Лекция 13 «Легированные стали с особыми свойствами» 1
Легированные стали с особыми свойствами ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ Специальные стали – это высоколегированные (свыше 10%) стали, обладающие особыми свойствами – коррозионной стойкостью, жаростойкостью, износостойкостью и др. 2
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Углеродистые и низколегированные стали подвержены коррозии, т. е. разрушаются от химического воздействия окружающей среды. Коррозией – называется разрушение металла под действием окружающей среды, в результате ее химического или электрохимического воздействия. 3
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Ущерб, причиняемый коррозией может быть: -прямым -косвенным Прямой включает в себя стоимость замены подвергшихся коррозии частей машин и др. Если проржавела крыша дома, труба парового отопления, кузов автомобиля, их меняют или ремонтируют. Для восстановления пораженных коррозией машин и конструкций ежегодно расходуется 20 -25 млн тонн металла. Косвенный ущерб от коррозии – это простой оборудования в результате аварий, увеличение расхода топлива, материалов. По внешнему виду коррозия обычно проявляется в потере металлического блеска и появления на поверхности металла продуктов коррозии - ржавчины бурого цвета, а также резком падении механических свойств. 4
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали В зависимости от свойств окружающей среды различают следующие виды коррозии: химическую – протекающую под действием на металл газов и не электролитов (нефть и нефтепродукты) электрохимическую –вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей. К ней также относят атмосферную и почвенную коррозию. 5
Легированные стали с особыми свойствами Электрохимическая коррозия может быть нескольких видов: Если металл однороден (твердый раствор), то наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одной скоростью по всей поверхности металла. В неоднородном металле, что является наиболее частым, коррозия носит локальный характер. Эту локальную коррозию подразделяют на : точечную пятнистую с язвами Эти очаги являются концентраторами напряжений. Наиболее опасна так называемая интеркристаллитная коррозия, распространяющаяся по границам зерен, она быстро развивается по границам зерен вглубь металла, резко снижая механические свойства. Сталь, пораженная ею теряет металлический звук. 6
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Существует коррозия под напряжением – она возникает под действием одновременно коррозионной среды и напряжений растяжения. Разновидностью ее является коррозионное растрескивание, образование в металле тонкой сетки трещин, проходящих по объему зерна при воздействии коррозии и напряжений. 7
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Сталь, устойчивую против электрохимической коррозии, называют КОРРОЗИОННО-СТОЙКИМИ или НЕРЖАВЕЮЩИМИ Антикоррозионными свойствами сталь обладает в том случае, если она легированна большим количеством хрома или хрома и никеля. Таким образом, коррозионно-стойкие стали можно разделить на 2 основных класса: Хромистые стали, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную, мартенситно-ферритную или мартенситную структуру Хромо-никелевые - имеющие аустенитную, аустенитомартенситную или аустенито-ферритную структуру. 8
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Хромистые нержавеющие стали Содержание хрома в них должно быть не менее 12 %. При меньшем его содержании сталь не способна сопротивляться коррозии, т. к. ее электродный потенциал становится отрицательным. Наибольшую коррозионную стойкость сталь достигает после соответствующих термической ( закалка + высокий отпуск)и механической (шлифование и полирование) обработок. Сталь обладает лучшей стойкостью против коррозии только при условии, что все содержание хрома в стали приходится на долю твердого раствора. В этом случае он образует на поверхности плотную защитную окисную пленку Сr 2 Oз. 9
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Эти стали должны содержать малый процент углерода, так как увеличение процента углерода приводит к образованию карбидов, уменьшающих количество хрома в твердом растворе и соответственно понижает коррозионную стойкость. 10
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Наиболее распространенные марки нержавеющих хромистых сталей: 12 Х 13 – сталь мартенситного класса, закалка от 1000 -1100 о в масле и отпуска (700 -750 о) и полировки. Это сталь устойчива в слабоагрессивных средах (вода, пар), применяется для деталей с повышенной пластичностью ( клапаны гидравлических прессов, предметы домашнего обихода) σв =600 -660 Мпа δ = 16 -20% 20 Х 13 30 Х 13 -карбюраторные иглы 40 Х 13 – сталь также мартенситного класса, применяется после закалки от 1000 -1050 о и отпуска (180 -200 о) и шлифования и полирования. Это хирургический инструмент, бытовой режущий инструмент, шарикоподшипники, работающие в агрессивных средах. 52 -55 НРСэ. 12 Х 17 – более коррозионно-стойка ( кислоты и др. среды), ферритного класса. 15 Х 28 применяется для химического и пищевого оборудования. Однако она не пригодна для изготовления сварных конструкций. При нагреве происходит обеднение периферийной зоны зерен хромом, что приводит к межкристаллитной коррозии. Это наиболее опасный вид коррозионного разрушения по границам аустенитных зерен. Для предотвращения его в сталь вводят титан. Он связывает углерод и исключает образование карбидов хрома. 08 Х 17 Т – для сварных конструкций. 11
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Хромо-никелевые нержавеющие стали Они содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к аустенитному классу. Кроме аустенита в них находятся карбиды хрома. 12 Х 18 Н 9 - для получения аустенитной структуры ее закаливают в воде от 11001150 ос, при этом достигается высокая коррозионная стойкость при сравнительно малой прочности. Для повышения ее сталь подвергают холодной пластической деформации (наклепу) и применяют в виде холоднокатанного листа ленты. 17 Х 18 Н 9 Так жк как и сталь ферритного класса она вследствие обеднения зерен хромом (выделяются карбиды хрома) склонна к межкристаллитной коррозии. Для ее предотвращения сталь дополнительно легируют титаном или уменьшают процент хрома. Например, 12 Х 18 Н 9 Т или 04 Х 18 Н 9 - для изготовления химической аппаратуры Большим достоинством хромо-никелевых сталей аустенитного класса является их хорошая технологичность в отношении ОМД и сварки. 12 Х 18 Н 10 Т – используется в криогенной технике для транспортировки и хранения жидких газов, резервуаров, топливных баков. Но эти стали очень дороги , поэтому дефицитный никель может быть заменен марганцем : 10 Х 14 Г 14 Н 4 Т 08 Х 22 Н 6 Т 12 Х 21 Н 5 Т – это стали аустенито-ферритного класса, более прочны, чем аустенитные 09 Х 15 Н 8 Ю – аустенито-мартенситного класса, высокая коррозионная стойкость + хорошие механические свойства + хорошая свариваемость 12
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали Высоколегированные кислотостойкие стали 06 ХН 28 МДЮ – кислотостойкая сталь Для более тяжелых условий применяют сплавы никеля и меди – монель, Никеля и хрома – инконель Никеля и молибдена - хастеллой 13
ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ При высоких температурах сплавы вступают во взаимодействие с окружающей газовой средой. Что вызывает газовую коррозию ( окисление) и разрушение металла. Для изготовления конструкций, работающих в условиях повышенных температур (400 -900°) применяют специальные жаростойкие стали. Под жаростойкостью или окалиностойкостью - принято понимать способность материала противостоять коррозионному разрушению под действием воздуха и др. газов при высоких температурах. 14
ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ Жаростойкость принято характеризовать температурой начала интенсивного окалинообразования, когда на поверхности стали образуется сначала тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается и образуется окалина. Если окисная пленка пористая – окисление происходит интенсивно Если – плотная – окисление замедляется или даже совершенно прекращается. Для получения плотной (защитной) окисной пленки сталь легируют хромом, кремнием или алюминием. 15
ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ Степень жаростойкости зависит от количества легирующих элементов. 15 Х 5 хрома 5% - жаростойкость до 700° 12 Х 17 - хрома 17% до 900° 15 Х 28 -хрома 28% до 1100 -1150° Чем выше содержание хрома – тем выше жаростойкость. Важно. Что жаростойкость столь существенно зависящая от состава, не зависит от структуры сплава. Так, жаростойкость ферритных сталей (чисто хромистых) и аустенитных ( хромо-никелевых) практически одинакова. Например, 12 Х 17 и 12 Х 18 Н 9 – жаростойкость их 900° Еще большей жаростойкостью обладают сплавы на никелевой основе с хромом и алюминием. ХН 70 Ю 16
Жаропрочные стали и сплавы К жаропрочным относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. На уменьшение прочности стали влияет не только само повышение температуры, но и длительность воздействия нагрузки. В результате этого сталь «ползет» и это явление названо ползучестью. 17
Жаропрочные стали и сплавы Ползучесть – это деформация, непрерывно увеличивающаяся и завершающаяся разрушением под действием постоянной нагрузки при длительном воздействии температуры. Жаропрочность характеризуется пределом ползучести. Это напряжение, вызывающее заданную по значению деформацию (обычно от 0, 1 до 1%) за промежуток времени (100, 300, 500, 1000 часов) при заданной температуре. 18
Жаропрочные стали и сплавы Кроме этого жаропрочность характеризуется пределом длительной прочности. Это напряжение, вызывающее разрушение при данной температуре за данный интервал времени. Факторы, способствующие повышению жаростойкости: Высокая температура плавления основного металла наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных частиц пластическая деформация, вызывающая наклеп высокая температура рекристаллизации рациональное легирование термическая обработка и термомеханическая обработка 19
Жаропрочные стали и сплавы Жаропрочные стали классифицирую по одному признаку, температуре эксплуатации: Основой котлостроения являются перлитные жаропрочные стали. Они применяются при температурах до 580 °C. Технологичны, недороги. Содержат 0, 25 -0, 3 % С и легирующие элементы: хром, молибден, ванадий. Марки: 12 Х 1 МФ, 25 Х 2 М 1 Ф. Из перлитных жаропрочных сталей изготавливают трубы пароперегревателей, паропроводов и других частей теплоэнергетических установок, а также валы и цельнокованые роторы, плоские пружины, крепеж. 20
Жаропрочные стали и сплавы Мартенситные жаропрочные стали прочнее и выдерживают температуру до 650 °C. Это так называемые сильхромы (например, 40 Х 10 С 2 М), легированные хромом и кремнием, а также 11 Х 11 Н 2 В 2 МФ, 15 Х 11 МФ, 18 Х 12 ВМБФР. Последние имеют МПа. Сильхромы стойки к окислению в парах и топочных газах. Их закаливают с 1000 °C и отпускают при 700 °C. Применяют для клапанов ДВС. Они плохо свариваются и труднее перлитных сталей обрабатываются резанием. 21
Жаропрочные стали и сплавы Аустенитные жаропрочные стали работают до 700 °C. Подразделяются на однофазные (12 Х 18 Н 10 Т), стали с карбидным упрочнением и стали с интерметаллидным упрочнением. Стали аустенитного класса подразделяются на : неупрочняемые (нестареющие) 09 Х 14 Н 16 Б – закалка с охлаждением на воздухе. упрочняемые (стареющие), сложнолегированные 40 Х 15 Н 7 Г 7 Ф 2 МС- для лопаток газовых турбин, закалка с 1050 -1200 ° с последующим длительным старением 600 -800 ° 22
Жаропрочные стали и сплавы При более высоких температурах применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе, например, ХН 77 ТЮР для лопаток турбин, жаростойкость их до 1200 о Жаропрочных сплавов очень много. Но в основном они секретны. 23
CТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ Магнито-твердые стали и сплавы К магнитотвердым относят материалы с высокой коэрцетивной силой, мало изменяющейся во времени. Эти материалы служат для изготовления постоянных магнитов. Для получения высокой коэрцетивной силы более эффективной оказалась не нормальная решетка ОЦК (альфа-железо), а искаженная тетрагональная решетка альфа железа в мартенсите. Поэтому эти стали закаливают на мартенсит с минимальным количеством остаточного аустенита. Это могут быть высокоуглеродистые и легированные стали с высокодисперсной неравновесной структурой. 24
CТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ Для наиболее слабых магнитов применяют инструментальные стали У 10 -У 12, они прокаливаются на небольшую глубину и применяются для изготовления магнитов с размерами сечения 4 -7 мм. Для изготовления наиболее сильных магнитов используют хромистые стали с 1% хрома и 3% хрома. ЕХ 3 ЕХ 5 К 5 - кобальта 5%, хрома 5%. имеет более высокие магнитные свойства Магнитные сплавы имеют очень высокую твердость, но хрупки, поэтому обрабатываются только шлифованием. Магниты из этих сплавов изготавливают либо литьем, либо спеканием из порошков. 25
CТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ В последнее время широко распространены железо-никельалюминиевые сплавы для постоянных магнитов 11 -14%алюминия, 22 -34% никеля, с добавками меди, кремния, кобальта. По магнитной мощности они превосходят стальные. Ални- железо-алюминий и никель Алниси-+ кремний Алнико + кобальт и медь Викаллой - 52% кобальта, 14% ванадия остальное - железо 26
CТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ Магнитомягкие стали и сплавы Они должны отличаться очень малой коэрцетивной силой, что необходимо для уменьшения потерь энергии при их перемагничивании. Для получения магнитной мягкости необходимо: максимальное приближение к равновесному состоянию максимально крупное зерно исключить источники, вызывающие искажение решетки и дробление блоков Таким образом, наиболее подходящими являются чистые металлы, в первую очередь железо - феррит - техническое железо. Это могут быть и сплавы на основе никеля и кобальта, железо-никелевые сплавы - пермаллои. 27
CТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ Электротехническое железо ( Армко-железо) Марки его Э, ЭАА Содержит не более 0, 04%С, зерно по возможности крупное, специальный отжиг. Кремнистые стали - электротехнические стали Э 11, Э 12 Э 21, Э 22 - динамные стали, для изготовления деталей динамомашин, генераторов тока Э 31, Э 32 Э 41, Э 42 - трансформаторные стали- для изготовления сердечников трансформаторов 1 -я цифра - % кремния 2 -я цифра - гарантированные электрические и магнитные свойства Эти стали изготавливаются в виде листов Железо-никелевые сплавы -пермаллои- содержат 45 -80% никеля , дополнительно хром, кремний, молибден. Их применяют в аппаратуре связи. 28
CТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ Немагнитные стали Относятся к высоколегированным сталям аустенитного класса, т. к. только решетка гамма железа не магнитна. Эти стали применяются в электрических машинах взамен менее прочных и дорогих цветных металлов. Наиболее распространенные марки: ЭИ 269 - углерода 0, 5 -0, 6%, марганца - 4 -5, 5%, никеля 20% 55 Г 9 Н 9 Х 3 45 Г 17 Ю 3 29
CТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ Сплавы высокого электросопротивления Они делятся на следующие группы: сплавы для реостатов сплавы для нагревательных элементов Они должны отличаться высоким электросопротивлением (низкой электропроводностью). Поэтому они представляют собой сплавы твердые растворы, а не чистые металлы. Наиболее распространенные сплавы для реостатов: Манганин - МНМц3 - 3%никеля, 12%марганца остальное медь Константан - МНМц40 -1, 5 - 40% никеля 1. 5% марганца остальное медь Копель - МНМц43 -0, 5 - 435 никеля, 0, 5% марганца, остальное медь Сплавы для нагревательных элементов, поскольку они работают при очень высоких температурах в окислительной среде. должны быть одновременно и окалиностойкими, т. е. не окисляться и не прогорать. В их составе всегда присутствует хром и алюминий. Наиболее употребительные сплавы этой группы: Фехраль (Х 13 Ю 4) -углерода менее 0, 15% 30 предельная рабочая температура 1000°
Скачать презентацию Лекция 13 Легированные стали с особыми свойствами 1
Лекция 13_лс_особ_св.pptx