Легированные стали и сплавы с особыми свойствами

К этой группе относятся стали и сплавы на основе железа, в которых суммарное содержание легирующих элементов составляет более 10 %. Они имеют очень важное значение в энергетической, авиационной, ракетной технике, при производстве электротехнических изделий, в химической и других отраслях промышленности. К сталям с особыми свойствами относятся: магнитные, немагнитные, стали с высоким электрическим сопротивлением, коррозионно-стойкие стали и сплавы, жаростойкие и жаропрочные стали, с особыми упругими свойствами и др.

Магнитные стали широко применяются в электротехнике. Они делятся на магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитотвердые служат, главным образом для изготовления постоянных магнитов; их марки ЕХ2, ЕХ5К5, ЕХ9К15М. Буква Е означает, что сталь электротехническая (магнитная). В этих сталях содержатся хром, кобальт, молибден. Магнитомягкие стали применяют для изготовления сердечников трансформаторов, роторов, статоров электрических машин, электроизмерительных приборов; обозначаются буквой Э (Э1, Э11, Э21, Э41 и т.д.). Они характеризуются высоким процентом содержания кремния. Кроме магнитных сталей применяются магнитные сплавы на алюминиевоникелькобальтовой и железоникельалюминиевой основе.

Немагнитные стали и сплавы, например 55Н9Г9 и Н25, заменяют дорогие цветные металлы; применяются в приборах; где магнитные материалы могут повлиять на точность показаний.

Стали и сплавы с высоким электрическим (омическим) сопротивлением используются в нагревательных приборах, при изготовлении реостатов. Марки стали Х13Ю4, ОХ23Ю5А, ОХ23Ю7А (содержание углерода 0,05-0,15). Сплавы состоят из никеля и хрома (например, Х20Н80, Х15Н80Т5).

Сталь и сплавы с особыми тепловыми свойствами отличаются особо низким коэффициентом теплового расширения. К ним относят сталь 18ХМТФ и сплавы инвар Н36 (содержание никеля 36%, остальное железо), элинвар Н36Х8, ковар Н29К18, платинит Н48 (последний заменяет платину). Указанные сплавы применяются для часовых пружин, камертонов, физических приборов).

Стали и сплавы с особыми химическими свойствами – высоколегированные коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали обладают стойкостью против коррозии в атмосфере, почве, в кислотах и щелочах. Жаростойкие стали и сплавы противостоят химическому разрушению в газовых средах при температуре выше 550°С при работе изделий в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Жаропрочные стали и сплавы работают в нагруженном состоянии и обладают жаростойкостью.

Коррозионностойкие – высокохромистые стали, легированные никелем, титаном, ниобием и другими элементами. Коррозионностойкие стали в менее агрессивных средах (в атмосфере, слабых кислотах, воде) применяются для лопаток водяных и паровых турбин, хирургического инструмента, клапанов, гидравлических прессов, шарикоподшипников, предметов домашнего обихода. Для этих сталей стандартом установлены марки 15Х5, 15Х5М, 15Х5ВФ, 10Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 15Х28. К нержавеющим в агрессивных средах относятся хромоникелевые стали. Области их применения: химическое машиностроение, изготовление кислотоупорных конструкций, аппаратуры, работающей с фосфорной, уксусной, муравьиной, азотной кислотами, и конструкционных деталей в авиации. Марки этой стали: 12ХН9Т, 03Х18НЮ, 03Х17Н14М2, 10Х18Н11Б, 17Х18Н9Т, 03Х16Н15М3Б.

Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы применяются для деталей и механизмов в условиях действия высоких температур, газов и нагрузок. Важнейшие легирующие элементы в этих сталях: хром, никель, алюминий, кремний, титан. Из этой стали изготавливают лопатки газовых турбин, детали реактивных двигателей, камеры сгорания, детали газопроводных систем, реактивной техники и т.д. Марки этих сталей, например: 1Х14Н18В2Б, 03Х18Н12Т, 12Х25Н16Г7АР, 08Х1428НВ3Т3ЮР. Марки сплавов: ХН70ВМТЮ, ХН75МБЮ.

Чугуны

Чугун состоит из железа (до 92 %), углерода (от 2,14 % до 5 %) и примесей: кремния (до 4,3 %), марганца (до 2 %), серы (до 0,07 %), фосфора (до 1,2 %).

Углерод в чугуне бывает в двух видах: в свободном состоянии – в виде графита; в химическом соединении с железом Fe₃C - в виде цементита. Если углерод в чугуне находится полностью или частично в виде графита, то чугун имеет в изломе серый цвет и называется серым. Если углерод в чугуне находится в виде цементита, то чугун имеет в изломе белый цвет и называется белым.

Кремний способствует получению серого чугуна, а марганец – белого. Сера и фосфор – вредные примеси: сера придает чугуну хрупкость, фосфор придает хрупкость, но улучшает литейные свойства чугуна (жидкотекучесть). Серый и белый чугуны резко отличаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, в основном идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна используется для получения ковкого чугуна. Серые чугуны обладают хорошими литейными свойствами, мягкие, хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, они называются литейными чугунами. Чугуны с содержанием фосфора 0,3-1,2 % жидкотекучи и применяются для художественного литья. Серый чугун поступает в производство в виде отливок и характеризуется прочностью и твердостью.

Согласно ГОСТ 4832-80 установлены следующие марки отливок из серого чугуна: СЧ00, СЧ120, СЧ150, СЧ180, СЧ210, СЧ240, СЧ280, СЧ320, СЧ360, СЧ400, СЧ440 и др. Буквы СЧ обозначают серый чугун, а цифры, стоящие за буквами, показывают предел прочности чугуна при растяжении (МПа). Чугун марки СЧ00 не испытывают, т.к. его применяют для изготовления неответственных деталей. Группу чугунов марок СЧ120 – СЧ210 относят к чугунам невысокой прочности и используют для производства труб, колец; твердость чугунов 143-231 НВ. Чугуны марок СЧ240 – СЧ440 являются чугунами повышенной прочности, их твердость 170-260 НВ. Они предназначены для изготовления станин, штампов, маховиков. Наибольшей твердости и прочности чугуны марок СЧ550-СЧ650, используют их для производства более ответственных изделий: шестерен, рам и др.

Ковкие чугуны (КЧ) значительно пластичнее серых. Согласно ГОСТ 1215-79 установлены следующие марки ковких чугунов: КЧ330-8; КЧ370-12, КЧ620-2 и др.

Первое число показывает предел прочности при растяжении (МПа), второе – относительное удлинение (%). Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна в нейтральной или окислительной среде при температурах 950°-1000°С. В зависимости от этой среды различают графитизирующий и окислительный отжиг.

Графитизирующий отжиг проводят в речном песке, длительность отжига около суток, цементит при этом разлагается с образованием графита и феррита. Такой чугун имеет ферритную металлическую основу и хлопьевидные включения углерода. Ковкий чугун значительно дешевле стали, обладает хорошими механическими свойствами и коррозионной стойкостью.

Высокопрочные чугуны (ВЧ) отличаются высокими прочностью и пластичностью. Применяются для ответственных деталей, заменяют сталь. По ГОСТ 7293-85 их марки: ВЧ450-5, ВЧ600-2, ВЧ1200-4 и др. Числа, следующие за буквами ВЧ, обозначают предел прочности при растяжении (МПа) и относительное удлинение при разрыве (%). Высокопрочный чугун применяют для производства коленчатых валов, зубчатых колес и подобных деталей ответственного назначения.

Легированные чугуны (ГОСТ 7769-82) содержат наряду с обычными примесями легирующие элементы (хром, никель, титан и др.), которые резко улучшают механические свойства, увеличивают сопротивление коррозии и заменяют стальное литье. Например, чугуны марок ЧЮ6С5 применяют для изготовления изделий, жаростойких в воздушной среде; ЧХ9Н5 – дробометов, грохотов, ковшей пескометов; ЧХ18Д3 - немагнитных деталей, ЧХ28 – коррозионностойких деталей и др.

Специальные чугуны или ферросплавы обладают повышенным содержанием кремния или марганца. К ним относятся ферросилиций, ферромарганец и др. Эти чугуны применяют для раскисления стали, т.е. для удаления из стали вредной примеси – кислорода воздуха. Синтетический чугун получают плавлением металлического лома в электрических печах путем науглероживания. Из него изготовляют отливки повышенного качества.