержание хрома обычно превышает 10%. Никель повышает коррозионную стойкость в слабоокисляющих и неокисляющих растворах, стабилизирует аустенитную структуру и позволяет создавать Сr—Ni коррозионностойкие стали. Кроме этих двух элементов, при разработке составов данных сталей применяются другие легирующие элементы: ферритообразующие (Si, Аl, Мо, W, Nb, Тi, V) и аустенитообразующие (Мn, Со, Сu).

Углерод, входящий в состав многих коррозионностойких сталей, существенно расширяет область аустенита, так же как Мn и Ni.

В качестве коррозионностойких главным образом применяют высоколегированные хромистые и хромоникелевые стали мартенситного, ферритного, мартенситно-ферритного и реже аустенитного классов.

Одним из наиболее распространенных видов коррозии является межкристаллитная коррозия (МКК), которая проявляется в разрушении сталей по границам зерен, что приводит к резкому снижению прочности и пластичности и может вызвать преждевременное разрушение отливки.

В хромистых сталях ферритного класса МКК проявляется после нагрева выше 1000°С и быстрого охлаждения. Выделение по границам зерен богатых хромом карбидов снижает необходимый уровень концентрации хрома в приграничных областях, что не обеспечивает коррозионную стойкость стали. Стали с низким содержанием углерода и азота ( ниже 0, 010—0, 015 %) и повышенным содержанием хрома практически не склонны к МКК. Повышает стойкость к МКК ферритных сталей легирование их сильными карбидообразующими элементами (Тi, Nb, V, Та), которые связывают углерод и азот, сохраняя хром в твердом растворе.

В аустенитных коррозионностойких сталях склонность к МКК практически отсутствует в тех случаях, когда технология изготовления отливок обеспечивает однофазную аустенитную структуру. Однако в процессе эксплуатации этих сталей при повышенных температурах могут создаваться условия для выделения карбидов, содержащих хром, что будет способствовать проявлению МКК. Устранение ее достигается введением в стали более сильных карбидообразующих элементов — Тi, V и др. Таким образом, увеличение стойкости аустенитных сталей обеспечивается:

— снижением содержания углерода, что исключает образование карбидов хрома;

— введением в сталь более сильных (чем хром) карбидообразующих элементов, связывающих углерод в прочные карбиды, что исключает обеднение приграничных участков хромом. При этом необходимую концентрацию титана и ниобия определяют по соотношениям:

0, 7 < Ti < 5 (% С 0, 02),

[Nb] > 8 (%С—0, 02);

— термической обработкой, способствующей переводу хрома и углерода в γ -твердый раствор.

Разработанные в Московском государственном институте стали и сплавов экономнолегированные аустенитные стали 05Х18АН5ФЛ и 05ХI8АН6М2ФЛ несколько превосходят по коррозионной стойкости высоконикелевые стали 12Х18Н9ТЛ и 12Х18Н 12М3ТЛ, предназначенные для работы в агрессивных средах, содержащих фосфорную, серную, азотную, уксусную, щавелевую, муравьиную, лимонную, соляную, яблочную и другие органические кислоты, растворы спиртов, едкого натра и едкого кали, сероводорода и многих солей.

Скорость коррозии в этих средах не превышает 0, 1 мм/год. Литейные свойства таких легированных азотом сталей превосходят аналогичные свойства сталей прототипов.

Мартенситные и мартенситно-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и слабоагрессивных средах (слабые растворы солей, кислот) и имеют высокие механические свойства (см. Приложения 5, 7). Чем больше в сталях углерода, тем больше выделяется карбидов, что снижает коррозионностойкость. Поэтому для поддержания высокой коррозионной стойкости на практике часто используют стали с переменным содержанием хрома и углерода: чем выше содержание углерода, тем больше необходимо вводить хрома.

Аустенитно-ферритные стали имеют низкую склонность к МКК. Они сложны по химическому составу и имеют в структуре различные соотношения феррита и аустенита. В различных температурных интервалах в них проходят сложные фазовые превращения, что часто ограничивает области их применения.

Аустенитно-мартенситные стали используют в тех случаях, когда необходимо получить сочетание повышенной прочности при хорошей коррозионной стойкости. При получении отливок из этих сталей необходимо строго выдерживать соотношение феррито-аустенитообразующих элементов, для чего рекомендуется использовать структурную диаграмму Шеффлера (см. рис. 1.13).

Кислотостойкость — способность сталей работать в среде кислот. Кислотостойкость является разновидностью коррозионной стойкости и характеризуется теми же параметрами. Максимальной стойкостью обладают стали, легированные хромом (Сr ≥ 17, 0 %) и никелем (Ni ≥ 8, 0 %). Предельное содержание углерода составляет 0, 02—0, 03%.

Наиболее широко в качестве кислотостойкой стали используют аустенитную сталь 10Х18Н9Л. Для улучшения механических свойств кислотостойкие стали дополнительно легируют титаном, ниобием, молибденом. Молибден улучшает стойкость отливок в растворах уксусной и фосфорной кислот, горячих растворах сернистой кислоты, в кипящих растворах азотной, плавиковой, серной и соляной кислот. Аустенитно ферритные и аустенитно-мартенситные стали используют при необходимости иметь более высокий предел текучести.

Жаропрочность — способность сталей выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени.

Стали, работающие при повышенных и высоких температурах, делятся на группы:

— теплоустойчивые стали для отливок, работающих в нагруженном состоянии при температурах до 550 °С в течение длительного времени;

— жаропрочные стали для отливок, работающих в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение заданного времени и обладающих при этом достаточными механическими свойствами;

—жаропрочные стали для отливок, работающих в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температуре выше 550^оС и обладающих стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах.

В группу теплоустойчивых сталей входят углеродистые и низколегированные хромистые стали. Структура их определяется степенью легирования и режимом термической обработки. После нормализации она состоит из феррита и ферритокарбидной смеси разной дисперсности (пер лит, троостит, бейнит, сорбит).

В группу жаропрочных входят Cr—Ni стали аустенитного класса, дополнительно легированные Si, Мn, Тi, Мо, W, Nb, А1, В (12Х18Н12М3ТЛ, 15Х23Н18Л, 35Х18Н24С2Л и др.).

Жаропрочные стали для отливок условно можно разделить на три группы:

— гомогенные (однофазные) — их жаропрочность достигается за счет легирования твердого раствора;

— стали с карбидным упрочнением;

— стали с интерметаллидным упрочнением.

Наивысшей жаропрочностью обладают стали, химический состав которых соответствует твердому раствору, и стали, в которых под воздействием высоких температур образуются мелкодисперсные выделения карбидных, интерметаллидных фаз и фаз внедрения. Эти фазы располагаются по границам зерен и препятствуют развитию диффузионных процессов. Интервал рабочих температур таких сталей очень широк — от 400 до 1000 ^оC, а в случае малых нагрузок до 1200 ^оC.

При упрочнении за счет дисперсионного твердения должно быть обеспечено выделение упрочняющих фаз (и карбидов), обладающих повышенной стойкостью против коагуляции при рабочих температурах.

В аустенитных сталях интерметаллидные фазы образуются при легировании Тi, Nb, Мо, Zr, W, Аl, В, которые переводятся в раствор при высоких температурах и выпадают из него при температурах 500—600 ^оC.

Для получения жаропрочных отливок наиболее широко применяют стали типа 18-8 (12Х18Н12БЛ), 18-22 (15Х18Н22В6М2РЛ), 18-23 (35Х12Н24С2Л). Из них изготовляют литые детали энергоустановок с длительным сроком работы при 600—650^оC, детали авиационных двигателей (рабочие и сопловые лопатки газовых турбин и др.), печные конвейеры, шнеки, крепежные детали и др.

Отливки из жаропрочных аустенитных сталей, предназначенные для длительной работы, подвергают термической обработке: закалке от температур 1100—1150^оC и отпуску при температуре, превышающей на 100—150 ^оC рабочую.

Жаропрочные отливки с малым сроком эксплуатации подвергают, как правило, только закалке. В них карбиды будут выделяться в процессе эксплуатации при рабочих температурах.

Жаростойкость характеризует сопротивление сталей газовой коррозии при высоких температурах.

Группу жаростойких составляют хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые стали ферритного, аустенитного, мартенситного и аустенитно-ферритного классов с добавками других легирующих элементов: А1, Si, Мn, Nb, Мо, W, Тi (40Х9С2Л, 15Х25ТЛ, 40Х24Н12СЛ, 20Х20Н14С2Л, 20Х25Н19С2Л, 15Х18Н22В6М2РЛ и др.).

Жаростойкость сталей различна в зависимости от характера среды. Поэтому большую роль играет способность легирующих элементов взаимодействовать с элементами окружающей рабочей среды. Например, хромистую сталь нежелательно применять в среде с азотом и углеродом, так как в ней будут образовываться карбиды и нитриды хрома, твердый раствор обеднится этим элементом, жаростойкость снизится. Жаростойкость будет увеличиваться в том случае, если легирующий элемент, взаимодействующий со средой, образует на поверхности отливки плотную оксидную пленку.

В качестве жаростойких применяются многие из жаропрочных сталей (10Х18Н11БЛ, 15Х18Н22В6М2РЛ и др.). структура жаростойких сталей может быть мартенситная, ферритная, аустенитная, аустенитно-ферритная.

Износостойкость — способность сталей сопротивляться износу. Износ является сложным процессом и характеризуется изменением размеров, формы, массы или состояния поверхностного слоя отливок под воздействием внешней среды. В зависимости от условий внешнего воздействия износ может быть абразивным, ударно-абразивным, кавитационным, гидроабразивным и др. Наиболее часто стальные отливки работают в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания.

Абразивным называют изнашивание поверхности отливки в результате режущего или царапающего действия твердых абразивных частиц.

Повышения стойкости отливок при абразивном износе добиваются за счет увеличения твердости (микротвердости) сталей. Таким образом, целью легирования износостойких сталей для уменьшения абразивного изнашивания является получение максимально возможной твердости при необходимом уровне механических и служебных свойств (прочности, пластичности, предела текучести и др.).

В качестве абразивостойких используют углеродистые и высокоуглеродистые стали после закалки, стали с большим количеством карбидов в структуре; как правило, это карбиды Cr, V, Тi, Мо (40ХЛ, 40Л, 55Л, 45ФЛ, У12Л, У8Л, Х12Л, Х12МЛ). Чем больше углерода и карбидообразующих элементов в стали, тем при одинаковой твердости износостойкость выше (рис. 1.15).

Ударно-абразивное изнашивание — это разрушение поверхности отливки в результате ударного воздействия на нее твердых абразивных частиц, внедряющихся с большой энергией в рабочий слой, который разрушается в результате малоцикловой усталости микрообъемов. При выборе способов повышения стойкости отливок при ударе особое внимание следует уделять склонности поверхностного слоя к хрупкому выкрашиванию и его способности деформироваться. Отливки, работающие в условиях ударно-абразивного изнашивания, должны сочетать повышенную твердость поверхностных слоев с вязкой сердцевиной. Сочетание таких противоположных свойств может быть достигнуто, если твердость поверхности будет повышаться при приложении к ней рабочих нагрузок, причем на небольшую глубину.

Прямое динамическое внедрение твердых абразивных частиц в поверхности отливки способствует зарождению хрупких трещин, которые могут соединяться между собой. При этом существенную роль будет играть неоднородность структуры и свойств поверхностного слоя (например, присутствие хрупких фаз — карбидов, нитридов, боридов). Возникновение, рост и слияние трещин резко снижают износостойкость изделий при ударе. Такого влияния можно избежать, если твердость вязкой рабочей поверхности отливки повысится во время динамического действия на нее абразивного материала в результате фазового или структурного превращения. Это характерно для сталей со стабильным или метастабильным аустенитом. Таким образом, задачей легирования ста лей для работы в условиях ударно-абразивного износа является получение стабильной или метастабильной аустенитной структуры, способной упрочняться под влиянием нагрузок. Основными аустенитообразующими элементами являются Mn и Ni.

Способность аустенитных Fe-Mn сплавов упрочняться вследствие деформации обнаружил английский ученый Р. Э. Гадфильд в 1884 г. Он довел содержание марганца в стали до 11—12% и определил, что полученная сталь после закалки в воде от температур 1000 °С обладает высокой пластичностью и сопротивлением ударно-абразивному износу. Гадфильд запатентовал новую сталь, и с тех пор она известна под его именем (сталь Гадфильда), а в СНГ — как высокомарганцевая сталь 110Г13Л. За прошедшее время проведено большое количество работ по исследованию стали 110Г13Л, улучшению ее свойств, а также созданию новых марок износостойких сталей взамен нее.

Однако до сих пор сталь Гадфильда является основным материалом для изготовления отливок, работающих при ударно-абразивном изнашивании. Из нее получают около 0, 6 млн. т. литья в год.

Пять марок высокомарганцевых износостойких сталей аустенитного класса: 110Г13Л, 110Г13ФТЛ, 130Г14ХМАФЛ, 120Г10ФЛ, 110Г13Х2БРЛ входят в ГОСТ 977-88. Отливки из этих сталей подвергают закалке в воде от температур 1050—1150 ^оС после чего они приобретают чисто аустенитную структуру.

Износостойкая сталь 110Г13Л содержит в своем составе 0, 9—1, 5 % С, 11, 5—15% Мn, 0, 3—1, 0% Si, до 0, 05% S, до 0, 12% Р. Как правило, соотношение Мn: С должно быть больше 10. Из нее изготавливают корпуса вихревых и шаровых мельниц, щеки дробилок, трамвайные и железнодорожные стрелки и крестовины, гусеничные траки, зубья ковшей экскаваторов и другие детали, работающие на износ. После термической обработки сталь имеет следующие свойства: σ _в = 800...1000 МПа, σ _т = 250...400 МПа, δ = 35...45%, ψ = 40...50%, НВ = 170...230, KCU = 2000...3000 кДж/м². Сочетание высокой износостойкости в случае приложения больших истирающих нагрузок, когда твердость поверхностных слоев может достигать 550—600 ед. НВ, с хорошей пластичностью и ударной вязкостью является главной особенностью этой стали. Однако при чисто абразивном износе, когда преобладает механизм среза поверхностных слоев абразивными частицами, сталь 110Г13Л со структурой аустенита не имеет существенных преимуществ перед другими сталями с аналогичной твердостью.

Недостатком стали 110Г13Л является высокое содержание фосфора, который вносится при легировании стали ферромарганцем. Ферромарганец содержит до 0, 5 % фосфора и при легировании стали 13 % Мn концентрация этого элемента может достигать значений 0, 08—0, 12%. Это приводит к загрязнению стали фосфидной эвтектикой, которая снижает все механические свойства (рис. 1.16). Уменьшить содержание фосфора после легирования стали марганцем известными способами окислительной плавки нельзя из-за окисления марганца.

Для снижения вредного влияния фосфора и улучшения свойств сталь 110Г13Л модифицируют активными элементами: Тi, V, Са, Се и др. Измельчение зерна приводит к увеличению межзеренной поверхности и снижению пограничной концентрации вредных примесей, что положительно влияет на свойства. Лучшие результаты достигаются при комплексном модифицировании стали. В частности, обработка стали добавками, не превышающими 0, 1% Тi или V и 0, 01% Са, позволяет получить хорошее сочетание ударной вязкости и износостойкости, что улучшает стойкость отливок в рабочих условиях в 1, 4—1, б раза.

Сталь 110Г13Л практически не обрабатывается резанием. Поэтому все отверстия и другие полости, формирующие тело отливки, получают только литьем.

Перспективное направление в создании износостойких сталей для отливок, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания, связано с использованием механизма деформационной нестабильности марганцевого аустенита для увеличения его способности к упрочнению. Высоким сопротивлением ударно-абразивным нагрузкам обладают стали с двойным механизмом упрочнения при деформации: образование мартенсита деформации + изменение структуры аустенита. Одним из широко-доступных и недефицитных элементов для этих целей является хром. Кроме того, используют следующие легирующие комплексы: Fе—Мn— Сr, Fе—Мn—-Сr—Э, Fе—Мn—Сr—Ni, Fе—Мn—Сr—Ni—Э, где Э — дополнительные легирующие и модифицирующие добавки. Примерами таких метастабильных аустенитных сталей являются разработанная И. Н. Богачевым с сотрудниками сталь 60Х5Г10Л и сталь 90Х2Г9АФТЛ, созданная на кафедре «Электрометаллургия и литейное производство» Магнитогорского государственного технического университета. Данные стали применяют для изготовления отливок горно-металлургического оборудования, работающих при циклическом контактно-ударном нагружении и ударно-абразивном изнашивании: бронефутеровочные плиты, щеки, конусы дробильно-размольного оборудования, детали загрузочных устройств доменных печей, молотки молотковых дробилок и др.

Пластическая деформация вызывает в поверхностных слоях отливок из метастабильных аустенитных сталей развитие γ —ε —α превращения с образованием мартенсита, в то время как сталь 110Г13Л сохраняет аустенитную структуру. Это и обеспечивает более высокое сопротивление износу отливок из сталей 60Х5Г10Л и 90Х2Г9АФТЛ по сравнению со сталью 110Г13Л при некотором улучшении литейных свойств.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒