Технологии. Высокопрочная нержавеющая сталь мартенситного класса Стали и сплавы высоколегированные, коррозионостойкие, жаропрочные и жаростойкие
Все стали имеют свою маркировку, отражающую в первую очередь их химический состав. В маркировке стали первой цифрой указано содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют буквы русского алфавита, обозначающие наличие легирующего элемента. Если за буквой цифры нет, это означает, что содержание легирующего элемента составляет не более одного процента, а следующие за буквой цифры (цифра) означают содержание его в процентах.
Примеры расшифровки обозначения сталей:
12ХНЗА: содержание углерода - 0,12%, хрома - 1,0%, никеля - 3,0%, высокого
качества;
30ХГСА: содержание углерода - 0,30%, хрома, марганца, кремния по одному проценту,
буква "А" обозначает высокое качество;
19ХГН: cодержание углерода - 0,19%, хрома, марганца, никеля по одному проценту;
15Х25Т: содержание углерода - 0,15%, хрома - до 25%, титана - до 1%;
08Х21Н6М2Т: содержание углерода - 0,08%, хрома - 21%, никеля - 6%, молибдена
- 2%, титана - до 1 процента.
09Х16Н15М3Б: содержание углерода - 0,09%, хрома - 16%, никеля - 15%, молибдена
- 3,0%, ниобия - до 1 процента.
В последние годы для улучшения качества стали применяются новые методы ее выплавки, которые находят отражение в обозначениях марок стали:
- ВД - вакуумно-дуговой;
- ВИ - вакуумно-индукционный;
- Ш - шлаковый;
- ПВ - прямого восстановления;
- ЭШП - электронношлаковый переплав;
- ШД - вакуумно-дуговой после шлакового переплава;
- ЭЛП - электронно-лучевой переплав;
- ПДП - плазменно-дуговой переплав;
- ИШ - вакуумно-индукционный плюс электрошлаковый переплав;
- ИП - вакуумно-индукционный плюс плазменно-дуговой переплав.
- ЭП - электростальская (завод) поисковая;
- ЭИ - электростальская исследовательская;
- ЧС - челябинская сталь;
- ЗИ - златоустовская исследовательская;
- ВНС - ВИЭМовская нержавеющая сталь;
- ДИ - днепроспецстальская (завод) исследовательская.
По степени раскисления стали маркируются так:
кипящие - кп, полуспокойные - пс, спокойные - сп.
Углеродистые стали
Углеродистая сталь по назначению делится на конструкционную и инструментальную .
Конструкционной углеродистой называется сталь, содержащая до 0,6 % углерода (как исключение допускается 0,85 процента).
По качеству конструкционная углеродистая сталь разделяется на две группы: обыкновенного качества
и качественная
.
Сталь обыкновенного качества применяется для неответственных строительных конструкций, крепежных деталей, листового проката, заклепок, сварных труб. На конструкционную углеродистую сталь обыкновенного качества установлен ГОСТ З80-88. Эта сталь выплавляется в кислородных конвертерах и мартеновских печах и подразделяется на три группы: группа А, поставляемая по механическим свойствам; группа Б, поставляемая по химическому составу и группа В, поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.
Качественная углеродистая конструкционная сталь поставляется по химсоставу и механическим свойствам, выплавляется в кислородных конвертерах и мартеновских печах. На нее распространяется ГОСТ 1050-88.
Качественная конструкционная сталь применяется для деталей, работающих при повышенных нагрузках и требующих сопротивления удару и трению: зубчатых колес, осей, шпинделей, шарикоподшипников, шатунов, коленчатых валов, а также для изготовления сварных и бесшовных труб. К конструкционным углеродистым сталям относится автоматная. Для улучшения обработки резанием в ее состав вводится сера, свинец, селен. Из этой стали делают трубы для автомобилестроения.
Легированные стали
В стали особого назначения вводят также редкоземельные элементы, в легированных сталях может одновременно находиться несколько легирующих элементов.
Область применения конструкционной легированной стали очень велика. Применение легированной стали экономит металл, повышает долговечность изделий.
По назначению легированные стали делятся на группы: конструкционная, инструментальная и сталь с особыми физическими и химическими свойствами.
Конструкционная легированная сталь согласно ГОСТ 4543-71 делится на три группы: качественная, высококачественная и особо высококачественная.
В легированной стали наряду с обычными примесями (сера, кремний, фосфор) имеются легирующие, т.е. связывающие элементы: хром, вольфрам, молибден, никель, а также кремний и марганец в повышенном количестве. Легированная сталь обладает высоко ценными свойствами, которых нет у углеродистой стали.
Ниже описано влияние конкретных элементов на свойства стали:
- Хром - повышает твердость, коррозионностойкость;
- Никель - повышает прочность, пластичность, коррозионностойкость;
- Вольфрам - увеличивает твердость и красностойкость, т.е. способность сохранять при высоких температурах износостойкость;
- Ванадий - повышает плотность, прочность, сопротивление удару, истиранию;
- Кобальт - повышает жаропрочность, магнитопроницаемость;
- Молибден - увеличивает красностойкость, прочность, коррозионностойкость при высоких температурах;
- Марганец - при содержании свыше 1 процента увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок;
- Титан - повышает прчность, сопротивление коррозии;
- Алюминий - повышает окалиностойкость;
- Ниобий - повышает кислотостойкость;
- Медь - уменьшает коррозию.
Наибольшее распространение получили следующие легированные стали:
- хромистые, обладающие хорошей твердостью, прочностью: 15Х, 15ХА, 20Х, 30Х, 30ХРА, 35Х, 40Х, 45Х;
- марганцовистые, отличающиеся износоустойчивостью: 20Г, 50Г, 10Г2, 09Г2С;
- хромомарганцовые: 19ХГН, 20ХГТ, 18ХГТ, 30ХГА, 25Х2ГНТА-ВД;
- кремнистые и хромокремнистые, обладающие высокой твердостью и упругостью: 33ХС, 38ХС;
- хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые, особо прочные, противостоящие истиранию 30ХМА, 15ХМ, 15Х5М, 15Х1МФ;
- хромомарганцевокремнистые стали ("хромансиль") : 14ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА;
- хромоникелевые, очень прочные и пластичные: 12Х2Н4А, 20ХН3А, 12ХН3А;
- хромоникелевольфрамовые, хромоникелеванадиевые стали: 12Х2НВФА, 20Х2Н4ФА, 30ХН2ВА.
Стали и сплавы высоколегированные, коррозионостойкие, жаропрочные и жаростойкие
Коррозионностойкие высокохромистые стали, легированные никелем, титаном, хромом, ниобием и другими элементами. Предназначены для работы в средах разной агрессивности. Для слабо агрессивных сред используются стали 08Х13, 12Х13, 20Х13, 25Х13Н2.
Детали из этих сталей работают на открытом воздухе, в пресной воде, во влажном паре и растворах солей при комнатной температуре.
Для сред средней агрессивности применяют стали 07Х16Н6, 09Х16Н4Б, 08Х17Т, 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 15Х25Т.
Для сред повышенной агрессивности используют стали 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т, 03Х18Н12, которые обладают высокой стойкостью против межкристаллитной коррозии и жаростойкостью. Структура коррозионностойких сталей в зависимости от химсостава может быть мартенситной, мартенситно-ферритной, ферритной, аустенитно-мартенситной аустенитно-ферритной, аустенитной.
Хладостойкие стали должны сохранять свои свойства при температурах минус 40…минус 80 град. С. Наибольшее применение имеют стали: 20Х2Н4ВА, 12ХН3А, 15ХМ, 38Х2МЮА, 30ХГСН2А, 40ХН2МА и др.
Жаропрочные стали способны противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах (400…850 град. С). Стали 15Х11МФ, 13Х14Н3В2ФР, 09Х16Н15М3Б и другие применяют для изготовления пароперегревательных устройств, лопаток паровых турбин, трубопроводов высокого давления. Для изделий, работающих при более высоких температурах, используются стали 15Х5М, 16Х11Н2В2МФ, 12Х18Н12Т, 37Х12Н8Г8МБФ и др.
Жаростойкие стали способны сопротивляться окислению и окалинообразованию при температурах 1150…1250 град. С. Для изготовления паровых котлов, теплообменников, термических печей, аппаратуры, работающей при высоких температурах в агрессивных средах используются стали марок 12Х13, 08Х18Н10Т, 15Х25Т, 10Х23Н18, 08Х20Н14C2, 1Х12МВСФБР, 06Х16Н15М2Г2ТФР-ИД, 12Х12М1БФР-Ш.
Теплоустойчивые стали предназначены для изготовления деталей, работающих в нагруженном состоянии при температуре 600 град. С в течение длительного времени. К ним относятся: 12Х1МФ, 20Х3МВФ, 15Х5ВФ, 12Х2МФСР.
Химический состав марок стали
Источник: [http://tirus.ru/ ]| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | S | P | Cu | V | Ti | N | Al | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 0,07…0,14 | 0,17…0,37 | 0,35…0,65 | 0,15 | 0,30 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 20 | 0,17…0,24 | 0,17…0,37 | 0,35…0,65 | 0,25 | 0,25 | - | 0,03 | 0,025 | 0,30 | - | - | 0,008 | - |
| 12Х18Н10Т | 0,12 | 0,80 | 2,00 | 17,0…19,0 | 9,0…11,0 | - | 0,02 | 0,035 | - | - | …0,80 | - | - |
| 17Г1С | 0,20 | 0,55 | 1,60 | 0,30 | - | - | 0,035 | 0,035 | - | - | - | - | 0,02 |
| Ст1пс | 0,06…0,12 | 0,05…0,15 | 0,25…0,50 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| Ст2пс | 0,09…0,15 | 0,05…0,15 | 0,25…0,50 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| Ст2сп | 0,09…0,15 | 0,15…0,30 | 0,25…0,50 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| Ст3сп | 0,14…0,22 | 0,15…0,30 | 0,40…0,65 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| 35 | 0,32…0,40 | 0,17…0,37 | 0,50…0,80 | 0,25 | 0,30 | - | 0,04 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| 35 ГС | 0,34…0,40 | 0,40…0,60 | 1,00…1,40 | 0,30 | 0,30 | - | 0,03 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| Ст3пс | 0,14…0,22 | 0,05…0,15 | 0,40…0,65 | 0,30 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | 0,01 | - |
| 40Х | 0,36…0,44 | 0,17…0,37 | 0,50…0,80 | 0,80…1,10 | 0,30 | - | 0,035 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| 45 | 0,42…0,45 | 0,17…0,37 | 0,50…0,80 | 0,25 | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 09Г2С | 0,12 | 0,50…0,80 | 1,30…1,70 | 0,30 | 0,30 | - | 0,04 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| 15Х5М | 0,15 | 0,50 | 0,50 | 4,50…6,00 | 0,60 | 0,45…0,60 | 0,025 | 0,025 | 0,20 | - | - | - | - |
| 30ХГСА | 0,28…0,34 | 0,90…1,20 | 0,80…1,10 | 0,80…1,10 | 0,30 | - | 0,005 | 0,025 | - | - | - | - | - |
| 12Х1МФ | 0,10…0,15 | 0,17…0,37 | 0,40…0,70 | 0,90…1,20 | 0,25 | 0,25…0,35 | 0,025 | 0,025 | 0,20 | 0,15…0,30 | - | - | - |
| 08пс | 0,05…0,11 | 0,05…0,17 | 0,35…0,65 | 0,10 | - | 0,04 | 0,035 | - | - | - | - | 0,06 | - |
| 20…ПВ | 0,17…0,24 | 0,17…0,37 | 0,35…0,65 | 0,25 | 0,25 | - | 0,03 | 0,03 | 0,30 | - | - | - | - |
| Ст2кп | 0,09…0,15 | 0,05 | 0,25…0,50 | 0,3 | - | - | 0,05 | 0,04 | - | - | - | - | - |
| 08Х18Н10Т | 0,08 | 0,80 | 2,00 | 17,0…19,0 | 9,0…11,0 | - | 0,02 | 0,035 | - | - | …0,70 | - | - |
| Сплав 29НК | 0,03 | 0,30 | 0,40 | 0,10 | 28,5…29,5 | - | 0,015 | 0,015 | 0,20 | - | 0,10 | - | 0,20 |
| Сплав 29КН…ВИ | 0,03 | 0,30 | 0,40 | 0,10 | 28,5…29,5 | - | 0,015 | 0,015 | 0,20 | - | 0,10 | - | 0,20 |
| 30ХГСН | 0,27…0,34 | 0,90…1,20 | 1,00…1,30 | 0,90…1,20 | 1,40…1,80 | - | 0,035 | 0,035 | 0,30 | - | - | - | - |
| 30ХГСН2А | 0,27…0,34 | 0,90…1,20 | 1,00…1,30 | 0,90…1,20 | 1,40…1,80 | - | 0,25 | 0,025 | 0,30 | - | - | - | - |
| 30ХГСН2АВД | 0,27…0,33 | 0,90…1,20 | 1,0…1,20 | 0,90…1,20 | 1,40…1,80 | - | 0,011 | 0,015 | 0,39 | - | - | - | - |
ЭП817 – кратковременный предел прочности 1350 МПа. Сталь предназначена для изготовления сварных и несварных силовых узлов, длительно работающих при температурах до 300°С во всеклиматических условиях. Сталь не склонна к коррозии под напряжением. Сварные соединения не склонны к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Сталь хорошо сваривается аргоно-дуговой сваркой с присадкой и без присадки, электронно-лучевой сваркой, а также электроконтактными видами сварки. После сварки не требуется последующая термическая обработка.
ВНС-16-1 – кратковременный предел прочности 1275 МПа. Применяется для изготовления сложных паяно-сварных конструкций, работающих до 450°С .
СН-2А, ВНС-5, ВНС-43 – кратковременный предел прочности 1200–1650 МПа. Обладают высокими вязкостью разрушения, трещиностойкостью, хорошо свариваются всеми видами сварки с обеспечением высокой прочности сварных соединений после термической обработки. Применяются для изготовления крепежа и силовых деталей планера.
ВНС-65 – кратковременный предел прочности 1760 МПа. Сталь переходного аустенито-мартенситного класса предназначена для высоконагруженных силовых, в том числе сварных, деталей планера, работающих при температурах от -70 до +200°С во всеклиматических условиях. Сталь не склонна к межкристаллитной коррозии, хорошо сваривается аргоно-дуговой сваркой с присадкой, а также электронно-лучевой сваркой.
СН-3, СН-3ПН – кратковременный предел прочности >1200 МПа. Применяются для обшивки и деталей внутреннего набора планера.
ВНС-73 – кратковременный предел прочности 1375 МПа. Сталь мартенситного класса предназначена для изготовления сварных и несварных силовых деталей самолетов, длительно работающих при температурах от -70 до +200°С во всеклиматических условиях. Сталь хорошо сваривается автоматической аргоно-дуговой сваркой без присадки (неплавящимся электродом) и ручной аргоно-дуговой сваркой с присадкой. После сварки не требуется обязательная термическая обработка. Сталь не склонна к коррозии под напряжением: σ =980 МПа в условиях камеры солевого тумана (KСТ-35).
ВНС-74 – кратковременный предел прочности 1400–1495 МПа. Сталь мартенситного класса предназначена для изготовления крепежа, получаемого холодной высадкой, эксплуатирующегося во всеклиматических условиях при температурах от -70 до +350°С. Сталь не склонна к коррозии под напряжением в условиях камеры солевого тумана (КСТ-35) и морском климате при приложенном напряжении σ =980 МПа. Обладает хорошей способностью к холодной высадке.
Детали крепежа из стали ВНС-74
ВНС-72 – кратковременный предел прочности 1750 МПа. Обладает повышенной пластичностью, хорошо сваривается аргоно-дуговой и электронно-лучевой сваркой. Сталь предназначена для изготовления крепежных деталей, силовых деталей планера, в том числе сварных деталей авиационной техники.
ВНС-53 – коррозионностойкая сталь с температурой эксплуатации от -70 до +300°С, обеспечивает высокую технологичность при изготовлении деталей трубопроводных систем (гибка, раскатка, развальцовка). Трубы из стали ВНС-53 с толщиной стенки от 0,5 мм по характеристикам прочности и выносливости в 2 раза превосходят серийные трубы из стали 12Х18Н10Т (используется для серийных деталей).
ВНС9-Ш – кратковременный предел прочности не менее 1470 МПа. Сталь применяется в виде ленты различной толщины для высоконагруженных, ответственных деталей: пластины торсионов, муфт и т. п.
Пластина торсиона вертолета, изготовленная из холоднокатаной ленты стали ВНС9-Ш
Физико-механические свойства коррозионностойких сталей (средние значения)
| Сталь | ? в | ? 0,2 | ? 5 | ? |
|---|---|---|---|---|
| МПа | % | |||
| ЭП817 | 1325 | 1050 | 15 | 55 |
| ВНС-16-1 | 1270 | 1000 | 15 | 50 |
| СН-2А | 1300 | 1050 | 15 | 55 |
| ВНС-5 | 1550 | 1200 | 18 | 60 |
| ВНС-43 | 1650 | 1270 | 15 | 50 |
| ВНС-65 | 1760 | 1300 | 15 | 50 |
| СН-3ПН | 1300 | 1100 | – | – |
| ВНС-73 | 1430 | 1110 | 15 | 55 |
| ВНС-74 | 1400 | 1200 | 16 | 60 |
| ВНС-72 | 1750 | 1300 | 15 | 45 |
| ВНС-53 | 980 | 780 | 20 | – |
Характеристики вязкости разрушения и малоцикловой усталости коррозионностойких сталей
| Сталь | KC V (r н =0,25 мм), Дж/см 2 | К 1с , МПа?м | МЦУ: ? max , МПа (N =2·10 5 цикл; f =5 Гц; R =1), при K t | |
|---|---|---|---|---|
| 1,035 | 2,2 | |||
|
>0,5 года |
||||
|
>0,5 года |
||||
|
>0,5 года |
||||
| Не склонна к коррозии | ||||
Характеристика материала.
Сталь 13Х15Н5АМЗ (ЭП310Ш, ВНС-5)
| Марка | |
| Классификация | Сталь жаропрочная высоколегированная |
| Заменитель | СТАЛЬ 07Х16Н6 (ЭП288, Х16Н6) 18Х14Н4АМ3 |
| Прочие обозначения | сталь 13Х15Н5АМЗ, сталь ЭП310, ст. 13Х15Н5АМЗ-Ш, ст. ВНС-5, ЭП310Ш, BHC -5, 13Х15НЧАМ3 |
| Иностранные аналоги | |
| Общая характеристика | Коррозионно-стойкая сталь аустенитно-мартенситного класса |
| Применение | Сталь 13Х15Н5АМЗ (ЭП310Ш,ВНС-5) применяется в основном в авиационной технике для изготовления поковок, предназначенных для последующей холодной механической обработки, либо для последующей горячей механической обработки (штамповки, ковки, прокатки и т.п.) при изготовлении деталей машин; специального жаропрочного крепежа для энергетического оборудования;для изготовления накаткой высоконагруженных болтов, работающих как на срез, так и на растяжение. |
| Вид поставки | |
| Классификация, номенклатура и общие нормы | ОСТ 1 90005-91 Стали и сплавы. Показатели временного сопротивления и твердости готовых деталей. Глубина слоя при химико-термической обработке цементуемых, нитроцементуемых, азотируемых сталей. |
| Сортовой и фасонный прокат | ТУ 14-1-940-74. Прутки из стали марки 13Х15НЧАМ3-Ш (ЭПЗ10-Ш). Технические условия; ТУ 14-1-1271-75. Профили стальные фасонные высокой точности. Технические условия. |
| Лист и полосы | ТУ 14-1-1505-76 Сталь тонколистовая коррозионно-стойкая марки 13Х15Н4АМ3-Ш (ЭП310-Ш). Технические условия; ТУ 14-1-2931-80 Сталь толстолистовая коррозионностойкая. Марка 13Х15Н4АМ3-Ш (ЭП310-Ш). Технические условия |
| Болванки. Заготовки. Слябы | ОСТ 1 90176-75 Штамповки из коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов. Общие технические требования; ТУ 14-1-1213-75. Заготовка горячекатаная и кованая, квадратная и прямоугольная из стали качественной углеродистой, легированной стали. Технические условия; ТУ 14-1-1626-76.Слитки листовые электрошлакового переплава из стали марки 13Х15Н4АМ3 (ЭП310). Технические условия. |
| Обработка металлов давлением. Поковки | ТУ 14-1-1530-75.Поковки из сталей и сплавов для деталей машин. Технические условия; ТУ 14-1-2902-80. Поковки из высоколегированных сталей и сплавов. Технические условия; ТУ 14-1-2918-80 Поковки из высоколегированных сталей и сплавов. Технические условия. |
Химический состав в % материала 13Х15Н5АМЗ (ЭП310Ш,ВНС-5)
Применение стали 13Х15Н5АМЗ (ЭП310Ш,ВНС-5) в авиастроении
Высоколегированные cтaли. аустенитного класса типа 12х18н10т содержат значительное количество хрома (18%) и никеля (10%) и после закалки имеют аустенитную структуру. Из таких сталей изготовляют детали, при производстве которых требуется высокая технологическая пластичность (стрингеры, патрубки и т. д.). Аустенитные cтaли. характеризуются небольшой прочностью (500-800 МПа) и невысокой работоспособностью при жёстких условиях коррозионного воздействия атмосферы и морской среды.
Стали переходного аустенитно-мартенситного класса (07х16н6 13Х15Н4АМЗ и др.) легированы по сравнению с аустенитными сталями. меньшим количеством никеля (4-7%) и хрома (15-17%). После закалки эти cтaли. имеют преимущественно аустенитную структуру и в таком состоянии характеризуются высокой технологической пластичностью. Упрочнение деталей (до 1200-1700 МПа) достигается после закалки обработкой холодом, при которой происходит переход аустенита низкой прочности в высокопрочный мартенсит. После обработки холодом сохраняется 15-30% остаточного аустенита, что обеспечивает высокую вязкость cтaли. Окончательная термообработка сталей. этого класса - отпуск при температурах 200-450(°)С. Из сталей. переходного класса изготовляют ответственные силовые детали больших сечений, листовые детали сложной формы и т. д.
Коррозионно-стойкие стали переходного класса обладают высокой надёжностью, сопротивлением коррозии под напряжением, хорошей свариваемостью всеми видами сварки (причём сварные соединения не требуют термической обработки).
Сталь 13Х15Н5АМЗ (ЭП310Ш,ВНС-5) с параметром прочности σв= 1400 ... 1600 МПа применяют для изготовления высоконагруженных деталей и сварных узлов. Высокие параметры прочности этой стали обеспечиваются повышенным содержанием углерода и азота, а пластичности и вязкости - наличием в структуре 15 - 20% равномерно распределённого остаточного аустенита. Эту высокопрочную сталь поставляют в виде поковок, штамповок, прутков и горячекатаных листов. Термическая обработка cтaли 13Х15Н5АМЗ (ЭП310Ш,ВНС-5) состоит из закалки при температуре 10700 С, обработки холодом и отпуска при 2000 С или 3500 С. При параметре прочности σв= 1600 МПа после отпуска при температуре 2000 С сталь 13Х15Н5АМЗ (ЭП310Ш,BHC-5) имеет высокие значения вязкости разрушения, ластичности, сопротивления к концентраторам напряжений, в том числе к трещинам при длительно действующих контактах с водой.
Сталь 13Х15Н5АМЗ (ЭП310Ш,ВНС-5) используют для изготовления накаткой высоконагруженных болтов, работающих как на срез, так и на растяжение.
Слабостареющие cтaли. мартенситного класса (08х15н5д2т(внс2,эп410у-ш),06х14н6д2мбт(эп817) применяются для изготовления сложных сварных конструкций (лонжероны, рамы) и элементов обшивки, работающих во всех климатических условиях. Эти стали. после закалки имеют мартенситную структуру с некоторым количеством остаточного аустенита. С. подвергаются старению при температурах 410-525(°)С и имеют прочность примерно 1300 МПа, обеспечиваемую легированием углеродом (0,07%) и медью (2%), которая вызывает дисперсионное упрочнение. Низкоуглеродистые стали. хорошо свариваются и не требуют после сварки термической обработки.
Cтали. для деталей двигателя работают при повышенных температурах, сохраняя в этих условиях высокую прочность и хорошее сопротивление окислению поверхности. Жаропрочные стали. мартенситного класса (типа 13х11н2в2мф-ш(эи961ш) легированы такими элементами, как хром, никель, углерод, азот, вольфрам, молибден, ниобий, ванадий, обеспечивающими окалиностойкость, мартенситное состояние матрицы и её карбонитридное упрочнение. Эти cтaли. после закалки подвергают отпуску при 350-720(°)С; работоспособны до температур 550-650(°)С. Для работы при 650-800(°)С применяют высоколегированные аустенитные стали. типа Х12Н20Т3МР, упрочняющиеся при старении.
Все перечисленные стали. используются в авиастроении в деформированном виде.
Сталь марки 13Х15Н4АМЗ-Ш находит свое применение во многих отраслях промышленности, например, в производстве авиационной техники. Речь идет о поковках, которые предназначаются для холодной механической обработки. Из данной марки стали изготавливаются и детали, проходящие в дальнейшем горячую механическую обработку - это прокатки, штамповки, листы.
Сталь 13Х15Н4АМЗ-Ш незаменима в производстве деталей машин, а также жаропрочного крепежа, предназначенного для работы в энергетическом оборудовании. Кроме этого, сталь 13Х15Н4АМЗ-Ш находит свое применение в производстве высоконагруженных болтов методом накатки. Такие болты могут работать как на растяжение, так и на срез.
Марка стали 13Х15Н4АМЗ-Ш относится к легированным сталям с относительно небольшим количеством хрома и никеля (соответственно 15-17% и 4-7%). Рассматриваемая нами сталь относится к аустенитным, а это значит, что она имеет высокую технологическую пластичность.
Кроме хрома и никеля, в химический состав стали входит углерод, кремний, азот, марганец, фосфор, молибден и сера.
Детали из этой стали становятся более прочными после обработки холодом: непрочный аустенит превращается в намного более прочный мартенсит. После процесса обработки остается до 15-30% аустенита, поэтому сталь имеет достаточно высокую вязкость.
Окончательной термической обработкой данных сталей является отпуск при высоких температурах, от 200 до 450 градусов.
dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2014-0-5-1-1
УДК 669.14.018.295:621.78
А. И. Щербаков, А. Н. Мосолов, В. А. Калицев
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БЕРИЛЛИЙСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ ВНС-32-ВИ
Исследованы металлургические особенности получения высокопрочной бериллийсодержащей стали ВНС-32-ВИ, включая выплавку в вакуумных индукционных печах, процессы ковки и прокатки, режимы термической обработки горячекатаных прутков диаметром 10-27 мм и кованых - до 50 мм, предназначенных для износостойких элементов систем топливорегулирующей аппаратуры. Оптимизированы термовременные параметры деформации и термической обработки прутков, обеспечивающие стабильность механических свойств и низкий уровень неметаллических включений. Определены способы снижения количества хрупкой фазы - δ-феррита - в стали.
Создание современных авиационных материалов в настоящее время - первоочередная задача . В конце 70-х годов XX столетия в ВИАМ разработан ряд бериллийсодержащих сталей, которые широко применяются для изготовления деталей трения для прецизионных приборов, полуфабрикатов, износостойких элементов для систем топливорегулирующей аппаратуры, газотурбинных двигателей, агрегатов и систем авиационной техники, высоконагруженных опор авиационных приборов, работающих во всеклиматических условиях . Разработанные материалы обеспечивают высокие точность и надежность работы систем, длительный ресурс аппаратуры в условиях криогенных и повышенных температур, агрессивных рабочих сред и являются незаменимым конструкционным материалом для существующих и перспективных изделий авиационной и космической техники .
Стали отечественного производства не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к деталям и узлам перспективных изделий авиационной и аэрокосмической техники, таким как: ресурсные показатели в агрессивной среде, точность и надежность работы систем топливорегулирующей аппаратуры и др. Как показывают исследования, введение в состав сталей бериллия существенно улучшает их свойства, в первую очередь износостойкость, коррозионную стойкость, модуль упругости и др. . К таким сталям относится сталь 32Х13Н6К3М2БДЛТ-ВИ (ВНС-32-ВИ), технология изготовления полуфабрикатов из которой была утрачена.
Бериллий обладает ограниченной растворимостью в кобальте и железе и при нагреве выделяется в виде интерметаллидного соединения (NiВе в тонкодисперсной форме), повышает твердость, износостойкость, модуль упругости в результате дисперсионного твердения в сталях и сплавах и при этом обеспечивает размерную стабильность деталей и узлов в диапазоне температур от -196 до +450°С.
Однако с 90-х годов производство бериллийсодержащих сталей (ЭИ928, ЭП354 и ВНС-13 и др.) было прекращено, а потребность в выпуске сталей для износостойких элементов авиационных двигателей, систем топливорегулирующей аппаратуры, гидросистем авиационной и ракетной техники и других видов технических средств - не снизилась. Предпринятые попытки по замене бериллийсодержащих сталей другими материалами не увенчались успехом.
Цель настоящей работы - разработка технологий выплавки, деформации и термической обработки бериллийсодержащей высокопрочной стали ВНС-32-ВИ, позволяющих решить задачу создания новых образцов современной авиационной и аэрокосмической техники, а также изделий для машиностроительной отрасли.
Методика проведения исследований
Разработку технологии выплавки стали ВНС-32-ВИ проводили в вакуумной индукционной печи периодического типа емкостью 10-30 кг применительно к условиям производства Воскресенского экспериментального технологического центра (ВЭТЦ) ФГУП «ВИАМ». Химический состав полученных слитков определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии на спектрометре «Varian 240» по ГОСТ 11739.3-82, ГОСТ Р 51056-97, ГОСТ 13899, ГОСТ 138987.
С учетом результатов испытаний экспериментальных плавок оптимизирован технологический режим выплавки стали ВНС-32-ВИ, включающий в себя последовательность введения в расплав углерода, титана, бериллия и РЗМ, а также температурный режим разливки стали.
Прутки из стали ВНС-32-ВИ диаметром 12 и 22 мм получали в условиях ОАО «Наро-Фоминский машиностроительный завод» (ОАО «НФМЗ») на прокатном стане «ВНИИМЕТМАШ».
Микроструктуру горячедеформированных прутков из стали ВНС-32-ВИ после отжига и окончательной термической обработки исследовали на оптическом микроскопе «AXIO Imager A1» (на шлифах, вырезанных из прутков диаметром 12 и 22 мм в продольном направлении). Травление проводили электролитическим методом в щавелевой кислоте.
Контроль на загрязненность неметаллическими включениями проводился на оптическом микроскопе «Leica» с цифровой камерой «VEC-335» по ГОСТ 1778-70, вариант Ш4 (поле зрения при увеличении ×100, продольное направление), по следующим видам: оксиды точечные и строчечные, нитриды и карбонитриды точечные и строчечные.
Определение модуля упругости при растяжении при 20°С проводилось поГОСТ 1497-84 на электромеханической испытательной машине Zwick/Roell Z400.
Предел прочности при растяжении при 20°С определялся на испытательной машине ИР-5113 по ГОСТ 1497-84.
Испытания стали ВНС-32-ВИ на стойкость:
К межкристаллитной коррозии по ГОСТ 6032-2003 метод А (Монипени-Штрауса);
К питтинговой коррозии по ГОСТ 9.912-89 (СТИ СЭВ 6446-88);
К общей коррозии в условиях камеры солевого тумана (КСТ-35), камеры тропического климата (КТК) и промышленной атмосферы (МЦКИ, открытый стенд).
Образцы перед коррозионными испытаниями обезжиривали и пассивировали в соответствии с требованиями ТР 1.2А.503-98.
Результаты исследований и их обсуждение
Проведенный анализ существующих технологий получения бериллийсодержащих высокопрочных сталейпоказал, что оптимальной технологией получения качественных полуфабрикатов из высокопрочной бериллийсодержащей стали ВНС-32-ВИ, обеспечивающей стабильность химического состава, низкое содержание вредных примесей, является выплавка в вакуумных индукционных печах с последующей деформацией на прутки заданного размера.
Основными задачами разработки являлись обеспечение стабильности химического состава выплавляемого металла, чистоты металла по вредным примесям (сере, кислороду, азоту) и неметаллическим включениям (оксиды, нитриды и карбонитриды), высокой технологической пластичности литого металла (слитков).
Особенностью разработанной технологии выплавки является технология предварительного и окончательного раскисления расплава стали редкоземельными металлами (РЗМ), обеспечивающими низкий уровень примесей: 0,0002-0,0006% серы, 0,0016-0,0025% азота, 0,0007-0,0010% кислорода, и стабильность усвоения основных легирующих элементов (±0,1%).
Для определения температурных параметров деформации слитков из стали ВНС-32-ВИ построена диаграмма пластичности литого металла с определением предела прочности, пластических характеристик, ударной вязкости, степени деформации в диапазоне температур 900-1200°С (рис. 1), на основании которой определен температурный интервал (температуры начала и конца деформации) при ковке слитков из стали ВНС-32-ВИ.
Рисунок 1. Зависимость механических свойств от температуры деформации прутков из стали ВНС-32-ВИ
Внешний вид прутков диаметром 12 и 22 мм, полученных в условиях ОАО «НФМЗ» на прокатном стане «ВНИИМЕТМАШ», представлен на рис. 2, а , б .
Термообработкой по стандартному режиму не удалось обеспечить необходимую твердость прутков (≤34 HRC) в отожженном состоянии для выполнения требований
ТУ 14-1-3695-84.
Рисунок 2.Внешний вид прокатного стана «ВНИИМЕТМАШ» (а ) и горячекатаных прутков Ø22 мм (б )
По результатам исследований микроструктуры прутков диаметром 12 и 22 мм после отжига установлено, что причиной повышенной твердости горячедеформированных прутков является остаточный мартенсит (рис. 3).
Введение дополнительного режима термообработки - высокого отпуска - позволило стабилизировать структуру отпущенного мартенсита и снизить твердость прутков из стали ВНС-32-ВИ до требуемых величин (≤34 НRC). Микроструктура прутков после отжига представляет собой высокоотпущенный мартенсит с карбидами, расположенными по границам и телу зерна. На всех прутках после отжига с высоким отпуском твердость была на уровне 31,3-33,3 НRC.
В результате исследований стали ВНС-32-ВИ на загрязненность неметаллическими включениями выявлено: содержание нитридов и карбонитридов строчечных и оксидов точечных - не превышает 1 балла; нитридов и карбонитридов точечных - не превышает 3 баллов (рис. 4, а ); среднее содержание оксидов строчечных - не превышает 1 балла, однако на одном из шлифов обнаружено включение оксида строчечного размером 2 балла (рис. 4, б ).
Рисунок 3. Микроструктура горячедеформированных прутков из стали ВНС-32-ВИ после отжига по ТУ (а , б ) и отжига по ТУ + дополнительного отжига(в , г )
Рисунок 4. Микроструктура прутков из стали ВНС-32-ВИ без дефектов (а ) и с неметаллическим включением (оксид строчечный 2 балла) (б )
Проведено исследование микроструктуры прутков из стали ВНС-32-ВИ после окончательной термической обработки. Микроструктура состоит из состаренного мартенсита и включений δ-феррита и соответствует нормально-упрочненному состоянию стали ВНС-32-ВИ. Увеличение твердости при повышении температуры отпуска происходит путем вторичного твердения при выделении мелкодисперсных фаз карбидов и карбонитридов хрома, связанных когерентно с матрицей, и дополнительного упрочнения благодаря выделению фазы с медью и титаном в процессе старения (рис. 5). При этом твердость прутков: 60,7-62,0 HRC, что соответствует требованиям технических условий ТУ 14-1-3695-84.
Рисунок 5. Микроструктура горячедеформированных прутков из стали ВНС-32-ВИ после полной термической обработки по ТУ
Восстановленная технология получения стали ВНС-32-ВИ, включающая вакуумную выплавку, деформацию и термическую обработку, позволила получать металл с высоким комплексом механических свойств (см. таблицу).
Механические свойства горячедеформированных прутков из стали ВНС-32-ВИ
Проведенны испытания на коррозионную стойкость: скорость коррозии на стали ВНС-32-ВИ при МКК составляет 1,45 (г/м 2)/ч, а при испытании на стойкость к питтинговой коррозии составляет 40,6-51,0 (г/м 2)/ч. Межкристаллитная коррозия металлографическим методом не обнаружена. Сталь ВНС-32-ВИ обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью в общеклиматических условиях и может применяться для изготовления износостойких элементов систем топливорегулирующей аппаратуры, прецизионных деталей и узлов, высоконагруженных опор авиационных приборов в составе планера и газотурбинных двигателей.
По результатам исследований стали ВНС-32-ВИ установлено, что следует учитывать возможность появления δ-феррита в структуре бериллийсодержащей стали (см. рис. 5), который способствует образованию в материале хрупких трещин с последующим разрушением образца .
По диаграмме Я.М. Потака и Е.А. Сагалевич с использованием данных из работы проведен расчет хромового эквивалента мартенсито- и ферритообразования для стали ВНС-32-ВИ. Определено, что при наличии в стали 12-14% Cr: хромовый эквивалент ферритообразования () равен +1,5, а хромовый эквивалент мартенситообразования () равен -14,2, что предполагает появление δ-феррита в структуре бериллийсодержащей стали ВНС-32-ВИ.
С учетом отрицательного влияния остаточного δ-феррита на деформируемость прутков и пластичность стали ВНС-32-ВИ целесообразным является проведение комплекса работ по усовершенствованию элементного состава стали ВНС-32-ВИ с корректировкой режимов термической обработки - для исключения образования δ-феррита в структуре и стабилизации свойств .
Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
- восстановлена технология получения горячекатаных прутков из высокопрочной бериллийсодержащей стали ВНС-32-ВИ в соответствии с требованиями ТУ 14-1-3695-84;
- оптимизированы технологические параметры выплавки, деформации и режимы термической обработки, обеспечивающие высокий и стабильный уровень свойств;
- исследованы способы снижения охрупчивающей фазы δ-феррита в стали.
ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения //Крылья Родины. 2012. №3–4. С. 34–38.
2. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Базылева О.А. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 13–19.
3. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
4. Каблов Е.Н. Современные материалы – основа инновационной модернизации России //Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10–15.
5. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19–36.
6. Тонышева О.А., Вознесенская Н.М., Шалькевич А.Б., Петраков А.Ф. Исследование влияния высокотемпературной термомеханической обработки на структуру, технологические, механические и коррозионные свойства высокопрочной коррозионностойкой стали переходного класса с повышенным содержанием азота //Авиационные материалы и технологии. 2012. №3. С. 31–36.
7. Салахова Р.К. Коррозионная стойкость стали 30ХГСА с «трехвалентным» хромовым покрытием в естественных и искусственных средах //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 59–66.
8. Братухин А.Г. Демченко О.Ф., Долженков Н.Н., Кривоногов Г.С. Высокопрочные коррозионностойкие стали современной авиации. М.: МАИ. 2006. С. 112–121, 130–143.
9. Солнцев Ст.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Каськов В.С. Комплексная система защиты бериллия от окисления //Авиационные материалы и технологии. 2010. №1. С. 12–16.
10. Ерасов В.С., Гриневич А.В., Сеник В.Я., Коновалов В.В., Трунин Ю.П., Нестеренко Г.И. Расчетные значения характеристик прочности авиационных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 14–16.
11. Вознесенская Н.М., Изотов В.И., Ульянова Н.В., Попова Л.С., Потак Я.М. Структура и свойства высокопрочной нержавеющей стали 1Х15Н4АМ3 //МиТОМ. 1971. №1. С. 32–35.
12. Саввина Н.А., Косарина Е.И., Мирошин К.Г., Степанов А.В. Теоретический расчет и практические способы определения вероятности обнаружения дефектов в авиационных материалах //Авиационные материалы и технологии. 2005. №1. С. 16–22.
13. Кривоногов Г.С., Каблов Е.Н. Границы зерен и их роль в охрупчивании высокопрочных коррозионностойких сталей //Металлы. 2002. №1. С. 35–45.
15. Потак Я.М., Сагалевич Е.А. Структурная диаграмма деформируемых нержавеющих сталей //МиТОМ. 1971. №9. С. 12–16.
16. Кривоногов Г.С., Каблов Е.Н. Математическая модель структурной диаграммы малоуглеродистых коррозионностойких сталей и ее применение при разработке новых материалов //Металлы. 2001. №5. С. 42–48.
17. Тонышева О.А., Вознесенская Н.М., Елисеев Э.А., Шалькевич А.Б. Новая высокопрочная экономнолегированная азотсодержащая сталь повышенной надежности //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 84–88.
18. Смолякова М.Ю., Вершинин Д.С., Трегубов И.М. Исследование влияния низкотемпературного азотирования на структурно-фазовый состав и свойства аустенитной стали /В сб. докладов 9-ой Международной конф. «Взаимодействие излучений с твердым телом». Минск. 2011. С. 176–177.
19. Косолапов Г.Ф., Герасимов С.А. О структуре α-фазы азотированного слоя стали 38Х2МЮА и 10Х13 //МиТОМ. 2011. №5. С. 71–73.
20. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. С. 508–509.
1. Kablov E.N., Lomberg B.S., Ospennikova O.G. Sozdanie sovremennyh zharoprochnyh materialov i tehnologij ih proizvodstva dlja aviacionnogo dvigatelestroenija //Kryl"ja Rodiny. 2012. №3–4. S. 34–38.
2. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Bazyleva O.A. Materialy dlja vysokoteplonagruzhen-nyh detalej gazoturbinnyh dvigatelej //Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2011. №SP2. S. 13–19.
3. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
4. Kablov E.N. Sovremennye materialy – osnova innovacionnoj modernizacii Rossii //Metally Evrazii. 2012. №3. S. 10–15.
5. Ospennikova O.G. Strategija razvitija zharoprochnyh splavov i stalej special"nogo naznachenija, zashhitnyh i teplozashhitnyh pokrytij //Aviacionnye mate-rialy i tehnologii. 2012. №S. S. 19–36.
6. Tonysheva O.A., Voznesenskaja N.M., Shal"kevich A.B., Petrakov A.F. Issledovanie vlijanija vysokotemperaturnoj termomehanicheskoj obrabotki na strukturu, tehnolog-icheskie, mehanicheskie i korrozionnye svojstva vysokoprochnoj korrozionnostojkoj stali perehodnogo klassa s povyshennym soderzhaniem azota //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №3. S. 31–36.
7. Salahova R.K. Korrozionnaja stojkost" stali 30HGSA s «trehvalentnym» hromovym pokrytiem v estestvennyh i iskusstvennyh sredah //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 59–66.
8. Bratuhin A.G. Demchenko O.F., Dolzhenkov N.N., Krivonogov G.S. Vysokoprochnye korrozionnostojkie stali sovremennoj aviacii . M.: MAI. 2006. S. 112–121, 130–143.
9. Solncev St.S., Rozenenkova V.A., Mironova N.A., Kas"kov V.S. Kompleksnaja sistema zashhity berillija ot okislenija //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2010. №1. S. 12–16.
10. Erasov V.S., Grinevich A.V., Senik V.Ja., Konovalov V.V., Trunin Ju.P., Nesterenko G.I. Raschetnye znachenija harakteristik prochnosti aviacionnyh materialov //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 14–16.
11. Voznesenskaja N.M., Izotov V.I., Ul"janova N.V., Popova L.S., Potak Ja.M. Struktura i svojstva vysokoprochnoj nerzhavejushhej stali 1H15N4AM3 //MiTOM. 1971. №1. S. 32–35.
12. Savvina N.A., Kosarina E.I., Miroshin K.G., Stepanov A.V. Teoreticheskij raschet i prakticheskie sposoby opredelenija verojatnosti obnaruzhenija defektov v aviacionnyh materialah //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2005. №1. S. 16–22.
13. Krivonogov G.S., Kablov E.N. Granicy zeren i ih rol" v ohrupchivanii vysokoprochnyh korrozionnostojkih stalej //Metally. 2002. №1. S. 35–45.
14. Wagatsuma K., Hirokawa Kh. Observation of ion nitriding on Fe–Cr, Fe–Ni and Ni–Cr alloy surfaces in a glow discharge plasma //Surface and interface analisis. 2012. V. 8. №1. P. 37–42.
15. Potak Ja.M., Sagalevich E.A. Strukturnaja diagramma deformiruemyh nerzhavejushhih stalej //MiTOM. 1971. №9. S. 12–16.
16. Krivonogov G.S., Kablov E.N. Matematicheskaja model" strukturnoj diagrammy malouglerodistyh korrozionnostojkih stalej i ee primenenie pri razrabotke novyh mate-rialov //Metally. 2001. №5. S. 42–48.
17. Tonysheva O.A., Voznesenskaja N.M., Eliseev Je.A., Shal"kevich A.B. Novaja vysoko-prochnaja jekonomnolegirovannaja azotsoderzhashhaja stal" povyshennoj nadezhnosti //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 84–88.
18. Smoljakova M.Ju., Vershinin D.S., Tregubov I.M. Issledovanie vlijanija nizkotempera-turnogo azotirovanija na strukturno-fazovyj sostav i svojstva austenitnoj stali /V sb. dokladov 9-oj Mezhdunarodnoj konf. «Vzaimodejstvie izluchenij s tverdym telom». Minsk. 2011. S. 176–177.
19. Kosolapov G.F., Gerasimov S.A. O strukture α-fazy azotirovannogo sloja stali 38H2MJuA i 10H13 //MiTOM. 2011. №5. S. 71–73.
20. Gerasimov S.A., Kuksenova L.I., Lapteva V.G. Struktura i iznosostojkost" azotiro-vannyh konstrukcionnyh stalej i splavov . M.: MGTU im. N.Je. Baumana. 2012. S. 508–509.