Стали и сплавы с особыми физическими свойствами, их назначение, маркировка и применение в промышленности.

К группе сталей с особыми физическими и химическими свойствами относятся: магнитные и немагнитные, обладающие высоким электрическим сопротивлением, особыми тепловыми свойствами, нержавеющие жаропрочные и окалиностойкие. В такой стали особенно нуждается авиационная промышленность, электротехническая, турбинная, химическая промышленность, ракетная техника и др. Магнитные сплавы и стали.

В эту группу входят пружинные, шарикоподшипниковые, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и другие стали и сплавы.

Пружинные стали общего назначения

Пружины, рессоры и другие упругие детали испытывают упругую деформацию. В то же время многие из них испытывают циклические нагрузки. Поэтому основные требования к пружинным сталям — обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.

Стали, используемые для пружин и рессор, содержат 0,5—0,75 % С (углерод). Их дополнительно легируют кремнием (до 2,8 %), марганцем (до 1,2 %), хромом (до 1,2 %), ванадием (до 0,25 %), вольфрамом (до 1,2 %) и никелем (до 1,7 %), при этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления, стали малым пластическим деформациям, а следовательно стойкости против ослабления.

Шарикоподшипниковые стали

Основной причиной выхода из строя подшипников качения является контактная усталость металла, проявляющаяся в выкрашивании частиц и отслаивании тонких пластин с рабочих поверхностей деталей (шелушение).

Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Это достигается повышением качества металла — его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

При изготовлении деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (X) стали ШХ15 и ШХ15СГ (число 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента). Эти стали содержат по 1 % С (углерода). Сталь ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием (0,5 %) и марганцем (1,05 %) для повышения прокаливаемое™.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготовляют из сталей 20X2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой.

Коррозионностойкие (нержавеющие) устойчивые к электрохимической и химической коррозии, называют коррозионностойкими (нержавеющими). Устойчивость стали против коррозии достигается введением в нее химических элементов, образующих на поверхности плотные, прочно связанные с основой защитные пленки, препятствующие непосредственному контакту, стали с агрессивной средой, а также повышающие ее электрохимический потенциал в данной среде. Коррозионностойкие стали делят на две группы: хромистые и хромоникелевые. Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода. Стали с низким содержанием углерода (08X13, 12X13) пластичны, хорошо свариваются и штампуются. Их подвергают закалке в масле (температура 1000—1050 °С) с высоким отпуском при температуре 600—800 °С и используют для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки (например, клапаны гидравлических прессов) или работающих в слабоагрессивных средах (например, лопаток гидравлических и паровых турбин и компрессора). Эти стали можно использовать при температурах до 450 °С (длительно) и до 550 °С (кратковременно). Стали 30X13 и 40X13 обладают высокой твердостью и повышенной прочностью. Эти стали закаливают при температуре 1000—1050 °С в масле и отпускают при температуре 200—300 °С. После такой обработки они сохраняют мартенситную структуру, характеризуются высокой твердостью (50—52 НЯС) и достаточной коррозионной стойкостью. Стали 30X13 и 40X13 используют для изготовления карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д.

Высокохромистые стали ферритного класса (12Х17,15Х25Т и 15X28) обладают более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со сталями. Эти стали термической обработкой не упрочняются: они склонны к сильному росту зерна при нагревании свыше 850 °С. Для измельчения зерна и повышения сопротивления коррозии сталь легируют титаном (15Х25Т).

Хромоникелевая сталь является коррозионно- и кислотостойкой. Ее используют для изготовления аппаратуры в нефтяной, химической и пищевой промышленности (стали марок 12Х18Н9, 08X18Н ЮТ). Хромоникелевые стали дороги, поэтому по возможности их стараются заменить сталями, в которых часть никеля заменена марганцем (например, сталь 10Х14Г14НЗТ).

Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре выше 550 °С, работают в нагруженном или слабонагру-женном состояниях. Жаропрочные стали и сплавы способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладают при этом достаточной жаростойкостью. Для повышения жаростойкости сталь легируют хромом, алюминием и кремнием. Введение в высокохромистые стали (8—13 % хрома) вольфрама и ванадия совместно с молибденом способствует повышению их жаропрочности. В качестве жаростойких сталей применяют стали мартенситного класса под общим наименованием сильхромов (10Х13СЮ, 40Х9С2, 40X10С2М и др.). Их используют для изготовления клапанов газораспределительного механизма. Стали аустенитного класса 45Х14Н14В2М обладают одновременно высокой жаростойкостью и жаропрочностью.

Электротехнические стали и сплавы, которые применяют для изготовления трансформаторов, сердечников и полюсов электромагнитов и реле, статоров и роторов электродвигателей. Они имеют высокую магнитную проницаемость, а также характеризуются малыми потерями на гистерезис и вихревые токи, содержат до 4,8 % 81 (определяющего высокое удельное сопротивление) и относятся к ферритному классу. Углерод, сера, кислород и азот являются вредными примесями в таких сталях. Стали марок ЕХЗ, ЕХ5К5, а также У8—У10 используют для изготовления постоянных магнитов. Они обладают малой магнитной проницаемостью, большой остаточной индукцией. Стали и сплавы с высоким сопротивлением применяют в электрических печах. Хромоалюминиевые низкоуглеродистые стали (0,06—0,18% С) ферритного класса марок Х13Ю4, ОХ23Ю5, ОХ27Ю5А имеют удельное сопротивление 1,18—1,47 Ом • 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 % Сг; 80 % N1) и др., а также ферронихромы марок Х25Н60 и Х25Н20 имеют удельное сопротивление 0,83—1,17 Ом • м и несколько меньшую (до 1150 °С) рабочую температуру. Однако они более пластичны и прочны при нагревании. Их применяют в промышленных электропечах и бытовых нагревателях. 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 сохранять постоянные размеры при изменении температуры или иметь заданный коэффициент расширения. 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).