Классификация легированных сталей по структуре

Особое внимание в настоящей работе студенты должны обратить на классификацию сталей по структуре, получаемой после нагрева до 950 ⁰С и охлаждения на воздухе. В соответствии с этой классификацией легированные стали делят на пять классов: ферритный, перлитный, мартенситный, аустенитный и карбидный (ледебуритный).

Стали перлитного класса содержат любое количество углерода, но менее 2,14 % С (мало-, средне- высокоуглеродистые стали). Суммарное содержание всех легирующих элементов – не более 5 % (сумма легирующих элементов  5 %). К сталям перлитного класса относятся различные конструкционные стали, применяемые для изготовления деталей машин, а также инструментальные.

М икроструктура легированной стали перлитного класса приведена на рисунке 3.

Примерами сталей перлитного класса могут служить: 15Х, 40ХГ, 20ХН3А, 25ХГС, 20ХГР, 38ХН3МФ (машиностроительные); 16Г2АФ, 15ХСНД (строительные); 35ГС, 20ХГ2Ц (арматурные); 70С3А, 50ХГФА (пружинные), ШХ9, ШХ15СГ (шарикоподшипниковые); 16М, 25Х1МФ (жаропрочные (котельные)); 9ХС, ХВГ, 5ХНВ, В2, 4Х3ВМФ (режущие и штамповые).

Стали ферритного класса содержат  0,25 % углерода и высокое содержание легирующих элементов – хрома ( 10 %), вольфрама, кремния, ограничивающих область существования -твердого раствора и расширяющих область -твердого раствора. В них при их нагреве не наблюдается полиморфных превращений, а происходит рост зерна. Микроструктура легированной стали ферритного класса приведена на рисунке 4.

При введении в сталь 12  14 % Cr ее электрохимический потенциал становится положительным, и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосфере, морской (пресной) воде, ряде кислот, солей и щелочей. Под коррозией понимается поверхностное разрушен ие металла под воздействием внешней среды. В качестве нержавеющих широко применяют стали: 08Х13, 12Х13, 12Х17, 08Х17Т, 14Х17Н2.

При повышенном содержании хрома сталь приобретает жаростойкие свойства. Под жаростойкими (окалиностойкими) сталями и сплавами понимают стали и сплавы, обладающие устойчивостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 500 ⁰С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Для приобретения жаростойких свойств при рабочей температуре  900 ⁰С сталь должна содержать не менее 10 % хрома, а при рабочей температуре  1100 ⁰С – не менее 20  25 % хрома. Примеры сталей: 12Х17, 15Х28, 15Х25Т, 14Х17Н2.

Данные стали содержат небольшие добавки титана, никеля, ниобия, молибдена. Титан, ниобий, молибден вводят для измельчения зерна, предотвращения межкристаллитной коррозии, а никель для повышения прочности.

Большим недостатком сталей ферритного класса является то, что возникающая при перегреве (например, при сварке) крупнозернистость не может быть устранена термической обработкой, так как в этих сталях нет фазовых превращений. Крупнозернистость создает повышенную хрупкость стали (порог хладноломкости повышается и переходит в область положительных температур).

Стали аустенитного класса содержат любое количество углерода. Основные легирующие элементы этих сталей – хром, никель, марганец.

Суммарное содержание хрома и никеля около 30 % (Cr + Ni   30 %), содержание марганца более 10 % (Mn  10 %). Легирующие элементы – Ni и Mn, стабилизируют аустенит и позволяют сохранить данную структуру при комнатных температурах (рис. 5).

С тали этого класса в зависимости от природы легирующих элементов и их количества, а также от характера термической обработки могут обладать самыми различными высокоценными свойствами: низким пределом текучести, умеренной прочностью, высокой пластичностью, высокой вязкостью, высоким сопротивлением истиранию, малым коэффициентом теплового расширения, немагнитностью, хорошей коррозионной стойкостью в окислительных средах и другими специальными свойствами.

Представителями аустенитных сталей являются: 12Х18Н9Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4 (коррозионно-стойкие); 06Х25Н28МДТ (кислотостойкие); 07Х21Г7АН5, 03Х19Г10Н7АМ2 (криогенные стали – работают при низких температурах, до –296⁰С); 12Х25Н16Г7АР, 30Х24Н12СЛ (жаростойкие стали); 110Г13Л, 30Х10Г10 (износостойкие стали); 45Г17Ю3А, 55Г9Н9Х3 (маломагнитные); 4Х12Н8Г8МФБ, 08Х14Н28В3Т3ЮР, 45Х14Н14В2М (жаропрочные – обладают повышенными механическими свойствами при высоких температурах).

Стали мартенситного класса являются среднеуглеродистыми, содержат 0,25  0,6 % С. Содержание легирующих элементов свыше 5 % (Cr 10 % или сумма легирующих элементов  5 %).

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в -железе с такой же концентрацией, как и у исходного аустенита. Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Типичная микроструктура мартенсита стали имеет характерный игольчатый вид. Аустенит, который существует при нормальной температуре наряду с мартенситом, называется остаточным аустенитом (светлые поля между иглами мартенсита). Микроструктура легированной стали мартенситного класса приведена на рисунке 6.

Стали этого класса характеризуются высокой твердостью, большой хрупкостью и плохой обрабатываемостью. Из них изготавлив

Рисунок 6 – Микроструктура (а) и схема микроструктуры (б)

легированной стали аустенитного класса – 40Х13

ают различный инструмент и другие детали, работающие в активной коррозионной среде.

Примеры сталей мартенситного класса: 40Х10С2М, Х7СМ (жаропрочные (сильхромы)); 40Х13, 30Х13 (коррозионно-стойкие); 25Х2Н4ВА (высокопрочные).

Стали карбидного (ледебуритного) класса содержат более 0,5 % углерода (0,7  2,20 % С) и повышенное количество карбидообразующих элементов (V, W, Mo, Cr,). Весь углерод в отожженной стали находится в связанном состоянии в виде специальных карбидов.

П од влиянием легирующих элементов точки S и E диаграммы состояния Fe – Fe₃C перемещаются влево, к меньшим содержаниям углерода. Поэтому ледебуритные стали имеют в структуре в литом состоянии эвтектику типа ледебурита, в которой находятся крупные

ч

Рисунок 7 – Микроструктура (а, б) и схема микроструктуры (в) легированной стали карбидного класса – Р18

астицы карбидов (рис. 7, а). Но так как эти стали содержат углерода менее 2,0 % , то могут быть подвергнуты пластической деформации (ковке).

Ковка изменяет строение быстрорежущей стали, так как разбивает эвтектику на отдельные обособленные карбиды. В кованой отожженной стали можно наблюдать три вида карбидов: крупные обособленные первичные карбиды, более мелкие вторичные и очень мелкие эвтектоидные карбиды, входящие в основной сорбитовый фон (рис. 7, в). Количество карбидов в этих сталях достигает 30  35 %.

Примером сталей карбидного класса могут быть быстрорежущие стали. Быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью, износостойкостью, красностойкостью, работают в условиях больших скоростей трения. Высокая твердость у быстрорежущих сталей сохраняется до 500  600 ⁰С.

Из этих сталей изготавливают – резцы, сверла, фрезы, метчики, плашки, развертки, зенкеры, пилы, напильники.

Примеры сталей карбидного класса: Р9, Р18, Р6М5, Р10К5Ф5.

Также к сталям карбидного (ледебуритного) класса можно отнести высокохромистые стали (11,0  13,0 % Cr при 1,0  2,2 %С), которые нашли широкое применение для холодных штампов и других инструментов, деформирующих металл в холодном или относительно невысоко нагретом состоянии. Эти стали обладают высокой износоустойчивостью, повышенной теплостойкостью, малой деформируемостью при термической обработке. Примеры: Х12, Х12ВМ.