Высоколегированные литейные стали со специальными свойствами

Эта группа сталей отличается чрезвычайным разнообразием составов и свойств. Согласно ГОСТ 2176–77 высоколегированные стали по структуре подразделяют на шесть классов:

1) мартенситный;

2) мартенситно-ферритный;

3) ферритный;

4) аустенитно-мартенситный;

5) аустенитно-ферритный;

6) аустенитный.

Смена классов происходит по мере увеличения степени легированности стали. На практике чаще пользуются классификацией сталей по назначению (основным рабочим свойствам): износостойкая, коррозионно-стойкая, кислотостойкая, жаростойкая и жаропрочная сталь. Химический состав некоторых сталей этих групп приведен в таблице.

Хромистые коррозионно-стойкие и жаростойкие стали с мартенситной и ферритной структурой содержат различное количество хрома (от 11-13 до 27–30%). Хром обеспечивает высокую коррозионную стойкость и жаростойкость, он является основным легирующим элементом для этих сталей. Коррозионная стойкость в сплавах Fe–Сг скачкообразно изменяется по мере увеличения содержания хрома. Такими пороговыми значениями являются концентрации хрома 11,7% и 23,4%. Соответственно стали с 13–18% Сг используются как коррозионно-стойкие, а стали с 25–30% Сг как жаростойкие. Структура сталей определяется соотношением концентраций хрома и углерода.

Низкоуглеродистая хромистая сталь с 13% Сг (20Х13Л) имеет мартенситную структуру. После закалки она имеет σ_в = 630 МПа, σ_т = 450 МПа при относительном удлинении δ = 15%. Сталь применяется для литья деталей, подвергающихся ударным нагрузкам (клапаны, турбинные лопатки, запорная арматуры).

Низкоуглеродистые стали с 18–25% Сг (12Х18ТЛ, 15Х25ТЛ) относятся к ферритному классу. При нагреве и охлаждении в них не происходит фазовых превращений, поэтому стали не подвергают упрочняющей термической обработке. Ферритный твердый раствор не позволяет получить высокую прочность (σ_в = 250–300 МПа), но обладает хорошей пластичностью (δ = 20%). Стали предназначены для изготовления малонагруженных отливок в химической промышленности и отливок печной арматуры, работающей при температуре до 900–1100°С. Добавка титана в этих сталях связывает углерод и повышает стойкость против межкристаллитной коррозии.

Для получения высокой твердости и износостойкости в хромистых сталях увеличивают содержание углерода до 0,5–1,5% (стали типа Х28Л с ферритно-карбидной структурой).

Хромоникелевые коррозионно-стойкие мартенситные стали содержат Cr = 13–18%, Ni = 1–4%. Это количество никеля недостаточно для формирования стабильного аустенита, после закалки и отпуска формируется мартенсит.

Сталь 10Х14НДЛ дополнительно легирована медью, что повышает ее коррозионную стойкость в морской воде и улучшает свариваемость. Механические свойства стали: σ_в = 600 МПа, σ_т = 450 МПа, δ = 15%. Сталь предназначена для ответственных отливок в судостроении (гребных винтов и др.). Увеличение содержания никеля до 4% в стали 09Х16Н4БЛ приводит к резкому возрастанию механических свойств: σ_в = 950 МПа, σ_т = 800 МПа, 8 = 10%. Эта сталь предназначена для деталей повышенной прочности, работающих при температуре до 500 °С.

В рассматриваемых сталях хром и никель снижают температуру ликвидуса и солидуса на 25–30 °С. В связи с этим практическая жидкотекучесть стали увеличивается. Истинная жидкотекучесть вначале уменьшается (при содержании хрома до 5–8%), а затем возрастает. В результате жидкотекучесть высокохромистых сталей выше, чем жидкотекучесть углеродистых сталей с тем же содержанием углерода. Жидкая хромистая сталь склонна к пленообразованию, что вызывает повышение вязкости. Поэтому для улучшения заполняемости необходимо при литье увеличить перегрев ее по сравнению с углеродистой сталью.

В низкоуглеродистых хромистых сталях и сталях с небольшими добавками никеля кристаллизация начинается с выделения обогащенного хромом 8-феррита. Первичные выделения достигают крупных размеров, особенно в условиях перегрева стали перед заливкой или в крупногабаритных, медленно охлаждающихся отливках. При охлаждении β-феррит не претерпевает фазовую перекристаллизацию и в отливках сохраняется грубозернистая транскристаллическая структура с пониженными механическими свойствами. Эти особенности структурообразования в сочетании с низкой теплопроводностью (вдвое ниже, чем у углеродистой стали) способствуют повышению склонности ферритной и мартенситной стали к образованию горячих и холодных трещин. Поэтому большое значение приобретает модифицирование стали 0,1% Се и 0,1–0,15% N с целью измельчения первичной структуры. Азот является эффективной добавкой для устранения транскристаллизации.

Хромоникелевые коррозионно-стойкие и жаростойкие стали аустенитного класса содержат более 8–10% Ni, что при ~0,1% С и ~18% Сг обеспечивает в закаленном состоянии получение стабильной аустенитной структуры. Выделение карбидов Сг₄С в процессе эксплуатации или при сварке приводит к резкому снижению пластичности, а также уменьшает коррозионную стойкость, так как часть хрома выводится из твердого раствора. Добавка титана в количестве% Ti = 6-(% С – 0,02) или ниобия связывает углерод в более стойкие карбиды TiC, сохраняет хром в твердом растворе и повышает стойкость стали против межкристаллитной коррозии (сталь 12Х18Н9ТЛ). Дальнейшее повышение коррозионной стойкости достигается дополнительным легированием стали медью или молибденом. В последнем случае для сохранения аустенитной структуры следует увеличить содержание никеля (сталь 12Х18Н12МЗТЛ). Это необходимо также при увеличении содержания хрома в целях повышения коррозионной стойкости и жаростойкости (сталь 18Х25Н19СЛ). Если же при 25% Сг содержание никеля сохраняется на уровне 10–12%, то структура стали становится двухфазной аустенитно-ферритной (сталь 40Х24Н12СЛ).

Для сталей аустенитного класса применяют термическую обработку: закалка от 1050–1100°С или нормализация при той же температуре.

Характерной особенностью механических свойств сталей аустенитного класса является невысокая прочность (σ_в = 450-500 МПа) и низкий предел текучести (σ_т = 180-250 МПа) при очень хорошей пластичности (δ = 25-35%). Стали широко применяют в химической промышленности для литья различной арматуры (12Х18Н9ТЛ), для деталей паровых и газотурбинных установок – лопаток, венцов и т.п. (18Х25Н19СЛ), а также для жаростойкой печной арматуры.

Температуры солидуса и ликвидуса у сталей содержащих, например, 18% Сг, 8% Ni и 0,1% С составляют соответственно 1400 и 1470 °С, т.е. на 40–50 °С ниже, чем у углеродистых сталей. Поэтому практическая жидкотекучесть оказывается достаточно высокой. Ее улучшают также добавки кремния (до 1,5%) и марганца. Условно-истинная жидкотекучесть такая же, как у углеродистой стали с 0,15% С. Стали содержащие 18% Сr и 8% Ni склонны к пленообразовайию, в связи с чем, их температуру заливки повышают до 1580– 1650 °С. Объем усадочной раковины составляет 3,6%, т.е. в 1,5 раза больше, чем у углеродистой стали; затрудненная линейная усадка находится в пределах 1,6–2% (у аустенитно-ферритных сталей она составляет 1,4–1,5%).

Стали аустенитного класса не склонны к образованию горячих или холодных трещин, из-за отсутствия фазовых превращений, высокой пластичности и низкого предел текучести. Они очень чувствительны к изменению температурных условий литья и склонны к образованию грубозернистой дендритной структуры. Ее невозможно исправить термической обработкой, так как в стали не происходит фазовая перекристаллизация. Для улучшения структуры используется модифицирование введением 0,3% Се, 0,1% Са, 0,06– 0,1% В, а также добавками Ti и Zr.

Хромоникелевые жаропрочные стали аустенитного класса имеют наиболее сложный легирующий комплекс. Из них изготавливают турбинные лопатки, роторы и другие детали газотурбинных двигателей длительно работающие при температурах до 800 °С.

В стали 15Х18Н22В6М2Л высокая жаропрочность обеспечивается растворным упрочнением путем введения добавок вольфрама и молибдена.

В стали 08Х17Н34В5ТЗЮ2Л жаропрочность обеспечивается дисперсионным твердением, так как в высоколегированном твердом растворе образуются дисперсные упрочняющие частицы интерметаллидов Ni₃Ti и Ni₃Al. Стали обладают вполне удовлетворительными литейными свойствами при условии вакуумной плавки и литья в подогретые корундовые формы.

Хромокремнистая сталь мартенситного класса (40Х9С2Л) обладает повышенной износостойкостью и применяется для нагруженных деталей (клапанов моторов, крепежных деталей), длительно работающих при температурах до 700 °С. Важную роль в упрочнении стали играют углерод и кремний.

Высокомарганцевая износостойкая сталь аустенитного класса 110Г13Л (Гатфильда) обладает уникальным комплексом свойств. В закаленном состоянии она имеет аустенитную структуру с низкой твердостью (НВ 200) и высокой вязкостью, что обеспечивает хорошее сопротивление ударным нагрузкам. Под их воздействием марганцевый аустенит быстро наклёпывается, и твердость повышается до НВ 600, поэтому она очень плохо обрабатывается резанием. В результате резко возрастает износостойкость в самых тяжелых условиях абразивного износа. Прочность стали 600–800 МПа; ударная вязкость 0,14–0,20 МДж/м². Высокомарганцевая сталь обладает хорошей жидкотекучестью и относительно низкой температурой плавления (1330–1370 °С), её линейная усадка составляет 2,5–3%.

Сталь имеет повышенную склонность к образованию различных литейных дефектов: трещин, раковин и транскристаллической структуры. Для измельчения литой структуры вводят титан (0,4–0,8%) или цирконий (0,1–0,2%).