Экономнолегированные коррозионностойкие стали

Аустенитные хромоникелевые стали содержат большое количество дефицитного никеля, поэтому дороги. Их по возможности стремятся заменять безникелевыми или малоникелевыми сталями. Для замены никеля используют аустенитообразующие элементы марганец и азот. Примером экономнолегированных аустенитных сталей могут служить 10Х14АГ15 (0,15—0,25% N), 10Х14Г14Н4Т и другие, применяемые для работы в слабоагрессивных средах для оборудования пищевой промышленности.

Хромоникелевые стали аустенитно-ферритного класса характеризуются пониженным содержанием никеля и повышенным содержанием хрома по сравнению с аустенитными сталями типа 18% Сг— (9−5-10)% Ni.

Аустенитно-ферритными являются стали 12Х21Н5Т; 08Х22Н6Т; 08Х20Н14С2 и др. Преимуществом аустенитно-ферритных сталей по сравнению с аустенитными является меньшее содержание никеля, повышенная прочность, меньшая склонность к межкристаллитной коррозии, хорошая свариваемость.

Так же как и аустенитные стали, аустенитно-ферритные стали не упрочняются при закалке. После закалки (проводится для устранения наклепа, уменьшения склонности к межкристаллитной коррозии) аустенитно-ферритные стали имеют двухфазную аустенитно-ферритную структуру и следующие механические свойства: а_в = 600— 700 МПа, о_{0 2} = 450—550 МПа; 6 = 30%.

Аустенитно-ферритные стали используют в качестве заменителей аустенитных сталей в различных областях современной техники и при изготовлении художественных и ювелирных изделий. Их основное назначение в ювелирной технике заключается в том, что из них изготавливают предметы для сервировки стола: ложки, вилки, ножи, рюмки, бокалы, стопки, принадлежности для часов — оправы и браслеты для наручных часов, бортовые цепи и шатленки для карманных часов, а также застежки для обуви.

Чугун. Структура чугунов. В соответствии с реальными условиями кристаллизации в структуре чугунов могут быть разные составляющие в зависимости от того, какая часть углерода оказывается в структурно свободном состоянии. Это же определяет название чугунов: белый, половинчатый, серый.

Белый чугун — это чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии. Белые чугуны по структуре подразделяют на доэвтектические, имеющие структуру П + Ц_п + Л, эвтектические со структурой Л, заэвтектические + Л.

Белый чугун для изготовления деталей машин не используют, поскольку он обладает высокой твердостью (НВ 450—550), хрупок и практически не поддается обработке режущим инструментом. Высокие твердость и хрупкость белого чугуна обусловлены наличием в нем ледебурита.

Половинчатый чугун — тот, в котором одна часть углерода находится в связанном состоянии (С_связ > 0,8%), а другая — в свободном. В структуре половинчатых чугунов наряду со вторичным цементитом или цементитом ледебурита имеется графит. Структура половинчатого чугуна может быть П + Ц_п + Г или П + Л + Г.

Излом половинчатого чугуна частично белый (в местах залегания ледебурита), частично серый (в местах, где расположены включения графита).

Половинчатые чугуны, так же как и белые, для изготовления деталей машин не используются.

Серый чугун — тот, в котором большая часть углерода или почти весь углерод находится в свободном состоянии, а в связанном состоянии может быть до 0,8% С. В структуре серого чугуна имеется графит, количество, форма и распределение которого могут изменяться в широких пределах. Может содержаться также цементит, но только не в структурно свободном состоянии, а в составе эвтектоида, т. е. перлита (ледебурита или цементита вторичного в структуре серого чугуна нет).

Название серый чугун получил по цвету излома — излом серого цвета.

В микроструктуре такого чугуна следует различать металлическую основу и включения графита, которые эту основу пронизывают.

Графит в сером чугуне может быть разным по форме включений: пластинчатым, хлопьевидным и шаровидным. В обычном сером чугуне графит образуется в пластинчатой форме. Чугун, в котором графит имеет форму хлопьев, называют ковким чугуном. Чугун с шаровидной формой графита называют высокопрочным чугуном.

Металлическая основа чугуна может состоять из перлита (если количество связанного углерода в чугуне составляет 0,8%), или из феррита + перлита (если количество связанного углерода меньше 0,8%), или только из феррита (С_связ < 0,03%). В зависимости от структуры металлической основы различают: перлитный чугун, имеющий структуру П + Г, ферритноперлитный чугун, структура которого состоит из Ф + П + Г; ферритный чугун со структурой Ф + Г.

Серый, ковкий и высокопрочный чугуны являются широко распространенными и дешевыми литейными конструкционными материалами. Свойства таких чугунов зависят как от структуры металлической основы, так и от характера графитных включений (формы, размеров, количества этих включений). Именно из таких чугунов отливают художественные изделия, включающие ювелирные.

На прочностные свойства существенно влияет структура металлической основы.

Чугун с перлитной структурой обладает наибольшей твердостью, прочностью и износостойкостью. Наличие феррита в структуре металлической основы вызывает снижение прочностных характеристик и износостойкости. Наименьшую прочность имеет ферритный чугун. Твердость чугуна с различной структурой металлической основы имеет следующие значения: чугун с ферритной основой имеет твердость 150 НВ, с ферритно-перлитной основой — 200 НВ и перлитной основой — 250 НВ.

Пластичность чугунов мало зависит от структуры металлической основы.

Форма графитных включений мало влияет на твердость чугуна, однако на прочность и пластические свойства она оказывает значительное влияние. Наиболее благоприятной формой графита является шаровидная, а пластинчатый графит снижает прочность и пластичность чугуна.

Графит обладает низкими механическими свойствами и включения графита действуют так, как будто бы в металлической основе имеются пустоты, внутренние надрезы, которые разобщают и ослабляют эту основу.

Включения графита пластинчатой формы действуют как острые внутренние надрезы или трещины, ослабляющие металлическую основу и уменьшающие прочность и пластичность чугуна. Чем крупнее пластинки графита и менее равномерно распределены по объему, тем меньше прочность чугуна при растяжении. Тем не менее подобные свойства неважны для художественного изделий и потому широко применяются при художественном литье.

Чем компактнее форма включений графита и чем меньше их количество, тем в меньшей степени они ослабляют металлическую основу, тем выше прочность и пластичность чугуна при одной и той же структуре металлической основы. Так, чугун с шаровидной формой включений графита имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатой формой графитных включений (отсюда и название чугуна — высокопрочный).

Пластичность чугуна очень заметно зависит от формы включений графита:

Кроме снижения прочности и пластичности включения графита заметно понижают также модуль упругости чугуна, значения которого оказываются гораздо ниже, чем у стали.

Следует отметить, что в определенных случаях наличие графита в структуре полезно и дает чугуну преимущества перед сталью: включения графита облегчают обрабатываемость чугуна резанием (стружка делается ломкой); благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами, т. е. хорошо работает на трение. Чугун с включениями графита обладает способностью быстро гасить вибрации, колебания. Графит делает чугун практически нечувствительным к поверхностным надрезам и другим дополнительным дефектам на поверхности.

Следует также отметить хорошие литейные свойства чугуна, дающие ему преимущество по сравнению со сталью. Как было сообщено ранее, художественные отливки выполняются из серого чугуна, потому что у него повышенная жидкотекучесть и высокая заполняемость формы. Это объясняется тем, что при достаточном содержании фосфора кристаллизация чугуна происходит с образованием наиболее легкоплавкой фосфидной эвтектики. В серых чугунах — двойной эвтектики (аустенит + Fe₃C + Fe₃P) эвтектика улучшает литейные свойства чугуна. Кроме того, включения фосфидной эвтектики способствуют повышению износостойкости серого чугуна, но увеличивают его хрупкость. Для повышения жидкотекучести и заполняемости серые чугуны легируют фосфором, количество которого может доходить до 1%. Фосфор практически не влияет на графитизацию чугуна. Если в чугуны вводят такие элементы, как алюминий, медь, кремний (свыше 3,5%), марганец (свыше 1%), хром, никель и др., то получаются легированные чугуны.

Серые чугуны обозначают (маркируют) буквами С (серый), Ч (чугун) и цифрами, показывающими минимальное значение временного сопротивления при растяжении в МПа • 10^-1. Стандартные марки чугунов: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧЗО, СЧ35. Допускаются также по требованию потребителя чугуны марок СЧ18, СЧ21, СЧ24.

Приблизительный химический состав чугунов стандартных марок: 2,9—3,7% С, 1,2—2,6% Si, 0,5—1,1% Мп, не более 0,2—0,3% Р и не более 0,12—0,15% S. Для ювелирных отливок количество фосфора доводят до 1%.

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. Для какой группы ювелирных изделий применяются легированные стали?
• 2. На какие группы делятся стали по химическому составу?
• 3. Как по марке стали можно определить ее химический состав? Определите химический состав стали 10ХСНД.
• 4. На какие группы делятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали?
• 5. Какую роль в коррозионностойких сталях играют хром и никель?
• 6. Какие художественные и ювелирные изделия изготавливают из чугуна?
• 7. Какие составляющие определяют название чугунов?
• 8. Почему при изготовлении художественных изделий используют серый чугун?
• 9. Для чего при плавке чугун легируют кремнием и алюминием?
• 10. Почему количество фосфора увеличивают до 1%?