Высоколегированная сталь – что она собой представляет и зачем нужна?

1 Классификация сталей с высоким содержанием легирующих элементов

Государственный стандарт 5632–72 подразделяет такие стали на никелевые и железоникелевые.
У первых базовая структура представлена раствором (твердым) хрома и иных добавок с легирующими свойствами в никелевой основе, включающей в себя от 50 и более процентов хрома.
Основная же структура железоникелевых сплавов характеризуется отношением железа к никелю 1,5 к 1, при этом суммарный объем этих химических элементов в стали равняется 65 и более процентам.

В зависимости от ключевых параметров высоколегированные составы принято делить на три группы:

• Окалиностойкие (жаростойкие). Им присуща стойкость против поверхностного химического разрушения при температурах более 550 °С в газообразной среде. Такие стали могут использоваться в слабонагруженном либо ненагруженном состоянии.
• Нержавеющие (коррозионностойкие). Эффективно противодействуют межкристаллитной, кислотной, почвенной, солевой, щелочной, атмосферной химической и электрохимической коррозии, а также коррозии под напряжением.
• Жаропрочные. Функционируют при повышенных температурах в нагруженном состоянии на протяжении оговоренного срока. При этом они характеризуются относительно высокой жаростойкостью.

Также стали с большим содержанием легирующих компонентов условно подразделяют на несколько классов по структурным признакам (учитывается их базовая структура, которая образуется при охлаждении готового сплава на воздухе после осуществленного нагрева заготовки при высокой температуре). Выделяют следующие классы:

• ферритный: отсутствие фазовых превращений, структура – феррит;
• мартенситный: структура – мартенсит;
• аустенитный: структура – аустенит;
• аустенитно-мартенситный: мартенсит плюс аустенит, объем которых варьируется достаточно широко;
• мартенситно-ферритный: 10 % феррита плюс мартенсит;
• аустенитно-ферритный: 10 % феррита плюс аустенит.

2 Основные особенности сталей разных видов и классов

Высоколегированная металлургическая продукция применяется в различных промышленных отраслях, начиная от машиностроения и энергетики и заканчивая нефтяной и химической производственной сферой. Наиболее востребованными при этом считаются аустенитные стали. В них никель содержится в количестве не менее 8 %, а хром – не менее 18 %. Служебное назначение и специальные свойства данных сплавов обуславливают конкретную комбинацию других легирующих добавок.

Жаропрочные стали могут при длительном нагреве не изменять своих механических параметров. Такие свойства они получают за счет введения в их состав до 7% вольфрама и молибдена, а также бора, который требуется для измельчения зерна. Бор, заметим, вводится не во все жаропрочные стали.

Ключевая особенность коррозионностойких высоколегированных композиций – малое (до 0,12 %) содержание углерода. Данные сплавы не только легируются соответствующими присадками, но и подвергаются специальной термообработке, благодаря чему при температурах окружающего воздуха от +20 °С они не ржавеют в любых жидкометаллических, щелочных и газовых средах, в кислотных водных растворах.

Жаростойкие стали применяются, как правило, для изготовления элементов газопроводных комплексов, печной арматуры, нагревательных изделий и иных слабонагруженных деталей. Свои особые характеристики они обретают за счет включения в их состав незначительного количества кремния и до 2,5 % алюминия. Кремний требуется для формирования плотных и очень прочных оксидов на поверхности изделий, которые надежно защищают сталь от взаимодействия с газовой атмосферой.

Стоит сказать, что все без исключения стали с высокой степенью легирования получают высокие пластические и прочностные характеристики после их термической обработки. Под таковой понимают процесс, состоящий из двух этапов:

• нагрев до 1150 градусов (закалка металла) и последующее охлаждение стали в воде;
• отпуск (стабилизирующий), предполагающий охлаждение до комнатной температуры предварительно нагретого до 850 градусов металла на открытом воздухе.

Конкретные структуры высоколегированных сплавов зависят от уровня пластической деформации, режимов, в которых осуществляется термообработка стали, и, конечно же, от ее конечного состава.

3 Высоколегированная сталь – марки и сферы применения

Далее мы приводим наиболее известные и востребованные промышленностью высоколегированные стали, марки данных сплавов разных классов таковы:

• Мартенситные с содержанием хрома от 8 до 19 %, марганца не более 1,2 %, кремния от 0,6 до 3 %, углерода от 0,12 до 0,7 %: 07Х16Н4Б, 09Х16Н4Б, 20Х17Н2, 65Х13, 13Х11Н2В2МФ, 95Х18, 25Х13Н2, 30Х13Н7С2, 09Х16Н4Б, 20Х17Н2, 13Х14Н3В2ФР, 40Х13, 20Х13, 11Х11Н2В2МФ, 18Х11МНФБ, 40Х10С2М, 30Х13, 16Х11Н2В2МФ, 20Х12ВНМФ, 15Х11МФ, 40Х9С2.
• Ферритные (хром – от 12 до 30 %, марганец – до 0,8 %, кремний – от 0,8 до 2 %, углерод – от 0,07 до 0,15 %): 08Х18Тч, 15Х28, 15Х18СЮ, 12Х17, 10Х13СЮ, 08Х18Т1, 15Х25Т, 08Х17Т, 08Х13.
• Мартенситно-ферритные (хром – от 11 до 18 %, марганец – от 0,5 до 0,9 %, кремний – от 0,4 до 0,8 %, углерод – 0,12–0,22 %): 14Х17Н2, 18Х12ВМБФР, 15Х12ВНМФ, 12Х13.
• Аустенитно-мартенситные (хром – 14–18 %, кремний и марганец – до 0,8 %, углерод – от 0,05 до 0,9 %): 08Х17Н6Т, 09Х17Н7Ю1, 07Х16Н6, 08Х17Н5М3, 09Х15Н8Ю1.
• Аустенитно-ферритные (хром – 19–25 %, марганец – 0,5–9 %, кремний – 0,8–4,5 %, углерод – 0,08–0,2 %): 03Х22Н6М2, 15Х18Н12С4ТЮ, 20Х23Н13, 12Х21Н5Т, 20Х20Н14С2, 03Х23Н6, 08Х18Г8Н2Т, 08Х21Н6М2Т, 08Х22Н6Т, 08Х20Н14С2.
• Аустенитные (хром – от 10 до 19 %, никель – от 2,8 до 25 %, марганец – от 0,6 до 15 %, кремний – от 0,4 до 0,8 %, углерод – от 0,05 до 0,21 %): 05Х18Н10Т, 10Х11Н20Т2Р, 20Х25Н20С2, 10Х23Н18, 03Х21Н21М4ГБ, 55Х20Г9АН4, 31Х19Н9МВБТ, 12Х18Н12Т, 03Х18Н12, 03Х18Н11, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10, 12Х18Н9Т, 12Х18Н9, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н13М2Т, 12Х17Г9АН4, 03Х16Н15М3Б, 08Х16Н13М2Б, 09Х14Н19В2БР1, 45Х14НМВ2М, 10Х14Г14Н4Т, 10Х11Н23Т3МР, 08Х10Н20Т2, 03Х18Н10Т, 12Х25Н16Г7АР, 20Х23Н18, 45Х22Н4М3 и другие.

Также хочется рассказать о том, в каких сферах применяются некоторые стали с большим количеством легирующих добавок:

• 12Х17: не используются для производства сварных изделий, из них обычно делают кухонную утварь и предметы домашнего обихода;
• 12Х13, 08Х13 и 20Х13: изготовление элементов гидравлических установок (в частности, клапанов), высокопластичных деталей, на которые воздействуют ударные нагрузки, конструкций, работающих в слабоагрессивных условиях (соляные неконцентрированные растворы, атмосферные осадки);
• 95Х18: производство высокотвердых шарикоподшипников, используемых в установках нефтедобывающей промышленности, втулок и прочных ножей, инструмента, подвергающегося износу (95Х18 по своим характеристикам похожа на некоторые марки инструментальных сталей);
• 40Х13 и 30Х13: изготовление компрессорных клапанных пластин, карбюраторных игл, пружин для транспорта, хирургического и измерительного инструмента.