книги / Материаловедение.-1

2)высокая окалиностойкость;

3)хорошая теплопроводность для лучшего отвода теплоты от рабочей поверхности штампа;

4)высокая прокаливаемость для обеспечения высокой прочности по всему сечению инструмента.

Таблица 8

Стали для штампов горячего деформирования

Типинструмента	Рекомендуемыемаркистали
Молотовыештампы	5ХНВ, 5ХНМ, 5ХГМ, 4Х5В2ФС
Высадочныештампы	7X3, 4Х5В2ФС, 4Х2СВ2М9
Штампыпрессования, выдав-	4Х5МС, 4Х5В4ФСМ, ЗХ2В8Ф, 2Х8В8М2К8
ливания, прошивки, протяжки
Ножиипилыгорячейрезки	4Х5В2ФС, 4ХЗВМС, 4Х5В4ФСМ, 6ХС
	ДляMg-сплавов– 4Х5МС, 4ХЗВМФС
Пресс-формыдлялитьяпод	ДляАl-сплавов– 4Х5В2ФС, 4Х5МС
давлением	ДляCu-сплавов– ЗХ2В8Ф, 4Х5В4ФСМ
	ЗХ12В12Ф
Пресс-формыдля	2Х12В12Ф
пресcованияпластмасс	55Г, 6ХС, Х12М, X, Х12Ф, 5ХВ2С,
	4Х3ВМФС(20Х, 12ХНЗА, цементуемые)

3. Стали для измерительных инструментов и деталей высокой точности. Для изготовления измерительных инструментов применяются стали X, ХГ, 50, 55, 15, 20 и др. Высокоуглеродистые стали подвергаются закалке и очень длительному низкому отпуску. Желательно до отпуска провести обработку холодом. Малоуглеродистые стали подвергаются цементации и закалке с низким отпуском. Возможно применение нитралоев (38ХМЮА) с азотированием на высокую твердость.

81

ТЕМА 12. СТАЛИ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ. КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ СТАЛИ

Для многих отраслей промышленности из всех свойств конструкционных металлических материалов важнейшим является их коррозионная стойкость, которая определяет в основном срок службы оборудования и надежность его эксплуатации. В связи с развитием ядерной энергетики, энергомашиностроения и других отраслей промышленности, связанных с использованием новых агрессивных сред и более высоких температур и давлений, изучение коррозионно-стойких сталей, а также принципов их легирования представляет особый интерес с точки зрения целесообразного выбора материала.

12.1. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И ЕЕ ВИДЫ

Коррозией металлов называют разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.

Коррозионные процессы, имеющие место в реальных условиях эксплуатации, можно разделить на химические и электрохимические.

Химическая коррозия характерна для разрушения металлов в непроводящей электрический ток среде.

Стали со специальными свойствами – это стали, устойчивые к электрохимической коррозии. Это вид коррозии развивается в среде электролита в результате образования гальванической пары, в результате разрушается участок с меньшим электрохимическим потенциалом (ЭХП). Гальваническую пару можно выделить практически в любом металле, ее могут образовывать соседние фазы, которые будут различаться ЭХП (рис. 28). В связи

82

с этим следует отметить, что однофазные материалы имеют большую коррозионную стойкость. Для двухфазного материала отмечено: чем больше в нем межфазных границ, тем ниже его коррозионная стойкость. Для чистых металлов мерой коррозионной стойкости является ЭХП по сравнению с водородным, который принят за ноль.

Значения электродного потенциала Е0 некоторых металлов приведены ниже:

Элемент

Mg

Al

Mn

Zn

Cr

Fe

Co

Mi

Sn

Pb

Н

Сu

Hg

Ag

Au

E0, В

–2,36

–1,66

–1,18

–0,76

–0,74

–0,44

–0,28

–0,25

–0,14

–0,13

0

+0,34

+0,79

+0,80

+1,50

Рис. 28. Виды железоцинковых гальванических элементов: а – макрогальванический элемент; б – короткозамкнутый макрогальванический элемент; в – микрогальванический элемент

Следует отметить, что одним из эффективных способов борьбы с коррозией является использование в промышленности коррозионно-стойких сталей.

12.2. КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ СТАЛИ

Для защиты от коррозии широко применяется явление пассивации. Пассивность – это состояние повышенной коррозионной устойчивости металлов и сплавов, вызванное преимущественным торможением анодных процессов. Пассивное состояние возникает при образовании тонких прочных и не-

83

прерывных оксидных пленок, равномерно покрывающих поверхность материала.

Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома, алюминия, кремния. Эти элементы образуют непрерывную прочную оксидную пленку и повышают электродный потенциал, т.е. увеличивают электроположительность стали. В качестве примера можно рассмотреть изменение электрохимического потенциала стали при увеличении в ней концентрации Cr (рис. 29).

Рис. 29. Влияние содержания хрома на изменение электрохимического потенциала стали

График позволяет сделать вывод о том, что при содержании хрома более 12 % сталь резко изменяет электродный потенциал с отрицательного (–0,6 В) на положительный (+0,2 В) (см. рис. 29). На поверхности образуется защитная плотная пленка оксида Сr2О3. Г. Тамман предположил, что молярное содержание хрома в стали должно составлять 1/8 или быть кратным этой величине. Для хрома в сплавах с железом это соответствует 11,7 % (по массе). Алюминий и кремний повышают хрупкость стали, поэтому применяются реже.

Коррозионно-стойкие стали (corrosion-resistant steels)

классифицируются по двум признакам: по химическому составу и по структуре в нормализованном состоянии. По химическому

84

составу стали делят на хромистые, хромо-никелевые и хромомарганцовистые; по структуре в нормализованном состоянии – на хромистые ферритные, мартенситные и мартенсито-феррит- ные стали, а также аустенитные хромо-никелевые стали.

В основе принципа классификации хромистых нержавеющих сталей лежит равновесная диаграмма Fe – Cr (рис. 30).

Рис. 30. Диаграмма состояния Fe – Cr

Для обеспечения коррозионной стойкости необходимо в среднем 13 % хрома, растворенного в твердом растворе. Особенности легирования и термообработки каждого класса корро- зионно-стойких сталей описаны ниже.

12.2.1. Стали ферритного класса

Эти стали применяются для изделий, работающих в окислительных средах, например: раствора азотной кислоты, водных растворах аммиака, смеси азотной, фосфорной и фтористо-водо- родной кислот, для бытовых приборов, в пищевой, легкой про-

85

мышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроении.

Для получения сталей ферритного класса необходимо хрома больше 12 % и малое содержание углерода 0,07–0,12 % (рис. 31). Коррозионная устойчивость этих сталей повышается

сувеличением содержания хрома.

Вкачестве примера приведем следующие марки сталей: 08Х13, 12Х17, 15Х25Т, 15Х28, 08Х25Т.

Ферритные стали не имеют фазовых превращений в твердом состоянии, следовательно, неупрочняютсяпритермообработке.

Рис. 31. Часть диаграммы Fe – Cr с нанесенными на нее областями существования нержавеющих сталей различного класса

Недостатами ферритных хромистых сталей являются повышенная хрупкость из-за крупнокристаллической структуры

86

и склонность к межкристаллитной коррозии (МКК) (рис. 32). На схеме видно, что ввиду обеднения по Cr приграничных участков из-за образования на них карбидов образуется гальванический элемент. В теле зерна концентрация Cr составляет 13 %, а на границах гораздо меньше, что и приводит к образованию МКК. Для предотвращения этого вводят небольшое количество Ti, Nb или Mo. Они, являясь более сильными карбидообразующими элементами, чем хром, имеют большее сродство к углероду и тем самым связывают углерод в карбиды, сохраняя хром в твердом растворе, например 08Х25Т, 15Х25Т, 15Х18М2Б. Для повышения механических свойств ферритных хромистых сталей добавляют 2–3 % никеля, например 10Х13Н3, 12Х17Н2.

Рис. 32. Схема распределения хрома по зерну ферритной или аустенитной стали, склонной к межкристаллитной коррозии:

а– в стабилизированном состоянии (отсутствие коррозии); б – после нагрева в критическом интервале температур

ипри воздействии агрессивной среды (наличие коррозии);

1– условная форма зерна; 2 – карбиды хрома на границах зерен; 3 – объединенные хромом пограничные участки; 4 – линии распределения хрома по зерну

87

Рис. 33. Схема термической обработки ферритных хромистых сталей: I – межкристаллитная коррозия; II – выделение σ-фазы; III – развитие 475°С-хрупкости

Ферритные стали подвергают отжигу при температуре 560–800 °С (рис. 33) для получения однородного твердого раствора и увеличения коррозионной стойкости или закалке с нагревом в интервал температур 870–950 °С в течении 1 часа с охлаждением в воде.

12.2.2. Стали мартенситного класса

Стали мартенситного класса широко применяются для изготовления режущего инструмента, лопаток паровых турбин, клапанных пластин компрессоров, предметов домашнего обихода, а также изделий, подвергающихся взаимодействию слабоагрессивных сред.

Для получения мартенситного класса сталей необходима реализация полиморфного превращения γ↔α. Это область на рис. 31 ограничена петлей, обособляющей γ-фазу. К мартенситному классу относят стали с концентрацией углерода от 0,2 до 1,1 %, хрома 13–18 %. Примеры сталей мартенситного класса –

30Х13, 40Х13, 65Х13, 95Х18, 110Х18.

88

Данный вид сталей претерпевает полиморфное превращение, следовательно, их можно упрочнять термообработкой. Закалку изделий из них проводят с температуры 950–1020 °С с ускоренным охлаждением с целью предотвращения выделения карбидов. После закалки сталь имеет высокую коррозионную стойкость. Далее проводят отпуск на требуемую твердость. Как правило, применяют низкий отпуск для снятия внутренних напряжений. Температурный интервал – 200–400 °С, он не влияет на коррозионную стойкость.

Стали мартенситного класса не склонны к межкристаллитной коррозии.

12.2.3. Стали мартенсито-ферритного класса

Данный класс сталей используется для сварных изделий, работающих в слабоагрессивных средах, для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам, например: клапаны гидравлических прессов, мешалки, валы и шнеки в пищевой промышленности.

Получение мартенсито-ферритного класса возможно в соответствии при попадании внутрь петли γ↔α-превращения. Эта группа сталей при нагреве испытывает неполное полиморфное превращение, невозможно получить 100 % мартенсита, после закалки получается структура «феррит + мартенсит». Свойства сталей этой группы будут зависеть от полученного количественного соотношения феррита и мартенсита. В качестве примера рассмотрим следующие марки: 12Х13, 13Х11Н2ВМФ и 20Х13.

Закаливают эти стали с температуры 1000 °С, в случае повышения или понижения температуры закалки увеличивается количество феррита. После закалки их подвергают высокому отпуску (600–700 °С) для получения сорбитной структуры. Высокоотпущенные мартенсито-ферритные стали, наряду с повышенной коррозионной стойкостью, также обладают высокой

89

радиационной стойкостью, что обусловливает их применение в ядерной энергетике.

12.2.4. Хромоникелевые нержавеющие стали

Стали аустенитного класса невозможно получить на хромистых сталях, необходимо вводить большое количество никеля. Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали после охлаждения на воздухе имеют аустенитную, аустенитно-мартенситную и аусте- нитно-ферритную (феррита более 10 %) структуру. Система легирования аустенитных нержавеек следующая: 18 % Сr и 9–12 % Ni. Наиболее экономнолегированными являются стали, содержа-

щие 18 % Cr, 8 % Ni и 0,1 % С.

Широко применяются следующие марки сталей: 12Х18Н10Т (аустенит стабилен); 12Х18Н9, 04Х18Н10, 03Х18Н12, 17Х18Н9 (аустенит нестабилен).

Хромоникелевые нержавеющие стали имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями и в отличие от них сохраняют ее при нагреве. Аустенитные стали немагнитные, хорошо свариваются, удовлетворительно обрабатываются резаньем, абсолютный уровень прочности сравнительно низкий.

Термообработка не стабилизированных титаном и ниобием хромоникелевых сталей заключается в закалке из однофазной аустенитной области 1000 °С в воду без полиморфного превращения (рис. 34, а). Закалка этих сталей проводится с целью растворения специальных карбидов хрома, поэтому выбрана соответствующая температура, а быстрое охлаждение необходимо, чтобы предотвратить их повторное выделение; отпуск не требуется. Стали, стабилизированные титаном или ниобием, закаливают из двухфазной области аустенита и специальных карбидов TiC (или NbC) температура закалки – 1050 °С, повышение температуры закалки может привести к росту зерна вследствие растворения этих карбидов (рис. 34, б).

90