Высоколегированная сталь

Высоколегированные стали— это сплавы, в которых массовая доля легирующих добавок превышает 10%.

Они отличаются не только специфическими свойствами, которые придают присадки, но и сложной кристаллической структурой. Чтобы каждый химический элемент нашел свое место в молекулярной решетке, расплав предварительно очищают от примесей и углерода. Материал содержит разные металлы, интерметаллиды и карбидные включения. Для создания единой, прочной структуры полуфабрикаты подвергают термической обработке.

Согласно стандарту ГОСТ 5632-72 (время действия регламента ограничено) высоколегированные стали классифицируют по компоненту, составляющим основу:

• Никелевые: твердый раствор хрома и присадок в никеле;
• Железоникелевые: основа — железо, усиленное никелем.

Массовая доля железа во всех марках не менее 45%, а содержание основного легирующего элемента по нижнему пределу — от 8%. Общие характеристики:

• Стойкость ко всем видам коррозии в сложных условиях эксплуатации;
• Технологичность: пластичность, обрабатываемость штамповкой и резанием;
• Чувствительность к термообработке: при прохождении температурных порогов характеристики меняются;
• Немагнитность (не у всех): позволяет применять в производстве точного оборудования.

Все сплавы пригодны к сварке, но операцию может выполнить только профессионал. При нагреве и плавлении кромок происходит рекристаллизация, выгорание углеродов, показатели прочности и другие свойства изменяются. Каждая марка имеет собственное назначение, а характеристики зависят от массовой доли лигатур. Например вольфрам и молибден служат упрочнителями хромоникелевых систем, ванадий и марганец повышают износостойкость, цинк выполняет роль стабилизатора, так как способен составлять связи с рядом веществ.

Основные потребители: нефтедобывающий и нефтеперерабатывающий сектор, газовая отрасль, энергетическая промышленность, морское судостроение, промышленные линии, где используется печное и охлаждающее оборудование. В остальных отраслях применение сталей со сложной химической формулой не так распространено. Для решения стандартных технических задач не требуются специальные качества, но ряд сталей используют и в быту: для изготовления посуды, ножей, барабанов стиральных машин.

Виды высоколегированных сталей

Служебные названия позволяют определить сферу применения. Несмотря на разнообразие материалов с разными качествами, стандартом ГОСТ 5632-72 выделены 3 группы:

• I — Корозионно-стойкие: устойчивость ко всем видам коррозии, в том числе электрохимической и под напряжением.
• II — Жаростойкие (окалиностойкие): стойки к агрессивным средам и образованию окалины в терморежиме выше 550⁰. Используются в производстве ненагруженных деталей.
• III — Жаропрочные: устойчивы к механическим нагрузкам при повышенных температурах.

Все высоколегированные стали предназначены для применения в неблагоприятных условиях. Примеры:

• Криогенные: 10Х14Г14Н4Т, 12Х18Н10Т;
• Кислотоупорные: 08Х17Н5М3, 06ХН28МДТ, ХН65МВ;
• Высокопрочные: 20Х17Н2, 95Х18;
• Для конструкций, размещенных в агрессивных средах: 08Х21Н6М2Т, 10Х17Н13М2Т;
• Для морского судостроения: 09Х17Н7Ю1, 07Х16Н4Б;
• Для предметов быта: 12Х17, 08Х18Т1, 10Х14Г14Н3;
• Для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам: 20Х13, 25Х13Н2;
• Режущие: 30Х13, 40Х13;
• Для оснащения турбин: ХН60Ю, ХН77ТЮРУ;
• Для печного оборудования и выхлопных систем: 36Х18Н25С2, ХН45Ю.

Некоторые марки могут использоваться в разных сферах. Например 12Х18Н10Т применяется в температурных диапазонах от -196 до +600 С⁰, одновременно служит прочным конструкционным материалом для изготовления нагруженных деталей и противостоит воздействию кислот, щелочей, солей, сваривается без ограничений.

Жаростойкая группа содержит много хрома (не менее 28%) и кремния, в процессе окисления они формируют пленку окислов, которая защищает поверхность от разрушения. Сплавы используют для производства установок пиролиза, теплообменников, термопар, электродов. Например 15Х25Т или 40Х10СМ2.

Жаропрочные составы имеют склонность к дополнительному упрочнению вследствие выпадения дисперсных частиц при воздействии температур. В перенасыщенном растворе атомы, не связанные в кристаллической решетке сдвигаются к границам зерен и образуют включения. Различают три типа упрочнения: карбидное, интерметаллидное и смешанное.

Категории высоколегированных сталей

Эксплуатационные характеристики зависят от структурных признаков. Строение кристаллической решетки обусловливает устойчивость к группам агрессивных сред, рабочим терморежимам и нагрузкам. Сплавы классифицируют по классам:

• Ферриты: пластичные с зернистой неоднородной структурой, обладают меньшей коррозионной стойкостью, так как железо, связанное в карбидных соединениях реагирует на увеличенные концентрации агрессивных веществ, упорядоченная решетка сохраняет магнитную проницаемость.
• Аустениты: переходное состояние при охлаждении расплава, но сплавы хромоникелевомарганцевой системы сохраняют его в обычных условиях. Отличаются высокой коррозионной стойкостью, хорошо поддаются обработке давлением.
• Мартенситы: образуются в хромистых составах при быстром охлаждении аустенитов. Металл становится плотным, устойчивым к холодовому охрупчиванию, обретает повышенную прочность и память, восстанавливается после незначительных повреждений. Мартенситы стойки к окислению при экстремальном нагреве, но применение в контакте с окислителями ограничивается, так как появляется склонность к межкристаллической коррозии.

Большое количество добавок иногда вызывает формирование одновременно двух фаз, имеющих разные свойства. Среди высоколегированных марок распространены следующие виды:

• Аустенитно-мартенситный (в любых соотношениях) — повышенная прочность обусловлена дисперсно-твердеющими частицами и мартенситными включениями.
• Мартенситно-ферритный (до 10% феррита) — хромистые соединения обеспечивает оптимальную пассивацию поверхности, достаточную твердость. Этот тип применяется в производстве нефтехимического оборудования. При сварке высока вероятность появления хрупких трещин.
• Аустенитно-ферритный (до 10% феррита) —  улучшенная механическая прочность в сравнении с аустенитными. Стойкость к коррозии зависит от химической формулы. Аустенитная решетка не устойчива к воздействию хлора, но при объединении фаз задача может быть решена.

Наиболее востребованы аустенитные стали с высоким содержанием хрома (от 18%) и никеля (от 8%). Они универсальны при использовании в большинстве разрушающих сред, но обладают недостаточной механической прочностью для изготовления нагруженных деталей и конструкций.

Выплавка ферритов — сравнительно недорогой процесс: они не требуют дорогих добавок и сложных режимов термообработки для изменения молекулярного строения. Создание дуплексных структур открывает новые возможности для решения технологических задач, часто они превосходят характеристики отдельных классов или обладают лучшими экономическими показателями.

Более подробно — на сайте

Маркировка

В российской системе обозначений маркировка указывает на химический состав, в ней приведены все элементы, формирующие основу, и лигатуры, концентрации которых приближены к 1%.

Расшифровка:

• Первая цифра — углеродная составляющая, выраженная сотыми долями процента. Например в марке 12Х17 оно равно 0,12%.
• Буквенные символы — обозначают включенные в состав металлы, сразу после углерода указывают основной компонент.
• Цифровое обозначение — содержание каждого элемента в процентах. Если оно равно или приближено к 1, цифру не пишут.

Примеры:

• 8Х18Н10Т — углерод (0,08%), хром (18%), никель (10%), титан (1%);
• 07Х16Н4Б — углерод (0,07%), хром (16%), никель (4%), ниобий (1%);
• ХН65МВ — сырье специального назначения ЭП567: углеродная масса не указана ( содержание менее 0,03%, значение округлено до 1), общий хромникелевый эквивалент — 65%, марганец (1%), вольфрам (1%)

Дополнительные обозначения:

• Р — режущие. Углеродная масса не указывается, так как она пропорциональна содержанию ванадия, а хромистая составляющая всегда равна 4-9%. Пример: Р9М4К8, режущая сталь, легированная молибденом и кобальтом.
• У — ХН77ТЮР и ХН77ТЮРУ отличаются по содержанию углерода, следовательно пропорции в составе смещены.
• Специальные методы обработки указывают через дефис: ПТ- плазменная выплавка, ГР — газокислородное рафинирование и др.

Как правило, классификация объединяет группы с похожим обозначением и признаками. Иногда встречаются маркировки ЭИ827, ЭП109. Они указывают реестр предприятия, создавшего патент. Позднее они включаются в обычную систему и им присваивается общепринятая формулировка.

Сварка

Сложное соотношение составляющих делает структуру чувствительной к нагреву до температуры плавления. При рекристаллизации свойства и пропорции химических веществ изменяются. В каждом случае метод и присадочные материалы выбирают на основании технической документации и рекомендаций производителя.

Особенности:

• Лигатуры снижают теплопроводность и увеличивают концентрацию тепла в месте стыка;
• Повышенный коэффициент линейного расширения: приводит к жесткому соединению свариваемых деталей и трещинам.
• Трещины: горячие у аустенитов, холодные — у мартенситов;
• Потеря антикоррозийных качеств из-за выпадения карбидов, частичное восстановление закаливанием;
• Стабилизации при закаливании сварного шва приводит к потере пластичности.

В качестве решения применяют электроды увеличивающие феррит, содержащие легирующие добавки. Если шов получается неоднородным в околошовной зоне появляются диффузные деформации.

Технологию сварки подбирают исходя из теплопроводности, свойств и массы всех элементов. Операцию производят в среде защитных газов с предварительным нагревом и быстрым охлаждением. Несмотря на то, что температура плавления некоторых сталей превышает 1200⁰, критические терморежимы ускоряют окисление и распад ряда соединений.

Часть марок не пригодна к изготовлению сварных конструкций, только для клепаных, обработки штампованием или производства крепежей. Если сварка необходима, решение находят расчетным путем. При постановке трудных задач проводятся предварительные испытания.