Прочие стали и сплавы с особыми свойствами.

1. Шарикоподшипниковые стали.Хромовая сталь с массовым содержанием 0,95…1,15 % С и 0,4…1,65 Сr образует группу высо­кокачественных шарикоподшипниковых сталей (ГОСТ 801–78) ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ (цифра указывает среднее массовое содержание хрома в десятых долях процента). Являясь заэвтектоидными, эти стали после закалки и низкого отпуска имеют струк­туру скрытокристаллического (так называемого бесструктурно­го) мартенсита с дисперсными равномерно рассеянными карбидами (Fe, Cr7)C3, что определяет их высокую твердость (HRC 62…65) и износоустойчивость, необходимую для того, чтобы противосто­ять сложным сосредоточенным и переменным напряжениям, воз­никающим в зоне контакта шариков или роликов с беговыми дорожками колец подшипников качения. Эти стали используют также для деталей насосов высокого давления, храповых меха­низмов, нагруженных роликов машин, пальцев, копиров и др. Прецизионные подшипники изготовляют из сталей вакуумно-дугового переплава ШХ15Ц1, ШХ15–ШД.

Для изготовления крупных подшипников используют цементи­руемые и цианируемые стали марок 20Х2Н4–Ш, 20Х3Г2Ф, 18ХГТ. Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применя­ют коррозионно-стойкие стали марок 12X13, 20X13 и др.

2. Высокопрочные и износоустойчивые стали.Высокопрочны­ми называют стали с временным сопротивлением на разрыв σв = 1800 МПа и выше. Такие стали находят применение в машино-, ракето- и самолетостроении.

Мартенситостареющими сталями называют высоколегированные безуглеродистые (С < 0,03 %) сплавы желе­за с массовым содержанием Ni 10…25 %, содержащие также Со, Mo, Ti, Al, Cr, Сu и др.

Как было сказано выше, при таком массовом содержании нике­ля сплавы, даже не содержащие углерода, после охлаждения на воз­духе имеют структуру мартенсита. Мартенситостареющими явля­ются, например, стали марок Н18К9М5Т, Н12К15М10, Н10Х11М2Т (эта сталь содержит также 0,2 % А1).

При нагреве до температуры 800-880 °С и выдержке легирую­щие элементы переходят в γ-твердый раствор. Охлаждением на воздухе фиксируется железоникелевый мартенсит, имеющий высо­кую пластичность (δ = 18…20 %, ψ = 75…80 %) и ударную вязкость КС = 2000…3000 кДж/м2 при прочности σв = 900…1100 МПа. Это позволяет производить после закалки вытяжку и обработку давле­нием и резанием. Полученные детали упрочняют старением – выдержкой при 450…500°С, которая обеспечивает выделение мелкодисперсных интерметаллидных фаз Ni3Ti, Fe2Mo, Ni3Mo, NiAl. При этом прочность повышается до значения σв = 2400 МПа.

Мартенситостареющие стали применяют также в криогенной технике, так как при низких температурах они обладают высокой прочностью и достаточной вязкостью.

В качестве износоустойчивой стали широкое распространение получила высоколегированная сталь марки 110Г13Л, содержащая 0,9…1,3 % С и 11,5…14,5 % Мn (аустенитный класс). Эта сталь обладает очень высокими вязкостью и со­противляемостью ударному истиранию: в условиях больших дав­лений и ударной нагрузки твердость и износостойкость ее возра­стает от наклепа. Из этой стали изготовляют стрелки и крестовины железных дорог, черпаки и козырьки землечерпальных машин, гусеницы тракторов. Детали из стали марки 110Г13Л получают литьем и закаливают после нагрева до 1000…1050°С для раство­рения карбидов, снижающих вязкость и прочность стали. После закалки сталь имеет структуру аустенита без карбидов и ввиду большой вязкости и способности наклёпываться очень трудно под­дается обработке резанием, ее обрабатывают при малых режимах резания твердосплавным инструментом и абразивами.

3. Коррозионно-стойкие стали.В промышленности используют хромовую сталь марок 20X13, 40X13, а также хромоникелевую сталь. Хромовая сталь устойчива против коррозии не только на воздухе, но и в агрессивных средах (например, в азотной кислоте), при повышенной температуре; ее применяют для изготовления лопаток турбин, цилиндров высокого давления, труб пароперегре­вателей и т. д. При массовом содержании Сr 25…30 % и С 0,1…0,2 % (ферритный класс) сталь является окалиностойкой, способ­ной выдерживать длительные нагревы до температуры 1100 °С без образования окалины (и стали марок 15Х25Т, 15Х18СЮ и др.).

Хромоникелевая сталь является коррозионно- и кислотостой­кой. Она применяется для изготовления аппаратуры в нефтяной, химической, пищевой промышленности (стали марок 12Х18Н9, 08Х18Н10Т). Хромоникелевые стали дороги, поэтому по возмож­ности их стараются заменить сталями, в которых часть никеля заменена марганцем (например, сталь 10Х14Г14НЗТ).

Для получения аустенитной структуры, определяющей высо­кую коррозионную стойкость, сталь выдерживают при темпера­туре 1150…1100 °С для растворения карбидов и охлаждают в мас­ле или на воздухе.

4. Жаростойкие и жаропрочные стали. Вкачестве жаростойких применяют стали мартенситного класса под общим наименовани­ем сильхромов (40Х9С2, 40Х10С2М и др.). Эти стали используют, например для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания. Сталь аустенитного класса 45Х14Н14В2М, применяе­мая для клапанов мощных двигателей, обладает одновременно высокой жаропрочностью и жаростойкостью.

5. Прочие стали и сплавы с особыми свойствами.Магнитомягкие стали применяют для изготовления трансформаторов, сердечников и полюсов электромагнитов и реле, статоров и рото­ров электродвигателей. Эти стали имеют малую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость, а также малые потери на гистерезис и вихревые токи; они содержат до 4,8 % Si (определяю­щего высокое удельное сопротивление) и относятся к ферритному классу. Углерод, сера, кислород и азот являются вредными приме­сями в магнитомягких сталях, так как они не растворяются в фер­рите и образуют химические соединения Fe3C, FeO, FeS, Fe4N, резко понижающие магнитную проницаемость и увеличивающие поте­ри от гистерезиса

Магнитотвердые стали марок ЕХ3, ЕХ5К5, а также У8…У10 используют для изготовления постоянных магнитов; они обладают малой магнитной проницаемостью, большой и устойчи­вой коэрцитивной силой, большой остаточной индукцией.

Стали и сплавы с высоким сопротивлением применяют для электрических печей сопротивления. Хромоалюминиевые низкоуглеродистые (0,06…0,18 % С) стали ферритного класса марок Х13Ю4, 0Х23Ю5, 0Х27Ю5А имеют удельное сопротивление 1,18…1,47 мкОм · м и рабочую температуру 900…1250 °С. Однако эти стали малопластичны, а при высоких темпе­ратурах становятся ползучими и могут провисать под действием собственной массы.

Никелевые сплавы (нихромы) марки Х20Н80 (20 % Сr, 80 % Ni) и др., а также ферронихромы марок Х25Н60 (25 % Fe, 15 % Сr, 60 % Ni) и Х25Н20 имеют удельное сопротивление 0,83…1,17 мкОм·м и несколько меньшую (до 1150°С) рабочую темпе­ратуру, однако они более пластичны и прочны при нагреве; их применяют для промышленных электропечей и бытовых нагре­вателей. Эти материалы выпускаются в виде ленты, проволоки и прутков. Для реостатов используют сплав на основе меди – манганин.

Сплавы с заданным температурным коэф­фициентом линейного расширения используют для деталей приборов, которые должны обладать постоянством размеров при изменении температуры (в заданных пределах) или иметь заданный коэффициент расширения. Установлено несколь­ко марок сплавов на железоникелевой основе (ГОСТ 10994–74). В системе сплавов Fe–Ni коэффициент линейного расширения уменьшается с увеличением массового содержания никеля и при 36 % Ni и 64 % Fe он равен нулю; при большем массовом содер­жании никеля он снова возрастает. В связи с этим сплав Н36 используют для деталей приборов и механизмов, которые долж­ны сохранять постоянство размеров при нагреве (до +100 °С) и охлаждении (до –100 °С) – штриховые меры в метрологии, эта­лоны измерители, геодезические и астрономические приборы и т. д.

Для деталей приборов с заданным значением коэффициента расширения и спаев с электровакуумным стеклом используют другие марки сплавов на железоникелевой основе, некоторые из которых добавочно легируются кобальтом или медью. С этой же целью применяют более дешевые железохромовые сплавы (напри­мер, 18ХТФ).

Тема 22. Металлокерамические твёрдые сплавы, их маркировка и область применения.

Вопросы: