Инструментальные стали.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ стали предназначены для изготовления режущего, штампового и измерительного инструмента. Основное требование к этим сталям – обеспечить высокую твердость (HRC не менее 60) и износостойкость в условиях работы. Инструментальные стали делят на три группы:

- нетеплостойкие, температура эксплуатации не более 200С

- полутеплостойкие, температура эксплуатации от 200 до 400С

- теплостойкие, температура эксплуатации до 600С и, иногда, немного выше.

В качестве нетеплостойких применяют углеродистые стали с содержанием углерода от 0,65 до 1,4%. Эти стали дешевы, хорошо обрабатываются резанием после отжига. После неполной закалки и отпуска при 200С их твердость составляет 55 – 64 HRC. Недостаток углеродистых инструментальных сталей – их невысокая прокаливаемость (см. рис 8.2), при закалке в масле не более 5мм. Более высокая скорость охлаждения при закалке может вызвать деформацию или появление трещин. Такие стали применяют для инструмента малого сечения или в тех случаях, когда достаточно получить на поверхности инструмента твердый слой при вязкой, но не твердой центральной части. С целью повышения прокаливаемости применяют низколегированные инструментальные стали, например 9ХС.

В качестве полутеплостойких применяют легированные инструментальные стали, например 9Х5ВФ. Такие стали имеют более высокую прокаливаемость и износостойкость.

Теплостойкие инструментальные стали – это в первую очередь быстрорежущие стали. Они появились в промышленности в 1902 году и применяются для режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы и т.д). Наибольшее распространение получили марки Р18, Р9, Р6М5.

Быстрорежущие стали требуют сложной термической обработки при производстве инструмента. После отжига при 740С образуется структура перлита с большим количеством карбидов типа Fe₃W₃C, Fe₃Mo₃C и Cr₂₃C₆. Инструмент проходит механическую обработку (обработку резанием) и после этого подвергается закалке и три раза отпуску при 550 – 570С. В процессе отпуска из мартенсита выделяются мелкие карбиды Fe₃W₃C, Fe₃Mo₃C ,Cr₂₃C₆. Количество карбидов в быстрорежущей стали может составить 15 – 20% от веса стали. Пока при высокой (более 600С) температуре не начнется коагуляция карбидов, твердость инструмента будет высокой.

Стали со специальными свойствами.

КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ стали и сплавы обладают повышенным сопротивлением коррозии в атмосфере, морской воде и других агрессивных средах.

Основным способом защиты металла с низкой коррозионной стойкостью от коррозии является его изоляция (отделение) от агрессивной среды (краски, эмали, смазка при транспортировке, гальванические покрытия).

В некоторых случаях металл должен самостоятельно противостоять коррозии. Изоляция от агрессивной среды не помогает при температуре выше 250С и в условиях работы металла на трение. Иногда недопустимо появление продуктов коррозии (приготовление пищи, лекарств и т.д., теплообменники в атомных реакторах). Только в подобных случаях используют более дорогие корозионностойкие стали.

Для создания корозионностойкой стали в ее состав вводят химические элементы, которые образуют на поверхности металла плотную, не проницаемую для кислорода пленку окисла. Такие пленки могут создать Al, Ti, Si и Cr, но только при введении необходимого количества Cr сталь одновременно сохраняет необходимые характеристики пластичности и ударной вязкости.

Минимальное количество Cr для создания корозионностойкой стали составляет 12%. При меньшем содержании Cr сталь не сопротивляется коррозии. Затем при увеличении содержания Cr до 17 и далее до 25% стойкость стали к коррозии снова резко повышается.

Наиболее дешевые и распространенные корозионностойкие стали – это стали с содержанием Cr около 13% (типа Х13).

Стали 08Х13 и 12Х13 используют в пищевой промышленности и при изготовлении лекарств. Сталь 20Х13 – основной материал для рабочих лопаток паровых турбин. В разных странах мира паровые турбины производят от 70 до 100% электроэнергии. Срок службы паровой турбины – до 20 лет, лопатки заменяют после 1 -2 лет работы. Сталь 40Х13 используют для изготовления медицинского инструмента.

Основной недостаток сталей типа Х13 – низкая стойкость к коррозии в присутствии ионов Cl, эти стали не могут работать в морской воде и даже в воздухе около моря. Кроме того, соединять с помощью сварки можно только стали 08Х13 и 12Х13.

Повышение содержания Cr в стали до 17% и более (12Х17, 15Х25Т) повышает стойкость к коррозии в морской воде, но в сталях образуется структура феррита с невысокой прочностью и низкой пластичностью, сильной склонностью к росту зерна при нагреве. Такие стали редко применяют для изготовления деталей машин. Эти стали используют как ЖАРОСТОЙКИЕ– способные сопротивляться окислению при температурах от 600 до 1000*С. Из них делают нагреватели сопротивления в печах, устройства для сжигания топлива.

Широкое применение во всех странах нашли стали типа 18 – 10 (это не официальное, но понятное всем обозначение).

Сталь 08Х18Н10 похожа по химическому составу на сталь 304 стандарта США, подобные стали можно найти в стандартах других стран.

Стали типа 18 – 10 после закалки в воде имеют структуру аустенита, иногда присутствует не более 5% феррита (Ni или Ni + Mn расширяют область аустенита). Закалку данных сталей проводят не для повышения прочности, а с целью растворения карбидов и других включений для повышения стойкости к коррозии. Стали типа 18 – 10 имеют ряд ценных свойств:

1. Высокая стойкость к коррозии в атмосфере, горячем водяном паре, во многих кислотах и щелочах. Для повышения стойкости к коррозии в морской воде в стали добавляют 0,5 – 1,5% Mo.

2. Хорошая свариваемость. Сварку проводят специальными электродами, для сварки изделий большой толщины используют дуговую сварку с аргоном .

3. Высокая пластичность – по стандарту 40 – 45%, на практике до 70% позволяет получать пластической деформацией детали любой формы, а также применять стали упрочнение наклепом без снижения стойкости к коррозии.

Недостатками этих сталей является:

1. Невысокая прочность, предел текучести составляет 200 - 250 МПа.

2. Стали типа 18 – 10 дороги из – за высокого содержания в них Ni. Кроме того, низкое содержание углерода требует использовать для выплавки сталей чистые материалы и проводить плавку в электропечах.

3. Стали могут разрушаться из – за межкристаллитной коррозии (МКК). Эта коррозия связана с разрушением только границ зерен и вызывает полную потерю металлом прочности и пластичности.

Для повышения стойкости стали к МКК нужно помешать образованию карбида Cr₂₃C₆. Для этого в сталях ограничивают содержание углерода. Также в стали вводят небольшие количества Ti (иногда Nb), чтобы образовался карбид TiC, углерод был связан в более стойком карбиде и не произошло образование Cr₂₃C₆.

Из сталей типа 18 – 10 делают теплообменники на атомных электростанциях. Аустенитная структура обеспечивает высокую теплопроводность.

Эта структура исключает снижение ударной вязкости при низких температура. Из сталей типа 18 – 10 делают детали криогенной техники, например для установок производства сжиженного природного газа. Часто применяют стали типа 18 – 10 в химической промышленности.

ЖАРОПРОЧНЫЕ стали и сплавы используют для работы при температурах от 450 до 1100С. Температуру до 560С имеет пар в энергетических паровых турбинах. В паровых турбинах на кораблях и на атомных электростанциях температура пара ниже. Газовые турбины работают при температурах от 600 до 1100С (транспортировка нефти и газа по трубам, авиационные и судовые двигатели, электростанции). Чем выше температура пара или газа на входе в турбину, тем больше КПД , но сложнее условия работы металла.

При длительной работе при высокой температуре (не ниже Т_р, порога рекристаллизации) и под нагрузкой, не превышающей значений σ _0,2 при данной температуре, металл испытывает медленную пластическую деформацию. В металле одновременно происходит два противоположных процесса:

1. Упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и очень медленное уменьшение сечения детали из – за деформации.

2. Разупрочнение в результате рекристаллизации, которое вызовет продолжение пластической деформации.

Возникающую в результате деформацию называют ПОЛЗУЧЕСТЬ.

ЖАРОПРОЧНОСТЬ – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению при высокой температуре. Наиболее удобным критерием оценки работы металла при высокой температуре является предел длительной прочности. Пример обозначения предела длительной прочности – .

Из данного обозначения следует, что при указанном напряжении (в МПа) и рабочей температуре 750С металл проработает не менее 1000 часов.

При температурах до 550С в паровых котлах и других деталях стационарных и транспортных энергетических установок широко используют стали типа 12Х1МФ.После закалки и высокого отпуска сталь имеет достаточно высокую пластичность (гибка труб), хорошо сваривается.

При температурах 600 – 700С используют стали аустенитного класса. В качестве примера можно привести стали

10Х11Н20Т3Р – с упрочнением за счет выделения интерметаллида Ni₃Ti.

45Х14Н14В2М – с упрочнением за счет выделения карбидов W, Mo и Cr.

Обе стали проходят закалку в воде для получения пересыщенного твердого раствора – аустенита без избыточных фаз. Затем проводят нагрев до температур 750 – 800С (старение) и из твердого раствора выделяются соответствующие упрочняющие фазы.

При температурах выше 700С используют сплавы на основе Ni и Со. Их применяют и после литья, и после пластической деформации. В качестве примера можно привести сплав ХН55ВМТКЮ (< 0,12%С, 10% Cr, 5% Mo, 5% W, 14% Со, 4% Al, 1,6% Ti, остальное Ni). Наличие W, Mo упрочняет аустенит и повышает Т_р, замедляя процесс ползучести. Ti и Al образуют с Ni интерметаллидные упрочняющие фазы в процессе старения. Предел длительной прочности данного сплава за 1000 часов при 700С составит 600МПа, при 800С - 320 МПа.