4.1.3. Специальные легированные конструкционные стали

Специальные стали - это высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов) стали, обладающие особыми свойствами — коррозионной стойкостью, жаро­стойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др.

Коррозионностойкие стали. Коррозионностойкой (или нержавеющей) называют сталь, обладающую высокой химической стойкостью в агрессивных средах. Коррозионностойкие стали получают легированием низко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюминием, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение получили хромистые и хромоникелевые стали. Хромистые стали более дешевые, однако хромоникелевые обладают большей коррозионной стойкостью. Содержание хрома в нержавеющей стали должно быть не менее 12% . При меньшем количестве хрома сталь не способна сопротивляться коррозии, так как ее электрохимический потенциал становится отрицательным. Хромоникелевые стали содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода. Сталь (например, 12Х18Н9) закаливают в воде при температуре 1100-1150°С; при этом достигается наиболее высокая коррозионная стойкость при сравнительно невысокой прочностью. Для повышения прочности сталь подвергают холодной пластической деформации.

Хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного класса имеют большую коррозийную стойкость, чем хромистые стали, их широко применяют в химической, нефтяной и пищевой промышленности, в автомобилестроении, транспортном машиностроении, в строительстве.

Для экономии дорогостоящего никеля его частично заменяют марганцем. Такую сталь применяют для изготовления деталей и сварных конструкций, работающих в кислотных средах повышенной агрессивности.

Жаростойкие стали. При высоких температурах металлы и сплавы вступают во взаимодействие с окружающей газовой средой, что вызывает газовую коррозию (окисление) и разрушение материала. Под жаростойкостью (или окалиностойкостью) принято понимать способность материала противостоять коррозионному разрушению под действием воздуха или других газовых сред при высоких температурах. Для изготовления конструкций и деталей, работающих в условиях повышенной температуры (400—900°С) и окисления в газовой среде, применяют специальные жаростойкие стали.

К жаростойким относят стали, содержащие алюминий, хром, кремний Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Например, хромистая сталь, содержащая 30% Сг, ус­тойчива до 1200°С. Введение небольших добавок алюминия резко повышает жаростойкость хромистых сталей. Стойкость таких материалов при высоких температурах объясняется образованием на их поверхности плотных защитных пленок, состоящих в основном из оксидов легирующих элементов (хрома, алюминия, кремния). Область применения жаростойких сталей - изготовление различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.

Жаропрочные стали. Используют при работе под нагрузкой (в течение длительного времени и при высоких температурах) Например, детали двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургичес­кого оборудования длительное время работают при больших нагрузках и высоких температурах (500— 1000°С). Под жаропрочностью принято понимать способность материала выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при высоких температурах. К числу жаропрочных относят стали, содержащие хром, кремний, молибден, никель и др. Они сохраняют свои прочностные свойства при нагреве до 650°С и более. Из таких сталей изготавливают элементы теплообменной аппаратуры, детали котлов, впускные и выпускные клапаны автомобильных и тракторных двигателей

Износостойкие стали. Износостойкость деталей обычно в первую очередь обеспечивается по­вышенной твердостью поверхности. Однако высокомарганцевая аустенитная сталь при низкой начальной твердости (180—220 НВ) успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших дина­мических (ударных) нагрузок (такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, щек дробилок и др.).

К износостойким сталям относится высоко­марганцовистая сталь марки 110Г13Л, известная под названием стали Гадфильда. Она содержит 0,9 - 1,4 % С; 1,5 - 15 % Мn; 0,3 - 1,0 % Si и небольшое количество серы, фосфора, хрома, никеля и меди. Высокая износостойкость этой стали сочетается с хорошей пластичностью и ударной вязкостью. Сталь 110Г13Л используют для отливок, работающих в условиях ударно-абразивного износа, в частности для зубьев ковшей, экскаваторов, траков гусеничных машин, железнодорожных стрелок и крестовин, бронеплит и дробилок и т. п.

Для изготовления деталей машин, работающих в условиях трения, применяют специальные износостойкие стали - шарикоподшипниковые, графитизированные и высокомарганцовистые.

Шарикоподшипниковые стали (ШХ6, ШХ9, ШХ15) применяются для изготовления подшипников - ответственных деталей машин и механизмов.

Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной вы­носливостью, высокой статической грузоподъемностью, износостойкостью, высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и размерной стабильностью.

Это достигается повышением качества металла: его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава

Они в значительной степени обеспечивают надежность и долговечность работы машин, в том числе автомобилей, тракторов, подвижного состава железных дорог и др.

Рессорно-пружинные стали обладают высоким пределом текучести и высоким пределом выносливости при достаточной вязкости и пластичности. Для сталей, содержащих не менее 0,5 % С, это достигается закалкой с последующим средним отпуском (300...400°С).

К легированным рессорно-пружинным сталям относятся марганцевые (60Г.65Г) и кремнистые (55С2, 60С2), идущие для изготовление плоских и круглых пружин, рессор, пружинных колец и других деталей, от которых требуются высокие упругие свойства и повышенное сопротивление износу; хромованадиевые (50ХФА, 50ХГФА), применяющиеся для ответственных клапанных пружин, рессор легковых автомобилей и торсионных валов ткацких станков; сальниковых пружин, для пружин, работающих при повышенных температурах (до 300°С) и переменных нагрузках.